墨西哥灣GC955H井天然氣水合物儲(chǔ)層聲波衰減特征

王吉亮， 吳時(shí)國(guó)

中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所， 海南 三亞　572000

墨西哥灣GC955H井天然氣水合物儲(chǔ)層聲波衰減特征

王吉亮， 吳時(shí)國(guó)

中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所， 海南 三亞572000

摘要墨西哥灣GC955H井鉆遇兩種不同的水合物儲(chǔ)層，淺層裂隙充填型水合物和深層砂巖型水合物.淺層水合物充填在細(xì)粒泥質(zhì)沉積物的裂隙中，由電阻率測(cè)井計(jì)算的飽和度平均值為25%.深層水合物充填在砂巖孔隙中，由電阻率計(jì)算的飽和度平均為65%.基于聲波全波形數(shù)據(jù)，本文計(jì)算了GC955H井儲(chǔ)層的聲波衰減大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種水合物層對(duì)聲波衰減的影響不同.泥巖水合物層中的聲波衰減與上覆背景泥巖沉積層基本相當(dāng).砂巖水合物層的聲波衰減大于0.1，最大0.15，遠(yuǎn)高于上覆和下伏的背景砂巖層.對(duì)聲波頻率的分析發(fā)現(xiàn)，GC955H 井泥巖層中水合物對(duì)聲波頻率的影響不大，砂巖水合物層的聲波頻譜與上下背景砂巖層相比發(fā)生變化，主頻增大.通過(guò)對(duì)比兩種水合物儲(chǔ)層的特征，本文初步定性分析了造成水合物對(duì)儲(chǔ)層聲波傳播影響不同的原因，包括巖性、水合物飽和度、水合物賦存方式等；但對(duì)此的定量描述需要未來(lái)更詳盡地討論和研究水合物的聲波衰減機(jī)制.

關(guān)鍵詞天然氣水合物； 聲波衰減； 墨西哥灣； 聲波波形

1引言

水合物是在低溫高壓條件下由水分子和氣體分子形成的似冰狀固態(tài)物質(zhì)，常見(jiàn)的氣體分子包括烴類氣體、二氧化碳、硫化氫等(Sloan and Koh，2007).自然界中，水合物主要分布在陸上凍土帶以及水深超過(guò)300 m的海底沉積物中.甲烷水合物是自然界存在的主要天然氣水合物類型，貯存了約1.5×104億噸的碳，占到全球陸地-海洋-大氣系統(tǒng)中可移動(dòng)有機(jī)碳量的25% (Beaudoin等，2014)，因此水合物必將在未來(lái)能源格局中扮演重要角色.水合物的分解通常會(huì)改變海底沉積層的力學(xué)性質(zhì)，可能引起海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害(Paull等，1996，2003).水合物分解釋放的甲烷氣一旦進(jìn)入大氣層，將改變大氣成分，加劇溫室效應(yīng)(Dickens等，1997).資源潛力、環(huán)境效應(yīng)和海底穩(wěn)定性的意義是驅(qū)動(dòng)水合物研究的三大動(dòng)力.

天然氣水合物的存在改變了海底沉積物的物理性質(zhì)，如聲波速度、電阻率等(Waite等，2009)，這是地球物理方法探測(cè)水合物的基礎(chǔ).海底沉積物對(duì)地震波/聲波的傳播有衰減作用，主要衰減機(jī)制包括沉積物顆粒的滑動(dòng)、散射、孔隙流體的黏彈性流動(dòng)和黏性阻力等(Stoll and Bryan，1970；Johnston等，1979).前人對(duì)水合物的衰減作用進(jìn)行了研究，水合物在沉積物中不同的賦存形態(tài)對(duì)地震波/聲波的衰減影響不同.與沉積物顆粒接觸的水合物比孔隙充填的水合物對(duì)地震波衰減的影響更大(Toks?z等，1979).如果水合物作為膠結(jié)物，地層品質(zhì)因子對(duì)水合物飽和度變化更加敏感(Dvorkin and Nur, 2003).基于不同地區(qū)、不同研究方法獲得的結(jié)果顯示水合物對(duì)沉積層衰減特征影響各異.布萊克海臺(tái)研究的結(jié)果表明含水合物沉積層的地層品質(zhì)因子在沉積層的正常范圍之內(nèi)(約為90～600)，該地區(qū)水合物飽和度不足以顯著影響地層品質(zhì)因子(Wood and Ruppel，2000).基于ODP164航次聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，Guerin等(1999)也提出水合物作為沉積顆粒膠結(jié)物時(shí)，其地層品質(zhì)因子與不含水合物沉積層近似.日本南海海槽井中VSP數(shù)據(jù)研究結(jié)果同樣表明水合物層沒(méi)有明顯的衰減增大(Matsushima，2006).但加拿大馬更些三角洲馬利克地區(qū)井間地震數(shù)據(jù)的全波形反演結(jié)果表明水合物會(huì)增大沉積層的衰減(Pratt等，2005)，聲波測(cè)井的研究同樣說(shuō)明沉積層含水合物飽和度增大，對(duì)聲波的衰減增大(Guerin and Goldberg，2002).但Lee和Waite(2007)指出馬利克井聲波信號(hào)的衰減可能是由于儀器的耦合問(wèn)題而非水合物造成的.Sain等(2009)指出水合物作為沉積顆粒膠結(jié)物會(huì)增大沉積層的強(qiáng)度，進(jìn)而減小地震波衰減.Gei等(2003)同樣認(rèn)為在海底沉積物中水合物飽和度增大，會(huì)減小沉積層的衰減.綜合來(lái)看，水合物對(duì)沉積層地震波/聲波衰減的影響沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).本文利用聯(lián)合工業(yè)計(jì)劃(JIP)在墨西哥灣GC955鉆探的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，研究水合物對(duì)儲(chǔ)層聲波衰減的影響，提高地震波/聲波在含水合物地層中傳播特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為地震巖石物理方法識(shí)別水合物(如BSR識(shí)別、AVO分析)提供參考.

2數(shù)據(jù)和方法

2.1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)

2009年，聯(lián)合工業(yè)計(jì)劃第二航段(簡(jiǎn)記為JIP Ⅱ)選擇墨西哥灣深水區(qū)的三個(gè)區(qū)塊(分別為AC21、GC955和WR313)進(jìn)行鉆探，實(shí)施了包括聲波、電阻率在內(nèi)的整套隨鉆測(cè)井(Boswell等，2012).本次研究的對(duì)象是GC955站位，該站位共鉆探3口井，分別是H井、I井和Q井(Collett等，2010).I井水深2064 m，鉆探深度444 mbsf，鉆探過(guò)程中發(fā)生了擴(kuò)徑，影響了測(cè)井質(zhì)量；根據(jù)校正后的LWD結(jié)果推斷只在幾米范圍內(nèi)存在中等強(qiáng)度的電阻率異常.Q井位于1985 m水深處，于414 mbsf鉆到含水合物的砂層，鉆探到達(dá)442 mbsf發(fā)現(xiàn)游離氣后停鉆.H井水深2032 m，鉆探總深度589 m，鉆探過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，僅在近海底出現(xiàn)典型的擴(kuò)徑，以及在383～488 mbsf層段出現(xiàn)泥漿侵入，影響密度和孔隙度結(jié)果，進(jìn)行水合物飽和度計(jì)算時(shí)要進(jìn)行校正(Lee and Collett，2012).GC955H井鉆透一個(gè)裂隙充填水合物儲(chǔ)層(192～308 mbsf，水合物層Ⅰ)和一個(gè)砂巖水合物儲(chǔ)層(413～453 mbsf，水合物層Ⅱ).H井的部分測(cè)井曲線如圖1所示，井徑曲線變化較小，說(shuō)明測(cè)井質(zhì)量比較可靠，伽馬曲線指示了巖性的變化，密度曲線在發(fā)生泥漿侵入的層段由Lee and Collett (2012)方法進(jìn)行校正.水合物穩(wěn)定帶內(nèi)電阻率曲線與計(jì)算的飽和水電阻率差異指示水合物的存在，差異幅度大小則可以確定水合物飽和度.基于阿爾奇公式由電阻率曲線計(jì)算獲得了水合物的飽和度，在裂隙充填型水合物層段未考慮各向異性.

聲波測(cè)井由發(fā)射探頭發(fā)射脈沖信號(hào)進(jìn)入地層，在固定距離的接收探頭記錄信號(hào)，不但記錄信號(hào)到達(dá)時(shí)間，同時(shí)記錄聲波全波形.JIP Ⅱ使用斯倫貝謝公司的sonicVISION儀器進(jìn)行聲波測(cè)量(Collett等，2010).聲波全波形數(shù)據(jù)使用DLIS格式進(jìn)行記錄，深度采樣頻率為15.24 cm，每一個(gè)深度由4個(gè)接收探頭測(cè)量4組波形，時(shí)間采樣頻率為20 ms，每一組波形記錄151個(gè)采樣點(diǎn).GC955H井的聲波全波形數(shù)據(jù)如圖2所示，4組波形數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，說(shuō)明測(cè)井質(zhì)量可信.

2.2衰減計(jì)算方法

聲波波形振幅是幾何擴(kuò)散、儀器耦合和地層固有衰減共同作用的結(jié)果(Goldberg等，1984).假設(shè)聲波傳感器發(fā)射的能量是固定的，幾何擴(kuò)散和耦合效應(yīng)在整個(gè)井孔中是相對(duì)均一的，則波形振幅的相對(duì)變化主要反映了含水合物沉積物的固有衰減特征.

衰減定義為波形傳播一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)變能量或者波形振幅的損失.衰減是頻率(f)或者圓頻率(ω=2πf)的函數(shù)，由地層品質(zhì)因子Q的倒數(shù)來(lái)表示：

(1)

或者

(2)

式中ΔE和ΔA分別表示在單個(gè)周期內(nèi)消耗的能量或者振幅，E和A分別是單個(gè)周期內(nèi)的最大能量和最大振幅.一般認(rèn)為在測(cè)井儀器有限的帶寬內(nèi)Q與頻率無(wú)關(guān)(Goldberg等，1984).Frazer等(1997)和Sun等(2000)給出了利用聲波全波形數(shù)據(jù)計(jì)算衰減的算法，下面介紹基本思路，詳細(xì)請(qǐng)參考作者文章.

對(duì)聲波全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到振幅譜X，處理方法建立在簡(jiǎn)單的振幅譜X的模型上：

X(zr,zs)=SCs(zs)RCr(zr)G(zr,zs)

(3)

式中ω是圓頻率，S是在震源深度zs處的頻譜，Cs是震源與井壁的耦合參數(shù)，R是在接收探頭深度zr處的頻譜，Cr是接收探頭與井壁的耦合參數(shù)，G是幾何擴(kuò)散因子，vp是縱波速度，Qp是地層品質(zhì)因子.

對(duì)公式(3)變形后對(duì)兩邊取對(duì)數(shù)，得到

(4)

公式右邊的第一項(xiàng)主要由深度決定，跟ω關(guān)系較弱，右邊第二項(xiàng)主要與ω有關(guān)，與深度的關(guān)系較弱.公式(4)可以簡(jiǎn)記為

(5)

-meanωΦ(z,ω)]}，

(6)

圖1　GC955H井部分測(cè)井曲線Fig.1　Parts of well logs at Well GC955H

圖2　GC955H井的聲波全波形測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)Fig.2　Sonic waveforms data at GC955H

(7)

(8)

其中，

(9)

則衰減的絕對(duì)大小可以由下式計(jì)算獲得，

(10)

3結(jié)果與討論

3.1 兩種水合物儲(chǔ)層

GC955H測(cè)井曲線指示了兩種水合物層的存在，即裂隙充填型水合物儲(chǔ)層(192～308 mbsf，水合物層Ⅰ)和砂巖水合物儲(chǔ)層(413～453 mbsf，水合物層Ⅱ)(圖1).電阻率顯示兩個(gè)層段原位測(cè)量值均大于沉積層飽和水電阻率，指示存在水合物.伽馬曲線指示井孔中巖性變化，水合物層Ⅰ伽馬值為70～80API，主要為泥巖，水合物層Ⅱ伽馬值為40～60API，儲(chǔ)層以砂巖為主.電阻率成像測(cè)井顯示層Ⅰ中水合物充填在細(xì)粒沉積物的裂隙中，裂隙走向大都與區(qū)域主應(yīng)力方向一致，導(dǎo)致該層段儲(chǔ)層表現(xiàn)為電性和彈性介質(zhì)的各向異性(Cook等，2012).

基于阿爾奇公式，計(jì)算層Ⅰ中水合物飽和度為10%～50%，平均25%.Cook等(2012)指出裂隙水合物的出現(xiàn)引起各向異性，使得基于各向同性估算的水合物飽和度值偏大.Lee and Collett(2012)基于各向異性模型，在假設(shè)垂直裂隙的情況下，由電阻率計(jì)算獲得該層段水合物飽和度平均只有約5%.因此，各向異性導(dǎo)致飽和度估算出現(xiàn)很大誤差.在水合物層Ⅱ內(nèi)，發(fā)生泥漿侵入，影響了密度測(cè)井曲線，經(jīng)過(guò)校正之后的曲線與沉積層趨勢(shì)一致，可用于孔隙度計(jì)算(Lee et al.，2012).層Ⅱ水合物飽和度平均為65%，局部高達(dá)80%.層Ⅱ是砂巖層，厚度達(dá)到近30 m，如此高富集度的水合物藏，非常有開(kāi)發(fā)價(jià)值.3.2水合物儲(chǔ)層的聲波衰減特征

用2.2節(jié)中公式計(jì)算GC955H井中沉積層對(duì)聲波波形的衰減大小，結(jié)果如圖3所示.圖3a是4組聲波波形分別計(jì)算獲得的衰減大小，結(jié)果顯示衰減絕對(duì)值存在一定差異，可能與發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離有關(guān)系，距離越大，聲波在地層中的傳播時(shí)間越長(zhǎng)，計(jì)算獲得的某一深度衰減受到上下地層的影響越大.盡管絕對(duì)大小存在差異，但4組衰減趨勢(shì)一致，互相驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的可靠性.圖3b是4組衰減的平均值，平均作用可以消除偶然誤差，結(jié)果更有代表性和參考性.從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，0～192 mbsf層段(記為泥巖層Ⅰ)，衰減變化幅度較小，平均約0.02.水合物層Ⅰ內(nèi)衰減分為上下兩段，上段(192～285 mbsf)與泥巖層Ⅰ基本一致，沒(méi)有明顯變化，下段(285～308 mbsf)衰減由0.02逐漸增大到0.05，該段水合物飽和度很小(小于0.1).綜合來(lái)看，水合物層Ⅰ內(nèi)衰減大小與上面的背景泥巖層段相比并沒(méi)有明顯變化，即使在下段增大，但水合物飽和度非常小.308～380 mbsf層段伽馬值70～80API，泥質(zhì)含量較高，記為泥巖層Ⅱ，衰減大小在0.05附近波動(dòng)，該層段內(nèi)可能含有少量水合物，但飽和度很低(<0.1).伽馬值在380～413 mbsf開(kāi)始下降至60API，說(shuō)明砂質(zhì)含量逐漸增大，該層段記為砂巖層Ⅰ，其衰減大小相較泥巖層段Ⅱ稍微減小一點(diǎn)，但減小幅度小于0.01.水合物層Ⅱ內(nèi)巖性以砂巖為主，衰減劇烈增大到0.1～0.15，平均值0.12，這個(gè)結(jié)果與Guerin等(2002)計(jì)算的Mallik 2L-38井水合物層段的衰減值大小相當(dāng).453～500 mbsf層段伽馬值稍小于60API，屬于砂巖層，記為砂巖層Ⅱ，該層段內(nèi)沒(méi)有明顯水合物充填，衰減回落到砂巖層Ⅰ的水平.

圖3　GC955H井聲波衰減計(jì)算結(jié)果Fig.3　Sonic wave attenuations estimated at Well GC955H

圖4　GC955H井不同層段的聲波頻率特征Fig.4　Features of frequencies at different intervals of Well GC955H

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，與背景層相比水合物對(duì)儲(chǔ)層聲波衰減產(chǎn)生作用.水合物層Ⅰ中的衰減跟泥巖層Ⅰ相比沒(méi)有明顯增大，但小于泥巖層Ⅱ，本文傾向于將水合物層Ⅰ與泥巖層Ⅰ做比較，因?yàn)閺馁ゑR測(cè)井曲線上分析，這兩層的巖性更一致，而泥巖層Ⅱ泥質(zhì)含量稍微增大.水合物對(duì)泥巖儲(chǔ)層內(nèi)的衰減影響不大，有三種解釋：其一，泥巖層水合物對(duì)衰減沒(méi)有影響；其二是因?yàn)槟鄮r層段內(nèi)水合物飽和度太低；其三，還可能是因?yàn)樗衔锍涮钣诖怪绷严吨?，?duì)進(jìn)入地層垂向傳播的聲波作用不大.與純砂巖層段相比，水合物層Ⅱ衰減劇烈增大.關(guān)于水合物對(duì)聲波衰減性質(zhì)的影響方式和機(jī)制爭(zhēng)議很大，從GC955H井來(lái)看，高飽和度的水合物增大了砂巖儲(chǔ)層對(duì)聲波的衰減，這一結(jié)果與Best等(2013)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.推斷可能的機(jī)制是水合物增大了砂層的不均質(zhì)性(Dvorkin等，2004).如果該推斷成立，傳統(tǒng)上認(rèn)為水合物增大儲(chǔ)層均質(zhì)性而出現(xiàn)空白反射的現(xiàn)象可能更多地出現(xiàn)在泥質(zhì)沉積物中，且水合物必須是以分散狀分布，如布萊克海臺(tái)(Dillon等,1993)，而在砂巖層中不明顯，這可能也是GC955H井地震剖面上沒(méi)有“傳統(tǒng)”BSR(Zhang等，2012)的原因之一.

3.3水合物對(duì)聲波頻率的影響

選擇不同層段的聲波波形進(jìn)行頻譜分析，獲得的結(jié)果如圖4所示.選擇的深度和層段分別為，150 mbsf-泥巖層Ⅰ，250 mbsf-水合物層Ⅰ，400 mbsf-砂巖層Ⅰ，430 mbsf-水合物層Ⅱ，520 mbsf-砂巖層Ⅱ.每個(gè)深度上選擇發(fā)射探頭與接收探頭距離最小的波形，各個(gè)深度波形做歸一化處理(圖4b).相對(duì)波形振幅大小如圖4c，各個(gè)深度上波形振幅差異很大，在3.2節(jié)中已經(jīng)討論.雖然在每個(gè)層段只選擇了一個(gè)波形，但該層段內(nèi)波形頻譜形狀和主頻基本一致.圖4d中顯示聲波的頻率特征，頻譜中都出現(xiàn)了“雙峰”，主峰振幅大，次峰振幅小.砂巖水合物層段，頻譜主峰出現(xiàn)在高頻，次峰出現(xiàn)在低頻，其他層段主峰與次峰的頻率正好相反.泥巖層Ⅰ與水合物層Ⅰ中波形頻譜形狀基本一致，主頻也相同.因此，GC955H井中的水合物對(duì)泥巖層聲波頻率的影響較小，推斷原因與3.2節(jié)中討論相同.砂巖層Ⅰ與泥巖層Ⅰ相比較，主頻向低頻發(fā)生很小移動(dòng)，次峰相對(duì)于主峰振幅也變小.水合物層Ⅱ中波形主頻相較于砂巖層Ⅰ增大.砂巖層Ⅱ不存在水合物，波形的頻譜恢復(fù)到砂巖層Ⅰ的形狀和主頻.因此，GC955H井中水合物改變了砂巖層中聲波的頻率，增大了主頻，改變了頻譜的形狀.推斷可能的原因是水合物相對(duì)沉積層彈性模量大 (Ning et al., 2012)，聲波傳播過(guò)程中水合物層高頻成分衰減相對(duì)背景沉積層幅度小.水合物對(duì)聲波頻率的作用可能影響了其對(duì)聲波的衰減作用.3.4水合物層的對(duì)比

GC955H井中上下兩層水合物對(duì)儲(chǔ)層聲波傳播的影響存在很大差異，影響聲波傳播的因素很多.首先，兩層的巖性不同.通過(guò)對(duì)比泥巖層Ⅰ和砂巖層Ⅰ等背景沉積物層，衰減和聲波頻率稍微不同，巖性對(duì)聲波的傳播必然產(chǎn)生不同影響，同時(shí)水合物賦存于該巖性中與沉積物顆粒的作用機(jī)制不同也會(huì)造成差別.其次，GC955H井中上下水合物的飽和度差別較大.Priest等(2006)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂巖層水合物在不同飽和度時(shí)對(duì)地震波的衰減不同，存在極值點(diǎn).GC955H井中兩層水合物層飽和度相差很大，必然影響水合物對(duì)儲(chǔ)層聲波傳播特性的作用.此外，水合物在沉積物中有多種賦存模型(Dai等，2004)，不同模型充填方式、與沉積物顆粒接觸方式等都不同，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果證實(shí)不同賦存方式對(duì)聲波的傳播影響不同.GC955H井層Ⅰ中水合物充填在裂隙中，而在層Ⅱ中水合物充填在砂巖孔隙中，造成水合物對(duì)聲波衰減作用不同.如果要定量描述水合物對(duì)沉積層聲波/地震波傳播的作用，必須對(duì)其衰減機(jī)制展開(kāi)更深入的研究和探索.

4結(jié)論

基于GC955H井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，研究了天然氣水合物對(duì)儲(chǔ)層中聲波衰減的影響.獲得結(jié)論如下：(1) GC955H井中水合物對(duì)泥巖層段聲波衰減的影響較小，對(duì)聲波振幅和頻率的作用與上覆背景泥巖層相比都未有大的變化.(2) GC955H井中水合物使得砂巖層段的聲波衰減劇烈增大，計(jì)算的衰減值大于0.1；水合物對(duì)聲波頻率也有影響，與上下的背景砂巖層相比，頻譜形狀發(fā)生改變，主頻增大. (3) GC955H井中兩個(gè)水合物層對(duì)儲(chǔ)層聲波傳播的影響不同，可能是多種因素共同作用的結(jié)果.

致謝感謝Lamont-Doherty地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室提供墨西哥灣測(cè)井?dāng)?shù)據(jù).感謝Gilles Guerin 博士在聲波全波形數(shù)據(jù)分析方面給予的幫助.感謝何濤博士、寧伏龍博士的細(xì)心審閱，提出諸多寶貴意見(jiàn)，修改過(guò)程中受益良多.

References

Beaudoin Y C, Boswell R, Dallimore S R, et al. 2014. Frozen Heat: A UNEP Global Outlook on Methane Gas Hydrates. United Nations Environment Programme, GRID-Arendal.

Best A I, Priest J A, Clayton C R I, et al. 2013. The effect of methane hydrate morphology and water saturation on seismic wave attenuation in sand under shallow sub-seafloor conditions.EarthandPlanetaryScienceLetters, 368: 78-87.

Boswell R, Collett T S, Frye M, et al. 2012. Subsurface gas hydrates in the northern Gulf of Mexico.MarineandPetroleumGeology, 34(1): 4-30.

Collett T S, Boswell R, Frye M, et al. 2010. Gulf of Mexico gas hydrate joint industry project Leg Ⅱ: logging-while-drilling operations and challenges.∥Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference.

Cook A E, Anderson B I, Rasmus J, et al. 2012. Electrical anisotropy of gas hydrate-bearing sand reservoirs in the Gulf of Mexico.MarineandPetroleumGeology, 34(1): 72-84.

Dai J, Xu H, Snyder F, et al. 2004. Detection and estimation of gas hydrates using rock physics and seismic inversion: Examples from the northern deepwater Gulf of Mexico.TheLeadingEdge, 23(1): 60-66.

Dickens G R, Castillo M M, Walker J C G.1997. A blast of gas in the latest Paleocene: Simulating first-order effects of massive dissociation of oceanic methane hydrate.Geology, 25(3): 259-262.Dillon W P, Paull C K. 1983. Marine gas hydrate-Ⅱ:geophysicsl evidence. In : Natural gas hydrates: properties, occurrence and recovery (Ed. J. L. Cox), Butterworth, Boston: 73-90.

Dvorkin J, Nur A, Uden R, et al. 2003. Rock physics of a gas hydrate reservoir.TheLeadingEdge, 22(9): 842-847.

Dvorkin J, Uden R. 2004. Seismic wave attenuation in a methane hydrate reservoir.TheLeadingEdge, 23(8): 730-732.

Frazer L N, Sun X, Wilkens R H. 1997. Changes in attenuation with depth in an ocean carbonate section: Ocean Drilling Program sites 806 and 807, Ontong Java Plateau.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978—2012), 102(B2): 2983-2997.

Gei D, Carcione J M. Acoustic properties of sediments saturated with gas hydrate, free gas and water.GeophysicalProspecting, 2003, 51(2): 141-158.Goldberg D, Kan T K, Castagna J P. 1984. Attenuation measurements from sonic log waveforms. ∥Trans. SPWLA Annu. Logging Symp., 25th.

Guerin G, Goldberg D, Meltser A. 1999. Characterization of in situ elastic properties of gas hydrate-bearing sediments on the Blake Ridge.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978—2012), 1999, 104(B8): 17781-17795.

Guerin G, Goldberg D. 2002. Sonic waveform attenuation in gas hydrate-bearing sediments from the Mallik 2L-38 research well, Mackenzie Delta, Canada.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978—2012), 107(B5): EPM 1-1-EPM 1-11.

Johnston D H, Toks?z M N, Timur A. 1979. Attenuation of seismic waves in dry and saturated rocks: Ⅱ. Mechanisms.Geophysics, 44(4): 691-711.

Lee M W, Collett T S. 2012. Pore-and fracture-filling Gas hydrate reservoirs in the Gulf of Mexico Gas hydrate Joint Industry Project leg Ⅱ Green Canyon 955 H well.MarineandPetroleumGeology, 34(1): 62-71.

Lee M W, Waite W F. 2007. Amplitude loss of sonic waveform due to source coupling to the medium.GeophysicalResearchLetters, 34(5).Matsushima J. 2006. Seismic wave attenuation in methane hydrate-bearing sediments: Vertical seismic profiling data from the Nankai Trough exploratory well, offshore Tokai, central Japan.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978—2012), 111(B10).

Ning F, Yu Y, Kjelstrup S, et al. Mechanical properties of clathrate hydrates: status and perspectives.Energy&EnvironmentalScience, 2012, 5(5): 6779-6795.

Paull C K, Matsumoto R, Wallace P J, et al. 1996. Gas hydrate sampling on the Blake Ridge and Carolina Rise.∥Proc. ODP, Init.Repts. 164.

Paull C K, Ussler III W, Dillon W P. 2003. Potential role of gas hydrate decomposition in generating submarine slope failures.∥Natural Gas Hydrate. Springer Netherlands: 149-156.

Pratt R G, Hou F, Bauer K, et al. 2005. Waveform tomography images of velocity and inelastic attenuation from the Mallik 2002 crosshole seismic surveys.Bulletin-GeologicalSurveyofCanada, 585: 122.Priest J A, Best A I, Clayton C R I. 2006. Attenuation of seismic waves in methane gas hydrate-bearing sand.GeophysicalJournalInternational, 164(1): 149-159.

Sain K, Singh A K, Thakur N K, et al. 2009. Seismic quality factor observations for gas-hydrate-bearing sediments on the western margin of India.MarineGeophysicalResearches, 30(3): 137-145.Sloan Jr E D, Koh C. 2007. Clathrate hydrates of natural gases. CRC press.

Stoll R D, Ewing J, Bryan G M. 1970. Anomalous wave velocities in sediments containing gas hydrates.JournalofGeophysicalResearch, 76(8): 2090-2094.

Toks?z M N, Johnston D H, Timur A. 1979. Attenuation of seismic waves in dry and saturated rocks: I. Laboratory measurements.Geophysics, 44(4): 681-690.

Sun X, Tang X, Cheng C H, et al. 2000. P-and S-wave attenuation logs from monopole sonic data.Geophysics, 65(3): 755-765.

Waite W F, Santamarina J C, Cortes D D, et al. 2009. Physical properties of hydrate-bearing sediments.ReviewsofGeophysics, 47(4).Wood W T, Ruppel C. 2000. Seismic and thermal investigations of the Black Ridge gas hydrate area: a synthesis1. In C K Paull, R Wallace, W P Dillon (Eds.), Proceedings of the Ocean Drilling Program.Scientificresults.OceanDrillingProgram, 164: 253-264.

Zhang Z, McConnell D R, Han D H. 2012. Rock physics-based seismic trace analysis of unconsolidated sediments containing gas hydrate and free gas in Green Canyon 955, Northern Gulf of Mexico.MarineandPetroleumGeology, 34(1): 119-133.

(本文編輯胡素芳)

The characteristics of sonic wave attenuations of gas hydrate reservoirs at Well GC955H, Gulf of Mexico

WANG Ji-Liang， WU Shi-Guo

InstituteofDeepSeaScienceandEngineering,ChineseAcademyofSciences,SanyaHainan572000,China

AbstractThe effect of gas hydrate on sonic wave/seismic attenuations is still an unresolved issue. The results vary from region-to-region and also from experiment-to-experiment within the same region. Intuitively, hydrate strengthens the sediment with the increase in elastic modulus; hence the attenuation should decrease with hydrate saturation. Alternatively, the energy loss mechanism involving the fluid flows within the pores of hydrate matrix would increase attenuation in hydrate reservoir. More studies should be conducted on the mechanism of attenuation induced by gas hydrate.

Two different gas hydrate reservoirs were discovered at Well GC955H from Gulf of Mexico, fracture-filling gas hydrate at the shallow interval and pore-filling gas hydrate in sands at the deep interval. Using Archie′s equation, the average saturation of gas hydrate from resistivity is estimated to be 25% at the shallow clay interval while the value is 65% at the deep sand interval. However, the fractured reservoir shows anisotropy, and thus the 25% saturation of gas hydrate for the fracture-filling gas hydrate at shallow interval probably is overestimated.

The sonic wave attenuations are calculated from sonic waveform data and the results show different effects at the two hydrate reservoirs. The sonic wave attenuations of shallow gas hydrate interval are similar to those of overlying background clay. The attenuations of deep gas hydrate interval in sands are over 0.1, 0.15 maximally, and are much larger than the overlying and underlying background sands. The frequencies of sonic waveforms at GC955H were also analyzed. The gas hydrate bearing in clay has little influence on the frequency of sonic wave. However, the gas hydrate bearing in sands changes the sonic wave frequency and increases the dominant frequency compared to that of background sands. Based on the comparison of the two hydrate reservoirs within the same GC955H well, our preliminary analysis indicates that the different effects on the sonic wave attenuation could be explained by lithology of sediments, gas hydrate saturation and morphology. Quantitatively resolving this problem requires more studies on the mechanism of attenuations induced by gas hydrate.

KeywordsGas hydrate; Sonic wave attenuation; Gulf of Mexico; Sonic waveform

基金項(xiàng)目973項(xiàng)目(2015CB251201)， 中國(guó)科學(xué)院海洋信息技術(shù)創(chuàng)新研究院(籌)前瞻性科研項(xiàng)目《南海深水井場(chǎng)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)》聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介王吉亮，男，1986年出生，博士，助理研究員，主要從事海洋地球物理研究.E-mail:wangjl@sidsse.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160433 中圖分類號(hào)P631,P736

收稿日期2015-09-18，2015-10-08收修定稿

王吉亮， 吳時(shí)國(guó). 2016. 墨西哥灣GC955H井天然氣水合物儲(chǔ)層聲波衰減特征.地球物理學(xué)報(bào)，59(4):1535-1542,doi:10.6038/cjg20160433.

Wang J L, Wu S G. 2016. The characteristics of sonic wave attenuations of gas hydrate reservoirs at Well GC955H, Gulf of Mexico.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(4):1535-1542,doi:10.6038/cjg20160433.