含水合物沉积物的声传播特性及多相介质声学模型研究

Natural gas hydrate is an alternative energy sources with enormous reserves, and the acoustic characteristics of hydrate-bearing sediments is important to hydrate reservoir rock properties for hydrate exploration and development. A lot of research has been performed about acoustic characteristics and physical model of hydrate-bearing sediments, but there are still some problems. For example, they did not consider the influence of temperature and the interaction of multi-phase medium of gas, water, hydrate and sediment. It, therefore, results in a lot of problems in practical applications. Base on the characteristics of gas hydrate, this project will establish a set of the experimental setup with online measurement of the hydrate acoustic parameters to get the acoustic impedance data and study the key factors which influence the acoustic wave velocity of the hydrate-containing sediments in the hydrate drilling district of the South China Sea hydrate and the Qinghai-Tibet Plateau permafrost by experimental and theoretical analysis, explore acoustic wave propagation characteristics of multiphase media under the presence of natural gas hydrates, clarify its sound propagation mechanism, and establish Multiphase medium model. Base on the two-phase medium theory, Hertz-Mindlin contact theory and Dvorkin cementation theory, this model will consider the Biot slow wave, the effects of dispersion, temperature and other parameters. Finally, this project will use the logging data to verify the accuracy of the model and employ the model to calculate the hydrate saturation and inversion the distribution of gas hydrate.

天然气水合物是一种储量巨大的潜在的替代能源，而含水合物沉积物的声学特性是水合物储层重要的岩石物性，也是水合物勘探开发的重要基础，其声学特性及物理模型已有很多研究，但还存在一些问题，例如没有考虑温度的影响，也很少研究气、水、水合物、沉积物等多相介质的相互作用，导致在实际应用中还存在很多问题。本项目将根据天然气水合物的特点建立一套可在线测量水合物声学参数的实验装置；通过实验研究和理论分析获取含水合物的南海水合物钻探区沉积物及青藏高原冻土的声波传播速度及声阻抗数据及其关键影响因素，探索天然气水合物存在条件下的多相介质声波传播特性，阐明其声传播机制；在现有双相介质理论、Hertz-Mindlin接触理论及Dvorkin等的胶结理论的基础上引入温度等参数，考虑Biot慢波及频散的影响，建立多相介质的声传播模型，并利用模型和南海水合物钻探过程中的测井数据反演水合物饱和度的分布。

天然气水合物是一种储量巨大的潜在的替代能源，而含水合物沉积物的声学特性是水合物储层重要的岩石物性，也是水合物勘探开发的重要基础，其声学特性及物理模型已有很多研究，但还存在一些问题，例如没有考虑温度的影响，也很少研究气、水、水合物、沉积物等多相介质的相互作用，导致在实际应用中还存在很多问题。. 本项目自行设计并搭建了沉积物中天然气水合物实验装置，并通过实验和理论研究，初步获得了含水合物的南海沉积物及高原冻土的声波传播速度数据，包括南海水合物钻探区沉积物的声学响应特性及温度压力的影响、含水合物南海水合物钻探区沉积物的声学响应特性及影响因素和含水合物冻土的声学响应机制及冰/水合物的声学分辨方法研究，同时建立了多相介质的声传播模型，提出了通过声速数据来预测水合物饱和度的方法及存在的问题，也尝试进行了CO2/N2 混合气置换甲烷水合物的声波特性研究，完成了预期目标。. 主要成果包括：（1）获得天然气水合物、沉积物和含水合物沉积物的声波传播速度数据及声衰减规律的基础数据；（2）获取影响含水合物南海沉积物和冻土的声波传播特性的主要因素；（3）建立通过声速数据来预测水合物饱和度的数学模型及方法;（4）申请了发明专利4项，并在国内、外发表10 余篇研究论文，其中SCI/EI论文6篇；（5）培养了3名青年科技骨干，其中2人顺利由助理研究员晋升为副研究员，1名晋升为硕士生导师；（6）培养3名研究生，其中1名2017年毕业，2名2018年毕业。. 通过本项目的研究，获得了对含水合物的南海沉积物及高原冻土的声波传播进一步认识，也为以后的相关研究培养了技术骨干，为我国南海及青藏高原冻土区天然气水合物的勘探开发提供了基础数据和理论支持。