随机介质理论模拟天然气水合物羽状流

许尧，张成林，程汉列

（1.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安717400；2.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林719000；3.恒泰艾普石油天然气技术服务股份有限公司，新疆库尔勒841000）

随机介质理论模拟天然气水合物羽状流

许尧1，张成林2，程汉列3

（1.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安717400；2.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林719000；3.恒泰艾普石油天然气技术服务股份有限公司，新疆库尔勒841000）

天然气水合物是一种具有良好勘探前景的资源，羽状流发育地区通常会发现富含天然气水合物的储层。但其非均质性较强，刻画难度较大，而常规数值模拟方法是以均匀介质或层状介质理论为基础，因此很难对天然气水合物羽状流进行完整的描述。介绍了随机介质建模的基本理论，在建立天然气水合物羽状流模型时，引入了随机介质建模理论。从模拟的结果可以看出，该方法可以灵活、准确地描述天然气水合物羽状流的特征。

天然气水合物；羽状流；随机介质

天然气水合物也可称为“可燃冰”，具有使用方便，燃烧值高，清洁无污染等特点，被科学家誉为21世纪能源。早在200多年前人类就发现了天然气水合物，2007年，我国科学家证明中国海域存在丰富的天然气水合物资源[1]。经研究发现，天然气在地壳动力作用下，会渗入到海水中形成羽状流，而羽状流发育地区通常会发现富含天然气水合物的储层。由于羽状流的非均质性极强，主要表现在气泡半径和含量与所处的海水深度有关，而常规的数值模拟方法是以均匀介质或层状介质理论为基础，没有考虑到羽状流的非均质性，无法得到与这些非均质性相联系的地震波场特征[2，3]。因此，需要寻求一种能灵活、方便、完整地描述羽状流的非均匀性的模型。本研究利用随机介质理论来模拟天然气水合物羽状流，得到较好成果。

1 基本原理

1.1 随机介质

非均匀介质可由大尺度和小尺度的非均匀的两部分组成，大尺度部分描述介质的平均特性，即传统意义上的地质模型；小尺度部分是加在地质模型上的随机扰动δ（x，y）（见图1）。δ=δ（x，y）是均值为零且具有一定自相关函数及方差的空间平稳随机过程，通常采用各种自相关函数来求取，其中比较典型的有指数型、高斯型、Von Karman型[4]。根据Brich原理，假设介质的纵波、横波速度的相对扰动量是相同的，而密度的相对扰动量与其有线性关系，因此，可用纵波速度的相对扰动量来描述随机介质在小尺度上的非均匀性，即：

式中：vp0、vs0、ρ0-背景参数；K-比例常数，取值范围为0.3～0.8。

由（1）式得：

图1 随机扰动模型

1.2 羽状流

羽状流现象是由于海水中存在渗漏甲烷气体产生的气泡导致的，这将改变海水内压力分布，从而使海水的声学特性发生改变。溶入气泡的海水声速与气泡半径和气泡含量有关，含气泡介质内声速表达式[5]：

式中：cm-气液混合体的声速，m/s；K-液体体积模量，N/m2；Kb-气体体积模量，N/m2；ρ-液体密度，kg/m3；ρb-气体密度，kg/m3；ω-频率，Hz；a-气泡半径，m；σ-液体表面张力，N/m2；R-假定含气泡两相混合区为球形时的半径，m；Φ-气泡含量或气泡体积分数，%，即半径为R的球形区域内气泡所占据的体积分数。其中，K、Kb、ρ、ρb、σ为固定参量，ω、a、Φ和R为给定的可变参量。

由于羽状流分布在海水中，气泡半径和气泡含量与所处海水深度有关，呈现出很强的非均质性，所以可以根据随机介质理论求出气泡半径和气泡含量的随机扰动，然后结合（2）式建立羽状流速度模型。

2 天然气水合物羽状流模拟

首先计算出羽状流模型的气泡半径和气泡含量的随机扰动（见图2）。从图2中可以看出羽状流气泡半径和气泡含量随着海水深度的变浅先变大后变小，这是由于随着深度变浅，压力变小，气泡半径会变大，当气泡半径大到一定程度时气泡破裂或分裂成小气泡，导致半径又变小。然后，利用公式（2）和（3），建立羽状流速度模型（见图3）。从图3中可以看出，羽状流速度是随机变化的，因为气泡半径和含量是随机变化的，所以得到的速度也会随机变化，该模型可以很好的描述羽状流的非均质性。

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

许尧，男（1988-），助理工程师，本科，从事注采工艺及油井措施改造研究工作，邮箱：350681988@qq.com。