極地冷海淺層天然氣水合物地層聲學特性模擬實驗研究*

王 磊 胡志強 柯 珂 張 輝 李蒞臨 閆 莉

(1.中石化石油工程技術研究院有限公司 北京 102206； 2.中國石油大學(北京) 北京 102249)

極地冷海油氣儲量豐富，開采潛力巨大，戰略價值高，已經成為各大國際石油公司關注的熱點[1-4]。極地海洋環境常年溫度低于0 ℃，淺部地層狀態不穩定，極易受擾動分解產生大量氣體，一旦鉆遇會出現大量氣體聚集噴發，沖刷井眼，嚴重時會導致海底塌陷，平臺失穩傾斜，造成井噴、爆炸等災難性事故[5-7]。目前已有針對天然氣水合物地層聲波特征和鉆前監測的相關研究，Priest等[8]設計了特殊的天然氣水合物制備裝置測試其聲學特性的主要影響因子；楊進 等[9]研究了天然氣水合物物理特性與聲波速度的關系；唐海雄 等[10]研究深水淺層地質災害與地震波速度之間的關系；上述研究針對海洋深水區域天然氣水合物地層合成和分解的聲波特性做出來詳細研究，但由于極地冷海淺層天然氣水合物地層土質環境和復雜條件不同，直接采用海洋深水天然氣水合物層的預測方法會導致結果的偏差，需要開展針對性的方案研究。因此，基于搭建的低溫天然氣水合物聲學特性實驗系統和人工水合物試樣，研究了天然氣水合物地層聲波速度在不同參數條件下的變化情況，建立了淺層天然氣水合物地層的聲學特征響應模型，并對冷海淺層天然氣水合物鉆井風險進行評估，強化極地冷海淺部天然氣水合物地層的識別精度，避免鉆遇復雜地質災害，對極地冷海安全高效勘探具有一定指導意義。

1 低溫天然氣水合物聲學特征模擬實驗裝置

本實驗采用中國石油大學(北京)海洋油氣工程實驗室研制的低溫天然氣水合物聲學特性實驗系統，研究天然氣水合物地層聲波速度在不同物性參數條件下的變化情況。該系統由淺層土制備實驗箱、水合物制備高壓反應釜、氣液分離器、控制模塊與數據測量采集模塊等組成。為提供實驗所需低溫條件，實驗場地全天環境溫度維持在-30～-10 ℃，滿足實驗方案設計需求[11-12]。本實驗采用100 mm×100 mm×100 mm尺寸的實驗箱配置滿足極地冷海淺部土層各項指標的土樣；制備水合物的圓柱型高壓反應釜直徑0.14 m，高度0.40 m，高壓反應釜內有效容積為2 L，通過精度±0.03鉑電阻溫度傳感器測量溫度，可模擬的溫度范圍在-20～100 ℃；精度0.5%的壓力傳感器測量壓力，壓力量程范圍在0～25 MPa；采用氣液分離器回收天然氣水合物制備過程中無法直接排放的甲烷氣體，管路尺寸與實驗匹配，回收后的甲烷氣體可循環實驗，裝置如圖1示。

圖1 低溫天然氣水合物聲學特征模擬實驗裝置

2 低溫天然氣水合物聲學特性模擬實驗方案

2.1 先導實驗

為水合物淺層土的配比制定最佳方案，研究不同地層比例厚度對聲波速度影響的先導實驗。實驗結果顯示，在水合物層厚度確定的前提下，上部土層、水合物層、下部土層厚度比例為1∶2∶1時，聲波首波到達時間不易檢測判斷；比例為4∶2∶4時，聲波數據采集更為完整，但由于實驗土層較厚，不宜操作；當采用比例為3∶2∶3時，可以兼顧聲波數據采集和實驗測試操作條件，如圖2所示。

圖2 不同厚度土層配比的天然氣水合物聲學先導實驗

為驗證聲波測試實驗的可行性和優化實驗流程，針對純干冰層、冰層、干冰與土混合層和冰與土混合層四類與天然氣水合物成分物性相近的地層進行實驗，實驗流程如圖3所示。實驗連續進行多組測量直至聲波速度穩定，提高實驗精度，記錄此時測量數據，實驗結果如表1所示。從實驗結果看出，聲波在干冰層傳遞的最快，符合預期結論，同時驗證了低溫聲波測速實驗方案的可行性。

圖3 不同成分的天然氣水合物聲學先導實驗

表1 聲波測試先導實驗測試結果

2.2 實驗淺層土配置

根據極地區實際鉆井取心調研結果[13]，實驗配置的淺層土需要滿足極地冷海淺層土質各項基本參數指標和實驗環境溫度。參考國家相關標準的試驗土樣制備方法[14]，首先通過打碎、曝曬及過篩處理完凍土原狀土后，再添加水溶液調配至實驗所需的含水率，靜置處理72 h，按照設計分層壓實處理，同時儲備一定量的備用土層,實驗淺層土物理性質見表2。

表2 實驗淺層土物理性質

2.3 天然氣水合物制備

1)排氣：制備實驗前，打開高壓反應釜內腔體，持續注入高濃度的甲烷氣體驅替高壓反應釜內空氣，同時檢測高壓反應釜裝置密封性。

2)加砂：選擇顆粒直徑范圍在200～600 μm的石英砂，將其作為介質材料填充在實驗高壓反應釜內，通過石英砂顆粒直徑的數值來調控所需天然氣水合物的孔隙度。

3)注水：控制實驗裝置注水閥門的開度，緩慢注入質量分數為3.5%的鹽水溶液模擬海底液態環境，實驗高壓反應釜內溫度保持在25～30 ℃。鹽水溶液中加入濃度為200 mg/L十二烷基硫酸鈉作為添加劑，提高天然氣水合物的化學合成速度。

4)注氣：打開實驗反應釜裝置注氣閥門，同時關閉注水閥門，控制速率緩慢注入99.99%濃度的甲烷氣體，時刻關注壓力值變化，直至達到12 MPa時停止注氣。根據物質守恒定律，制備不同質量分數飽和度的天然氣水合物計算公式如下[10]：

(1)

式(1)中：S為所需實驗試樣的天然氣水合物飽和度，無因次；pc為注入的甲烷氣體的壓力值，MPa；Vc為注入的甲烷氣體體積，m3；Mh為甲烷水合物摩爾分子量，g/mol；Z為天然氣壓縮因子，無因次；R為氣體常數，J/(mol·K)；T為實驗溫度，℃；Vp為樣品孔隙體積，m3；ρh為天然氣水合物密度，g/cm3。

5)生成：迅速關閉實驗裝置注氣閥門，調節高壓反應釜溫度維持在0～4 ℃，觀察反應釜內壓力持續下降，天然氣水合物不斷生成；為保持釜內壓力恒定，啟動實驗裝置注水閥門，繼續緩慢注入含量3.5%的鹽水溶液，直至釜內不再降低時，所需天然氣水合物制備過程結束。

2.4 實驗操作流程

校對實驗儀器精度，分別對厚度為0.5 m的空氣、水和實驗淺層土進行聲波測試，調節儀器靈敏度，獲取聲波數據，符合精度要求后，校對實驗儀器完畢；按照優化后的水合物淺層土最佳配比方案，將實驗箱下部的充填滿預先配置的淺層土樣，厚度為30 cm；采用實驗氣囊填充滿制備好的天然氣水合物試樣，高度為20 cm，埋置實驗箱下部的淺層土樣上；再次將預先配置的淺層土樣覆蓋在實驗箱上部，厚度30 cm；實驗箱體配置完畢后，開始采用聲波測試儀對實驗箱體進行連續測量，記錄聲波穩定時刻的數據；測量完畢后，釋放天然氣水合物試樣，利用氣液分離器回收實驗甲烷氣體。

2.5 實驗數據記錄

本實驗采用的TH206聲波測試儀通過內置的聲波計算程序，繪制出目標聲波的波形曲線，并在采集器中讀取結果，得到不同地層物性參數條件下的天然氣水合物的聲波傳播速度，如表3、4所示。

表3 天然氣水合物地層聲波速度隨飽和度變化測試結果

表4 天然氣水合物地層聲波速度隨孔隙度變化測試結果

2.6 實驗結果分析

整理實驗結果，繪制出不同地層物性條件下的天然氣水合物地層縱波速度變化規律曲線，如圖4和圖5所示。實驗結果看出，天然氣水合物縱波聲速與飽和度呈正相關性，天然氣水合物地層的飽和度越高，其縱波聲速值越大，建立天然氣水合物地層聲波速度隨飽和度變化關系式

圖4 天然氣水合物地層聲波速度隨飽和度變化曲線

圖5 天然氣水合物地層聲波速度隨孔隙度變化曲線

Vg=0.156 8S2+11.846S+2112.5

(2)

式(2)中：Vg為天然氣水合物地層聲波速度，m/s。

天然氣水合物縱波聲速與孔隙度呈負相關性，天然氣水合物的孔隙度越高，縱波聲速值越小，建立天然氣水合物地層聲波速度隨孔隙度變化關系式

Vg=-0.167φ2-10.108+3 040.2

(3)

式(3)中：φ為孔隙度，無因次。

3 淺部天然氣水合物地層鉆井風險評估

由水合物等效介質理論[15-16]可知，天然氣水合物地層聲波速度主要受到天然氣水合物層埋藏深度、水合物孔隙度、水合物飽和度、沉積物層礦物成分等參數影響。根據文獻研究[17]，建立了天然氣水合物地層的孔隙度與埋深間的計算模型，其表達式為

φ=φ0e-0.014×(13.31lgA-83.25lgR+2.79)D×10-3

(4)

式(4)中：A為地質年代，Ma；R為巖土厚度與陸源沉積物總厚度的比值，無因次；D為埋藏深度，m；φ0為地層原始孔隙度，%。

根據時均方程[17]，建立含天然氣水合物地層沉積物的聲波速度計算公式

(5)

式(5)中：Vr為巖石孔隙流體聲速，m/s；Vgh為純天然氣水合物聲速，m/s；Vm為巖石骨架聲速，m/s。

聯立公式(2)～(5)，可以將含有天然氣水合物地層的物性參數、埋藏深度和聲波速度聯系起來。根據實驗結果，采取控制變量法，固定水合物地層孔隙度物性參數，建立不同水合物地層飽和度條件下，極地冷海淺部天然氣水合物地層埋藏深度與聲速之間的關系，如圖6所示。

圖6 天然氣水合物地層埋藏深度與聲波速度關系曲線

根據天然氣水合物地層聲學特性模擬實驗研究結果，結合極地冷海淺部土質資料參數和天然氣水合物地層風險聲學特征[18-20]，并將鉆遇淺部天然氣水合物地層的風險劃分為紅、橙、黃、藍四個風險等級，如表5和圖7所示。可以看到，縱波速度越慢，鉆遇淺部天然氣水合物地層的風險越高，其中紅色區域代表風險等級高級，設計上應該重新制定井位坐標，避免鉆遇天然氣水合物區域。

表5 淺部天然氣水合物地層的風險等級

圖7 鉆遇淺部天然氣水合物地層風險評估

4 結論與建議

1)天然氣水合物在極地冷海淺部地層狀態不穩定，鉆井過程會導致水合物分解，產生大量氣體聚集噴發，易造成井噴、爆炸等災難性事故。目前針對淺層天然氣水合物地層的識別方法主要集中在地震資料反演，缺乏針對淺部天然氣水合物地層聲學特性的定量描表征，無法開展針對淺部天然氣水合物地層的有效風險識別。

2)為對鉆井過程中冷海淺部存在的天然氣水合物地層進行預測和識別，基于搭建的低溫天然氣水合物聲學特性實驗系統和人工水合物試樣，開展了人工水合物試樣聲波速度在不同參數條件下變化規律的研究，建立了淺層天然氣水合物地層的聲學特征響應模型，可對極地冷海淺層天然氣水合物鉆井風險進行評估。

3)研究結果表明，淺部天然氣水合物的縱波聲速與地層飽和度呈正相關，與地層孔隙度呈負相關，鉆遇淺部天然氣水合物地層風險分為紅、橙、黃、藍四個等級，其中紅色風險等級最高，設計上應考慮重新制定井位，避免鉆遇天然氣水合物區域；通過開展針對冷海淺部天然氣水合物地層風險評估，可以有效提高天然氣水合物地層的識別精度，避免鉆遇復雜地質災害，能有效指導極地冷海安全高效勘探。