1 引言

天然气水合物的主要成分为甲烷，甲烷含量大于99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物.天然气水合物主要分布于陆地多年冻土区和水深＞300m的海底及以下数百米的沉积层内，尤其是与海底泥火山、底辟构造以及大型构造断裂有关的地质环境^[1~4].据估计，全球所有天然气水合物蕴涵有机碳的总量约为1013t，是陆地上已探明的所有煤、石油、天然气等化石类燃料中有机碳总量的两倍，因而极有可能成为21世纪最主要的能源^{[5, 6]}.近年来，天然气水合物成为开发新能源的焦点，各国都在争先研究和开发.许多国家包括我国都制定了详细的天然气水合物的研究计划和发展策略，有的已进入试开采阶段，这说明海底天然气水合物作为一种新能源越来越受到人们重视^[7~11].然而，水合物除了作为未来能源外，其潜在的灾害和环境效应也不可忽视^[12~18].天然气水合物的开发利用涉及两个方面的问题：从资源方面考虑，这一资源储量巨大，能够满足人类未来清洁能源的需求；从环境方面考虑，作为温室气体甲烷的最大载体，它的开发利用又可能是引发全球气候变化和海底地质灾害的重要因素.因此，人们在开发水合物的同时，必须有超前的防范措施，防止其对环境造成不良影响，但如何实施对这种新能源开采的监测是面临到的一个问题.

时移地震（又称四维地震）是近几年新发展起来的前沿物探技术，指在一个地区不同时间重复进行地震工作，以期能够监测地下油气藏由于生产而引起的地震响应变化，从而为及时调整注采方案、优化油田开发提供科学依据，最大限度地降低采油成本和提高采收率^[19].天然气水合物的开采过程，主要是通过有关措施（加温、降压、注入化学剂等）使沉积物中的固态水合物变成气体开采出来.容易理解，水合物从固态变为气体，会极大地改变水合物储层的岩石物理性质^[20~24]，从而改变沉积物的密度、波速和波阻抗等，进而会明显地改变地震的反射特性，这为采用时移地震监测天然气水合物开采提供了条件.本文通过数值模拟分析，发现地震信号在两种水合物模型（扩散型和渗漏型）开采过程中有明显的变化，说明了时移地震技术可以应用到未来海底天然气水合物藏的开采监测.

2 方法原理 2.1 含甲烷水合物沉积物的岩石物理模型

到目前为止，以揭示岩石物理机制为目的的岩石物理实验研究，以及以揭示地震波在孔隙性岩石中传播特性的理论研究都取得了较大的进展^[25~27]. Dvorkin等发展了一个松散介质岩石物理模型来描述高孔隙度海洋沉积物弹性参数与孔隙度、孔隙流体弹性性质、矿物成分以及有效应力关系的模型^[28]，本文将运用这个模型讨论沉积物中甲烷水合物含量对地震波速度、密度的影响，进而分析对水合物藏开采应用时移地震监测的可行性.

模型是建立在Gassmann方程框架下的^[29]：

(1)

(2)

公式中，K_sat，K_dry，K_f和K分别为饱和岩石体积模量、岩石骨架体积模量、孔隙流体体积模量和矿物体积模量；ϕ为岩石孔隙度；G_sat和G_dry分别为饱含岩石剪切模量和岩石骨架剪切模量.

利用上述岩石体积模量K_sat和剪切模量G_sat，岩石的纵、横波速度计算为：

(3)

(4)

式中ρ_b为岩石密度，

(5)

式中ρ_w和ρ_solid分别为流体相和固体相的体密度.

当孔隙度为临界孔隙度ϕ_c时^[30]，岩石的骨架体积模量K_HM和剪切模量G_HM采用Hertz-Mindlin接触理论计算^[31]：

(6)

(7)

式中P_eff为有效压力；G和υ固相矿物的剪切模量和泊松比；n是颗粒间接触点数，大约为8~9^{[32, 33]}.

固相矿物泊松比υ表示为^[33]：

(8)

式中固相矿物体积模量K和剪切模量G采用Hill平均计算^[34]：

(9)

(10)

式中m为矿物种类数，f_i为第i种矿物的体积比例分数，K_i和G_i分别为第i种矿物的体积模量和剪切模量；

在孔隙度大于临界孔隙度情况下，岩石骨架体积模量和剪切模量修正为Hashin-Shtrikman下限^[32]：

(11)

(12)

(13)

在孔隙度小于临界孔隙度情况下，岩石骨架体积模量和剪切模量修正为Hashin-Shtrikman上限^[32]：

(14)

(15)

(16)

2.2 天然气水合物藏适合时移地震监测技术一般要求

时移地震并非适用所有的储层，要进行时移地震监测，油气藏本身必须满足特定的条件.对天然气水合物藏来说，适合进行时移地震检测的一般要求有：

（1）储层厚度和水合物饱和度

地下天然气水合物藏储层的厚度越大，越适合进行时移地震监测.

应用2.1节所述模型原理，我们对水合物藏饱和度如何影响时移地震进行了模拟分析.建模所采用的含甲烷水合物沉积物的岩石物理模型有二.模型A：甲烷水合物充填在孔隙中，计算中把甲烷水合物看作为孔隙流体的一部分；模型B：甲烷水合物附在固体表面成为固体的一部分，计算中看作作为固体骨架的一部分.模型中混合样品中甲烷水合物和水所占据体积为孔隙体积空间，各种材料的物性见表 1^{[35, 36]}.

海底天然气水合物常存在于一种富含泥质高孔隙度的沉积物中，我们采用上述的岩石物理模型（模型A和B）分析在这种富含泥质高孔隙度的沉积物中甲烷水合物含量所产生的地震速度效应.假定海底沉积物的矿物组成为5%石英，60%泥质和35%方解石，有效压力与孔隙压力分别是2.5MPa（约相当于250m埋深）和32MPa（约相当3200m水深），地层温度16℃，矿化度为32，000ppm.模型中参数临界孔隙度和接触点数分别为0.4和8.5.岩石物理模型描述的甲烷水合物饱和度对孔隙度为55%的富含泥质地层地震速度影响如图 1所示.

图 1显示了富含泥质地层水合物饱和度与纵波速度关系，可以看出，随着水合物所充填的孔隙空间增加，沉积层的纵波速度也明显增大，其中模型B（水合物为固体基质部分）比模型A（水合物为孔隙流体部分）速度增加更大.这说明水合物饱和度越大，越能影响沉积层的速度，从而对时移地震监测也越有利.为了更好地说明问题，我们在下面的建模中均应用模型A和模型B的平均.

（2）地下储层具有高的可压缩性

地下储层的压缩性越高，随着开发过程的进展，储层本身的属性（孔隙度、密度等）改变也会越大，从而引起地震波反射性质的改变也会明显，进而就可以实现对储层的时移地震监测.天然气水合物藏有孔隙度大、粒度较细和富含泥质的特征，这使得它具有很高的可压缩性，从而有利于对其开发进行时移地震监测.

图 2是水合物饱和度对不同孔隙度的地层岩石纵波速度的影响.图中最下面和最上面的曲线分别是水合物饱和度对孔隙度为55%和25%的富含泥质地层纵波速度的影响，中间曲线孔隙度向上依次减小.可以看出，随着水合物饱和度的变化，纵波速度在孔隙度大的岩石里面的变化量比在孔隙度小的岩石里面的变化量大很多.这是因为地下储层的孔隙度越大，可压缩性就越高，对纵波速度的影响也就越大，进行时移地震监测也就越有利.现实中有开采价值的水合物藏的水合物孔隙度都较大，可压缩性较高，因而适合用时移地震监测.

（3）开采过程储层流体性质变化大

假定储层孔隙是连通的，当储层中含有不同的流体时，储层的性质也会不同，地震波通过含油储层和含气储层的速度是有差别的，当储层内的流体性质发生大的变化（如由液体变为气体或由固体变为气体）时，必然会引起储层大的岩石物理参数变化，从而引起波阻抗系数的变化，为时移地震监测提供前提.

图 3中比较了完全饱水层和含10%游离气地层的纵波速度，可以看到，纵波速度V_p在完全饱水层中的传播比在含10%游离气层中的传播快很多.说明即使当地层中含有少量气时，也会引起纵波速度的降低，从而对进行时移地震监测提供条件.当水合物藏进行开采时，水合物将由固体变化为液体和气体，这必将引起水合物储层大的物性改变，所以地震波传播速度也会改变很大，有利于在水合物开采过程中进行时移地震监测.

3 数值模拟分析

按照水合物的产出特征和热力学性质，海洋天然气水合物可以划分为扩散和渗漏二种类型^{[37, 38]}.扩散型水合物藏的主要特征是水合物储层由水、水合物和沉积物组成；渗漏型水合物藏的主要特征是水合物储层由水、水合物、气体和沉积物组成.下面将分别对两种类型的水合物藏开采过程进行时移地震检测模拟分析.

3.1 扩散型水合物藏模型

扩散型水合物藏的特点是水-水合物二相热力学接近平衡，建立的模型如图 4所示.沉积层为孔隙度为55%的富含泥质层，水合物储层底端中心水合物饱和度最高，为50%，水合物饱和度向两端和上方逐渐减小；游离气层中靠近水合物层一端含气饱和度最高，为14%，含气饱和度向下端逐渐减小.

应用2.1节模型原理，模拟计算得到扩散型水合物藏模型的含水合物饱和度、含气饱和度、地层纵波速度和密度剖面如图 5所示.图中可以看到，水合物层中，水合物饱和度高的区域密度大，并且纵波传播速度快；游离气层的密度相对较小，纵波传播速度相对慢.

模型建立后，我们首先对开发前的天然气水合物藏进行合成地震记录.采用频率为45 Hz雷克子波，对扩散型水合物藏模型合成的地震记录如图 6所示.这就实现了时移地震监测水合物藏开发的第一步：由原始的水合物藏得到了原始的地震反射性质.从图 6中可以看出，海底面和水合物层底界的合成地震记录明显，游离气层底面合成地震记录不明显，这是因为海水和沉积层之间、水合物层和下面游离气层之间的波阻抗差大，游离气层和下面沉积层的波阻抗差小的缘故.

在水合物藏开采过程中，我们假定开采方式为在水合物层中心处打一口井，以球形结构向外扩展开采.随着开采的进行，对水合物藏分四个阶段进行时移地震监测，4个阶段的开采球面半径分别是5、10、30、50m.应用2.1节模型原理，分别对4个阶段进行模拟计算，得到每个阶段的纵波速度剖面如图 7所示.从图 7中可以看到，随着水合物藏开采的不断进行，每个阶段水合物层中开采的区域不断扩大，这些区域因为水合物由固体转化成气体而导致纵波传播速度减小.

同样，我们也分别对上述4个阶段的地层地震性质变化合成地震记录，如图 8所示.与图 6对比可以看到，因为水合物被开采，每个阶段水合物层的合成地震记录均有变化.这就实现了时移地震监测水合物藏开发的第二步：由水合物藏地层性质变化（密度、波速或波阻抗）得到变化的地震反射性质.

接着进行时移地震监测的最后一步，即将每个阶段水合物开采后的合成地震记录（图 8）和原始地震记录（图 6）做差，比较前后差异，如图 9所示.可以看出，在扩散型水合物藏开发的不同开发阶段，由于水合物层性质的变化（密度、波速或波阻抗变化），引起了地震反射性质很明显的改变.如果变化后的地震反射性质和原始的地震反射性质有很大的差异，就可以看到水合物的动态变化（相界面移动），从而达到用时移地震来监测的目的，所以可以用时移地震来监测扩散型水合物藏的开采.

3.2 渗漏型水合物藏模型

渗漏型水合物藏的特征是储层中含有水-水合物-游离气三相，与扩散型水合物藏相比，其多了游离气相.渗漏型水合物藏中的气体在沉积层中沿断层、裂隙、泥底辟等由下往上运移的通道非常复杂，目前并没有证据表明这些通道的具体形状.我们可以根据海底地震波反射显示出来的沉积层“气烟囱”形态进行假设^{[39, 40]}，水合物层下方所含游离气浓度大，向上逐渐减小.

本文渗漏型水合物模型是建立在扩散型水合物藏模型的基础上，在扩散型水合物藏模型中水合物储层中心区域加入少量游离气（气体饱和度最大为5%，呈三角形态向上减小），即水合物储层由水、水合物、气体和沉积物组成.应用2.1节模型原理，模拟计算得到渗漏型水合物模型的含水合物饱和度、含气饱和度、地层纵波速度和密度剖面如图 10所示，可以看到，与扩散型水合物藏模型（图 5）相比，渗漏型水合物储层中含游离气区域对应的密度和纵波速度较小.

与3.1节过程一样，我们对渗漏型水合物藏模型也进行类似的分析，开采过程的时移地震监测也分4个阶段进行（开采区域半径分别为5、10、30、50m），得到了每个阶段的合成地震振幅差值剖面如图 11所示.从图 11可以看到，含有少量气体的渗漏型水合物藏模型开采过程中的地震反射性质也有明显变化，说明当渗漏型水合物藏含有少量气体时，也可在开采过程中用时移地震方法进行监测.但将图 11与图 9对比可以发现，渗漏型水合物藏的地震反射性质变化量不如扩散型水合物藏模型的明显，这是因为渗漏型水合物储层里面含有少量气体，导致了水合物储层原始波阻抗变小的缘故.渗漏型水合物储层含有的气体越多，水合物储层和下面游离气层间的波阻抗差异就会越小，当水合物藏中含有大量气体时，水合物开采前后地震振幅的变化就会相对不明显，此时能否用时移地震进行监测要视具体情况而定.

4 结语

扩散型水合物藏的储层组成为沉积物、水合物和海水，不含气体，水合物储层的原始波阻抗较高，在开采过程中，水合物被转化为气体使得储层的波阻抗降低，导致了地震振幅有比较明显的变化，因此应用时移地震对这类水合物藏的开采进行监测相对容易.渗漏型气体水合物藏的储层组成为沉积物、水合物、海水和气体，水合物储层的原始波阻抗高低与气体含量有关，对于含少量气体的渗漏型水合物藏，在水合物开采过程中，由于大量水合物被转为气体，也可以明显观察到地震振幅的变化，从而可以用时移地震进行监测；如果渗漏型水合物藏开始就含有大量气体，就会导致水合物开采前后的地震振幅变化相对不明显，因此这类气体水合物藏的时移地震监测是否可行还要视具体情况而定.通过分析看出，从原理上可以应用时移地震技术对海底天然气水合物的开采进行监测，但能否具体实施还需要考虑检波器、采集和处理等技术情况，目前这方面国内外研究还是空白，建议有关部门加强对其的研究和技术准备工作.