陆域天然气水合物地震响应与特征分析研究

【摘要】：天然气水合物作为一种潜在的新兴能源,具有能量密度高、分布广、埋深浅等特点。陆域天然气水合物相比海域,其勘探开发条件更有优势。我国陆域水合物主要分布于青藏高原冻土区,通过前期的地质普查、地震试验和钻测井等地质调查,发现青藏高原冻土区水合物资源量巨大,具有很好的勘探开发前景。进行陆域天然气水合物的地震正演模拟与响应特征分析,为陆域水合物的评价、圈定目标区及水合物的勘探提供依据。本文针对目前陆域冻土区水合物地层速度大、密度小的特点,基于陆域水合物地层的钻孔资料,进行了岩石物理分析,建立了陆域水合物地层的物性参数骨架模型,从水平水合物地层、楔形水合物地层、水合物层组等三个方面构建了符合实际情况的地质地球物理模型,采用粘弹性波动方程有限差分法进行了正演模拟和响应特征分析,形成了以波形参数为主的陆域水合物响应特征、储层识别的地震属性分析及陆域水合填充物模式判断方法。并对水平层状介质物理模型进行了超声波物理和数值模拟对比分析。主要工作和取得的成果如下：(1)根据青藏高原DK-1、DK-3和DK-4等井孔的测井数据,运用速度密度交会图方法,通过对比含水合物地层与不含水合物地层在交会图上的分布,得出了实际水合物地层的具有“高速度、低密度”的物性特征。并且,通过砂岩与泥岩两种岩性在含水合物与不含水合物情况下速度与密度的比较,得出了含水合物砂岩更具有规律性这一结论,由此确定了DK-1井孔143.40m-144.20m含水合物层段粉砂岩和DK-4井孔165.80m-166.35m含水合物层段粉砂岩作为岩石物理分析研究的对象。基于DK-1和DK-4井孔测井数据,采用时间平均公式估算DK-1砂岩骨架的纵横波速度比,以及利用该纵横波速度比获取砂岩骨架的纵波速度vp、横波速度vs和密度p。根据已获取的速度值采用弹性模量公式,计算得到了砂岩骨架的体积模量K和剪切模量G。依据获得的砂岩骨架的速度、密度和品质因子,基于水合物微观结构理论,运用了弹性模量模型公式,分别以模式一和模式二的两种水合物填充模式估算了水合物岩层的速度,发现模式二的速度曲线更接近实际测井数据。结果表明DK..4井孔165,80m-166.35m层段含水合物层的水合物填充模式,更趋向于模式二,即水合物作为骨架的一部分更能反映其物性特征。岩石物理分析与实际井孔资料相结合的地质地球物理模型构建方法,所建模型能反映水合物地层的物性特点,为陆域水合物地层的地质地球物理模型构建提供了理论基础。(2)基于本文所提出的陆域水合物地质地球物理模型构建方法,建立了水合物层、水层、游离气层等水平层状介质模型,进行了数值模拟,对模拟记录分别做了自相关和功率谱运算,并在此基础上提取了时域和频域两个方面的波形参数,分析了三种不同地层在波形参数上的变化特征。针对不同地层,几种主要波形参数随填充物饱和度S(Sh、Sw和Sg)增加的变化结果表明：对于水合物层,均值逐渐增大,第一零点值和第二零点值逐渐减小,主频数值逐渐增大；对于游离气层,均值减小,第一零点值和第二零点值增大,主频数值减小；对于水层,这四个波形参数的变化趋势不是很明显。水合物层和游离气层在时域的均值、第一零点值、第二零点值和频域的主频等四个参数上表现出完全相反的的变化规律。可根据均值、第一零点值、第二零点值和主频等波形参数来判别水合物层的存在,为水合物储层预测提供了地震属性参数。(3)以水合物充填模式一和模式二方式分别构建了水平地层模型,进行了数值模拟和波形参数提取和对比分析。模式二的时域波形段总能量、均值、方差、最大峰值、最大峰值半面积值和频域的主频参数均高于模式一,时域第一零点值、第二零点值参数和频域的全频带能量、主频能量参数均小于模式一。时域和频域波形参数可以应用于辨别地层中水合物的填充模式,为水合物的填充模式的识别提供了基础依据。(4)基于水合物充填模式一和模式二水合物地层模型,构建了水合物层下方存在游离气层的模型,进行了正演模拟和时域、频域波形参数提取,并做了综合对比分析。下方存在游离气层的波形段总能量、方差、最大峰值、最大峰值半面积值、极值振幅比和频域主频波形参数均高于下方不存在游离气层的水合物层,而时域的均值、第一零点值、第二零点值和频域的全频带能量、主频能量波形参数均小于不存在游离气层的水合物层。时域和频域的波形参数是辨别水合物地层下方是否存在游离气层的依据。(5)针对地层厚度变化这一情况,构建了充填模式二水合物和游离气层的楔形地层模型,做了正演模拟,并分别进行了最大振幅与主频波形参数提取、基于广义S变换的两组不同g与p参数(g=1.3、p=0.9和g=0.9、p=1.3)的时频分析,结果表明水合物地层的底板反射最大振幅和主频明显高于游离气地层,为水合物层和游离气层的辨别提供了重要的地震属性分析方法。(6)在充填模式二水合物楔形地层模型的基础上,采用类似水平地层的思路,构建了楔形地层下方存在厚度变化的游离气薄层和充填模式一水合物薄层的组合模型,进行了正演模拟,并分别做了最大振幅提取与广义S变换时频分析,分析了厚度变化的两种下伏地层对楔形地层顶、底界面振幅的影响。发现两种不同的下伏地层使得上覆的楔形岩层在地震响应上的差别明显。当下伏为游离气层时,楔形地层的底板反射表现出明显的强振幅特征,其振幅高于楔形地层顶板反射振幅；当下伏水合物层时,楔形岩层的底界反射为弱振幅,顶界为强振幅；楔形地层底板反射强、弱振幅特征还受下伏地层厚度的影响。这种振幅的强弱特征可作为判断水合物地层下方是否存在游离气层的重要依据。(7)针对垂向分布多个水合物层的情况,基于陆域水合物演化成藏的地质理论,构建了水合物层组模型,探寻层组界面反射振幅特征及影响因素。依据孔隙度φ和饱和度的变化情况,构建了三种层组模型,即层组模型I：孔隙度φ保持不变,饱和度风变化；层组模型Ⅱ：饱和度Sh保持不变,孔隙度φ变化；层组模型Ⅲ：水合物含量保持不变,φ和Sh均发生变化。并分别进行了正演模拟和基于AVO原理的各界面反射系数提取与对比分析。结果表明：层组模型Ⅰ的水合物层间界面弱振幅现象最明显,层组模型Ⅲ次之,层组模型Ⅱ弱振幅现象不很明显；地层孔隙度与水饱和程度越低,水合物层组界面的弱振幅特征就越明显；在其他条件不变的条件下,可通过弱振幅特征分析水合物层组的孔隙度φ和饱和度Sh的层组模型。并对间隔水合物层组界面振幅的变化进行了探讨,发现在一定孔隙度和水合物饱和度的范围内,间隔水合物层组界面也有可能出现弱振幅现象。本文的创新点主要体现以下几个方面：(1)基于实际陆域水合物地层的测井数据,采用岩石物理分析方法获取实际水合物岩层的骨架速度、密度和弹性模量,以及水合物充填模式,形成了符合实际情况的陆域水合物地质地球物理模型构建思路和方法,为陆域水合物地质地球物理模型构建提供了理论依据。(2)基于本文的陆域水合物地质地球物理模型构建方法,建立了多组陆域水合物地层模型,进行了粘弹性波动方程有限差分法数值模拟,以及自相关时域和功率谱频域波形参数提取、时频分析与系统分析,确定了识别水合物层与游离气层、判断水合物填充模式、推断水合物层下方游离气层存在与否的地震属性,为陆域水合物的识别提供了基础依据。(3)系统总结了多种地震属性的变化规律,形成了陆域水合物识别思路和方法,为陆域水合物储层预测提供了前瞻性认识。 【关键词】：陆域水合物 数值模拟 岩石物理 响应特征 波形参数
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P618.13;P631.4
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 绪论17-27
• §1.1 选题依据及意义17-19
• §1.2 国内外研究现状与存在问题19-24
• 1.2.1 海域水合物研究19-21
• 1.2.2 陆域水合物研究21-24
• 1.2.3 存在的主要问题24
• §1.3 研究内容和方法24-27
• 1.3.1 正演模拟与响应特征分析的思路24-25
• 1.3.2 主要内容和预期目标25-26
• 1.3.3 本文创新点26
• 1.3.4 本文应用的主要工具和涉及的数据资料26-27
• 第二章 水合物岩石物理分析27-46
• §2.1 陆域水合物地层物性特征27-33
• 2.1.1 水合物地层的速度与密度交会图27-32
• 2.1.2 不同岩性的水合物地层速度与密度的对比32-33
• §2.2 水合物岩石物理参数计算及模式分析33-45
• 2.2.1 水合物岩层骨架的物性参数计算33-38
• 2.2.2 K-T方程方法38-40
• 2.2.3 弹性模量模型方法40-45
• §2.3 小结45-46
• 第三章 粘弹性介质正演模拟方法46-54
• §3.1 粘弹性介质46-47
• §3.2 粘弹性介质的品质因子Q47-49
• §3.3 二维交错网格有限差分方法49-53
• §3.4 小结53-54
• 第四章 水平水合物地层的响应特征54-72
• §4.1 波形参数的原理方法54-56
• 4.1.1 时域波形参数54-55
• 4.1.2 频域波形参数55-56
• §4.2 地层孔隙中不同充填物的响应特征56-64
• 4.2.1 时域自相关和频域功率谱的特征分析56-62
• 4.2.2 水合物层与水层、游离气层的波形参数对比62-64
• §4.3 不同填充模式水合物层的响应特征64-67
• §4.4 下伏游离气层的水合物地层响应特征67-71
• §4.5 小结71-72
• 第五章 楔形水合物地层的响应特征72-85
• §5.1 广义S变换的时频分析方法72
• §5.2 单一楔形地层的模拟与响应特征72-78
• 5.2.1 不同充填物的楔形地层模型72-74
• 5.2.2 楔形模型的响应特征分析74-78
• §5.3 不同下伏地层水合物楔形岩层的响应特征78-84
• 5.3.1 下伏游离气层楔形岩层模型78-81
• 5.3.2 下伏水合物层楔形地层模型81-84
• §5.4 小结84-85
• 第六章 水合物层组的响应特征分析85-101
• §6.1 水合物层组模型的构建85-87
• §6.2 AVO方法计算界面反射系数87-88
• §6.3 不同孔隙度与饱和度连续层组的响应特征88-97
• 6.3.1 水合物不同层组模型的响应特征分析89-94
• 6.3.2 低孔隙度两种层组模型的响应特征94-97
• §6.4 间隔水合物层组的响应特征分析97-100
• §6.5 小结100-101
• 第七章 超声波物理模型模拟101-111
• §7.1 超声波模拟方法101-104
• 7.1.1 超声波模拟简介101
• 7.1.2 模型与原型的相似性原则101-103
• 7.1.3 超声波模拟的仪器和物理模型的构建103-104
• §7.2 物理模型超声模拟数据分析104-108
• §7.3 超声模拟与数值模拟对比108-110
• §7.4 小结110-111
• 第八章 结论与建议111-113
• 致谢113-114
• 参考文献114-120

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