含水合物沉积物声学特性

卜庆涛, 刘圣彪, 胡高伟, 刘昌岭, 万义钊. 含水合物沉积物声学特性——实验模拟与数值模拟的对比分析[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(9): 56-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.079
引用本文: 卜庆涛, 刘圣彪, 胡高伟, 刘昌岭, 万义钊. 含水合物沉积物声学特性——实验模拟与数值模拟的对比分析[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(9): 56-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.079
BU Qingtao, LIU Shengbiao, HU Gaowei, LIU Changling, WAN Yizhao. ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF HYDRATE-BEARING SEDIMENTS:A COMPARATIVE ANALYSIS OF EXPERIMENTAL AND NUMERICAL SIMULATIONS RESULTS[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(9): 56-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.079
Citation: BU Qingtao, LIU Shengbiao, HU Gaowei, LIU Changling, WAN Yizhao. ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF HYDRATE-BEARING SEDIMENTS:A COMPARATIVE ANALYSIS OF EXPERIMENTAL AND NUMERICAL SIMULATIONS RESULTS[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(9): 56-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.079

含水合物沉积物声学特性

  • 基金项目: 国家自然科学基金(41906067);中国博士后科学基金(2018M632634);山东省自然科学基金(ZR2019BD051);山东省博士后创新项目(201902050)
详细信息
    作者简介: 卜庆涛(1988—),男,博士,主要从事海洋地质学与天然气水合物方面的研究工作. E-mail: bqt881110@163.com
    通讯作者: 胡高伟(1982—),男,博士,副研究员,主要从事海洋地质学与天然气水合物方面的研究工作. E-mail: hgw-623@163.com
  • 中图分类号: P744;P618.13

ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF HYDRATE-BEARING SEDIMENTS:A COMPARATIVE ANALYSIS OF EXPERIMENTAL AND NUMERICAL SIMULATIONS RESULTS

More Information
  • 含水合物沉积物声学特性在水合物勘探中非常重要。针对含水合物沉积物声学特性,前人通过实验模拟及岩石物理建模已取得一定的进展,但基于实验条件开展的数值模拟及其结果的对比研究仍鲜有涉及。笔者拟采用实验室物理模拟与实验储层数值模拟相结合的方法,通过物理实验模拟获得水合物储层声学特征。在此基础上,以实验物理模型以及声波采集系统为基本构建对应条件下的近似地质模型和声波观测系统,分别在50 kHz和80 Hz频率条件下获得具有不同水合物饱和度储层的波形记录和波场快照,并获得不同时间点和饱和度条件下的储层速度,对比分析实验模拟与数值模拟获得结果的异同。研究表明在3种模拟条件下获得的不同时刻的含水合物储层声速对应关系良好,数值模拟结果很好地印证了实验室模拟实验的结果,表明在实验室内进行相应物理模型的岩石物理模拟实验具有可行性。将实验模拟与数值模拟结果同野外探测数据对比分析,具有一致的变化趋势,表明物理模拟实验和数值模拟结果对野外勘探数据分析具有重要的指导意义。

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  • 图 1  含水合物沉积物速度剖面结构特性研究实验装置简图

    Figure 1. 

    图 2  不同时间点各层温度、压力、水合物饱和度和纵横波速度

    Figure 2. 

    图 3  水合物生成过程中声波速度对应水合物微观分布状态(据文献[31] 修改)

    Figure 3. 

    图 4  模拟超声频率下近似地质模型

    Figure 4. 

    图 5  不同时间各层位波形记录

    Figure 5. 

    图 6  模拟低频条件下近似地质模型

    Figure 6. 

    图 7  0 h各层位波形记录及速度模拟结果

    Figure 7. 

    图 8  54 h各层位波形记录及速度模拟结果

    Figure 8. 

    图 9  148 h各层位波形记录及速度模拟结果

    Figure 9. 

    图 10  245 h各层位波形记录及速度模拟结果

    Figure 10. 

    图 11  震源位于中间的地质模型

    Figure 11. 

    图 12  0.06 s时刻波场快照及波形记录

    Figure 12. 

    图 13  实验数据对比图

    Figure 13. 

    表 1  实验样品各层位在不同水合物饱和度条件下的数值模型输入参数

    Table 1.  The input parameters of the numerical model for each layer of the experimental sample under different hydrate saturations

    时间 层位 Kf
    /GPa
    Km
    /GPa
    Kdry
    /GPa
    Pm
    /(g/cm3
    ρf
    /(g/cm3
    κ
    /(10−15 m2 )
    ϕ
    /%
    0 h 层4 2.5 58.32 1.209 2.692 1.032 2.0 39.8
    层3 2.5 58.32 1.334 2.692 1.032 1.53 38.3
    层2 2.5 58.32 1.209 2.692 1.032 2.0 39.8
    层1 2.5 58.32 1.334 2.692 1.032 1.53 38.3
    54 h 层4 2.6 47.383 1.175 2.676 1.032 1.32 37.5
    层3 2.57 50.319 1.28 2.684 1.032 1.18 36.9
    层2 2.6 47.383 1.175 2.676 1.032 1.32 37.5
    层1 2.53 53.656 1.288 2.686 1.032 1.34 37.6
    148 h 层4 2.87 38.538 1.395 2.644 1.032 0.467 32.2
    层3 2.87 38.806 1.509 2.656 1.032 0.363 31
    层2 2.87 38.538 1.395 2.644 1.032 0.467 32.2
    层1 2.87 38.806 1.509 2.656 1.032 0.363 31
    245 h 层4 4.15 58.32 1.046 2.692 1.032 2.0 39.8
    层3 4.35 58.32 1.155 2.692 1.032 1.53 38.3
    层2 4.11 58.32 1.046 2.692 1.032 2.0 39.8
    层1 3.89 58.32 1.155 2.692 1.032 1.53 38.3
    注:表中KfKmKdryρmρfκϕ分别表示孔隙流体的等效体积模量,沉积物组成矿物的等效体积模量,沉积物骨架的等效体积模量,沉积物组成矿物的等效密度,孔隙流体的等效密度,沉积物的渗透率和沉积物的孔隙度。
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    表 2  实验模拟与数值模拟纵波速度对比

    Table 2.  Comparison of P-wave velocity between experimental simulation and numerical simulation

    /(m/s)
    实验模拟(超声频率50 kHz) 数值模拟(震源频率50 kHz) 数值模拟(震源频率80 Hz)
    0 h 层4 1 905.97 1 984.13 1 946.17
    层3 1 807.22 1 875.00 1 830.57
    层2 1 880.87 1 971.09 1 868.79
    层1 1 762.63 1 825.93 1 768.58
    54 h 层4 1 996.00 2 068.97 2 028.15
    层3 1 880.87 1 936.73 1 866.93
    层2 1 977.58 2 061.86 2 017.17
    层1 1 845.01 1 879.70 1 874.38
    148 h 层4 2 084.78 2 161.38 2 068.21
    层3 2 043.59 2 118.64 2 072.77
    层2 2 105.26 2 172.34 2 126.70
    层1 2 074.68 2 142.86 2 088.89
    245 h 层4 2 504.17 2 497.92 2 520.11
    层3 2 564.10 2 669.04 2 585.97
    层2 2 469.13 2 535.93 2 503.33
    层1 2 417.40 2 457.00 2 425.81
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出版历程
收稿日期:  2020-06-09
刊出日期:  2020-09-28

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