天然气在线分析仪_天然气动态仿真真实数据分析研究进展情况怎么写

1.燃气公司年终工作总结怎么写

2.测井在天然气水合物勘探与评价中的应用

3.Jason反演技术在天然气水合物速度分析中的应用

4.含天然气水合物沉积层的AVA特征分析

5.天然气水合物稳定域热流场计算方法研究

6.页岩气开发现状及开技术分析

7.天然气水合物热动力学模型

8.GIS技术在国内的研究现状及其发展趋势

沙志彬1，2　张光学2　张明2　梁金强2

（1.中国地质大学（武汉）武汉 430074 2.广州海洋地质调查局 广州 510760）

基金项目：国家高技术研究发展课题（编号：2005AA611050）资助。

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

摘要 在天然气水合物的地震资料解释过程中，常规（叠加和偏移）地震剖面上难以识别天然气水合物赋存区域。通过近年的实践，认为相干体数据及切片能够较好地揭示天然气水合物的地球物理异常特征，从而给识别天然气水合物和划分其赋存区域提供有力的证据，增加了一种可用于天然气水合物的检测技术。

关键词 天然气水合物 相干体 应用 研究

1 前言

相干体处理解释技术在油气勘探与开发项目的研究中已经得到广泛的应用，为解决复杂地区地质情况和日益增多的地震数据量等问题起到了重要作用［1］。它不仅提高了地震资料解释的效率和精度，使三维地震资料得到充分应用，同时能够很好地突出数据的不连续性，快速准确的识别断层、特殊岩性体及地层沉积特征，直接对目标体和沉积层进行直观和精细的描述。相干体处理解释技术已经成为三维地震资料解释中不可缺少的技术方法［2］。

2 相干性的基本原理

由震源激发产生的地震子波，在向下传播的过程中，遇到波阻抗分界面，发生反射和透射，形成地震波。地震波到达测线接收点，视速度不变，或者只沿测线方向有缓慢变化。而测线布置的观测点相距不远，满足空间样定理，因此同一个相位在相邻地震道上的到达时间也是相近的，每一道记录下来的振动图是相近的，并且会一个个套在一起，形成一条平滑的有一定长度的同相轴，这个特点叫做相干性。相干技术就是从相邻地震道相互之间的相干性出发，给出一定量描述。对于三维地震数据体，通过对主测线和联络测线方向计算某一时间域内波的相似性，可获得三维地震相干体，因此相干体是指三维数据相干性的一种三维数据体［3］。

当地下目的层存在断层和地层不连续性变化时，在局部一些地震道上会表现出与相邻地震道不同的反射特征，因而导致道与道之间相关性方面的极不连续性，即断层所产生的地震错动，会在相应道的相关曲线中出现极高的不相关特性［4］（图1）。利用这一原理，通过对三维数据体的不连续性进行分析，便可识别构造和断层的分布，使解释人员在解释之前就能获得研究区概略的构造几何形态及断层分布情况。充分利用三维地震数据体原已存在的空间分布信息，能够减少复杂情况人为因素造成的误差及由此而产生的多解性。

图1 断层引起的波形变化示意图

Fig.1 Sketch map of welet movement by the fault

3 相干性的计算方法

自相干性的概念及应用方法提出以来相干算法本身在不断发展。大致分为三种类型：第一代算法C1，即归一化互相关，用三道相干处理，对于高品质的资料具有很好的检测效果，分辨率也最高；第二代算法C2，即任意多道相似性算法，用多道相干处理，其分析结果分辨率稍低，但抗噪能力较强；第三代算法C3，亦称作特征构造，它把多道地震数据组成协方差矩阵，应用多道特征分解技术求得多道数据之间的相关性［5～7］。

目前常用软件中相干性算法是能量归一化后的互相关计算，属于第一代算法C1。

首先定义纵测线上t时刻、道位置在（xi+yi）和（”i+l，yi）与地震道u之间延迟为l的互相关系数

南海地质研究.2007

式中2ω为相关时窗的时间长度。

再定义横测线上t时刻、道位置在（xi，yi）和（xi+l，yi）与数据道延迟为m的互相关系数为

南海地质研究.2007

把上面纵测线（l延迟）和横测线（m延迟）的相关系数组合起来就得到相关系数ρxy的三维估计：

南海地质研究.2007

式中：masρx（t，l，xi，yi）和maxρy（t，m，xi，yi）分别表示时移为l和m时，ρx和ρy为最大值。对于高质量的地震数据，时移l和m可分别近似计算出每道在”和y方向上的视时间倾角。第一代算法是先计算主测线、联络测线方向的相关系数，最后合成主联方向相关系数。其优点是计算量小，易于实现。缺点是受资料限制较大，时窗大，抗噪性差。

第二代算法，即C2算法，可对任意道数进行相似分析，估计其相干性。先定义一个以τ时刻为中心的j道椭圆或矩形分析时窗，在时窗内取j道相邻地震数据u，如果分析点坐标轴为（”，y）则定义相似系数为δ（τ，p，q）：

南海地质研究.2007

式中：p和q分别表示”，y方向上的视倾角，上标H表示希尔伯特变换或地震道u的正交分量。若时窗取［-K，K］，则平均相似系数为

南海地质研究.2007

式中：Δt为样时间间隔。第二代算法对任意多道地震数据计算相干，基于水平切片或层位上一定时窗内计算。其优点是对地震资料的质量限制不严，抗噪性强。利用可变时窗，即用一个适当大小的分析窗口，能够较好地解决提高分辨率和提高信噪比之间的矛盾。因此，该算法具有较好的适用性和分辨率，而且具有相当快的计算速度，缺点是不能正确反映地层倾角变化。

第三代算法，即C3相干算法是用基于相似的相干算法对任意多道地震数据进行相干计算。该方法是借助协方差矩阵C来实现的。设λj（j=1，2，L，J）是协方差矩阵C的第j个特征值，其中λ1是其最大的特征值。C3相干算法的计算公式为

南海地质研究.2007

第三代算法以多道或多个子体为对象进行道比较和相似性计算，同时进行基于层位的倾角和方位角估计，从常规数据的纵测线地震显示上估计真倾角最大值来定义离散视倾角范围。通常当地层具有走向和倾向多边特征时，如盐底辟、前积三角洲，火山岩地层等，计算出独立的相干数据体、倾角数据体、方位角数据体，利用HLS（色调、光亮度、饱和度）彩色模型显示相干、倾角、方位角多个地震属性［6］。

4 相干体参数的选择

图2 相干道数示意图

Fig.2 Sketch map of the number of coherent channel

相干模式的选择有两个问题要解决，一是选取多少道参与相干计算最为合适，一是相干时窗大小的选择。针对第一个问题，选用不同的数据做了相关试验，分析认为：选取的道数多少应与地质异常体的大小有密切关系。如果选取道数太多，就无法发现小的地质异常体，且定位不准确；如果选取的道数太少，受地震数据体噪声的影响就很大，以至于影响正常解释工作。一般的，相干道数选择包括线性3道、正交3道、正交5道、正交9道（图2）。通过试算可知，参与计算的道数越多，平均效应越大，对断层的分辨率反而会降低；相反，相干道数少，就会提高断层、特别是对小断层的分辨率。因而在计算地震相干数据体时应根据不同研究目标来选择计算的道数［1～3］。

相干时窗的大小由解释员根据地震反射波的视周期T而定，通常取T/2～3T/2。当计算的相干时窗小于T/2时，由于相干时窗小、视野窄，看不到一个完整的波峰或波谷，据此计算出的不相干数据带反映噪声的几率比反映小断层的几率大；当计算的相干时窗大于3T/2时，由于相干时窗大，可以看到多个地震反射同相轴，据此计算出的不相干数据带反映同相轴连续的几率比反映断层的几率大［3，4］。可见相干时窗取得太大与太小都会降低对断层的分辨能力。通过多次对比试验，认为用线性3道、时窗32ms计算得到的地震相干数据体有利于开展天然气水合物的解释工作［6，7］。

5 相干算法的试验与结论

2005和2006年我局先后在南海北部陆坡区神狐海域研究区进行准三维集，地震数据质量较以前有较大提高，定位精确，具有较高的信噪比和分辨率。结合该研究区的构造背景，分别应用三代相干算法对神狐研究区地震数据进行相干计算，结果见图3。图3a，图3b，图3c分别是用C1，C2，C3三代算法计算出的相干体水平切片，白色代表相干性高，黑色代表相干性低。水平切片上黑色窄带反映相干性很低的断层。从图3a，图3b，图3c三幅图中都可以看出本区域断层比较发育，断层走向以东西向为主。比较三幅图，图3a中，不仅上部和下部的大断层清晰可见，中部还可以分辨出南北方向的细小断层，而在图3b和图3c中此处的细小断层均不可识别。因此，对于该研究区的地震资料，用第一代相干算法计算得到的相干数据体分辨率较高［6，7］。

通过试验分析得出如下结论：相干算法的选择综合考虑参与计算的研究区地震资料的质量及研究区内的构造特征。若研究区地震数据信噪比较高，应用第一代相干算法得到的相干数据体分辨率最高，利于识别小断层；若地震资料信噪比稍低则应用第二代算法可得到分辨率较高相干数据体；对于构造变化复杂、地层倾角较大的研究区要选用第三代算法才能正确反映地层倾角的变化［3，4］。

6 天然气水合物的相干性分析

通过对三维数据体的各种逻辑关系和物理属性的分析研究，认为地震三维数据体的不相关性主要反应断层及岩性变化；相关性主要反映岩性的均一性和地层的连续性。据此进行相干体解释时，高连续性数据对应均一岩性体和连续的地层；中等连续性数据对应层序特征；窄条带低连续对应断层、岩性的变化或特殊岩性的边界；宽条带低连续对应数据质量不好或无反射层位［3］。

由于特殊地质体和周围地层的地震反射有着不同的相干性，所以特殊岩性体在相干切片上能清楚地反映出来。应用相干数据可以确定某些岩性异常体的边界，为这些异常体的圈定提供手段。目前，三维相干技术的发展比较成熟，一些学者［3，4］利用相干技术，预测了火成岩、碳酸盐岩等特殊岩性体的分布范围，实现特殊岩性体的准确成像，取得了良好的效果。但现在还很少应用相干性分析天然气水合物这种特殊岩性体［3～5］。

图3 三代相干算法效果比较图

Fig.3 The map of the effect of three kinds of coherent calculation methods

在充分研究前人工作的基础上，依据天然气水合物的地球物理特征，对叠前偏移数据体进行相干处理，得到相干体数据，分析总结水合物在相干数据体上的响应［1～3］。研究发现：排除构造因素，通过用其他地震检测手段识别出的含水合物的地层在相干体上表现出很高的相干性，与周围地层相干性差异明显；同样，含水合物地层在相干体切片上表现出高相干性的属性特征。分析认为这种现象可能是因为地层填充水合物导致地层岩性相对均一，相邻地震道反射相似性高［8～10］。

以神狐海域研究区为例，250线地震剖面上（图4（a）），可以看到同一沉积地层（A区域和B区域）同相轴连续性好，两者之间没有明显的差异；在相干剖面上（图4（b））却表现出相干性差异，没有水合物充填区域为中相干性（B区域），而有水合物充填区域为强相干性（A区域）。因此，利用相干体技术可以圈定天然气水合物的分布范围［6，7］。

图4 神狐海域研究区250线地震剖面（a）与相干剖面（b）

Fig.4 The Seismic and coherent profi1e of Line 250 in the study of Shenhu offshore

此外，对神狐海域研究区的整个相干数据体进行分析，自海底以下间隔固定时窗（时窗小于识别矿体厚度）分别对两个BSR区域提取相干切片。分析发现在东南BSR区块的2000ms相干体切片上（图5（a）），230-320线，400-600道范围内，有一亮白色团块（在相干体切片中白色代表高相干性，黑色代表低相干性）；在相同区域，2050ms和2100ms相干切片上仍可以清楚地分辨出两块高相干性团块（图5（b），5（c））。通过与BSR分布图对比发现，该区域与BSR的分布范围基本吻合，处于BSR上的空白带内，由此推测高相干性可能是含天然气水合物所致；同样，在西北BSR区块的1700ms到1900ms相干体切片上亦表现出高相干性。因此，可以利用相干体技术推测水合物在此区域是否赋存，并且可以大致圈定水合物的分布范围［6，7］。

在相干体数据的应用中，相干性是对地震道进行去同存异，突出断层、特殊岩性体等地质现象，而影响地震道相干性因素复杂，地震道间相似程度往往受多种因素影响。因此，在水合物矿体的预测中，必须综合利用相干体与其他分析检测技术（AVO反演、波阻抗反演、瞬时属性剖面、能量半衰时剖面等），去伪存真，共同确定水合物矿体的展布［11～15］。

图5 神狐海域研究区东南BSR区块相干体切片

Fig.5 The slice of coherent profile of southeastern BSR area in the study of Shenhu offshore

7 认识与讨论

总结本文得出以下几点认识与讨论：

1）本文尝试运用相干体技术来识别天然气水合物的地球物理特征，形成了一项可用于天然气水合物的检测技术；

2）实践证明可以利用相干体技术推测水合物在此区域是否赋存，并且可以大致圈定水合物的分布范围；

3）针对天然气水合物进行的相干体研究尚处于初级阶段，需要进一步的研究及完善；

4）相干性数据受多种因素影响，在天然气水合物矿体的预测中，必须联合利用其他分析检测技术（AVO反演、波阻抗反演、瞬时属性剖面、能量半衰时剖面等），去伪存真，才能综合确定水合物矿体的展布。

参考文献

［1］何汉漪著.海上高分辨率地震技术及其应用.地质出版社，2001，7，27～44

［2］李正文，赵志超.地震勘探资料解释［M］.北京：地质出版社，1988

［3］王玉学，韩大匡，刘文岭等.相干体技术在火山岩预测中的应用，石油物探［J］.2006，45（2）：192～196

［4］王永刚，刘礼农.利用相干数据体检测断层与特殊岩性体，石油大学学报［J］.2000，24（1）：69～72

［5］俞益新.碳酸盐岩岩溶型储层综合预测概述，中国西部油气地质［J］.2006，2（2）：189～193

［6］张光学，耿建华，刘学伟等.“天然气水合物探测技术”之子课题“天然气水合物地震识别技术”，“十五”863，2005

［7］张明，张光学，雷新华等.南海北部海域天然气水合物首钻目标优选关键技术报告，“十五”快速863，2006

［8］宋海斌，张岭，江为为等.海洋天然气水合物的地球物理研究（Ⅲ）：似海底反射［J］.地球物理学进展，2003，18（2），182～187

［9］沙志彬，杨木壮，梁金强等.BSR的反射波特征及其对天然气水合物识别的应用［J］.南海地质研究（15），北京：地质出版社，2004，55～61

［10］张光学，黄永样，陈邦彦等.海域天然气水合物地震学［M］.北京：海洋出版社，2003

［11］Ecker C，Dvorkin J，Nur A M.Estimating the amount of gas hydrate and free gas from marine seismic data［J］.Geophysics，2000，65，565～573

［12］Miller J J，Myung W L，von Huene R.An analysis of a reflection from the base of a gas hydrate zone of peru［J］.Am.Assoc.pet.Geo1.Bull.1991，75，910～924

［13］Wood W T，Stoffa P L，Shipley T H.Quantitative detection of methane hydrate through high-resolution seismic ve1ocity analysis［J］.J.Geophys.Res.1994，99，9681～9695

［14］Sloan E D.Clathrate Hydrates of Natural Gas.Marcel Dekker，New York，1990

［15］Katzman R，Holbrook W S.Paull C K.Combined vertical-incidence and Wide-angle seismic study of gas hydrate zone，Blake Ridge［J］.J.Geophy.Res.1994，99：175～17995

Recognizing GaS HydrateS SeiSmic Character by Application and Study of the Body of Coherent Data

Sha Zhibin1，2　Zhang GuangXue2　Zhang Min2　Liang Jinqiang2

（1.China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan，430074；2.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：During interpretation of the profile of natural gas hydrates，it’s very difficult to distinguish zone of gas hydrates from the profile of stack and migration.Through our practice in these several years，We think that the body of coherent data and the slice of them in Which abnormal physical geography character of gas hydrates can be shown preferably.So that We can use this kind of data to judge seismic character of gas hydrates，and the area of them that exist.By this means we can recognize gas hydrates.

Key Words：Gas hydrates The body of coherent data Application and study

燃气公司年终工作总结怎么写

张明　伍忠良　刘方兰

（广州海洋地质调查局　广州　510760）

第一作者简介：张明（，1957—），男，教授级高工，主要从事海洋地质、地球物理勘探和天然气水合物研究。

摘要　从1999年开始，我国已经在南海北部陆坡实施了25个天然气水合物调查航次，取得了许多重要地质成果和认识，积累了不少宝贵的勘探经验。本文将对我国天然气水合物10年外业调查技术，历程和发展做一总结，为后续的天然气水合物调查提供铺垫和借鉴。

关键词　水合物调查　高分辨率地震　样品取样

1　前言

气体水合物的发现虽然可追溯至1810年，但人们对海洋天然气水合物的认识始于20世纪70年代中期，美国在阿拉斯加北部的普鲁德湾油田得了世界上第一个天然气水合物样品。

20世纪90年代以来，天然气水合物调查研究在世界范围内迅速扩大和深入，调查研究的深度、广度以及调查技术水平大大提高。各国对水合物的研究给予了高度重视，设立了专项调查航次，目前，世界上对天然气水合物的调查研究方兴未艾，全球海域天然气水合物矿点的发现与日俱增。

从1999年开始，我国已经在南海北部陆坡实施了25个天然气水合物调查航次，取得了许多重要地质成果和认识，积累了不少宝贵的勘探经验。调查方法和调查手段也由开始单一的二维地震方法进入到了一个包含了二维高分辨多道地震、准三维多道高分辨地震为主的地球物理、地质取样、地球化学等多手段、多学科相结合的阶段（表1），并且随着勘探实践中新问题的出现，调查方法和调查手段也在不断地更新和调整之中。

表1 天然气水合物调查技术方法　Table 1 The technologies used for gas-hydrate survey in south china sea

2　地球物理调查

1999年在国内有关单位（如中国科学院兰州冰川冻土研究所和国土部广州海洋地质调查局）和学者对国外天然气水合物调查研究情况进行了跟踪调研和文献整理的基础上，国土部广州海洋地质调查局开展了天然气水合物的实际调查。地震调查是天然气水合物调查的主要方法，虽然有前人的研究和国外调查工作的借鉴，但在用什么样的方式上仍经过了充分和激烈的讨论，最终根据我们的现有条件确定调查的主要方法，因此确定了首先开展地震调查工作，用高分辨二维多道地震调查技术方法，目的是寻找天然气水合物的地震识别标志— —BSR，此外还集到更多的地球物理信息，如地震纵波速度等，同时可以利用地震资料处理手段使得BSR 等天然气水合物的地震识别标志的判别更有依据。实践证明，二维高分辨率多道地震勘探技术在海洋水合物调查中是行之有效的，不仅可以发现与水合物相关的地震异常信息，如BSR、振幅空白带、速度异常带、BSR 波形极性反转等等。而且可以揭示与水合物形成发育密切相关的中浅部地层结构、构造及沉积特征，该方法已经在我国南海北部海域水合物调查中得到成功的应用，为天然气水合物评价奠定了坚实的基础。

2.1　二维地震调查集参数的确定

调查伊始，参考了油气勘探高分辨地震调查的参数设置，随着对天然气水合物地震识别标志性质认识的提高，感觉完全按照油气勘探的方法不能达到最佳的效果，因此借助于863研究项目的支撑，从2001年开始进行天然气水合物的赋存环境及其特定地震调查方法选择研究、天然气水合物地震数据集调谐组合系统及其试验参数的选定研究，特别是开展了有利天然气水合物勘探频带和主频范围探索、研究，主要围绕“突出海洋天然气水合物存在的主要特征，即似海底反射（BSR）而展开。通过大量的实际试验和分频处理等地震勘探频率与BSR响应关系的研究，认为：0～40 Hz频段滤波，BSR 可以连续追踪，地层细节不清晰；40～70Hz频段滤波，BSR 连续性较好，地层细节也较为清晰；当滤波频率为100～120H z时，海底和BSR强反射界面变成多个反射界面，某些地层细节可以突出，对BSR的连续性识别不利。及120～150Hz水合物特征基本不变化，对水合物特征的识别贡献不大（图1～3）。

通过地震勘探频率与BSR 响应关系的研究，认识了我国南海北部陆坡水合物地震勘探的最有利勘探频带和主频范围，从而，为综合研究“水合物勘探缆源沉放深度、虚拟反射等一系列调谐组合参数”从而确定外业集参数奠定了基础。根据确定出来的勘探频带为10-120 H z和主频为40-70 H z的原则，模拟计算出来的结果表明（图4）：震源和电缆的沉放深度为5米和6米的组合较为合适。这样在同样的激发能量的情况下，将主要的能量集中在主频范围内，可以提高集资料的信噪比，突出BSR的识别，同时兼顾BSR 与地层反射界面关系的识别，而且有利于海上的作业开展，初步形成了一套适合于我国南海北部陆坡天然气水合物勘探的高分辨率二维地震勘探技术方法。

根据上述的研究成果，在南海天然气水合物高分辨率二维地震勘探用的集参数基本上得到了遵循（表2），以及后续的高分辨率准三维地震调查也是参考了这些参数。

图1 高截滤波分别为40Hz和70Hz时的效果对比图Fig.1 The com pares in different high cut filter

表2 南海北部陆坡典型的调查参数表　Table 2 The typical seismic param eter used in south china sea gas hydrate survey

2.2　准三维多道地震调查

随着天然气水合物勘查的深入，围绕钻探的要求，在“863”课题“南海北部海域天然气水合物首钻目标优选关键”的成果基础上逐步发展完善高分辨率准三维地震调查。在原来高分辨率二维地震集技术的基础上，主要考虑了通过对面元大小等准三维集参数的优选，利用R G PS相对定位技术，对震源中心、电缆头部和电缆尾部进行了定位，以“震源中心”、“电缆头标”、“电缆尾标”为基本节点，罗盘数据为基本的方向数据准三维缆源定位技术、准三维调查“导航定位网络配置”技术以及优化和改善震源稳定性，最终形成三维数据体。

图2 HD173-2近道单次剖面（40～70Hz滤波）Fig.2 The result picked on near channel（Filter 40～70Hz）

实际上从2004年开始在南海北部开展水合物三维地震调查，获取了调查区的三维地震信息，使勘探目标得到有效归位，获得了更为清晰的天然气水合物地震响应信息（图5），同时还解决了常规二维地震调查所不能解决的一些问题，如获得精细的三维速度分析体、准确的地层偏移地球物理信息、水合物富集层内的细致信息、利用三维可视化技术分析水合物钻探目标的空间分布特征等[1]，提高对天然气水合物有利目标的评价精度。通过开展准三维高分辨率地震调查，无论是BSR、振幅空白带，还是BSR 下的增强发射都得到比二维资料更清晰的反映[2]。

3　样品集

在天然气水合物的调查中，除了地球物理调查外，从2001年开始进行以天然气水合物为调查目的地质样品集，目的是通过不同的取样手段获得与水合物有关的沉积物样品，从而为进一步的测试提供基础。根据底质和对样品本身要求的不同，站位地质取样调查主要用以下的取样方式：大型重力活塞柱状取样、重力柱状取样、抓斗取样、深海拖网取样和保温保压取样（图6）。前四者在地质调查航次中已经普遍用，而保温保压取样只是在部分航次调查中进行了尝试。

图3 HD173-2远道单次剖面（40～70Hz滤波）Fig.3 The result picked on far channel（Filter 40～70Hz）

在这些手段中，箱式取样、抓斗取样、电视抓斗取样都是集海底浅表层0～50 cm的底质样品，箱式取样能集到表面原状不扰动样品，电视抓斗则是根据甲板监控有选择性集海底表层样品，例如贝壳、碳酸盐岩结壳等。拖网主要是获取海底表层块状或大粒径的目标物，例如海底生物、岩石、贝壳等。重力柱状取样是集短柱状样品，长度一般小于300 cm，大型重力柱状取样器和重力活塞取样器能集相对长的柱状样品，一般在500 cm～1200 cm 之间。保温保压取样是对重点目标区域集原状海底柱状样品。

10年里，总共执行了17个地质（综合）航次的调查，共取得表层样共225个，重力柱状取样833个，重力活塞取样226个等（表3）。

由表3可以看到无论从取样站位和现场测试项目，根据天然气水合物地质和地球化学调查的目的，柱状（包括活塞）是天然气水合物调查样品取样的主要手段，也是比较有效的手段，但鉴于目前分析的SMI界面深度，今后要考虑的是增加取样的长度。至于保温保压取样，过程及作业比较复杂，因此，使用此种手段应更有针对性。

图4 缆源沉放深度与地震频响示意图Fig.4 The calculation results of frequency response with streamer/source depth

表3 2000～2008年地质样品集完成的工作量（单位：测站）　Table 3 The statistics of sampling stations

图5 天然气水合物准三维地震调查效果Fig.5 The result of pseudo 3D seismic survey of gas hydrate

3.1　海底摄像资料集

深海摄像系统为拖缆作业，工作时安装在拖缆末端的水下信标可以获取图像对应的水下位置信息；同时也可以在深海摄像系统的水下单元上安装传感器以获得相应的测线信息，如安装甲烷传感器对海底天然气水合物的特征判别等等。

自1999年开始以天然气水合物为调查目的深海摄像数据集以来，深海摄像系统先后执行了17个航次，完成深海摄像共325个测站。其中2001年，在某测站发现天然气水合物赋存标志——碳酸盐结壳。该站位位于调查区中部海槽北部陆坡上缘，拍摄区间水深1080米至11 30米。该海底碳酸盐结壳分布有较多圆形孔穴，空穴边缘多呈直角，明显不同与其他地区见到的生物孔穴（图7）。

2003年，在另一站位发现了水合物之赋存的又一标志——双壳类生物及菌席以及2008年在另一测站发现了大面积块状的碳酸盐结壳，此测站发现的碳酸盐结壳无论从其规模、固结程度、厚度方面都强于其它测站。

在海底摄像的调查中，尽管没有直接发现天然气水合物。但是，具有重要代表特征的碳酸盐结壳以及双壳类生物及菌席的发现，对我们认识天然气水合物具有重要的指导意义。

3.2　地温资料集

由于天然气水合物赋存于高压低温的环境中，因此开展地温梯度测量，从而了解调查区的温度和压力变化以及热流等也是有必要的。在我们的天然气水合物的地温场测量中，主要用的是Ewing型设备，即在海上进行地温梯度测量，同时将集的沉积物样品在室内进行热导率测试，然后进行热流计算。Ewing型设备是把装有热敏电阻的小型探针按不同角度在钢矛或取样管（包括重力取样和活塞取样）外壁的不同位置上，由小型探针测量出不同深度沉积物的温度，求出原位地温梯度，而同步集的沉积物样品在室内进行热导率测量，由地温梯度及热导率值计算出沉积物热流值。

图6 海底浅表层取样设备Fig.6 equipments of sampling

自2004年开始进行以天然气水合物为调查目的的海底地热流测量，在2004年～2008年共5年中，先后执行了9个航次，完成海底地热流共212个测站，室内热导率测量811个。

但从调查的结果看，BSR 导出的热流值与实测热流值、热流估算的天然气水合物稳定带底界与BSR 深度是有差异的，其原因可能有二。一是实测的地温梯度只反映了浅表层的几米情况，地温梯度往下（几百米内）的变化趋势遵循什么规律需要进一步研究；二是从实测数据计算的结果反映的是区域的背景值，而恰好有天然气水合物赋存的地方（BSR显示）就与区域背景有差异（异常）。究竟是什么原因值得深入研究，才能更好得发挥其在天然气水合物调查中的应用。

图7 通过海底摄像发现海底碳酸盐结壳。左图为海底摄像位置，右图为拍摄到的海底碳酸盐结壳Fig.7 Carbonated crust from video survey Location（left）and Carbonated crust（right）

4　小结

天然气水合物勘查方法主要包括地球物理方法、地球化学方法及地质方法。其中，地震勘探方法是目前最为广泛的天然气水合物勘探方法，其实质是发现沉积物中分布的水合物的底界在地震剖面上形成的异常响应——似海底反射（BSR）。此外，通过地球化学勘查技术识别海底浅部沉积物中的天然气地球化学异常，也能够为圈定水合物矿体提供重要佐证。

当然，随着技术的发展和天然气水合物勘查的需求，还有其他的技术在探索应用，如O BS技术已经开始应用于水合物调查中，以及可控源电磁法也准备投入应用，这都基于能获取更多的信息（如横波）和天然气水合物电阻特性考虑的。

参考文献

[1]梁金强，郭依群，沙志彬等.南海北部神狐海域天然气水合物准三维地震调查（2005年度）成果报告（内部报告），2006

[2]张明，伍忠良，天然气水合物BSR的识别与地震勘探频率海洋学报”，2004

Study of Explorational Techniques for Gas Hydrate in South China Sea

Zhang Ming Wu Zhongliang Liu Fanglan

（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760）

Abstract:There are 25 cruise he been carried out for gas hydrate since 1999 in South China Sea.And there are different ways he been used to try getting more information and evidence for gas hydrate in South China Sea.The article tell the experience in these activities.

Key words:Gas hydrate survey,High resolution seismic,Sampling

测井在天然气水合物勘探与评价中的应用

总结是把一定阶段内的有关情况分析研究，做出有指导性结论的书面材料，它是增长才干的一种好办法，不如立即行动起来写一份总结吧。总结怎么写才是正确的呢?下面是小编为大家整理的燃气公司年终工作总结，希望能够帮助到大家!

燃气公司年终工作总结1

律回春晖渐，万象始更新。过去的一年，我们有付出也有收获;我们有欢笑也有泪水，回顾这一年的工作与体会，既有成功的经验也有失败的教训。我在公司领导和同事的支持与帮助下，严格要求自己，按照公司的要求，较好的完成了自己的本职工作。我努力工作继续坚持“不学习不上进就会下岗失业、不吃苦不耐劳就会被淘汰”的理念努力的工作，不断的提升自己的工作水平和技术能力。

我也认识到自己的不足之处，理论知识水平还比较低，管理力度不够，需要学习的知识还很多。今后，我一定认真克服缺点，发扬成绩，刻苦学习勤奋工作，在下一年的工作中我要努力工作，深刻认识自己的问题与足，努力改变自己，适应工作要求，为公司的发展贡献自己全部的力量。

我想我应该努力做到：

1、努力学习更深一步的了解的施工工艺和国家规范，认真学习城镇燃气专业基础知识，深入研究燃气专业的课题，并落实到实际、使自己成为一个燃气行业专业的合格工人。

2、及时总结工作中的得与失并加强反思，找出工作中存在的问题，同时对新情况新问题调查探究，不断探索新方法，新途径，努力把工作做到最好。

3、和谐班组团结们每一位。班组团结，工作起来才能事半功倍，团结每一位同事，是我们工作的前提，我将每一位员工作为我的

兄弟姐妹，尽自己最大的努力去争取帮组和关心每一位并肩做战的同事。

5、在工作中对安全问题决不放松，始终坚持“安全第一、预防为主”的方针，积极投入到工作中，发现安全隐患及时处理，不等不靠，安全隐患不解除不放过。

在未来的工作中，我会更加努力的向周围的领导同事学习，学习他们的经验和一些新的知识，把它们应用到日常的工作中，我会更加努力的工作，为长天美好的安全生产蓝图添上自己自信的一笔。

燃气公司年终工作总结2

客服部在燃气公司领导的正确领导下，在各部门的大力支持下，本部门员工齐心协力，较好的完成了客户服务、用户置换通气、中压管网的巡护和维抢修工作，现将一年来的工作总结如下：

一、客服工作

客服部全体员工认真学习昆仑燃气公司下发的各种文件，深入学习实践科学发展观，通过学习深刻领会了文件的深刻内涵，在此思想的指导下，我部门本着礼貌待客，文明服务的原则，接线员24小时接听客服热线，工作时使用文明用语，客户咨询热情解答，对待客户咨询报线电话，耐心听取及时记录并予以解决，电话解决不了的及时通知客服人员上门解决，与客户有预约，无论刮风下雨及时赶到，绝不拖延，尽力做到让用户满意，今年共接到客服电话多个，上门处理问题800余次，电话解决1200多户，客户客户满意度达到90%以上。

1、用户置换通气工作随着城市燃气事业不断的发展，新增燃气用户和燃气管网也在不断增加，为了能按期安全为用户，客服部在接到燃气公司下达的通气指令后，立即前往通气现场，熟悉分布、走向、阀井位置、调压箱的布局，根据现场具体情况编制置换通气方案，安全的把气送到用户家中，今年通气小区25个，通气户数4020。

2、客户回访及安全宣传工作对通气用户进行回访及安全宣传也是客服部的一项重要工作，也是与客户之间保持良好沟通的重要渠道，对于回访工作，客服人员以热情的工作态度，为用户的切身利益着想，想方设法为他们排忧解难。在回访过程中，主要解决的问题是用户对燃气管道的私拆、私改、私接等违章现象，对于这种情况，客服人员向用户宣传燃气安全，安全使用燃气灶具及异常情况处理常识，并耐心向其讲解不能乱拆、乱改管线的原因，从而杜绝室内因擅拆管线引起的安全隐患，今年共计回访用户4000。

二、管网巡护工作

1、天然气管网巡护

随着燃气用户的不断增加，天然气管网及用户已遍布两区的大街小巷，中压管网长度已达100多公里，用户两万多户，阀井370多个，调压箱400多台，商业用户35户因而管网及燃气设施的安全运行工作显得尤为重要，为了确保中压管网及燃气设施安全运营，在任务重，人员少的情况下，客服部对原有的巡线方案进行了调整，客服部把运营管网分成两个片，实行专人巡查，专人承包，专人负责。巡线人员对自己巡查区内的燃气设施的安全运行及用户安全用气负全部责任，并要求巡线人员对各巡查区内的调压箱、阀井、阀门实行月巡查签字制，对调压箱、阀井每月清扫一次。每月都要对调压箱的出口压力、切断压力进行检测，每月对商业用户的流量计进行检查并抄用气量一次，对巡查出的问题要及时上报，及时处理。正是由于措施得力，落实到位，加之巡线人员的努力工作，才确保了管网安全平稳不间断的向用户供气。

2、燃气设施维护保养

本年度客服人员对所管辖区的所有调压箱整体进行了清洁处理，对调压箱的过滤器进行了吹扫清洗，对有腐蚀现象的箱体、阀门进行防腐、刷漆、除锈处理，对中压管网的阀井、阀门进行了清扫、除锈、防腐等维护保养。

3、维抢修工作

客服维抢修人员都认真履行自己的职责，严格要求自己，时时处于高度警惕状态，无论上下班，电话保持二十四小时开机，保证有突发情况时随叫随到，对于维抢修工作更是不敢有一丝懈怠，巡检、查修一丝不苟，对用户的维修电话机管网设施的一场情况都能及时赶到现场维护抢修，从而实现的燃气公司燃气管网的安全运行。突发事故，维抢修人员都在第一时间接报，第一时间出动，第一时间控制现场并进行了维护抢修，这也充分体现了维抢修人员快速处理突发的快速反应能力。

4、用户安装工作

客服部接受了燃气公司部分用户户内安装及全部燃气热水器三通的工作，安装人员进行入户安装时，能够实事求是地解决各种问题，按照安装规范进行天然气设施的安装，在任务重，安装难度大，工期紧的情况下，安装人员不怕热、不怕脏、不怕苦，任劳任怨，努力工作，按期完成了安装任务。

本年度通过我部门员工的努力，使城市管网、用户用气安全无事故运行，但是我们工作中还有很多不足，理论学习挂的还不够，实践经验缺乏，技术理念淡薄，在下一步的工作中我们将努力学习理论知识，在实践中不断总结经验，提高每个员工的业务水平，积极参加燃气公司组织的义务劳动，学习培训及其它各项活动，认真学习燃气公司的各项规章制度及每次会议精神，并将其贯彻到日常工作中，使客服部的工作规范有序的开展，从而确保燃气公司的安全生产。

燃气公司年终工作总结3

回顾这一年的工作经历，是我个人职业生涯的重要一年。在这一年里，得益于领导的悉心指导和同事的照顾关怀，工作能力得到了较大的进步，积累了更加丰富的工作经验。以下将今年工作的主要情况向在座的领导和同事做以下汇报，请领导和同事们多多指正。

一、思想进步情况

在科学技术不断改革创新的今天，只有与时俱进，才能适应发展需要。因此，在工作中加强学习;在工作之余抽出时间，关心时事政治，学习先进理论。通过学习，使自己的观念得以更新，业务知识不断丰富，管理水平有所提升。我始终以敬业不息为信念，把宽以待人、严以律己、遵纪守法作为自己的工作准则，做到自尊、自重、自律。时刻以公民道德规范要求自己，工作兢兢业业，乐于奉献;关心同事，为人正派，办事公道，凡是要求遵守的规章制度，我自觉遵守;凡是我职责范围内的工作，我积极参与。

二、年度主要工作成绩

气工程日常的工作，以解决现场气工程方面的问题为主。针对套压高、油套内气体含硫化氢、油套环空保护液不合格等情况，深入分析并提出措施建议，使套管压力得到有效控制。对普光气田气井套管进行监测，共安排套管取样285次，实际完成套管取样247井次，实际完成取样的87%，为解决气井套管异常问题提供了可靠的依据。为避免套管腐蚀，加强环空保护液对套管的保护作用，共对10口井进行了环空保护液的加注施工，有效改善了套管异常情况，取得较为明显的治理效果。针对普光1井压力异常现象，对普光1井进行了泄压及压力恢复实验，证实技套压力来源于技套内部本身，油套压力来源于陆相层位渗漏，风险在可靠范围内。针对p102—3井筒堵塞造成不能正常生产的问题，参与对该井的注热水解堵施工和连续油管施工，使p102—3井恢复正常生产。参与对p303—3井气树壁厚检测施工，对前期确定的气树腐蚀速度较快的部位进行检测，重点监控气树各检测点腐蚀速率，是否出现坑蚀、冲击异常腐蚀、敷焊层是否出现脱落(气泡)等异常腐蚀情况，以了解气树内腔腐蚀状况。对井下压力计进行升级改造，实现了井下压力计接入scada系统进行数据远程传输查看，并达到数据自动记录并保存在中控室的服务器上。对p104—1井下压力计出现两次数据异常情况进行维护，保障了井下压力计正常使用。参与申报并获批专利一项，获得普光分公司qc成果三等奖一次。

三、存在的不足

在工作中，我也还存在很多不足，首先是工作经验仍很欠缺，工作上很多时候考虑不够周全，在工作的编排和工作的轻重缓急的把握上不够到位，导致工作开展困难，延误一些重要工作的开展时机，为此还需要虚心向领导和同事认真学习和借鉴经验。二是工作中吃苦和钻研精神不够，对工作中存在的问题有时不能够及时跟进、解决，导致工作滞后。三是综合协调能力较差，在与领导和同事沟通中不能很好的把握交流、沟通的技巧，在协调各同事配合的时候没能做好沟通，很多时候把握不住沟通的重点，导致在与其他同事配合上存在漏洞。四是工作中存在心态浮躁、失衡的现象，工作中存在偏激的情况，不能做到以一颗平常心对待工作，还需要加强政治学习，努力提高个人修养。五是业务水平仍显不足，有待进一步提高，往后还需要加强工作基础知识和专业技术知识学习。

四、工作目标

普光气田开发进入新的篇章。在这一年里，作为气工程技术员，切须加强井况问题分析研究及气工程难题攻关，加强新技术的引进，及时解决井况问题，为气井安全、平稳生产作出努力。普光气田作为国内首个“三高”气田，是个出成果、创新技术的好地方，自我要求今年完成科技成果和qc成果各一项。针对自身不足，还需要努力学习和全面提高综合素质，加快自身成长，力求成为普光气田一名优秀的技术员。

燃气公司年终工作总结4

20__年以来，我局在县委、县的正确领导下，认真贯彻执行《安全生产法》和《安徽省燃气管理条例》等法律、法规，狠抓燃气安全管理工作，取得了优异成绩，做到安全生产无事故，现将20__年燃气安全管理情况汇报如下：

一、工作开展情况

(一)制定燃气应急预案。根据《安全生产法》、《安徽省燃气管理条例》等法律、法规和《阜阳市城市燃气系统重大事故应急预案》等，滤布结合我县实际，制定了《太和县城市燃气系统重大事故应急预案》，来指导城市燃气系统重大事故发生地的应急处理，及时、有序、高效、妥善地处置有可能发生的城市燃气系统重大事故，在必要时实施紧急支援工作，最大限度地减轻事故造成的损失，保护人民生命财产安全。

(二)认真落实安全生产责任制。我局在年初与平安液化气站和团结液化气公司分别签订了安全生产责任书，要求企业按照责任书的要求，认真抓好燃气安全生产工作，杜绝各类事故的发生。

(三)认真开展“全国安全生产月”活动。按照市县有关文件要求，我局认真开展“安全生产月”活动，下发了《关于开展全国安全生产月活动的通知》，于6月13日参加全县“安全生产月”宣传咨询日活动，在大戏院广场设咨询台，设置彩虹门，利用宣传车，发放宣传资料等进行广泛宣传。

(四)突出重点，严格管理，认真开展燃气安全检查工作。针对我县燃气市场存在的实际问题，依据《安徽省燃气管理条例》，突出重点，严格管理，取多种措施，规范经营行为，做好燃气市场管理工作。

1、认真开展燃气安全日常管理工作，由燃气办负责。对照燃气站点进行日常性检查，发现问题，及时解决，把事故消灭在萌芽状态。

2、认真做好工作。根据市建委等四部门《关于开展规范城镇燃气市场加强燃气安全管理专项治理活动的通知》，我局转发了有关文件，制定我局《燃气安全管理专项治理方案》，整治时间为半个月。为做好工作，我局成立了组织，抽调5个人，一台车，专门从事这项工作，坚持每天二次上路巡查。经过治理，基本上遏制乱倒气、乱充气的势头，共收缴导枪15把，送检过期钢瓶100多只。

3、认真做好重大事故隐患和重大危险源排查工作。开展了对重大事故隐患和重大危险源排查工作，将两个重大危险源，团结液化气公司和平安液化气站进行了登记，及时掌握情况，杜绝事故的发生。

二、下一步工作打算

(一)加强学习，提高认识

我局将在继续认真学习、贯彻《安全生产法》、《安徽省燃气管理条例》的基础上，继往开来，与时俱进，加强燃气市场管理，强化安全意识和群众观念，做到依法行政，严格管理，使之逐步走上规范化、制度化、经常化的管理轨道，确保一方平安。

(二)加快办理证，使燃气市场合法运营

与各业务单位积极配合，按照燃气经营企业办理证程序，尽快完善手续、发放证件，使我县燃气市场合法运营健康发展，以利于我们的管理。

(三)积极探索新的管理模式

在明年，我局将在做好日常管理工作的同时，依据有关法律法规，与公安消防、技术监督、安全生产、工商等有关单位密切配合，通力协作，明确职责。在规划布局、经营点管理上下功夫，积极探索出一套新的管理模式，确保安全不出事故。

(四)继续加强宣传正面引导

我局将做到双管齐下，一边加强管理，一边加强宣传教育，将利用各种机会积极、扎实、广泛、有效地开展安全生产的宣传教育工作，利用电视、条幅、传单、宣传车等形式，宣传燃气安全生产，强化企业及居民的安全意识和观念，正确引导，依靠全社会的力量，监督液化气的安全管理，防患于未然。

燃气公司年终工作总结5

各位领导、各位同仁：

大家好!我现在就我公司__年度至今的安全生产工作情况给大家做一个总结汇报。我公司在安全生产工作当中，加强领导、严格管理、取措施、杜绝隐患，认真贯彻执行国家有关安全工作的方针、政策、法规，并按照四川省燃协安全工作会议上提出的“实现一个目标、健全两个体系、突出三个重点、做好四项工作”的会议精神和工作目标，来开展安全生产工作的。

牢固树立安全第一的指导思想，贯彻执行“预防为主，防消结合”的工作方针，进一步完善了各项安全规章制度，实行安全管理目标责任制。坚持安全与生产相一致，“谁主管，谁负责;谁受益，谁负责”的原则，强化安全管理，提高安全认识，进一步落实了安全生产责任制，完善了各项安全管理考核制度，按部门划分了安全管理责任区，层层落实各部门的安全生产管理责任和签定责任书，形成了一个安全管理，领导有力、组织健全的管理体系。其具体工作如下：

一、健全两个体系、实现一个目标

安全工作对于我们这种特殊行业的企业来说，责任重大关系到千家万户和社会的稳定，绝不可掉以轻心。虽然安全工作本身不产生经济效益，但只有实现了安全生产，才谈得上经济效益和社会效益，才会有公司的健康发展。从总经理到部门职工，我们始终都把安全生产放在首位。

安全管理是一个系统性的工作，应该把企业内部的安全管理目标置于全体员工的控制下，首先在公司内部从公司到各部门进一步完善了安全抢险应急预案，然后实行分级管理，使其达到各尽其责的目的，形成齐抓共管的局面。由于公司员工多数是各单位调动而来，相对来说专业技术知识还需要不断提高。

为了提高全体员工的整体素质，今年年初公司制定了培训，分期分批派出人员到外地系统地进行专业知识学习取证，提高了职工的整体素质和日常维护的业务技能，增强了处理突发事故的能力。

我们还经常开展一些有关安全知识业务知识的培训教育，并进行了达标考试，合格率为100%，使全体员工做到了懂安全、事事重安全。为了在出现安全事故时公司员工均能第一时间关闭相关地下控制阀门和总表阀门，除了正常值班人员外，其他员工也人手一把总表房钥匙，使其能就近及时排除安全事故，真正做到安全工作有责，负责的管理体系。天然气的安装从设计、施工、到竣工通气的每个环节，我们都严格按照城市燃气有关技术规范进行，对不符合安全规范的决不通气，坚持“一票否决制”，对各个环节的技术资料存档备案。为杜绝事故发生，施工中严格实行动火制度，分管领导签字后方能实施。对天然气管网及用户的后期管理，今年公司新添燃气泄漏巡检仪和智能管线控测仪各一台，实行专人长期的巡回检查，对供气设备定期保养，使其随时保持良好的工作状态，按日作好检查记录，每月将检查结果及整改情况存档备查。为了解决突发故的发生，抢险队、抢险车，每日24小时值班为能在最短时间内处理事故提供了可靠保证。在公司全体员工的共同努力下，今年实现了三无目标。

二、加强重点部位安全检查，和“一岗双责”的落实

安全检查是安全管理的一个重要环节，由于公司全体员工对安全工作的重要性达成了共识，所以形成了雷打不动的安全检查制度。

今年对全市天然气主管网再次进行了安全评估检测，对发现的15个泄漏点及时的进行了整改，使事故防患于未然。对私拉乱接，违章用气，违章建筑压管等状况，我们严格执行《四川省燃气管理条例》的有关规定，坚决予以取缔，并限期进行整改。为杜绝事故的发生，真正做到了“以检查促整改、以整改保安全。为抓好重点部位、重点环节、重点时段的安全，我们特别注重对全市大、中、商业、工业用户以及居民小区的安全检查。今年公司又投入十万元对全市天然气主管网再次进行安全评估检测，对发现的泄漏点和防腐层破损点及时的进行了整改，使事故防患于未然。

在公司内部，我们对各部门和各生产岗位，分季度、半年、年终实行“一岗双责”考评制度，让全体员工懂得既要对本岗位的生产工作负责，也要对本岗位的安全生产负责。通过多年来的实践证明，由于坚持了安全检查，就能够防止不必要的事故发生，为公司的发展，创造了一个安全稳定的环境。

三、加强技术管理，使用新型材料，更新供气设备确保安全

为了更好的对全市天然气管网进行管理，在发生事故时能用最短的时间解决、处理问题，计算机管网系统(从配气站——门站——市区管网——各调压器——各用户)真正做到了方便、快捷、准确、可靠。从过去的经验管理向高科技管理迈进了一大步。今年我公司针对我们本行业的特殊性，普遍存在供气管网设备老化，跑冒滴漏等现象。对全市的超期服役运行的供气设备，如用户的户内煤气表、调压设备等逐步进行更换，对主管网及其阀门井也逐步更换为方便、快捷、经久耐用的新型阀门，另外对我市新安装主供气管道及庭院管道全部用新型材料PE管，对老管线也将逐步更换，确保供气设备的正常安全运行，为整个城市的天然气供输系统的稳定、安全提供了保障。

Jason反演技术在天然气水合物速度分析中的应用

陆敬安

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

作者简介：陆敬安，男，（10—），博士，高级工程师，主要从事综合地球物理资料解释工作。

摘要 测井是水合物深入勘探阶段—钻探阶段的必要手段，已得到较好应用。文章综合介绍和分析了ODP204航次、加拿大西北马更些河三角洲地区Mallik 5L-38井、IODP311航次及日本南海海槽等较新的水合物钻探调查的测井方法与技术，重点分析了核磁测井、电磁波测井及偶极横波测井等测井新技术在水合物勘探与评价中的应用，对测井方法在水合物勘探中存在的问题进行了讨论。

关键词 天然气水合物 测井方法 测井解释

1 前言

测井方法在油气藏勘探和开发过程中得到了广泛的应用，由于水合物的发现与研究相对较晚，测井方法在天然气水合物中勘探中的应用也只是随着钻探工作的开展而有了应用的空间。由于天然气水合物存在于合适的温压条件环境中，一旦脱离该条件，水合物即分解。因此，能够在原位地层压力和温度条件下测量地层物理特性的测井方法对发现和研究天然气水合物来说是其它的勘探方法所不能替代的（高兴军等，2003）。到目前为止，已有的水合物钻孔勘探中几乎都使用了测井方法，如危地马拉的570号钻孔、ODP164航次（Paull，C.K.，Matsumoto，2000）、State Ellien-2及日本南海海槽天然气水合物钻探、ODP204航次、Mallik 5 L-38井及IODP311航次等。测井方法对含水合物沉积层的识别起到了良好的效果。在水合物钻探过程中，一个井场往往要钻几口井，分别用于随钻测井、钻探取芯及电缆测井等。随钻测井方法与电缆测井是在钻井的不同阶段进行的，同样的测井方法原理基本相同。根据以往的情况分析，不是所有的水合物钻探都使用了随钻测井。作为测井工作的一部分及为了全面了解水合物测井方法及其特点，本文将分别加以介绍。

2 测井方法概述

2.1 随钻测井

天然气水合物钻探中随钻测井（LWD）的主要目的之一是为了确定合适的取芯位置。通常随钻测井与随钻测量（MWD）同时进行。LWD和MWD仪器测量不同的参数，MWD仪器位于紧邻钻头之上的钻环中，用于测量井下钻探参数（如钻头重量、扭矩等）。LWD和MWD仪器的差别是LWD数据被记录到井下内存当中并在仪器到达海面之后取出数据，而MWD数据是通过钻杆内的流体以调制压力波（或泥浆脉冲）的形式传输并进行实时监控。在LWD和MWD两种仪器联合使用的情况下，MWD仪器可同时将两种数据向井上传输。在最新的水合物钻探中，日本南海海槽的天然气水合物钻探、ODP204航次及IODP311航次使用了LWD测井，所使用的仪器名称及其输出参数见表1。

表1 天然气水合物随钻测井和随钻测量方法　Table1 The LWD＆MWD tools description used for gas hydrate logging

204航次中使用的LWD和MWD仪器有钻头电阻率仪（RAB）、能量脉冲MWD仪、核磁共振仪（NMR-MRP）及可视中子密度仪（VND），如图1 所示，图中GVR6 为可视地层电阻率仪，包括深、中、浅电阻率及环带电阻率和自然伽玛五种测量。这是NMRMRP仪器首次用于ODP航次。不同的测井方法组合在不同的测井场合有不同的名称，如在日本的天然气水合物钻探中，密度与中子组合在一起称为CDN、伽马射线和电阻率组合称为CDR，尽管名称存在差异，但其测量的物理参数是一致的。

LWD测量被安排在钻孔之后及钻探或取芯作业所引起的负面效应之前进行。由于钻探和测量相距的时间较短，相对于电缆测井而言钻井液对井壁的侵入处于轻微阶段。

图1 ODP204航次使用的随钻测井及随钻测量仪器串

（图中数字单位为米，从钻头最底部算起）

Fig.1 LWD＆MWD Tools Used in ODP204

（The unit of the number is meter and starts from the bottom）

LWD设备由电池提供电源并使用可擦写/编程的只读存储器芯片来存储测井数据。LWD仪器以等时间间隔的方式开展测量并与钻井架上监控时间和钻探深度的系统同步。钻探之后，LWD仪器被收上来下载数据。井上和井下时钟的同步能够使得将时-深数据与井下时间测量数据合并成一个深度测量的数据文件。最终的深度测量数据被传送到船上的实验室进行整理和解释。

2.2 电缆测井

电缆测井对天然气水合物储层的精确定量评价起非常重要的作用。由于天然气水合物储层的电阻率及声波速度明显偏高，因此电阻率测井和声波测井是识别天然气水合物的有效方法。另外，精确的评价天然气水合物储层还需要结合其它测井方法进行综合评价。天然气水合物钻探中使用过的电缆测井方法见表2，这些测井方法的详细介绍可在有关书籍和文件中找到。一些较新的测井技术，如FMI、DSI、EPT、CMR等测井方法在ODP204航次（Tréhu，A.M.，Bohrmann，2003）、Mallik 5L-38及日本南海海槽天然气水合物的识别和评价过程中发挥了重要作用。

表2 天然气水合物电缆测井方法　Table2 The wireline logging methods for gas hydrate exploration

续表

表2中大部分测井仪为204航次使用的方法，EPT在Mallik 5L-38井中首次使用，日本南海海槽的天然气水合物钻井勘探中使用了CMR仪（Takashi UCHIDA，Hailong LU，2004）。

3 水合物测井评价

天然气水合物储层测井评价的关键问题之一是建立合适的储层评价模型（手冢和彦，2003）。根据岩心观察，天然气水合物在沉积物中的分布主要有以下几种情形（王祝文等，2003）：分散胶结物、节状、脉状及块状。永久冻土带及海洋天然气水合物的储层模型如图2所示。模型共分四类，其中永久冻土带两类：冻土层内及冻土层下，二者的区别为在冻土层之下，流体部分含自由水，而在冻土层内部流体部分含冰成分；海洋天然气水合物也分两类：一类为流体部分含自由水，另一类为流体部分含游离气。在ODP204航次及日本的南海海槽水合物钻探中使用模型C对测井资料进行解释，而在Mallik井中则使用的是模型A。模型A和C均是基于常规油气评价的双水模型提出的。

由于天然气水合物具有独特的化学成分及特殊的电阻率和声学特性，因此，通过了解天然气水合物储层的这些特征应有可能获得天然气水合物饱和度及沉积孔隙度（陈建文，2002；王祝文等，2003），这也是两个最难确定的储层参数。钻井是获取孔隙度及烃饱和度的重要数据来源。本质上，目前大部分的天然气水合物测井评价技术还是定性的，且借用的是未经证实的石油工业使用的测井评价方法。为了证明标准的石油测井评价技术在评价天然气水合物储层中的有效性，还需要进行大量的实验室和现场测量。由于天然气水合物以不同的方式影响每种孔隙度测量方法，因此可通过对比不同的孔隙度测量技术来估计天然气水合物的数量。

图2 永久冻土及海洋天然气水合物储层模型

Fig.2 The reservoir models for permafrost and marine gas hydrate

3.1 孔隙度评价

天然气水合物储层的孔隙度评价所利用的测井数据主要包括电阻率测井、密度测井、声波测井、中子测井、核磁共振测井等与地层孔隙密切相关的地层物理响应，同时还辅以自然电位、自然伽玛、岩心分析等数据来进行的。有关文献已经对部分常规测井方法的应用作了介绍，这里仅介绍较新的测井手段及其解释方法。

3.2 饱和度评价

（1）电磁波传播测井

电磁波传播测井仪只在 Mallik 5L-38井中使用过（S.R.Dallimore，T.S.Collett，2005），电磁波传播测井的垂向分辨率高于5cm，用来测量天然气水合物的原位介电特性，据此计算天然气水合物的饱和度。天然气水合物储集带的平均介电常数为9，在5到20之间变化；带内的平均电阻率超过5Ω·m，当仪器的工作频率为1.1GHz时，电阻率在2Ω·m到10Ω·m之间变化。电磁波传播测井仪同时输出传播时间及信号衰减两个参数。地层的介电常数及电导率可由下式计算（Y.-F.Sun，D.Goldberg，2005）：

南海地质研究.2006

南海地质研究.2006

式中：tpl为慢度或传播时间，单位ns/m；a为衰减量，单位为db/m；εr为相对介电常数，无量纲；σ为电导率，单位为西门子/s，c（=0.3m/ns）为真空中光的速度。

Y.F.Sun及D.Goldberg等用等效介质方法并定含天然气水合物地层的多相系统可近似为连续、均质及各向同性介质，认为含天然气水合物介质的等效磁导率为1，其介电常数及体积密度遵从下面的体积平均混合规则：

南海地质研究.2006

南海地质研究.2006

南海地质研究.2006

式中，φa为第a种成分的体积百分比，ρa和εa分别是第a种成分的密度和介电常数，ρ和εr分别为体密度及体介电常数。这里定孔隙性介质仅包含三种组分：固体颗粒、天然气水合物及水。从而上面的公式可以简化为：

ρ=（1-φ）ρs+φShρh+φ（1-Sh）ρw （6）

南海地质研究.2006

式中，φ为总孔隙度，Sh为天然气水合物的饱和度，ρs、ρh及ρw分别为固体颗粒、天然气水合物及水的密度，εrs、εrh及εrw分别为固体颗粒、天然气水合物及水的介电常数。在已知每种组分的密度和介电参数情况下，就可依据介电和密度测井由上面的方程计算出含天然气水合物地层的孔隙度和水合物饱和度。

图3所示为电磁波传播测井在Mallik 5 L-38井中含水合物层的传播时间与电阻率图。从图中可以看出，电磁波传播时间曲线与声波传播时间曲线具有相似的趋势，但其分辨率更高。右边的电阻率曲线道上，电磁波传播电阻率的分辨率也明显高于感应电阻率。

图4为根据电磁波传播测井求出的地层孔隙度及天然气水合物饱和度。图中中子孔隙度的数值偏高，这是由于中子孔隙度测量的含氢指数不仅与游离态的氢有关，还与束缚水中的氢有关。由于电磁波传播测井具有较高的垂向分辨率，因此其在揭示含天然气水合物层的细微结构方面拥有独特的能力。

（2）声波测井

与不含天然气水合物的沉积层相比，含有天然气水合物的沉积层呈现出相对较高的纵波和横波速度。目前已提出了许多不同的速度模型来预测天然气水合物对弹性波速度的影响，如时间平均方程、等效介质理论、孔隙填充模型、胶结理论、加权方程及改进的Biot-Gassmann理论（BGTL）等。以下介绍BGTL的基本理论及应用效果。

根据纵横波速度的如下关系式：

Vs=VpGα（1-φ）n （8）

式中，Vp为纵波速度，Vs为横波速度，α为骨架物质的Vs/Vp比值，n的值取决于不同的压力和固结程度，φ为孔隙度，G为取决于骨架物质的参数，Lee（2003）推导出了下面的剪切模量μ：

南海地质研究.2006

其中，

南海地质研究.2006

式中的kma、μma、kfl及β分别为骨架的体积模量、骨架的剪切模量、流体的体积模量及Biot系数。

Biot-Gassmann理论给出了沉积物体积模量的计算方法：

k=kma（1-β）+β2M （11）

饱和水的沉积物的弹性波速度可由下式依据弹性模量计算：

南海地质研究.2006

图3 电磁波传播测井曲线与声波及感应电阻率曲线的对比

（其中声波传播时间、电磁波传播时间较低段及电阻率显示高阻值段为水合物层）

Fig.3 The comparison of logging curves between EPT，acoustic and induction

（The depth interval between 906.5～925meters is the gas hydrate zone）

式中ρ为地层的密度。

对于松软岩石或未固结的沉积物，用如下的Biot系数

南海地质研究.2006

对于坚硬或固结的地层，用Biot系数为

β=1-（1-φ）3.8 （14）

Lee（2003）建议用下面的方程计算n值：

图4 电磁波传播测井计算出的地层孔隙度及天然气水合物饱和度

Fig.4 The porosity and gas hydrate saturation calculated from by EPT logging

南海地质研究.2006

式中，p为差分压力（MPa），m代表固结或压实对速度的影响。实际问题中，?φ/?p很少知道，上式中的m很难直接应用。测量数据分析表明固结沉积物的m值为4～6，未固结沉积物的m值为1～2。

参数G用于补偿当骨架为富含粘土的砂岩时实测值与预测值之间的差异。对于泥质砂岩，G值为：

南海地质研究.2006

其中，Cv为粘土含量百分比。对于含天然气水合物沉积有如下的求取G的方程：

南海地质研究.2006

式中Ch为孔隙空间中天然气水合物的浓度。Lee（2002）指出含天然气水合物沉积的n=1及G=1。由于这些参数是在没有考虑速度发散的情况下在超声频率范围由速度获得的，因此参数n和G可以认为是用来拟合测量数据的自由调节参数。图5为根据纵波速度及NMR孔隙度求出的天然气水合物浓度对比图。

图5 由纵波求出的天然气水合物浓度及由NMR求出的天然气水合物饱和度

Fig.5 The gas hydrate saturation calculated from P-we and NMR

根据分析结果可知，当用声波数据估计天然气水合物浓度时，P波速度优于S波速度，主要原因是当用P波速度时与BGTL中的n和G参数有关的误差较小；另外，在纯砂岩层段，NMR孔隙度测井估计的天然气水合物浓度值略高于由P波速度估计的数值。

（3）核磁共振测井

核磁共振测井在描述天然气水合物沉积方面起着重要作用。如果与密度孔隙度测量结合起来，可能是获取天然气水合物饱和度的最简单同时也是最可靠的手段。核磁共振测井仪仅对孔隙空间中的液态水有响应，对天然气水合物没有响应。计算储层孔隙度和天然气水合物饱和度的公式如下：

南海地质研究.2006

南海地质研究.2006

式中，水的氢指数HIw?1，甲烷水合物的NMR视氢指数HIh=0。水的密度ρw=1.0g/cm3，天然气水合物的密度ρh=0.91g/cm3，砂岩骨架的密度ρma=2.65g/cm3，Ph为天然气水合物的NMR极化校正值，仅与HIh伴生出现。λ=0.054，因此

南海地质研究.2006

声波和电阻率测井求出的饱和度在大部分层段是一致的，而在1003～1006m、1014～1020m之间，三种方法给出了三种不同的结果。而核磁共振方法与另两种确定的方法得到的结果不一致，造成这种不一致的原因目前尚不得而知，有待于进一步分析。

3.3 地层应力分析

图6 1088m深度处天然气水合物层段发散曲线

图6中a）图分别为快横波偶极挠曲波（红色）、慢横波偶极挠曲波（深蓝色）、低频单极斯通利波（淡蓝色）及高频单极斯通利波（绿色）；b）图为相应的平均谱特征。

Fig.6 The dispersion curves from the gas hydrate interval at a depth of 1088m

a）The dispersion curves for the fast shear dipole-flexural（red），the slow shear dipole-flexural（dark blue），the low frequency monopole stoneley（light blue）and high frequency monopole stoneley（green）；b）Average spectral characteristics

交叉偶极声波测井数据提供了描述地层横向各向异性的条件。传统的处理是在时间域进行的，得到的是地层各向同性或各向异性特征（Lee，M.W.，2002）。声波各向异性既可以是内在的，也可以是应力诱导的。最近的研究表明交叉偶极测井数据的频域处理可以将内在各向异性与应力诱导的各向异性区分开。交叉偶极测井数据的频域处理还使得对地层横波慢度的径向变化描述成为可能，对交叉偶极挠曲波的慢度频域分析还表明低频部分的探测深度达到六倍的井孔半径，可探测到原状岩石，而高频部分的偶极挠曲波则可以穿透一倍井孔半径的深度，探测到机械损坏区。高频测量数据偏离均质、各向同性模型则是机械破坏的指示。分析偶极发散曲线可以估计机械破坏区的深度。

声波数据的处理分两步进行：①慢度及各向异性分析，及②发散曲线分析。

图6及图7所示分别为含天然气水合物层及水填充的各向异性层段的发散曲线。曲线发散分析是了解声波波形数据的有效方法。在低频段，挠曲波穿透能力深至地层并可探测到远场应力；在高频段，挠曲波探测靠近井周的应力。图6a的纵波首波慢度大约为300us/m，它是非扩散型的且最大激发频率超过8 kHz。斯通利波慢度为850us/m，同时含有淡蓝色及绿色的点，表明低频和高频单极激发都能产生斯通利波。两条正交的偶极挠曲波发散曲线相互重叠。这是在垂直于井孔的平面内地层为各向同性的关键指示。

图7 1112.8m深度处水填充各向异性层段发散曲线

Fig.7 Dispersion curves from the water-filled anisotropic interval at a depth of 1112.8m

a）The dispersion curves for the fast shear dipole-flexural（red），the slow shear dipoleflexural（dark blue），the low frequency monopole stoneley（light blue）and high frequency monopole stoneley（green）；（b）Average spectral characteristics

图7a所示与图6a所示具有明显的不同，即它是各向异性层。偶极挠曲波清楚显示出在低频段的各向异性特征。地层的快横波慢度约为900us/m，而慢横波约为1100us/m。这指示出了22%的各向异性。与含天然气水合物层段相比，纵波数据高度发散。

4 结论

测井技术在天然气水合物勘探的高级阶段是必不可少的工具，其对天然气水合物储层参数的精确评价对计算天然气水合物的储量至关重要，并为天然气水合物的开提供准确的层位定位及基础数据。测井方法的发展日新月异，数据解释的精度也不断提高，在利用测井技术研究天然气水合物储层时仍限于移植油气评价方法，由于天然气水合物在地层中具有不同于油气的赋存状态，对于这样做的合理性还有待于深入的研究。根据以上研究成果得出以下结论：

1）电磁波传播测井由于具有较高的垂向分辨率，对于较薄的地层显示出较其它测井方法具有精细评价饱和度的优势；

2）核磁共振测井反映的是自由流体所占的孔隙空间，有利于详细评价自由水、束缚水及水合物所占的空间，但有关核磁测井的精细解释尚需建立在实验分析的基础上；

3）偶极声波测井对预测地层各向异性及应力分布有良好的效果；

4）另外，还应开展对天然气水合物样品的实验室研究，以便对测井解释结果进行刻度。

参考文献及参考资料

陈建文.2002.天然气水合物及其实测的地球物理测井特征，18（9）：28～29

高兴军，于兴河，李胜利，段鸿彦.2003.地球物理测井在天然气水合物勘探中的应用，地球科学进展，18（4）：305～311

手冢和彦，等.2003.天然气水合物的测井解析，海洋地质动态，19（6）：21～23

王祝文，李舟波，刘菁华.2003.天然气水合物的测井识别和评价，23（2）：～102

王祝文，李舟波，刘菁华.2003.天然气水合物评价的测井响应特征，物探与化探，27（1）：13～17

Lee M.W.2003.Velocity ratio and its lication to predicting velocities：United States Geological Survey，Bulletin 21，15p

Lee，M.W.2002.Biot-Gassmann theory for velocities of gas hydrate-bearing sediments，Geophysics，V.67，1711～1719

Paull C K，Matsumoto R，Wallace P J，and Dillon，W P（Eds.）.2000.Proceedings of the Ocean Drilling Program，Scientific Results，Vol.164

S.R.Dallimore and T.S.Collett（ed.）.2005.Geological Survey of Canada Bulletin 585，Scientific results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program，Mackenzie Delta，Northwest Territories，Canada

Takashi UCHIDA，Hailong LU*，Hitoshi TOMARU**and the MITI Nankai Trough Shipboard Scientists，Subsurface Occurrence of Natural Gas Hydrate in the Nankai Trough Area：Implication for Gas Hydrate Concentration RESOURCE GEOLOGY，Vol.54，No.1，35～44，2004

Tréhu A M，Bohrmann G，Rack F R，Torres M E，et al.2003.Proceedings of the Ocean Drilling Program，Initial Reports Volume 204

Y.-F.Sun，D.Goldberg，Analysis of electromagnetic propagation tool response in gas-hydrate-bearing formations，in Scientific Results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Prodction Research Well Program，Mackenzie Delta，Northwest Territories，Canada，（ed.）S.R.Dallimore and T.S.Collett；Geological Survey of Canada，Bulletin 585，8p

The Application of Well Logging To Exploration And Evaluation of Gas Hydrates

Lu Jingan

（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：Well logging is the indispensable roach when the exploration of gas hydrates step into drilling and good results has been illustrated.The paper briefly introduces and construes the well logging technologies employed in the exploration of gas hydrates of Mallik 5 L-38，IODP311 and MITI Nankai-trough well.The emphasis lies in the analysis of the lication of NMR，EPT and DSI logging to exploration and evaluation of gas hydrates.Also some issues during the well log interpretation of gas hydrates are discussed.

Key Words：Gas hydrates Well logging methods Well logging interpretation

含天然气水合物沉积层的AVA特征分析

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

安鸿伟，李正文，李仁甫，等.2002.稀疏脉冲波阻抗反演在XY油田开发中的应用.石油物探，41（1）：56～60

陈建文，闫桂京，吴志强，等.2004.天然气水合物的地球物理识别标志.海洋地质动态，6：9～12

郝银全，潘懋，李忠权.2004.Jason多井约束反演技术在油气储层预测中的应用.成都理工大学学报，31（3）：2～300

梁劲，王宏斌，郭依群.2006.南海北部陆坡天然气水合物的地震速度研究［J］.现代地质，20（1）：123～129

廖曦，马波，沈浩，等.2002.应用Jason软件进行砂体及含气性预测.天然气勘探与开发，25（3）：34～42

刘学伟，李敏锋，张聿文，等.2005.天然气水合物地震响应研究——中国南海HD152测线应用实例.现代地质，19（1）：33～38

沙志彬，杨木壮，梁金强，等.2003.BSR的反射波特征及其对天然气水合物识别的应用.南海地质研究，15（1）：55～61

史斗，郑军卫.1999.世界天然气水合物研究开发现状和前景.地球科学进展，14：330～339

王宏斌，梁劲，龚跃华，等.2005.基于天然气水合物地震数据计算南海北部陆坡海底热流.现代地质，19（1）：67～73

闫奎邦，李冬梅，吴小泉.2004.Jason反演技术在岩性识别中的应用.石油物探，43（1）：54～58

张光学，黄永样，陈邦彦，主编.2003.海域天然气水合物地震学.北京：海洋出版社

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

天然气水合物稳定域热流场计算方法研究

张如伟，张宝金，文鹏飞，徐华宁

张如伟（－），男，工程师，主要从事地震处理、反演与储层预测的方法研究，E-mail:cgszrw@163。

注：本文曾发表于《石油地球物理勘探》2011年第4期，本次出版有修改。

广州海洋地质调查局，广州　510760

摘要：天然气水合物沉积层在地震剖面上会产生比较明显的似海底反射（BSR）特征，一般可用于天然气水合物的直接识别，但并非所有BSR特征均为水合物的表现，则BSR形成背景的研究是天然气水合物深度预测的关键与基础。首先认真分析了天然气水合物沉积的3种微观模式，根据其不同的岩石物理模型特点，试验弹性参数随水和物饱和度的变化规律；其次以精确zoepprize方程为基础，研究随饱和度变化的AVA特征；最后，利用不同的理论模型模拟了BSR现象，并分析BSR产生的3种客观条件以及调谐作用对BSR的影响。研究结果表明：天然气水合物饱和度、游离气的存在与否与沉积层孔隙的变化是影响BSR特征的重要因素。

关键词：天然气水合物；似海底反射；振幅随入射角变化；岩石物性

AVA Character Researches on Gas Hydrate-Bearing Sedimentary Deposit

Zhang Ruwei,Zhang Baojin,Wen Pengfei,Xu Huaning

Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

Abstract:Gas hydrate-bearing deposit usually has obvious feature of seismic reflection,for example,bottom simulating reflector(BSR) ,it commonly used as gas hydrate direct indication,but the same reflection characteristic is not sure the presence of gas hydrate,so the background of BSR phenomenon is the base of most researches.This paper seriously analysis three microscopic models of gas hydrate-bearing sedimentary deposit at first,according to the petrophysical model,we he researched the variational rule of elastic parameters.Then,we he discussed the AVA character for the saturation variation base on accurate zoepprize function.At last,this paper simulates BSR phenomenon on using different theoretical model,at the same time,we analysis three external conditionfor BSR,and research the tuning effect of gas hydrate-bearing sedimentary deposit.The research result indicates that gas hydrate saturation and exist of free gas and sedimentary deposit' s porosity are the important factor for BSR character.So this paper could provide some conclusions for the depth research of gas hydrate base on the experimentation in this paper.

Key words:gas hydrate; Bottou Simulating Reflector; Auplitude Variation with Angle;petrophysicalp roperties

0 引言

天然气水合物作为21世纪的新能源，被誉为石油的替代品和清洁环保能源，广泛受到国内外许多学者的关注[1-2]。我国于2007年5月在南海北部成功钻获天然气水合物的实物样品，从此我国在天然气水合物研究上迈开了关键和重要的一步[3]。似海底反射（BSR）特征是利用地震手段研究天然气水合物的至关证据，目前国内外学者普遍认同：BSR具有与海底大体平行、负极性、高中振幅、与沉积层理斜交等特点，在一些地区有空白带特征产生[4]。但BSR的形成背景与其饱和度、下伏游离气层的相互关系一直处于研究中，没有形成一定的共识[5]。本文通过研究天然气水合物的3种沉积模型，并对之进行对析，得到了弹性参数随水合物饱和度变化的规律特征；并以精确zoepprize方程为基础，拟合出天然气水合物的AVA特征，从而通过试验验证获取了BSR特征产生的一些客观条件；这些客观条件有利于更加紧密研究BSR特征与天然气水合物的相互联系，为后期我国的天然气水合物勘探打下更加坚实的基础，为水合物形成背景研究提供相关的科学依据。

1 岩石物理模型

岩石物理性质是对天然气水合物进行地震识别方法的基础，全面和准确地得到水合物沉积层的岩石物性就显得至关重要。但由于水合物在室内条件下极不稳定，因此，目前仍然无法用实验手段去检测水合物的岩石物性[6]，这样只有通过建立合适的岩石物理方程在理论上讨论水合物的一些特性，这就必然会对水合物的沉积状态存在一些不同程度的近似，例如定水合物饱和度的变化不会影响其岩石孔隙度的改变等等。

图1 天然气水合物的3种微观模式[7]

据Ecker于2001年提出天然气水合物沉积的3种微观模式[7]：悬浮模式、颗粒接触模式与胶结模式（图1）。本文分别用了3种水合物沉积的岩石物理方程用于试验，分别是WOOD方程、Lee加权方程和时间平均方程，运用这3种模型来研究弹性参数与岩石物性之间的理论关系。

1.1 WOOD方程模型

WOOD方程描述的是水合物沉积的悬浮模式，具体表达形式[8]如下：

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）；ρ为水合物沉积的密度（kg/m3）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；Vw为孔隙流体（一般为水）的速度（m/s）; Vh为纯水合物的速度（m/s）;Vm为岩石骨架的速度（m/s）；ρw为孔隙流体（一般为水）的密度（kg/m3）；ρh为纯水合物的密度（kg/m3）;pm为岩石骨架的密度（kg/m3）。

1.2 时间平均方程模型

时间平均方程反映的是水合物沉积的胶结模式，简单的表达形式[9]为：

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；Vw为孔隙流体（一般为水）的速度（m/s）; Vh为纯水合物的速度（m/s）; Vm为岩石骨架的速度（m/s）。

1.3 Lee加权方程模型

Lee加权方程描述的是水合物沉积的颗粒接触模型，针对高孔隙非固结的海洋沉积物速度－孔隙度关系，WOOD方程参数估计偏小，时间平均方程参数估计偏大，因此，Lee于1996年提出了一个无意义的加权方程[10]：

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

式中：Vp为水合物沉积的纵波速度（m/s）; Vp1为由WOOD方程计算得到的水合物沉积纵波速度（m/s）; Vp2为由时间平均方程计算得到的水合物沉积纵波速度（m/s）；φ为岩石孔隙度；S为水合物的饱和度；w为加权因子；n反映的是水合物在沉积物中的状态；由于缺乏水合物实际的资料， w，n参数比较难以确定，但有一定的规律，n增加时，Lee方程会快速地向时间平均方程靠拢；w> 1时向WOOD方程靠拢，w< 1时向时间平均方程靠拢。

对于横波速度，Lee同时也作了简单的设，认为横波速度与纵波速度一样，会随着水合物饱和度的增加而变大，公式如下：

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

式中： 。

由于横波不能在流体中传播，则上式中最后一项可以去掉，同时为了获取岩石骨架的横波与纵波速度比，根据Castagna等于1985年提出的公式[11]:

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

式中：C为黏土在骨架中的体积分数（%），通常会取C=65％、Φ＝0％，这样得到的骨架横波速度为2.6km/s。

2 弹性参数分析

为了更好研究天然气水合物的岩石物理特性，设计了表1的理论模型，第三层为天然气水合物沉积层，各个弹性参数的计算用前面的3个模拟方程模型；第四层为游离气沉积层，各参数用Biot-Gassmann方程计算得到。

表1 理论模型设计参数

图2为用3种模型计算得到的随水合物饱和度变化时引起的弹性参数变化。3个方程模拟结果均有相同的特点，随着水合物饱和度的增大，纵波速度也随着增大，横波速度与纵波速度有着相同的变化规律，密度基本不变。将3者计算得到的纵波速度进行对比可知，WOOD方程参数估计过小，时间平均方程参数估计过大，Lee加权方程参数估计适中（w=1,n=1）。

图2 3种模型的3参数变化以及纵波速度对比

a.WOOD方程；b.时间平均方程；c.Lee加权方程；d.纵波速度对比

同时，从Lee加权方程出发，改变岩石的孔隙度参数，再观察纵波速度的变化规律。图3为模拟结果，可以看出，随着孔隙度的增大，纵波速度参数估计值有减少趋势，横波速度有着相同的变化特征。

图3 岩石孔隙度变化引起的弹性参数变化Lee加权方程

在Lee加权方程中，由于至今难以获取水合物的实际试验资料，参数w与n一般会较难确定，但它们影响着纵波速度的变化规律。随着参数n的增大，Lee加权方程会快速向时间平均方程靠拢（图4），为了使参数估计平均，文中一般取n值为1。加权因子w也影响着弹性参数的变化，从图5可以看出，当加权因子小于1时，该方程向时间平均方程靠拢，大于1时向WOOD方程靠拢。根据南海的部分资料显示，当水合物饱和度在30％～60％之间时，水合物沉积层的纵波速度为2 000～2 500 m/s，此时若将加权因子w定为5.0，则根据曲线分析得到上类似结论。

图4 参数n改变引起的纵波速度变化

根据3个岩石物理方程模拟得到的弹性参数变化结果，可知Lee加权方程将WOOD方程与时间平均方程结合起来，有效避免了参数估计过大或者过小的情况，比较符合水合物沉积层的状态。但参数w与n的确定至关重要，在试验之前，需要通过相关的实际资料来确定这2个参数。

图5 参数w改变引起的纵波速度变化

3 BSR的AVA特征

从精确的Zoepprize方程出发，以Lee加权方程来计算水合物变化引起的纵波速度的估计值，然后以Biot-Gassman 方程对水合物沉积层的下伏地层来进行流体替代，这样可以随意改变水合物饱和度、下伏地层流体类型和孔隙度，从而可以多方位研究BSR的存在特征与其AVA的变化趋势。

图6为水合物饱和度变化后，其反射系数的变化规律特征，下层为游离气层，饱和度为10％，孔隙度为20％；随着水合物饱和的增加，反射系数绝对值增大，并逐渐快速减小，有极性反转的趋势。

图6 水合物饱和度变化后反射系数变化规律

BSR产生的一般条件为下伏地层含有游离气，这样由于地层一当含有气之后，纵波速度会快速下降，就与水合物沉积层就形成了负极性的反射系数，但是BSR现象却无法判断下伏地层的含气饱和度。从图7可以看出这样一个规律（上覆层为含水合物沉积层，饱和度为20％）：当含有2％的游离气时，反射系数已经变化为负极性；10％时只是反射系数的绝对值发生了改变，变化趋势却没有任何变化；含气饱和度再向上增长时，反射系数的绝对值也变化甚微，这就说明通过BSR特征是无法判断出下伏地层含气饱和度的。

同时，基于褶积模型，以Zoepprize方程计算的角度反射系数为基础，进行一系列地震正演模拟研究。地震子波用主频为50 Hz，样率为1 ms的标准雷克子波，模拟入射角度为0°到60°之间，主要观察700 ms左右同相轴的变化（BSR出现位置）。

图7 水合物下伏游离气层饱和度改变时反射系数的变化规律

图8为游离气层含气饱和度变化时BSR的AVA特征（上覆层为含水合物沉积层，饱和度为30%），图左含气饱和度为0％，反射振幅为正极性，随着入射角度增大，振幅逐渐增大，不符合BSR的特征；图右含气饱和度为10％时，比较明显出现了BSR特征，并伴随有随着入射角度增大振幅减小的特征出现，从而也证明了BSR出现的第一个客观条件为下伏地层含有游离气。

图8 含气饱和度变化时的BSR特征

含气饱和度左为0％，右为10％

图9 水合物饱和度及孔隙度变化时BSR的AVA特征

图左水合物饱和度为80％，孔隙度为20％；图右水合物饱和度为30％，孔隙度为10％

当然含有游离气这个条件不一定是必需的，图9就给予了充分的论证，试验验证时下伏地层的含气饱和度均为0％，只是改变水合物沉积层的水合物饱和度以及岩石孔隙度。图左就是将水合物饱和度由30％变化为80％时，就出现了BSR的特征，但振幅能量会比较弱，随着入射角度增大，振幅逐渐减小，并很快出现极性反转的特征；图右的水合物饱和度仍为30％，只是将沉积层的孔隙度由20％改变为10％，这样也会出现BSR的现象，同样也是随着入射角度增大振幅逐渐减小的趋势，当入射角度达到一定值时，也会出现极性反转的效果。

通过图8与图9的试验验证，可以基本得到如下结论：天然气水合物沉积层产生BSR特征主要有3个客观条件，其一为下伏地层含有游离气，游离饱和度（大于0）基本不影响BSR的变化特征；其二为天然气水合物的饱和度达到一定程度，具体的数值需要根据实际情况来分析得到；其三为水合物沉积层的岩石孔隙度比较小（水合物饱和度可能会引起孔隙度的改变），目前由于资料有限，同样无法做到对实际数据进行定量分析。当然3个条件不需要同时出现，从理论上来说，只需要满足其中一个条件即可以产生BSR特征。

图10 调谐效应对BSR的影响

最后，研究了调谐效应对BSR的影响效果。当地层足够薄的时候，就会出现调谐效应，这样会影响对BSR特征的判断。图10左两层的地层时间为10 ms,BSR的负极性特性基本被掩盖，难以准确给予判断水合物是否存在；而当两层的地层时间为30 ms时，可以勉强分辨出。所以调谐效应也会影响最终结果的判断，提高地震资料的分辨率，能在一定程度上缓解调谐效应带来的影响。

4 结论

1）由于目前缺乏足够的实验数据，实际的天然气水合物岩石物理性质尚无准确的定论，只有通过数学方程来模拟其沉积过程。Lee加权方程参数估计比较平均、形式简单、比较适合理论研究，但对于两个未知因子的确定，需来源于野外的测井与实验测试数据。

2）对于天然气水合物沉积层的下伏地层一般为含游离气地层，但BSR特性无法确定含气饱和度的大小。

3）是否含有游离气、水合物饱和度的多少与地层孔隙度的大小是影响BSR特征出现的3个客观条件，但不一定是必须条件，一般情况下，3个条件有其一就能够出现BSR现象。

4）天然气水合物在岩石中与骨架如何接触，目前尚无准确的定论，这也就是影响水合物众多弹性参数难以确定的原因，水合物饱和度与岩石孔隙度的关系有待于以后更深一步研究。

参考文献

[1]史斗，孙成权，朱岳年.国外天然气水合物研究进展[M].兰州：兰州大学出版社，1992: 1-249.

[2]宋海斌，江为为，张文生，等.天然气水合物的海洋地球物理研究进展[J].地球物理学进展，2002,17(2）:224-229.

[3]张洪涛，张海启，祝有海.中国天然气水合物调查研究现状及其进展[J].中国地质，2007,34(6）: 953-961.

[4]马在田，耿建华，董良国，等.海洋天然气水合物的地震识别方法研究[J].海洋地质与第四纪地质，2002,22(1）:1-8.

[5]宋海斌，松林修，杨胜雄，等.海洋天然气水合物的地球物理研究（Ⅱ）：地震方法[J].地球物理学进展，2001,16(3）:110-118.

[6]宋海斌，松林修，吴能友，等.海洋天然气水合物的地球物理研究（I）：岩石物性[J].地球物理学进展，2001,16(2）:118-126.

[7]Ecker C.Seismic Characterization of Methane Hydrate Structures[D].California:Stanford University,2001.

[8]Wood A B.A Test Book of Sound[M].New York:Macmillan,1941:578.

[9]Wylie M R J,Gregory A R,Gardner G H F.An Experimental Investigation of Factors Affecting Elastic We Velocities in Porous Media[J].Geophysics,1958,23(3):459-493.

[10]Lee M W,Hutchinson D R,Colet T S,et al.Seismic Velocities for Hydrate-Bearing Sediments Using Aweighted Equation[J].J Geophys Res.1996,101(B9):20347-20359.

[11]Castagna JP,M L Batzle,R L Eastwood.Relationship Between Compressional-We and Shear-We Velocities in Clastic Silicate Rocks[J]Geophysics,1985,50(4):571-581.

页岩气开发现状及开技术分析

吴庐山　陈宏文　李文成

（广州海洋地质调查局，广州，510760）

本文为广州海洋地质调查局院士基金项目（编号：2001-YSJJ-G/H-04）的部分成果。

第一作者简介：吴庐山，男，10年生，工程师，1995年毕业于长春地质学院古生物及地层学专业，硕士，现主要从事海洋区域地质调查与编图工作。

摘要　详细介绍了根据天然气水合物BSR资料计算热流值的方法，并对热流值的计算值与实测值进行了比较，分析计算值的误差主要来源于计算步骤误差的总和及计算模型中是否考虑地壳年龄和沉积作用对热流的影响。

关键词　天然气水合物　稳定域　热流　计算方法　误差分析

1　BSR热流研究的回顾

根据BSR的深度估算天然气水合物的热流值始于20世纪70年代。Shiply等（19）利用陆坡地区的BSR估算了地温梯度。Yamano等（1982）利用BSR的深度资料，在水合物稳定域的温压场、海底与BSR之间的热导率和海底温度已知的情况下估算热流值，他们计算了日本南海海槽及中美和布莱克外海脊的热流值，其结果与传统方法测量而得的热流值基本一致，他们认为可以用这种方法来评价热流的区域变化。Cande等（1987）在秘鲁海沟利用BSR深度资料估算热流值，估算的热流值与实测热流值非常吻合。Minshull和White（1989）详细讨论了利用BSR资料估算热流的方法和步骤，并具体分析了估算热流值与实测热流之间存在差异的原因。Dis和Hyndman（1990）利用BSR资料估算卡斯凯迪亚陆缘的热流，并认为估算热流值的误差来源于BSR处的深度、温度和BSR处上覆沉积物的平均热导率的估算误差。Ferguson等（1993）根据BSR资料估算巴巴多斯增生楔的热流值，并详细地讨论了误差产生的原因。Ganguly等（2000）详细地介绍了由BSR深度计算热流值的方法，并对热流区域变化和局部变化进行了详细的讨论。

通常，利用BSR导出的热流和地温梯度都要比常规方法测得的值要低，对于这种结果的不一致性，不同的人用了不同的处理方法。Townend（19）根据BSR资料计算了新西兰Hikurangri和西南Fiordland陆缘的热流值，并指出：利用BSR资料估算的热流值应该做沉积作用热效应的校正。通过校正，研究区的热流值提高了约19%（7mW/m2），这与利用孔底温度计算的热流结果更为一致。Shyu等（1998）利用BSR估算了台西南地区的热流值，当用气体组成为90%的甲烷和10%乙烷在纯水环境下的水合物的相平衡曲线时，计算的地温梯度才与实测的地温梯度吻合。Kaul等（2000）利用BSR资料估算出巴基斯坦马克兰增生楔的热流值，并进行了地壳年龄和沉积作用的校正。

2　理论基础及计算方法

Minshull和White（1989）、Ganguly等（2000）、Kaul等（2000）详细地介绍了由BSR深度计算热流的方法。总括起来，由BSR资料估算热流的计算步骤如下：①测量海底和BSR之间的双程走时并进行时深转换；②BSR深度转换为压力；③根据水合物－自由气相界面的压力－温度曲线估算BSR处的温度；④估算海底温度；⑤热导率的估算；⑥计算热流值。

2.1　BSR的深度（zbsr）和速度－深度关系

通常是从偏移地震剖面上确定海底和BSR的传播时间，偶尔叠加剖面也能够提供好的分辨率。海底的双程走时（TWT）可通过识别正峰值来拾取，而BSR的TWT可通过识别负峰值来拾取。

在没有速度信息可利用的情况下，可直接进行时深转换以求得BSR的深度。Townend（19）在估算新西兰Hikurangi和西南Fiordland陆缘的热流值时，就使用一个二次函数来求取BSR的深度：

Hikurangi陆缘：　z=82t2+868t　（1）

西南Fiordland陆缘：　z=501t2+579t　（2）

而在有速度资料可利用时，可直接使用速度资料来求取BSR的深度。Ganguly等（2000）在估算卡斯凯迪亚陆缘BSR的深度时，就使用一个简单的速度函数，速度随深度线性增加，描述如下式（图1a）：

v=1516+0.5556×z　（3）

式中：v为P波速度，单位为m/s;z为海底之下的深度，单位为m。

而Kaul等（2000）在估算马克兰增生楔BSR的深度时，则根据不同的深度使用不同的速度函数：

南海地质研究.2003

式中vp随深度（z）线性增加。

2.2　静岩压力和静水压力（P）

Dis等（1990）、Hyndman等（1993）根据BSR深度的变化来估算热流值是设用一个静水压力模型来计算BSR处的压力，而其他人在进行这种热流计算同时都用静岩压力模型和静水压力模型（Trehu等，1995;Ganguly等，2000）。Hyndman等（1993）认为由于BSR层位较浅，不大可能有显著的超压，因此应用静水压力模型计算热流值是合理的。然而，这种设没有被实测的压力值所确定。巴巴多斯的测井、钻井资料认为，尽管沉积物相当细，并可能具较低的渗透性，但压力由于流体排出而接近于静岩压力（Moore等，1998）。因此，是否为相当准确的密度模型（静水压力或静岩压力）还不清楚。

在估算卡斯凯迪亚陆缘的热流值是设在BSR处为静岩压力，因为设使用静岩压力可减少由BSR推导而得的热流值与实测热流值之间的差异（Dis等，1990）。用静水压力计算的热流值则要小8%～12%，这个差别在浅水地区是较大的，因为在浅水地区，沉积物对BSR的总压力要比水柱对BSR的总压力大得多。

图1　由天然气水合物BSR资料估算热流值的模型（据N.Ganguly等，2000 ）

Fig.1　The model of heat flow estimates from the gas hydrate BSR（after Ganguly et al.,2000）

（a）用来对BSR进行时深转换的P波速度模型（实线）。使用一个恒定的地温梯度模型（实线），该模型中速度线性增加，从海底的1516m/s增加到海底之下300m的1680m/s。点虚线为水合物富集区多道地震资料反演而得的速度剖面（Yuan等，1999）。（b）用于热流计算中，估算BSR处的静岩压力的密度模型。圆点代表ODP钻孔（钻孔889A/B和890B）实测的热流数据，虚线代表用于热流计算的密度剖面。（c）由水柱的垂直剖面和近海底测温数据估算来得的海底温度－深度剖面（Dis等，1990）。在热流计算中对数据进行多项式拟合。（d）热导率随深度的变化。

“＋”为ODP实测的热导率值，实线表示海底测定的热导率的平均值，这由颗粒和液体传导率的孔隙率和几何平均模型估算出（据Dis等，1990）

在Ganguly等（2000）的计算中，静岩压力是用一个以ODP 889/890站位钻孔资料为基础的简单密度模型来确定（Carson等，1994）（图1（b））。设海水的密度为1.05g/cm3；第一沉积层的密度呈线性增加，海底为1.6g/cm3，海底之下150m处增加到1.9g/cm3；第二沉积物设密度均一为1.9g/cm3。热流对密度不十分敏感，在密度模型中，即使海底之下150m处及以下层序的密度增加到2.0g/cm3，热流值一般仅增加约2%，就算在海水最浅的地区，热流值也只增加到6%。

2.3　BSR处的温度（Tbsr）

BSR处的温度（Tbsr）可根据天然气水合物稳定域的压力－温度相图准确求出。相界面P-T条件随天然气水合物组分、溶解离子的浓度的变化而变化。图2是三种不同体系的天然气水合物的PT稳定条件（Dis等，1990）。

图2　天然气水合物稳定域的压力－温度曲线（据Dis等，1990）

Fig.2　The P-T curves of gas hydrate stability fields

一般研究海底沉积物中天然气水合物稳定域的P-T条件，可以设为纯甲烷海水体系（天然气成分为甲烷，海水盐度为33.5‰）来确定。Dickens和Quinby-Hunt（1994）在给定的压力（2.5～10MPa）条件下，根据下列经验方程式推导出天然海水中甲烷水合物的稳定温度、压力条件的经验公式：

南海地质研究.2003

式中：T为温度，单位为K;P为压力，单位MPa。

对于一个对流体系或者存在明显毛细作用的体系，上述经验公式可能不适用（Ruppel,19;Xu和Ruppel,1999;Henry等，1999），因为毛细作用将提高溶液中甲烷的溶解度，使相平衡发生移动，BSR处的温度可能比理论值低几度。

2.4　海底温度（T0）

海底温度可以从水柱的温度－深度剖面求出，也可以用热流探头测出。Dis等（1990）根据水柱剖面估算卡斯凯迪亚盆地海底的温度（图1（c）），估算的温度与热流探头实测的温度很吻合，温度可精确到0.1°。

2.5　热导率（k）

沉积物热导率是沉积物传热特性的参数，其物理意义是沿热传导方向，在单位厚度沉积物两侧的温差为1℃时，单位时间内所通过的热流量。

海底到BSR的平均热导率可以从地震速度资料中估算出，它是最终热流计算值误差的主要来源。水合物的赋存将影响热导率，Stoll和Bryan（19）在实验室测得丙烷水合物的热导率为0.394Wm-1K-1，与纯水中的0.57Wm-1K-1相比，减少了30%。在甲烷水合物中也发现热导率类似的减少现象。在通常情况下，沉积物孔隙度对总热导率的影响相对要低些，但是还是相当明显的。而当水合物含量足够高将破坏沉积物颗粒与颗粒之间的接触，总热导率的减少将大于30%。

Minshull和White（1989）应用Hamilton（18）的近地表陆源沉积物的经验孔隙度－深度关系式求得孔隙度：

南海地质研究.2003

式中：φ为孔隙度；z为深度。

然后使用Budiansky（10）热导率孔隙度关系式求出热导率：

南海地质研究.2003

其中：a=3φ（ks-kw）＋kw-2ks

式中：ks,kw分别为沉积物和水的热导率。沉积物热导率为2.5Wm-1K-1，相当于含砂质泥质沉积物组分。得到的热导率－速度关系式具有明显的误差，这可能是由于岩性的变化和地震的各向异性引起。

Dis等（1990）在估算胡安·德·富卡海脊海洋沉积物的物理特性时，根据沉积物的平均速度计算热导率时使用Nobes等（1986）的经验方程式：

南海地质研究.2003

式中：k为有效热导率；kw为海水热导率，约等于0.6Wm-1K-1;ks为基质热导率，约为富含泥质沉积物的热导率（2.0～2.4Wm-1K-1）（Henderson和Dis,1982）；φ为孔隙度。

孔隙度使用Wood（1941）和Wyllie等（1956）等式估算出，前者适合于高孔隙度沉积物，后者适合于低孔隙度沉积物。他们加权这两个等式，并设沉积物平均速度为4.37km/s，孔隙水平均速度为1.48km/s，从而在速度－深度曲线中得到相应的孔隙度－深度数据点而求出孔隙度。

最后，Dis等（1990）认为从海底到BSR的平均热导率可以用一个简单的经验方程式表示：

k=1.07+5.86×10-4×z-3.24×10-7×z2　（9）

Kaul等（2000）使用两个经验的速度－孔隙率函数模型求取孔隙度。

第一种速度－孔隙度关系式是依照Dis和Villinger（1992）：

南海地质研究.2003

式中：vp为层速度，单位为km/s；φ为相对孔隙率。

等式（9）仅在φ＜75%,vp达1500km/s时有效。

第二种关系式由Erichson和Jarard（1998）提出：

南海地质研究.2003

式中：vp为硅屑海洋沉积物的P波波速；φ为相对孔隙度；vsh为页岩组分中的P波波速。因为不能转换等式（10），计算作为速度的函数的孔隙率可用查表求得。

Ganguly等（2000）根据等式（9）算而得的热导率与ODP889/890站位的平均值一致（图1（d）），不过后者有一个±10%离散，它可能代表热导率测量误差的最大估算值。

2.6　热流计算

热流值（q）可以设地温梯度为线性和用简单传导热传递方程式计算出：

南海地质研究.2003

也可以由BSR之上的热导率简单积分和海底与BSR的温度差计算而得：

南海地质研究.2003

3　计算结果与误差分析

3.1　计算热流值与实测热流值之间的误差

Yamano等（1982）根据南海海槽的BSR资料估算热流值时认为热流值随水深的增加而增加，且估算热流值和实测热流值的最大误差约为25%，误差主要源于热导率和速率结构的估算误差。Minshull和White（1989）在计算马克兰增生楔热流值的同时，对每一步计算过程所产生的误差作了估算，最后得出估算热流值比实测热流值高约10%。Dis等（1990）在计算北卡斯凯迪亚增生楔热流值得出估算热流值与实测热流值的误差达30%，他们认为热流的误差来自于BSR深度、BSR处的温度和BSR之上的沉积物的平均传导率的估算误差。Hyndman等（1992）对ODP808、DSDP688和DSDP102、DSDP104、DSDP533五个站位实测热流值和估算热流值进行比较，得出估算热流值的误差不超过±5%。Ferguson等（1993）在计算巴巴多斯增生楔的热流值时，认为由甲烷水合物组分、反射时间拾取和层速度的误差引起的总误差为±15%。Townend（19）根据BSR资料估算新西兰Hikurangri和西南Fiordland陆缘的传导热流，在未做沉积作用校正时，估算热流值比实测热流约低22%。Ganguly等（2000）估算卡斯凯迪亚陆缘BSR处热流值的绝对误差约为±20%，相对误差在±（5～10）%之间。Kaul等（2000）详细计算了马克兰增生楔BSR处的热流值，在未做地壳年龄和沉积作用校正时，得出由BSR推算的热流值的误差范围为±10%。

由此可见，根据BSR资料估算热流值可能会产生或多或少的误差，只有找到产生这种误差的根源及误差的大小，才能对其进行校正。

3.2　误差来源分析

由BSR资料估算热流值的误差主要来源于计算步骤误差的总和及计算模型中是否考虑地壳年龄和沉积作用对热流的影响，下面分述之。

3.2.1计算步骤的误差

1）从地震反射资料获得BSR的深度：Minshull和White（1989）在求取马克兰增生楔BSR的深度时，认为从地震反射剖面拾取BSR的双程走时误差估计为±10ms，即误差为3%。Dis等（1990）在求取北卡斯凯迪亚俯冲带BSR的深度时，认为在BSR清晰的剖面，拾取的反射时间误差为±2%；而在其他如沉积层近水平或由于陡的地形，海底不能精确地确定的地方，误差达±5%～10%，并认为该误差是最终热流估算的随机误差的主要来源。Hyndman等（1993）在求取卡斯凯迪亚陆缘BSR的深度时，认为BSR到海底的反射时间误差通常小于5%，即海底和BSR之间的平均反射时间为300ms，误差约为±15ms。Ganguly等（2000）在求取卡斯凯迪亚陆缘BSR的时，认为双程走时的拾取误差一般为4～8ms，或者为200～300ms的BSR深度的3%。由此看来，从地震反射资料获取BSR的深度误差一般小于5%。

2）压力：Minshull和White（1989）在计算热流时设BSR处为静水压力，并认为由此引起的误差约为10%。Ferguson等（1993）认为BSR处的压力应是其上静岩压力和静水压力的总和，如果仅考虑静水压力，则BSR处的压力将降低10%～15%，热流估算值也将降低2～3mW/m2。Ganguly等（2000）在计算热流时设BSR处为静岩压力，并对静水压力和静岩压力的热效应进行了比较。他们认为用静水压力计算的热流值要小8%～12%，且这个差别在浅水地区是较大的，而使用静岩压力时热流值一般仅增加约2%，即使在最浅的地区热流值也仅增加6%。可知，使用静岩压力较用静水压力计算热流值的误差要低，特别在浅水地区更为明显。

3）BSR处的温度（Tbsr）：BSR处的温度是根据天然气水合物稳定域的压力－温度条件来准确估算的。相界面P-T条件随天然气水合物组分的变化而变化，一般使用甲烷＋纯水、甲烷＋海水（3.5%NaC1）、甲烷＋7%CO2＋纯水三种体系，不同的体系估算而得的Tbsr的误差也不相同。Hyndman等（1993）使用纯甲烷纯水体系，认为由此引起的热流值误差为±8%;Ferguson等（1993）也使用纯甲烷纯水体系，并认为如果体系中存在CO2、乙烷和盐水，热流估算值将改变±10%，如果存在大量的高分子碳氢化合物，如丙烷等，这种估算误差将更大。Minshull和White（1989）使用纯甲烷＋海水（3.5%NaC1）体系，认为由此引起的热流将增加约10%。Ganguly等（2000）使用纯甲烷海水体系，认为Tbsr估算值要比实测值高1.5℃，由此引起的热流可能系统高估12%。此外，若体系中存在明显的毛细作用，理论的稳定曲线可能不适用，得出的Tbsr的误差将更大。

4）海底温度：海底温度可以从海水的温度－深度剖面中求出，也可以在测量热流时测出，通常海底温度的精确度达0.1℃，因此，这种误差不是最终热流误差的重要因素。

5）热导率：热导率是从地震速度资料中估算出，它是最终热流估算的主要误差来源。Minshull和White（1989）应用Hamilton（18）经验孔隙度－深度关系式和Budiansky（10）孔隙度－热导率关系式求出热导率，得到的随机误差约为5%。Hyndman等（1993）在估算卡斯凯迪亚陆缘的热流时认为约±10%的热流估算值误差的6%来源于速度的确定，5%左右来源于速度－热导率关系式的误差。此外，热导率还高度依赖于矿物学和岩石学性质（Brigaud等，1990），Townend（19）在估算新西兰Hikurangri和西南Fiordland陆缘的热流值时认为热导率的误差为沉积物传导率（ks）误差（10%）和深度误差（6%）的总和，即为16%。

总之，由计算步骤引起的误差来自于BSR深度、BSR处压力和温度及BSR之上沉积物的平均传导率的估算误差，用的速度－深度关系式的误差将影响BSR深度、地温梯度和传导率。的是，用的速度若增加将降低地温梯度和增加传导率，从而消除部分误差。3.2.2地壳年龄和沉积作用引起的误差

Hutchison等（1981）在计算阿曼湾的热流时认为，从表面热流测量值推测基底热流值必须作35%的修正，这是因为沉积物中有放射性热量产生，它将改变地热梯度。Minshull和White（1989）也认为沉积作用将降低BSR之上沉积物的地热梯度，从而使估算的热流产生误差。Townend（19）在估算新西兰Hikurangri和西南Fiordland陆缘的热流值时做了晚第三纪晚期（5Ma）以来沉积作用对热流的校正，在未做沉积作用校正前，估算热流值比实测热流低22%（约8mW/m2和9mW/m2），而在做沉积作用校正后，热流增加了约19%（7mW/m2），最终热流估算值的误差仅为2mW/m2。Kaul等（2000）在计算马克兰增生楔的热流时，认为必须做地壳年龄为85Ma的沉积作用的校正（约18%），才能使热流估算值与实测值一致。

由此可见，在沉积速率高、沉积厚度大的地区，应考虑沉积作用对热流的影响，对其进行校正，以减少热流估算值的误差。

4　结论

天然气水合物分布区的热流资料主要是通过原位热流测量、原位热导率测量和由天然气水合物BSR深度推导等方法而获得，计算的热流值与实测的热流值之间具有误差。本文通过对天然气水合物BSR资料计算热流值的研究及比较计算值与实测值之间的误差，主要得到如下结论：

1）在天然气水合物稳定域BSR资料已知的情况下，可以计算热流值，计算步骤如下：①测量海底和BSR之间的双程走时并进行时深转换；②BSR深度转换为压力；③根据水合物－自由气相界面的压力－温度曲线估算BSR处的温度；④估算海底温度；⑤热导率的估算；⑥计算热流值。

2）利用BSR资料计算而得的热流值一般都要比实测值低，最大误差可达30%。误差主要来源于计算过程中产生的误差，这些误差来自于BSR深度、压力和温度及BSR之上沉积物平均热导率的估算误差。在沉积速率高、沉积厚度大的地区还应对热流进行地壳年龄和沉积作用的校正，以减少误差。

参考文献

金春爽，汪集旸.2001.天然气水合物的地热研究进展.地球科学进展，16（4）：540～543

Cande S C et al.1987.Interaction between the Chile Ridge and Chile Trech:geophysical and geothermal evidence.J.Geophys.Res.,92（B1）：495～520

Carson B.et al.1994.Fluid expulsion sites on the Cascadia accretionary prism:Ming diagenetic deposits with processed GLORIA imagery.J.Geophys.Res.,99（6）：11959～11969

Dis E E et al.1990.Rates of fluid expulsion across the northern Cascadia accretionary prism:constraints from new heat flow and multichannel seismic reflection data.J.Geophys.Res.,95（B6）：8869～8889

Dickens G R,Quinby-Hunt,M,S 1994.Methane hydrate stability in seawater.Geophys.Res.Lett.,21（19）:2115～2118

Erickson S E,Jarrard R D.1998.Velocity-porosity relationships for ater-saturated siliclastic sediments.J.Geophys.Res.,103（B12）：30385～30406

Ferguson L J.1993.Heat flow thermal models of the Barbados accretionary complex.J.Geophys.Res.,98（B3）：4121～4142

Ganguly N et al.,2000.Heat flow variations from bottom simulating reflectors on the Cascadia margin.Marine Geology,164:53～68

Hyndman R D et al.1992.Deep sea bottom-simulating-reflector:calibration of the base of the hydrate stability field as used for heat flow estimates.Earth and Planetary Science Letter,109:289～301

Hyndman R D et al.1993.Tectonic sediment thicking,fluid expulsion and the thermal regime of subduction zone accretionary prism:the Cascadiamargin off Vancouver Island.J.Geophys.Res.,98（B12）:21865～21876

John T.19.Estimates of conductive heat flow through bottom-simulating reflector on the Hikurangi and southwest Fiordland continental margins,New Zealand.Marine Geology,141:209～220

Kaul N et al.2000.Comparison of measured and BSR-derived heat flow values,Makran accretionary prism,Pakistan.Marine Geology,164:37～51

Minshull T White R,1989.Sediment compaction and fluid migration in the Makran accretionary prism.J.Geophys.Res.,94（B6）：7387～7402

N.Ganguly等著.吴庐山译.2001.卡斯凯迪亚陆缘似海底反射（BSR）的热流变化.海洋地质，（4）：41～54

N.Kaul等著.吴庐山译.2001.巴基斯坦马克兰增生棱体实测热流值与由BSR导出的热流值的比较.海洋地质，（4）：55～68

Ruppel C.19.Anomalously cold temperatures observed at the base of gas hydrate stability zone on the US passive continental margin.Geology,25（8）:699～704

Trehu A M et al.1995.A seismic reflection profile across the Cascadia subduction zone offshore central Oregon:new constraints on methane distribution and crystal structure.J.Geophys.Res.,100（B8）:15101～15116

Xu W,Ruppel C.1999.Predicting the occurrence,distribution,and evolution of methane gas hydrate in porous marine sediments.J.Geophys.Res.,104（B3）：5081～5095

Yamano M,Uyeda S.1982.Estimates of heat flow derived from gas hydrates.Geology,10:339～343

The Calculated Method of the Heat Flow ofGas Hydrate Stability Fields

Wu Lushan Chen Hongwen Li Wencheng

（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,5 10760）

Abstract:The paper introduced in details the calculated method of heat flow derived from gas hydrate BSR,and compared the BSR-derived heat flow values with measured values,and analyzed the error of the calculated values rooted in the total error of calculated roach and the calculated model if crustal age and sedimentation considered.

Key Words:Gas hydrate　Stability field　Heat flow　Calculated method　Error analyzing

天然气水合物热动力学模型

史进1 吴晓东1 孟尚志2 莫日和2 赵军2

作者简介:史进,1983年生,男,汉族,山东淄博人,中国石油大学(北京)石油天然气工程学院博士生,主要从事煤层气、页岩气开发方面的研究工作。E-mail:shijin886@163,电话:18901289094。

(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室 北京 1022492.中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘要:页岩气是一种储量巨大的非常规天然气,但是页岩气藏储层结构复杂,多为低孔、低渗型,开发技术要求很高。本文简述了国内外页岩气开发现状,分析了页岩气成藏机理以及开发特点,重点介绍了国外主要用的页岩气开技术,包括页岩气的储层评价技术、水平井钻井技术、完井技术以及压裂技术这几个方面,其中水平井钻井以及压裂技术是最为重要的。最后本文指出了中国页岩气开发急需解决的几个方面的问题。

关键词:页岩气 开技术 储层评价 水平井增产 完井技术 压裂技术

Analysis on Current Development Situation and Exploitation Technology of Shale Gas

SHI Jin WU Xiaodong MENG Shangzhi MO Rihe ZHAO Jun

(1.Petroleum engineering institute, China University of Petroleum, Beijing 102249,2.China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 10001 1, China)

Abstract: The shale gas is a kind of non-conventional with giant amount of reserves,but the shale reservoir has complex structure with low porosity and low Permeability , so it needs advanced technology.This article sum- marizes current situation of shale gas development both in and abroad,analyses the gas generation and development characteristic of shale gas,mainly introduces gas exploration and development of technology,including reservoir e- valuation technology, horizontal well stimulation techniques, completion technology as well as fracturing tech- niques.At last, the paper points out the urged problem needed to be sloved for china's shale gas development.

Keywords: Shale gas;development technology; Reservoir evaluation; Horizontal well stimulation; comple- tion technology; fracturing techniques.

1 前言

地球上各种油气在地层分布的位置各不相同(图1),随着全球能源的需求量增大,页岩气作为一种非常规能源越来越受到人们的重视。页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1]。世界页岩气很丰富,但尚未得到广泛勘探开发,根本原因是致密页岩的渗透率一般很低。但近几年来,页岩气的开已经成为全球开发的一个热点。由于页岩气的赋存、运移以及开机理与普通天然气有很大的不同,所以在勘探开发技术方面与普通天然气也有很大的差别。

图1 各种油气分布示意图

2 国内外页岩气勘探开发现状

2.1 国外页岩气开发情况

国外的页岩气开发以美国为主,美国是目前世界上唯一商业化开发页岩气的国家。美国第一口页岩气井可追溯1821年,钻遇层位为泥盆系Dunkirk页岩[2],井深仅8.2m。19世纪80年代,美国东部地区的泥盆系页岩因临近天然气市场,在当时已经有相当大的产能规模。但此后产业一直不甚活跃。直到20世纪70年代末,因为国际市场的高油价和非常规油气概念的兴起,页岩气研究受到高度重视,当时主要是针对FortWorth盆地Barnett页岩的深入研究。2000年以来,页岩气勘探开发技术不断提高,并得到了广泛应用。同时加密的井网部署,使页岩气的收率提高了20%,年生产量迅速攀升。2004年美国页岩气年产量为200×108m3,约占天然气总产量的4%;2007年美国页岩气生产井近42000口,页岩气年产量450×108m3,约占美国年天然气总产量的9%。参与页岩气开发的石油企业从2005年的23家发展到2007年的64家。美国相关专家预测,2010年美国页岩气产量将占天然气总产量的13%。图2是美国页岩气分布图。

美国的页岩气能够得到快速发展,技术上主要得益于以下四个方面:(1)减阻水压裂技术:携带非常少的添加剂,这样降低了成本,减少对地层的伤害,但携砂能力下降。(2)水平井替代了直井,长度从750m增加到了1600m。(3)10至20段,甚至更多的分段压裂大大提高了收率。(4)同步压裂时地层应力变化的实时监测。当然,这也离不开国家政策的支持,20世纪70年代末,美国在《能源意外获利法》中规定给予非常规能源开发税收补贴政策,而得克萨斯州自20世纪90年代初以来,对页岩气的开发不收生产税。

除了美国,加拿大是继美国之后较早规模开发页岩气的国家,其页岩气勘探研究项目主要集中在加拿大西部沉积盆地,横穿萨克斯其万省的近四分之二、亚伯达的全部和大不列颠哥伦比亚省的东北角的巨大的条带。另外,Willislon盆地也是潜在的气源盆地,上白平系、侏罗系、二叠系和泥盆系的页岩被确定为潜在气源层位。可以预测,在不久的将来加拿大西部盆地很可能发现数量可观的潜在页岩气。

2.2 中国页岩气开发现状

2009年以前,我国的页岩气开发以勘探为主,2009年12月,才正式启动页岩气钻井开发项目[3]。我国主要盆地和地区的页岩气量约为(15~30)×1012m3,中值23.5×1012m3,与美国的28.3×1012m3大致相当。预计到2020年,我国的页岩气年生产能力有望提高到150亿~300亿m3。页岩气在中国的分布在剖面上可分为古生界和中-新生界两大重点层系。在平面上可划分为南方、西北、华北-东北及青藏等4个页岩气大区。其中,南方及西北地区的页岩气(也包括鄂尔多斯盆地及其周缘)成藏条件最好。

我国南方地区是我国最大的海相沉积岩分布区[4],分布稳定,埋藏深度浅,有机质丰度高。四川盆地、鄂东渝西及下扬子地区是平面上分布的有利区。在中国北方地区,中新生代发育众多陆相湖盆,泥页岩地层广泛发育,页岩气更可能发生在主力产油气层位的底部或下部。鄂尔多斯盆地的中-古生界、松辽盆地的中生界、渤海湾盆地埋藏较浅的古近系等也属于有利区。

3 页岩气开发特点分析

3.1 页岩气成藏机理

页岩气成藏机理兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏特征,但又与这两者有显著的区别(表1),显示出复杂的多机理递变特点。页岩气成藏过程中,赋存方式和成藏类型的改变,使含气丰度和富集程度逐渐增加。完整的页岩气成藏与演化可分为3个主要过程,吸附聚集、膨胀造隙富集以及活塞式推进或置换式运移的机理序列。成藏条件和成藏机理变化,岩性特征变化和裂缝发育状况均可对页岩气藏中天然气的赋存特征和分布规律有控制作用。

图2 美国的页岩气分布

表1 页岩气与其他天然气对析

3.2 页岩气开发特点

页岩气储层显示低孔、低渗透率的物性特征,气流的阻力比常规天然气大。因此,页岩气收率比常规天然气低[5]。常规天然气收率可以达到80%甚至90%以上,而页岩气仅为5%~40%。但页岩气开发虽然产能低,但具有开寿命长和生产周期长的优点,页岩气井能够长期以稳定的速率产气,一般开寿命为30~50年,美国地质调查局(USGS)2008年最新数据显示,Fort Worth盆地Barnett页岩气田开寿命可以达到80年。

页岩气中气体主要分为吸附态和游离态,和煤层气相似,但页岩气中的吸附气的比例较低,有的只有30%左右[6],裂缝中的水很少,主要为游离态的压缩气,页岩气的生产可以分为两个过程,第一个过程是压力降到临界解吸压力以前,产出的只有游离态的气体,它的生成基本与低渗透天然气无异,这个过程也是页岩气地层压力降低的过程,第二个过程是压力降到临界解吸压力以后,这时基质中的气体开始解吸出来,与裂缝中的气体一起被出,所以产气量会达到一个峰值,如图3所示,但是由于吸附气占的比例并不大,所以产气量又很快下降,最终的残余气饱和度中只有很小一部分是吸附气,因为和煤层气不同的是,气降压不可能使储层的压力降得很低。

图3 不同类型天然气藏的生产曲线示意图

4 主要页岩气勘探开发技术

页岩气的勘探开发技术与普通的气井的不同之处主要体现在页岩气储层评价技术、水平井钻井技术、完井技术以及压裂技术这几个方面,其中水平井钻井以及压裂技术最为重要。

4.1 储层评价技术

页岩气储层评价的两种主要手段是测井和取心。应用测井数据,包括ECS(Elemental Capture Spectroscopy)来识别储层特征[7]。单独的GR不能很好地识别出粘土,干酪根的特征是具有高GR值和低Pe值。成像测井可以识别出裂缝和断层,并能对页岩进行分层。声波测井可以识别裂缝方向和最大主应力方向,进而为气井增产提供数据。岩心分析主要是用来确定孔隙度、储层渗透率、泥岩的组分、流体及储层的敏感性,并分析测试TOC和吸附等温曲线,以此得到页岩含气量。

4.2 水平井钻井技术

页岩气储层的渗透率低,气流阻力比传统的天然气大得多,并且大多存在于页岩的裂缝中,为了尽可能地利用天然裂缝的导流能力,使页岩气尽可能多的流入井筒,因此开可使用水平钻井技术,并且水平井形式包括单支、多分支和羽状。一般来说,水平段越长,最终收率就越高。

水平井的成本比较高,但其经济效益也比较高,页岩气可以从相同的储层但面积大于单直井的区域流出以美国Marcellus页岩气为例,水平井的驱替体积大约是直井驱替体积的5.79倍还多。在用水平井增产技术过程中,水平井位与井眼方位一般选在有机质富集,热数度比较高、裂缝发育程度好的区域及方位。

4.3 完井技术

页岩气井的完井方式主要包括组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井和机械式组合完井。组合式桥塞完井是在套管井中,用组合式桥塞分隔各段[8],分别进行射孔或压裂,这是页岩气水平井最常用的完井方法,但因需要在施工中射孔、坐封桥塞、钻桥塞,也是最耗时的一种方法。水力喷射射孔完井适用于直井或水平套管井。该工艺利用伯努利原理,从工具喷嘴喷射出的高速流体可射穿套管和岩石,达到射孔的目的。通过拖动管柱可进行多层作业,免去下封隔器或桥塞,缩短完井时间。

4.4 压裂技术

据统计,完井后只有5%的井具有工业气流,55%的井初始无阻流量没有工业价值,40%的井初期裸眼测试无天然气流,这是因为页岩气埋深大,渗透率过低。所以压裂对于页岩气来说是最为重要的。而且因为页岩气多用水平井开,因此页岩气压裂技术,主要包括水平井分段压裂技术、重复压裂技术、同步压裂技术以及裂缝综合检测技术(图4)。

4.4.1 水平井分段压裂技术

在水平井段用分段压裂,能有效产生裂缝网络,尽可能提高最终收率,同时节约成本。最初水平井的压裂阶段一般用单段或2段,目前已增至7段甚至更多。如美国新田公司位于阿科马盆地Woodford页岩气聚集带的Tipton-H223[9]井经过7段水力压裂措施改造后,增产效果显著,页岩气产量高达14.16×104m3/d。水平井水力多段压裂技术的广泛运用,使原本低产或无气流的页岩气井获得工业价值成为可能,极大地延伸了页岩气在横向与纵向的开范围,是目前美国页岩气快速发展最关键的技术。

4.4.2 重复压裂

当页岩气井初始压裂因时间关系失效或质量下降,导致气体产量大幅下降时,重复压裂能重建储层到井眼的线性流,恢复或增加生产产能,可使估计最终收率提高8%~10%,可储量增加30%,是一种低成本增产方法,压裂后产量接近能够甚至超过初次压裂时期,这是因为重复压裂可以发生再取向(图5),在原有裂缝的基础上,还会压开一些新的裂缝。美国天然气研究所(GRI)研究证实[10],重复压裂能够以0.1美元/mcf(1mcf=28317m3)的成本增加储量,远低于收购天然气储量0.54美元/mcf或发现和开发天然气储量0.75美元/mcf的平均成本。

图4 Barnett页岩压裂模式示意图

图5 重复压裂再取向

4.4.3 同步压裂

同步压裂技术最早在Barnet页岩气井实施,作业者在相隔152~305m范围内钻两口平行的水平井同时进行压裂。由于页岩储层渗透性差,气体分子能够移动的距离短,需要通过压裂获得近距离的高渗透率路径而进入井眼中。同步压裂用的是使压力液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法,来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面积。目前已发展成三口井,甚至四口井同时压裂,用该技术的页岩气井短期内增产非常明显。

4.4.4 裂缝综合监测技术

页岩气井压裂后,地下裂缝极其复杂,需要有效的方法来确定压裂作业效果,获取压裂诱导裂缝导流能力、几何形态、复杂性及其方位等诸多信息,改善页岩气藏压裂增产作业效果以及气井产能,并提高天然气收率。

利用地面、井下测斜仪与微地震监测技术结合的裂缝综合诊断技术,可直接地测量因裂缝间距超过裂缝长度而造成的变形来表征所产生裂缝网络,评价压裂作业效果,实现页岩气藏管理的最佳化[11]。该技术有以下优点:(1)测量快速,方便现场应用;(2)实时确定微地震的位置;(3)确定裂缝的高度、长度、倾角及方位;(4)具有噪音过滤能力。

作为目前美国最活跃的页岩气远景区,沃斯堡盆地Barnett页岩的开发充分说明了直接及时的微地震描述技术的重要性。2005年,美国Chesapeake[12]能源公司于将微地震技术运用于一口垂直监测井上,准确地确定了Newark East气田一口水平井进行的4段清水压裂的裂缝高度、长度、方位角及其复杂性,改善了对压裂效果的评价。

5 中国页岩气开发亟需解决的问题

5.1 地质控制条件评价

我国页岩气勘探才刚刚起步,尽管页岩气成藏机理条件可与美国页岩气地质条件进行比对,但我国页岩气的主要储层与美国有很大区别,如四川盆地的页岩气层埋深比美国大,美国的页岩气层深度在800~2600m,四川盆地的页岩气层埋深在2000~3500m。因此需要建立适合于我国地质条件且对我国页岩气战略调查和勘探开发具有指导意义的中国页岩气地质理论体系。应重点研究我国页岩发育的构造背景、成藏条件与机理(成藏主要受控于页泥岩厚度、面积、总有机碳含量、有机质成熟度、矿物岩石成分、压力和温度等因素)、页岩成烃能力(如有机质类型及含量、成熟度等)、页岩聚烃能力(如吸附能力及影响因素等)、含气页岩区域沉积环境、储层特征、页岩气富集类型与模式,系统研究我国页岩气分布规律、潜力和评价方法参数体系等。

5.2 战略选区

作为可商业规模化开的页岩气,战略选区是页岩气勘探开发前的基础性、前瞻性工作,除了地质控制因素的考虑,还应特别重视页岩气开发可行性。我国页岩气起步阶段应首先要考虑海相厚层页岩中那些总有机碳含量大于1.0%、Ro介于1.0%~2.5%之间、埋深介于200~3000m之间、厚度大于30m的富含有机质页岩发育区;其次考虑海陆交互相富含有机质泥页岩与致密砂岩和煤层在层位上的紧密共生区;但同时要研发不同类型天然气多层合技术;对于湖相富含有机质泥页岩,重点考虑硅质成分高、岩石强度大、有利于井眼稳定的层系。

5.3 技术适应性试验

美国页岩气成功开发的关键原因之一在于水平井技术、多段压裂技术、水力压裂技术、微地震技术、地震储层预测技术、有效的完井技术等一系列技术的成功应用。但这些手段在中国是否会取得比较好的效果,还值得进一步的现场试验才能得出结果。中国页岩气的开发急需要研究出一套适合中国地质条件以及页岩气特点的开发技术,使分布广泛的页岩气量逐步转化为经济和技术可储量。

5.4 环保因素的考虑

对Barnett页岩开地区的研究表明,钻井和压裂需要大量的水,2000年在Bar-nett页岩中开页岩气需86.3×104m3的地表水和地下水,2007年这一用量增长了10倍多,约60%~80%的水会返回地面,其中含有大量的化学物质或放射性元素,会造成水污染,因此页岩气开发过程中对于环境的保护也是需要重视的问题。

6 结论

(1)美国页岩气的高速发展表明,除了天然气价格上涨、天然气需求增加以及国家政策扶持等因素外,主要得益于以下开发技术的进步与推广运用:水平井钻井与分段压裂技术的综合运用,使页岩开发领域在纵向和横向上延伸,单井产量上了新台阶;重复压裂与同步压裂通过调整压裂方位,能够改善储层渗流能力,延长页岩气井高产时期;裂缝监测技术能够观测实际裂缝几何形状,有助于掌握页岩气藏的衰竭动态变化情况,实现气藏管理的最佳化。

(2)目前中国的页岩气开发急需要解决以下几个方面的问题:地质控制条件评价、战略选区、技术适应性试验、环保因素的考虑,从而推动中国页岩气产业的快速发展。

参考文献

[1] 张金川, 薛会, 张德明等.2003. 页岩气及其成藏机理.现代地质, 17 (4): 466

[2] Carlson E S.Characterization of Devonian Shale Gas Reservoirs Using Coordinated Single Well Analytical Models: pro- ceedings of the SPE Eastern Regional Meeting,Charleston,West Virginia,[C] .1994 Copyright 1994,Society of Petroleum En- gineers, Inc., 1994

[3] 陈波, 兰正凯.2009.上扬子地区下寒武统页岩气潜力, 中国石油勘探, 3: 1～15

[4] 张金川, 金之钧, 袁明生.2004. 页岩气成藏机理和分布.天然气工业, 24 (7): 15～18

[5] Shaw J C,Reynolds M M,Burke L H.2006.Shale Gas Production Potential and Technical Challenges in Western Cana- da: proceedings of the Canadian International Petroleum Conference,Calgary,Alberta,[C]

[6] Jadpour F, Fisher D, Unsworth M.2007.Nanoscale Gas Flow in Shale Gas Sediments [J], 46 (10)

[7] Bustin A M M,Bustin R M,Cui X.2008.Importance of Fabric on the Production of Gas Shales: proceedings of the SPE Unconventional Reservoirs Conference, Keystone, Colorado, USA,[C] .Society of Petroleum Engineers

[8] Cipolla C L, Warpinski N R, Mayerhofer M J et al.2008.The Relationship Between Fracture Complexity, Reservoir Properties, and Fracture Treatment Design: proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colo- rado, USA,[C].Society of Petroleum Engineers

[9] 钱伯章, 朱建芳.2010. 页岩气开发的现状与前景.天然气技术, 4 (2): 11～13

[10] Lewis A M, Hughes RG.2008.Production Data Analysis of Shale Gas Reservoirs: proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colorado, USA,[C] .Society of Petroleum Engineers

[11] Mayerhofer M J,Lolon E,Warpinski N R et al.2008.What is Stimulated Rock Volume: proceedings of the SPE Shale Gas Production Conference, Fort Worth, Texas, USA,[C] .Society of Petroleum Engineers

[12] Arthur J D, Bohm B K, Cornue D.2009.Environmental Considerations of Modern Shale Gas Development: proceed- ings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, Louisiana,[C] .Society of Petroleum Engineers

GIS技术在国内的研究现状及其发展趋势

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。

0 引言

随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，GIS（Geographic Information System）技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。近年来，GIS被世界各国普遍重视，尤其是“数字地球”概念的提出，使其核心技术GIS更为各国所关注。目前，以管理空间数据见长的GIS已经在全球变化与监测、军事、管理、城市规划、土地管理、环境研究、农作物估产、灾害预测、交通管理、矿产评价、文物保护、湿地制图以及部门等许多领域发挥着越来越重要的作用。当前GIS正处于急剧发展和变化之中，研究和总结GIS技术发展，对进一步开展GIS研究工作具有重要的指导意义。因此，本文就目前GIS技术的研究现状及未来发展趋势进行总结和分析。

1 GIS研究现状及其分析

1.1 GIS研究现状

世纪90年代以来，由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善，GIS在全球得到了迅速的发展。在海量数据存储、处理、表达、显示及数据共享技术等方面都取得了显著的成效，其概括起来有以下几个方面[1]：①硬件系统用服务器/客户机结构，初步形成了网络化、分布式、多媒体GIS；②在GIS的设计中，提出了用“开放的CIS环境”的概念，最终以实现共享、数据共享为目标；③高度重视数据标准化与数据质量的问题，并已形成一些较为可行的数据标准；④面向对象的数据库管理系统已经问世，正在发展称之为“对象——关系DBMS（数据库管理系统）”；⑤以CIS为核心的“3S”技术的逐渐成熟，为与环境工作提供了空间数据新的工具和方法；⑥新的数学理论和工具用CIS，使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。

在GIS技术不断发展下，目前GIS的应用已从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报，与卫星遥感技术相结合用于全球监测，成为重要的决策工具。据有关部门估计，目前世界上常用的GIS软件己达400多种[2].国外较著名的GIS软件产品有[3]：Auotodesk系列产品、Arc/Info、MapInfo及其构件产品、Intergraph、Microstation等，还有Web环境下矢量地图发布的标准和规范，如XML、GML、SVG等等。我国GIS软件研制起步较晚，比较成熟的测绘软件主要有南方CASS，MapGIS，GeoStar，SuperMap等。尽管现存的GIS软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况：一是利用GIS系统处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发用户专用的GIS软件。目前已成功应用包括管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，GIS的应用遍及环境保护、灾害预测、城市规划建设、管理等众多领域。近年来，随着我国经济建设的迅速发展，加速了GIS应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业等领域发挥r重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。

1.2 当前GIS发展存在的主要问题

基于以上GIS技术现状研究，本文分析认为GIS技术在模型、数据结构等方面存在着不足，一定程度上制约了GIS技术的发展。

（1）数据结构方面存在的问题

目前通用的GIS主要有矢量、栅格或两者相加的混合系统，即使是混合系统实际上也是将两类数据分开存储，当需要执行不同的任务时用不同的数据形式。在矢量结构方面，其缺点是处理位置关系（包括相交、通过、包含等）相当费时，且缺乏与DEM和RS直接结合的能力。在栅格结构方面，存在着栅格数据分辨率低，精度差；难以建立地物间的拓扑关系；难以操作单个目标及栅格数据存贮量大等问题[4].

（2）GIS模型存在的问题

传统GIS模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象，使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系，难以表达复杂的地理实体，更难满足客观世界的整体特征要求。在GIS软件开发中，如果语义分割不合理，将难以有效表达地理空间实体间的关系，这就导致较深层次的分析、处理操作难以实现。随着GIS应用需求领域的不断开拓及计算机技术的迅速发展，对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求，使得传统的地理空间数据模型力不从心，逐渐暴露其弊端。

目前，面向对象的数据模型一定程度上解决了传统GIS数据模型的某些不足，但是OODB（面向对象数据库）目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受，因为OODB作为一个DBS还不太成熟，如缺少完全非过程性的查询语言以及视图、授权、动态模式更新和参数化性能协调等；且OODB与RDB之间缺少应有的兼容性，因而使得大量的已建立起来的庞大的RDB客户不敢轻易地去选择OODB.

（3）其他方面亟待解决的问题

当前，GIS正处在一个大变革时期，GIS的进一步发展还面临不少问题，主要表现在以下几个方面[5]：①GIS设计与实现的方法学问题。在GIS设计与实现过程中缺乏面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学的指导，导致GIS软件系统的可靠性和可维护性差；②GIS的功能问题。当前以数据集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS，不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力；③三维GIS模型及可视化问题。目前大多数GIS软件的图形显示是基于二维平面的，即使是三维效果显示也是用DEM的方法来处理表达地形的起伏，涉及到地底下真三维的自然和人工现象显得无能为力。

2 GIS未来发展趋势

2.1数据管理方面

（1）多比例尺、多尺度和多维空间数据的表达[6]

对于多比例尺数据的显示，将运用影像金字塔技术、细节分层技术和地图综合等技术；而为了实现GIS的动态、实时和三维可视化，出现存储真三维坐标数据的3D GIS和真四维时空GIS，这其中涉及了空间数据的海量存储、时空数据处理与分析以及快速广域三维计算与显示等多项理论与技术[7].

（2）三库一体化的数据结构方向

空间数据库向着真正面向对象的数据模型和图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库三库一体化数据结构的方向发展[8].这种三库一体化的数据结构改变了以图层为处理基础的组织方式，实现了直接面向空间实体的数据组织，使多源空间数据的录入与融合成为了可能，从而为GIS与遥感技术的集成创造了条件。

（3）基于空间数据仓库（Spatial Data warehouse）的海量空间数据管理的研究

空间数据量非常大，而且数据大都分散在、私人机构、公司的各个部门，数据的管理与使用就变得非常复杂，但这些空间数据又具有极大的科学价值和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据仓库的建立工作，许多研究机构和部门都参与到空间数据仓库建立的研究工作。

（4）利用数据挖掘技术进行知识发现

空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系以及其他非显式的包含在空间数据库中但以别的模式存在的信息供用户使用，这是GIS应用的较高层次。由于目前空间数据的组织与管理仍局限于二维、静态、单时相，且仍以图层为处理基础，因此，当前的GIS软件和空间数据库还不能有效地支持数据挖掘。

2.2技术集成方面

（1）“3S”集成

“3S”是GPS（全球定位系统）、RS（遥感）和GIS的简称，“3S”集成是指将遥感、空间定位系统和地理信息系统这三种对地观测技术有机地集成在一起。地理信息是一种信息流，RS、GPS和GIS中任何一个系统都只侧重于信息流特征中的一个方面，而不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求。因此，无论从物质运动形式、地学信息的本质特征还是“3S”各自的技术特征来说，“3S”集成都是科技发展的必然结果。

目前，“3S”集成还仅限于两两结合方式，这是“3S”集成的初级和基础起步阶段，其核心是GIS与RS的结合。这种两两结合虽然优于单一系统，但是仍然存在以下缺陷。将“3S”进行集成从而形成一体化的信息技术体系是非常迫切的。这种集成包括空基“3S”集成和地基“3S”集成，即在硬件方面建立具有同步获取涉谱数据和空间数据的高重复观测能力的平台，而在软件方面使GIS支持数据封装，同时解决图形和图像数据的统一处理问题。

（2）GIS与虚拟现实技术的结合

虚拟现实（Virtual Reality）是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图形、声音和接触感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。将虚拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，GIS用户在客观世界的虚拟环境中能更有效的管理、分析空间实体数据。因此，开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。

（3）分布式技术、万维网与GIS的结合[9]

目前，随着Internet技术的迅猛发展，其应用已经深人到各行各业，作为与我们日常生活息息相关的GIS也不例外，它们的结合产生了web GIS.当前Web GIS系统已经得到迅速的发展，到1999年1月，仅在美国出现的这类系统就有23种之多。又由于客户端可能会用新的应用协议，因此也被认为是Internet GIS.

计算机网络技术的飞速发展，分布式计算的优势日益凸显，GIS与分布式技术结合也就成为必然，它们的结合即构成了分布式CIS.它就是指利用最先进的分布式计算技术来处理分布在网络上的异构多源的地理信息，集成网络上不同平台上的空间服务，构建一个物理上分布，逻辑上统一的GIS.它与传统GIS最大的区别在于它不是按照系统的应用类别、运行环境划分的，而是按照系统中的数据分布特征和针对其中数据处理的计算特征而分类的。

（4）移动通信技术与CIS的结合发展[10]

WAP/WML技术作为无线互联网领域的一个热点，已经显示了其巨大的应用前景和市场价值。WAP柳ML技术与GIS技术的结合产生了移动GIS（Mobile GIS）应用和无线定位服务LBS（Location一basedServices）。通过WAR/WML技术，移动用户几乎可以在任何地方、时间获得网络提供的各种服务。无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里。大多数的分析家都认为，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性所决定。

当前用于地理信息交互的语言还不足以完成真正的“设备无关接口”的互操作。各种移动设备对于从地理信息服务器所获得的信息，其表现方式是各不相同的，用户输人方式也不相同。因此，对于不同的移动设备需要一种统一的标记语言。无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里：大多数的分析家都认为，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性所决定。

（5）GIS与决策支持系统（DSS）的集成[11]

决策支持系统（Decision Support System，简称DSS）是以管理学、运筹学、控制论、行为科学和人下智能为基础，运用信息仿真和计算手段为基础，综合利用现有的各种数据库、信息和模型来决策者或决策分析人员解决结构化和半结构化问题，甚至非结构化问题的人机交互系统。

目前，绝大多数的GIS还仅限于图形的分析处理，缺乏对复杂空间问题的决策支持，而目前绝大多数的DSS则无法向决策者提供一个友好的可视化的决策环境。因此，将GIS与DSS相集成，最终形成空间决策支持系统（SDSS），借助GIS强大的空间数据处理分析功能，并在DSS中嵌入空间分析模块，从而决策者求解复杂的空间问题，这是GIS应用向较高层次的发展。其中SDSS中知识的表达、获取和知识推理以及模型库、知识库、数据库三库接口的设计是哑待解决的关键问题。

2.3 发展历程方面

自20世纪60年代世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统（CGIS）问世以来，经过40年的发展，GIS经历了三个阶段的发展。目前，随着第三代互联网的提出与实施，以及计算机技术、数据库技术的飞速发展，GIS即将步入第四代GIS发展阶段。

第四代GIS软件将在数据组织、存储、检索和运算等方面发生革命性的变革。数据组织应该是面向空间实体的，空间位置只是实体众多属性中的一类，它应和其它属性有机地组织在一起并统一存放：“关系”概念和“关系运算”应该加以扩充，应该包括空间关系及其运算；传统的结构化查询语言应该扩充，把空间关系及其查询包括在里面；以倒排表为基础的数据库索引机制应该扩展，建立至少包括拓扑关系在内的新的索引机制；数据存储机制应该适应空间数据提取和计算的要求等。只有实现数据真正的一体化存储和处理，才能自由地、方便地、快速地实现人们所期望的处理功能。在功能上，第四代GIS软件应该具备支持数字地球（区域、城市）的能力，成为OS、DBMS之上的主要应用集成平台，它具有统一的海量存储、查询和分析处理能力、一定的三维和时序处理能力、强大的应用集成能力和灵活的操纵能力，且具有一定的虚拟现实表达。

3 结束语

通过以上对GIS现状及发展趋势的分析，可以看出，GIS作为信息产业的重要组成部分，正以前所未有的速度向前发展。把握当前GIS的技术发展现状及不足，有利于人们预见GIS的发展趋势，站在更高更远的角度去扬长避短，较好地促进GIS技术的快速发展。随着地理信息系统产业的建立和数字化住处产品在全世界的普及，GIS将深人到各行各业以至千家万户，成为人们生产、工作、学习和生活中不可缺少的工具和助手。