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1、天然气水合物的岩石物理模型研究赵群①②郝守玲②①成都理工大学，四川成都,610059；②中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所,江苏南京,210014摘要天然气水合物和水有着显著的弹性性质差别•这个差别是分析水合物沉积声学性质的基础。水合物的声学性质与冰的声学性质类似，因此，利用超声物理模拟技术制作了一组微弱胶结、非固结高孔隙度样品，通过实验研究了胶结物的性质及非胶结砂水相转变对沉积物岩石物理特性的影响。实验结果表明，非胶结沉积物孔隙度髙,胶结差•胶结直接改变非胶结岩颗粒间的接触面积和接触应力。水饱和沉积物在冻结过程中弹性性质会发生改变，从速度方面看,在纯
2、砂岩中加入粘土或少量的粒间胶结物P波和S披速度就会明显增加;水饱和沉积物P波和S波速度在冰点处急剧增加。此外，随着温度的降低，颗粒胶结,P波和S波的频率升高，振幅衰减和卯/屯值减小。关键词超声地震物理模型实验非固结胶结物冻结至今为止，全球范围内发现的天然气水合物共有50多处，它主要分布在两类地区,即深海和极地。已有资料表明,10%的海底发育天然气水合物，这些水合物生存在特殊的地质构造和特定的环境背景下。较快的沉积速率对天然气水合物的形成有较大的影响，已发现的水合物赋存于新生代尤其是晚第三纪以来的松散沉积中。相对于致密岩石而言，松散沉积岩弹性波速的研究还很薄弱⑴。
3、虽然人们发现了天然气水合物存在，但是受诸多因素的影响,水合物的取心和保存，以及用于岩石物性测试分析的研究，冃前的技术难以实现。因此，对含水合物沉积的岩石物理性质仍然不甚了解。天然气水合物和水有显著的弹性性质差异，水合物的声学性质与冰的声学性质相似，因此我们利用超声地震物理模拟技术，人工制作了一组微弱胶结、非固结疏松岩石样品,进行了测试分析研究。1物理模拟理论依据物理模型模拟的前提是天然气水合物与冰、含天然气水合物层与冰层之间有明显的相似性:①相同的组合状态的变化——流体转化为固体;②均属放热过程;③结冰或形成水合物时水体积均增大;④水中溶有盐时，二者相平衡温度降
4、低,只有淡水才能转化为冰或水合物;⑤冰与水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层;⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层;⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。这就是说水合物和冰的机械性能相似⑴，这为物理模拟研究水合物的一些特征提供了理论依据。我们可以根据燃冰的特性与水冻结物理特性的可比性进行人工模拟。1.1物理模拟实验从可接近性、相似性和完整性考虑，我们在常压变温条件下利用趙声地震物理模型实验技术测试了粒状介质的粘土含量、颗粒大小对孔隙度和介质P波和S波速度的影响。—312—1.2固结砂粒、粘土测试根据宏观上均匀性原则，样品
5、颗粒经分选处理,将砂粒、粘土烧结成几组多孔材料，样品的孔隙度是通过饱和法计算得到的。图1为不同砂、泥混合人工样品切片示意图。图1不同砂、泥混合人工样品切片示意图利用脉冲传输技术对人工多孔岩样用超声测量了不同含水饱和度情况下P波和S波的速度。p速度使用主频为200kHz的P波换能器激发和接收,S速度使用主频为240kHz的S波换能器激发和接收测定。根据我国某一海区地质地震资料初步分析，深海海底0~500m之间一般是未固结的沉积物，孔隙度一般很大,在近海底平均孔隙度一般在60%左右，高的可达80%,到海底以下500m时，孔隙度降到40%左右⑵。该套地层含水合物后，水
6、合物一般占孔隙空间的19%~30%。在含水合物沉积地层的下面是一层游离气，游离气的含量一般占孔隙空间的19%~5%。水合物在海底以下200m开始富集，从200-615m,水合物饱和度（占孔隙空间百分比）随深度增加由0增大到30%，平均在8%~15%,P波速度由1600m/s增加到1900mA。本次实验人工多孔样品的孔隙度分别69.5%,64.4%,60%和55.1%。从实验来看，在大孔隙度（孔隙度大于50%）干燥样品情况下，含水饱和度小于80%时P波速度和度）的增加而减小，当Sw>80%（即具有较高水饱和度）时P波速度逐渐增加。在S.<70%时,S波速度基本不变
7、，在Sw>70%时,S波速度逐渐减小。图2为不同含水饱和度与P波和S波速度关系图。2500200015001000500
8、s液lllllI04Q905(a)图2不同含水饱和度的P波和S波速度关系（町孔隙度为65%；（b）孔隙度为55绳图3为含粘土饱和度与P波和S波速度和振幅关系图（孔隙度为65%常态下测试）。由,P图可见,P波速度随泥质含量的增加而增加，直到某个临界值，但当砂岩含量小于泥质含波速度就会随着泥质含量的增加而减少;泥质含量的增加对S波速度的影响不明显。纵横波振幅随着粘土饱和度的增加而增加。图3P波和S波速度（a）和振幅（b）与粘土饱和度的相关曲线1.
9、3沉积物模型胶结和冻结实
