测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置及方法

摘要

本发明公开了一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，包括反应釜，反应釜包括底座，底座上设置有外筒和内筒，外筒和内筒上方设置有顶盖，反应釜设置于恒温箱内，顶盖的外侧设置有磁铁，磁铁上缠绕有线圈，反应釜上还连接有气瓶，外筒的外侧设置有橡胶薄膜，橡胶薄膜外侧设置有围压，外筒和内筒之间设置有样品，样品上设置有数据采集装置。本发明还公开了一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的方法，利用此装置和方法可用于测量水合物样品的动力特性。

权利要求

1.一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，其特征在于，包括反应釜(1)，所述反应釜(1)包括底座(2)，所述底座(2)上设置有外筒(4)和内筒(5)，所述外筒(4)和内筒(5)上方设置有顶盖(6)，所述反应釜(1)设置于恒温箱(3)内，所述顶盖(6)的外侧设置有磁铁(7)，所述磁铁(7)上缠绕有线圈(8)，所述反应釜(1)上还连接有气瓶(9)，所述外筒(4)的外侧设置有橡胶薄膜(10)，所述橡胶薄膜(10)外侧设置有围压(11)，所述外筒(4)和内筒(5)之间设置有样品(12)，所述样品(12)上设置有数据采集装置(13)。

2.根据权利要求1所述的测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，其特征在于，所述数据采集装置(13)包括PC机(14)，所述PC机(14)通过导线连接有控制器(15)，所述控制器(15)上分别通过导线连接有共振装置(16)、TDR探针(17)、温度传感器(18)和压力传感器(19)；所述共振装置(16)、TDR探针(17)、温度传感器(18)和压力传感器(19)均设置于样品(12)上。

3.根据权利要求1所述的测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，其特征在于，所述气瓶(9)与样品(12)相连接。

4.一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)打开反应釜顶盖(6)，将样品(12)填入反应釜(1)的内筒(4)和外筒(5)之间的环形空间内；

2)从反应釜(1)顶部缓慢注入生成水合物所需的水直到多孔介质被水饱和，然后将顶盖(6)盖住反应釜，固定并密封；从反应釜(1)底部缓慢注入甲烷气体，直至到达所设定的压力；将反应釜(1)静置至少24小时，使甲烷气体充分溶解于水中，并观察是否出现泄漏；

3)水合物生成过程：将反应釜(1)置于恒温箱(3)中，开启数据采集装置(13)，进行数据采集和显示，设定恒温箱温度为设定温度，开始降温的同时进行数据保存；通过观察温度和压力曲线，判断水合物生成过程是否已经结束，若结束则停止数据保存；

4)水合物分解过程：以一定温度，为间隔逐步升高恒温箱设定温度，在每一次温度设定之后，等待反应釜内温度和压力稳定后，开启数据保存，待所有的数据保存完成后，停止数据保存，将恒温箱设定温度升高以上温度间隔，等待反应釜内温度和压力稳定后，开启数据保存，待所有的数据保存完成后，停止数据保存；重复以上过程直至水合物完全分解为止。

说明书

测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于非常规油气藏开发工程技术领域，具体涉及一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，本发明还涉及一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的方法。

背景技术

[0002] 天然气水合物是一种极具潜力的能量资源，在世界各地海洋和永冻土中都有广泛分布，我国也在南海海底和祁连山冻土带中发现了水合物。

[0003] 地震技术是水合物地球物理勘探和资源评价的重要手段。虽然似海底反射面(Bottom Simulating Reflector，BSR)是水合物的重要识别标志，但由于水合物与BSR存在与否并非具有必然关系，在识别天然气水合物时，还必须使用AVO技术等来一起综合分析。AVO技术是利用地层的纵横波特性以及由此形成的地震反射振幅与偏移距的变化关系来判断地层物性和岩性的地震勘探技术，进行水合物识别的技术思路是：首先设计不同的水合物赋存状况的地质模型，在此基础上根据反射层不同的弹性参数(如纵波速度、横波速度、密度、泊松比)模型，正演计算单个反射层的AVO响应特征，然后与实际的AVO响应进行对比，探讨BSR成因，并分析游离气的厚度、水合物的厚度和饱和度。因此，AVO技术是基于理论模型的一种分析技术，但所采用的理论模型是否正确，模型参数是否合适，还需要对水合物沉积层的地震波速度和饱和度参数进行更深入的研究。

[0004] 目前，各种高分辨率地震调查技术被应用于获取储层的纵横波速度等参数，同时，学者们建立了多种水合物饱和度与弹性波速度之间的关系模型，以期根据获取的地震波速度能准确地预测沉积层中是否含有水合物，或估算沉积物中水合物的饱和度，从而对储层的资源量进行评估。然而，在应用过程中发现，不同的理论模型在同一地区得出的结果具有很大的差别，由于缺乏实测的水合物饱和度与声波速度之间的关系数据，难以检验这些理论模型的适用性。

[0005] 实验获取单一模型下含水合物沉积层的地震波参数是经济、实用又可行的办法。联合测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的优点在于，测试信号对样品无干扰、实现无损测量，测试参数全面，可在野外地震低频条件下测量获取纵横波速度、频率，并通过电磁波衰减信号获得含水量和水合物饱和度。

[0006] 前人研究已建立了水合物的饱和度与纵横波速度之间的关系，并获得了相应的理论模型和模型参数，但由于实验采用较高的频率，获取的纵横波特性与野外地震勘探相比还是存在一定的差异。申请号为2012101604156公布了“海底气体运移与水合物形成的声学响应特征模拟实验装置”，申请号为2010102221015公布了“水合物声学特性测试装置”，但是测试装置和方法上存在以下不足：利用了高频声学测试技术，即测试方法所使用的频率太高，与野外地震频率存在不匹配性，测试结果无法直接用于野外应用；没有考虑样品本身固有的共振频率；未能考虑声学传感器与TDR(时域反射技术)探针在测试空间的复合，导致声学传感器和TDR的测试对象(空间测试范围)不完全一致。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，该测试技术不仅可在接近于地震频率(20Hz～200Hz)下测试含水合物沉积物样品的纵横波速度，而且可同时对样品整体的地震波速和电磁波衰减进行测量，保证了样品对象范围的统一性。此外，采用此技术对已完成声学模型的样品进行实验，将获取地震速度与声学速度差异消除，对实验室获取的水合物声学参数进行实际应用具有重要作用。

[0008] 本发明的另一目的是提供一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的方法，该套联合技术主要提出了基于含天然气水合物多孔介质地震参数的测量方法、数据分析处理方法以及饱和度计算模型建立方法，基于时域反射技术的电磁波衰减测量方法、测量信号的分析处理方法以及饱和度计算模型计算方法，最后给出了基于地震波和电磁波联合测量信号数据融合的水合物饱和度模型(地震-电磁特性融合模型)及其建立和应用方法。

[0009] 本发明所采用的第一技术方案是，一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，包括反应釜，反应釜包括底座，底座上设置有外筒和内筒，外筒和内筒上方设置有顶盖，反应釜设置于恒温箱内，顶盖的外侧设置有磁铁，磁铁上缠绕有线圈，反应釜上还连接有气瓶，外筒的外侧设置有橡胶薄膜，橡胶薄膜外侧设置有围压，外筒和内筒之间设置有样品，样品上设置有数据采集装置。

[0010] 进一步地，数据采集装置包括PC机，PC机通过导线连接有控制器，控制器上分别通过导线连接有共振装置、TDR探针、温度传感器和压力传感器；共振装置、TDR探针、温度传感器和压力传感器均设置于样品上。

[0011] 进一步地，气瓶与样品相连接。

[0012] 本发明所采用的第二技术方案是，一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的方法，包括以下步骤：

[0013] 1)打开反应釜顶盖，将样品填入反应釜的内筒和外筒之间的环形空间内；

[0014] 2)从反应釜顶部缓慢注入生成水合物所需的水直到多孔介质水被饱和，然后将顶盖盖住反应釜，固定并密封；从反应釜底部缓慢注入甲烷气体，直至到达所设定的压力；将反应釜静置至少24小时，使甲烷气体充分溶解于水中，并观察是否出现泄漏；

[0015] 3)水合物生成过程：将反应釜置于恒温箱中，开启数据采集装置，进行数据采集和显示，设定恒温箱温度为设定温度，开始降温的同时进行数据保存；通过观察温度和压力曲线，判断水合物生成过程是否已经结束，若结束则停止数据保存；

[0016] 4)水合物分解过程：以一定温度，为间隔逐步升高恒温箱设定温度，在每一次温度设定之后，等待反应釜内温度和压力稳定后，开启数据保存，待所有的数据保存完成后，停止数据保存，将恒温箱设定温度升高以上温度间隔，等待反应釜内温度和压力稳定后，开启数据保存，待所有的数据保存完成后，停止数据保存；重复以上过程直至水合物完全分解为止。

[0017] 进一步地，样品为多孔介质物质。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] (1)通过设计新型的反应釜以及对地震波、电磁波测量模块进行设计，实现复合测量方式，从而可以针对同一被测介质状态获取多类相关且一致性信息，所获得的信息量大、置信度高，测试覆盖面更广、可靠性更优越。

[0020] (2)通过对测量数据进行不同层次的融合、采用不同的融合系统结构和融合算法，从而构建不同的数据融合模型，以此为基础可以更加深入地挖掘蕴含在地震波与电磁波信号中的信息，为建立水合物饱和度解释模型和探索水合物生成/分解过程的动力学规律以及多孔介质中各相物质的空间分布状态变化规律提供信息和模型基础。

[0021] (3)基于含天然气水合物多孔介质的地震波参数来获取天然气水合物饱和度信息与基于电磁波衰减来获取天然气水合物饱和度信息的联合探测。能在地震低频条件下(20-200Hz)同时测量各弹性波参数(包括纵横波速度和衰减)，并与TDR测量电磁波衰减获取的饱和度信息联合，实时探测水合物储层地震波参数与水合物饱和度的复杂动态关系。

附图说明

[0022] 图1是本发明测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置的结构示意图；

[0023] 图2是本发明数据采集装置的结构示意图；

[0024] 图3是本发明TDR波形示意图。

[0025] 图中，1.反应釜，2.底座，3.恒温箱，4.外筒，5.内筒，6.顶盖，7.磁铁，8.线圈，9.气瓶，10.橡胶薄膜，11.围压，12.样品，13.数据采集装置，14.PC机，15.控制器，16.共振装置，17.TDR探针，18.温度传感器，19.压力传感器。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0027] 本发明提供一种测量含水合物沉积介质地震波速与电磁衰减的装置，如图1所示，包括反应釜1，反应釜1包括底座2，底座2上设置有外筒4和内筒5，外筒4和内筒5上方设置有顶盖6，反应釜1设置于恒温箱3内，顶盖6的外侧设置有磁铁7，磁铁7上缠绕有线圈8，反应釜1上还连接有气瓶9，外筒4的外侧设置有橡胶薄膜10，橡胶薄膜10外侧设置有围压11，外筒4和内筒5之间设置有样品12，样品12上设置有数据采集装置13。气瓶9与样品12相连接。

[0028] 如图2所示，数据采集装置13包括PC机14，PC机14通过导线连接有控制器15，控制器15上分别通过导线连接有共振装置16(其作用是测量样品的共振特性(如频率等)和阻尼等参数)、TDR(时域反射技术)探针17、温度传感器18和压力传感器19；共振装置16、TDR探针17、温度传感器18和压力传感器19均设置于样品12上。

[0029] 针对以上所发明的系统，提出了一种地震波、电磁波联合测试方法，其中包括两部分，即实验与测量数据获取方法、测量信号分析处理方法。测试的最终目的为获取不同压力、温度、气体/液体的种类和量(包括气液相对量)、不同多孔介质(粒度、孔隙度等)中水合物生成分解过程中水合物饱和度的变化及变化规律。以下针对柱体状空间内的含水合物多孔介质介绍所发明的地震波、电磁波联合测试方法，此方法经过适当调整同样适用于内筒取出时的情况。

[0030] 样品尺寸为高140mm，直径68mm。采用温控箱(或和夹套冷却相结合)控制反应釜的温度，样品内部孔隙压力由注入的甲烷气压力决定，样品由橡胶薄膜包裹，通过液压油或氮气压力给样品施加一定的围压。通过控制温度、压力条件进行水合物的生成和分解实验。反应釜内温度可由热电阻探头进行测量，压力可由链接在釜体上的压力传感器测量。

[0031] 在实验过程中，采用共振柱技术测量样品的弹性参数(纵横波速度和衰减)：通过向线圈施加一个正弦波电压，产生磁场和磁铁相互作用，从而给样品主体施加一个旋转驱动力和一个摇摆驱动力，使样品发生自由运动，由计算机系统记录旋转和摇摆运动衰减过程，获得地震波的速度和材料的阻尼。

[0032] 采用时域反射技术记录水合物形成过程的电磁衰减波形，通过波形分析电磁波在样品中的传播时间t，获得介电常数ε，从而计算样品的含水量和水合物饱和度；随后，继续通过波形分析获得电磁波输入电压VT和反射电压VR，通过如下公式可得到样品的电导率参数σ：

[0033] σ＝ε1/2/(120π)·ln(VT/VR)。

[0034] 如图3所示，电磁波在介质中传播的速度V与探针长度l及传播时间t的关系为：

[0035] V＝l/t   (1)

[0036] 电磁波在介质中传播速度与介质介电常数的关系为：

[0037] V＝c/ε1/2   (2)

[0038] c为电磁波在真空中的传播速度。

[0039] 由(1)、(2)两式可得：

[0040] ε＝[ct/l]2   (3)

[0041] 由TDR波形可得出t，结合已知的探针长度l，即可计算出介质介电常数ε，从而由介电常数与含水量间的经验公式计算出含水量θv：

[0042] θv＝-11.9677+4.506072566ε-0.14615ε2+0.0021399ε3   (4)

[0043] 水合物饱和度由样品的孔隙度j和含水量θv来计算：

[0044] S＝(j-θv)/j′100％   (5)

[0045] 实验操作过程为：

[0046] (1)打开反应釜顶盖6，将多孔介质(如石英砂、天然海沙等)填入反应釜1内筒4和外筒5之间的环形空间内。

[0047] (2)从反应釜1顶部缓慢注入生成水合物所需的水直到多孔介质水被饱和(指多孔介质被水饱和，即样品的孔隙中充满水，这些水在实验过程中逐渐和甲烷气体生成水合物)，然后将顶盖6盖住反应釜，固定并密封。从反应釜1底部缓慢注入甲烷气体，直至到达所设定的压力，如10MPa。将反应釜1静置至少24小时，使甲烷气体充分溶解于水中，并观察是否出现泄漏。

[0048] (3)水合物生成过程：将反应釜1置于恒温箱3中，开启测控软件与硬件接口设备，进行数据采集和显示，设定恒温箱温度为某一较低温度，如1℃，开始降温的同时进行数据保存。通过观察温度和压力曲线，判断水合物生成过程是否已经结束，若结束则停止数据保存(注意：并不停止数据采集与显示)。

[0049] (4)水合物分解过程：以一定温度，如0.5℃，为间隔逐步升高恒温箱设定温度，在每一次温度设定之后，等待反应釜内温度和压力稳定后，开启数据保存，待所有的数据保存完成后，停止数据保存，将恒温箱设定温度升高以上温度间隔，如0.5℃，等待反应釜内温度和压力稳定后，开启数据保存，待所有的数据保存完成后，停止数据保存。重复以上过程直至水合物完全分解为止。

[0050] 在整个实验过程中，通过上述方法记录和计算各种参数。

[0051] 本发明的方法可实现含天然气水合物沉积介质的地震波参数与电磁衰减参数的联合测试。利用此系统和方法可用于测量水合物样品的动力特性。通过原位生成的方式，在样品座上生成水合物圆柱形样品，该试样的固定方式为上端固定、下端自由。通过电激发磁铁产生作用力，驱动产生扭矩，在圆柱形水合物试样的自振频率(由共振装置测量，为物品固有的频率，不是产生的)下激振试样，通过测量样品自由端的运动，获得传递波的速度和材料的阻尼，并根据测得的横波速度Vs及试样的密度ρ来计算剪切模量μ＝ρVs2。系统可完成的实验有：共振(扭转共振、弯曲共振)，阻尼比(扭转阻尼比、弯曲阻尼比)。

[0052] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。