水合物层下伏游离气渗漏过程的数值模拟及实例分析
沙志彬 杨木壮 梁金强 龚跃华
（广州海洋地质调查局，广州，510760）
第一作者简介：沙志彬，男，1972年生，工程师，1994年毕业于中国地质大学（武汉）石油系石油地质勘查专业，主要从事天然气水合物的调查与研究工作。
摘要 BSR的波形剖面对判断地层中是否存在天然气水合物及其下伏游离气具有重要的意义。当地层中富含水合物及下伏游离气时，其波形剖面有明显的反映，BSR波形极性与海底反射极性相反，大致代表含水合物层的底界。本文根据国内外的研究成果，综合分析了BSR的反射系数、极性和波形特征。
关键词 天然气水合物 BSR 波形剖面
1 前言
野外地震资料经过计算机处理后形成的时间剖面，有多种显示方式，其中波形曲线显示方式（常称波形剖面）对于天然气水合物的识别具有重要作用，因为波形剖面可以细致地反映地震波的动力学特征，如频率、振幅和相位等。当地层中富含天然气水合物及存在下伏游离气时，其波形剖面有相应的反映，如BSR的波形、反射系数等，特别是能够从波形反射同相轴特征来判别海底和BSR的反射极性。
2 BSR——含水合物层的底界
众所周知，含水合物的地层在地震反射剖面上常常会出现一强振幅的连续反射波，大致与海底反射波平行，故称似海底反射波（Bottom Simulating Reflector，即BSR）。BSR大致代表水合物稳定域的底界，分析认为是BSR上部沉积物形成水合物后，由于速度的增加而形成的较强波阻抗界面。国外有关研究成果表明，水合物稳定域底界代表的是一特定的压力和温度面。由于海底下地层压力变化不大，但地温变化却很大（存在地温梯度），海底的起伏变化将造成地层中等温面的起伏变化，从而形成水合物稳定域的底界。因此，BSR大致与海底地形平行。当地层层面与海底斜交时，BSR与地层层面斜交；当地层层面与海底平行时，BSR与地层层面平行。如果BSR下部含游离气，则BSR上下的波阻抗差异更大，BSR特征更加明显。
3 BSR的反射系数
通过比较BSR振幅与海底反射振幅，可估算BSR反射系数（Anstey,1977），也可通过比较海底一次反射振幅与其第一个多次反射振幅，估计海底反射系数（Anstey,1977;Warner,1990）。
Hamilton（1978,1982）、Bachman（1982）和Andreassen（1995）等科学家，通过研究波弗特海底反射系数，经计算后结果近似为0.25～0.3，并且得出结论，BSR近道振幅，即BSR反射系数近似为－0.15～－0.24。但这不是绝对的，因为有时BSR振幅比海底反射振幅还大。秘鲁近海水合物BSR的反射系数平均为－0.135，最大0.2～－0.3（Miller等，1991）；俄勒冈近海ODP892站位BSR反射系数－0.07～－0.27；哥伦比亚近海BSR振幅超过海底反射值，反射系数达到－0.2～－0.3（Minshull等，1994）；温哥华岛近海BSR的反射系数为－0.1～－0.15（Hyndman和Spence,1991），Shipley和Didyk（1981）估算该区BSR振幅反射系数平均为海底反射振幅的25%～50%。
4 BSR的反射极性
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），并具有较大反射系数（Shipley等，1979;Lee等，1993），表明BSR起因于声阻抗剧烈降低的界面。其实，反射波的极性是由反射界面的反射系数（R）决定的，而反射系数则与界面两侧介质的波阻抗差异（ρ1v1－ρ2v2）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与海底反射波的极性相反的现象（图1）。
图1 阿拉斯加北部地区波形剖面（据Andreassen等，1997）
Fig.1 The wavelet profile of the northern district of Alaska（after Andreassen et al.,1997）
5 BSR的波形相位识别及波形特征
对于波形剖面，视每个调查区和处理流程而定，剖面显示方式可以不一样，即海底反射波可以显示向左，也可以显示向右；反之，BSR显示亦然。但不管如何，理论上，BSR反射波形必定与海底反射波形的相位相反。
为方便分析反射特征，视向右的最大振幅值作为波峰（一个从低阻层到高阻层的反射界面），向左的最大振幅值为波谷（一个从高阻层到低阻层的反射界面）。由于处理效果原因，在波形剖面的解释过程中，容易受到“旁瓣”的干扰，造成识别海底和BSR波形的困难，所以对于海底初至波（对应于海底初始相位）的正确判别至关重要。依实际解释波形剖面中的经验总结，只有把海底和BSR的主相位当作它们各自的波形才是正确的（图2）。
图2 西沙海槽测线A（CDP680）海底和BSR的波形及相位
Fig.2 The wavelet and phase of the seafloor and BSR in the Xisha trough
美国迪基肯地球物理勘探公司证实波形随入射角和偏移距的变化而变化，因气枪脉冲、海底反射，以及由不同主频、振幅组成的多震源组合导致问题较复杂，为了与实际地震资料上的BSR频率值匹配，通常对波形进行10～40Hz的滤波处理。
在波形剖面上，如果未能观察到水合物层顶界之反射，表明水合物沉积物的顶界是慢慢混合或逐渐过渡的，即是说向浅层水合物的含量不高；若不能观察到BSR之下游离气层底界的反射，说明游离气层仅局限于一薄层内，该层太薄以致在波形剖面上难以分辨（Miller,1991;Hyndman和Spence,1992;Bangs等，1993）。如果波形剖面上BSR为强波谷－波峰组合，Lee等（1993）认为，这种成对出现的双峰波形反映了典型的高阻抗之下存在低阻抗薄层的地震响应，该薄层很可能是水合物层之下的含游离气层。
BSR波形通常为简单的单一对称脉冲特征，大多数BSR波形都表现为成对出现的强振幅波谷－波峰组合（即双峰，图3a），少数为强振幅单峰波形（图3b）。若水合物沉积物之下没有游离气，由于其下的速度是一正常的海洋沉积物速度，这时BSR波形几乎是一对称的波谷。此外，一些具有多波峰的地震道在主相位的上下有时具有不对称波形。
加拿大温哥华岛外北卡斯凯迪亚水合物研究区的89-08测线剖面展示了海底及BSR的初至波和首个多次波（为更直观反映波形的变化，对含有多次波的剖面B振幅作出三倍于剖面A振幅的显示），可以看出海底和BSR的初至波极性相反，而它们的多次波波形与其初至波又正好相反（图4）。
对挪威西部Storegga滑塌区的高、低频反射地震资料研究，发现双BSR这一不寻常的声波反射模式，这种现象比较独特、且少见，对该现象的成因众说纷纭。但从K5测线的波形剖面可看出，海底及BSR2为正常相位，而BSR1则显示出典型的相位倒转。可认为BSR2是天然气水合物的顶界，BSR1是天然气水合物稳定带的底界（图5）。
图3 西沙海槽区的波形剖面
Fig.3 The wavelet profile of the Xisha trough
图4 北卡斯凯迪亚89-08测线的波形剖面
Fig.4 The wavelet profile of the Line 89-08
图5 挪威K5测线的波形剖面
Fig.5 The wavelet profile of the line K5
Miller等（1991）、Hyndman和Davis（1992）模拟了BSR的近垂直入射波形模式（图6），分别代表（a）厚度呈梯度变化的水合物层、（b）厚度呈梯度变化的下伏游离气层和（c）具有6m厚水合物层的波形（图中一并给出速度和泊松比值）。经过比较各自的波形可看出，（a）模型为一近似的对称波形，当厚度大于15m时，较薄层波形（c）有时不对称；对于（b）模型，厚度大于15m的层，顶底脉冲对称，顶底的薄气层干涉产生复杂波形；而（c）模型，波形比较对称，振幅较小。从模型分析可知，波形会随水合物、游离气的厚度和含量的变化而变化，所以根据模拟合成地震道的波形剖面与实际地震剖面的对比，可以粗略确定游离气带的厚度。
图6 具有BSR的近垂直合成地震道波形模式
Fig.6 The model of the synthetic seismic wavelet of the BSR
6 BSR波形剖面的应用
图7为我国南海北部陆坡西沙海槽测线A的瞬时振幅剖面和一段波形剖面，波形剖面中可看出海底与BSR极性相反（即海底波形向右，而BSR波形向左），而从瞬时振幅剖面上则可看出可能由水合物造成的空白带，综合判断该地区可能存在天然气水合物。
图8为我国南海北部陆坡东沙群岛测线B的一段波形剖面，在波形剖面中，海底反射时间在3.6～3.7s处，其反射波主相位方向向左；与地震剖面相对应的波形剖面上显示的S-BSR反射时间为3.9～4.05s，反射波波形方向向右，与海底反射波形极性反转，而且波形以强振幅双峰波形为主，分析认为该区域可能存在天然气水合物。
根据我国南海北部陆坡其他的地震地球物理资料综合分析，该区域显示了存在天然气水合物的一系列地震识别标志和特征，如BSR、振幅空白、极性反转和速度异常等。随着勘探和研究的不断深入，不久的将来，相信我们将会获得更准确而直接的天然气水合物识别标志，从而揭开我国南海北部陆坡天然气水合物的神秘面纱。
7 认识和讨论
1）海底反射系数一般为0.20～0.30,BSR反射系数一般为－0.15～－0.25,BSR反射系数绝对值通常为海底反射系数的60%～80%;
2）BSR的反射极性与海底的反射极性相反；
图7 西沙海槽测线A瞬时振幅剖面及放大的波形剖面（据梁金强等，2000）
Fig.7 The profile of the instantaneous amplitude and enlargement wavelet of the line A in the Xisha trough（after Liang et al.,2000）
图8 东沙群岛测线B的波形剖面
Fig.8 The profile of wavelet of the line B in the Dongsha archipelago
3）BSR波形通常表现为成对出现的强振幅双峰或单峰波形特征，而且随着BSR之下游离气带厚度的不断变化，它们的波形也有所变化；
4）根据模拟合成地震道的波形剖面与实际地震剖面的对比可以确定游离气带的厚度；
5）在没有BSR或BSR反射较弱的情况下，可借鉴振幅空白带或其他地震异常信息进行分析；
6）BSR与天然气水合物不是一一对应的关系，还要利用含水合物地层具有正AVO异常、高S/P速度比率、轻的碳同位素值及电测井曲线等重要弹性参数和物性特征综合识别由水合物引起的“真BSR”，通过观察BSR的振幅和波形特征，确定BSR变化规律，必要时在常规地震资料处理基础上对剖面进行特殊处理，利用其多种属性剖面才能把握其特征。
参考文献
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杨木壮.2000.海洋天然气水合物地震识别标志.南海地质研究（12），武汉：中国地质出版社
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Shiply T H et al.1979.Seismic evidence for widespread possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises.A.A.P.G.Bulletin,63（12）:2204～2213
The signature of the bsr Wavelet and Application of the Distinguishable for Marine Gas Hydrants
Sha Zhibin Yang Muzhuang Liang Jinqiang Gong Yuehua
（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,5 10760）
Abstract:It's very significant to use the wavelet profile of the BSR to distinguish the gas hydrates and underlying free gases in the strata.BSR is the basement of the gas hydrates,and the polarity of the wavelet of the BSR and seafloor are reverse.If gas hydrates and free gases exist in the strata,the wavelet of the BSR will change.This paper searches for the seismic evidence and analyzes their features,including reflection coefficient,polarity and wavelet.
Key Words:Gas Hydrates BSR Wavelet Profile
目前天然气水合物的评价预测技术有地震技术、测井技术、地球化学技术、标志矿物技术等。
1.地震技术
地震勘探是目前最常用的天然气水合物勘探手段。天然气水合物沉积层具有较高的速度，而天然气水合物沉积层下的地层一般为烃类气体（游离气）聚集区，声速较低，这样水合物底界的强声阻抗就会产生强反射，在地震反射剖面上显示出一个独特的反射界面。此外，由于天然气水合物稳定带界线大致分布在同一海底深度上，因此水合物稳定带底面的反射也大致与海底平行，这种技术由此被命名为似海底反射层（BSR）技术（图14-10）。随着多道反射地震技术的普遍应用和地震数据处理技术的提高，BSR在地震剖面上所呈现的高振幅、负极性、平行于海底并与海底沉积构造相交的特征，已很容易识别。现已证实，BSR以上烃类气体以固态天然气水合物形式存在，BSR以下烃类以游离气形式存在。BSR是最早也是目前使用最多、最可靠、最直观的确认天然气水合物赋存的地球物理标志，迄今所确认的海底天然气水合物，绝大多数都是通过反射地震剖面上对BSR的识别发现的。
2.测井技术
测井技术的作用主要有：①确定天然气水合物、含天然气水合物沉积物在深度上的分布；②估算孔隙度与甲烷饱和度；③利用井孔信息对地震与其他地球物理资料作校正。测井资料也是研究井点附近天然气水合物主地层沉积环境及演化的有效手段。
在常规测井曲线上，天然气水合物沉积层主要表现为以下异常现象，如图14-11所示：①电阻率较高；②声波时差小；③自然电位幅度不大；④中子测井值较高；⑤高伽马值；⑥井径较大；⑦钻井过程中有明显的气体排放现象，气测值高。
图14-10 Blake Ridge地区的BSR（似海底反射层）地震剖面
（据Collett et al.，2009）
图14-11 天然气水合物层的测井响应特征
3.地球化学技术
地球化学技术是识别海底天然气水合物赋存的有效手段。温度-压力的波动极易使天然气水合物发生分解，因而海底浅部沉积物中常常有天然气地球化学异常。这些异常可指示天然气水合物可能存在的位置，进而可利用其烃类组分比值（如C1/C2）及碳同位素成分，判断天然气的成因。同时，应用海上甲烷现场探测技术可圈定甲烷高浓度区，确定天然气水合物的远景分布。
在目前技术条件下，利用地球化学方法勘探天然气水合物的主要标志包括：天然气水合物沉积中孔隙水氯度或盐度的降低，水的氧化-还原电位、硫酸盐含量较低，及氧同位素的变化等。在分析地球化学数据时，应根据具体实际情况区别对待、综合考虑。
4.标志矿物技术
能指示天然气水合物存在的标型矿物，通常是具有特定组成和形态的碳酸盐、硫酸盐和硫化物，它们是成矿流体在沉积作用、成岩作用以及后生作用过程中与海水、孔隙水、沉积物相互作用形成的一系列标型矿物。
来自海底之下的流体以喷溢或渗流形式进入海底附近时，产生一系列的物理、化学和生物作用。当含有饱和气体的流体从深部运移到海底浅部时，快速冷却形成天然气水合物，并伴生有自生碳酸盐和依赖于此流体的化学能自养生物群。这些流体由于温度较低，被称为“冷泉”流体，以区别于地壳深部高温流体，是寻找天然气水合物的最有效标志矿物之一。
苏正1,2，曹运诚1，吴能友1,22，Lawrence M.Cathles3，陈多福1,2
苏正，（1980—），博士，助理研究员，主要从事天然气水合物及盆地流体活动的数值模拟研究，E-mail:suzheng@ms.giec.ac.cn。
注：本文曾发表于《地球物理学报》，2009,12:3124-3131，本次出版有修改。
1.中国科学院边缘海地质重点实验室/广州地球化学研究所，广州 510640
2.中国科学院广州天然气水合物研究中心/可再生能源与天然气水合物重点实验室/广州能源研究所，广州 510640
3.Department of Earth&Atmospheric Sciences,Cornell University,Ithaca,New York 14853-1504,USA
摘要：海洋环境中天然气水合物层是理想的毛细管封闭层，游离气被抑制在水合物层下，游离气层的气体压力随气体聚集和气层厚度的增加而升高，当气压超过封闭层的毛细管力时，游离气会克服毛细管进入压力、刺入上覆封闭层孔隙空间，毛细管封闭作用随之消失，从而形成水合物下伏游离气向海底的渗漏。通过对该过程进行的数值模拟计算表明：渗漏气体是以活塞式驱动上覆沉积层中的孔隙水向海底排出，水合物稳定带内流体渗漏速度随水流柱高度的减小而增加，当水流阻抗大于相应沉积层段的静岩压力时，沉积层将转变为流沙，流沙沉积被海流移除后便在海底留下凹陷麻坑。麻坑形成后流体运移通道演化为气体通道，气体快速排放。麻坑深度主要取决于游离气层的厚度和水合物封闭层（底界）的深度，而与沉积层的渗透率无关。麻坑深度一定程度上指示了渗漏前水合物层下伏游离气层的资源量。对布莱克海台海底麻坑的深度数值模拟计算表明，形成4 m深的海底麻坑需要至少22 m厚的游离气层。
关键词：天然气水合物；毛细管封闭；游离气渗漏；麻坑；布莱克海台
Numerical Computation and Case Analysis of the Venting Process of Free Gas Beneath Hydrate Layer
Su Zheng1,2,Cao Yuncheng1,2,Wu Nengyou1,2,Lawrence M.Cathles3,Chen Duofu1,2
1.CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology/Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China
2.CAS Guangzhou Centerfor Gas Hydrate Research/CAS Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate/Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China
3.Department of Earth&Atmospheric Sciences,Cornell University,Ithaca,New York 14853-1504,USA
Abstract:A hydrate layer is an ideal capillary seal,beneath which free gas is trapped.Gas overpressure increases as gas accumulates and gas column grows.Capillary seals have the property that they fail completely when gas pressure reaches the point that they are invaded by gas,and thereafter they offer little resistance to gas venting.After the seepage is triggered,the venting gas will push the overlying water upward at increasingly higher velocities as the gas “piston”approaches the seafloor.Numerical model shows that as the water velocity increases,the near surface sediments will become quick at a depth that the resistance of water flow exceeds the hydrostatic pressure of the sediment hosting the water flow.These quick sediments can then be removed by bottom ocean currents,leaving a hollow pockmark on the seafloor.Thereafter,afree gas pathway isformed below the pockmarks and the reservoir gas drains quickly.The pockmark depth is afunction of thickness of free gas column beneath the hydrate and depth of the hydrate seal (bottom of hydrate layer).Interestingly,pockmark depth does not depend on sediment permeability.Pockmark depth implies the resource amount offree gas beneath hydrate layer.The model shows that a 22-m-thick free gas layer at least is needed toform a 4-m-deep pockmark on the rise of Blake ridge.
Key words:gas hydrate;capillary seal;gas seepage;pockrnarks; Blake ridge
0 引言
在海洋环境水合物稳定带内孔隙水溶解甲烷浓度超过甲烷水合物形成的溶解度时，溶解甲烷会结晶形成水合物，随着水合物含量的增加，形成水合物层圈闭，并在其之下发育游离气层[1-4]。在特定的条件水合物层之下的游离气沿通道向上渗漏进入海底，并在海底形成麻坑、自生碳酸盐岩、生物群落、气泡羽状体，如俄勒冈外海水合物脊[5]、布莱克海台等[6]、北刚果陆坡[7-8]、挪威外海[9]以及中国南海[10]。虽然水合物层下伏游离气向上渗漏活动在水合物发育区比较普遍，但是水合物层下伏游离气向上渗漏的机制和泄漏过程中的流体动力学特征，及流体渗漏对海底沉积地层的破坏（形成麻坑）过程并不清楚。
水合物层下伏游离气受到水合物层毛细管作用的封闭，随气体聚集和气层厚度增长，水合物下伏游离气的压力持续增加，当气体超压克服毛细管封闭作用后气体渗漏被激发，超压气体推动孔隙水向上排出，在海底形成麻坑，麻坑深度反映了流体的破坏强度和游离气层的超压幅度。因此，本文将应用水合物层毛细管封闭机理和沉积孔隙流体渗漏动力学，研究水合物稳定带之下游离气如何向上突破的动力学过程，建立游离气层压力状态与麻坑深度之间的数值模型，通过海底麻坑特征揭示水合物系统游离气层的演化规律。
1 毛细管封闭及游离气渗漏机理
海底沉积层中存在2种毛细管力封闭作用。第一类毛细管力封闭作用是存在于小型的气藏顶部的毛细管封闭作用，属于低渗透率的气体捕集封闭。封闭层的孔隙度和渗透率较低，而水更倾向存在于较小的孔隙空间，因此封闭层的孔隙空间完全被水占有，而封闭层之下含气层的孔隙度和渗透率相对较高[11]。碎屑沉积物孔隙介质一般为水润湿相，气液界面处的毛细管力阻止天然气进一步向上运移，使气体处于孔隙较大的沉积层段，但当气体压力超过相应孔隙的气体的毛细管进入压力时，超压气体将刺入封闭层的小孔隙，气藏开始排气，并在上覆沉积层中产生气体的渗漏通道。侵入毛细管压力由拉普拉斯方程给出[12]：
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
其中：γ为界面张力，取值0.027 N/m[13],rf和rc分别代表小孔隙和大孔隙的有效孔隙半径。
第二类毛细管封闭作用存在于气－液二相共存的沉积孔隙中，气液二相均可流动[14-15]。由于整个沉积体是由沉积颗粒构成的孔隙介质，孔隙水优先占据并被吸附在孔隙的喉道位置，具有小孔径的孔喉部位产生的毛细管力抑制了孔隙腔中气体的流动。此类毛细管封闭条件是孔隙内2种流体共存，且二者均可流动。在渗漏活动初期这种情况出现在气流柱顶部和气柱周围的气－水混合的部位，沉积层中毛细管封闭线的位置随气柱的发育而变迁，这种毛细管封闭作用约束了气流柱的形状和发育，并使气流柱有一个相对平坦的顶部；同时也会形成一个相对稳定的通道直径，这意味着渗漏气柱顶部的气－水界面相对平坦，在理想均质介质中渗漏气体以“活塞”式向上推进。但是当渗漏气柱遇到渗透率在横向上不均匀或不连续（如断层）的沉积介质时会出现分支或扭曲的气体通道。
海洋环境扩散型水合物稳定带与下伏游离气之间属于第一类毛细管力的封闭，在水合物稳定带底部水合物含量最高[3,16]，水合物的形成降低了孔隙介质的有效孔隙度和渗透率，使水合物层的孔隙度低于下伏游离气层的孔隙度，水合物层的有效孔隙半径小于游离气层的有效孔隙半径。亲水性的水合物沉积层内除水合物外的其余孔隙空间被水占据，而下伏沉积体的孔隙空间完全被气体充填，水合物层与游离气层之间就存在一个上覆孔隙水与下伏游离气的界面。因此在水合物层与游离气层界面（大孔隙与小孔隙之间）上产生毛细管力，其方向指向孔隙半径较大的含气层，阻止下伏气体进入上覆含水层（水合物层），抑制气体向上运移。但是当下伏游离气层中的气体压力超过上覆水合物封闭层的毛细管力时，超压气体将刺入水合物封闭层，使水合物层的毛细管封闭作用完全失效或仅剩很小的封闭作用，气体泄漏开始。超压的气体渗漏进入水合物稳定带后，随着气柱的增长气体逐渐侵占原有孔隙水所占的孔隙空间，驱使孔隙水向上排出，并最终泄漏进入海底。水合物稳定带内气柱的增长过程受第二类毛细管封闭作用的控制，使气流柱以“活塞”式增长，而没有出现气流弯曲和分支，这与地球物理资料显示的近于垂直的流体渗漏通道（气囱）特征一致[8-9,17-19]。
图1给出了海洋水合物层下伏游离气渗漏过程。游离气在水合物层底界之下聚集，气层厚度和气体超压逐渐增加（A），当气体压力超过水合物封闭层的毛细管力时，高压气体会在封闭薄弱点或气层最顶端刺穿封闭，使水合物毛细管封闭失效（B）。气流柱在高压作用下向上推进，并驱使上覆沉积孔隙水向外排出。气流柱高度（hg）逐渐增长，而水流柱高度（hw）相应缩短（B到C过程）。如果气压驱动力保持相对恒定，由于岩层对水的黏滞力（或水流阻抗）远大于其对气的黏滞力（或气流阻抗），随水流柱高度hw减小，流体渗漏速度将越来越快，在单位长度水流柱上的压降（等于岩层对水流的黏滞力）随流体速度的增长而增加。在气流接近海底时流体速度明显增强，浅层水流阻抗（即水流对地层的作用力）超过相应沉积体的静岩压力，浅层含水沉积将被流沙化，当流沙化的沉积物被海底底流搬运后，便在海底形成“新鲜的”麻坑，此时麻坑下形成单一的气体运移通道（D）。由于气体黏度远小于水的黏度（约为1/60），气体排放异常迅速，游离气藏中气体会很快排干，流体渗漏通道中的气流逐渐退化（E），孔隙流体压力回归静水压力，孔隙水重新占据水合物封闭层和流体渗漏通道的孔隙空间，在气量通量减小体系温度降低的过程中伴随者水合物的生成（此文中不做详细论述），并因此减小了流体流动速度，少量气体仍可滞留在流体渗漏通道内，在地震记录上显示为气烟囱，水合物层底部的毛细管封闭作用恢复，水合物层之下游离气的聚集过程再次启动（F）。
图1 水合物下伏游离气渗漏概念模型示意图[11]
Z为海底以下深度，h为水合物稳定带厚度（或水合物封闭层深度）。黑色带表示毛细管封闭层，浅灰色表示气体所占据孔隙沉积层。A.气体被封闭在水合物层之下；B.气体刺穿封闭层开始泄漏C.气柱高度增加，推动水流向外排出，水流柱高度相应缩短，流体运移速度不断增加；D.含水流沉积中孔隙压力超过静岩压力，在海底出现麻坑，形成单一的气流通道；E.游离气藏中的天然气被逐渐排空，孔隙超压消失，流体通道中的气流柱逐渐退化；F.气流柱完全消失，在海底留下气烟囱，并有水合物生成，水合物封闭作用恢复，并开始新的气体聚集
2 游离气渗漏过程的数学模型
气体渗漏过程中（图1）气柱和水柱都是在游离气超压的驱动下流动，流体运移的总驱动力等于气体超压（ρw－ρg)gd。气流柱不断增大，并且以同一速度推动渗漏通道内的上覆孔隙水向上流动。假定水合物稳定带为一种均质孔隙介质，渗漏通道内流体（水和气）的渗漏速率相同，孔隙介质内流体渗漏模型可用达西定律描述为
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
其中：Δp为流体运移总推动力，是施加在气流柱和水流柱上的压降之和（Δpg＋Δpw），或者是气流阻抗与水流阻抗之和，等于气层底部的超压（ρw－ρg)gd；ρ为流体密度；d为游离气层的厚度；μ为流体黏度；V为流体速度；k为沉积体的渗透率；krg和krw分别为沉积体孔隙气和水的相对渗透率；hg和hw分别为气流柱和水流柱的高度。
假定气流柱中气的饱和度和水流柱中水的饱和度均为1，气和水的相对渗透率为1。由方程（1），流体（气体和水）的运移速度表示为
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
在方程（2）中，若
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
利用方程（3）既可以计算渗漏气流柱增长到某一高度所需要的时间，也可以计算某一时间点水合物稳定带内气流柱的高度。
由方程（1）和方程（2）可知，孔隙介质中单位长度流体柱所受阻抗随气流柱高度的增加（或水流柱高度的减小）而增加，也就是说沉积物格架所受流体的反作用力（流体阻抗）逐渐增加，当流体阻抗超过相应沉积体的静岩压力时，相应沉积层将被流体化而成为流沙[20]，渗漏流体速度须满足
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方程（4）中，若μw≌60μg、krw≌krg≌1（假定水流柱中水的饱和度和气流柱中气的饱和度近似为1），方程（4）可简化为
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在一定的温压条件下流体密度和黏度为常数[12]。因此，方程（5）中麻坑深度可近似为水合物下伏的游离气层厚度（d）和水合物封闭层深度（h）的函数，与沉积体的渗透率无关。模型计算中所有参数取国际标准单位。
3 模型应用及讨论
美国卡罗莱纳外海的布莱克海台区是典型的水合物发育区，既有完美的BSR显示，又有游离气的渗漏活动及在海底形成的麻坑[6,21-22]。大洋钻探计划（ocean drilling program)1 64航次对布莱克海台进行了钻探取心研究，其中997站位钻至海底之下750 m，穿过了BSR（海底之下450 m），其中180～462 m 层段含水合物，水合物平均饱和度为6％，位于水合物稳定带底部（462 m）的水合物体积分数最高为24%[4]。996站位于布莱克底辟链的最南端，处于997站位西北98 km，最大钻孔深度为63 m，刚好位于麻坑之中，地震剖面显示该区BSR深度为440 m，深部底辟作用使上覆地层变形、形成小型断层，成为有利的流体渗漏通道，在海底发育有深4 m、直径50 m的麻坑，并且正在发生气体渗漏（图2），钻探获得的水合物体积分数高，最高达沉积孔隙的99%[6,21-23]。
驱动流体运移的气体超压取决于游离气层的厚度。如果下伏游离气层厚度达100 m（图1），其总的流体驱动力（等于气体超压）可达到0.8 MPa；如果游离气层厚度为22 m，流体超压驱动力为0.18 MPa（图3最左端A点）。渗漏开始时水流柱高度分数（等于hw/h）为1，总水流阻抗等于气体总超压，整个气流柱高度增加而降低。但是由于水流速度增加，施加在单位长度水流柱上的驱动力和相应的黏滞力增加，水流阻抗逐渐趋近海底相应深度沉积层静岩压力，且在水流柱高度分别小于40 m（对于游离气层厚度为100 m）和4 m（对于游离气层厚度为22 m）时水流阻抗超过沉积介质的质量（图3D点）。该位置以上的沉积物被流沙化[20]，转变成颗粒悬浮的液状混合体，这种流沙化沉积被海流搬运后在海底形成麻坑。利用方程（3）可以计算游离气从水合物稳定带底部渗漏到达海底所需的时间。假定渗漏率为10-12m2时， 100 m厚的游离气层泄漏到海底的时间大约为5 a。
图2 布莱克海台地震反射强度剖面揭示的BSR、底辟构造、海底麻坑及与ODP977站位揭示的BSR深度比较
a.地震反射强度显示布莱克海台水合物发育、气体聚集以及底辟构造顶端的流体渗漏[22];b.为ODP997站位BSR揭示的水合物封闭层深度[21]
图3 渗漏通道中的流体阻抗和含水沉积层的静岩压力曲线交点指示麻坑深度
水合物稳定带中气流柱高度增加（顶部坐标向右），水流柱高度减小（底部坐标向右），水流阻抗和静岩压力随之减小，水流阻抗大于静岩压力时发生流沙破坏，曲线交点位置指示麻坑深度（D点）。布莱克海台100 m的游离气层发生渗漏时在海底可形成40 m深的麻坑，而22 m厚的气层泄漏时可形成4 m深的海底麻坑（最右边灰色阴影）
方程（2）中流体渗漏速率与渗透率成正比，但方程（4）中麻坑深度不依赖于沉积体渗透率，只是水与气体相对渗透率比的函数，而相对渗透率决定于孔隙流体的饱和度[12]，因此沉积体渗透率控制流体渗漏速率，但不控制麻坑形成。实际上，渗透率越大，气体渗漏越快，麻坑形成越快；气体超压在水流柱和气流柱之间的分配不依赖于渗透率，而是决定于气体的超压幅度，以及流体黏度和气流柱高度（或水流柱高度）。
利用方程（5）可以简单计算海底麻坑深度，同时在已知水合物底界（封闭层）深度和麻坑深度，也可以通过方程（5）计算游离气层的厚度。图4显示麻坑深度与游离气层厚度和封闭层深度的关系。在给定封闭层深度，麻坑深度随游离气层厚度的增加而增大，相反较深的沉积层厚度削弱了渗漏流体对麻坑的挖掘作用，水合物封闭层越浅，形成一定深度的麻坑所需的游离气层厚度越小。
图4 水合物封闭层深度和麻坑深度与游离气层厚度的关系
麻坑深度主要决定于游离气层厚度和水合物封闭层埋深，与游离气层厚度呈正比，与水合物层埋深呈反比。如果水合物封闭层深700m，形成4m深的麻坑需要27m的游离气层，如果水合物封闭深度为440 m，则需要22 m的游离气层，如果水合物封闭层深100m，仅需要1l m厚的游离气层
地球物理显示布莱克海台ODP996站位周围的BSR深度为440 m，而在ODP996站位正下方游离气藏气体沿底辟构造上升至大约220 m（图2）处，在沿小断层渗漏至海底，由方程（5）可知麻坑深度与渗透率无关，取决于游离气藏的埋深和游离气层的厚度。对于海底4 m深的麻坑，计算表明在水合物层之下至少需要有22 m厚的游离气层。苏正和陈多福[4]计算了布莱克海台997站位的水合物和游离气体积分数分布，在水合物稳定带底界之下26 m处的气体饱和度为28％，底界之下74 m处气体饱和度为0.2％，其中水合物体积分数分布与同一区域的ODP995站位是相近的[24]。28％的气体饱和度大于气体流动所需20％的饱和度，而底界之下74 m处0.2％的气体饱和度不能流动，也不能传递孔隙气体压力。如果20％的饱和度指示可传递气层的底界，则气层的有效压力传递厚度约为30 m，这与笔者22 m厚的游离气层模型计算结果相近（图5）。实际上，该钻位水合物平均体积分数约为6%[4]，可封闭气层厚度为24 m（三角点所示），接近模型估计的22 m。此外，在水合物稳定带底部的水合物饱和度达24%[4]，其毛细管作用可封闭约33 m的游离气层（菱形点所示），与Flemings等[25]估计的极限破坏厚度29 m相似（虚线所示位置），接近但略小于30 m的参考厚度。然而，在996站位游离气发生泄漏后， 997站位扩散型水合物的体积分数仍在持续增加[26]，水合物层的封闭能力也相应增强，游离气层厚度不断增长，因此，997站位游离气厚度（30 m）大于996站位游离气发生泄漏时的22 m气层厚度是合理的。
图5 布莱克海台的水合物饱和度和所能封闭的游离气层厚度
气层厚度随水合物饱和度增加而增高，水平虚线与气层厚度曲线的交点（29 m）为Flemings等预测的997站位气层的临界水力压裂厚度[25]，圆形点标示约30 m的实际气层厚度，三角形点显示平均饱和度6％的水合物能封闭24m的气层，而饱和度24％的水合物可封闭33 m的游离气层（菱形点）
4 结语
本文构建了水合物层下伏游离气渗漏动力学过程的数学模型，游离气被水合物层的毛细管作用所圈闭，下伏游离气的超压随游离气层的增长而增加；当气体超压超过作用于水合物与游离气层界面的毛细管阻力时，游离气渗漏进入上覆水合物稳定带，并以“活塞式”驱动上覆孔隙水向外排出，渗漏速度随水流柱高度的减小而增加；当水流阻抗超过相应层段的静岩压力时沉积体变为流沙，流沙沉积被海流带走便在海底留下麻坑。模型显示麻坑深度为游离气层厚度和水合物封闭层埋深的函数，而与沉积介质的渗透率无关。游离气渗漏形成的海底麻坑对水合物下伏游离气层的厚度具有指示作用，在已知水合物封闭层深度和海底麻坑深度条件下，模型可以计算水合物层下伏游离气藏发生渗漏时的气层厚度，在布莱克海台海底发育有4 m深的麻坑，它的形成需要至少22 m厚的游离气层。
致谢：挪威国家石油公司Martin Hovland教授提供了全球麻坑基础资料和最新信息，表示感谢。
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