摘要
天然气水合物是由天然气和水在高压、低温状态下形成的化合物，主要分布在陆域永冻土或深海沉积物中，是一种具有巨大潜在开发价值的替代能源。由于其特殊的赋存和物理性质，天然气水合物储层的安全钻采比常规油气储层显得更为复杂。声波测井可以为钻井提供井周围地层声学信息(声速和衰减)，作为对天然气水合物储层响应较明显的一种测井方法，声波测井已成为国际上天然气水合物储层勘探和评价的重要手段。但是，由于天然气水合物储层是由两种固体和一种流体组成的多相孔隙介质，目前对于该三相介质中的声学特性的研究以及利用声学方法定量探测和评价天然气水合物的理论不够完善。研究声波在天然气水合物储层中的传播特性可以为天然气水合物的开发提供理论指导。因此，本文首先完整地介绍了Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论;随后，基于该理论对天然气水合物储层中的声波传播规律进行理论分析和数值模拟;最后，对天然气水合物储层中的井孔模式波传播特性和应用进行了深入研究。主要进行了以下几个方面的工作: 第一，在简单介绍常见的计算天然气水合物储层中声波传播速度的公式和模型的基础上，对Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论中的运动方程和应力-应变关系进行了完整的理论推导，详细地描述了饱和流体孔隙介质中的动能密度、势能密度和耗散势函数，其中从物理角度用更清晰并易于理解的方法表示动能密度，结合Lagrangian方程推导出运动方程，并将其推广到两固一流多相孔隙介质中。此外，为了证明Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论的正确性，将两种固体和一种流体组成的三相介质退化成由两种固体组成的双相介质以及由一种固体和一种流体组成的饱和流体孔隙介质。结果表明，当孔隙中固体完全被流体替代时，Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论可退化为Biot理论。 第二，Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论中缺少对骨架体积模量、剪切模量和两种固体间摩擦系数定义。为探究天然气水合物储层中各类波的传播特性，引入了对Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论中定义不明确的参数的具体解释，使Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论更加完善。基于Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论，利用平面波分析的方法，推导出纵横波频散关系方程，得到天然气水合物储层中传播的五种波:第一类纵波(P1)、第一类横波(S1)、第二类纵波(P2)、第二类横波(S2)和第三类纵波(P3)。研究了P1波和S1波相速度和衰减对天然气水合物饱和度等储层参数的灵敏度，详细分析了频率、水合物饱和度和粘土含量对五种波相速度和衰减的影响。研究结果表明，P1波相速度和衰减对天然气水合物饱和度的灵敏度较大。天然气水合物饱和度越大，利用P1波速度反演饱和度得到的结果越可靠。因此，可以利用实测资料中P1波相速度和衰减反演天然气水合物饱和度。低频时P1波和S1波无频散，两种波相速度随天然气水合物饱和度的增加而线性增加。三种慢波的传播速度较慢，低频时有频散且衰减很大，高频时无频散且衰减小。随着天然气水合物饱和度的增加，三种慢波低频和高频的过渡带向高频方向移动。粘土的存在使P1波和S1波的相速度明显减小，低频时粘土对P2波的相速度影响较小，高频时粘土使P2波的相速度略减小，P3波和S2波的相速度基本无变化。粘土的存在使P1波的衰减减小，其余波的衰减基本不受粘土含量影响。本文将模型预测的速度与大洋钻探计划(ODP164)航次实际测井数据进行对比，结果表明模型估算结果与实际测井数据吻合较好，验证了模型的正确性。提出了利用实际测井资料中P1波速度反演天然气水合物饱和度的方法。利用该方法估算ODP204航次1247B站位水合物层在海底以下约100-130m，饱和度在0-27％之间，平均饱和度为7.2％。 第三，针对天然气水合物储层中各类波具体的产生机制、能量分布和衰减影响因素问题，从Carcione-Leclaire三相孔隙介质理论对应的一阶速度-应力方程出发，构建了含有两种固体和一种流体的三相孔隙介质的时间分裂的高阶交错网格有限差分算法。将运动方程分为两部分，刚性部分利用解析式求解，得到的解析解作为初始值代入到有限差分算法中。使用时间分裂法在保证不影响精度的前提下，避免了由于摩擦系数的存在造成的有限差分时间步长过小的问题，加快了数值模拟的速度。在此基础上，对天然气水合物单层和双层介质进行声场数值模拟，研究了五种波的能量分布以及产生机制，重点分析了两种固体之间的摩擦系数以及流体粘度对弹性波传播的影响。研究结果表明，时间分裂的交错网格有限差分法能清晰地模拟出天然气水合物储层中存在的三种纵波和两种横波。P2波和S2波是固体骨架质点和天然气水合物质点之间相对运动产生的慢波，能量主要在天然气水合物中传播;P3波是固体骨架质点和孔隙流体质点之间相对运动产生的慢波，能量主要在孔隙流体中传播。此外，固体骨架和天然气水合物之间的摩擦使P2波和S2波衰减，孔隙流体粘滞性使P3波衰减。对于双层介质，三相介质分界面处各类波产生了复杂的反射和透射，并且发生了波的转换。 第四，为进一步探究天然气水合物储层井孔声场特性，基于Carcionc-Leclaire三相孔隙介质理论中的运动方程和本构关系，给出了天然气水合物储层井壁处的六个边界条件，首次构造了求解天然气水合物储层井孔声场的实轴积分算法。此外，描述了二维柱坐标系下的一阶速度-应力方程，构造了三相孔隙介质的时间分裂的交错网格有限差分法模拟天然气水合物储层中的井孔声场。其中，使用非分裂完全匹配层解决来自人工边界的虚假反射问题。将利用时间分裂的交错网格有限差分算法模拟得到的结果与实轴积分法得到的结果对比，验证算法的有效性。在此基础上，分析了摩擦系数存在和不存在两种情况下各模式波的频散情况，模拟了均匀和分层的天然气水合物储层声场的空间分布及其井孔声场的波形。研究结果可用于三相介质中的井孔声场的计算，为之后利用测井得到的信息反演天然气水合物储层水合物饱和度提供了一定的理论依据。 本文关于天然气水合物储层中声波传播规律及其井孔中模式波特性的研究，对于丰富多相孔隙介质理论，指导开展天然气水合物储层特性反演以及天然气水合物开采等具有重要的学术意义和潜在的应用价值。
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