劉元英, 吳小平

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院 地震與地球內(nèi)部物理實驗室，合肥 230026;2. 蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蒙城 233500)

0 引言

天然氣水合物是可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，然而受開采技術(shù)等制約，全球水合物開發(fā)基本處于室內(nèi)試驗和室外資源普查、試采階段[1-2]。目前僅麥索雅哈氣田是世界唯一實現(xiàn)工業(yè)性開采的陸域水合物藏。作為世界第三大凍土國，我國陸域天然氣水合物資源前景良好，但是由于起步晚，其成藏模式及勘探技術(shù)處于初步探索階段，至今僅青藏高原北部木里地區(qū)鉆獲水合物樣品[3-5]。

陸域天然氣水合物勘探從理論上講，可以借鑒海洋水合物的勘探經(jīng)驗。全球已探明的數(shù)百個水合物礦藏基本都是通過地震剖面的似海底反射(Bottom Simulating Reflection, BSR)獲得的[6-7]。海洋水合物微觀模式是基于球狀理論[9]，針對高孔隙度(36%～40%)[8]沉積層提出的。其在解釋海底BSR的形成，以及預(yù)測天然氣水合物含量方面獲得了廣泛地認可[10-15]。海洋沉積層孔隙度較高(約40%)，因而國內(nèi)海域天然氣水合物勘探理論研究，主要圍繞高孔隙度海洋水合物微觀模式展開[16-19]。

陸域天然氣水合物的調(diào)查工作顯示，陸域天然氣水合物儲藏的巖石物理模型及勘探理論需要有針對性的研究。首先，陸域天然氣水合物地震剖面上并無BSR現(xiàn)象[5, 20-21]。其次，我國凍土區(qū)沉積層孔隙度低，如木里地區(qū)沉積層平均孔隙度僅為3.45%[22]。再者，我國凍土區(qū)裂隙、斷裂破碎帶發(fā)育[21-24]，凍土層較薄，有別于世界極地凍土區(qū)[4]。徐明才等[21,25]根據(jù)木里地震資料，初步認為DK3 鉆井天然氣水合物賦存區(qū)具有高頻、弱振幅特點，DK4 疑似天然氣水合物層段則表現(xiàn)為低頻、強振幅特點；田玉昆等[26]對青海哈拉湖地區(qū)進行地震采集實驗，獲得了低頻段較高信噪比的地震資料，認為天然氣水合物賦存區(qū)的地震響應(yīng)特征為弱振幅；王新全等[27]研究了和田玉昆等[26]同一工區(qū)的地震資料，同樣認為陸域天然氣水合物地震勘探特征為低頻、弱振幅。關(guān)于陸域天然氣水合物地震勘探特征，有待進一步研究驗證。

結(jié)合頁巖氣開采經(jīng)驗，我國陸域天然氣水合物勘探前景良好。頁巖氣埋深一般大于180 m，有效孔隙度小于5%，可進行工業(yè)開采的條件為有裂隙系統(tǒng)[28-30]。以祁連山凍土區(qū)為例，其凍土層厚50 m～90 m，平均孔隙度3.45%，裂隙及斷裂破碎帶發(fā)育[21-23]，符合頁巖氣的開采特征。理論上，我國凍土帶水合物具備開采價值，凍土區(qū)開采可行性則依賴于裂隙系統(tǒng)的發(fā)育。筆者研究的是陸域天然氣水合物儲藏的裂隙模型，以及其地震波傳播特性。

1 裂隙理論及其應(yīng)用

以球形顆粒為基礎(chǔ)的有效介質(zhì)理論在實際應(yīng)用中局限性大。早在17世紀，Walsh 針對上地幔巖石部分熔融的現(xiàn)象，提出以“Penny-Shaped”結(jié)構(gòu)來描述石墨，冰等在高溫高壓下部分熔融的狀態(tài)，即以簡化的橢球體來描述孔隙形狀[33-34]，在玻璃和陶瓷制品中也時有出現(xiàn)橢球狀孔隙[31-32]。橢球體通過三個軸a、b、c來確定，且滿足(a=b)，定義縱橫比為α=c/a。Walsh給出孔隙為裂隙(α?1)，且裂隙填充物剪切模量遠小于骨架的剪切模量，裂隙隨機分布的有效彈性模量公式[34]：

(1)

其中：c為孔隙含量，且c?1；K、μ分別為體積模量和剪切模量；m為骨架相；i為填充物相；α為裂隙縱橫比。

Le Ravalec and Guéguen[33]在此基礎(chǔ)上，通過差分迭代求解，給出裂隙含量較高時的有效彈性模量。其差分求解過程為，隨著孔隙度的每一次增加，第i+1 次的背景骨架彈性模量“等效”為前一次即第i次的有效彈性模量，并提出用裂隙密度ε來衡量裂隙含量[35]。

ε=3φ/(4πα)

(2)

1.1 裂隙理論在巖芯水合物樣品中的應(yīng)用

中國科學(xué)院廣州能源研究所使用木里地區(qū)DK8井水合物層段樣品，進行實驗分析，其樣品及數(shù)據(jù)見表1。

表1 DK8巖心數(shù)據(jù)

根據(jù)實物樣品，使用基于孔隙形態(tài)的裂隙理論，對表1中樣品進行P波速度的數(shù)值模擬，其結(jié)果見圖 1中實線部分，不同的顏色代表不同的樣品。圖 1表明使用裂隙理論，通過調(diào)節(jié)裂隙縱橫比，可以得到很好的擬合效果，圖 2為數(shù)值模擬所使用的縱橫比。

圖1 縱波速度隨甲烷水合物含量的變化

圖2 孔隙縱橫比隨水合物飽和度的變化關(guān)系

由圖 2可見，縱橫比均小于0.06(球體的縱橫比為1)，表明陸域凍土區(qū)水合物賦存層段的孔隙形狀為裂隙型。王平康等[36]總結(jié)祁連山凍土區(qū)科學(xué)鉆探實驗井DK1、DK2、DK3、DK4天然氣水合物賦存層段的特征，肉眼可見有11/13的層段天然氣水合物產(chǎn)狀均為裂隙型，該觀察結(jié)果與本文對DK8實測數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬結(jié)果一致，表明對于陸域凍土區(qū)的天然氣水合物微觀模式，球形孔隙理論不再適用，裂隙模型具有重要作用，水合物賦存層段可富集裂隙。

1.2 裂隙理論在測井中的應(yīng)用

使用裂隙理論對木里地區(qū)DK1測井進行詳細分析，所使用數(shù)據(jù)見表2。

表2 DK1裂隙模型所用參數(shù)

DK1鉆井曲線顯示[36]，天然氣水合物賦存層段為：133.5 m～135.5 m、142.9 m～147.7 m，見圖3中黃色線段標注部分。

圖3 DK1井P波模擬結(jié)果與實測曲線對比

根據(jù)DK1的孔隙度[22]，首先計算不同孔隙度的巖石骨架彈性模量，再根據(jù)式(1)的差分迭代方法，以及表2中參數(shù)，對測井速度進行擬合，擬合結(jié)果及對應(yīng)裂隙密度見圖 3。

從圖3(a)可以看出，同一深度巖石骨架(紅線所示)速度總是大于或等于擬合 (藍線所示)速度。當巖石骨架(紅線所示)速度小于實測曲線時，擬合會失敗，其原因與復(fù)雜的實際條件有關(guān)。當巖石骨架(紅線所示)速度大于或等于實測速度(綠線所示)時，擬合曲線(藍線所示)都能擬合的很好。從圖3中可以看出，當巖石富含裂隙時，其P波速度急劇下降。

在圖3中，兩段水合物層下方均存在小段裂隙發(fā)育區(qū)，右邊的裂隙密度曲線也表明水合物的出現(xiàn)與裂隙密度值高的部位有關(guān)。已有的調(diào)查資料表明[21-22, 36]，祁連山地處構(gòu)造活動帶，孔隙度低，水合物賦存帶斷裂破碎及裂隙發(fā)育。數(shù)值模擬與實際調(diào)查結(jié)果一致，表明陸域天然氣水合物賦存區(qū)與裂隙發(fā)育層位密切相關(guān)。

2 地震波在裂隙介質(zhì)中的傳播

我們從實驗室數(shù)據(jù)以及測井資料方面，論證裂隙與天然氣水合物的存在關(guān)系密切，探討地震波在裂隙介質(zhì)中的傳播特征。

Pointer et al.[37]根據(jù)裂隙中流體的運移方式，將裂隙分為三種：①流體通過裂隙相互流通；②裂隙部分飽和，流體在裂隙內(nèi)部流通；③裂隙中流體在含孔隙的骨架中流通，如圖 4所示。

圖4 三種類型裂隙

裂隙介質(zhì)彈性模量的剛度矩陣為式(3)。

C=C0+εC1+ε2C2

(3)

(4)

其中：M和K分別為縱波模量和體積模量。

各向異性介質(zhì)中的地震波速，見Thomsen[39]的計算式，常用參數(shù)見表3。

2.1 裂隙中流體相互連通

縱波模量和體積模量計算為式(5)。

(5)

其中：Pi=(aκf)/(cμ)；Plrd=(κfKraω)/(εηfcυ2)；κf為流體體積模量；ηf為粘度見表3；Kr為巖石骨架滲透率；c/a為裂隙縱橫比；υ為骨架速度。

表3 流體常用參數(shù)[37]

聯(lián)合式(3)～式(5)，得到的P波速度與裂隙密度、縱橫比、以及頻率的關(guān)系見圖 5、圖 6和圖 7。裂隙含氣時，P波速度與裂隙密度的關(guān)系如圖 5所示，裂隙密度越大，對應(yīng)的速度越小。P波速度與縱橫比的關(guān)系如圖 6所示，可以看到P波速度基本不受裂隙縱橫比的影響，由于該裂隙模型中流體相互連通，所以不難理解P波速度不受縱橫比的影響。裂隙與頻率的關(guān)系見圖 7，入射角一定時，頻率越高，P波速度越小。

圖5 P波速度與裂隙密度的關(guān)系

圖6 P波速度與裂隙縱橫比的關(guān)系

圖7 P波速度與頻率的關(guān)系

2.2 裂隙中流體部分飽和

縱波模量和體積模量計算式為

(6)

其中：下標l和g分別代表液體相和氣體相；q1為液體的體積含量，本文中設(shè)為0.5，氣體的體積含量為1-q1。

ηgFg(1-q1)}

F1(q)?0.053(1-q)[1+cos π(1-q)]

Fg(q)?0.058(1-q)[1+cos π(1-q)]

Pointer[37]給出P波速度衰減與Ps q=ωη1(α)3/μ有關(guān)，圖 8 中 P波速度受裂隙縱橫比影響大，圖9中P波速度基本不受頻率影響，與Pointer[37]闡明的 P 波衰減規(guī)律(衰減與縱橫比的三次方、頻率一次方等線性相關(guān))一致。對于裂隙內(nèi)流體部分飽和的模型，其裂隙之間流體不連通，故不難理解其P波速度受縱橫比的影響較大。

圖8 P波速度與裂隙縱橫比的關(guān)系

圖9 P波速度與頻率的關(guān)系

2.3 流體通過巖石骨架連通

縱波模量和體積模量計算式為：

(7)

其中：φm為巖石骨架孔隙度。

P波速度與縱橫比、頻率的關(guān)系見圖 10和圖 11。裂隙縱橫比對P波速度影響甚微，而頻率對其有較大影響，流體通過巖石骨架連通的裂隙模型，其頻率越低，對應(yīng)的P波速度越小。

圖10 P波速度與裂隙縱橫比的關(guān)系

圖11 P波速度與頻率的關(guān)系

2.4 不同裂隙模型對比分析

筆者主要研究三種裂隙系統(tǒng)的裂隙密度、縱橫比，和頻率對P 波速度的影響：裂隙密度越大，P 波速度越小；裂隙縱橫比和頻率對P 波速度的影響則較為復(fù)雜，具體影響關(guān)系見表4。當裂隙中流體通過裂隙流通時，頻率越高，速度越小，這是因為頻率較高時，裂隙中流體來不及流通，裂隙表現(xiàn)為空[37, 40]。而當裂隙中流體通過沉積物骨架流通時，頻率越高，速度越大。

表4 裂隙縱橫比和頻率對P 波速度的影響

3 水合物裂隙模型的AVO分析

陸域天然氣水合物地震勘探特征是否為高頻弱振幅，還是低頻弱振幅，目前觀點尚未統(tǒng)一，本節(jié)主要對地震勘探頻率和振幅進行探討。針對陸域凍土帶沉積層孔隙度低，所用裂隙類型為流體通過裂隙相互流通型。

中國科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究所綜合地質(zhì)、地球物理、測井等資料，建立了水合物泥巖儲藏模型，其模型參數(shù)設(shè)置如圖12。對泥巖儲藏模型進行AVO(amplitude versus offset)正演模擬，其AVO觀測示方式如圖 12所示。

圖12 泥巖儲藏模型參數(shù)設(shè)置及AVO觀測示意圖

水合物巖芯數(shù)據(jù)表明，水合物賦存層段可含裂隙。當水合物賦存區(qū)含裂隙，圍巖不含裂隙時，賦存區(qū)的地震波速度隨著頻率變化而變化。裂隙密度為0.05，賦存區(qū)在0.1 Hz和3 000 Hz時，其地震波速度見圖13。圖13為水合物賦存區(qū)界面反射P波的AVO曲線，賦存區(qū)界面包括水合物層頂界面和底界面，見圖 13(a)和圖13(b)，虛線和實線分別對應(yīng)0.1 Hz和3 000 Hz?？梢钥吹剑徽撌撬衔镔x存區(qū)頂界面，還是底界面反射，低頻相對于高頻的振幅均較強，這是因為頻率降低，賦存區(qū)速度增大，賦存區(qū)和圍巖的速度差異隨之增大。徐明才等[21]根據(jù)DK1、DK3鉆井資料總結(jié)，天然氣水合物富集在斷裂破碎帶內(nèi)，水合物賦存區(qū)和疑似區(qū)的地震勘探響應(yīng)為高頻弱振幅，以及低頻強振幅。徐明才等人的研究與圖13中的結(jié)果一致，表明水合物賦存層段富集裂隙的儲藏模型是比較符合實際的，流體通過裂隙流通的裂隙模型滿足水合物儲藏特點。

圖13 水合物賦存區(qū)含裂隙時的AVO曲線

裂隙密度的縱向分布表明，相對于水合物賦存層段，圍巖可含裂隙。當圍巖裂隙發(fā)育，而水合物賦存區(qū)不含裂隙時，圍巖的地震波速度隨著頻率的變化而變化。圍巖裂隙密度為0.05，圍巖在0.1 Hz和3 000 Hz時的地震波速度見圖14。水合物賦存區(qū)的AVO曲線見圖14。與圖13中不同的是，AVO曲線低頻比高頻的振幅弱，這是因為圍巖在低頻時速度增大，其與水合物賦存區(qū)的速度差異隨之減小。圖14中的結(jié)論與田玉昆等[26]、王新全等[27]的研究一致，認為陸域天然氣水合物低頻弱振幅與所在工區(qū)處于斷裂發(fā)育、構(gòu)造活動帶有一定關(guān)系。這些結(jié)果表明，圍巖富集裂隙的天然氣水合物儲藏模型比較可靠，流體通過裂隙相互流通的裂隙模型符合陸域天然氣水合物儲藏特點。

圖14 圍巖含裂隙時的AVO曲線

4 結(jié)論

陸域天然氣水合物地震勘探特征是否為高頻弱振幅，還是低頻弱振幅，目前觀點尚未統(tǒng)一，有待進一步研究驗證。筆者結(jié)合凍土帶沉積層特點，從基本的巖石物理模型出發(fā)，探討了橢球狀孔隙在水合物中的適用性，結(jié)合具體實驗樣例、測井資料，證實了水合物賦存層段，以及圍巖均可含裂隙。研究了地震波在不同裂隙介質(zhì)中的傳播規(guī)律—當裂隙中流體(氣體或液體)處于連通狀態(tài)時，其地震波速度受頻率影響顯著。建立了水合物賦存層段和圍巖分別含裂隙的儲藏模型，研究其地震勘探頻率和振幅特點。根據(jù)凍土帶沉積層特點，研究流體通過裂隙相互連通的裂隙模型。當水合物賦存層段含裂隙時，其地震剖面可顯示為高頻弱振幅(或者低頻強振幅)。當圍巖裂隙較為發(fā)育時，其地震響應(yīng)為低頻弱振幅(或者高頻強振幅)。以上結(jié)果與實際地震勘探響應(yīng)一致，表明流體通過裂隙相互流通的裂隙模型符合凍土帶天然氣水合物的儲藏特點。