一種多孔介質(zhì)中氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于油氣勘探技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種天然氣水合物儲(chǔ)層的勘探技術(shù)，具 體為一種多孔介質(zhì)中氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣水合物是一種具有巨大潛力的能量資源，主要分布于陸地永久凍土帶和大 陸架邊緣的海底沉積物中，其具有分布廣、儲(chǔ)量大、能量密度高、清潔等特點(diǎn)，對(duì)天然氣水合 物資源的勘探與開發(fā)引起了世界各國(guó)的廣泛重視。
[0003] 天然氣水合物儲(chǔ)層是一種特殊類型的儲(chǔ)層，目前對(duì)其評(píng)價(jià)主要沿用油氣評(píng)價(jià)理論 與方法，即將天然氣水合物作為流體來處理。實(shí)際上天然氣水合物是以固態(tài)形式存在，而且 其物理化學(xué)性質(zhì)、賦存狀態(tài)、成藏模式也與油氣有較大差異。因此，在借鑒油氣評(píng)價(jià)理論與 方法的同時(shí)，需要針對(duì)天然氣水合物的特性探索新的理論、技術(shù)和方法，以更有效地對(duì)天然 氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行識(shí)別、對(duì)水合物的賦存狀態(tài)和飽和度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為制定和優(yōu)化水合物開 采方案提供理論和數(shù)據(jù)支撐。
[0004] 地球物理測(cè)井是對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的重要手段，利用地球物理測(cè) 井技術(shù)可以在原位高壓低溫環(huán)境下對(duì)儲(chǔ)層物理性質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，數(shù)據(jù)可靠性較高，通過測(cè)井 解釋技術(shù)進(jìn)一步可以獲得巖石孔隙度、含水合物飽和度、儲(chǔ)層厚度等參數(shù)，為天然氣水合物 儲(chǔ)層的定量評(píng)價(jià)提供必要的信息。國(guó)內(nèi)外對(duì)天然氣水合物資源調(diào)查中大都實(shí)施了測(cè)井作 業(yè)，由于天然氣水合物的電學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)與儲(chǔ)層巖石其他組分之間的差異最為顯著，目前 對(duì)水合物飽和度的評(píng)價(jià)主要基于傳統(tǒng)的電阻率測(cè)井響應(yīng)和聲波測(cè)井響應(yīng)開展解釋工作。如 前所述，與油氣儲(chǔ)層相比天然氣水合物儲(chǔ)層具有其特殊性，因此在對(duì)測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行解釋之 前需要構(gòu)建適用于天然氣水合物儲(chǔ)層的測(cè)井解釋模型。構(gòu)建測(cè)井解釋模型不僅需要建立理 論模型，而且需要收集大量的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)資料以及巖石物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和 參數(shù)優(yōu)化。
[0005] 因此，大量地開展針對(duì)天然氣水合物的巖石物理模擬實(shí)驗(yàn)，獲取高質(zhì)量的聲學(xué)與 電學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于構(gòu)建天然氣水合物儲(chǔ)層的聲波與電法測(cè)井解釋模型具有不可替 代的重要意義，進(jìn)而為聲波與電法測(cè)井技術(shù)應(yīng)用于天然氣水合物儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)提供模型基 礎(chǔ)。除此之外，在針對(duì)天然氣水合物開展巖石物理模擬實(shí)驗(yàn)過程中，深入研究新的聲學(xué)和電 學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和方法也為開發(fā)新的測(cè)井技術(shù)（包括測(cè)井儀器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)解釋模型與方法） 提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為探索天然氣水合物生成/分解過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及多孔介質(zhì)內(nèi) 各相物質(zhì)的空間分布狀態(tài)變化規(guī)律提供有效的探測(cè)技術(shù)手段。
[0006] 聲學(xué)和電學(xué)測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：激勵(lì)信號(hào)與測(cè)量信號(hào)安全無輻射；測(cè)試過程為 非侵入式，對(duì)被測(cè)體系干擾?。粋鞲衅髦谱鞒杀据^低而且可根據(jù)不同的測(cè)量需求靈活設(shè)計(jì)； 電信號(hào)與聲信號(hào)（聲信號(hào)通常也轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）測(cè)量和處理所需的電路性能高、模塊化、可 靠性強(qiáng)，信號(hào)采集速度快；數(shù)據(jù)分析處理方法靈活多樣且易于軟件實(shí)現(xiàn)。
[0007] 現(xiàn)有的天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法中，所涉及到的聲學(xué)和電學(xué)測(cè) 試技術(shù)絕大多數(shù)采取各自獨(dú)立實(shí)施的方式。申請(qǐng)?zhí)枮?013102252657的專利公布了 "天然 氣水合物沉積物動(dòng)三軸力學(xué)-聲學(xué)-電學(xué)同步測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置及方法"，但是其測(cè)試系統(tǒng) 和方法有以下特點(diǎn)：利用了傳統(tǒng)的電阻率測(cè)試技術(shù)，即僅獲取了被測(cè)介質(zhì)的電阻信息而忽 視了容抗信息；僅使用一對(duì)電極作為傳感器，測(cè)試的空間范圍較窄；沒有考慮電學(xué)傳感器 與聲學(xué)傳感器在測(cè)試空間的復(fù)合，導(dǎo)致聲學(xué)傳感器和電學(xué)傳感器的測(cè)試對(duì)象（空間測(cè)試范 圍）不完全一致，從而導(dǎo)致兩類傳感器所獲取的信息無法統(tǒng)一，無法對(duì)兩類傳感器的測(cè)量 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合（融合）處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種多孔介質(zhì)內(nèi)天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境 下沉積物中天然氣水合物生成分解過程的模擬、聲學(xué)與電學(xué)參數(shù)聯(lián)合測(cè)試的實(shí)施。利用此 系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法可以高效地開展天然氣水合物相關(guān)的物理模擬實(shí)驗(yàn)，獲取蘊(yùn)含豐富 信息的聲學(xué)和電學(xué)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確的天然氣水合物飽和度計(jì)算模型，從而為探索 天然氣水合物生成/分解過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及多孔介質(zhì)內(nèi)各相物質(zhì)的空間分布狀態(tài)變 化規(guī)律提供有效的探測(cè)技術(shù)手段，同時(shí)也為開發(fā)新的測(cè)井技術(shù)（包括測(cè)井儀器和相應(yīng)的數(shù) 據(jù)解釋模型與方法）提供理論基礎(chǔ)。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明的多孔介質(zhì)中氣水合物模擬 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，主要包括兩部分：實(shí)驗(yàn)與測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的步驟以及測(cè)量信號(hào)分析處理的步 驟；
[0010] 其中，實(shí)驗(yàn)與測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的步驟包括：
[0011] 1)將多孔介質(zhì)填入反應(yīng)釜內(nèi)；
[0012] 2)向反應(yīng)釜注入水和甲烷氣體，使甲烷氣體充分溶解于水中；
[0013] 3)將反應(yīng)釜置于恒溫箱中，設(shè)定恒溫箱溫度為某一較低溫度以便氣水合物生成， 開啟測(cè)控軟件與硬件接口設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示；
[0014] 4)以一定溫度間隔逐步升高恒溫箱溫度以便氣水合物進(jìn)行分解，在每一次溫度 設(shè)定之后，等待反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力穩(wěn)定后，開啟數(shù)據(jù)采集和保存，待所有的數(shù)據(jù)保存完成 后，停止數(shù)據(jù)采集和保存；
[0015] 步驟3)和步驟4)所述的數(shù)據(jù)采集過程為：
[0016] 使用電學(xué)傳感器對(duì)，通過接口電路對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行阻抗測(cè)量；
[0017] 使用聲學(xué)傳感器對(duì)，對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行聲學(xué)特性參數(shù)測(cè)量；
[0018] 使用溫度傳感器和壓力傳感器，采集反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力；
[0019] 測(cè)量信號(hào)分析處理的步驟包括：
[0020] 5)根據(jù)溫度和壓力值按照如下公式計(jì)算反應(yīng)釜中水合物的量；
[0021]
[0022] 6)建立電學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)與水合物飽和度之間定量關(guān)系的模型；
[0023] 7)建立聲學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)與水合物飽和度之間定量關(guān)系的模型；
[0024] 8)建立電學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)和聲學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)融合后與水合物飽和度 之間定量關(guān)系的模型；
[0025] 將步驟7)得到的聲學(xué)模型與步驟6)得到的電學(xué)模型的水合物飽和度輸出作為數(shù) 據(jù)融合算法的輸入，將計(jì)算所得到的水合物飽和度作為輸出，得到基于聲電測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù) 融合的水合物飽和度模型；
[0026] 9)電學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)和聲學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)融合后與水合物飽和度之間 定量關(guān)系的模型的使用；
[0027] 使用電學(xué)傳感器對(duì)，通過接口電路對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行阻抗測(cè)量，根據(jù)步驟6)所得模 型反推得到水飽和度值；
[0028] 使用聲學(xué)傳感器對(duì)，對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行脈沖信號(hào)測(cè)量；根據(jù)步驟7)所得的模型反推 得到水飽和度值；
[0029] 上述的各水飽和度值經(jīng)過融合算法得出的值，根據(jù)步驟8)所得的模型反推得到 最終的水合物飽和度值。
[0030] 上述步驟6)的電學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)與水合物飽和度之間定量關(guān)系的模型的建立 步驟為：
[0031] 通過電學(xué)傳感器獲得每一個(gè)狀態(tài)下、一定頻率范圍內(nèi)、一系列頻率點(diǎn)處的阻抗值， 選取阻抗幅值隨飽和度變化顯著的頻率點(diǎn)，對(duì)測(cè)量到的阻抗值進(jìn)行預(yù)處理；
[0032] 根據(jù)復(fù)電阻率的定義結(jié)合反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算所選定頻率點(diǎn)處的復(fù)電阻率；
[0033] 分別計(jì)算阻抗和復(fù)電阻率的頻散度；
[0034] 利用以上得到的頻散度參數(shù)分別與計(jì)算得到的水合物飽和度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從 而分別獲得基于特征頻率點(diǎn)阻抗頻散度和基于特征頻率點(diǎn)復(fù)電阻率頻散度的水合物飽和 度模型；
[0035] 將所有特征頻率點(diǎn)的阻抗值和根據(jù)阻抗值計(jì)算得到的復(fù)電阻率值作為多維非線 性映射的輸入，計(jì)算所得到的水合物飽和度作為多維非線性映射的輸出，通過相應(yīng)的學(xué)習(xí) 算法最終獲得水合物飽和度的電學(xué)特性融合模型。
[0036] 上述步驟7)的聲學(xué)傳感器測(cè)量信號(hào)與水合物飽和度之間定量關(guān)系的模型的建立 步驟為：
[0037] 對(duì)獲取到的聲波波形進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波、聲波速度計(jì)算、聲波幅值獲取、聲波 頻率獲?。?br>[0038] 分別獲取不同的水合物飽和度條件下聲波的特性參數(shù)；
[0039] 利用聲波特性參數(shù)分別與計(jì)算得到的水合物飽和度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，分別獲得基 于聲波速度、基于聲波幅度和基于聲波頻率的水合物飽和度模型；
[0040] 利用以上三類聲波特性參數(shù)作為多維非線性映射的輸入，計(jì)算所得到的水合物飽 和度作為多維非線性映射的輸出，通過相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法最終獲得水合物飽和度的聲學(xué)特性 融合模型。
[0041] 對(duì)于聲學(xué)傳感器，超聲激勵(lì)信號(hào)采用連續(xù)波信號(hào)或單脈沖信號(hào)，對(duì)聲學(xué)傳感器進(jìn) 行激勵(lì)。
[0042] 對(duì)于電學(xué)傳感器，激勵(lì)信號(hào)采用具有一定幅值、頻率、直流偏置的正弦波的電 壓信號(hào)，對(duì)每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)均進(jìn)行一定頻率范圍的掃頻激勵(lì)。幅值為0.01V-5V，頻率為 0.OlHz-lOOMHzo
[0043] 超聲激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大后進(jìn)入聲學(xué)傳感器。
[0044] 該測(cè)試方法借鑒了現(xiàn)代信息領(lǐng)域的多傳感器復(fù)合與數(shù)據(jù)融合的思想，針對(duì)天然氣 水合物的特點(diǎn)而提出。
[0045] 通過設(shè)計(jì)新型的反應(yīng)釜并對(duì)傳感器進(jìn)行陣列式排布，實(shí)現(xiàn)多傳感器的不同復(fù)合方 式，使得傳感器覆蓋面更廣、其可靠性和魯棒性更強(qiáng)，從而針對(duì)同一被測(cè)對(duì)象或狀態(tài)可以獲 取多類相關(guān)且具有一致性的信息，所獲得的信息量更大、置信度更高。
[0046] 通過對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層次的融合、采用不同的融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和融合算 法，從而可以構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)融合模型，以此為基礎(chǔ)可以更加深入地挖掘蘊(yùn)含在聲學(xué)與電 學(xué)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)中的信息，為建立水合物飽和度計(jì)算模型和探索水合物生成/分解過程 的動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及多孔介質(zhì)中各相物質(zhì)的空間分布狀態(tài)變化規(guī)律提供更多的有用信息。
[0047] 基于含天然氣水合物多孔介質(zhì)的電性參數(shù)頻散特性參數(shù)（如復(fù)電阻率頻散度）來 獲取天然氣水合物飽和度信息?，F(xiàn)有的基于介質(zhì)電學(xué)性質(zhì)計(jì)算水合物飽和度的方法中，主 要利用電阻率數(shù)據(jù)并結(jié)合阿爾奇經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)水合物飽和度進(jìn)行估算，在此類方法中僅利用 了介質(zhì)的部分電學(xué)性質(zhì)（即電阻特性）來描述多孔介質(zhì)中水合物飽和度的變化規(guī)律。對(duì)介 質(zhì)電學(xué)性質(zhì)的刻畫不足是導(dǎo)致水合物飽和度計(jì)算誤差的重要原因之一，另外阿爾奇經(jīng)驗(yàn)公 式本身的局限性（如對(duì)含油氣等流體的多孔介質(zhì)所提出的眾多假設(shè)條件是否適用于水合 物的實(shí)際情況）也導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。電性參數(shù)頻散特性參數(shù)（如復(fù)電阻率頻散度）不僅同 時(shí)包含介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)信息，而且能夠刻畫兩者隨測(cè)試頻率變化而變化的特性， 因此可以更全面、深刻地描述含天然氣水合物介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)，為提高天然氣水合物飽和 度計(jì)算的準(zhǔn)確度提供了更加豐富的信息。
[0048] 通過靈活的編碼激勵(lì)技術(shù)對(duì)聲學(xué)傳感器進(jìn)行激勵(lì)，相對(duì)于目前普遍采用的單脈沖 單次激勵(lì)方式具有抑制噪聲能力強(qiáng)、所需信號(hào)幅值低、激勵(lì)信號(hào)頻率和波形可靈活調(diào)整等 優(yōu)點(diǎn)，接收端聲學(xué)傳感器接收的信號(hào)信噪比更高、蘊(yùn)含的信息更加豐富，從而為后續(xù)的數(shù)據(jù) 分析處理提供更多高質(zhì)量的信息。
[0049] 所使用的測(cè)試系統(tǒng)
[0050] 模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要用于對(duì)含天然氣水合物多孔介質(zhì)體系進(jìn)行聲學(xué)參數(shù)、電學(xué) 參數(shù)以及溫度和壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量，該系統(tǒng)主要包括四部分：反應(yīng)釜、傳感器（聲學(xué)傳感器、 電學(xué)傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器）、硬件接口設(shè)備、軟件系統(tǒng)（測(cè)控軟件和監(jiān)控計(jì)算 機(jī)）。測(cè)試系統(tǒng)中的硬件接口設(shè)備與軟件系統(tǒng)采用虛擬儀器的架構(gòu)，即以計(jì)算機(jī)為核心、配 以軟件化和模塊化的儀器。
[0051] (1)反應(yīng)釜
[0052] 反應(yīng)釜為天然氣水合物的生成