吳景鑫, 郭秀軍,2,3, 賈永剛,2,3, 孫 翔,李 寧

1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 2661002.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 2661003.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100

0 引言

天然氣水合物開采過程中，若水合物賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，分解難以控制，將導(dǎo)致甲烷氣大量泄露，對海洋地球化學(xué)、海洋生態(tài)、全球碳循環(huán)和溫室效應(yīng)產(chǎn)生巨大影響[1]。目前，甲烷泄漏主要監(jiān)測方式是將甲烷濃度傳感器(METs等)、水平多波束聲納裝置集成在座底式潛標(biāo)上[2]，原位定點(diǎn)監(jiān)測底層水甲烷濃度變化和氣體宏泄露。同時(shí)，在可能發(fā)生氣體泄漏的位置布設(shè)氣阱裝置，監(jiān)測氣體泄漏率[3]。這種潛標(biāo)式甲烷泄漏監(jiān)測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)長期定點(diǎn)監(jiān)測，但監(jiān)測范圍較小且具有一定滯后性，不能實(shí)現(xiàn)沉積物中甲烷氣泄漏擴(kuò)散過程監(jiān)測。日本南海海槽天然氣水合物試采工程采用深海地震系統(tǒng)(deep-sea seismic system, DSS)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以生產(chǎn)井為中心布設(shè)三維地震接收系統(tǒng)，通過監(jiān)測不同時(shí)期沉積層地震剖面信息反演沉積層中甲烷氣的泄漏[4]。DSS運(yùn)行成本高昂，獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)需耗費(fèi)大量人力物力。

電阻率成像法是一種通過地下介質(zhì)電阻率觀測實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層探測的技術(shù)。雖然在海底氣體泄漏原位監(jiān)測方面還沒有見到該技術(shù)的應(yīng)用，但其在陸域地下氣庫探測中表現(xiàn)出對地層累積氣體空間分布及遷移過程的良好探測能力[5-8]。在海底沉積層氣體泄漏探測方面，尚可旭等[9]以海底冷泉探測為例初步構(gòu)建了含氣砂土電阻率模型，通過理論模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得了含氣砂土層電阻率成像剖面，證實(shí)了電阻率成像技術(shù)對含氣層探測的有效性。

基于此，本文擬設(shè)計(jì)一種海床基原位電學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水合物開采過程沉積層甲烷氣泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測；以我國南海天然氣水合物試采區(qū)為對象，依據(jù)區(qū)內(nèi)地震資料構(gòu)建不同甲烷氣泄露模型和相應(yīng)電阻率模型，利用正、反演計(jì)算方式得到沉積層背景電阻率剖面及不同甲烷氣泄漏狀態(tài)下的電阻率監(jiān)測剖面，分析剖面圖像異常特征，界定異常圖像和甲烷氣泄露區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，評價(jià)該方法的監(jiān)測能力。

1 甲烷氣泄漏地質(zhì)模型

1.1 研究區(qū)選取

2007年，我國在南海神狐海域開展了第一次天然氣水合物鉆探(GMGS-1)，并在SH2、SH3、SH7站位取到水合物樣品[10-11]。2015年，在該海域?qū)嵤┝说谌翁烊粴馑衔镢@探(GMGS-3)，19個(gè)站位的測井資料均顯示了天然氣水合物的分布，在其中的W11、W17、W18及W19站位附近實(shí)施了取心鉆探[12]，站位及鉆孔位置分布見圖1。其中W19站位水合物層厚度大、飽和度高，是南海水合物開采的最佳遠(yuǎn)景區(qū)之一[13]，本文將W19站位位置作為研究區(qū)。

圖1 南海GMGS-3鉆探區(qū)(a)及站位、鉆孔位置(b)示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.1 Location of GMGS-3 (a) and drilling sites (b) in South China Sea (modified after reference [12])

1.2 地質(zhì)參數(shù)設(shè)置

參照GMGS-3-W19站位資料選取地質(zhì)模型參數(shù)，該站位水深1 273 m[14]，水合物層埋深為海床下134～202 m?；诳紫端烙?jì)值得到的水合物飽和度，將水合物層由上到下分為3層[12-13]。由于GMGS-3-W19站位與GMGS-1-SH7站位沉積物巖性相近[15]，都以粉砂質(zhì)黏土和黏土互層為主[16]，其他地質(zhì)參數(shù)取值參考SH7站位。

1.3 甲烷氣泄漏地質(zhì)模型建立

水合物分解后，甲烷氣在沉積物中的運(yùn)移方式主要有分散式、中心式和大規(guī)模排放3種類型[17]。本文只對分布較為廣泛的分散式和中心式開展研究。

神狐海域?qū)崪y地震資料(圖2)顯示，淺層水合物層在地震剖面中表現(xiàn)為似海底反射層(bottom simulating reflector, BSR)，其主要發(fā)育在氣煙囪頂部。上新世以來的地層中(T2界面至海底，即5.5 Ma 到現(xiàn)今)，中—小尺度規(guī)模的斷層非常發(fā)育[18]，水合物一旦分解，甲烷氣就可能沿氣煙囪頂部發(fā)育的正斷層(圖2a)泄漏并運(yùn)移至淺部沉積物。甲烷氣進(jìn)入淺部沉積物后，不斷聚集形成層狀或團(tuán)塊狀淺層氣分布區(qū)，據(jù)此可建立層狀、團(tuán)狀甲烷氣聚集模型(圖3a、b)。若淺部聚集的甲烷氣慢速擴(kuò)散至海底，結(jié)合Hikurangi大陸邊緣慢速冷泉概念模型[19]，可建立慢速甲烷氣泄露模型(圖3c)。除此之外，甲烷氣還可能沿與海底相通的滑脫斷層(圖2b)直接泄露至海底，以此為參考建立如圖3d所示的斜向北偏東45°通道狀甲烷氣泄漏模型。

2 甲烷氣泄漏電阻率模型

沉積層和水合物層電阻率根據(jù)GMGS-3的W19電測井?dāng)?shù)據(jù)[13]進(jìn)行賦值(圖4)：海床面以下0～134 m為上覆層，電阻率賦值為0.7 Ω·m；134～165 m為水合物層1，電阻率賦值為7.0 Ω·m；165～175 m為水合物層2，電阻率賦值為1.7 Ω·m；175～202 m為水合物層3，電阻率賦值為 2.0 Ω·m；202 m以下為下伏層，電阻率賦值為1.5 Ω·m。

假設(shè)上覆層甲烷氣泄漏區(qū)含氣飽和度一致，取值0.25；當(dāng)孔隙中存在游離氣時(shí)，飽和土變?yōu)榉秋柡屯粒罁?jù)阿爾奇公式，計(jì)算非飽和土電阻率ρ的公式為

(1)

式中：a為巖性系數(shù)；ρw為孔隙水電阻率；φ為地層孔隙度；m為膠結(jié)指數(shù)；Sw為孔隙水飽和度；n為飽和度指數(shù)。根據(jù)前人研究結(jié)果[20]，ρw取0.29 Ω·m，n取1.83，a取0.8，m取2.0，φ取0.41，計(jì)算得到甲烷氣泄漏區(qū)ρ為2.5 Ω·m。海水電阻率取0.3 Ω·m。

甲烷氣泄露電阻率模型如圖5所示。

a. 正斷層沿水合物層發(fā)育至沉積層淺部；b. 滑脫斷層沿水合物層發(fā)育至海底。圖2 南海北部陸坡神狐海域氣煙囪、正斷層和滑脫斷層(據(jù)文獻(xiàn)[18]修改)Fig.2 South China Sea in the northern slope of the earth fox sea gas chimney, normal fault and slip off fault (modified after reference[18])

a. 層狀甲烷氣聚集模型；b. 團(tuán)狀甲烷氣聚集模型；c. 慢速甲烷氣泄露模型；d. 通道狀甲烷氣泄漏模型。圖3 甲烷氣泄漏地質(zhì)模型Fig.3 Methane leakage resistivity model

3 電學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及監(jiān)測效果模擬

3.1 電學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 W19電測井?dāng)?shù)據(jù)及沉積層電學(xué)模型Fig.4 W19 electric logging data and hydrate-bearing sediments resistivity model

電學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測電纜、采集站、電源模塊、總控平臺(tái)上位機(jī)四部分。監(jiān)測電纜與采集站相連接且內(nèi)置等距分布的多個(gè)電極及相應(yīng)電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，電極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制電極工作狀態(tài)，不同開關(guān)通過監(jiān)測電纜內(nèi)部導(dǎo)線連接。采集站包括主處理單元、電極開關(guān)選址單元、供電回路切換單元、數(shù)據(jù)采集處理單元四部分：主處理單元通過通訊電纜與平臺(tái)或者生產(chǎn)船上的上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的指令控制電極工作狀態(tài)接收測量電位數(shù)據(jù)，也可通過預(yù)設(shè)程序，脫離上位機(jī)獨(dú)立按預(yù)先設(shè)定的采集模式工作；電極開關(guān)選址單元與主處理單元連接，在主處理單元的控制下發(fā)出指令編碼至電極轉(zhuǎn)換模塊的接口單元；供電回路切換單元一方面連接電極轉(zhuǎn)換模塊的控制驅(qū)動(dòng)單元，另一方面連接電源模塊，并在主處理單元的控制下確定是否為該電極轉(zhuǎn)換模塊的供電回路供電；數(shù)據(jù)采集處理單元與電極轉(zhuǎn)換模塊的控制驅(qū)動(dòng)單元連接，用于采集并處理電流及電位數(shù)據(jù)。電纜系統(tǒng)以生產(chǎn)井為中心對稱鋪設(shè)，可以布設(shè)成單線或十字交叉線(圖6)。

3.2 監(jiān)測效果模擬

對單線監(jiān)測剖面的模擬計(jì)算采用有限元法。根據(jù)模型中水合物層預(yù)設(shè)深度和系統(tǒng)探測能力分析，計(jì)算時(shí)設(shè)定布設(shè)101個(gè)電極。將監(jiān)測電纜下部沉積層劃分為46×404個(gè)矩形網(wǎng)格塊，單位電極距四剖分，網(wǎng)格縱向長度為5 m，網(wǎng)格橫向?qū)挾葹樗姆种蛔钚‰姌O距(圖7)。依據(jù)圖5所建電學(xué)模型，對不同網(wǎng)格塊進(jìn)行電阻率賦值，選取采集裝置并經(jīng)正演計(jì)算得到不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的電位值，進(jìn)而得到沉積層理論視電阻率剖面。反演采用最小二乘法，阻尼因子的取值與噪音相關(guān)，噪音越大阻尼因子取值越大；本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)未設(shè)置噪音干擾，故而阻尼因子取值較低。通常來說，初始阻尼因子取值范圍為0.05～0.25，本文設(shè)置為0.15；阻尼因子增長系數(shù)通常取值1.05～1.10，本文設(shè)置為1.05；最小阻尼因子通常取值0.01～0.10，本文設(shè)置0.015。所有模型均控制均方根(root mean square，RMS)誤差小于3%。

4 模擬效果分析與討論

4.1 沉積層電剖面特征

根據(jù)預(yù)設(shè)模型深度，初始極距設(shè)為5 m，模擬利用常用的偶極裝置(Dp-Dp)、施隆貝格裝置(W-S)對圖5所示地電模型進(jìn)行探測，數(shù)據(jù)采集33層，計(jì)算得到的理論探測剖面如圖8a所示。圖8a顯示兩種裝置實(shí)際剖面深度僅在120 m左右。原始模型中0～134 m深度區(qū)間為0.7 Ω·m的均勻電性層，但在探測剖面中深度30～60 m出現(xiàn)了小于0.13 Ω·m的低阻異常層，實(shí)測剖面異常特征和原始模型不符。

圖5 甲烷氣泄漏電阻率模型 Fig.5 Methane leakage resistivity model

為分析產(chǎn)生該異常的原因，建模時(shí)不考慮海水的影響，所得結(jié)果如圖8b所示。圖8b顯示不考慮海水情況下兩種裝置低阻異常均完全消失，故可推定條帶狀低阻異常為海水造成的伴隨異常。

圖9為相同電極數(shù)條件下5 m極距、偶極裝置電場靈敏度分布圖。通常來說，靈敏度值越高的區(qū)域探測結(jié)果越可靠。從圖9中可以看到，電場靈敏度在伴隨異常頂界位置驟降，電阻率法對于異常頂界深度下方地層探測靈敏度較低?；诖?，將伴隨異常頂界深度定義為有效探測深度，有效探測深度小于剖面深度。

a. 考慮海水層；b. 不考慮海水層。圖8 不同采集裝置計(jì)算探測剖面Fig.8 Different electrode array detection results

圖9 偶極裝置電場靈敏度分布圖Fig.9 dipole-dipole array theory detection results and the corresponding electric field sensitivity distribution

4.2 有效探測深度影響因素

為分析極距變化對系統(tǒng)有效探測深度的影響，將電纜極距增大至10、15 m，分別計(jì)算得到偶極裝置探測剖面如圖10所示。 圖10顯示，當(dāng)極距增大至10、15 m時(shí)，剖面實(shí)際探測深度分別增大至236、

336 m，有效探測深度分別增大至50、60 m左右。有效探測深度隨極距增大而增大，但非線性變化。

為分析電極數(shù)對有效探測深度的影響，將5 m極距電極總數(shù)由101增加至201，進(jìn)行偶極裝置電阻率剖面計(jì)算，結(jié)果如圖11所示。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)電極總數(shù)增加至201時(shí)，有效監(jiān)測深度依舊約為30 m?？梢娪行ПO(jiān)測深度與電極數(shù)及測線總長無明顯相關(guān)性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證有效探測深度概念的實(shí)用性，模擬利用10 m極距電纜系統(tǒng)對不同埋深目標(biāo)體進(jìn)行探測。其中一組目標(biāo)體頂界埋深設(shè)為30 m，在有效探測深度內(nèi)(圖12a)；另一組目標(biāo)體頂界埋深設(shè)為80 m，在有效探測深度外(圖12b)。利用偶極裝置測得的電阻率剖面分別如圖12c、d所示。

從圖12可以看出：有效監(jiān)測深度內(nèi)，探測剖面對高阻目標(biāo)體反映較為靈敏，卻難以反映出低阻目標(biāo)體；有效監(jiān)測深度以下的目標(biāo)體信息難以得到有效反映。

圖10 不同極距偶極裝置探測剖面Fig.10 Detection sections of dipole-dipole array with different electrode distances

a. 電極數(shù)為101；b. 電極數(shù)為201。圖11 不同極數(shù)偶極裝置探測剖面Fig.11 Detection sections of dipole-dipole array with different electrode number

圖12 不同埋深有效深度驗(yàn)證模型反演結(jié)果Fig.12 Effective depth verification model inversion results

4.3 不同甲烷氣泄漏模式電阻率剖面特征

選擇10 m極距偶極裝置對圖3所示4種甲烷氣泄漏模型進(jìn)行探測，泄露區(qū)埋深都在50 m以內(nèi)，探測剖面如圖13所示。

圖13顯示：層狀、團(tuán)狀甲烷氣聚集位置出現(xiàn)與之相對應(yīng)的高阻異常區(qū)；慢速甲烷氣泄漏區(qū)的底界位置出現(xiàn)左右延伸的伴隨異常；斷層面甲烷氣泄漏區(qū)呈通道狀高阻，高阻區(qū)延伸方向比實(shí)際斷層角度更偏近垂直，并且伴隨鏡像高阻異常區(qū)。

圖13 不同甲烷氣泄漏模型監(jiān)測效果Fig.13 Methane leakage monitoring of different models

圖14 不同甲烷氣泄漏模型相對電阻率剖面Fig.14 Resistivity ratios for different methane leak models

5 結(jié)論

1)受海水層影響，海床基電學(xué)探測剖面中會(huì)出現(xiàn)低阻伴隨異常帶?？蓪⒃摦惓ы斀缟疃榷x為有效探測深度。該深度隨電極距增加非線性增大；與電極數(shù)目和排列長度無關(guān)。10 m極距偶極裝置有效探測深度為海床面下50 m。

2)在系統(tǒng)有效探測深度內(nèi)，探測剖面對高阻目標(biāo)體有明顯反映，對低阻目標(biāo)體無反映；有效探測深度以深的目標(biāo)體難以得到有效反映。

3)在有效電學(xué)探測剖面上，層狀、團(tuán)狀甲烷氣聚集區(qū)表現(xiàn)為明顯的層狀高阻區(qū)，慢速甲烷氣泄露區(qū)和沿?cái)鄬有孤秴^(qū)表現(xiàn)為垂直高阻異常區(qū)，但存在伴隨異常。相對電阻率剖面可更有效地反映出不同類型含氣區(qū)分布范圍。