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《中国地质大学(北京)》 2016年
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巴基斯坦近海莫克兰增生楔含水合物地层地震响应特征研究

Muhammad Irfan Ehsan  
【摘要】:天然气水合物是由水分子和碳氢化合物气体(甲烷、乙炔、丙烷等)组成的类冰状的结晶物质,其在低温(大约0°C)、高压条件下形成,普遍存在于海洋大陆坡浅部沉积层、深海和冻土地区。天然气水合物储量中蕴含的甲烷储量大约有1015到1017 m3,这也使得天然气水合物被视为未来石油天然气的替代能源,因此其被认为是未来能源的关键和深海资源中的瑰宝。巴基斯坦正面临着日益严重的能源危机,急需开采非常规能源来克服这种能源危机,而莫克兰近海地区是巴基斯坦开采天然气资源的最可行海域。现阶段,在中国南海、美国布莱克海台、加拿大北部冻土等地区,天然气水合物的勘探工作正在广泛地开展,但在巴基斯坦莫克兰近海地区的水合物勘探工作才刚刚起步。早期,德国的PAKOMIN和BGR公司曾在此地区开展过油气潜力的评价工作,在评价过程中他们大胆预测了该地区可能蕴含着丰富的天然气水合物资源,同时他们针对板块运动、流体运移等方面的研究也为本论文开展天然气水合物藏的研究工作提供了重要参考。本论文将针对该地区重点开展天然气水合物藏的岩石物理模拟、AVO及其衍生属性分析、基于正演模拟的地震衰减属性分析等工作,全面研究该地区的天然气水合物属性特征。本文的主体结构如下:首先我们介绍了莫克兰近海地区的地质概况,针对这一地区提出了探测水合物的技术。在第二章中我们研究了不同情况下的岩石物理建模,并跟测井数据进行了比对。在第三章中我们研究了AVO相关理论,并将其应用到莫克兰近海地区的水合物探测中。在第四章中我们针对将水合物作为流体的一部分这一情况计算了其AVO属性;之所以将水合物视为流体一部分,是因为这种模型与测井数据高度吻合。第五章我们研究了水合物和游离气赋存地层的地震波衰减和频散。第六章我们给出了结论。本论文的第一部分是与岩石物理模型计算相关的,详细研究了含天然气水合物沉积地层的敏感性参数分析。在岩石物理模拟中,分别考虑了天然气水合物作为流体以及岩石骨架的一部分讨论其对岩石弹性性质的影响。当天然气水合物作为流体一部分时,随着天然气水合物饱和度增加,流体的体积模量增加,这是因为天然气水合物刚度较大,因而使得流体的等效体积模量变大,而这与气体对流体体积模量的影响正相反。当混有天然气水合物的流体充填岩石孔隙时,饱和岩石的体积模量也会随之增加,而当气体混在孔隙流体中时,饱和岩石的体积模量会减小。由于岩石的速度主要受弹性模量及密度的影响,在前面分析当天然气水合物作为流体一部分对饱和岩石模量影响的基础上,可以模拟得到天然气水合物对速度的影响,研究结果表明,随着天然气水合物的存在会使岩石速度增加,且随着天然气水合物饱和度的增加,速度也会随之增加。此外,在此基础上还可以进一步分析天然气水合物对纵横波阻抗的影响,其中纵波阻抗随着含水合物饱和度的增加而增加,但横波阻抗随着含水合物饱和度的增加而减小,纵横波速度比以及泊松比会随着含水合物饱和度的增加而增加。当天然气水合物作为岩石骨架的一部分时,干岩石骨架的体积模量和剪切模量、饱和岩石的体积模量也会增加、纵横波速度以及纵横波阻抗等都会随着含水合物饱和度的增加而增加。由此可见,在天然气水合物作为流体的一部分和作为岩石骨架的一部分的两种情况下,纵波阻抗都会随着天然气水合物饱和度的增加而增大,但剪切阻抗在两种赋存模式下随水合物饱和度变化表现出变化差异。当天然气水合物是岩石骨架的一部分时,剪切波阻抗随水合物饱和度增加而增大;当天然气水合物是流体的一部分时,剪切波阻抗随水合物饱和度增加而减小。由此可以看出剪切波阻抗可以作为识别巴基斯坦莫克兰近岸海域沉积物中天然气水合物赋存状态的标志。在岩石物理正演模拟计算中,第一步利用等效介质理论计算了干燥岩石的物理响应。在岩石中的存在不同的流体,不同的流体具有不用的压缩比,这会对岩石的地震属性例如纵波速度和横波速度会产生很大的影响。岩石中流体的体积模量的大小取决于岩石中存在的流体的饱和度和流体自身的压缩比。基于孔隙空间中含有天然气水合物和水的地层与孔隙空间中含有气体和水的地层的两种模型,本文详细研究了流体体积模量的变化规律。针对不同的流体体积模量Kf通过利用Wood(1941)or Reuss(1929),Voigt(1910)and Voigt-Reuss-Hill relations模型,来计算岩石体积模量KW,KV和KVRH,并分别绘制了三种岩石物理模量与天然气水合物和游离气体饱和度之间的关系曲线。KV代表了两种流体混合下计算的岩石物理模量的上限,KW代表了两种流体混合下计算的岩石物理模量的下限。流体体积模量与天然气水合物的饱和度变化和气体饱和度变化呈现负相关变化趋势。Kf流体体积模量的大小随着天然气水合物饱和度的增加而增加,但是Kf流体体积模量的大小随着气体饱和度的增加而减小。流体体积模量的这种变化趋势说明了天然气水合物饱和度的增加可能增加了含天然气水合物沉积物的等效体积模量的刚度,而游离气饱和度的增加可能降低了含气沉积物的等效体积模量的刚度。正如我们所知道的,饱和沉积物或部分饱和沉积物的等效体积模量是流体体积模量存在于孔隙空间的直接体现。因此,在均匀和斑片状饱和形状下,我们将流体体积模量引入流体置换公式中。在本论文中,我们描述了饱和海底沉积物的等效体积模量与天然气水合物饱和度和游离气饱和度之间的变化关系。正如我们所预期的,饱和海底沉积物的等效体积模量的大小随着沉积物中天然气水合物饱和度的增加而增大,而饱和海底沉积物的等效体积模量的大小随着沉积物中天然气水合物饱和度的增加而减小,两者的变化趋势相反。当沉积物中天然气水合物的饱和度达到100%时,饱和岩石的体积模量为13 GP,但当沉积物中气体的饱和度到达100%时,饱和岩石的体积模量仅仅为1.3GP.研究结果显示对于孔隙为斑片状时计算的Ksat的值要比孔隙为均匀状计算的值要大。最后值得说明的是上述两种方法得到了相吻合的结果。当孔隙空间为均匀状的时候计算的Ksat和孔隙空间为斑片状的时候计算的Ksat在气饱和度为0.1时的相对差值是2.66GP。为了能从天然气水合物的饱和度的角度解释地震数据,因此我们需要建立沉积物中天然气水合物饱和度与沉积物速度之间的关系,下面我们将做详细描述。纵波速度的大小取决于饱和沉积物体积模量、剪切模量和沉积物的密度这几个参数。含天然气水合物沉积物的纵波速度和横波速度的计算是基于相关的数学公式。这些速度的计算是考虑岩石骨架中含有13%的黏土和87%的石英情况。在天然气水合物的饱和度为0%和沉积物孔隙度为39%时,沉积物的速度为2000m/s。含天然气水合物沉积物的纵波速度和横波速度随着天然气水合物饱和度的增加而增大。含天然气水合物的沉积物不仅可以通过高的纵波速度(当天然气水合物的饱和度达到100%时,其纵波速度达到了2800m/s)还可以通过低的纵波速度(当天然气水合物的饱和度达到100%时,其横波速度达到了850m/s)来识别。而下浮含游离气地层却具有低的纵波速度(1390m/s)和相对高的横波速度(950m/s)。然而,在天然气水合物饱和度一定的时候,沉积物的纵波速度变化比横波速度变化更加剧烈这种现象会引起(VP/VS)比值的增加,该比值参数可能是识别天然气水合物很好的标示。在气-水模型下纵波速度随气含量变化趋势与在天然气水合物-水模型下纵波速度随天然气水合物变化趋势完全不一样。在孔隙空间中填充游离气和水的情况下,沉积物的纵波速度在气含量小于0.15时出现一个明显的下降趋势。这说明即是在BSR下方存在少量的游离气也会导致地层纵波速度的明显降低,这个同样会影响地震阻抗和地震反射振幅。当游离气的饱和度大于0.2时,沉积物纵波速度几乎不改变了。但是在孔隙空间中填充天然气水合物和水情况下,沉积物纵波速度这种变化随天然气水合物饱和度的变化关系不同于上述游离气的情况了。沉积物的纵波速度随着天然气水合物饱和度的减小下降的比较缓慢。只得注意的是对于孔隙空间中填充水和气的模型和孔隙空间中填充天然气水合物和水的模型,两者的纵波速度变化趋势相反。所以最后本论文总结了考虑了天然气水合物做的流体的一部分和作为岩石骨架的一部分的情况,总结得出了一些研究结论。在分析了理论模型之后,将理论计算的纵波速度与测井实际记录的速度进行对比分析以便研究本目标区域。我们详细的描述了岩石物理模型的速度响应,得出结论认为当天然气水合物作为流体一部分时理论计算的速度与实际测井速度响应吻合的最好。因此,在本研究区域,天然气水合物作为流体的一部分这一个假设得到了很好的验证,本文后面的AVO分析和地震衰减研究都是基于此认识。现在我们研究当天然气水合物是流体的一部分和岩石骨架的一部分两种情况时,不同天然气水合物饱和度时含天然气水合物沉积层的AVO响应。在巴基斯坦莫克兰近海地区,当天然气水合物被认为是孔隙流体的一部分时,我们把利用岩石物理正演模拟技术计算的地震速度(纵波速度和横波速度)和密度做为AVO正演模拟分析的输入参数。当天然气水合物在地层中均匀分布的时候,相应的反射系数就可以计算出来了。在固定BSR下面游离气的饱和度为20%情况下,利用Zeoppritz方程计算在孔隙中天然气水合物饱和度从0%变化到100%时的反射系数曲线。这些曲线表现出很强的负截距值和负梯度值,因此可以认为这些曲线属于第三类AVO变化曲线。出现这种大的负振幅值的原因是含天然气水合物层与BSR下含气层存在的强负波阻抗差异。入射角为0度时的反射系数在孔隙是完全饱和的水合物时出现最大负值,在孔隙是完全饱和水时出现最小负值。在这种情况下,计算的振幅值随着偏移距呈现负数增长;梯度值随着天然气水合物饱和度的增加而增大。本论文的研究成果有助于理解当天然气水合物是流体的一部分时含天然气水合物储层的地震响应。在接下来的一章中,我们利用不同研究者提出的关于Zeoppritz方程的近似表达式详细研究了含天然气水合物地层的反射系数响应。这些由不同的研究者提出的近似公式的计算是基于不同的弹性参数假设的。在研究这些近似公式的地震响应时,我们设定天然气水合物的饱和度是40%,并且研究了天然气水合物-水模型和天然气水合物-气模型的地震响应差异。在上述研究中我们同时考虑了天然气水合物作为流体的一部分和作为岩石骨架的一部分这两种情况。我们发现,天然气水合物-气模型相较于天然气水合物-水模型会产生更大的负值响应,在本部分研究中,我们将天然气水合物的饱和度设定在40%是因为在考虑天然气水合物是孔隙流体一部分时的岩石物理正演模拟计算的速度曲线与实际的测井速度曲线在天然气水合物饱和度为30-45%时吻合的较好。AVO分析方法被应用于天然气水合物成藏的分析也可以达到指示天然气水合物的存在以及定量解释的作用。本文通过利用精确的Zoeppritz方程及其各种近似方程充分模拟了BSR反射界面(含水合物地层以及饱含水地层)的AVO响应特征,并对其各种衍生属性进行充分分析。在AVO的各种衍生属性中,截距I与梯度G与含水合物饱和度呈现负相关变化趋势,而截距与梯度的乘积I*G则与含水合物饱和度呈现正相关关系,可以用于区分含水合物地层以及饱含水地层。此外,(I+G)/2以及(I-G)/2两种衍生属性对于含水合物饱和度呈现不同的规律关系。泊松比反射系数属性也可以用于区分含水合物地层以及饱含水地层,这是由于BSR上下含水合物地层与含气地层有明显的泊松比属性差。为了建立AVO分析与岩石物理模拟之间的联系,一个综合的AVO属性分析技术被用于研究当天然气水合物是流体一部分情况下的天然气水合物储层。在含天然气水合物地层中,截距和梯度随着天然气水合物饱和度变化呈负增长趋势。AVO曲线梯度随着水合物饱和度增加而增加,然而截距与梯度交汇图也可以用来量化天然气水合物的饱和度。流体因子、孔隙体积模量和泊松比随着天然气水合物饱和度变化呈现负增长趋势。对比分析不同属性的变化趋势发现,一些属性变化趋势不能用来区分含天然气水合物地层和含水砂岩。流体指示系数表明PR,?F,KP,I*G,(I+G/2)在含天然气水合物地层中具有明显增加的趋势,这些参数也可用来指示天然气水合物的存在。在详细的研究了地震弹性参数与天然气水合物饱和度的关系和天然气水合物的赋存模式之后,我们发现有必要在考虑地震衰减和速度频散的情况下研究这些地震响应。在本研究中,地震衰减和速度频散技术被用于区分巴基斯坦莫克兰近海沉积层中的天然气水合物和游离气。在低频条件下,当游离气的饱和度超过一定范围内时,含气层的纵波速度与气饱和度保持近乎线性变化的。在低频域中寻找准确预测储层饱和度的方法是必要的。因此,我们尝试利用地震衰减技术来计算含气层和含天然气水合物层的饱和度。许多研究人员对部分饱和油藏开展了速度散射和衰减研究并取得了卓有成效的研究成果。基于宏观尺度地震波的被动流体流动(WIFF)机制和等效介质理论,本论文研究了莫克兰近海地区含天然气水合物沉积层的地震波速度频散和衰减。这项工作的重点是研究莫克兰地区含天然气水合物沉积物的地震速度频散和衰减及其他研究领域以区分游离气层和天然气水合物层,这将非常有助于了解天然气水合物的分布和赋存模式。对含天然气水合物沉积层和含气沉积层,我们在低频和高频研究了两者的速度频散和衰减现象。地震衰减和速度频散与含天然气水合物沉积物和含气沉积物的弹性参数有密切关联。当含天然气水合物沉积物中天然气水合物的饱和度达到66%及含气沉积物中气体饱和度达到15%时,速度差异、流体模量差异和纵波速度模量的相对差异到达最大值。我们发现,在一定饱和度范围内,当天然气水合物是流体的一部分,地震波衰减随着天然气水合物饱和的增加而增大;在超过该范围时,速度频散和衰减随着天然气水合物饱和度和气体饱和度增加而减小。地震衰减和速度频散可以作为区分天然气水合物沉积物和自由气体饱和沉积物的重要地震属性,并可以用来进行其他相关研究,比如研究天然气水合物的赋存模式。
【关键词】:
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P618.13;P631.4
【目录】:
  • Acknowledgements7-8
  • Abstract8-10
  • 摘要10-23
  • Chapter 1 Introduction23-35
  • 1.1 Gas Hydrates23
  • 1.2 Gas hydrates instability for geological hazards23-24
  • 1.3 Gas hydrate potential in Makran offshore Pakistan24
  • 1.4 Work Background24-25
  • 1.5 Rock Physics Scenario for gas Hydrates25
  • 1.6 Research elaboration with respect to AVO Technique25-26
  • 1.7 Attenuation bird eye view to elaborate gas hydrates26
  • 1.8 Problem statement and proposed techniques26-28
  • 1.9 Thesis layout28-29
  • 1.9.1 Section 128
  • 1.9.2 Section 228
  • 1.9.3 Section 328-29
  • 1.10 Objectives29
  • 1.11 Geology of Area29-30
  • 1.12 Stratigraphy of Area30-31
  • 1.13 Hydrocarbon structure and trend in Makran Area31
  • 1.14 Reservoir geology31-33
  • 1.14.1 Traps32-33
  • 1.15 Innovation of thesis33
  • 1.16 Major Significance33-34
  • 1.17 Benefits34-35
  • Chapter 2 Rock Physics Modeling35-57
  • 2.1 Rock Physics modeling approaches35-36
  • 2.2 Mathematical Work Flow36-40
  • 2.3 Variation in bulk density with gas hydrates (part of fluid) and gas saturation40-41
  • 2.4 Effect of Gas Hydrates Saturation on Bulk Modulus and Seismic Velocities41-44
  • 2.4.1 Bulk modulus of fluids variation41-42
  • 2.4.2 Saturated bulk modulus variation response42-44
  • 2.5 Velocities Variation Response44-45
  • 2.6 P and S wave impedances variation response45-46
  • 2.7 Three phase fluid seismic response46-47
  • 2.8 Elastic properties variation response when gas hydrates are part of solid47-49
  • 2.8.1 Bulk and shear modulus variation response47-48
  • 2.8.2 Shear modulus variation response48-49
  • 2.8.3 Saturated bulk modulus variation response for solid49
  • 2.8.4 Density variation response when hydrate are part of solid49
  • 2.9 Seismic response in solid case49-51
  • 2.10 Impedances variation response for gas hydrates solid case51-53
  • 2.11 Clues about gas hydrates from log data53-55
  • 2.12 Validation of Rock physics model55
  • 2.13 Conclusive Summary55-57
  • Chapter 3 AVO THEORY AND ITS APPLICATION FOR GAS HYDRATES57-75
  • 3.1 Reflectivity concept for gas hydrates57-58
  • 3.2 Zeoppritz equation58-59
  • 3.3 AVO Classes59-60
  • 3.4 AVO concept for gas hydrates60
  • 3.5 AVO response for Makran Offshore Pakistan60-64
  • 3.5.1 Computation lay out for Reflection Coefficient Response when gas hydrates are part offluid61-63
  • 3.5.2 Reflectivity response gas hydrates are part of solid63-64
  • 3.6 Modified Zeoppritz Equations64-68
  • 3.6.1 Mathematical description of AVO approximations is given below65
  • 3.6.2 Bortfield approximation65
  • 3.6.3 Richard and Faiser approximation65-66
  • 3.6.4 Smith and Gidlow approximation66-67
  • 3.6.5 Fatti approximation67
  • 3.6.6 Shuey Approximation67-68
  • 3.6.7 Hilterman approximation68
  • 3.7 AVO approximation results for gas hydrates68-75
  • Chapter 4 AVO derived attributes for gas hydrates bearing sediments75-87
  • 4.1 AVO Attributes75-76
  • 4.2 Work Flow76-79
  • 4.3 Fluid indicator Coefficient computation79
  • 4.4 Derived attributes results79-85
  • 4.4.1 Intercept and gradient detail elaboration79-81
  • 4.4.2 Poisson reflectivity variation response81-82
  • 4.4.3 Fluid factor variation response82-83
  • 4.4.4 Pore space modulus and Lamda Rho variation response83-84
  • 4.4.5 Fluid Indicator Coefficients (FIC)84-85
  • 4.5 Results Theme85-87
  • Chapter 5 Seismic attenuation and velocity dispersion for gas hydrates87-100
  • 5.1 Attenuation scheme for gas hydrates87-88
  • 5.2 Wave Induced Fluid Flow and Relaxation Phenomenon88-90
  • 5.2.1 Diffusion length response for gas hydrates89-90
  • 5.3 Velocity dispersion and attenuation simulation scheme90-92
  • 5.4 Simulation Results92-96
  • 5.4.1 Lower and high frequency seismic response for gas hydrates92-94
  • 5.4.2 Lower and high frequency seismic response for gas saturated sediments94-95
  • 5.4.3 Fluid difference variation response for lower and higher frequency domain95
  • 5.4.4 P wave modulus and velocities relative difference response two frequency domain95-96
  • 5.5 Seismic attenuation and velocity Dispersion96-100
  • 5.5.1 Attenuation and velocity dispersion response for gas hydrates96-98
  • 5.5.2 Velocity dispersion attenuation response for gas saturated sediments98-100
  • Chapter 6 Conclusions100-103
  • Recommendations102-103
  • Papers Published from thesis103-104
  • Reference104-112

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