隨機介質(zhì)理論模擬天然氣水合物羽狀流

許堯，張成林，程漢列

（1.延長油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安717400；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000；3.恒泰艾普石油天然氣技術(shù)服務(wù)股份有限公司，新疆庫爾勒841000）

隨機介質(zhì)理論模擬天然氣水合物羽狀流

許堯1，張成林2，程漢列3

（1.延長油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安717400；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000；3.恒泰艾普石油天然氣技術(shù)服務(wù)股份有限公司，新疆庫爾勒841000）

天然氣水合物是一種具有良好勘探前景的資源，羽狀流發(fā)育地區(qū)通常會發(fā)現(xiàn)富含天然氣水合物的儲層。但其非均質(zhì)性較強，刻畫難度較大，而常規(guī)數(shù)值模擬方法是以均勻介質(zhì)或?qū)訝罱橘|(zhì)理論為基礎(chǔ)，因此很難對天然氣水合物羽狀流進行完整的描述。介紹了隨機介質(zhì)建模的基本理論，在建立天然氣水合物羽狀流模型時，引入了隨機介質(zhì)建模理論。從模擬的結(jié)果可以看出，該方法可以靈活、準(zhǔn)確地描述天然氣水合物羽狀流的特征。

天然氣水合物；羽狀流；隨機介質(zhì)

天然氣水合物也可稱為“可燃冰”，具有使用方便，燃燒值高，清潔無污染等特點，被科學(xué)家譽為21世紀(jì)能源。早在200多年前人類就發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，2007年，我國科學(xué)家證明中國海域存在豐富的天然氣水合物資源[1]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，天然氣在地殼動力作用下，會滲入到海水中形成羽狀流，而羽狀流發(fā)育地區(qū)通常會發(fā)現(xiàn)富含天然氣水合物的儲層。由于羽狀流的非均質(zhì)性極強，主要表現(xiàn)在氣泡半徑和含量與所處的海水深度有關(guān)，而常規(guī)的數(shù)值模擬方法是以均勻介質(zhì)或?qū)訝罱橘|(zhì)理論為基礎(chǔ)，沒有考慮到羽狀流的非均質(zhì)性，無法得到與這些非均質(zhì)性相聯(lián)系的地震波場特征[2，3]。因此，需要尋求一種能靈活、方便、完整地描述羽狀流的非均勻性的模型。本研究利用隨機介質(zhì)理論來模擬天然氣水合物羽狀流，得到較好成果。

1 基本原理

1.1 隨機介質(zhì)

非均勻介質(zhì)可由大尺度和小尺度的非均勻的兩部分組成，大尺度部分描述介質(zhì)的平均特性，即傳統(tǒng)意義上的地質(zhì)模型；小尺度部分是加在地質(zhì)模型上的隨機擾動δ（x，y）（見圖1）。δ=δ（x，y）是均值為零且具有一定自相關(guān)函數(shù)及方差的空間平穩(wěn)隨機過程，通常采用各種自相關(guān)函數(shù)來求取，其中比較典型的有指數(shù)型、高斯型、Von Karman型[4]。根據(jù)Brich原理，假設(shè)介質(zhì)的縱波、橫波速度的相對擾動量是相同的，而密度的相對擾動量與其有線性關(guān)系，因此，可用縱波速度的相對擾動量來描述隨機介質(zhì)在小尺度上的非均勻性，即：

式中：vp0、vs0、ρ0-背景參數(shù)；K-比例常數(shù)，取值范圍為0.3～0.8。

由（1）式得：

圖1 隨機擾動模型

1.2 羽狀流

羽狀流現(xiàn)象是由于海水中存在滲漏甲烷氣體產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致的，這將改變海水內(nèi)壓力分布，從而使海水的聲學(xué)特性發(fā)生改變。溶入氣泡的海水聲速與氣泡半徑和氣泡含量有關(guān)，含氣泡介質(zhì)內(nèi)聲速表達式[5]：

式中：cm-氣液混合體的聲速，m/s；K-液體體積模量，N/m2；Kb-氣體體積模量，N/m2；ρ-液體密度，kg/m3；ρb-氣體密度，kg/m3；ω-頻率，Hz；a-氣泡半徑，m；σ-液體表面張力，N/m2；R-假定含氣泡兩相混合區(qū)為球形時的半徑，m；Φ-氣泡含量或氣泡體積分?jǐn)?shù)，%，即半徑為R的球形區(qū)域內(nèi)氣泡所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)。其中，K、Kb、ρ、ρb、σ為固定參量，ω、a、Φ和R為給定的可變參量。

由于羽狀流分布在海水中，氣泡半徑和氣泡含量與所處海水深度有關(guān)，呈現(xiàn)出很強的非均質(zhì)性，所以可以根據(jù)隨機介質(zhì)理論求出氣泡半徑和氣泡含量的隨機擾動，然后結(jié)合（2）式建立羽狀流速度模型。

2 天然氣水合物羽狀流模擬

首先計算出羽狀流模型的氣泡半徑和氣泡含量的隨機擾動（見圖2）。從圖2中可以看出羽狀流氣泡半徑和氣泡含量隨著海水深度的變淺先變大后變小，這是由于隨著深度變淺，壓力變小，氣泡半徑會變大，當(dāng)氣泡半徑大到一定程度時氣泡破裂或分裂成小氣泡，導(dǎo)致半徑又變小。然后，利用公式（2）和（3），建立羽狀流速度模型（見圖3）。從圖3中可以看出，羽狀流速度是隨機變化的，因為氣泡半徑和含量是隨機變化的，所以得到的速度也會隨機變化，該模型可以很好的描述羽狀流的非均質(zhì)性。

The numerical simulation of natural gas hydrate plumes based on rand medium theory

XU Yao1，ZHANG Chenglin2，CHENG Hanlie3
（1.Yanchang Petroleum（Group）Co.，Ltd.，Xingzichuan Oil Production Plant，Yan'an Shanxi 717400，China；2.Gas Production Plant 2 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yulin Shanxi 719000，China；3.LandOcean Energy Services Co.，Ltd.，Korla Xinjiang 841000，China）

Nature gas hydrate is a kind of energy,which has a good exploration prospect.There is the nature gas hydrate rich reservoir in the plume rich area.The plume has a strong heterogeneity,so it is described difficultly.The conventional numerical simulation method is based on the theory of homogeneous and layered medium,which is difficult to completely describe the nature gas hydrate plume.Firstly,the basic theory of random medium model-building is given in this paper.Secondly,the theory of random medium model-building is cited when we construct nature gas hydrate plume model.The result of simulation shows that this method can describe the characteristics of nature gas hydrate plume flexibly and accurately.

nature gas hydrate；plume；random medium

TE312

A

1673-5285（2017）01-0062-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.018

2016－10-13

許堯，男（1988-），助理工程師，本科，從事注采工藝及油井措施改造研究工作，郵箱：350681988@qq.com。