天然气水合物声学测试技术.pdf

6 8 石油仪器 PETRoLEUM I NS T RUM E NTS 方 法研 究 天然气水合物声学测试技术 方跃龙 。 刘 昌岭 ， 。 赵仕 俊 胡 高伟 。 1 ．中国石油 大学 华东 信息 与控制工 程学院 山东 青岛 2 ．国土资源部 天然气水合 物重点 实验室 山东 青 岛 3 ．青岛海洋地 质研究所 山东 青 岛 4 ．中国石 油大学 华东 石油仪器仪 表研究 所 山东 东营 摘 要 储层声学特性研究是天然气水合物地球物理勘探和资源评价的基础。由于野外探测技术难以同时获取水合物饱和度 和声学特性参数 ， 现 多采用实验研究的办法获得。文章在综合国内外有关文献基础上， 对水合物声学特性 实验装置及声学测试 技术进行了全面分析， 并指 出目前水合物声学实验与测试技术存在的优缺点和发展态势。 关 键 词 天然气水合物； 声学； 测试技术； 实验装置 中图法分类号- T B 5 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 4 0 6 0 0 6 8 0 4 O 引 言 天然气水合物又称可燃冰 ， 具有使用方便， 燃烧值 高， 清洁无污染的特点。据估计天然气水合物 中甲烷 的总碳量是当前已探明的煤 、 石油 、 天然气等矿产 总含 碳量的两倍 J 。由于天然气水合物作为一种潜在的新 型能源具有显著优势 ， 有关它的勘探开发以及 由此带 来的环境效益 日益受到人们的关注。 受地层条件的限制 ， 对天然气水合物各项物性参 数进行原位测量十分 困难 ， 在实验室对人工合成水合 物 含水合物沉积物 基本物性参数进行测量是 比较经 济有效的办法。目前实验室测试手段主要有光学、 声 学 、 电学 、 电磁学、 xc T检测以及核磁共振等技术 J 。 声学特性是一项重要的地球物理性质参数 ， 可以反映 岩性 、 水合物分布及含量等重要信息。相比电阻率 、 孑 L 隙水等需要钻探才能获取的数据 ， 含水合物沉积物的 声学波速更容易获取。正因为如此 ， 使用有效 的实验 装置和测试技 术来研 究天然气水合物储层 的声学性 质 、 获取不同的岩性特性， 以及天然气水合物饱和度等 对沉积物声学参数的影响 ， 将对天然气水合物的勘探 和资源评价有着重要的意义。 南于水合物储层 往往具有复杂的地质条件， 如何 有效地获取不同类型水合物样品的声学参数是一大关 键问题 ， 需对装置 的功能和技术的实现进行综合 的分 析。本文论述国内外天然气水合物声学特性分析测试 的实验装置、 声学测试技术及其相应的研究成果 ， 对水 合物声学特性实验装置及声 学测 试技术进行全面 分 析 ， 指出和 目前水合物声学实验与测试 技术存在的优 缺点和发展态势 ， 对今后水合物声学实验装置和测试 技术的研究具有参考价值。 1 天然气 水合物声 学测试 技术 目前 ， 与天然气水合物相关， 较为常用 的实验室声 学特性测试技术 主要有传统 的超声波探测技术、 弯曲 元测试技术 ， 以及共振柱技术。三种测试技术的 比较 分析如表 1 所示 。 1 ． 1 传统超声波测量技术 传统的超声波测量技术是利用某些材料的压 电效 应， 将输入的电功率转换成机械功率 即超声波 再传 递出去 。由于超声波具有方向性好， 能量高等特点， 已 广泛运用于无损检测 中， 也较多地运用于实验室水合 物的声学特性的高频 0 ． 2 5 MH z ～1 MH z 测量 中。其 中以 Wi n t e r 等人的实验测量为代表。传统超声波测 量技术能较好地应用于岩石物性的实验 中， 但 因这种 结构的晶片与被测物体之间存在耦合衰减 ， 难 以获取 松散沉积物横波速度 。胡高伟 等发现 ， 当传统超声 波测量技术用于含水合物松散沉积物声学特性研 究 时 ， 由于传统超声换能器与松散沉积物问存在较大的 衰减， 横波速度难以获得。 基金项 目 天然气水合物国家专项 1 2 7工程 项 目 G Z H 2 0 1 1 0 0 3 1 0 第一作者简介 方跃龙 ， 男 ， 1 9 8 9年生 ， 中国石油大学 华东 信息 与控制工程学院在读顾十研究生， 主要从事水合物探测技术实验研究。 邮 编 2 6 6 0 7 1 2 0 1 4年 第 2 8卷 第 6期 方跃 龙等 天然气水合物声学 测试技术 表 】 天 然气水 合物声学测试 技术 的比较分析 1 ． 2弯 曲元 技 术 弯曲元技术是 S h Me y和 H a m p t o n于 1 9 7 8年首次 引用到测试室内土样剪切速度 ， 由于该法操作简单 、 低 成本 ， 易安装在各种常规实验仪器 内且具非破坏性 ， 已 经广泛运用于 E 工测试研究工作 中。弯曲元是由中间 绝缘层分 开的两 片可纵向伸缩 的压 电陶瓷 晶体 片组 成 ， 一端 固定 ， 另一端 自由， 形成悬臂结构 ， 通过施加的 电压脉冲产生横 向运动， 从而产生横波 J ， 因此在水合 物声学特性实 验中常用于横波速度 的测 量。胡高伟 等 改进了传统压 电陶瓷弯 曲元 ， 使其能同时测量水 合物的纵横波速 ， 并利用了新型的弯 曲元换能器得到 了含水合物松散沉积物 的纵横波速度。然而 ， 弯 曲元 不适用于刚度过大的样品， 且易碎 ， 防水性要求高。弯 曲元产生的弹性波在沉积物中传播时会 现近场效应 和过冲现象川 。 1 ． 3共振 柱 技 术 与传统的超声波测量技术和弯曲元技术不 同， 共 振柱常用于低频 1 0 H z～l 0 k H z 测量。考虑到在超 声频率下测量的波速通常高于野外地震频率测量的波 速 5 0 0 H z ， 而共振柱技术可 以在接近地震频率 下 测量含水合物沉积物样品的纵、 横波速度 ， 因此该技 术 的优越性在于能直接应用于野外研究。共振柱技术利 用实验装置对实心或空心的圆柱试样施加不同频率的 竖向或扭转 的稳态激震力 ， 并 达到第 一振型 的共振。 在此条件下 ， 测求其共振频率及振幅值， 并根据弹性理 论关系进一步计算压缩波或剪切波波速 ， 推算 出试样 的弹性模量或剪切模 量。长期 以来， 共振柱试验被公 认是测定沉积物中最大剪切模量最可靠 的方法 ， 并被 美国测试与材料协会 A S T M 纳入行业标准 J 。 目前 ， 该技术在水合物声学测试上以英 国南安普顿大学 的水 合物共振柱为代表 、 Ⅲ 。 2 天然气 水合 物声 学实验 装置 目前， 含水合物沉积物声学特性测试 的实验装置 较少 ， 按照研究对象的不同可 以分为天然气水合物声 学特性静态测试类、 声学特性实时测试类和声学剖面 测试类。三类实验装置的比较分析如表 2所示。 表 2 天然气 水合物 声学实验装 置的 比较 分析 2 ． 1 天然气水合物声学特性静态测试装置 天然气水合物的声学特性静态测试装置是通过测 量天然或人工合成水合 物的声波的波速 、 频率等声学 参数 ， 并结合水合物密度 、 孔隙度、 围压等数据计算体 石油仪器 P ETRoL EUM I NS TRUMENTS 2 O1 4年 1 2月 积模量等参数 ， 来研究不同温度压力， 孑 L 隙度和填充颗 粒等条件下形成水合物的声学性质变化规律。 英国 G e o T e k公司构建 了一套可对岩心样 品进行 无损物理扫描 的实验装 置， 即压力岩心分析和传输系 统 P C A T S ， 用来研究水 合物 的产生和生成机理⋯ 。 无损物理特性 的测量包括伽马密度 、 纵波速度 和二维 x射线图像。纵波波速是 由2 5 0 k H z的脉冲透射技术 测量 ， 误差控制在 1 ％。 在利用弯曲测试技术研究水合物的声学特性上 ， 则有美国佐治亚理工学院的仪表压力测试室 I P T C 实 验装置 。高压反应釜上下平行分布 四组仪表臂 ， 其 中后三组仪表臂依次为纵 、 横波发射接受装置 ， 强度探 针和电导率探针， 第一组为钻杆。利用机械驱动装置 ， 传感器可通过钻杆所钻的孔与沉积物相接。纵波的测 量采用微型探头 ， 频率为 1 M H z 。横波的测量 采用弯 曲元探针 ， 长 1 0 m m， 宽 4 l l l l n ， 频率 4 0 0 k H z 。 英国南安普顿大学设计了一套水合物共振柱装置 G H R C ， 可模拟水合物生成时的的温压条件 和海洋 地震调查时所用 到的频率 和应 力条件， 如 图 1所示。 P r i e s t ’ Ⅲ 等利用此装 置先后研究 了“ 过量 气 定量 水” 、 “ 过量水 定量水” 及“ 溶解 气” 体系中生成的水 合物对沉积物纵横波速影响。 配重 图 1 英 国南安普顿 大学 G HR C装 置示意 图 2 ． 2天然气水合物声学特性关 系实时测试装置 天然气水合物声学特性实时测试装置是利用实验 室模拟海底条件人工合成水合物， 并研究其在不同条 件下生成／ 分解时的声学实时特性 与饱和度 、 温压 ， 以 及其他物理参数 的对应 关系的变化趋势 ， 有助于揭示 水合物的形成机理 、 水合物与沉积物颗粒间接触机制。 美国科罗拉多州矿业大学设计 了一套可以人工合 成水合物来研究其在生成过程中的声学特性的实验装 置 J 。装置主体为一个带有温度控制绝缘压力容器， 施加在样品上 的最大压力为2 5 M P a 。超声波换能器 由 频率为 1 0 0 k H z 的压电晶体制成， 安装在端盖两端。实 验中需要甲烷气体注射到样品上来提供所需 的孔隙压 力 ， 其流量通过压力调节器控制 误差为 0 ． 2 ％ 。 青岛海洋地质研究所构建了一套天然气水合物地 球物理模拟实验装置 ， 将超声波技术与时域反射技术 集成于一体 ， 如图 2所示。高压反应釜设计压 力为 3 0 M P a ， 圆柱形 内筒内径为 6 ． 8 C lT I ， 长 1 5 3 1 1 1 ， 其温度由 两个 P t l 0 0热敏电阻测量 ， 精度为 0 ． 1 ℃。采用同轴 型 T D R探针测量样 品的含水量以计算水合物 的饱 和 度 ， 长度 0 ． 1 2 m m， 测量精度为 2 ％ ～ 2 ． 5 ％ 。 图 2青岛海 洋地质研究所 水合物地 球物理 实验装置 2 ． 3 天然气水合物声学剖面测试装置 天然气水合物与孔隙流体相 比， 具有较高的弹性 模量， 因此， 含水合物沉积层在地震和声波测井剖面上 表现为高速度异常。水合物的生成和分解对沉积层速 度变化的影响 ， 沉积物的分层速度与水合物的含量和 分布之间的联系 ， 是地球物理探测技术在水合物勘探 和资源评价中应用的基础。 中国石油大学 北京 设计开发 了一套天然气水合 物的三维物理模拟实验装置 ， 用来研究水合物的生 成与开发 ， 如 图 3所示。其 中利用声偶极子激发波形 完成声波的测量。高压反应釜内径为 5 0 0 n 3 1T l ， 体积为 0 ． 1 9 6 i n ， 最大工作压力为 3 2 MP a 。两个厚度为 3 1 Y I I I I 的多孔不锈钢板将容器 内部空问分成 3个部分 ， 传感 器系统则放置在两板之间， 包括 3 0个铂 电阻温度计 ， 3 0个电阻电极以及 l 6个声偶极子。每对声偶极子 问 距离为 3 0 m m， 频率为 1 MH z 。 2 0 1 4年 第 2 8卷 第 6期 方跃龙等 天然气水 合物声学测 试技术 图 3 天然气水合物三维物理特陛模拟实验装置示意图 1一实验模型 ； 2一有空介质 ； 3一电极 ； 4一声偶极子 ； 5一水分离器 ； 6一阀 ； 7一压力传感器 ； 8一质量流量 计 ； 9一气体 增压器 ； 1 0一储气瓶 ； 1 1一气源瓶 ； 1 2一减压 阀； 1 3一三通 ； 1 4一水泵 1 5一纯水罐 ； 1 6一搅拌 容器 ； 1 7一饱 和 甲烷气水 ； 1 8一搅拌 器 ； 1 9一三通 阀 3 结 论 1 声学参数测定的三种测试技术综合运用趋势逐 渐加强 ， 测试精度也不断提高， 且多与其他测试技术相 结合 ， 这使得检测结果更有信服力， 从而可以更加准确 全面地了解天然气物理特性。 2 由于沉 积物环境的复杂性 ， 大部分实验装置多 只单独测量天然气水合物的纵波或横波的速度。较多 的实验装置侧重于测量从 自然界获取或人工生成水合 物样品的声学参数 ， 少见在模拟真实海底环境下测试 水合物演化过j 陧中沉积物声学特性的研究。 3 天然气 水合物声学实验装置不断地向低温 、 高 压的方向发展 ， 实验精度不断提 高。实验装置的环境 控制和数据采集实现了智能化和 自动化 ， 人机互动密 切。为了能充分模 拟沉积层环境， 反应容器 的尺寸要 求也越来越大。 4 由于水合物在沉积物中的形成具有随机分布特 征， 单一层位研究 的叠加难以阐明水合物对沉积物速 度剖面结构的影响。研发能够测量沉积物多维声学剖 面的装置 ， 应是今后水合物声学测试装置的一个发展 方 向。 参 考 文 献 [ 1 ]M a k o g o n Y H o l d i t c h S A， Ma k o g o n T Y ．N a t u r a l g a s h y d r a f e s A p o t e n t i a l e n e r g y s o u r c e f o r t h e 2 1 s t C e n t u r y[ J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 5 6 1 [ 2 ]宋永臣， 杨明军， 刘瑜．天然气水合物生成与分解实验 检测技术进展[ J ] ．天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 8 [ 3 ]Wi n t e r s W J ， Wa i t e W F， Ma s o n D H，e t a 1 ．Me t h a n e g a s h y d r a t e e f f e c t o n s e d i me n t a c o u s t i c a n d s t r e n g t h p r o p e r t i e s [ J ] ．J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 5 6 1 [ 4 ]胡高伟 ， 业渝光 ，张剑，等．松散沉积物中天然气水 合物生成、 分解过程与声学特性的实验研究[ J ] ．现代地 质， 2 0 0 8 ， 2 2 3 [ 5 ]姬美秀，陈云敏 ， 黄博．弯 曲元试验高精度测试土样 剪切波速方法 [ J ] ．岩土工程学报 ， 2 0 0 4， 2 5 6 [ 6 ]胡高伟，业渝光，张剑 ，等．基于弯曲元技术的含水 合物松散沉积 物声学特性 研究 [ J ] ．地球 物理学 报， 2 0 1 2 ， 5 5 1 1 [ 7 ]陈云敏，周燕国，黄博． 利用弯 曲元测试砂 土剪切模 量的国际平行试验[ J ] ． 岩土工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 7 [ 8 ]柏立懂， 项伟．S A V I D I S A S ， e t a1．干砂最大剪切模量 的共振柱与弯曲元试验[ J ] ．岩土工程学报， 2 0 1 2 ， 3 4 1 [ 9 ]L e e J Y， J u n g J W，L e e M H，e t a 1 ．P r e s s u r e c o r e b a s e d s t u d y o f g a s h y d r a t e s i n t h e U1 1 e u n g Ba s i n a n d i mp l i c a t i o n for g e o me c h a n i c a l c o n t r o l s O i l g a s h y d r a t e o c c u r r e n c e [ J ] ．Ma r i n e a n d P e t r o l e u m Ge o l o g y，2 01 3，4 7 『 1 0 ]Y u n T S ，N a r s i l i o G A．C a r l o s S a n t a ma r i n a J ．P h y s i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f c o r e s a mp l e s r e c o v e r e d f r o m Gu l f o f Me x i c o [ J ] ．Ma ri n e a n d p e t r o l e u m g e o l o g y ， 2 0 0 6， 2 3 9 下转第 7 5页 2 0 1 4年 第 2 8卷 第 6期 李继 华等 E I L o g 测井系统 B C A S I 补偿声 差测井的干扰分析 7 5 经过以上步骤处理后 ， 直达波的首波到达时间为 7 0 0 Ix s ， 7 0 0 t x s 前干扰幅度最大为2 0 0 m V 仪器处于测 井档位 ， 满足 测 井条 件 ， 经 过一 年 的使 用 ， 该 仪 器 正 常 。 4 经 验教训 经过这次 B C A 5 6 0 1补偿声波测井仪声波故障， 我 们得到了以下经验教训 1 验收仪器必须增加直达波干扰检查 ， 即声波直 接放在仪器支架上检查直达波首波到达时间； 2 近接收直达波到达时间应大于6 6 7 t x s ， 首波幅 度应小于 2 0 0 m V 仪器处于测井梢位 ； 3 声波测井 曲线 、 显示波形都可以作为判断故障 的有效手段。 乏 譬 ； 乏 笞黾 ； g 舞 ≥ { { 蔷 暑 5 结束语 该案例表明， 对于测井仪 器维修 中的疑难杂症应 充分利用各种资料 ， 从原理上分析， 用理论指导实践 ， 这样才能从系统上消除故障。 参 考 文 献 [ 1 ]丁次乾．矿场地球物理[ M] ．东营 巾罔石油大学 版 社 ， 2 0 0 6 [ 2 ] 张守谦，李占诚．石油地球物理测升[ M] ．北京 石油T 业 出版社 ， 1 9 8 3 收稿 日期 2 0 1 4 0 32 8编辑 马小 芳 ≥ { { { { ； ； ≥ { { ； ； 害 { ； ； 笞 ； 上接 第7 l页 [ 1 1 ]P r i e s t J A， B e s t A I ，C l a y t o n C R I ．A l a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n i n t o t h e s e i s mi c v e l o c i t i e s o f me t ha n e g a s d r a t e b e a r i n g s a n d [ J ] ．J o u r n a l o f G e o p h y s i c a l R e s e a r c h S o l i d E a c h 1 9 82 0 1 2 ， 2 0 0 5 ，1 1 0 B 4 [ 1 2 ]P r i e s t J A ， R e e s E V L ， C l a y t o n C R I ．I n fl u e n c e o f g a s h y d r a t e n o r p h o l o g y o n t h e s e i s m i c v e l o c i t i e s o f s a n d s [ J ] ． J o u r n a l o f Ge o p h y s i c a l Re s e a r c hS o l i d Ea r t h 1 9 7 8 2 0 1 2 ， 2 0 0 9， 1 1 4 B 1 1 [ 1 3 ]R y d z y M，B a t z l e M， He s t e r K，e t a 1 ．E f f e c t o f t h e I n i t i a l W a t e r S a t u r a t i o n o n t h e E l a s t i c P r o p e r t i e s o f Ga s Hy d r a t e B e a r i n g S e d i me n t [ C] ． U n c o n v e n t i o n a l R e s o u r c e s T e c h n o l 一 [ 1 4 ] [ 1 5 ] o g y Co n f e r e n c e ．S o c i e t y o t P e t r o l e u m E n g i n e e r s ， 2 01 3 Hu G W ，Ye Y G，Z h a n g J ，e t a 1 ．Ac o u s t i c p r o p e rt i e s o f g a s h y d r a t e b e a tin g c o n s o l i d a t e d s e d i me n t s a n d e x p e r t m e n t a l t e s t i n g o f e l a s t i c v e l o c i t y m o d e l s [ J ] ．J o u r n a l o f G e o p h y s i c a l R e s e a r c h S o l i d E a r t h 1 9 7 8 2 0 1 2 ，2 0 1 0， 1 1 5 B 2 S u K H ，S u n C Y ，Da n d e k a r A ，e t a 1 ．E x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f h y d r a t e a c c u mu l a t i o n d i s t r i b u t i o n i n g a s s e e p i n g s y s t e m u s i n g a l a r g e s c a l e t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n d e v i c e [ J ] ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 8 2 收 稿 日期 2 0 1 4 0 5 2 8 编辑 姜婷