油气田动态分析的理解_天然气动态分析课程

1.石油天然气关键参数研究与获取

2.郭尚平的个人经历

3.天然气水合物热动力学模型

4.高分介绍研究生地质工程专业

5.　技术思路和方法

6.Jason反演技术在天然气水合物速度分析中的应用

7.不同叠合构造单元烃源岩动态分析

沙志彬　梁金强　王力峰　匡增桂

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

基金项目：国土部公益性行业科研专项项目（编号：200811014）、国家高技术研究发展课题（编号：2009AA09A202）和国家重点基础研究发展（3）（编号：2009CB219502-1）资助。

第一作者简介：沙志彬（12.4—），男，教授级高工，主要从事石油地质和天然气水合物的研究。

摘要　天然气水合物是一种新型能源，形成水合物的天然气主要是来自于下部生烃源岩，当天然气在向上溢出的过程中遇到温度、压力和地层物性合适的区域便形成了天然气水合物矿藏。但天然气又是靠什么路径运移到储层的呢？经过研究，认定研究区的天然气主要是利用气烟囱进行运移的。而气烟囱识别分析技术就是利用研究区三维地震信息，通过对地震剖面的分析以及神经网络的运算，对天然气运移形式进行描述，直观地展示天然气运移通道及赋存情况，通过垂向上和平面上的气烟囱效应来预测水合物的发育带，并将形成水合物富集所需要的天然气源岩进行初步评估。然后在平面上展示出天然气运移分布范围和天然气水合物矿藏的成藏范围，从而为进一步研究水合物的形成、存储提供依据，并可为水合物勘探中的井位部署提供参考。

关键词　气烟囱天然气水合物　研究应用

1　气烟囱的概念

在石油地质学中，“气烟囱”（Gas Chim ney）是一个崭新的概念，“气烟囱”一经形成，就可作为后期油气或热流体不可忽视的通道，揭示油气的发育地点及运移到一个储层，以及如何从储层溢出，产生浅层油气。可见“气烟囱”对油气运移与聚集会产生重要影响，是大中型油气田存在的重要标志之一[1～2]。

从地质成因角度来说，气烟囱是由活动热流体作用形成的一种特殊的伴生构造，这种伴生构造曾经是热流体（气、液）的泄压通道，不仅形似烟囱，且具烟囱效应。其静态形状上似裂隙、裂缝，而在动态变化上表现为增压破裂—泄压闭合—增压破裂这种旋回性“幕式”张合特征[2]。从地震表现角度来说，气烟囱则可定义为在品质非常好的常规地震剖面上，某些部位反射波突然出现杂乱反射、振幅大幅度减弱（偶尔为强振幅）的这种柱状、椭圆状或锥形体地震模糊带，并且核部低速，据此可识别气体渗漏的位置和展布情况[3]。

地震剖面上所揭示的气烟囱是流体垂向活动的直接证据。在地震剖面上造成反射模糊带，甚至空白区，其原因是气层低速异常和反射屏蔽的影响，使反射波信噪比大幅度降低。对于地震剖面上弱振幅、低连续性的特征，其原因可能为天然气从储层沿着构造薄弱带向上运移，当运移比较剧烈时可能破坏地层原始沉积层理，同时地层中含有天然气会大量吸收地震能量[4]。

2　气烟囱与天然气水合物成藏的关系

天然气水合物是一种新型能源，其成藏条件比较特殊，主要形成于300m深的海底以下100～400m之间的地层中，是以层状、块状、团状等形式富集，主要是充填在海底沉积物的空隙和裂缝中，形成水合物的天然气主要是来自于下部源岩生烃后运移到合适的地层富集成藏的[5～6]。但天然气又是靠什么路径运移到储层的呢？经过对地震剖面的分析以及神经网络的运算，认定研究区的天然气主要是利用气烟囱进行运移的（图1）。当天然气在向上溢出的过程中遇到温度、压力和地层物性合适的区域便形成了天然气水合物矿藏[7～8]。因此，可以利用气烟囱识别技术预测天然气水合物分布范围[9]。同时，气烟囱在形成过程中携带大量富含甲烷气的流体向上运移到天然气水合物稳定带，形成之后仍可作为后期活动的油气向上运移的特殊通道[10]。此外，运用地震识别出的似海底反射（BSR）来识别气烟囱构造，通过速度、泥岩含量、流体势等属性参数及钻井资料，还可以判断该烟囱构造的类型[11～12]。

图1 烃类的运移、聚集特征示意图Fig.1 Illu st ration of hydrocarbon migration and accum ulation

至于水合物形成的地质模式，目前主要有两种观点：一种是原先的因温度或 孔隙压力变化而转变为水合物；另外一种是微生物成因气或热成因气从下部运移至水合物稳定带而形成水合物。前一种情况下，水合物形成的重要原因不是外来物质的供给，而是原先天然气藏系统内的变化，水合物呈分散状存在于岩石中或者与已存在的气藏共生[3]。而后一种情况，由于天然气丰度不断增加，当天然气在向上溢出的过程中遇到温度、压力和地层物性合适的区域便导致水合物生成、积聚。当沉积层中的水合物充填程度越来越高时，沉积层变得不透水不透气，并在水合物稳定带之下形成常规气藏[4]。

深部形成的烃类气体一旦形成，就出现在运移和聚集的动态过程中。在粘土、粉砂质粘土等低渗透性沉积物中，一般发生垂直向上的运移；在高渗透性的砂质沉积物，或者裂隙发育的岩层中，深部来源的烃类气体大多沿地层上倾方向运移[2～3]。在深部构造发育的区块，对于热解气以及深部运移气体形成的水合物而言，有利于气体进入水合物稳定域的运移通道是控制水合物形成和分布的关键因素[13～14]。

因此，认为气烟囱与天然气水合物成藏的关系体现如下：

1）气烟囱以流体运移为主要特征；

2）气烟囱是天然气垂向运移的有效途径；

3）气烟囱构造为天然气聚集形成水合物提供有利圈闭条件[15～16]。

3　气烟囱识别分析技术的研发及应用

3.1　地质模拟与工作流程

在气烟囱体中地震响应的垂直扰动得到加强，这些扰动常常与油气的垂直运移通道有关，通过对世界范围内许多处理的地震气烟囱的推断已经证明气烟囱在油源评价、运移、储存、（断层）封堵性以及溢出点都非常有用[2、4]，其成因机理模型如图2、图3和图4。从以上三个图中可以看出，图2气烟囱发育较弱，油气藏以油层为主，含气较少，且断层跟油气藏没有直接连通，油气封盖条件较好，因此油气逸散量较小，在油气藏上覆地层气烟囱效应较弱，所以该类油气藏总体保存条件较好；图3气烟囱发育明显，油气藏富集，封盖条件较好，但下部气层较厚，含气层具有较大的流体压力，因此上部盖层的封盖压力不足以完全对气层形成封盖，因此具有较明显的气烟囱效应，所以该类油气藏总体保存条件一般；图4气烟囱发育明显，由于有断层跟上、下部油气层直接连通，且断层封堵性较差，油气储存条件被破坏，造成油气大量逸散，因此具有明显的气烟囱效应，所以该类油气藏总体保存条件较差。

在技术上对气烟囱体的预测研究主要是所谓的“地震气烟囱处理技术”，即运用多层非线性神经网络技术对未知地震区块进行预测。为实现地震资料自动化的地质解释，其中心环节是通常所说的模式识别，即建立地震资料气烟囱特征参数（如相似性）与气烟囱地质目标之间的关系[3]。

图2 地质发育配置关系较好Fig.2 Good geological arrangement

图3 地质发育配置关系一般Fig.3 Ordinary geological arrangement

图4 地质发育配置关系较差Fig.4 Bad geological arrangement

为了实现气烟囱体的计算，用荷兰DGB地球科技公司与挪威国家石油公司共同开发的地震属性处理与模式识别软件Opend-Tect。O pend-Tect在强化细微的地震特征信息的基础上，分析这些反映不同地质沉积信息的空间分布，把多种地震数据体的信息综合到一起以得到目标体的最佳图像。并且O pend-Tect用神经网络、数学逻辑运算对多个属性体处理，得到直接反映地下地质特征的新属性。O pend-Tect的核心步骤是倾角控制（Steer-ing），它在其所有的运算和处理过程中起着举足轻重的作用，是后续神经网络运算的前提和基础。以下就是我们应用O pend-Tect计算气烟囱体的工作流程（图5）。

图5 预测气烟囱体技术流程图Fig.5 Flow chart of gas chimney predication

3.2　气烟囱体计算的数据准备

为了更准确地识别气烟囱体，我们需要对原始的地震数据做中值倾角滤波，以减少处理时产生的随机扰动，使预测出的结果更加真实可靠。

O pend-Tect核心技术之一是在提取属性和对数据滤波时考虑了所探测的地质体的方向及空间展布。当地质体的方向已知时，方向性原理容易被应用，例如在地震气烟囱或直接碳烃检测中，很多目标体无固定方向，但是它在各个方向倾斜。在这种情况下，在一定范围的倾斜时窗中提取属性比在固定时窗中更有利。因此，需要知道局部倾角及每个样点处的方位角。

O pend-Tect提供了3种计算倾角及方位的方法，计算结果被称为“定向体”，也就是每一个样点处都带有倾角和方位角信息的数据体。用倾角定向对地震数据做倾角定向滤波，改善同相轴的横向连续性，减少随机扰动。该滤波的主要特点是无滤波尾巴。

中值倾角滤波是一个数据驱动工具并产生一个整理过的数据体。在该数据体中，连续相位被加强并且随机分布的噪音被压制。滤波增加了地震数据输出的可解释性，提高了水平层自动追踪的可执行性。滤波基本上搜集了我们定义圆域内的所有属性并在中心用振幅中值替换了原有值，搜索区域遵循控制体内的倾角而定（图6）。

图6 中值倾角滤波原理Fig.6 Median dip filtration principle

综合控制体的滤波工作流程如下：

1）定义搜索半径；

2）从开始位置提取首个振幅；

3）沿着倾角和方位角通向下一道；

4）在该点提取内插值振幅；

5）在搜索半径内对所有道重复第3、4步操作；

6）用所有提取振幅的中值来替换起始位置振幅；

7）对体内所有样本重复操作第2～6步。

4道半径的滤波输入包含57个点。注意该圆不是平坦的也不是水平的，但是从一道到另一道是符合地震相位的。

中值应该定义成一系列中心点位置相关的值。因此，如果从最小到最大列出N个振幅，就可以取（N+1）/2处的位置值作为中值，这里的N是一个奇数。要理解一个中值滤波的效果，可设已经用了3个点的中值滤波来过虑一个地震相位。滤波过程由下面给出：

……0,0,1,0,0,1,1,3,0,1,1……

3点中值过滤响应由下面给出：

……0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1……

要检查这个，取3个相邻输入号码，排列并输出中间的值，然后改变输入组的一个位置并重复的练习。

请注意：

1）短于半个滤波的相位被清除（例如左侧1右侧0）；

2）噪音也被清除（值3）；

3）边界保留（主要的0带和主要的1带的间隙完全同一个位置，就是说无滤波导入）。

3.3　提取样本位置

图形窗口中提取烟囱体和非烟囱体。我们建议开始时做一些不同时间的相似性切片，这样可以在不同的时间尺度上初步判断气烟囱体的分布和走向特征。

在一个可能的烟囱体位置上显示一个或者是更多的属性来检查烟囱体单属性下如何显现，通过不同的属性对比来突出气烟囱体，以利于后续的拾取训练点。

做完这些工作以后，我们已经准备好拾取烟囱体和非烟囱体了。要求第一步产生两种不同的拾取组：一个是烟囱体，一个是非烟囱体，使用子目录中右击上栏菜单来实现，键入想创建的拾取组的名字，例如“烟囱体……是”并开始提取。在子目录中点击数据元素来移动元素到另一个位置并重复处理，重复这个练习直到取出了所需的所有样本点。

现在拾取非烟囱体点，并分别保存到不同的拾取组团（图7）。拾取样本位置是这个处理的关键步骤。应该取向于创建最有代表性的为烟囱体或非烟囱体拾取组。如果数据中有多个烟囱体，不要仅取于一个，试着在尽可能宽范围的时间域内把这些都拾取。

图7 神经网络训练组（绿色点表示气烟囱，蓝点表示非气烟囱）Fig.7 Neural network training（green dot:gas chimney,blue dot:not gas chimney）

3.4　神经网络及其算法

1）人工神经网络是模拟生物神经信息处理方法的新型计算机系统，它可以模拟人脑的一些基本特征（如自适应性，自组织性和容错性），是一个并行、分布处理结构，它由处理单元及其称为联接的无向信号通道互连而成。人工神经网络力图模仿生物神经系统，通过接受外部输入的刺激，不断获得并积累知识，进而具有一定的判断预测能力。

2）BP神经网络算法

BP网络算法的思想是把一组样本的I/O问题变为一个非线性优化问题，使用了优化中最普通的梯度下降法，用迭代运算求解权对应于学习记忆问题，加入隐含层节点使优化问题的可调参数增加，从而可得到更精确的解。BP网络模型设计的最大特点是网络权值是通过使用网络模型输出值与已知的样本值之间的误差平方和达到期望值而不断调整出来的，并且确定BP神经网络评价模型时涉及隐含层节点数、转移函数、学习参数和网络模型的最后选定等问题。

3.5　神经网络训练

首先在O pend-Tect里面创建一个新的神经网络，并选择想使用的属性（通常是全部）和包含了烟囱体和非烟囱体的拾取组团，一般说来不是所有位置都用来训练网络，但是一定比例的（10,10,20）样本是用来避免过度适配网络，神经网络将在我们声明的位置提取属性，它将随机分配数据到训练和测试组，并且启动训练状态。训练执行情况在训练期间被追踪（图8），并用两种指数来表示。RMS错误值曲线表示训练组和测试组的总的错误，分别从1（最大错误）到0（最小错误）两个曲线在训练间都应走低，当测试曲线再次走高表示网络过度适配。训练应在这发生之前适可而止。典型的一个RMS值在0.8范围内被认为是合理，0.8～0.6是好，0.6～0.4是很好，低于0.4为极好。

图8 神经网络训练监管窗口Fig.8 Monitoring window for Neural network training

最后将发现网络节点会在训练中变色。颜色暗示了在分类里面每个节点（每个输入属性）的重要程度，颜色从红（最重要）经黄到白（最不重要）过度训练。当一个网络从训练组中识别单个样本时会发生过度适配（overfitting）网络会在训练组中表现得更优，但是会在测试组中表现变差。当在训练组上的表现达到最大（最小错误）最优化结果的网络训练会停止，停止的点可以从神经网络训练窗口中的执行图表里查看。满意后，接下来把训练的网络推广到整个数据体。这个在“产生体”模块中操作完成。如果不想处理整个数据体，也可以限制输出范围来产生一个小数据体。为加快速度，可以在联机处理模式下在多台机器上运行工作，O pend-Tect会在声明的机器上分配数据并在处理结束时合成输出结果。

3.6　气烟囱技术在研究区的应用

通过研究区的气烟囱处理效果分析来看，研究区的气烟囱较为发育，作为一种油气运移的通道控制着整个研究区天然气水合物的分布和储量。从研究区LineA线的气烟囱效果图可以看出（图9），烟囱现象主要是发育在BSR下部，发育BSR的背斜处的下部存在明显的气烟囱现象，为天然气水合物的成藏提供足够的气源，证明此处的储层主要是利用气烟囱这种运移方式富集天然气的；从图中还可以看出气烟囱在1650ms以下的地层中发育，从侧面说明在神狐区域源岩生成的天然气被很好地保存在地层中，并在有利位置成藏。对析沿BSR±50ms时窗提取气烟囱平面效果图来看（图10），气烟囱在BSR以下发育充分，而在BSR以上则没有明显的显示，说明研究区的气体是沿着下部源岩向上运移的，烟囱效应是由下部到上部是逐渐减少的。由此可以初步认为，流体在运移过程中在有利区域发生富集，也就是在BSR附近存在并富集。

图9 Line A线气烟囱显示Fig.9 Display of gas chimney in Line A

图10 沿BSR±50ms时窗提取气烟囱平面效果图Fig.10 P lane slices at BSR±50ms derived from gas chimney identification technique

气烟囱在形成过程中携带大量富含天然气的流体向上运移到天然气水合物稳定带，其形成之后仍可作为后期活动的油气向上运移的特殊通道。通过平面和剖面结合分析，可以对天然气运移分布范围进行检测，对水合物的成藏范围进行圈定。

4　认识与讨论

利用DG B公司Opend-Tect软件气烟囱技术，通过对地震剖面的分析以及神经网络的运算，对天然气运移形式进行预测，直观地展示天然气运移通道及赋存情况，通过垂向上和平面上的气烟囱效应来预测水合物的发育带，并将形成水合物富集所需要的天然气源岩进行初步预测。然后在平面上展示出天然气运移分布范围和天然气水合物矿藏的成藏范围，从而为进一步研究天然气水合物的形成、存储提供依据，并为天然气水合物勘探中的井位部署提供参考。因此，气烟囱识别分析技术可以应用于天然气水合物矿藏的勘探与评价当中。总结本文得出以下几点认识与讨论：

1）研究区的气烟囱较为发育，作为一种油气运移的通道控制着整个研究区天然气水合物的分布和储量；

2）气烟囱现象主要是发育在BSR下部，气烟囱体为天然气水合物的成藏提供足够的气源，同时天然气被很好地保存在地层中，并在有利位置成藏；

3）气烟囱在BSR以下发育充分，而在BSR 以上则没有明显的显示，说明烟囱效应是由下部到上部是逐渐减少的，认为流体在运移过程中在有利区域发生富集，也就是在BSR附近存在并富集。

4）通过平面和剖面结合分析，可以对天然气运移分布范围进行检测，对天然气水合物的成藏范围进行圈定，为井位部署提供参考。

参考文献

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Application of Gas Chim ney Identification Technique to Study of the Gas Hydrates

Sha Zhibin,Liang Jinqiang,Wang Lifeng,Kuang Zenggui（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760）

Abstract:Gas hydrates are expected to be a new type of energy source in the future.The forming gases coming from the source rocks underneath can be converted to gas hydrates along the ascending paths where the environment parameters,such as temperature,pressure and geological properties,for the form ation of gas hydrates.So what about the ascending paths?We believed that gas chimney contributes to the cause of ascending mostly.Byseismic profiles analysis and neural network calculation,gas chim ney identification technique makes use of 3-D seismic inform ation data and attribute to describe the gases migrating m odel,display the ascending paths,predict gas hydrates accum ulation and preliminarily evaluate source rocks shown in the 3-D space.The processed results can also be dem onstrated on the base map to mark out gases scope and gas hydrates scope respectively for the evidence of gas hydrates formation and accumulation,and further more provide the meaningful references to borehole dispositions of gas hydrates field exploration.

Key words:Gas chim ney;Gas hydrates;Study;Application

石油天然气关键参数研究与获取

喻西崇1，刘瑜2，宋永臣2，李清平1，庞维新1，白玉湖1

喻西崇（13－），男，博士，高级工程师，主要从事深水工程、天然气水合物等研究，E-m ail: yuxch@cnooc.cn。

注：本文曾发表于中国石油大学学报（自然科学版），2011年第5期，本次出版有修改。

1.中海油研究总院，北京　100027

2.大连理工大学，辽宁，大连　116024

摘要：沉积物中天然气水合物的分解过程实际上是固态水合物在沉积物中吸收热量分解后发生相变的动态过程。在动态分解过程中，会发生复杂的多相渗流、传热和传质过程。掌握水合物分解过程中的多相渗流、传热和传质规律，是天然气水合物开技术的理论基础，对水合物开方法的选择、水合物开策略的制订及其对环境危害的研究等都具有非常的意义。本文根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，在充分调研的基础上提出格子Boltzmann方法（LBM）应用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律的新方法，该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法。并用由简单到复杂的方法：首先开展了LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动的数值模拟分析研究，然后在此基础上开展了LBM方法应用于多孔介质中单相流动的数值模拟分析研究；通过模拟得到复杂微通道内流场分布取决于微通道粗糙程度、弯曲程度、表面润湿性、流体介质特性等，多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径（饱和度）和渗透率有关，沉积物中水合物的生成使得多孔介质渗透率大大降低。

关键词：LBM 方法；天然气水合物；沉积物；多相渗流

Preliminary Study for LBM Application to Multiphase flow Characteristics in Porous Media with gas Hydrate

Yu Xichong1,Liuyu2,Song Yongchen2,Li Qingping1,Pang Weixin1,Bai Y uhu1

1.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China

2.Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China

Abstract:Sediment decomposition of gas hydrate is actually solid hydrate in the sediments absorb heat decomposed the dynamic process of phase transition,dynamic decomposition process occurs complex multiphase flow,heat and mass transfer process ;Multiphase flow,heat and mass transfer process during gas hydrate decomposition,is the basic theory of gas hydrate production technology,and plan choices strategies of gas hydrate production,and great significance with on environmental hazards for gas hydrate decomposition.In this paper,simple to complex methods is adopted.Firstly,LBM method is lied to carry out a complex micro-channel single-phase,multiphase flow simulation analysis,then LBM method is again lied to single-phase flow in porous media numerical simulation studies.The results show that complex micro-channel flow field depends on the micro-channel roughness,bending degree,surface wet ability,fluid properties and other media.Single-phase flow in porous media depends on the pore diameter (saturation) and permeability of the sediment and the hydrate formation in the sediment so greatly reduces the permeability of porous media.

Key word:LBM method;gas hydrate;porous media; multiphase flow

0 引言

天然气水合物的开过程实际上是固态水合物在沉积物中吸收热量分解后发生相变的过程。首先，水合物分解是一个非常复杂的动态过程，分解过程会对沉积物储层的岩石特性和热力学参数产生重要的影响；其中储层岩石特性参数主要包括储层机械特性（如剪切弹性模量、杨氏模量、泊松比等）和储层岩石渗流参数（如孔隙度、渗透率、饱和度、毛管力等），热力学参数主要包括比热、导热系数和膨胀系数、分解热等。其次，水合物分解是一个非常复杂的相态变化过程；如固态水合物分解成水和气，水还可能再次形成冰，冰遇热还可能再次融化，融化后的水遇到天然气在适当条件下还可能再次生成水合物等。同时，水合物分解是一个吸热过程，水合物分解过程中会出现多相渗流（天然气、水合物、水、冰和砂等）、传热（热传导、对流、流体流动、水合物分解热、节流效应等）和传质（水合物的分解、流体流动、水合物二次形成、气体溶解和吸附、气泡成核和增长等）等过程。因此掌握水合物分解过程中基础物性参数和相态的变化规律以及水合物分解过程中的多相渗流、传热和传质规律，是天然气水合物开技术的理论基础，对水合物开方法的选择、水合物开策略的制订及其对环境危害的研究等都具有非常重要的意义。其中，掌握沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流规律是研究的基础，直接决定着传热和传质的方式和效率，也直接决定着今后制定水合物开发方案和开效率，因此开展天然气水合物分解过程中多相渗流的理论研究和定量描述沉积中水合物分解过程的多相渗流规律非常重要。沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流实际上是一种动态的流固耦合过程，是一种多学科交叉的科学问题，涉及流体力学、固体力学、传热学和热力学以及统计学等学科。目前，还没有商业软件专门用于沉积物中水合物生成和分解过程中多相渗流、传热和传质模拟软件，这方面的研究相对不成熟，目前还处在探索和试验阶段，因此本文试图对沉积物中水合物分解过程中多相渗流模拟方法进行深入研究，力图在理论研究方法上有所突破。

对于流动特性的模型计算研究按照不同尺度可以分为微观、介观和宏观3个尺度。对于宏观尺度的模型计算研究主要是根据质量、能量和动量守恒方程用有限元素的方法进行建模和计算，如一些商用CFD软件等。对于微观尺度的模型研究主要是应用分子动力学（MD）、直接蒙特卡洛模拟（DMS）等方法。而基于分子团的介观尺度上目前最流行的方法就是格子Boltzmann方法（LBM）。为了研究水合物分解过程的渗流特性中机理性的问题，用宏观尺度的建模计算方法是不恰当的，许多微观的机理性的问题无法应用宏观尺度的模型解释清楚。因此拟用微观和介观2个尺度的建模方法，即微观尺度上的MD法和介观尺度上的LBM 方法结合MRI方法得到的多孔岩心孔隙特性进行模型建立和数值模拟，对水合物分解过程的渗流特性进行模拟计算研究。

1 LBM方法在多相渗流模拟中的应用调研分析

1988年，Mc Namara和Zanetti[1]提出把格子气自动机中的整数运算变成实数运算，标志着格子Boltzmann方法的诞生。经过了近20a发展的格子Boltzmann方法为解决多相多组分流动问题提供了一个新的途径。

格子理论的提出基于这样的事实：流体的宏观运动是由大量流体分子微观运动的统计平均结果，单个分子的运动细节并不影响宏观运动的特性。因此，可以构造一种人工微观模型，使其在保持真实流体的基本特征前提下，结构尽可能的简单，粒子运动的细节尽可能的简化，且其宏观统计特性符合客观运动规律。

格子Boltzmann方法求解的方程是基于微观尺度上的统计力学的Boltzmann方程，但不需要解完整的Boltzmann方程。它有一些独特的优点：算法简单、能处理复杂边界、格子Bo1tzmann具有很高的并行性、微观和宏观方程之间的转换相对容易等。多相多组分的格子Bo1tzmann方法发展至此，主要有颜色模型和Shan-Chen模型。这2种模型分别从不同的角度描述流体内各组分间的相互作用。本文总结了颜色模型和Shan-Chen模型的发展、2种模型的特点及它们在二元非混相流体流动研究中的应用。

Rothman和Keller[2]提出了第一个模拟非混相两相流动的格子气自动机模型。这一模型以单相FHP模型为基础，引入2种有色粒子：红色和蓝色表示2种流体。此模型的提出是格子气自动机模拟两相流工作的突破性进步，但是它依然存在噪声及其他格子气自动机的缺点。之后，Gunstensen等[3]在R-K模型的基础上结合Mc Namara和Zanetti的模型和由Higuera、Jimenez[4]提出的线性化碰撞算子而提出一个新的模型。这一模型成功克服了原模型不满足伽利略不变性及含噪音的非物理性缺点，但压力仍然依赖于速度。此外还有线性化算子不能得到有效计算，模型不能处理不同密度和黏度的2种流体。

Grunau[5]等进一步发展了这一模型：用单弛豫时间碰撞算子简化了碰撞算子的计算并且选用了合适的粒子平衡态分布函数，并允许不同颜色粒子发生碰撞。改进后的模型在不可压条件下，可以得到宏观Nier-Stokes方程，能够模拟不同密度、不同黏度的两相流。

1993年Shan和Chen[6]提出了一种新的多相多组分格子Boltzmann模型。这一模型的最大特点是提出了直接描述分子间相互作用的方法，用一种伪势描述分子间的相互作用。1994年Shan和Doolen[7]又对模型进行了改进。模型的改进之处在于：①重新定义了平衡速度计算式中的uk项使碰撞在无相间相互作用力时满足动量守恒。②重新定义了混合流体的速度，将原来的按碰撞前状态计算改为按碰撞前后的平均值计算。如此则大大降低了宏观方程的误差。综合已有文献来看，颜色模型不如Shan-Chen模型应用广泛。

M.Krafczyk[8]用颜色模型模拟了多孔介质内的二元流动。在Gunstensen模型基础上建立了三维十九位格子上的颜色模型，模拟不同黏度及密度比的非混相二元流。这一模型通过以下几种两相模拟来验证：两流体间的静态平坦界面，非混相二元流在平行通道内流动，Laplace定律，气泡运动。模拟结果与半解析解一致。对2个大尺度的实际问题给出了初步模拟结果。2个问题为：废水批反应器内空气－水混合物的流动和泥流中的饱和滞后影响。对多孔介质内非混相二元流的实际问题模拟得到了量化结果。但同时可以发现对于这样大尺度实际问题的模拟，模型的稳定性成为一个主要的限制。

T Reis和T N Phillips[9]在原有的Gunstensen模型基础上提出一种新的颜色模型。这一模型构造了碰撞算子中两相相互作用部分，由此模拟出适宜的界面张力并且确定了界面张力的理论表达式。这一模型的可用性从两方面来验证：①比较界面张力的数值模拟结果与理论预测结果；②预测Laplace定律及非混相层状Poiseuille流。然后研究了不同黏度相同密度的2种流体的旋节线分离。最后模拟了2个气泡的合并过程，说明这一模型可以用来模拟密度比较大的两相流。

用于模拟多相多组分流的Shan-Chen模型和颜色模型近些年得到了很大地发展。由这2种模型都可以得到宏观上的Nier-Stokes方程，这是模型可用的最基本条件。Shan-Chen模型的最大特点是引入了直接刻画粒子间相互作用的势，它反映了多相多组分流的物理本质，易于理解。此外它在模拟时计算简单，得到广泛应用。它既可以模拟单组分流体的相变，也可以模拟多组分非混相流动，在模型上对组分数没有限制。颜色模型的提出比Shan-Chen模型早，特点是引入颜色梯度概念和颜色重标过程。它的提出为格子Boltzmann方法模拟多相多组分流带来突破性进展。2种模型在模拟简单的两相流（层状Poiseuille流、静态气泡）都可以得到与理论解吻合较好的结果（这是对模型可用性的验证），并在复杂流动的基础性研究中得到一定程度地应用。但2个模型都存在缺陷：如Shan-Chen模型中，只有相互作用力中的密度函数取指数形式 时，该模型才与热力学相关理论一致；用颜色模型模拟，重新标色过程的计算成本高，而且模拟产生的伪流速度大、范围广，结果误差大；两模型模拟多相流动时相界面都有一定的厚度，这对用格子Boltzmann方法研究一些问题形成障碍。因此各种模型仍需改进发展。

2 LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动数值模拟分析

当多孔介质中的孔隙尺度很小时，微尺度效应不能忽略。利用LBM 方法考察了复杂微通道内的单相和多相流动特性。

2.1 单相流体在带粗糙元的直微通道内的流动

模拟结果如图1和2所示。从图中可以得知带矩形粗糙元和三角形粗糙元的微通道，除了在近粗糙元区域，流体流场大致相同。在带有矩形粗糙元的壁面附近，形成了一些漩涡，而且，这些漩涡的位置、大小形状和粗糙元的几何形状有着密切的关系。在三角形粗糙元的壁面附近，流场产生明显扭曲现象。

图1 矩形粗糙元复杂通道的流场a，局部放大图b

图2 三角形粗糙元复杂通道的流场（a），局部放大图（b）

2.2 单相流体在带粗糙元的弯曲通道内的流动

图3 带粗糙元的弯曲微通道

带粗糙元的弯曲微通道如图3所示，弯曲通道的流场如图4所示。从中可以得知，在弯曲通道内的折弯处，产生一些漩涡，这些漩涡的数量、大小、形状和弯曲通道的几何形状以及粗糙元的形状有着密切关系。这些漩涡在很大程度上影响着整个流场。因此，在研究弯曲微通道的流动时，通道和粗糙元的几何形状不能被忽视。

2.3 气液两相流体在光滑直通道内的流动

本文用Shan-Chen两相模型模拟了水滴在光滑直通道内的流体特性。在Shan-Chen模型中，壁面的表面润湿性由无量纲系数Gt来调节，不同的G1值，得到的表面润湿性也不同。选取8个不同的Gt值（0.4,0.35,0.3,0.25,0.2,0.15,0.1,0.02）进行模拟，表征表面的润湿特性。模拟结果列于表1中。从表中可知，Gt=0.4与0.35，水滴表面上的接触角小于90°，通道上下壁面为亲水表面；Gt=0.3,0.25与0.2时，水滴的水平表面上的接触角在90°～150°，表面为疏水表面；Gt=0.15,0.1与0.02时，水滴在表面上的接触角超过150°，为超疏水表面，其中，Gt=0.02时，接触角为180°的理想超疏水表面，实际中不存在这样的表面。

表1 表面润湿性与G，的关系

模拟结果显示，表面的浸润特性对流动的影响很大。图5给出了Gt=0.4和0.02时，流动相界面分布情况，其中，深蓝色为气体，红色为液体。从图中可以看到，在亲水表面（Gt=0.4）通道内，液体会吸附在表面上。而在超疏水（Gt=0.02）通道内，液体与壁面之间存在一个微小的空隙，即液体与壁面之间存在一个微薄的空气层。

图4 弯曲微通道的流场（a），局部放大图（b）,（c）

图5 不同浸润特性光滑表面流动相界面分布（t=600计算步长）

2.4 气液两相流体在粗糙直通道内的流动

笔者用规则的矩形凸起与凹槽来近似代表超疏水表面的粗糙元，结构如图6所示，其中浅蓝色矩形区域为均匀分布的粗糙元。取w=s=5 μm,h=10μm进行模拟计算。

图6 矩形粗糙元粗糙壁面直通道流动计算域

图7 不同浸润特性粗糙表面流动相界面分布（稳定状态）

图7给出了流动达到稳定状态时，不同浸润性通道内流体相界面分布。图中，深蓝色代表气体，浅蓝色代表固体粗糙元，红色代表液体。亲水表面（Gt=0.4）通道内的流动，液体充满粗糙元凹槽内部，如图7a所示；随着Gt值的减小，即通道表面的疏水性能逐渐增强，液体在流动过程中进入凹槽内部的液体也越来越少，气体填充在凹槽底部，形成气团，如图7b-d所示。当Gt=0.02时，液体并不进入凹槽内部，从凹槽顶部横掠而过，如图7e。

图8是Gt=0.02时，通道内局部的流线图。通道中心区域是液体的流动，凹槽内部为气团的运动，中心区域液体的流动驱使凹槽内部气团开始运动，并形成涡旋，漩涡的上部运动方向与液体流速相同。

图8 粗糙表面流动流线局部放大图（Gt=0.02）

图9 不同Gt粗糙表面流动接触线局部放大图

图9给出了不同壁面特性粗糙表面流动接触线的局部放大图，流体最前端在x方向的移动距离均为195格子。与光滑表面相比，粗糙表面对亲水表面和疏水表面上部的流动都有很大的影响，但是粗糙元的存在对理想的超疏水表面（Gt=0.02）上部的流动影响并不大，与光滑表面相比，流体接触线几乎没有什么变化。这是因为，流体在绝对理想的超水表面上流动时，流体完全脱离固体表面。

3 LBM 方法应用于多孔介质中单相流动数值模拟分析

3.1 水合物在单孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

应用上述模型对多孔介质中的水合物生成、分解过程饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行了模拟。在300×300格子的计算域内， 4个角点分别为半径R=100的1/4圆形多孔介质骨架（红色），骨架中心形成多孔介质的孔隙空间。水合物在孔隙中心生成（绿色），为理想的圆形，水合物认为是固体。半径从0到100变化，从而模拟水合物的生长。骨架颗粒表面和水合物颗粒表面都是非亲水表面，与水之间的相间力系数Gw=0.1。如图10所示。

图10 水合物在单孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

根据水合物的生长半径可以计算出孔隙度变化及单孔隙内水合物的饱和度SH。左右边界定义为压力边界，模拟黏度为1的流体从左向右流动。得到该计算域内流体的流量后，根据西定律可以计算出该计算单元内的渗透率变化：

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

设水合物半径R=0时的渗透率为K0=1，有水合物存在情况下的渗透率为KSH，相对渗透率定义为k=KsH/K0。计算结果如图11所示，从图中看出含有水合物的多孔介质渗透率随着水合物的饱和度增大而急剧降低呈指数递减关系。

不同水合物半径下的流线图如图12所示。当有水合物生成时，流体的流道迂曲度增大，流体在孔隙中流动形成绕流，降低了多孔介质的流通性能，从而使渗透率下降。当水合物的半径与孔隙尺寸相当时，水合物与多孔介质骨架间仅仅留下狭窄的流动通道，渗透率几乎降低为0。

图11 相对渗透率与水合物饱和度的关系

图12 不同水合物半径下的流线图

3.2 水合物在多孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

图13表示在250×250格子的计算域内，红色为半径等于25的多孔介质骨架颗粒，绿色为在孔隙空间中均匀生成的水合物，半径分别为R=0,5,10,15,20和25。白色线为流体在孔隙通道中的流线。

水合物饱和度与相对渗透率之间的关系如图14所示。曲线为Kozeny颗粒模型水合物占据孔隙中心时相对渗透率与饱和度之间的关系。Kozeny颗粒模型表示为

图13 多孔隙空间水合物生成过程的流线图

图14 格子Boltzmann模拟结果与经验模型的关系

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

在忽略毛细力作用设下，水合物饱和度在[0.1,1]范围内n值取[0.4,1]。

从图14中可以看出，格子Boltzmann数值模拟得到的结果与Kozeny颗粒模型吻合较好。充分证明格子Boltzmann数值模拟是可行的，为下一步以此为基础开展复杂多孔介质中水合物饱和度与相对渗透率相关关系奠定基础。

4 结论和建议

沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流实际上是一种动态的流固耦合过程，是一种多学科交叉的科学问题，涉及流体力学、固体力学、传热学和热力学以及统计学等学科。目前，还没有商业软件专门用于沉积物中水合物生成和分解过程中多相渗流、传热和传质模拟软件，这方面的研究相对不成熟，还处在探索和试验阶段，因此本文试图对沉积物中水合物分解过程中多相渗流模拟方法进行深入研究，力图在理论研究方法上有所突破。

1）根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，在充分调研的基础上提出了格子Boltzmann方法（LBM）应用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律的新方法，该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法。

2）用由简单到复杂的方法开展沉积物中水合物分解过程中多相流动规律研究。首先开展了LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动的数值模拟分析研究，然后在此基础上开展了LBM方法应用于多孔介质中单相流动的数值模拟分析研究；通过模拟得到复杂微通道内流场分布取决于微通道粗糙程度、弯曲程度、表面润湿性、流体介质特性等，多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径（饱和度）和渗透率有关，沉积物中水合物的生成使得多孔介质渗透率大大降低。

3）通过使用LBM 方法应用于单孔隙和多孔隙通道内单相流动数值模拟分析，同时与现有关系式计算结果一致，充分证明格子Boltzmann数值模拟是可行的，为下一步以此为基础开展复杂多孔介质中水合物饱和度与相对渗透率相关关系奠定基础。

4）本文只是将LBM 方法应用于多孔介质中多相流动规律的初步研究，今后还需要结合沉积物中天然气水合物分布的具体特点，考虑孔隙介质的微观特性、多相介质的流体物性以及流体介质与孔隙介质之间相互作用力等因素，同时还考虑水合物生成和分解的动态特性，结合传热和传质的特点，深入开展沉积物中水合物分解过程中多相流动规律，并与实验相结合，全面了解沉积物中水合物分解过程中多相流动规律。

参考文献

[1]McNamara G,Zanetti G.Using the Lattice Boltzmann Equation to Simulate Lattice Gas Automata”，Physical Review Leters[J].1988,61(20).

[2]Rothman D,Keller J.A Particle Basis for an Immiscible Latice-Gas Model,Physical Review Letters[J].1988,156(56).

[3]Gunsterser A,Rothman D.Lattice Boltzman Model for Immiscible Fluids,Physical Review Leters[J].1991,148(43).

[4]Higuera G,Jimenez D.Lattice Boltzman Model in Porous Media[J].Nuclear Energy,1999,146(31).

[5]Grunau C,Rothman D.Diffusion in Lattice Boltzman Model[J].Physical Review Letters[J].2000,92(11).

[6]Shan Xiaowen,Chen Hudong,Lattice Boltzmann Model for Simulating Flows with Multiple Phases and Components[J].Phys.,1993,47(1):1815-1819.

[7]Shan X,Doolen G.Multi-Component Lattice-Boltzmann Model with Inter-Particle[C].New York:Physicochemical Hydrodynamics:[C],1994.

[8]Krafczyk M.Comparison of a Lattice-Boltzmann Model,A Full-Morphology Model,and a Pore Network Model for Determining Capillary Pressure-Saturation Relationships[J].Published in Vadose Zone,2005:380-388.

[9]Reis T.Phillips T N.Lattice Boltzmann Model for Simulating Immiscible Two-Phase Flows[J].Journal of Phys A:Math Theory 2007,40:4033-4053.

郭尚平的个人经历

评价参数直接影响评价方法的有效性，不同类型的参数作用不同。有效烃源岩有机碳下限、产烃率图版、运聚系数是成因法的关键参数；最小油气田规模对统计法计算结果有较大影响；油气丰度是应用类比法的依据，由已知区带的油气丰度评价未知区带的丰度；可系数是将地质量转化成可量的关键参数。

（一）刻度区解剖

1.刻度区的定义

刻度区解剖是本次评价的特色之一，也是油气评价的重要组成部分。刻度区解剖的目的是通过对地质条件和潜力认识较清楚的地区的分析，总结地质条件与潜力的关系，建立两者之间的参数纽带，进而为潜力的类析提供参照依据。

刻度区是为取准评价关键参数，以保证评价的客观性而选择的满足“勘探程度高、探明率高、地质认识程度高”三高要求的三维地质单元。刻度区可以是一个盆地（凹陷）、一个油气运聚单元、一个区带、一个成藏组合、一个层系或一个二级构造带等。为了正确和客观认识地质条件和潜力，刻度区的选取在考虑“三高”条件的基础上，应尽量考虑不同地质类型的综合，这样可以更充分体现油气丰度与地质因素之间的关系。

2.刻度区解剖内容与方法

刻度区解剖主要围绕油气成藏条件、量及参数三个核心展开，剖析三者之间的关联规律和定量关系。

（1）成藏特征和成藏主控因素分析。成藏特征和成藏主控因素分析实质上是对选择的刻度区进行成藏特征总结，精细刻画出成藏的定性、定量的主控因素与参数，便于评价区确定类比对象。在一个含油气盆地、含油气系统、坳陷、凹陷的成藏规律刻画中，其成藏特征差异大，故一般最好选择以含油气系统（或坳陷）及其间的运聚单元作为对象，更便于有效的类比应用。油气运聚单元是盆地（凹陷）中具有相似油气聚集特征的独立的和完整的石油地质系统，是以盆地（凹陷）的油气聚集带为核心，并包含为该油气聚集带提供油气源的有效烃源岩。油气运聚单元是有效烃源岩、油气运移通道、有效储集层、有效盖层、有效的圈闭等要素在时间和空间上的有机组合。一个油气运聚单元可以有多个有效烃源岩体和烃源岩区为其供烃，但同一个油气运聚单元的油气聚集特征是相似的。一个油气运聚单元可以只包含一个油气成藏组合，也可以包含在纵向上叠置的多个油气成藏组合。因此刻度区地质条件的评价与定量刻画就是按照运聚单元→成藏组合→油气藏的层次路线综合分析烃源条件、储层条件、圈闭条件、保存条件以及配套条件等油气成藏条件。盆地模拟是地质评价流程中的一个重要组成部分，其作用主要体现在三个方面：其一是通过盆地模拟反映流体势特征，进而确定油气运聚单元的边界；其二是提供烃源参数，如生烃强度、生烃量、有效烃源岩面积等；其三是通过关键时刻的获取来反映油气成藏的动态作用过程。

（2）油气量确定。刻度区量计算与一般意义上的量计算稍有不同，正是由于刻度区的“三高”背景，特别是选定的刻度区探明程度越高越好，计算出的量更准确有利于求准各类评价参数。在本次刻度区解剖研究中，主要用了统计法来计算刻度区的量，统计法中包括油藏规模序列法、油藏发现序列法、年发现率法、探井发现率法、进尺发现率法以及老油田储量增长法，不同方法估算出的量用特尔菲加权综合。盆地模拟在计算生烃量方面技术已经比较成熟，因此刻度区（运聚单元）的生烃量仍由盆地模拟方法计算。

（3）油气参数研究。通过刻度区解剖，建立了参数评价体系和预测模型，获得了地质条件定量描述参数、量计算参数和经济评价参数，如运聚系数、丰度等关键参数。从刻度区获得的量与生油量之比可计算出运聚系数，刻度区的量与面积之比可获得单位面积的丰度，还可得到其他参数等。由于盆地内坳陷（凹陷）内各单元成藏条件差异，求得的参数是不同的，故细分若干运聚单元，求取不同单元的参数，这样用于类比区会更符合实际。

3.刻度区研究成果与应用

通过刻度区解剖研究，系统地获得运聚系数、油气丰度等多项关键参数，为油气评价提供各类评价单元类比参数选取的标准，保证评价结果科学合理。如中国石油解剖的辽河坳陷大民屯凹陷级刻度区，通过对其烃源条件、储层条件、圈闭条件、保存条件以及配套条件五方面精细研究，获得了22项量化的成藏条件的系统参数。根据大民屯凹陷内划分的六个运聚单元，分别计算各单元的生油量和量，直接获得六个单元的运聚系数。同时计算出各运聚单元单位面积的量，获得不同成藏条件下的丰度参数（表4-5）。

表4-5 大民屯凹陷刻度区解剖参数汇总表

在中国石油128个刻度区的基础上，各单位根据评价需要，又解剖了一定数量的刻度区。其中，中国石油利用已有刻度区128个，新解剖刻度区4个，共应用132个；中石化新解剖42个；中海油新解剖4个；延长油矿新解剖3个。各项目共应用了181刻度区，这些刻度区涵盖了我国主要含油气盆地中的大部分不同类型的坳陷、凹陷、运聚单元和区带，基本满足了不同评价区的需要。各种类型刻度区统计见表4-6。

表4-6 各种类型刻度区统计表

（二）有效烃源岩有机碳下限

有效烃源岩有机碳下限是指烃源岩中有机碳含量的最小值，小于该值的烃源岩生成的烃量不能形成有规模的油气聚集。有效烃源岩有机碳下限是确定烃源岩体积的主要参数，直接影响生烃量的计算结果。

在大量烃源岩样品分析化验和有关地质资料研究基础上，明确了不同岩类有效烃源岩有机碳下限标准。陆相泥岩有效烃源岩有机碳下限为0.8%，海相泥岩为0.5%，碳酸盐岩为0.2%～0.5%，煤系源岩为1.5%。例如，陆相泥岩TO C与S1+S2关系表明，S1+S2在TO C为0.8%时出现拐点，有效烃源岩有机碳下限定为0.8%；碳酸盐岩气源岩残余吸附气量与有机碳关系表明，残余吸附气量在有机碳为0.2%处出现拐点，有效烃源岩有机碳下限定为0.2%（图4-1、图4-2）。

图4-1 陆相泥岩TOC与S1+S2关系图

图4-2 碳酸盐岩气源岩残余吸附气量与有机碳关系图

对于勘探实践中已经发现油气藏，但烃源岩有机碳含量未达统一下限的盆地，根据实际情况可进行适当调整。如柴达木盆地柴西地区，在分析了大量烃源岩有机碳和S1+S2指标资料后，明确该区有机碳含量下限为0.4%时，即达到有效烃源岩标准，并被发现亿吨级尕斯库勒大油田的勘探实践所证实。在渤海湾盆地评价过程中，建立起相对统一的有效烃源岩丰度取值下限标准：碳酸盐岩气源岩丰度下限取0.2%，碳酸盐岩油源岩丰度下限取0.5%，湖相泥岩丰度下限取1.0%。

有效烃源岩有机碳下限的基本统一，保证了生烃量计算标准的相对一致和全国范围内的可比。

（三）产烃率图版

烃源岩产烃率图版是用盆地模拟方法计算烃源岩生烃量和量的关键参数。产烃率图版一般用烃源岩热模拟实验方法获得。

1.液态烃产率图版

利用密闭容器加水热模拟实验方法，对中国陆相盆地不同类型烃源岩进行了热模拟实验。模拟实验所用样品取自松辽、渤海湾等10个盆地，包括侏罗系、白垩系和古近系的湖相泥岩、煤系泥岩和煤3大类烃源岩。其中湖相泥岩烃源岩的有机质类型包括Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型，煤系泥岩烃源岩的有机质类型包括Ⅱ2型和Ⅲ型，煤烃源岩的有机质包括Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型。根据模拟实验结果，编制了不同类型烃源岩的液态烃产率图版（图4-3、图4-4、图4-5）。

图4-3 湖相泥岩烃源岩液态烃产率图版

图4-4 煤系泥岩烃源岩液态烃产率图版

图4-5 煤烃源岩液态烃产率图版

2.产气率图版

由于生物气生气机制与干酪根成气和原油热裂解气的生气机制不同，因此，其产气率与干酪根和原油裂解气产气率求取方式不同。

（1）生物气产气率。对生物气源岩样品在25℃～75℃的条件下进行细菌培养产生生物气，由此得到不同温阶下各类有机质的生物气产率。在模拟实验结果的基础上，结合前人的研究结果，分别建立了淡水环境、滨海环境和盐湖环境中不同类型有机质的生物气产气率图版及演化模式。

（2）干酪根和原油裂解气产气率。对于不同类型气源岩油产气率，国内外学者及一、二轮评价中已做过大量的工作。较多的实验是应用热压模拟方法对各种类型烃源岩进行产油及产气率实验，这种方法所计算的产气率包括了原油全部裂解成气的产率，亦即常说的封闭体系下源岩的产气率，所得到的天然气产率是气源岩的最大产气率。另一种求取气源岩产气率的方法是在开放体系下对源岩进行热模拟实验，各阶段生成的天然气和原油均全部排出源岩，原油不能在源岩中进一步裂解为天然气。这两种情况都是地质中的极端情况。但是实际的地质条件大多是半开放体系，在这种情况下，源岩生成的油既不能全部排出烃源岩，也不能完全滞留于源岩中。不同地质条件下亦即开放程度不同情况下源岩产气率如何计算？具体方法为：求得封闭和开放体系下相同类型源岩的产气率，将上述两种体系下的产气率图版（中值曲线）输入盆地模拟软件中，得出烃源岩层在不同渗透条件下产气率图版。

（四）运聚系数

运聚系数是油气聚集量占生烃量的比例，是成因法计算量的一个关键参数，直接影响量计算结果。运聚系数的确定方法包括运聚系数模型建立法和运聚单元成藏条件分析法。

1.运聚系数模型建立法

通过刻度区解剖，确定影响运聚系数的主要地质因素及其与运聚系数的相关关系。刻度区解剖研究表明，烃源岩的年龄、成熟度、上覆地层区域不整合的个数和运聚单元的圈闭面积系数等地质因素与石油运聚系数之间存在相关关系。依此建立地质因素与石油运聚系数之间关系的统计模型，包括双因素模型和多因素模型。双因素模型（相关系数为0.922）的地质因素选用烃源岩年龄和圈闭面积系数：

lny=1.62-0.0032x1+0.01696x4

多因素模型（相关系数为0.934）的地质因素选用烃源岩年龄、烃源岩的成熟度、区域不整合个数和圈闭面积系数：

lny=1.487-0.00318x1+0.186x2-0.112x3+0.02118x4

式中：y——运聚单元的石油运聚系数，%;

x1——烃源岩年龄，Ma;

x2——烃源岩成熟度（Ro）,%;

x3——不整合面个数；

x4——圈闭面积系数，%。

2.运聚单元成藏条件分析法

依据刻度区提供的大量运聚系数，依盆地类型和影响运聚系数的主要地质因素，分类建立运聚系数取值标准与应用条件。在评价中，根据刻度区解剖结果，确定了油气运聚系数分级取值标准（表4-7）。在评价中得到了推广应用，取得了良好的效果。

表4-7 石油运聚系数分级评价表

（五）最小油气田规模

最小油气田规模是指在现有工艺技术和经济条件下开地下，当预测达到盈亏平衡点时的油气田可储量。最小油气田规模对统计法计算的量结果有较大影响。为此，中国石油天然气集团公司等三大石油公司和延长油矿管理局对最小油田规模进行了专门研究。

通过对不同油价、不同开发方式和未来可能技术条件下最小油气田规模研究，确定了不同地区的最小油气田规模的取值。在地理环境相对较好的东部地区，其勘探开发成本较低，最小油气田规模一般在10×104～30×104t，在地理环境相对较差的西部地区，其勘探开发成本高，最小油气田规模一般在50×104t以上，对于海域来说，油气勘探开发成本更高，最小油气田规模更大，一般在150×104～500×104t。

（六）丰度

油气丰度是指每平方公里内的油气量，是类比法计算量的关键参数。通过统计分析，建立了丰度模型和取值标准。

1.丰度模型

通过刻度区解剖，建立刻度区内评价单元油气丰度和相关地质要素之间的统计预测模型：

新一轮全国油气评价

式中：y——运聚单元的石油丰度，104t/km2;

x1——烃源岩生烃强度，104t/km2;

x2——储集层厚度/沉积岩厚度，小数；

x3——圈闭面积系数，%;

x4——不整合面个数。

2.丰度取值标准

通过统计不同含油气单元丰度的分布特点，结合地质成藏条件，总结出各类刻度区丰度的取值标准。

（1）不同层系丰度：古近系凹陷由于成藏条件优越，成藏时间晚，石油地质丰度一般大于20×104t/km2；中生代凹陷成藏时间相对较长，石油地质丰度相对较低，一般约为10×104t/km2；古生代凹陷由于生、储层时代老，多期成藏多期改造、破坏，预计其丰度更低。

（2）不同类型运聚单元丰度：中新生代断陷或坳陷盆地长垣型、潜山型和断陷型中央背斜构造型，石油地质丰度高，一般大于40×104t/km2；中新生代裂陷盆地、坳陷盆地边缘构造型和古近系缓坡构造型石油丰度次之，一般为10×104～30×104t/km2；中生代盆地岩性型和古生代压陷盆地的构造型石油丰度相对较低，一般小于10×104t/km2。

（3）不同区块或区带级丰度：区块或区带级石油丰度差异更大，从小于1×104t/km2到大于200×104t/km2。其中潜山型、岩性—构造型、披覆背斜区块丰度较高，一般大于50×104t/km2，最大可大于200×104t/km2。构造—岩性型、断裂构造型丰度一般为30×104～50×104t/km2。地层—岩性型、断鼻型以及裂缝型区块、丰度较低，一般小于30×104t/km2。

通过刻度区解剖标定多种成藏因素下评价单元的丰度，不但为广泛应用类比法计算量提供了可靠的参数，同时也摆脱了过去以盆地总量为基础，利用地质评价系数类比将量分配到各评价单元的做法，使类比法预测的油气量在空间位置上更准确，提高了油气空间分布的预测水平。

（七）可系数

国外主要用建立在类比基础上的统计法计算油气可量，而我国第一轮、第二轮全国油气评价没有计算油气可量。本轮评价开展的油气可系数研究，通过可系数将地质量转化为可量，这在国内外油气评价中尚属首次。可系数是指地质中可出的量占地质量的比例，是从地质量计算可量的关键参数。

可系数研究与应用是常规油气评价的重要组成部分，主要目的是通过重点解剖、统计和类析方法，对我国油气可系数进行研究，为科学合理地计算油气可量提供依据，进而对重点盆地和全国油气可潜力进行评价。

1.评价单元类型划分

为使可系数研究成果与评价单元划分体系有机结合，遵循分类科学性、概括性和实用性三个基本原则，以油气类型、盆地类型、圈闭类型、储层岩性、储层物性等地质因素为依据，对评价单元进行了分析和分类，将国内石油评价单元分为中生代坳陷高渗、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块高渗等24种类型，天然气评价单元分为克拉通盆地古隆起、前陆盆地冲断带等16种类型（表4-8、表4-9）。

表4-8 不同类型评价单元石油可系数取值标准

表4-9 不同类型评价单元天然气可系数取值标准

2.刻度油气藏数据库的建立

已发现油气赋存在油气藏中，建立刻度油气藏数据库是统计已发现油气收率、分析影响收率主控因素、预测油气可系数的基础。刻度油气藏是油气可系数研究中作为类比标准的，地质认识清楚、开发程度高、已实施二次油或三次油技术的油气藏。

刻度油气藏选择原则：①典型性——能代表国内外主要的油气藏类型，保证类比法应用基础的广泛性；②针对性和实用性——针对油气评价，有效地指导相应类型评价单元油气可系数的确定；③开发程度高——油气藏开发程度高，地质参数和开发参数基本齐全；④三次油技术应用具有代表性——尽量选择已实施三次油技术的油藏，保证技术可系数的可靠性。

对国内43个油藏、30个气藏，国外59个油藏、22个气藏进行了剖析：收集整理每个油气藏的主要地质和开发参数；每个油气藏的地质条件主要包括储层特征、圈闭条件、流体性质等，开发条件主要包括开方式、开速度、增产措施等；研究不同因素对收率的影响程度，进而确定该油气藏收率的主控因素；针对开方式的不同，油藏的收率可分为一次、二次或三次收率；气藏主要是一次收率。通过对每个油气藏的地质条件、开发条件和收率进行分析，建立起国内外刻度油气藏数据库。

3.可系数主控因素分析

对影响可系数的地质条件、开发条件和经济条件进行了分析，建立起可系数主控因素的评价模型。

（1）在大量统计和重点解剖的基础上，对油气地质条件中的因素逐一进行分析，并提炼出15项油气收率的主控因素，即盆地类型、储层时代、圈闭类型、沉积相类型、储层岩性、储层厚度、储集空间类型、孔隙度、渗透率、埋深、含油饱和度、原油粘度、原油密度、变异系数、原始气油比。

（2）在诸多开发条件中，提高收率技术是极为重要的因素，不同提高收率技术适用条件不同，其提高收率的潜力也差距很大。通过综合分析，主要技术对不同类型油藏的提高收率潜力为：最小5%，中间值10%，最大值15%。

（3）利用石油公司提高收率模拟研究成果，建立了大型背斜油藏、复杂背斜油藏、断块油藏、岩性油藏、复杂储层油藏等在税后内部收益率为12%、油田开发到含水95%时聚合物驱和化学复合驱油时的油价与油田收率之间的关系，若这五类油藏要达到相同的收率，条件好的如大型背斜油藏、复杂背斜油藏所需的油价低于条件差的如岩性油藏、复杂储层油藏。

4.可系数取值标准的建立

在研究中，解剖了国内43个油藏、30个气藏，国外59个油藏、22个气藏，统计分析了大量油气田收率数据，给出了不同类型评价单元油气技术可系数和经济可系数取值范围，建立了不同类型评价单元油气可系数取值标准（表4-8、表4-9）。

（1）不同类型评价单元石油可系数相差较大，以技术可系数为例：中生代坳陷高渗和古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块高渗评价单元可系数最大，其中间值大于40%；中生代坳陷中渗、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块中渗、中生代断陷、中新生代前陆、古生界潜山、古生界碎屑岩、古近纪残留型断陷、陆缘裂谷断陷古近纪与新近纪海相轻质油、陆缘弧后古近纪与新近纪海陆交互相轻质油等评价单元可系数为30%～40%；中生代坳陷低渗、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块低渗、古生界缝洞、南方古近纪与新近纪中小盆地、低渗碎屑岩、重（稠）油中高渗、变质岩、砾岩、陆内裂谷断陷新近纪重质油、陆内裂谷断陷古近纪复杂断块等评价单元可系数为20%～30%；低渗碳酸盐岩、重（稠）油低渗、火山岩等评价单元可系数为15%～20%。

（2）不同类型评价单元天然气可系数相差也较大：克拉通碳酸盐缝洞、礁滩和前陆冲断带等评价单元可系数最大，其平均值大于70%；克拉通古隆起、克拉通碎屑岩、前陆前渊、南方中小盆地、陆缘断陷、火山岩、变质岩和海域古近纪与新近纪砂岩等评价单元可系数为60%～70%；前陆斜坡、生物气、中生代坳陷、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块、残留断陷、砾岩等评价单元可系数为50%～60%；致密砂岩等评价单元可系数最小，其平均值小于50%。

5.可系数计算方法的建立

可系数计算方法包括可系数标准表法和刻度区类比法两种方法。

（1）标准表取值法。利用可系数标准表求取不同评价单元可系数的步骤如下：在不同类型评价单元可系数取值标准表中找到已知评价单元的所属类型；明确评价单元与可系数相关因素（宏观、微观）的定性、定量资料；对照可系数的类比评分标准表和类比评分计算方法，对评价单元进行类比打分；根据类比评价结果求取可系数。

（2）刻度区类比法。以建立的国内外刻度油气藏数据库为基础，利用刻度区类比法来求取不同评价单元的可系数。具体步骤如下：根据评价单元分类标准，将具体评价单元归类，并分析整理该评价单元的油气地质条件和开发条件；根据评价单元的类型及其地质条件和开发条件，从国内外刻度油气藏数据库选择适合的类比对象；对照可系数的类比评分标准表和类比评分计算方法，对该评价单元及其类比对象进行打分并计算它们的得分差值；根据得分差值求取该评价单元的可系数。

通过油气可系数标准和计算方法在全国129个盆地中的推广应用，既检验了可系数取值标准和所用基础数据的可靠性、可行性和适用性，保证了油气可量计算的客观性，又获得了全国油气可量。

天然气水合物热动力学模型

郭尚平，1930年3月17日出生于四川省荣县吕仙岩村，祖籍四川隆昌县乡。其父郭运献系当地著名中医。

郭尚平自幼聪颖好学，又因家中人口众多，经济十分拮据，入不敷出，故从小就知勤奋努力，刻苦攻读。先是在盛产天然气和井盐的四川自流井（后为自贡市）玉皇庙小学读初小，用二年半学完四年课程后，郭尚平考人井神庙高级小学。 1939年，为躲避日本侵略军轰炸，全家迁返隆昌县乡。郭尚平在该乡秀毓小学毕业后考入隆昌县中，继后升入成都清华高中学习。高中各学期均名列前茅，毕业时获保送直接升人清华大学，因未能筹足去北平（现北京）路费被迫放弃机会。

1947年，郭尚平在四川同时报考三个大学，均获录取，后进入重庆大学矿冶系，名列榜首，享受奖学金。郭尚平主攻石油天然气开发专业，学习成绩居全班之冠。

1951年毕业后留校任助教。一年后公派去前苏联留学，1957年返国。

郭尚平与罗广芳1952年恋爱订婚，1957年留学归国后结为伉俪。

郭尚平1953年去前苏联后，在莫斯科石油学院和全苏油田开发研究所读研究生，专攻渗流力学，师从莫斯科石油学院院长И·M·穆拉维耶夫（Myравьев）教授，全苏油田开发研究所所长、前苏联科学院通讯院士A·П·克雷洛夫（Kрылов）教授和数学力学家H·C·别斯古洛夫（Пuckyнов）教授。

在研究生阶段，郭尚平已表现出强烈的创新意识和独创能力。郭尚平放弃导师为他选定的应用前人理论和计算方法做研究的题目，独辟蹊径，提出了“当孔隙性砂岩油藏的油井井底有各种裂缝时的渗流理论和计算方法”作为自己的研究课题。当时，国际上刚出现一种提高产油量、注水量和石油收率的新技术——地层水力压裂技术，郭预见到这将是很重要的、并将有长期应用推广价值的技术，非常需要赶快建立这种条件下的渗流理论和计算方法。导师很高兴地肯定了郭的思想。

郭运用数学物理分析、电模拟实验和现场实验分析三种方法，对这种孔隙－裂缝介质的渗流理论和计算方法做出了系统性和创新性的成果，不仅有单井条件下的理论研究，还有井群整体压裂下的计算分析。论文答辩时，20多位评委全票通过授予副博士学位。这在当时的学位论文答辩会上是罕见的。论文的部分内容很快即以三篇文章先后在前苏联《Tpyдымни》、《HeфтяноеXозяйство》上发表。

郭尚平于1957年返回祖国后，被分配在中国科学院石油研究所（后改名大连化学物理所）。石油部商请科学院调郭到石油部工作，未获同意，双方最后协议借调郭到石油部地质开发研究筹建处（后为石油研究院）工作。于是，郭尚平以主要精力完成石油部的科技任务，同时开始筹建中国科学院的渗流研究机构。

郭尚平深感有必要将学得的知识与祖国的建设紧密结合起来，做一点实际工作。正值此时，新发现的克拉玛依油田急需开发，石油部派他领导一个研究组去新疆完成此项研究和设计任务。郭尚平作为主要研究设计人，领导研究组，提出了初步设计和正式设计，经石油部批准后，在克拉玛依油田开发中得到实际应用。

在渗流理论方面，郭尚平预见到多底井、斜井和水平井等将对石油工业有重要作用，早在1959年就研究了这些特殊井底条件下的渗流理论和生产效率。这在当时还未被重视的技术，到80至90年代已得到国内外石油部门的极大重视和广泛应用。

1960年冬，中国科学院在兰州正式成立渗流研究室，郭尚平作为该室的创建人，同时又连续完成石油部的任务，参加大庆油田开发工作组，负责萨尔图中区开发研究设计中的渗流研究和计算任务。

当时的渗流研究室设置在中国科学院兰州地质所内，研究人员大多是20几岁国内外毕业不久的大学生和研究生，他们朝气勃勃，钻劲十足，在浓厚的学术气氛下团结协作，建室3年后，在中国力学学会第一次全国流体力学大会上，12篇渗流力学文章中，他们占了11篇，其中郭尚平与刘慈群合作完成的非均质地层中油水二相渗流计算方法，与当时国外方法相比，理论基础更完善，计算结果更接近实际，计算量少很多，在大庆和新疆等油田的研究和设计中起到了实际作用。由于科研成绩突出，渗流室于1964年被评选为中国科学院的先进集体，中国的主要报纸和电台进行了表扬报道。

1964年至1965年，郭尚平和刘慈群、李永善等人带领研究组与玉门研究所合作，研究成功了小层动态分析方法，使原来只能对一个大层笼统地、粗略地进行渗流动态分析，发展为能对大层内的每一个小层单独进行渗流分析。这项成果在油田得到实际应用，并于1965年在石油部的大庆现场会议上展示推广。

60年代初，当许多人否定人工地层模型的作用，而只强调天然岩心的作用时，郭尚平明确指出，这两种研究手段，各有所长，把二者结合起来，相辅相成，才能使渗流力学和开发的科学研究推进一步。郭尚平在渗流室提出立即开展人工平面地层模型研制，并亲自领导和参加研制工作。

1963年开发成功人工模型新技术后，大庆油田于1964年即派人到渗流室学习掌握。该技术在大庆、胜利、新疆和玉门等油田及渗流室持久地推广应用，对渗流力学和开的研究起到了很好的作用。 1966至16年间，郭尚平主要从事天然气渗流及其在四川气田动态分析和储量计算中的应用和陕甘宁油田开发（含石油渗流）研究。

在实验渗流力学方面，长期以来只注意宏观研究，即以各种类型的天然岩石和土壤样品以及人造多孔介质等为研究对象，对微观研究很不注意。宏观实验有很多优点，但本质性的不足是在当前条件下不能观测多孔介质内的真实过程和规律。早在60年代初，郭尚平就提出要开展渗流微观研究，并把这种渗流研究暂时称为“微观渗流”，沿用至今，已成了习惯用术语。

由于客观原因，直到18年，郭尚平才得以动手开展微观渗流研究，首先需要自己开发微观渗流实验和测试技术，然后要进行大量的微观渗流实验和分析，难度很大。他组织和领导黄延章、胡雅仁、周娟、于大森、周炎如等数十人，集体潜心研究，终获成功。

到1988年，已开发成功由11种技术配套的微观渗流仿真和测试技术。迄今国外尚没有见到这类工作较完整的报道。

石油部科技司于1989年举办培训班推广此项微观渗流研究技术。油田和院校也纷纷要求转让技术或委托研究任务。中国科学院授予该技术科技进步一等奖。

以这套实验技术为主要手段，郭尚平带领研究集体从15个方面对复杂的新型渗流问题进行了创新性的研究。它们涉及多相渗流、非牛顿流体渗流、非等温渗流和物理化学渗流等渗流学科的前沿问题。通过对孔隙结构仿真、高温高压仿真和粘土矿物仿真的微观模型内的各相流体运动、流量变化、表面性质变化、相态变化、蒸发、冷凝以及粘土矿物膨胀、迁移、吸附和堵塞等物理、化学和力学过程的微观细节的观测，发现和揭示了一些重要的渗流机理和规律，肯定了一些原属分析推测性的认识，完善了一些原来不完全的认识，对一些重要的机理和规律提出了新的或系统化的见解和理论，并对有关的生产工程技术提出了建议和新的科学依据。这样，他和他的研究集体初步建立起了微观渗流理论，并使渗流理论在生产应用上有了更扎实的基础，从微观渗流角度对渗流理论做出重要发展。 1990年，由科学出版社出版了专著《物理化学渗流微观机理》。在国外，与作者类似的工作只有为数不多的零星文章发表，总的说来，涉及的广度，研究的深度和考虑的因素都不及郭尚平等的成果。这项成果获1991年国家自然科学三等奖。

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一、天然气水合物热力学模型

1.理论基础

随着各种热力学研究的开展，现已有大量有关天然气水合物相平衡的数据和方法，可用来预测天然气水合物的形成。这些研究结果也有利于开发抑制天然气水合物形成的化学添加剂。一般说来，能影响溶液黏度性质的物质通常能抑制天然气水合物的形成。在工业应用上，甲醇是一种常用的阻凝剂。

Van der Waals和Platteeuw(1959)提出的热力学理论，一直是预测天然气水合物平衡模型的理论基础。Sloan(1990)指出，利用这些模型对Lw-H-V系统平衡压力的预测，误差应该不超过10%，而对温度的预测误差在2K左右。多年来，各国学者在Van der Waals和Platteeuw理论的基础上，提出了一些新的观点和天然气水合物相平衡预测的计算方法，对天然气水合物热力学模型的发展作出了贡献。

2.热力学模型

要描述各种天然气水合物相及其可能的多种共存流体相，需要使用一种以上的模型。状态方程是描述天然气水合物平衡的一种方法。为描述富水的流体相，Saito(1964)等使用了理想溶液方法(Raoult定律)，其基本前提是，设水中储存气体的溶解度在常规条件下可以忽略不计，尽管有事实证明这种设的有效性令人质疑，但这种方法在过去一段时间内仍为大多数学者所偏爱。当需要进行天然气水合物抑制计算时，要根据Menten(1981)提出的计算方法，用活度系数对Rao-ult定律进行校正。虽然该方法的可靠性要优于Hammerschmidt方程(1939)，但它不能用于评估阻凝剂(如甲醇)在共存相中的分布。为校正这个问题，Anderson等(1986)结合使用了Uniquac方程和用于超临界组分计算的亨利定律，计算液相中所有可凝聚组分的逸度。因此，要进行简单的天然气水合物抑制计算，有必要使用上述4个模型。由于这种内在的复杂性，对于现实中更复杂的系统，上述这些方法用处并不大。同时，这些方法都存在着收敛困难，不能作为进一步精确计算(如复合系统的稳定性分析)的基础。

Englezos等(1991)和Avlonitis等(1991)根据一个单一的状态方程，建立了全部流体相的模型。前者使用了有4个参数的立方状态方程，后者使用了有3个参数的立方状态方程，并开发了针对非对称相互作用的专用混合规则。根据目前的研究趋势看，对全部流体相使用单一的状态方程是最有发展潜力的方法。

3.模型的完善和发展

对天然气水合物相的理想固溶体，在设被圈闭的分子之间没有相互作用的前提下，Vander Waals等(1959)认为能够用一种Langmuir型吸附等温线描述固体天然气水合物相。他们利用这个设，证明天然气水合物相中水的化学势能与形成天然气水合物的气体性质无关，仅取决于天然气水合物相中两种不同类型空穴中气体的总浓度，天然气水合物与理想稀溶液具有相同的行为。在这个理论基础上，Parrish等(12)将用于计算分解压的天然气水合物模型延伸到多组分系统中。理想固溶体理论忽视了非理想状态所带来的影响，如“主”分子晶格的伸展或变形、被圈闭气体分子运动所受的限制，都有可能增加“主”分子和“客”分子的化学势。Hwang(1993)与他的同事们在分子动力学模拟的基础上，研究了“客”气体分子的大小对天然气水合物稳定性的影响。Avlanitis(1994)指出:这种方法的主要缺陷在于选取了不正确的势能参数，特别是乙烷的势能参数。为弥补这个缺陷，Avlonitis用一种折中方法优化了理想固溶体模型参数，在含甲醇或不含甲醇情况下，在Lw-H-V框架内，对天然的或合成的气体混合物都获得了令人满意的预测结果。

二、天然气水合物动力学模型

天然气水合物动力学是水合物领域的研究重点。通常以方程M+nH2O＜=＞［M·nH2O］表示水合物生成，这是一个气-液-固三相或气-固两相的多相反应过程，同时也是一个包含传热、传质和生成水合物反应机理的复杂反应方程，影响反应的条件很多，也很复杂。相对于天然气水合物热力学而言，对天然气水合物动力学的研究较少。天然气水合物动力学可以大略分为天然气水合物生成动力学和天然气水合物分解动力学两类。

1.天然气水合物生成动力学

针对目前研究亟待解决的水合物生成速率和效率问题，主要有以下两种研究方法(赵义等，2004):①热力学方法，即向反应体系中加入其他气体添加剂，让气体添加剂占据水合物结构中没有被占据的空腔，来降低水合物簇之间的转换活化能，提高水合物的晶体空腔填充率，从而达到促进水合物生成和提高水合物稳定性的目的，如向甲烷的水合物生成体系中加入少量的丙烷，就可以大大降低甲烷水合物的生成条件，并且生成的结构更稳定;②动力学方法，仅限于表面活性剂及助溶剂(hy-drotropes)的研究。对此有两种说:一是Sloan的观点，认为表面活性剂之所以促进水合物的生成，主要是因为它降低了气-液界面张力，增大了扩散传质速率，使气体更容易进入液相;二是Zhong等(2000)的观点，提出了一个4步骤的反应历程来解释观察到的现象，尚未得到充分的验证。以下对这4个步骤进行说明:

(1)气-水簇的形成

天然气水合物的成核过程是天然气水合物核向临界大小的靠近且生长的过程。气-水生长簇是天然气水合物形成的先兆。如果生长的核小于临界大小，核是不稳定的，可能在水溶液中生长或破裂。一个生长着的天然气水合物核，如已具有临界大小，就是稳定的，可以立即导致结晶天然气水合物的形成。

认识影响气-水簇形成的因素，有助于理解天然气水合物的成核过程。特别是水分子结构，它是指通过氢键相互联结水分子所形成的结构，在成核过程中起重要作用。冰是一种高度结构化的水，其水分子固定在一个呈四边形氢键结构的位置上。当温度升高到零点以上时，结构开始变得更加松散，与高度有序的冰的结构相比更加无序。

Sloan等提出了一种天然气水合物成核过程的分子机制，设想气-水簇开始形成临时结构，随后这些结构再生长成稳定的天然气水合物晶核。他们通过使用化学动力学方程，针对机制中设的每一种情况对成核过程进行了模拟。Lekvam和Ruoff也提出了反应作用的动力学机制。这种方法使用一种动力学速率模型，研究成核和生长过程，但他们的这种模型并没有强调天然气水合物核的稳定性。

Vysniauskas和Bishnoi在实验中使用不同来源的水进行了实验。结果显示，随着水的来源不同，平均成核开始期也不同。在实验中，来自于融化的冰水与实验中使用热自来水相比，前者的平均开始期较低;同样，使用来自于天然气水合物分解的水与使用热自来水相比，前者的平均开始期也较低，这就是所谓的“记忆效应”。这种现象在其他学者的研究中也出现过。研究发现，在已溶解的气体分子周围，水结构被强化了;这种作用于溶解气体分子周围的水结构强化现象，被认为是“疏水水合作用”现象。Frank等也提出了同样的观点。Glew在对甲烷天然气水合物和甲烷水溶液的热动力学性质进行研究时，发现了类似现象。Glew对甲烷-水系统分子模拟的研究显示，甲烷分子周围的水分子平均配位数对于Ⅰ型结构的小空穴来说，接近于21。Rahman和Stillinger认为，在溶解的溶质分子周围，水的网架与天然气水合物类型的孔型相似。另外，热力学分析显示，溶液具有很大的负熵，这正是水体内一种结构形成的标志。

气-水簇在天然气水合物成核过程中起了很重要作用。当溶液在过冷或过饱和状态下时，成核过程就发生了，学者们通常使用过冷或过饱和方法来研究成核作用。Bishoni等在研究时就用了过饱和方法，Kobayashi、Sloan等则用了过冷方法。

图10-5 典型的气体消耗简图

Bishnoi等在恒定温压下进行了天然气水合物形成实验。在实验温度下，实验压力比三相天然气水合物平衡压力要高，图10-5是实验过程中因气体溶解和天然气水合物形成，而导致的气体消耗的累积摩尔量随时间变化的曲线。

图10-5中A点的气体消耗摩尔量表示已溶解气体量，与三相天然气水合物平衡压力对应。A点与B点之间的准稳区域，代表着天然气水合物的成核过程。B点表示以突变方式出现的稳定临界大小天然气水合物核的出现点。Englezos和Bishnoi发现，在成核点B之前的溶解气体摩尔量，实际上要高于估算的二相(气-液)准稳定平衡状态下的摩尔量，估算来源于稳定区域的外推;气-水簇的形成能够耗尽在团块流体相中的天然气水合物形成的气体，从而导致超过两相值的气体溶解。Englezos等提出了计算天然气水合物核临界大小的方法，天然气水合物生长过程开始于图10-5中B点，并沿着线BC进行。根据Kobayashi和Sloan的实验结果，在容积不变的情况下，天然气水合物形成过程中的压力和温度轨迹如图10-6所示。图10-5中点A等同于图10-6中的点A。图10-6中点B也等同于图10-5中的点B，在B点，以突变方式形成的稳定天然气水合物颗粒的出现，导致了压力的突然下降。在图10-6中，点A与点B之间区域表示成核过程中的准稳定状态。过冷却方法和过饱和方法的相似性在图10-5与图10-6之间体现得相当明显。在图10-5中，与三相天然气水合物平衡相应，点A与点B之间，是处于准稳定状态的天然气水合物成核区域中气-水簇的生长区域。天然气水合物在点B的出现是突然的，Kobayashi描述它为“灾变性的”。尽管天然气水合物颗粒很小，但它们的数量很多，足以使溶液变得混浊。Kobayashi和Sloan认为，天然气水合物的突然出现使溶液不再处于过饱和状态，这样便导致了压力的剧降。

(2)天然气水合物的成核和生长过程

图10-6 天然气水合物形成实验温度-压力轨迹简图

从上面讨论可以看出，过冷方法与过饱和方法是等价的，对于天然气水合物成核过程来说都很重要。许多研究者建立了开始期和过冷之间的函数关系，过饱和同样也可以根据过冷却度进行转换。溶解中任何点的过饱和，都是在这点超过饱和浓度值的过量溶解气体浓度，可以用溶液中某一点的过饱和来判断稳定天然气水合物核最先出现在哪个地方。对于不流动系统，溶解气体浓度在分界面附近可能最高，天然气水合物的形成可能最先发生在气-液分界面上。对于搅拌系统来说，在溶液中最先形成天然气水合物的地方，取决于这点上溶解气体的浓度。溶液的水动力条件和气体溶解率可以影响天然气水合物成核的开始期。

Bishnoi等认为，天然气水合物成核作用开始期与过饱和作用相联系，根据对甲烷、乙烷以及二氧化碳天然气水合物的实验数据分析，揭示了成核开始期与过饱和的关系。当过饱和度减小时，成核开始期增大;当过饱和时，开始期增加到一个很大的值;相反，当过饱和度增加时，开始期减少到一个很小的值;当过饱和度很低时，开始期数据的分散程度很高，当过饱和度增加时，开始期数据的分散程度减小。天然气水合物成核过程，本质上是一个内在的随机过程，但高的过饱和度能够掩盖成核现象的随机本质，从而使观察到的开始期看起来像是早已被决定了一样。另外，天然气水合物成核的随机本质，也能够被实验系统中用来进行成核研究的其他因素所掩盖。在天然气水合物成核研究中，Parent和Bishnoi在原始实验状态下又观察到了开始期数据的随机性。

关于天然气水合物成核的研究还处于宏观层次上。对在溶液中的亚临界情况，还知之甚少。在建立基于分子级的模型之前，须通过实验研究揭示天然气水合物的成核机制。

天然气水合物的生长过程，是指作为固态天然气水合物的稳定天然气水合物核的生长，自20世纪60年代以来，许多学者就已对此进行了研究。在研究丙烷天然气水合物生长过程时，Knox认为晶体的近似大小取决于过冷度(指使液体冷到凝固点以下而不凝结)，较高的过冷度主要产生较小的颗粒，并导致明显的晶体生长。Pinder通过研究天然气水合物形成动力学，提出天然气水合物形成的反应速率随渗滤作用而定。Barrer和Esge在研究天然气水合物动力学时发现，对氪形成的天然气水合物来说，其晶体生长有一个明显的开始期。Falabella使用类似于Barrer和Esge的实验装置进行了研究，也得到了相似的结论。Falabella还发现，对于甲烷来说，其天然气水合物生长也有一个开始期，他根据冰的动力学数据，通过进行等温压换算，提出了一个次级动力学模型。Sloan和Fleyfel通过实验，研究了环丙烷天然气水合物的生长动力学。针对在纯水中的各种气体和气体混合物，Bishnoi等一直进行着天然气水合物形成动力学的系统性研究，在实验中使用一个搅拌反应器，其中装有电解质和表面活化剂溶液。他们认为，在稳压条件下，全部气体消耗量是时间的函数。

(3)天然气水合物生长动力学模型

在研究早期，Vysniauskas和Bishnoi提出了一个关于气体消耗速率的半经验模型。后来，Engl-ezos等把只有一个可调节参数的天然气水合物生长动力学模型公式化，这个模型是一个以结晶化和团块传递理论为基础的模型;它设固体天然气水合物颗粒被一个吸附“反应”层所包围，吸附反应层外是一层不流动的液体扩散层，溶解的气体从围绕在不流动液中向天然气水合物颗粒-水分界面扩散;然后，气体分子由于吸附作用而进入结构化的水分子构架并结合在一起。当水分子过量时，分界面被认为是气体最易集中的地方(反应速率用已溶解气体的逸度替代其浓度)。

在三相天然气水合物平衡压力和颗粒表面温度下，在扩散层中，溶解气体逸度值从fb变化到fs;在吸附层中，逸度值直降至feq，围绕颗粒的扩散动力等于fb-fs;但是对于“反应”阶段来说，这个值是fs-feq。在稳定状态下，扩散阶段和“反应”阶段的速率相等，fs能够从单个速率表达式中消去，可得到每一个颗粒的生长速率如下:

非常规油气地质学

式中:R*是扩散和吸附反应过程的组合速率常数;Ap是每个颗粒的表面积。在溶解气体的逸度中，fb-feq值不同于三相平衡逸度中的fb-feq值，它指的是全部动力。当在良好的搅拌系统中时，R*值表示反应的内在速率常数，R*值由甲烷和乙烷天然气水合物形成动力学的实验数据决定。在没有任何附加参数的情况下，这个模型可成功地扩展到甲烷和乙烷混合物的形成动力学;在这个模型中，纯水中甲烷天然气水合物形成时获得的R*值，可以应用到电解质溶液中的天然气水合物形成模型中，两者的R*值是相同的。

在液态二氧化碳和水的分界面上，Shindo等提出了二氧化碳天然气水合物形成模型;他们设天然气水合物主要发生在液态二氧化碳中，而不是在水中。最近，Skovborg和Rasmussen使用实验的气体消耗数据(数据来源于Bishnoi等)，提出了一种天然气水合物生成动力学模型;认为天然气水合物的形成，能够影响液体一侧的气-液团块传递系数。

(4)气-水体系中水合物的生成机理

天然气水合物结构和性质类似于冰(陈孝彦等，2004)，气-水体系中天然气水合物生成时，气体分子首先要溶解到水中，一部分气体分子与水一起形成水合物骨架，类似于冰的碎片(周公度等，1995)，形成了水合物结构中的第一种空穴。这些框架是一种亚稳定结构，相互结合形成更大的框架。在结合过程中，为保持水分子的4个氢键处于饱和状态，不可能做到紧密堆积，缔合过程中必然形成空的包腔，就形成了水合物结构中的另外一种空穴。另一部分溶解的气体分子通过扩散渗入到这些空穴中，并进行有选择的吸附;在吸附过程中满足Langmuir吸附定律，小气体分子进入小空穴，同时也能进入大空穴，大气体分子只能进入大空穴，即并不是每一个空穴都能被气体分子占据，这就解释了水合物平均只有三分之一左右的空穴被客体分子占据的机理。

陈孝彦等(2004)总结提出了气-水体系中水合物的生成机理，分为4步:①气体分子溶解过程，即气体分子溶解到水中;②水合物骨架形成过程，即气体分子的初始成核过程，溶解到水中的气体分子和水，形成一种类似冰碎片的天然气水合物基本骨架(一种空腔)，这种骨架通过结合形成另一种不同大小的空腔;③气体分子扩散过程，即气体分子扩散到水合物基本骨架中;④气体分子被吸附过程，即天然气气体分子在水合物骨架中进行有选择的吸附，从而使水合物晶体增长。

2.天然气水合物分解动力学

(1)理论基础

人们提出了许多基于相平衡的热力学模型来预测一定条件下水合物的生成条件及其抑制途径(赵义等，2004)，如通过改变其生成条件，来达到抑制目的的物理方法，包括干燥脱除法、加热保温法、降压法和加入非水合物形成气体法等，还包括通过加入添加剂的化学方法。

化学抑制法主要有热力学抑制剂和动力学抑制剂两种(赵义等，2004)。前者普遍取在生产设备和运输管线中注入甲醇、乙醇、乙二醇和氯化钠、氯化钙等，改变水合物热力学稳定条件，抑制或避免水合物生成;后者从降低水合物生成速度，以抑制水合物晶粒聚结和堵塞出发，通过加入一定量化学添加剂来改变水合物形成的热力学条件，显著降低水合物成核速率，延缓乃至阻止临界晶核生成，干扰水合物晶体的优先生长方向，影响水合物晶体的定向稳定性，具有用量少、效率高等优点，已成为了研究热点(吴德娟等，2000)。根据分子作用的不同机理，动力学抑制剂分为水合物生长抑制剂、水合物聚集抑制剂和具有双重功能的抑制剂，主要包括酰胺类聚合物、酮类聚合物、亚胺类聚合物、二胺类聚合物、共聚物类等，其中酰胺类聚合物是最主要的一类。

Holder等(1987)研究了在天然气水合物分解过程中的热传递过程，得出与成核沸腾现象相似的结论。Kamath等(1987)根据这种相似性，提出在丙烷分解期间，热传递率是ΔT的幂函数，其中天然气水合物表面的ΔT值与团块流体中的ΔT值是不相同的。后来，Kamath和Holder总结了它们的关系性，并用到甲烷天然气水合物分解过程中。

Selim等(1989)研究了甲烷水合物的热分解，认为水合物的分解是一个动态界面消融问题，并运用一维半无限长平壁的导热规律，建立了甲烷水合物的热分解动力学模型，Kamath等(1987)研究了甲烷和丙烷的热分解问题，认为水合物的分解主要受传热控制，其分解可与液体的泡核沸腾相比拟，而流体主体与水合物表面的温差ΔT是过程的推动力(Kamath et al.，1987)。

(2)实验研究

对天然气水合物分解动力学的基础研究是在带搅拌的大容积反应器中进行的，水合物以固体颗粒状分散于液体中，这用来研究分解本征动力学是可以的(周锡堂等，2006)。但用于研究与天然气生产有关，特别是天然气水合物分解的反应工程动力学，则缺乏实际意义(周锡堂等，2006)。自然赋存的天然气水合物可能是大块状的，更多的存在于多孔介质中。Sloan等报道过砂岩中的甲烷水合物生成和分解的一些实验数据，但没有仔细地研究水在孔隙里的分布情况;Circone等报道过以冰粒形成的水合物在272.5K的分解速率数据(Circone et al.，2000)，但也没有提供相应的动力学方程。存在于冻土带或海底沉积物中的天然气水合物，与人工合成的、仅仅存在于自由水中的水合物颗粒是大不相同的。因此从工程实际来考虑，研究多孔介质中水合物的分解动力学行为更有意义。Yousif等第一次将水合物分解动力学的研究与天然气的生产结合起来(Yousif et al.，1991)，不过其模型在估算水合物面积时却是经验性的。Goel等研究了天然气水合物的分解行为(Goel et al.，2001)，运用发散状扩散方程，分别得出了关于大块状和多孔介质中的天然气水合物的分解动力学解析模型。然而该模型忽略了分解水的流动和分解气出速率的变化，严重影响了其有效性。Hisashi等研究了多孔介质中水合物的形成和降压分解问题(Hisashi et al.，2002)。在其实验中，分别用了多种粒度的玻璃珠和合成陶粒来模拟多孔介质。最终结果表明，不同介质中水合物分解的表观反应速率常数不同，所得回归方程也不一样(周锡堂等，2006)。因此，在确定自然存在天然气水合物的分解速率时，有必要研究当地介质的孔隙性质及其粒度分布。

Bishnoi等开展了对甲烷天然气水合物分解的实验研究，实验是在一个搅拌良好的反应器中进行的;天然气水合物在三相平衡压力以上存在;然后，在保持温度不变的条件下，把压力降低到低于三相平衡压力，这时，天然气水合物分解就开始了;实验在快速搅拌中进行，以保证避免团块传递的影响。他们提出，天然气水合物分解可能分为两个阶段:颗粒表面原结晶“主”格子破坏和随后的“客”分子从表面的解吸过程。Kim等提出了天然气水合物分解原内在动力学模型，他们设天然气水合物的颗粒为球形，并且被云雾状气体所包围，如图10-7所示。在图中，正在分解的颗粒被解吸“反应”层所围绕，再外层是排放出的气体云，天然气水合物颗粒分解速率公式如下:

非常规油气地质学

式中:kd为分解速率常数;Ap为颗粒表面积;feq为气体三相平衡逸度;fvg为气体分解策动力，定义为feq与fvg之差，即feq-fvg。

(3)研究进展和意义

与前文提到的对天然气水合物生长的研究一样，对天然气水合物分解的研究，应该包括对决定分解颗粒大小分布因素的研究。

图10-7 天然气水合物分解图

对天然气水合物分解和形成动力学的研究，给我们提出了大的挑战。天然气水合物形成被认为是一种包括成核过程和生长过程的结晶化过程。成核作用是一种内在的随机过程，它涉及气-水簇向具临界大小的稳定天然气水合物核的形成和生长问题。因较大的成核策动力和多相性的存在，成核作用随机性质不易被察觉。目前，对天然气水合物成核过程仍没有在分子级别上的测试方法。

天然气水合物生长包括作为固态天然气水合物的稳定水合核的生长，正在生长的天然气水合物颗粒表面积，强烈影响着生长速率。天然气水合物分解是一系列晶格的破坏和气体解吸过程，在分解时的热传递率与成核沸腾现象是相似的。应该深入研究天然气水合物颗粒在分解和生长过程中的大小分布，并应用于这些过程的模型化中。

尽管有多个天然气水合物形成模型已经被提出，但天然气水合物形成核的过程并没有完全被揭示。目前，科学家通过研究气体-水的接触面，已取得了一些实验上的进展，但是这些实验都是最近做的，并且至今没有充足的信息来提供一个确切的描述。这些实验通过研究熔点附近的热力学状态范围，来揭示与接近天然气水合物形成条件相联系的界面结构特征。在实验中，科学家把分子动力学模拟，应用到Ⅰ型甲烷天然气水合物和甲烷气体的接触面，发现接触面在270K以下是稳定的，在300K时发生熔解，同时发现了导致接触面稳定的压力条件。在伴随着表面层的无序化过程中，预熔现象是明显的。动力学性质显示了水平面格子振动的各向异性，这被认为是与在Ⅰ型天然气水合物(001)面上存在着晶轴相联系。这个意想不到的结果还有待于进一步研究。

在研究天然气水合物形成模型的同时，由于天然气水合物有时能对高纬度地区石油和天然气的运输造成意想不到的麻烦(如形成管塞)，有的学者(Monte Carlo)也开始了怎样抑制天然气水合物形成的研究。通过实验研究发现，可以使用一种无毒的、能溶解于水的聚合物———科利当(PVP)，来抑制天然气水合物的形成。Monte Carlo通过不同条件下PVP对单体、二聚物、四聚物、八聚物吸附性的研究，发现吸附作用主要在吡硌烷酮氧(pyrrolidone oxygen)和水面之间两个氢键的形成过程中出现。这种研究结果表明，通过在天然气水合物生长点上PVP的吸附，来抑制天然气水合物的形成是可行的，并且影响吸附的主要因素具有内在的统计性。

　技术思路和方法

你说的是工程硕士吧？地大每年都有收比较多的人数，而且毕业难度不大。有地质工程，土木工程，岩土工程，工程管理。这是中国地质大学（武汉）工程学院的网址，里面有专门的工程硕士

中国地质大学（北京）能源学院创建于1952年建校之初，历经矿产地质及勘探系、可燃矿产地质及勘探系、能源地质系、能源学院等演变，由石油天然气地质及勘探、煤田地质及勘探二个专业发展而来。在能源学院的建设历程中，曾经涌现了一批享有盛誉的专家学者，如提出“陆相生油”理论的中国石油地质专业主要创始人潘钟祥教授、我国第一个煤田地质专业的创建者杨起院士等。在半个多世纪的发展中，能源学院积极开展高素质、有特色的人才培养，逐渐形成了重视地质理论基础、强化实际动手能力的人才培养特色，为中国能源工业培养和输送了大批品学兼优的科技人才和管理骨干，由能源学院培养的三名中国科学院院士傅家谟、殷鸿福、张彭熹是其中的杰出代表。

能源学院目前由石油地质、石油工程、能源与环境三个教研室组成，有教职员工50人，包括中国科学院院士1人、教授15人（博导13人）、副教授（高级工程师）14人，另有退休后返聘的教授（博导）6人和兼职教授4人。在人才队伍中，中青年教师是教学与科研的中坚力量，他们多数拥有博士学位并曾在美国、英国、加拿大、德国、荷兰等科学技术先进的国家留学或进修过，有获全国青年地质科技银锤奖2人，教育部“优秀青年教师奖”1人，北京市优秀青年教师2人，进入原地质矿产部跨世纪人才的1人。

在学科结构上，能源学院设有“矿产普查与勘探学”博士后流动站、“矿产普查与勘探”、“油气田开发工程”及“能源地质工程”三个二级学科的博士学位和硕士学位授予点、“油气井工程”硕士学位授予点，在“石油与天然气工程”领域招收工程硕士研究生，在“石油工程”和“勘查工程”二个专业招收本科生。其中，“矿产普查与勘探”和“油气田开发工程”分别为国家重点学科和省级重点学科，“勘探工程”为国家重点专业，勘查工程专业（油气地质方向）被确定为我校工科教学基地。学院每年招收博士研究生100余名、硕士研究生70余名、工程硕士研究生100余名、本科生180余名，现有各类学生1208名，研究生与本科生的比例接近1:1。

能源学院拥有较雄厚的科研实力，不断追踪世界学科发展动态，立足于学科发展前缘。围绕着含油气盆地地质及勘探开发，形成了多个特色明显、处于领先地位的研究领域，如沉积学、层序地层学、含油气盆地分析、油气成藏动力学、储层地质学、有机地球化学、天然气地质学、油气田开发地质学、油气井动态分析、油藏工程、油藏数值模拟等。在长期的科研活动中，能源学院与中国石油、中国石化、中海油等集团公司及国土部等部门开展了广泛的合作，研究领域涉及到松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、二连盆地、东海海域、南海海域以及国外等含油气盆地。先后承担了国家重点科技攻关项目、国家攀登项目、国家重大基础研究3项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目，以及横向合作项目120多项，2004年科研经费增长至1500万元。许多项目获得了国内领先和国际先进的评价，先后有17项科研成果获省部级奖励，出版专著11部，发表论文440多篇，其中，进入SCI、EI及ISIP三大检索系的论文40多篇。

能源学院实验室建设快步发展，仪器设备性能优良，实验教学条件良好。下设能源基础室、有机地化室、沉积岩石学室、油气田开发室、油层物理室、数值模拟室和能源信息分析室。

能源学院依托国有大型石油企业和科研院所（胜利油田、辽河油田、中原油田、大庆油田、中石油勘探开发研究院廊坊，通过多年的建设与完善，建成了多个具有多层次（本科、硕士、博士和工程硕士）、多功能（本科生产实习、研究生论文基地、工程硕士办学点和教师科研基地）特色的“产－学－研实习基地”。

另外，我院勘查工程专业（油气地质方向）已被确定为我校工科教学基地。

能源学院一直奉行以科研促教学的办学思想，提出了“科研成果进课堂，科研参与促成长，科研经费助教学，科研协作搭桥梁”的科研促教学办学模式。在长期的教学实践中，积极开展高素质、有特色的人才培养，形成了重视地质理论基础、重视实际动手能力、重视创新意识的人才培养特色，着力打造具有地质大学特色的实践教学模式。学生传统就业率多年来一直居全校之首。

新世纪的能源学院正以高昂的姿态、百倍的信心阔步前进。

科研方向

层序地层学

层序地层学虽属于现代地层学的范畴，但从学科所依据的理论基础和研究内容来看，已远远超过了地层学所涉及的范畴。层序地层学将年代地层学与现代沉积学、全球海平面升降结合起来, 通过等时地层格架的建立，在时间地层单元内进行地层充填结构和展布样式的研究，在盆地油气勘探和开发领域，包括盆地沉积演化史分析、地层与储层预测、隐蔽油气藏的勘探、及至油气藏描述等方面，均取得了成功。因而层序地层学不仅变革了传统地层学和沉积学的理论，而且已成为一门能够指导油气勘探的应用科学。在石油和天然气工业强大生产力的推动下层序地层学作为地层学的新的分支学科正在不断发展、完善。

我院层序地层学研究方面实力雄厚，拥有一批国内外知名的专家、教授，在国内外多个盆地和地区的研究中取得了丰硕成果。目前主要研究领域有：层序地层与隐蔽圈闭预测研究、陆相断陷湖盆层序地层研究、河流相层序地层研究、前陆盆地层序地层研究、高分辨率层序地层在油藏描述中的应用等。

沉积学与油气储层

沉积学是对沉积物的来源、沉积岩的描述和分类以及沉积物形成过程进行研究的学科，其研究内容广泛，包括沉积岩、沉积环境、沉积相、沉积过程及沉积矿产等多个方面。沉积相的研究贯穿于油气勘探开发的全过程，主要研究烃源岩、储集层和盖层的沉积条件及有利相带分布、以及地层、岩性圈闭形成条件的分析。油气储层研究是利用地质、地震、测并、试井等资料和各种储层测试手段，以沉积学原理为指导，研究和解释油气储集体所形成的沉积环境、成岩作用及其形成机制，分析与确定储层的地质信息及不同层次的非均质性特征．提高油气勘探与开发效果。

该研究方向为我院的传统优势学科之一，研究实力雄厚，目前主要研究领域有：沉积相与油气、油气储层综合预测、储层成岩作用、油气储层表征与建模等。

油气地球化学与油气成藏

油气地球化学与油气成藏主要研究油气的成因、运移、聚集、演化和分布规律。油气地球化学主要研究油气的成因，包括有机质丰度、类型、油源对比等；油气成藏主要研究油气成藏条件、成藏作用、成藏过程及成藏动力学系统等。

该研究方向为我院的传统优势学科之一，研究实力雄厚。目前主要研究领域有成藏动力学系统与含油气系统、油气运移、油气地球化学、油藏及开发地球化学、根缘气及天然气成藏序列等。

含油气盆地分析

盆地分析是地质学中多学科交叉的重要学科领域，它围绕着沉积盆地的形成、演化、沉积充填、后期改造及矿产分布规律等问题开展综合研究。含油气盆地分析注重研究盆地的形成、演化、改造过程以及它们与油气分布、油气成藏作用的关系，主要内容包括含油气盆地构造学分析、地层学与沉积学分析、沉降史和热史分析、石油地质学分析等。

该研究方向为我院的传统优势学科之一，研究实力雄厚。

石油构造分析

石油构造分析是构造地质学与石油地质学相结合的产物，包括石油构造分析的理论基础、石油构造分析的实例以及与油气形成和分布有关的构造作用、构造样式及构造规律性等。其主要研究对象是含油气盆地内的构造作用和构造样式，不仅要研究含油气区大地构造、区域构造和盆地构造分析，而且还要研究盆地内各次级构造单元（坳陷、隆起、凹陷、凸起、二级构造带（油气聚集带）、油气构造圈闭）的石油构造地质条件。

该研究方向为我院的传统优势学科之一，研究实力雄厚。

煤层气地质与开发工程

在煤层气生成、聚散及成藏的地质过程分析、煤层气生储过程演化与成藏配置关系、煤储层物性及其控制机理、煤储层气-水两相渗流机制、煤层气驱动运移机制、气-固-流耦合作用对煤层气产出的影响以及煤储层伤害等方面开展了卓有成效的研究，构建了煤层气吸附-解吸-扩散-渗流的地质模型。以煤层气富集性与可性为切入点，探讨煤层气有利区块的判识标准，建立符合煤层气地质特点和产业发展要求的评价体系，通过煤层气地质调查圈定有利区带并作出准确地质评价。开展注气提高煤层甲烷收率和在深部煤层中进行CO2埋存等方面的相关研究。

能源利用与环境工程

包括洁净能源研究、含能源盆地分析与计算机模拟、环境地球化学与环境保护、应用有机地球化学等。

洁净能源研究：研究洁净能源的天然产出与人工洁净化方法，能源利用对环境的影响及其对策。含能源盆地分析与计算机模拟：结合地质学的方法和现代计算机的模拟技术分析盆地的形成、演化和煤油气的聚集规律。环境地球化学与环境保护：用环境地球化学的理论和方法研究影响现代环境的各种地质因素和与之相关的人为因素及其对策。应用有机地球化学：用有机地球化学的理论和分析测试技术研究黑色页岩及其伴生矿产(包括部分贵金属矿产和煤油气)的形成、演化和富集规律。

油气田开发理论与方法

主要包括二次油方法、提高收率理论与方法、油气井动态分析、调剖堵水方法、压裂酸化优化设计、井网优化等研究方向。

我校在油气藏开发工程方面取得了一些有特色的结果，承担3项目及省部级重点科技攻关项目，与国内大油气田有广泛合作。

油气开工程

油气开工程理论与技术是综合运用数学、固体力学、流体力学、渗流力学、物理、化学、地质、热力学、电子、机械、生物等理论和技术，经济、快速、安全、有效地开石油天然气的一个理论与技术相结合的学科方向。

近年来，水平技术、大位移井技术、化学提高油率技术、生物油技术、物理油技术、稠油热技术、煤层气开技术、连续油管技术的出现和发展，使得油气工程理论与技术成为理论研究活跃、应用前景广泛、经济效益巨大的一门科学。

该研究方向主要研究油气工艺、油机械、修井、测井，增产措施等，是油气田开发的最重要环节。

油气藏工程

油气藏工程是油田科学开发的基础，是油田开发过程中至始至终都需要深入研究的课题。主要研究的内容包括油气井的产能评价、油气藏的开发井网设计、油气藏的动态分析与动态预测、合理井网调整与加密、剩余油分布预测等，油气藏工程理论研究与应用是我院的特色和强项之一，目前与全国各大油田都有业务联系。

油气渗流理论与应用

油气渗流力学是整个油气田开发工程的基础，它源于十九世纪五十年代法国的水力学，兴于二十世纪三十年代，盛于二十世纪中叶，目前发展有所减缓。矿场工程师们利用渗流力学理论和方法，探索油气开发过程中发生的油、气、水等地下流体流动所遵循的规律，制定正确的油气田开发方案和开发调整方案、评价油气储层、分析区块开发动态、有效地控制和调整开发过程。现代油气田开发越来越注重科学地认识和改造油气藏，尊重客观规律，以最低成本获得最多的油气，渗流力学是认识油气藏、高效开发油气藏以及改造油气藏的科学基础和重要工具。我院教师在非线性渗流、煤层气渗流、水平井渗流、垂直裂缝井渗流和气体渗流以及相应的工程应用方法研究亦取得了一些有特色的结果。目前的研究方向有：

（1）多相流体渗流研究

以岩心流动实验为基础，油藏地质建模和油藏数值模拟相结合，进一步探索多相流体渗流规律，精细描述开发中后期油层渗流场特征；

（2）压力敏感介质渗流研究

以高温高压油气田开发为背景，通过室内实验研究开发过程中由于压力变化而导致的储层敏感效应，研究孔隙度、渗透率等储层物性参数变化规律，通过数学建模研究储层压力敏感效应对可储量的影响;

（3）低渗透介质渗流研究

通过室内实验研究油气在低渗透介质中的渗流规律，并结合油气井压裂、酸化、打水平井等增产措施，研究垂直裂缝井、水平井多维渗流问题，形成垂直裂缝井、水平井不稳定压力分析系列方法;

（4）煤层气渗流研究

根据煤层气开特点，研究多重介质中有吸附和解吸发生的煤层气不稳定渗流问题，给出煤层气开动态分析和预测方法;

（5）非牛顿流体渗流研究

研究聚合物、完井液、堵水剂等非牛顿流体在地层中的渗流行为，分析储层损害、堵水效果等。

储层建模与数值模拟

我校在此领域内有着突出的优势，在与国内主要油田的合作研究中，形成了以岩心、测井和地震多资料相结合的、以储层精细划分与对比为基础的、以建立油藏地质模型为核心的理论体系与技术体系，并在生产实践中取得了良好的成效。以岩心、测井、三维地震资料为基础，运用高分辨率层序地层学的理论与技术，建立精细等时地层对比格架及油气田开发的地质模型。在精细、等时的地层单元内开展储层，隔层预测与评价研究，能大大提高地层预测的准确性，为油田开发中注、井布署提供科学依据，为流体流动最佳数值模拟提供岩石物理模型。

油藏模拟是油藏管理内容的一部分，其目的是针对某一油藏，以最小的资本投入和操作费用获得最大的油气收率。油田管理研究的主要目的是确定从油藏现状出发，以最小的投入获取最大收率所需要的最佳技术。而油藏模拟是获得这一目标最高级的方法。

现代油藏经营管理

油藏经营管理是油藏区块作为对象,根据开发的各个不同阶段,以油藏管理部门为核心,组织物探、地质、油藏工程、油工艺、地面建设、经济分析等人员成立项目小组,确定分工与合作,共同协调管理。是以确定的目标情况下，各部分协同完成目标，达到获取最大经济效益，达到科学开发油气田的目的，现代油藏经营管理在我国的研究才起步，目前还不能完成照搬国外的模式，需要结合我国的国情进行现代油藏经理模式的研究。

师资队伍

能源学院现有中科院院士1名

杨 起

能源学院在职教授（排名不分先后顺序）

樊太亮（博导）、邓宏文（博导）、李治平（博导）、侯读杰（博导）、汤达祯（博导）、

李宝芳（博导）、林畅松（博导）、陈开远（博导）、姜在兴（博导）、于兴河（博导）、

刘大锰（博导）、黄海平（教授）、黄文辉（教授）、肖建新（教授）、唐书恒（教授）、

张金川（教授）、何登发（教授）、郭少斌(教授）、王晓冬（教授）

能源学院现有副教授（排名不分先后顺序）

陈昭年、陈 程、王红亮、毛小平、刘景彦、陈永进、丁文龙、刘鹏程、王宏语、李胜利

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Jason反演技术在天然气水合物速度分析中的应用

针对前述著书的目的和研究内容，拟用的技术路线或研究流程为：盆地分析→含油气系统研究→建立天然气评价专家系统（集中在建立评价模型）→勘探层评价及圈闭评价一勘探决策分析。其中包含的技术思路有：①将评价与盆地分析全面而紧密结合起来，在评价模型中充分吸收盆地模拟和盆地沉积体系分析、储层研究、构造分析成果，使评价更加符合工区实际地质情况，提高评价结果可靠性；②研究中贯穿系统论观点、阶段论和转化论观点、相互联系的观点及相对的观点，把盆地、含油气系统及（油）气藏分别看作一个系统，分析其整体演化的阶段性及内部主要要素形成、发展与转化、消亡过程，分析内部要素和地质作用间的相互关系，特别是相互影响、相互配置和系统与环境关系；③加强质量控制，在分析与评价中，不但要进行点上分析，更要致力于总结面上分布规律，注意对象间的相互差异。同时在参数取值中，分析资料可靠性，并对取值（包括信度值）作相应调整，以确保评价与决策的可信度。

具体研究中所拟取的技术方法有：

1.在盆地模拟方面，应用压实模型，通过多重回剥和剥蚀量恢复，反演沉降史；应用镜质体反射率反演古热流，再现热史；应用TTI法模拟有机质热演化成熟史，并根据前人实验和研究成果建立生烃史。

2.在层序地层格架和沉积体系研究方面：首先划分地震层序，研究盆地充填序列，然后综合利川地质、测井和地震信息，结合古地理、水动力条件、地层岩石学特征、岩石组合特征及沉积构造特征研究，开展深刻的沉积体系研究。

3.储层特征及次生孔隙的形成、分布研究中，除应用传统的研究方法外，还以储层有机地化现代理论为指导，对进油气孔隙和非进油气孔隙的演化过程进行深入探讨，研究水介质性质对砂岩储层次生孔隙的形成作用及其意义。

4.在盆地构造分析方面，在盆地演化分析基础上，从地震剖面和构造图、地层等厚图和沉积相图研究入手，分析半地堑形成机制、断陷及传递带的儿何学特征，并着重分析反转构造和断裂几何学特征与分类、运动学发展规律、成因机制、展布规律及与油气关系。

5.在含油气系统研究中，首先分析源岩储层、盖层和圈闭的形成演化过程，然后分析油气生、运、聚、散作用，总体论述系统的动态发展及与环境关系。

6.在成藏模式总结中，以新的天然气地质理论为指导，开展典型气藏解剖，然后结合盆地分析，含油气系统分析结果建立气藏形成与演化模式，探讨主要控制因素。

7.天然气评价专家系统建立主要是直接应用现成软件，依据成藏模式和盆地分析结果，重新建立评价模型，在专家系统中重新建立知识库。

8.评价中着重抓资料整理、参数取值这一环节，以确保评价质量。评价分断陷（或勘探层）和圈闭两个层次进行，其中含气性评价用专家系统，定量计算分别用勘探层法（FASPUM）和容积法。为贯彻经济分析这一思路，评价的量为可量。

9.勘探决策分析用现成软件，风险和量直接用评价成果，同时开展勘探成本及市场价格分析，以钻探为中心问题，进行决策分析，按经济效益期望值排序，提出部署方案。

不同叠合构造单元烃源岩动态分析

梁劲1　王宏斌1，2　梁金强1

（1.广州海洋地质调查局 广州 510760；2.中国地质大学（北京）北京 100083）

第一作者简介：梁劲，男，11年生，高级工程师，1995年毕业于成都理工学院信息工程与地球物理系应用地球物理专业，主要从事天然气水合物调查与研究工作。

摘要 本文用Jason 反演技术对南海北部陆坡A 测线纵波速度进行计算，结合BSR、振幅空白带以及波形极性反转等多种水合物赋存信息的分析，对水合物成矿带的速度特征进行了综合研究，结果表明：低速背景中的高速异常，是天然气水合物赋存的重要特征；高速异常体一般呈平行于海底的带状分布；在高速异常的内部，速度也是不断变化的。一般在异常体的中心速度最高，由中心到边缘速度逐渐降低，反映在水合物矿带内部，水合物饱和度由矿体中心向边缘逐渐降低的特征。本文的研究成果进一步表明高精度速度分析不仅可以帮助寻找水合物矿点，还可以进一步判定水合物的富集层位。

关键词 Jason 反演技术 天然气水合物 速度分析

1 前言

天然气水合物是在低温、高压环境下，由水的冰晶格架及其间吸附的天然气分子组成的笼状结构化合物，广泛分布于海底和永久冻土带。温度和压力是天然气水合物形成和保存最重要的因素（王宏斌等，2004）。针对天然气水合物的野外调查及研究表明：高分辨率的地震勘探方法是天然气水合物调查评价中行之有效的方法。地震反演技术一直是地震勘探中的一项核心技术，其目的是用地震反射资料反推地下的波阻抗、速度、孔隙度等参数的分布，从而估算含天然气水合物层参数，预测天然气水合物分布状况，为天然气水合物勘探提供可靠的基础资料。常用的地震反演技术有Jason、Strata、Seislog和ISIS等，其中Jason反演技术在含天然气水合物层预测中因其分辨率高而得到广泛推崇，它主要由有井约束和无井约束两种方法组成（廖曦等，2002）。

速度异常是判断天然气水合物是否赋存的重要条件之一。结合BSR（Bottom Simulating Reflector）特征、波形极性特征、振幅特征以及AVO特征等目前已成为判断是否存在天然气水合物层主要手段（史斗等，1999）。大量的测试数据显示：水合物的速度与冰的速度较为接近，而比水高。与含水或含游离气沉积层相比，含水合物沉积层的密度降低，声波速率增大，含水合物层的地层速度往往比一般的地层速度高，含水合物沉积层的下部由于充填了水或气，而使水合物底界面出现速度负异常。因此，地层中速度反转是水合物赋存的一个地球物理标志。含水合物地层的声波速度与水合物的含量有关，水合物含量越高，其声波速度越高。从速度方面看，BSR是上覆高速的含水合物地层与下伏较低速的含水层或含气层之间的分界面。通常，海洋中浅层沉积层的地震纵波速度为1600～1800m/s，如果存在水合物，地震波速度将大幅提高，可达1850～2500m/s，如果水合物层下面为游离气层，则地震波速度可以骤减200～500m/s。因此，在速度剖面上，水合物层的层速度变化趋势呈典型的三段式，即上下小、中间大的异常特征（张光学等，2000）。西伯利亚麦索雅哈气田的资料表明，在原为含水砂层内形成水合物之后，其纵波的传播速度会从1850m/s提高到2700m/s；而在胶结砂岩层，这种速度会从3000m/s提高到3500m/s。深海钻探的570站位的测井结果表明，由含水砂岩层进入含水合物砂岩层时，密度由1.79g/cm3降低到1.19g/cm3，声波传播速度从1700m/s提高到3600m/s，且电导率剧烈下降。

Cascadia海域ODP889站位的VSP测井资料反映水合物底界为强烈的负速度界面，速度从水合物沉积物层的1900m/s陡降到含游离气层的1580m/s，由于VSP测井为地震测井，受钻井因素的影响较少，因此认为VSP测井真实地反映了水合物沉积层底界的速度变化（陈建文等，2004）。

国土部广州海洋地质调查局在2001～2004年在南海北部陆坡进行10000多公里的天然气水合物高分辨地震调查。本研究利用Jason反演技术，通过对南海北部陆坡区的地震速度资料的精细分析，在已圈定BSR分布范围的基础上研究陆坡区各沉积层的速度特征，最后对速度值与水合物的关系进行了分析和探讨。

2 方法原理

纯天然气水合物的密度（0.9g/cm3）和海水密度相近，而游离气的含量又十分有限，这就决定了产生BSR的波阻抗差主要由速度造成。速度反演技术的特点是在无井约束时，以地震解释的层位为控制，对所有的地震同相轴来进行外推内插来完成波阻抗反演，这样就克服了地震分辨率的限制，最佳的逼近了测井分辨率，同时又使反演结果保持了较好的横向连续性。速度反演技术的主要原理是：①通过最大的似然反褶积求得一个具有稀疏特性的反射系数系列；②通过最大的似然反演导出波阻抗；③通过波阻抗计算速度。该方法的主要优点是能获得宽频带的反射系数，是一种基于模型的反演，具有多种建模方法，对所建模型进行比较分析，并使地质模型更趋合理，反演结果更加真实可靠（郝银全等，2004）。

波阻抗反演方法的出发点是认为地下的反射系数是稀疏分布的，即地层反射系数由一系列叠加于高斯背景上的强轴组成。具体反演是从地震道中，根据稀疏的原则抽取反射系数，与子波褶积生成合成地震记录，利用合成地震记录与原始地震道的残差修改反射系数，得到新的反射系数序列，然后再求得波阻抗。其具体步骤是：

设地层的反射系数是较大的反射界面的反射和具有高斯背景的小反射叠加组合而成的，根据这种设导出一个最小的目标函数（安鸿伟等，2002）：

南海地质研究.2006

式中：R（K）为第一个样点的反射系数，M为反射层数，L为样总数，N为噪音变量的平方根，λ为给定反射系数的似然值。

最大的似然反演就是通过转换反射系数导出宽带波阻抗的过程。如果从最大的似然反褶积中求得的反射系数式R（t），则波阻抗：

Z（i）=z（i-1）×（1+R（i））/R（1-i） （2）

利用波阻抗和速度的关系式：

v=Z（i）/ρ （3）

即可得到速度值。其中，ρ为地层密度，可从区域测井资料结合该测线重力资料反演求取。

在上述过程中为了得到可靠的反射系数估算值，可以单独输入波阻抗信息作为约束条件，以求得最合理的速度模型。一方面，速度反演结果是一个宽频带的反射序列和波阻抗及速度数据，同时加入了低频分量，使反演结果更能正确反映速度变化规律；另一方面，它有多种质量控制方法，具体表现为监控子波的选取、同相轴的连续追踪、反演结果准确性的判断和提供多种交汇显示的相关性分析。所以利用速度反演可对地震剖面上任一相位进行速度反演，在每一个CDP点都可得到任一个同相轴速度数据，并利用二维的反射波的速度层析成像反演方法得到高度连续的速度剖面，如果地震测线足够密，还可利用三维速度反演得到速度体图像。

3 实现过程

3.1 初始模型的确立

在地质规律的指导下，利用地震和测井资料开展沉积特征分析和沉积旋回划分；建立岩石-电性关系，进行砂层组和单砂层对比；在地震剖面上提取各含油砂层组反射波属性，建立地震属与矿体的关系，实现地震-测井综合预测矿体平面分布厚度，开展层间矿体组外推预测；建立初始速度场；在地震属性约束下开展地震反演，反演层间小层矿体厚度。细分层反演层位的标定正确与否直接影响反演结果的精度。因此，在反演过程中对子波提取、能谱特点、信噪比、频谱及反射系数的研究至关重要（闫奎邦等，2004）。技术路线流程如图1所示：

3.2 初始速度场的获得

初始速度场的获得首先要对速度谱进行解释，速度谱的解释和取值是否合理，将直接影响均方根速度的计算精度。具体步骤如下：

1）速度谱的解释先从地质条件简单、反射层质量好、能量团强、干扰少的剖面段开始，绘制叠加速度-反射时间曲线，并逐渐向外扩展；

2）结合地震剖面的反射特征，判断速度极值点是否正确，并选择读取能量团最大的极值点。排除干扰波能量团，从而求得有效波的叠加速度；

3）对相邻速度谱进行比较，通过比较速度谱曲线的形状、相同反射层的速度极值等方法予以检查和修改。

4）每隔40个CDP拾取一组数据，利用地震剖面上的反射倾角数据对它们进行校正，便可得到均方根速度（梁劲等，2006）。

图1 速度反演技术线路流程图

Fig.1 The flow chart of the velocity inversion of technical route

3.3 子波的提取

子波提取时，要使能量集中于子波的主瓣，与地震子波形态吻合。如果所提子波近于零相位，则从波峰向两侧能量衰减较快，波峰两侧波形对称；在子波的能谱特征分析，要使能量都集中在地震波的主频范围内；有井资料时，要对井资料都作了子波与地震波自动关联质量控制。保证子波能谱与地震波能谱相吻合，是反演中较为重要的一方面，子波能谱的峰值与地震波主频的能谱峰值相吻合。首先了解合成记录与地震记录之间的偏差。通过合成记录与地震记录之间的偏差分析，对Jason反射系数偏差、能谱偏差进行进一步的校正，使合成记录与地震记录之间的偏差减小。然后通过反射系数与地震资料之间偏差分析，取相应的手段校正，使地层与合成记录反射系数相吻合。再进行信噪析，使反演处理后的信噪比得到最大限度的提高。通过一系列质量控制手段，使各油层合成记录与地震记录的标定精度得到了较大的提高。

关于速度反演可信程度，不能完全由反演方法确定，关键在于获取地震记录的质量和反演前处理流程的振幅保真度。另一个影响因素是数值模拟结果应当是比较准确的，这与计算方法有关，也与子波拾取和地质构造模型有关。至于反演结果的灵敏度，主要由拟合误差值和收敛速度来判断。如果给定的初始模型正确，即与实际地质结构一致，则拟合的误差较小且收敛速度快。本文工作由于受实际情况限制，没有实际的测井资料验证，因此反演所得速度的准确性和精度会受到一定程度的影响。

4 速度剖面特征

运用多种特殊地震成像综合分析，是天然气水合物地震资料解释的关键技术。目前一般用识别BSR、振幅空白带、波形极性反转、速度异常、波阻抗面貌和AVO等天然气水合物地震相应特征来综合分析沉积物中是否含有水合物。高精度的层速度分析可帮助判定水合物的富集层位，速度及振幅异常结构是水合物与下伏游离气共同作用形成的特殊影像，剖面上表现为“上隆下坳”结构，多层叠合构成一明显的垂向“亮斑”这一特殊成像结构在未变形的水合物盆地内较适用于寻找水合物矿点，并可据此定量估算水合物盆地内水合物的数量，分析BSR上下的详细速度结构，是水合物地震资料综合解释的重要手段（张光学等，2003）。

图2 南海北部陆坡测线A道积分剖面

Fig.2 Trace integration profile of the line A in north slope of the South China Sea

图2是南海北部陆坡测线A的地震反射道积分剖面，从图中可以看出，该剖面中部及右下角距海底大约350ms处出现一强振幅反射波，大致与海底反射波平行，与地层斜交，BSR特征明显。在波形极性方面，海底反射波和BSR都表现为成对出现的强振幅双峰波形特征，海底反射波表现为蓝红蓝特征，而BSR表现为红蓝红特征，这表明相对于海底，BSR显示出负极性反射同相轴，即所谓的极性反转（与海底反射相反）。反射波的极性是由反射界面的反射系数决定的，而反射系数则与界面两侧的波阻抗差有关。实际上，海底和BSR都是一个强波阻抗面，海底是海水和表层沉积物的分界面，上部为低速层，下部为相对高速层，反射系数为正值；BSR是含水合物层与下部地层（或含气层）的分界面，上部为高速层（水合物成矿带是相对高速体），下部为相对低速层（如含游离气，则速度更低），反射系数为负值，因此造成了BSR和海底反射波的极性相反现象（沙志彬等，2003）。图3是用速度反演法反演出来的纵波速度剖面，该速度剖面明显显示出一近似平行于海底的相对高速地质体，其位置恰好在BSR上方。高速地质体的纵波速度大约在2000～2400m/s，其上面的低速层的纵波速度大约在1500～1800m/s，而下面的低速层的纵波速度大约在1500～1900m/s，没有明显的游离气存在特征，但根据其高速地质体特征、BSR以及波形极性反转分析，可以认为南海北部陆坡测线A的相对高速地质体极可能是水合物成矿带。

图3 用速度反演法计算的南海北部陆坡测线A纵波速度剖面

Fig.3 P velocity profile of the line A in north slope of the South China Sea computed by velocity inversion

由图3可见，水合物成矿带内部速度是变化的，表明水合物分布不均匀，呈平行于海底的带状分布，中心速度最高，由中心到边缘速度逐渐降低。海底以下有3个近似平行海底的低速和高速带：①海底与高速体之间的相对低速带，为水饱和带；②水合物成矿带；③水合物成矿带下的低速带。水合物成矿带下面的低速带在速度剖面上没有明显的低速特征，由此推断水合物成矿带下可能不含游离气，或者是气体的饱和度很低。

5 结论

水合物的生成除了需要一定的温度和压力条件外，还需要大量的碳氢气体和充足的水。这就需要地层具有较高的孔隙度和渗透率。未固结沉积岩的孔隙度很高，渗透率大，具备水合物生成的物理条件。具备这种特征的未固结沉积岩的地震波速度较低，而含水合物地层的地震波速度增大。这就形成了水合物成矿带作为低速背景中的高速地质体特征。另外，水合物的生成受温度和压力控制，一般情况，等温面和等压面近似平行于海底，因此低速背景中近似平行于海底的相对高速地质体是水合物成矿带的特征（刘学伟等，2003）。

通过对南海北部陆坡A测线纵波速度的计算，并且结合BSR和振幅空白带识别以及波形极性反转等多种特殊地震成像进行综合分析，我们可以进一步了解水合物成矿带的速度特征：揭示水合物成矿带的高速异常一般呈平行于海底的带状分布，在高速异常的内部，速度也是不断变化的，一般在异常体的中心速度最高，由中心到边缘速度逐渐降低，该现象反映在水合物矿带内部，水合物分布并不均匀，水合物饱和度由矿体中心向边缘逐渐降低。分析BSR上下的详细速度结构，是水合物地震资料综合解释的重要手段。高精度速度分析可帮助判定水合物的富集层位，较适用于寻找水合物矿点，并可据此估算水合物量。

参考文献

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张光学，文鹏飞.2000.南海甲烷水合物的地震特征研究，首届广东青年科学家论坛论文集，中国科学技术出版社

The Application of Jason Inversion Technology in Velocity Analysis of Gas hydrate

Liang Jin1　Wang Hongbin1，2　Liang Jinqiang1

（1.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，5107602.China University of Geosciences（Beijing），Beijing，100083）

Abstract：The P velocity of A seismic profile in the north slope of the South China Sea were calculated by Jason inversion method.The velocity characterostic of the gas hydrate bed was researched in detail based on the calculated result and the information of gas hydrate existing including BSR，amplitude blanking and polarity reversion of the weform.Research shows that：The abnormity of higher velocity in the background of lower velocity is an important characteristic of gas hydrate existing；The abnormity of higher velocity which distribute as a belt usually parallel to the seafloor；The velocity changes gradually at the inner of the abnormity of higher velocity with the highest velocity at the center of the abnormity whereas the lowest velocity at the margin of it，which suggests that the saturation of gas hydrate decreases gradually from the center to the margin.The result that mentioned above suggest that high resolution velocity analysis not only help to search the hydrate spot but also help to estimate the rich layer of gas hydrate.

Key Words：Jason Inversion Technology Gas hydrate Velocity Analysis

区域构造演化史研究结果证明，印支期—喜马拉雅期构造运动，在华北东部表现较为强烈，差异块断活动造成构造的分隔性，中、新生界沉积厚度变化极大，古地温场的不均衡性愈加明显。在前面章节中已对前古近系所经历的构造-热史进行了详细的论述，并将研究区受印支期之后的构造运动影响划分了3大类6小类的不同叠合构造单元。

由生烃动力学参数与精确的热史数据相结合，可以算出烃源岩形成以来，受地质作用而发生的所有的排烃过程。根据所标定的生烃动力学参数，结合及不同地区源岩所经历的沉积埋藏史和热史的研究，分别计算不同层位源岩在不同时刻所生成的油、气的转化率（表4-3-3），从而对不同叠合构造单元烃源岩的生烃过程进行动态分析。其中中—新元古界分布局限，仅位于冀北和冀中凹陷北部地区，其叠合构造单元为II3型，将在II3型叠合构造单元中对其进行详细描述，对寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系和中生界烃源岩分不同叠合构造单元进行选择系统探讨。

表4-3-3 不同层位生烃动力学计算分布地区一览表

1.Ⅰ型叠合构造单元

为持续沉降型，该类型叠合构造单元在中、新生代均处于沉降区，接受沉积。其生烃-埋藏演化史可分2种情况：一种过早过快的继承性沉降则往往导致烃源岩过早成熟而失去生油能力，甚至生气能力。以临清坳陷的邱县凹陷为例，早—中三叠世，邱县凹陷继承了晚二叠世的古地理格局，只是盆地范围有所缩小，地层横向沉积稳定，厚度变化不大。印支期由于受华北板块与扬子板块自东向西碰撞的影响，华北地区东部抬升早、剧烈，西部抬升晚，邱县凹陷表现为大型的褶皱隆升，但下—中三叠统剥蚀相对较小。早—中侏罗世本区继承了晚三叠世的褶皱背景，于向斜低洼处沉积了数百米厚的下—中侏罗统。就晚侏罗世—早白垩世盆地而言，现今邱县凹陷深部下白垩统自东向西超覆减薄于广宗、新河凸起之上。早白垩世末期本区又发生一次褶皱运动，邱县凹陷处表现为向斜核部，沉积了近千米的上白垩统，进入古近纪本区开始表现为明显的断陷盆地发育时期，邱县凹陷西部沉积了巨厚的古近系。

根据埋藏史和到达不同深度样品的有机质成熟度可以对热史进行较为精确的标定，生烃动力学计算邱县凹陷坳陷深部石炭系—二叠系煤系烃源岩在240Ma（海西期）已经进入生烃门限，150Ma以前，甲烷转化率即达到了0.94，此后的持续深埋使得甲烷生气转化率在130Ma前即基本达到100%（图4-3-9），即石炭系—二叠系烃源岩在早白垩世已完成生烃过程，此后不再具备生烃能力。因此继承性沉降有可能存在主生烃期过早的问题，而过早完成的生、排烃过程对油气藏的保存是不利的。这种条件下烃源岩有机质成熟度一般较高。但如果现今仍处在生气窗，则对生气是有利的，仍为有效的气源岩。如临清坳陷靠近斜坡的位置，喜马拉雅期至现今仍有气态烃的生成。

图4-3-9 临清坳陷邱县凹陷石炭系有机质成熟演化及气态烃转化率

另一种情况是黄骅坳陷的乌深1井同样经历继承性沉降，但降幅缓慢。生烃动力学计算结果表明奥陶系烃源岩在印支期末Ro值仅为0.7%，燕山期末也仅为0.95%，生油转化率仅为0.2，喜马拉雅期以来的持续沉降也仅使有机质成熟度达到了1.65%，喜马拉雅期以来奥陶系烃源岩还有液态烃的生成（图4-3-10）。由此可见，喜马拉雅期以前的小幅沉降对油气生成不利影响较小。而根据对于乌深1井J1+2烃源岩生烃动力学计算结果来看，现今J1+2地层EASYRo值仅为0.77%，相对来讲有机质成熟度较低，甲烷转化率仅为0.08（图4-3-11），生油期主要为17.4Ma至今，且现今仍处在生油阶段。因此如果有机质总量较大，或后期沉降速度增大，埋深厚度较大，仍有可能排出相当数量的烃，并形成油气藏。

2.Ⅱ型叠合构造单元

该构造单元为复杂叠合型，在中、新生代时期，有的阶段处于沉降区，有的阶段处于隆升剥蚀区，又可细分为中沉新剥型（Ⅱ1）、中复新沉型（Ⅱ2）、中复新剥型（Ⅱ3）和中剥新沉型（Ⅱ4）4种次级类型。

图4-3-10 乌深1井奥陶系烃源岩成熟度演化图

图4-3-11 黄骅坳陷乌深1井J1+2地层有机质成熟度及甲烷转化率

（1）Ⅱ1型（中沉新剥型）叠合构造单元

这种叠合构造单元主要位于中生代坳陷区，中、古生界源岩在白垩纪末期之前可能就已经历了初次或二次生排烃，古近纪长期处于剥蚀状态，不可能再次生排烃，而且造成了早期形成的油气藏破坏，石油地质条件不利。Ⅱ1型叠合构造单元较典型的例子是临清堂邑凹陷（图4-3-12），堂邑凹陷奥陶系烃源岩在燕山期末有机质成熟度达到1.6%，生油转化率为1，达到终点，而后地壳抬升，地层遭受剥蚀，再无生烃过程。

图4-3-12 临清坳陷堂邑奥陶系烃源岩有机质成熟演化及生烃转化率图

（2）Ⅱ2型（中复新沉型）叠合构造单元

这种叠合构造单元中生代沉积厚度不大，中生代末期前古近系源岩热演化程度不高，多在古近纪末期或新近纪初期达到初次或二次生排烃，为有利的生烃叠合构造单元之一，目前在多个Ⅱ2型（中复新沉型）叠合构造单元发现了源自前古近系源岩的油气，以冀中坳陷的苏桥地区、武清凹陷和黄骅坳陷的孔西潜山为例进行动态分析。

冀中坳陷的苏桥地区、武清凹陷在早—中三叠世本区继承了晚古生代以来的构造格局和沉积特点，地层横向沉积稳定；晚三叠世受印支运动影响，本区整体抬升遭受剥蚀；早—中侏罗世本区再次进入区域性沉降阶段；晚侏罗世—早白垩世冀中坳陷整体发育一个大型的背斜带，从而使得苏桥-文安地区整体东倾，沉积了数百米厚的晚侏罗世—早白垩世地层；晚白垩世受区域压应力影响，本区整体抬升遭受剥蚀，晚侏罗世—早白垩世、早—中侏罗世地层均被剥蚀殆尽，并剥蚀掉了部分早—中三叠世地层；新生代古近纪霸州凹陷控凹的牛东断层开始活动，本区整体西倾，进入断陷盆地发育阶段；新近纪—第四纪本区进入整体坳陷发育阶段。经过动力学计算，苏8井石炭系有机质成熟度最高为Ro=1.12%（图4-3-13），最高地温在158℃左右。但有机质甲烷的转化率仅为0.226，C2～C5气态烃的转化率为0.54左右。而武清凹陷石炭系在喜马拉雅期以前受热作用较小，甲烷转化率不足0.02；65Ma以来，地层快速沉降，可达10000m以上，生烃量持续增加。目前甲烷转化率基本接近1.0，即烃转化率消耗殆尽。而乙烷的转化率在30Ma即已达到90%以上（图4-3-14）。可见，后期沉降速率对油气的生成具有较大的影响。

图4-3-13 冀中坳陷石炭系苏8井有机质成熟度演化及生烃转化率

图4-3-14 冀中坳陷武清凹陷石炭系成熟演化及气态烃转化率

孔西潜山带在早—中三叠世本区继承了晚古生代以来的构造格局和沉积特点，地层横向沉积稳定；晚三叠世受印支运动影响，本区整体挤压抬升剥蚀，早—中三叠世地层被剥蚀殆尽，还剥蚀掉了部分古生代地层；早—中侏罗世逆冲断层的活动性有所减弱，沉积了数百米的下—中侏罗统；晚侏罗世—早白垩世沧东断层发生了负向反转，转为张性伸展，早期活动性较低，沉积了较薄的上侏罗统—下白垩统；晚白垩世受燕山运动尾幕影响，本区整体抬升剥蚀，部分地区上侏罗统—下白垩统被剥蚀殆尽，并剥蚀掉了部分下—中侏罗统；古近纪沧东断层开始了大规模的伸展活动，本区进入断陷盆地发育阶段，地层沉积具有单断式盆地发育特征，自北西向南东方向超覆；新近纪—第四纪沧东断层活动性减弱，并逐渐消亡，本区进入区域性坳陷演化阶段。据生烃动力学计算结果表明黄骅坳陷歧古1井有机质成熟度所对应的EASY Ro值为1.09%，处于生油阶段。歧古1井生油过程可分3个阶段：245～230Ma；123～Ma及14.2Ma至今。奥陶系烃源岩在245～230Ma（海西期）发生一次生烃作用，但生烃演化幅度小，生烃量少，阶段油转化率仅为0.09，晚三叠世的构造抬升使得生烃作用停止，在123～Ma（燕山期）进入二次生烃阶段，生油转化率为0.34，随后晚白垩世的构造抬升使其生烃停止，古近纪本区进入断陷盆地发育阶段，古近纪末期至新近纪寒武系—奥陶系埋深已超过3000m，于新近纪—第四纪发生了大规模的二次生烃作用，14.2Ma至今为成油转化率可达0.5以上（图4-3-15）。且歧古1井奥陶系烃源岩目前仍在生烃，但仅具有较小的生烃潜力（为原始样品生烃转化率的0.05）。

图4-3-15 歧古1井奥陶系有机质成熟演化及生烃转化率

（3）Ⅱ3（中复新剥型）型叠合构造单元

这种叠合构造单元中生代沉积厚度不大，中生代末期前古近系源岩热演化程度不至过高，但是由于古近纪长期处于剥蚀状态，不可能再次生排烃。在中生界尤其是J3+K1本身盖层条件较好的情况下，若后期改造程度较弱且前古近系源岩达到了生排烃的程度，也有可能形成古生古储型原生油气藏，典型如冀北和冀中北部地区和下辽河坳陷西部凹陷的宋家洼陷。

蓟县系铁岭组、洪水庄组、青白口系下马岭组有机质丰度相对较高，有机质类型较好，同时成熟度不高，有利生烃，为中—新元古界主力烃源岩层系。早元古代末，冀北和冀中北部开始了华北地台初期坳拉谷的发展演化过程。中、新元古代期间本区地壳的活动性和岩浆活动减弱，没有明显的褶皱作用，但升降活动仍相当频繁，差异升降活动也很明显。本区中、新元古代冀辽坳拉谷的沉积被限制在北面的内蒙古隆起、西面的五台隆起和东南面的内黄-渤海隆起之间。坳拉沉积区与周线隆起区长期继承性发展。至三叠纪之前，华北地区为稳定克拉通内部沉降型盆地，沉积了一套岩性厚度横向稳定的海相、陆相和海陆交互相地层。印支期，该区遭受强烈的挤压作用，产生了大量的推覆构造，并对地层残留起控制作用。燕山期，该区构造活动强烈，产生大量断裂，对其有明显的改造作用。新生代期间，由于张性或张扭性断裂的差异性活动，导致了断块升降的显著差异。北部地区（燕山地区和太行山北段）主要表现为抬升，南部平原区（第四系覆盖区）主要为下降。北部地区断裂活动相对较弱，南部地区相对较强。正是由于这种差异性造成了对中—新元古界改造程度的不同，表现为北弱南强。

据生烃动力学计算结果表明，北部平泉地区洪水庄组有机质成熟度Ro目前为1.3%（图4-3-16），对于Ⅰ型干酪根而言，已达到生油上限，不再具备生油能力。平泉地区主生烃期在210～130Ma之间，生油的转化率为100%，而生气的转化率也达到0.7，但130Ma之后即抬升，并终止生烃（图4-3-17）。从这一点来讲，平泉地区这种凹陷类型对烃类的保存是不利的。在130Ma后，地壳经历大规模的构造运动，可能造成油、气藏无法保存。同样，这种现象对于其他中—新元古界而言，也存在相同的问题。铁岭组有机质成熟度略低，但也达到1.27，其生油转化率基本达到100%，而生气转化率达到0.68，主生烃期和洪水庄组相同。下马岭组有机质成熟度更低，约为1.19%，而生油转化率同样可达1，生气转化率达到0.58，主生烃期与前两者相同。

图4-3-16 洪水庄组有机质成熟度演化史

图4-3-17 平泉地区洪水庄组生油、生气转化率

冀中京101井则受喜马拉雅期构造运动作用较大，洪水庄组烃源岩现今有机质成熟度Ro为0.95%（图4-3-16）。古地温值表明，本地区有机质进入成熟的时间较晚。到二叠纪末时，各烃源岩层地温还低于门限温度，仅10.8～19.3℃，没有成熟，中生界缺失。古近纪末各烃源岩层地温达到82.6～90.3℃，超过门限温度，主生烃期在36～25Ma，这一阶段洪水庄组生油转化率达到0.92，而此前则几乎为0，生气转化率则为0.31（图4-3-18），冀中京101井铁岭组有机质成熟度为0.93%，主生烃期生油转化率为0.89，生气转化率为0.28左右。下马岭组有机质成熟度为0.83%，主生烃期生油转化率为0.63，生气转化率则更低，仅为0.15左右。说明本区中—新元古界烃源岩进入古近纪后才开始大量生油。对比2个地区中—新元古界烃源岩生烃过程，可以看出，埋藏深度是这两个地区烃源岩生烃过程的控制因素。

图4-3-18 冀中京101井洪水庄组生油、生气转化率

自早古生代开始，宋家洼陷总体沉积较薄，晚古生代末期表现为低隆起。早—中三叠世至晚三叠世受印支运动影响，本区褶皱隆升遭受剥蚀。至晚侏罗世晚期，宋家洼陷仍未接受沉积。早白垩世构造运动表现为伸展作用，宋家洼陷进入强烈的断陷盆地发育期，开始形成，早期以强烈的火山喷发为主，中、晚期主要发育一系列的北北东向展布的断陷盆地，以湖相、沼泽相建造为主，据生烃动力学计算结果可见（图4-3-19），中生界烃源岩在燕山期末已经进入生烃门限，生烃时期在105～70Ma，Ro由0.5%升至0.66%，生油转化率最大可至0.2。晚白垩世受燕山运动尾幕影响本区结束了断陷盆地发育阶段，整体挤压抬升遭受剥蚀。进入古近纪以来，宋家洼陷处于具断层较远的凸起地区未接受沉积，继续遭受剥蚀，生烃过程停止，直至新近纪整个华北东部进入区域性坳陷沉降阶段才继续下沉接受沉积，但较薄的埋深和较低的地温梯度使中生界烃源岩再也没有发生生烃过程。

图4-3-19 辽河坳陷宋1井中生界有机质成熟度演化及生油转化率

（4）Ⅱ4型（中剥新沉型）叠合构造单元

这种叠合构造单元主要处于中生代沉积凸起区或在中生代没有接受沉积，前中生代源岩均在古近纪末期或新近纪达到二次生排烃。以东濮坳陷为代表对此类叠合构造单元进行动态分析。

东濮凹陷在早—中三叠世基本继承了晚古生代以来的沉积格局，只是盆地范围有所缩小，转为大型内陆坳陷发育阶段，总体而言，地层横向沉积稳定，厚度变化不大。晚三叠世印支期渤海湾盆地开始进入整体挤压隆升阶段，本区位于兰聊大断层的西侧，下—中三叠统剥蚀相对较小；燕山期北部边界马陵断层（J3+K1期北倾正断）的影响东濮坳陷仍然表现为隆升剥蚀，直至新生代古新世以后才开始再次下陷接受沉积；古近纪沙四期之后沉积了沙河街组地层，古近纪末期渤海湾盆地区域性隆升剥蚀，至新近纪各断层活动性普遍降低，趋于消亡，进入坳陷盆地发育阶段，沉积了近1000m的新近纪—第四纪地层。文留地区燕山期三叠系剥蚀量达1830m，历经1.8亿年，煤系以上地层剖面中又无良好封盖层，一次生烃期间运移出来的天然气很难保存下来。但经剥蚀后，石炭系—二叠系煤系地层埋深仍达1000～1700m，煤系有机质和煤层吸附气得以保存。古近纪时期构造沉积分异加大，文留中央隆起带下古近系沉积速率为124.5m/Ma，最大沉积厚度3300m；而两侧洼陷下古近系沉积速率达226.4m/Ma，沉积厚度超过6000m，由此导致文留地垒带与两侧洼陷带石炭系—二叠系煤系地层埋藏受热史不同，二次生气发生的时期和强度不一致。

据生烃动力学计算结果表明，文留中央古隆起石炭系—二叠系烃源岩在喜马拉雅期以前甲烷转化率仅为0.05左右（图4-3-20），而喜马拉雅期以来持续沉降，在20.7Ma甲烷转化率达到0.51左右。但此后地壳再次抬升，中止生烃。而喜马拉雅期以来乙烷的转化率为0.12，至20.7Ma地壳抬升停止生烃时，乙烷转化率达到了0.87。前梨园凹陷石炭系—二叠系烃源岩在喜马拉雅期以前气态烃生烃特征与文留中央古隆起相似，甲烷转化率仅为0.07，略高于古隆起，乙烷转化率此时达到了0.2左右。自喜马拉雅期以来剧烈的沉降作用，使石炭系—二叠系煤系烃源岩大量生烃，在23Ma左右，甲烷转化率即达到0.99，而乙烷转化率在35Ma即达到0.99（图4-3-21），此后便迅速裂解，在20Ma左右乙烷即完全裂解，使得此时生成的天然气具有很高的干燥系数。由此可见，生烃量与沉降深度有直接关系，因此前梨园凹陷甲烷转化率明显大于文留中央古隆起。

图4-3-20 东濮坳陷文留中央古隆起石炭系有机质成熟演化及气态烃转化率

图4-3-21 东濮坳陷前梨园凹陷石炭系有机质成熟演化及气态烃转化率

3.Ⅲ型叠合构造单元

该构造单元为持续隆剥型，在中、新生代均处于隆升区，遭受剥蚀。毫无疑问，持续隆剥型对有机质生烃转化来讲意义不大，隆起构造主要油气意义在于形成油气圈闭。纵使这种构造体系下的烃源岩有过生烃的过程，由于生烃期在中生代以前，在后期的多期构造运动中，可能也早已破坏殆尽。

根据以上不同叠合构造单元生烃动力学动态评价来看，有机质生烃与热史具有直接关系，而热史受控于埋藏史及地温梯度，因此通过盆地埋藏史类型的分析即可以对生烃史、生烃特征给出简单的评价，但详细的评价则需通过生烃动力学计算来进行，各阶段的埋深及地温梯度是主生烃期及生烃转化率的决定因素。总体来看，生烃动力学结果表明大多数凹陷的寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系烃源岩在喜马拉雅期都具有明显的二次生烃现象，二次生成甲烷的量一般都超过总生烃量的一半以上，有些盆地甚至是主要生烃时期，部分地区生烃转化率已至终点，中生界烃源岩主要为一次生烃。喜马拉雅期以来地壳沉降对生烃最为有利的，而前期地壳浅埋为喜马拉雅期生烃保留了物质基础，因此Ⅱ2型和Ⅱ4型埋藏模式对生烃，尤其是生油最为有利，同时由于喜马拉雅期二次生烃成藏时间短，因而散失较少，具有较好的保存条件。目前已在Ⅱ2型和Ⅱ4型构造叠合构造单元发现了源自前古近系的油气藏，如冀中坳陷苏桥-文安地区、黄骅坳陷的孔西潜山和东濮坳陷的文留气田。此外，对于持续沉降的I型叠合构造单元，如果早期沉降速度小，沉积厚度薄，也是有利的前古近系烃源岩生烃区，如乌马营气藏。