天然氣水合物開采過程甲烷氣泄漏海床基高密度電阻率法監測效果模擬與分析

吳景鑫, 郭秀軍,2,3, 賈永剛,2,3, 孫 翔,李 寧

1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 2661002.山東省海洋環境地質工程重點實驗室，山東 青島 2661003.海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100

0 引言

天然氣水合物開采過程中，若水合物賦存狀態不穩定，分解難以控制，將導致甲烷氣大量泄露，對海洋地球化學、海洋生態、全球碳循環和溫室效應產生巨大影響[1]。目前，甲烷泄漏主要監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上[2]，原位定點監測底層水甲烷濃度變化和氣體宏泄露。同時，在可能發生氣體泄漏的位置布設氣阱裝置，監測氣體泄漏率[3]。這種潛標式甲烷泄漏監測技術可實現長期定點監測，但監測范圍較小且具有一定滯后性，不能實現沉積物中甲烷氣泄漏擴散過程監測。日本南海海槽天然氣水合物試采工程采用深海地震系統(deep-sea seismic system, DSS)來實現這一目標，以生產井為中心布設三維地震接收系統，通過監測不同時期沉積層地震剖面信息反演沉積層中甲烷氣的泄漏[4]。DSS運行成本高昂，獲得監測數據需耗費大量人力物力。

電阻率成像法是一種通過地下介質電阻率觀測實現目標層探測的技術。雖然在海底氣體泄漏原位監測方面還沒有見到該技術的應用，但其在陸域地下氣庫探測中表現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建了含氣砂土電阻率模型，通過理論模擬和室內實驗獲得了含氣砂土層電阻率成像剖面，證實了電阻率成像技術對含氣層探測的有效性。

基于此，本文擬設計一種海床基原位電學監測系統，實現水合物開采過程沉積層甲烷氣泄漏實時監測；以我國南海天然氣水合物試采區為對象，依據區內地震資料構建不同甲烷氣泄露模型和相應電阻率模型，利用正、反演計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下的電阻率監測剖面，分析剖面圖像異常特征，界定異常圖像和甲烷氣泄露區的對應關系，評價該方法的監測能力。

1 甲烷氣泄漏地質模型

1.1 研究區選取

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，在該海域實施了第三次天然氣水合物鉆探(GMGS-3)，19個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景區之一[13]，本文將W19站位位置作為研究區。

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

1.2 地質參數設置

參照GMGS-3-W19站位資料選取地質模型參數，該站位水深1 273 m[14]，水合物層埋深為海床下134～202 m。基于孔隙水淡化估計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]，都以粉砂質黏土和黏土互層為主[16]，其他地質參數取值參考SH7站位。

1.3 甲烷氣泄漏地質模型建立

水合物分解后，甲烷氣在沉積物中的運移方式主要有分散式、中心式和大規模排放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。

神狐海域實測地震資料(圖2)顯示，淺層水合物層在地震剖面中表現為似海底反射層(bottom simulating reflector, BSR)，其主要發育在氣煙囪頂部。上新世以來的地層中(T2界面至海底，即5.5 Ma 到現今)，中—小尺度規模的斷層非常發育[18]，水合物一旦分解，甲烷氣就可能沿氣煙囪頂部發育的正斷層(圖2a)泄漏并運移至淺部沉積物。甲烷氣進入淺部沉積物后，不斷聚集形成層狀或團塊狀淺層氣分布區，據此可建立層狀、團狀甲烷氣聚集模型(圖3a、b)。若淺部聚集的甲烷氣慢速擴散至海底，結合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GMGS-3的W19電測井數據[13]進行賦值(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。

假設上覆層甲烷氣泄漏區含氣飽和度一致，取值0.25；當孔隙中存在游離氣時，飽和土變為非飽和土，依據阿爾奇公式，計算非飽和土電阻率ρ的公式為

(1)

式中：a為巖性系數；ρw為孔隙水電阻率；φ為地層孔隙度；m為膠結指數；Sw為孔隙水飽和度；n為飽和度指數。根據前人研究結果[20]，ρw取0.29 Ω·m，n取1.83，a取0.8，m取2.0，φ取0.41，計算得到甲烷氣泄漏區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育至沉積層淺部；b. 滑脫斷層沿水合物層發育至海底。圖2 南海北部陸坡神狐海域氣煙囪、正斷層和滑脫斷層(據文獻[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 甲烷氣泄漏地質模型Fig.3 Methane leakage resistivity model

3 電學監測系統設計及監測效果模擬

3.1 電學監測系統設計

圖4 W19電測井數據及沉積層電學模型Fig.4 W19 electric logging data and hydrate-bearing sediments resistivity model

電學監測系統主要包括監測電纜、采集站、電源模塊、總控平臺上位機四部分。監測電纜與采集站相連接且內置等距分布的多個電極及相應電極轉換開關，電極轉換開關控制電極工作狀態，不同開關通過監測電纜內部導線連接。采集站包括主處理單元、電極開關選址單元、供電回路切換單元、數據采集處理單元四部分：主處理單元通過通訊電纜與平臺或者生產船上的上位機連接，接收上位機的指令控制電極工作狀態接收測量電位數據，也可通過預設程序，脫離上位機獨立按預先設定的采集模式工作；電極開關選址單元與主處理單元連接，在主處理單元的控制下發出指令編碼至電極轉換模塊的接口單元；供電回路切換單元一方面連接電極轉換模塊的控制驅動單元，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換模塊的供電回路供電；數據采集處理單元與電極轉換模塊的控制驅動單元連接，用于采集并處理電流及電位數據。電纜系統以生產井為中心對稱鋪設，可以布設成單線或十字交叉線(圖6)。

3.2 監測效果模擬

對單線監測剖面的模擬計算采用有限元法。根據模型中水合物層預設深度和系統探測能力分析，計算時設定布設101個電極。將監測電纜下部沉積層劃分為46×404個矩形網格塊，單位電極距四剖分，網格縱向長度為5 m，網格橫向寬度為四分之一最小電極距(圖7)。依據圖5所建電學模型，對不同網格塊進行電阻率賦值，選取采集裝置并經正演計算得到不同網格節點處的電位值，進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，噪音越大阻尼因子取值越大；本文進行數值模擬時未設置噪音干擾，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，本文設置為0.15；阻尼因子增長系數通常取值1.05～1.10，本文設置為1.05；最小阻尼因子通常取值0.01～0.10，本文設置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

根據預設模型深度，初始極距設為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所示地電模型進行探測，數據采集33層，計算得到的理論探測剖面如圖8a所示。圖8a顯示兩種裝置實際剖面深度僅在120 m左右。原始模型中0～134 m深度區間為0.7 Ω·m的均勻電性層，但在探測剖面中深度30～60 m出現了小于0.13 Ω·m的低阻異常層，實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

為分析產生該異常的原因，建模時不考慮海水的影響，所得結果如圖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，靈敏度值越高的區域探測結果越可靠。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。基于此，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有效探測深度的影響，將電纜極距增大至10、15 m，分別計算得到偶極裝置探測剖面如圖10所示。 圖10顯示，當極距增大至10、15 m時，剖面實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。

為分析電極數對有效探測深度的影響，將5 m極距電極總數由101增加至201，進行偶極裝置電阻率剖面計算，結果如圖11所示。計算結果顯示，當電極總數增加至201時，有效監測深度依舊約為30 m。可見有效監測深度與電極數及測線總長無明顯相關性。

為進一步驗證有效探測深度概念的實用性，模擬利用10 m極距電纜系統對不同埋深目標體進行探測。其中一組目標體頂界埋深設為30 m，在有效探測深度內(圖12a)；另一組目標體頂界埋深設為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：有效監測深度內，探測剖面對高阻目標體反映較為靈敏，卻難以反映出低阻目標體；有效監測深度以下的目標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. 電極數為101；b. 電極數為201。圖11 不同極數偶極裝置探測剖面Fig.11 Detection sections of dipole-dipole array with different electrode number

圖12 不同埋深有效深度驗證模型反演結果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行探測，泄露區埋深都在50 m以內，探測剖面如圖13所示。

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

圖13 不同甲烷氣泄漏模型監測效果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 結論

1)受海水層影響，海床基電學探測剖面中會出現低阻伴隨異常帶。可將該異常帶頂界深度定義為有效探測深度。該深度隨電極距增加非線性增大；與電極數目和排列長度無關。10 m極距偶極裝置有效探測深度為海床面下50 m。

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

3)在有效電學探測剖面上，層狀、團狀甲烷氣聚集區表現為明顯的層狀高阻區，慢速甲烷氣泄露區和沿斷層泄露區表現為垂直高阻異常區，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分布范圍。