基于电磁‑热‑声效应的天然气水合物随钻探测与模拟方法与流程

本发明涉及一种针对深海底层天然气水合物、基于电磁-热-声效应的随钻探测方法，特别涉及一种基于电磁脉冲激励，声信号检测的天然气水合物随钻探测与模拟方法。

背景技术：

天然气水合物，又叫可燃冰，具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏条件优越等特点，作为一种储量丰富的清洁能源，已经成为未来最具开发潜力的原油替代能源之一。

经过多年的研究和发展，国内外学者对天然气水合物的相变机制、分布规律和探测方法已开展了许多有益的探索，积累了丰富的经验。但是由于各地的天然气水合物成藏环境和地质条件不尽相同，因此对水合物勘探和测井的方法也不尽相同。其中当前应用的勘探方法主要有：地震反射法、地球化学法、地热法、自生沉积矿物法等；而测井方法主要有：电阻率测井、声波时差法测井、自然电位法测井等。

随钻电磁波电阻率测井是当前随钻导向测井中采用的主要方法，它利用油层高电阻率和地层水、泥浆的低电阻率之间的差异，通过探测高电阻率的方位分布，获取油藏在钻进过程中的方向信息，从而动态调整钻头的钻进方向。实验发现天然气水合物的电阻率大约为5kΩ/mkΩ·m(I型可燃冰)与油气层相当，使传统的随钻电磁波电阻率测井很难区分可燃冰与油气层。

为了能够通过测井数据确定天然气水合物的分布信息，往往需要将上述多种测井数据进行综合分析。例如天然气水合物沉积层的电阻率测井数值较高、声波测井时差较小、自然电位响应幅度弱、中子测井曲线值较高等。通常需要满足上述多个条件时，才能综合判断当前地层可能含有天然气水合物，因此特异性较差。最后通过钻井取芯这种最直接的方式验证综合判断的结果。由于天然气水合物测井方法的复杂性，使目前还没有一种高效、可靠、选择性强的随钻测井方法，能够在钻进的第一时间判断天然气水合物的方位分布。

天然气水合物是一个亚稳定的平衡体系，在外界温度、压强的扰动下极易发生相变，由固相转变为液相和气相。这个独特的物理特性在钻采过程中是降低可燃冰采收率、引发井下事故的负面影响因素；然而在测井领域中，如果能够利用这个相变特征，可以获得天然气水合物不同于其它油藏的测井响应信号，将有望实现一种专门针对天然气水合物的随钻探查和随钻导向方法。

磁-热-声成像(Magnetically mediated thermo-acoustic，MMTA)，是由新加坡南洋理工大学的Feng首次于2013年在“应用物理快报”上提出的新型电阻率探测与成像方法。如附图1所示，其原理为：通过给一个紧凑的磁谐振线圈施加载波频率为20MHz的调幅电流信号，产生瞬态交变磁场，在导电物体内部产生感应电场，然后产生焦耳热，从而激发热弹性的声信号。其中调制波的频率决定了热声波的频率。MMTA是以交变磁场作为激发源，基于介质内部焦耳热吸收率差异，以声波作为信息载体的非侵入式探测与成像技术。

MMTA的电阻率探测与成像方法是一种将电磁激励与声波探测相结合的方法。在相同频率的情况下，声波的波长比电磁波短，在地层中传播深度更深，因此探测距离远、分辨率高。而水合物的相变特征使其在受到电磁-热扰动的情况下，容易气化，激发出较强的声波信号。如果能把电磁-热-声耦合机制应用在天然气水合物的随钻探测领域，将有望获得“相变热声”信号，从而增强水合物探测的特异性、提高探测精度和钻遇率。

技术实现要素：

本发明涉及的基于电磁-热-声效应的天然气水合物随钻探测与模拟方法，是利用安装于随钻测井短节上的线圈激发瞬态高能电磁脉冲，瞬态电磁脉冲在具有一定电导率的地层中激发涡电流，瞬态涡电流在井眼周围的地层中产生瞬态的热效应；天然气水合物组成的多孔介质在瞬态热效应的作用下，产生瞬态的热膨胀和相变；其中瞬态相变产生的气态物质会大大增强孔隙介质的瞬态体积膨胀率，激发更强的声波信号。

瞬态相变引起的体积膨胀与普通的热膨胀一起共同激发出可测的热声信号，并向四周传播；热声波的频率与电磁脉冲主频一致；这个特定频率的声信号易于被相同频率的声波探头探测，并利用其反演水合物的位置分布信息。

根据上述原理，瞬态电磁脉冲在水合物孔隙介质中激发的声信号主要来自于两个方面，一是孔隙介质本身热膨胀引起的热声源，二是天然气水合物瞬态相变引起的气体膨胀声源。假设孔隙介质由均匀分布的水合物微小颗粒、海水和松散的海底沙粒组成，取一个微小体积元为研究对象，由于电磁激励持续时间短暂(约为1μs左右)，因此水合物瞬态相变时产生的气体还来不及大量聚集，在此也假设其均匀分散在孔隙介质中；同时单位体积水合物固态部分相变产生的气体体积远大于固体自身的体积损耗，因此可忽略孔隙介质中固体物质体积的损失，也就是说，可以认为相变引起的声源的体积膨胀主要来自于液体。

在上述合理的假设下，可推导在瞬态电磁脉冲激励下，水合物相变诱发声信号所满足的波动方程。

在天然气水合物的热热力学平衡体系中，体系满足的克拉珀龙方程可写为微分形式：

其中p是压强，T是温度，H_x是相变潜热，Δv表示相变过程中体积的变化。考虑动态变化过程，在方程(1)两边引入对时间的导数可得：

方程(2)表明了在热源激励下，孔隙介质温度T随时间t发生变化，相变的体积膨胀作用会引起压强p随时间的变化。其中的H_x是在电磁激励下，热源函数中被转化为相变潜热的部分。假设瞬态电磁脉冲激励的总热源函数为H，则其中的H_x转变为潜热，H-H_x部分转换为内能，产生瞬态的温升。因此有：

H(r,t)＝H_in(r,t)+H_x(r,t) (3)

这里r表示空间中的任意一点。假设H_in(r,t)＝χH(r,t)则H_x(r,t)＝(1-χ)H(r,t)，这里的χ表示热源函数中转换为内能的热量占总热量的百分比。

根据热传导方程在脉冲激励的情况下可忽略扩散项：

其中C_p为比热容。将公式(3)(4)带入公式(1)，可得：

根据电磁-热-声激励的特点，可假设外部热函数以狄拉克函数的时间形式进行激励，则公式(5)可写为：

对公式(6)两边乘以dt，再对时间做积分得

令p’为声源引起的初始压强变化，则在t＝0时刻的初始声压为：

由于孔隙介质中析出的是气体，并假设其体积膨胀激发的声源仅作用于孔隙介质中的流体部分，从而引起初始声压的变化仅存在于流体内部；也就是说，热声源只对液体部分的初始声压有贡献；另外由于是瞬态激励，在这个激励的作用下只有很少一部分固体颗粒发生了相变，产生了很大一部分的气体(标准情况下相变的固、液比为1：164)，也就是说热声源对孔隙介质中的液相影响远大于对固相的影响，因而忽略相变在固相中激发的声源，可得：

其中u为液体中的声学位移矢量，将公式(8)带入(9)可得相变引起的初始位移散度的变化为

下面将在相变声源的基础上，建立孔隙介质中电磁-热-声信号传播所满足的波动方程。根据BIOT孔隙介质的声场传播理论，考虑公式(10)描述的散度声源和温升引起的热声源，可将胡克定律改写为：

其中，λ和μ是孔隙介质中固态物质的拉梅常数，ε表示正应变，γ表示切应变，σ表示正应力，τ表示切应力，R是液体体积扩张与液体压力之间的系数，Q是液体体积变化与 固体体积变化之间的耦合系数，β₁为固态物质的热膨胀系数，β₂为液体物质的热膨胀系数，ρ是液态物质的密度，C_s是液体中的声速，C_p是液态物质的比热容，T为温度，e_xbpz是相变引起的体积膨胀因子。

根据公式(11)，利用能量守恒定律可得该电磁-热-声源激发磁声波满足的扩张波方程为：

给定含水合物孔隙介质的物性参数和分布情况，利用有限元等数值算法可以求得公式(12)的数值解，得到电磁-热-声信号在介质中的分布规律，从而实现对电磁-热-声信号的仿真和模拟。公式(12)中的右侧第一项表示热膨胀对声源的贡献，第二项表示相变对声源的贡献。

为了能够实现上述激励和检测过程，在硬件系统设计上必须同时具备三个关键组成部分：电磁激励系统、声波检测系统和同步控制系统。电磁激励系统主要由两组激励线圈、瞬态强脉冲电流发生器组成；检测系统由若干声波探头、微弱声信号放大器和同步数据采集器组成；激励和检测均在同步控制系统的控制下同步工作；激励线圈和声探头均放置在随钻测井短节中。

激励和检测流程如下所述：第1步，在主控系统的控制下，在两个线圈中通入脉冲电流激励信号，激发流体中的磁声波；第2步，经过固定的声传播时间以后，同步采集多个声探头接收到的声信号；第3步，主控系统将多路同步采集到的数据进行分析计算，利用声波的传播规律获取天然气水合物孔隙介质的位置信息。

附图说明

图1磁-热-声成像示意图。

图中：1瞬态脉冲磁场，2导电成像体，3声波探头，4激励线圈。

图2基于电磁-热-声耦合的随钻水合物探测方法示意图。

图中：1无磁玻璃钢钻具，2环空(内有泥浆)，3侵入带，4过渡带，5激励线圈2，6声波探头，7激励线圈1，8含水合物的孔隙介质，9磁热声波，10原始地层。

图3基于电磁-热-声耦合的水合物随钻探测激励和检测流程示意图。

图中：1施加电磁激励，2同步采集多路回波数据，3分析多路回波数据，确定水合物分布方位信息，4电磁激励系统，5声波检测系统，6同步控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明涉及的利用瞬态高能电磁脉冲激发含有水合物的多孔介质，电磁能激发的焦耳热作为一种瞬态热源激励，在瞬间能量足够大的情况下，能够破坏天然气水合物的亚平衡体系，使局部孔隙介质在产生瞬态热膨胀的同时，伴随着瞬态的相变(由固态变为液态和气态)。水合物的相变能够产生气态物质，使其体积大大增加，从整体上看即增强了热声源的体积膨胀率，从而提高了声波幅度。因此，利用该方法探测到的声波信号能够在随钻测量中反映天然气水合物的位置(侧向深度)信息，通过逆问题的研究还可重建水合物在孔隙介质中的分布。

电磁-热-声效应类似于微波热声效应，都是基于瞬态电磁波激励目标体产生热声源的物理机制。而微波热声成像在生物医学等领域已经展开了广泛的研究，正在逐步走向临床应用。但是受到运行空间和周围环境的影响，微波热声中的微波源很难应用在随钻测量仪器中。并且水对微波的吸收率很大，使得微波穿透深度较浅。自从Feng在2013年提出磁-热-声成像方法以后，他所采用的瞬态磁脉冲激励也可达到与微波激励相似的效果，由于其载波频率低，因而穿透深度更大，测量范围更广。虽然脉冲磁场瞬间功率较大(瞬间功率为2兆瓦)，短时能量较强，但是占空比较小(10万分之一)，平均能量低(仅为20瓦)，对环境要求低。随着电力电子技术的发展，采用电力电子器件控制电容快速放电、产生高能脉冲的技术已经日渐成熟，有望在随钻测量领域中开发出实用的随钻测量仪器。

如图2所示，本发明利用瞬态的高能电磁脉冲激发含有水合物的孔隙介质，电磁能激发的焦耳热作为一种瞬态热激励，能够在泥浆侵入带、过渡带和原始地层中改变天然气水合物的暂态亚平衡条件，使局部介质产生瞬态热膨胀的同时，伴随着快速的相变(气化)。在相变过程中，1体积天然气水合物分解可得到164体积的天然气，因此与激励脉冲同步的快速相变会大大增强热声源的膨胀效果，得到更强的声信号。在常规钻井过程中，水合物的相变是随机的，很难进行测量，无法从中获取有用的声波信号。但是针对脉冲磁场激励下引起的热声波，可以在激励脉冲的同步下进行测量，这将大大改善信噪比，进而提高探测精度。

在常规磁-热-声成像中，被测目标体位于激励线圈的正上方，声波探头环绕在目标体外(如图1所示)。而用于随钻测量时，目标体，也就是地层，包括侵入带、过渡带和原始地层，位于线圈的外侧，声波探头安放在钻具内侧。在不同的圆周角上均匀分布若干声波探头，用 于探测地层发出的热声波。这些探头随着钻具的旋转而旋转，因而具有周向的分辨率，能够区分在不同工作面角上发出的声信号。这种激励和检测模式均采用非接触设计，与电磁波电阻率测井类似，特别适用于随钻测量过程。

为了实现基于磁-热-声耦合机制的天然气水合物随钻探测，本发明首先从电磁-热-声耦合的正问题出发，借助多场耦合方程，研究了热声源的产生机制，将热声源分为膨胀热声源和相变热声源两类，同时首次推导并建立了天然气水合物相变对声波作用的数学物理方程。

瞬态电磁脉冲在天然气水合物孔隙介质中激发的声源主要来自于两个方面，一是孔隙介质本身热膨胀引起的热声源，二是天然气水合物瞬态相变引起的气体膨胀声源。假设孔隙介质由均匀分布的天然气水合物微小颗粒、海水和松散的海底沙粒组成，取一个微小体积元为研究对象，由于每次电磁激励持续时间短暂(约为1μs左右)，因此水合物瞬态相变时产生的气体还来不及大量聚集，在此也假设为均匀分散在孔隙介质中；同时单位体积水合物固态部分相变产生的气体体积远大于固体自身的体积损耗，因此可忽略孔隙介质中固体物质体积的损失，也就是说，可以认为相变引起的声源体积膨胀主要来自于液体。

下面推导瞬态电磁脉冲激励下相变声源的计算公式。

针对上述模型，在静态相变平衡时满足的克拉珀龙方程可写为微分形式：

其中p是压强，T是温度，H_x是相变潜热，Δv表示相变过程中体积的变化。考虑动态变化过程，在方程(1)两边引入对时间的导数可得：

方程(2)表明了在热源激励下，孔隙介质温度T随时间t发生变化，由于相变的体积膨胀作用会引起压强p随时间的变化。其中的H_x是在电磁激励下，热源函数中被转化为相变潜热的部分。假设瞬态电磁脉冲激励的总热源函数为H，则其中的H_x转变为潜热，H-H_x部分转换为内能，产生瞬态的温升。因此有：

H(r,t)＝H_in(r,t)+H_x(r,t) (3)

假设H_in(r,t)＝χH(r,t)则H_x(r,t)＝(1-χ)H(r,t)，这里的χ表示热源函数中转换为内能的热量占总热量的百分比。

根据热传导方程在脉冲激励的情况下可忽略扩散项：

其中C_p为比热容。将公式(3)(4)带入公式(1)，可得：

根据电磁-热-声激励的特点，可假设外部热函数以狄拉克函数的时间形式进行激励，则公式(5)可写为：

对公式(6)两边乘以dt，再对时间做积分得

令p’为声源引起的初始压强变化，则在t＝0时刻时的初始声压为：

由于孔隙介质中析出的是气体，并假设其体积膨胀激发的声源仅作用于孔隙介质中的流体部分，从而引起初始声压的变化仅存在于流体内部；也就是说，热声源只对液体部分的初始声压有贡献；另外由于是瞬态激励，在这个激励的作用下只有很少一部分固体颗粒发生了相变，产生了很大一部分的气体(标准情况下固液比为1：164)，也就是说热声源对孔隙介质中的液相影响远大于对固相的影响，因而忽略相变在固相中激发的声源，可得：

其中u为液体中的声学位移矢量，将公式(8)带入(9)可得相变引起的初始位移散度的变化为

下面将在相变声源的基础上，建立孔隙介质中磁-热-声信号传播所满足的波动方程。根 据BIOT孔隙介质的声场传播理论，考虑公式(10)描述的散度声源和温升引起的热声源，可将胡克定律改写为：

其中，λ和μ是孔隙介质中固态物质的拉梅常数，ε表示正应变，γ表示切应变，σ表示正应力，τ表示切应力，R是液体体积扩张与液体压力之间的系数，Q是液体体积变化与固体体积变化之间的耦合系数，β₁为固态物质的热膨胀系数，β₂为液体物质的热膨胀系数，ρ是液态物质的密度，C_s是液体中的声速，C_p是液态物质的比热容，T为温度，e_xbpz是相变引起的体积膨胀因子。

根据公式(11)，利用能量守恒定律可得该电磁-热-声源激发的磁声波满足的扩张波方程为：

给定含天然气水合物孔隙介质的物性参数和分布情况，利用有限元等数值算法可以求解，即磁-热-声信号在介质中的传播情况，从而实现对天然气水合物孔隙介质中产生的电磁-热-声信号的仿真和模拟。

探测系统和流程如图3所示。为了能够实现激励和检测过程，在硬件系统设计上必须同时具备三个主要部分：电磁激励系统、声波检测系统和同步控制系统。电磁激励系统主要由两组激励线圈和瞬态强脉冲电流发生器组成；检测系统由若干声波探头、微弱声信号放大器和同步数据采集器组成；激励和检测均在同步控制系统的控制下同步工作；激励线圈和声探 头均放置在随钻测井短节中。

激励和检测流程的具体实施过程为：第1步，在主控系统的控制下，在两个线圈中通入脉冲电流激励信号，激发流体中的电磁-热-声信号；第2步，经过固定的声传播时间以后，同步采集多个声探头接收到的声信号；第3步，主控系统将多路同步采集到的数据进行分析计算，利用声波的传播规律获取天然气水合物孔隙介质的位置信息。可采用常规的时间反转法或滤波反投影等成像方法。重复上述三步，可测量不同钻井深度上的水合物分布位置信息。图3中的箭头表示左侧的实施流程是在右侧相应的硬件系统支撑下完成的。

综上所属，利用该方法对水合物孔隙介质施加瞬态电磁脉冲激励，由于水合物易于相变的特征，能够在含有水合物的孔隙介质中激发出更强的声信号，从而获得特异性的水合物响应信息，并最终适用于针对水合物的随钻探测中。