本书主要介绍海洋天然气水合物开采岩石物理模拟及应用。第一章绪论，主要对海洋天然气水合物储层特征和海洋天然气水合物岩石物理特征进行介绍。第二章天然气水合物岩石物理模型分析，主要对天然气水合物岩石物理模型进行介绍。第三章岩石物理模拟实验技术的开发，主要介绍了水合物岩石物理模拟实验技术。第四章不同类型沉积物的水合物声学实验及岩石物理模型验证，介绍了在不同沉积物类型条件下，开展的岩石物理实验及模型验证。第五章不同实验体系的水合物声学实验及模型验证，介绍了针对不同的实验条件进行的实验模拟。第六章孔隙充填型与裂隙充填型水合物声学实验及模型验证，对两种类型水合物进行室内模拟实验和岩石物理模型分析。第七章海洋天然气水合物岩石物理模型的应用，通过有效的岩石物理模型对水合物储层的水合物饱和度和水合物类型进行预测。 本书可为科研院所、高校、石油公司等从事天然气水合物勘探开发研究的科研人员、研究生提供参考。

**章绪论
　　天然气水合物是一种极具潜力的能量资源，在世界各地海洋和永冻土中均广泛分布，我国也在南海海底和祁连山冻土带中发现了天然气水合物。目前，地球物理勘探仍是天然气水合物勘探和资源评价的重要手段，各种高分辨率地震调查技术被应用于获取储层的纵横波速度等参数。同时，学者们建立了多种水合物饱和度与弹性波速度之间的关系模型，以期根据获取的地震波或声波测井速度准确地预测沉积层中是否含有水合物，或估算沉积物中水合物的饱和度，进而对储层的资源量进行评估。然而，天然气水合物是高压、低温条件下形成的产物，极易发生分解，变为天然气和水，因此在野外取样中难以获取准确的水合物饱和度数据，进而难以直接建立水合物饱和度与声波速度之间的关系来检验上述模型的适用性。
　　**节岩石物理的基本知识
　　岩石物理学（rock physics）是一门涉及范围较广的边缘学科，只要与岩石本身特性和其物理特性相关的都可以归在这门学科内。岩石的物理性质主要有力学、声学、电学等。这些物理性质在不同的应用领域中形成各自的岩石物理学。在石油工业中常用英文“petrophysics”表示岩石物理，英文字头petro-有“石、岩”“含石油的”之义，在石油工程和测井中常用此词。在石油工程中用“petrophysics”表示油层物理学。其内容包括油气储层中流体的物理和化学性质、储层岩石的物理性质（孔隙度、渗透率、饱和度）、多相流体物理性质和渗流机理等。rock physics在岩石力学和地震勘探中较常用。
　　岩石物理学始于20世纪50～60年代，是一门迅速发展起来的介于地球物理学、地质学、声学与力学等学科之间的交叉学科。如果细究岩石物理学中所用到的实验观测手段、理论分析方法与工程应用技术，岩石物理学还可能与其他更多的各级学科发生交集。但审视这门学科的产生与发展历程、所影响的受众群体以及实际应用领域，不难辨明与岩石物理学关系*为密切的几个领域为：固体地球物理学（地震学、地磁学、地电学、地热学）、勘探地球物理学（测井学）、地质学（构造学、沉积学、矿物学、勘探地质学）、力学（固体力学、流体力学、断裂力学、材料力学）与物理学（声学、热学）等。
　　在岩石物理学产生的过程中，各类的岩石实验观测确实是人类认识岩石物理性质的一种重要手段，但作为一门衍生的交叉学科，岩石物理学在发展过程中的一些核心的理论、方法与手段，却并不是直接从实验观测与分析中得到，而是通过相邻学科中一些成熟认识引进、融合与归纳得到的。岩石物理学是一门同时依赖于实验与理论的学科，岩石物理学的重要成果也不仅依赖于岩石采样的数量与覆盖次数，在纷繁复杂的实验数据与经验关系背后，物理学基础理论的验证与应用，才是令岩石物理学的定量认识“放之四海而皆准”的重要保障。
　　岩石物理学研究的主要问题包括：岩石的弹性、岩石中波的传播与衰减、岩石的孔渗特征、岩石的破裂与声发射特征、岩石的磁性、岩石的电学性质与岩石的热学性质等。在这个学科的发展过程中，受到产业部门、社会需求与工程实践的影响，实际上岩石物理学的发展热点，较多地集中在岩石的弹性与岩石的波传播问题当中。
　　岩石物理学以岩石为研究对象，以物理为研究手段，研究岩石各种“场”的物理属性、产生机制、相互关系及应用。岩石作为一种特殊的材料，具有很多物理性质，如密度、弹性、导电性、导磁性、导热性、放射性等。这些物理性质可以形成可观测的各种地球物理场，包括天然存在的地球物理场和人工激发的地球物理场。其中地球的重力场、地磁场、地电场、地温场、核物理场是天然存在的地球物理场；由人工爆炸诱发的在地下传播的弹性波场、向地下供电在地层中产生的局部电场、向地下发射电磁波激发出的电磁场等，都属于人工激发的地球物理场。岩石物理学主要研究能形成地球物理场的各种岩石物理性质及其成因机制，并通过这些场物理性质获得对地层的组分、孔隙性、渗透性、结构、构造等各种客观物理属性，以及地球内部结构、动力学特性等的认识、评价，进而实现相关预测，同时也为新的地球物理探测仪器技术的研发指明方向。针对不同研究领域，岩石物理学的研究内容不同。在油气资源的勘探开发领域，岩石物理学主要研究岩石的声波速度、电阻率、密度、放射性、核磁共振等物理特性和表征参量与岩石的矿物组成、结构、孔隙度、渗透率、流体饱和度、力学强度等性质及表征参量和赋存环境之间的关系，为油气地球物理探测技术的建立奠定基础，并为油气资源的勘探评价、安全开发开采提供技术支撑。
　　岩石物理学主要采用物理学的研究方法，其研究方法有观察、实验、归纳和总结。实验是岩石物理学*基本的研究方法。实验室具体的研究方法是先采集各种有地质意义的岩石（包括井下岩石样品和露头岩石样品），按照测试规范制取有代表性的岩石样品，然后在实验室中分别研究其各种物理性质及各种因素对其物理性质的影响，并对大量的实验结果进行分析和归纳，找出岩石物理性质的变化规律，继而根据实验结果统计归纳得到经验关系式（理论模型）。在建立合理而简化的数学物理模型基础上，可以将实验得到的经验关系外推到实际问题中去，但若没有合适的模型，而只是简单地把实验室小尺度实验得到的结果外推到大尺度的自然界，常常会出现错误的认识。简而言之，岩石物理学的实验研究方法主要步骤可概括为采样—制样—测试—分析—归纳和总结。
　　第二节海洋天然气水合物储层特征
　　水合物野外航次表明，高浓度水合物的产出主要受裂隙和粗粒沉积物控制，水合物充填在裂隙中或是散布在富砂的储集层孔隙中。神狐地区含水合物沉积物的粒度研究结果表明：粉砂粒级是研究钻孔含水合物沉积物的主导组分，粗粉砂（0.063～0.032mm）和细砂（0.063～0.5mm）在水合物储层中通常是高含量的，暗示粗粒沉积物更有利于水合物的形成。并由此推断，丰富的钙质化石（主要是有孔虫壳体及其碎片）颗粒大小要比粗粉砂和细砂大，可能会为容纳丰富的水合物提供更大的空间（Zhou et al.，2014）。然而，调查发现，在细粒沉积物中同样也发现了水合物分布，说明沉积物粒度与水合物聚集并非呈简单的对应关系。例如，在ODP204航次个别站位（1251B、1252A），或同一站位不同层段（1245B），水合物聚集在极细粒的沉积物中（苏新等，2005）。布莱克海台具有典型的细粒沉积物储层，沉积物主要为富超微化石的黏土，水合物以低饱和度（＜10%）浸染状产出（Ginsburg et al.，2000；Kraemer et al.，2000）。中国南海细粒沉积物中同样发现了较好的水合物藏（吴时国等，2009），在中国南海神狐海域中，水合物储层砂的平均含量为1.4%～4.24%，而水合物饱和度却达到20%～40%（Wang et al.，2013）。同时还发现南海沉积物中有孔虫壳体的存在对水合物的成藏具有很大的促进作用（陈芳等，2009，2013;李承峰等，2016）。
　　根据天然气水合物的产出形态和产生的地质环境，我们将其分为五种类型（图1.1，表1.1）（You et al.，2019）。
　　图1.1地质系统中五种天然气水合物的产出类型
　　表1.1水合物产出类型的特征
　　这五种类型如下。
　　类型1：在泥质沉积物中局部扩散的低浓度水合物；
　　类型2：非喷口站位的裂隙充填型水合物；
　　类型3：位于水合物稳定带底部的泥质沉积物中丰富的水合物；
　　类型4：喷口站位的浓度较高水合物；
　　类型5：富砂质沉积物的浓度较高水合物。
　　针对海洋天然气水合物开采，Moridis和Collett将全球天然气水合物储层分为四类（吴能友等，2017）。**类为双层储层，由含天然气水合物沉积层及其下伏含两相流（游离气、自由水）沉积层组成。通常这一类型的天然气水合物储层底部位于或略高于水合物稳定带底界，小幅度的温度或压力变化即可导致天然气水合物分解，并且由于下伏游离气层的存在，当上覆天然气水合物不能被有效开采时，游离气层也能保证整个天然气水合物储层的开采效益，所以被认为是*有利开采的天然气水合物储层类型。第二类为双层储层，由含天然气水合物沉积层及其下伏含单相流（自由水）沉积层组成，即含天然气水合物沉积层之下只发育含水沉积层。第三类为单一储层，指含天然气水合物沉积层之下不发育任何含游离相沉积层，仅含单一天然气水合物层的储层类型。第二类和第三类储层的整个含水合物层完全位于天然气水合物稳定带内。第四类为广泛发育于海洋环境的扩散型、低饱和度的天然气水合物储层，且往往缺乏不可渗透的上、下盖层，使该类储层不具有开采价值（图1.2）。
　　图1.2天然气水合物储层分类
　　按照热动力学特征，科学家提出了渗漏型和扩散型两类概念型水合物成藏模式（Chen et al.，2006）。渗漏型（裂隙充填型）天然气水合物分布局部，受流体活动控制，与海底天然气渗漏活动有关，是深部烃类气体沿断裂等通道向海底渗漏，在合适的条件下沉淀形成的水合物，是水-水合物-游离气三相非平衡热力学体系，因而水合物发育于整个稳定带，往往存在于海底表面或浅层与断裂、底辟等构造有关的裂隙中。国际上认为，该类型天然气水合物由于开采过程中会产生工程和环境问题，不是有利的开采目标。扩散型（孔隙充填型）天然气水合物分布广泛，在地震剖面上常产生指示其底界的似海底反射面（bottom simulating reflector，BSR），埋藏深（>20m），海底表面不发育水合物，其沉淀主要与沉积物孔隙流体中溶解甲烷有关，受原地生物成因甲烷与深部甲烷向上扩散作用的控制，是水-水合物两相热力学平衡体系，因而往往存在于深层沉积物孔隙中，不同类型沉积物中的天然气水合物饱和度相差较大，饱和度与沉积物的物性，尤其是渗透率和孔隙度密切相关。国际上认为，该类型天然气水合物埋藏深，是开采的有利目标。
　　第三节海洋天然气水合物岩石物理特征
　　海洋天然气水合物大多分布在全球的大陆边缘海环境，主要分布在太平洋和大西洋的边缘海。水合物和冰的物理性质有许多类似的地方（表1.2）。天然气水合物具有多孔性，其剪切模量和硬度都比冰小，压实的水合物密度与冰密度大致相同，略小于冰的密度，热传导率也远小于冰，大致为冰的1/5，并且随温度的升高而增大，趋势与冰相反（宋海斌等，2001）。
　　表1.2纯水合物与冰的物理性质
　　天然气水合物具备巨大的资源储量，是21世纪非常重要的潜在能源。地球物理勘探是天然气水合物勘探和资源评价的重要手段（Shipley et al.，1979；Holbrook et al.，1996；Holbrook et al.，2002；Careione and Gei，2004）。天然气水合物与孔隙流体相比，具有较高的弹性波参数。因此，含水合物沉积层一般具有较高的纵波速度和横波速度（Holbrook et al.，1996；Michael，2003；Waite et al.，2009；Pecher et al.，2010）。人们通常采用模拟实验的办法建立水合物饱和度与声速之间的关系模型，以期利用地震波参数和声波测井数据对储层资源量进行估算与评价。
　　由于水合物特定的温压条件，实验室内对其声学特性的研究都有一定的难度，目前用于研究水合物声学特性的实验室，国外主要有美国地质调查局（Winters et al.，1999，2004a，2004b，2008；Lee and Waite，2011）、美国佐治亚理工学院（Yun et al.，2005，2010）、英国赫瑞-瓦特大学（Yang et al.，2005）、英国南安普顿大学（Priest et al.，2005，2006，2009；Best et al.，2013，Sultaniya et al.，2015）和日本京都大学（Onishi et al.，2008）等；国内主要有青岛海洋地质研究所（Hu et al.，2010，2012，2014）、中国科学院声学研究所（王东等，2008）以

目录
丛书序一
丛书序二
丛书前言
前言
**章绪论1
**节岩石物理的基本知识1
第二节海洋天然气水合物储层特征2
第三节海洋天然气水合物岩石物理特征5
参考文献8
第二章天然气水合物岩石物理模型分析12
**节孔隙充填型水合物岩石物理模型13
第二节两端元横向各向同性理论23
第三节模型对比分析24
第四节本章小结30
参考文献30
第三章岩石物理模拟实验技术的开发34
**节声学探测技术的开发34
第二节时域反射技术的开发42
第三节与X-CT探测技术的联用49
第四节电-声响应特性联合探测技术56
第五节本章小结59
参考文献59
第四章不同类型沉积物的水合物声学实验及岩石物理模型验证61
**节固结沉积物中模拟实验研究61
第二节松散沉积物中模拟实验研究72
第三节南海沉积物中模拟实验研究86
第四节本章小结94
参考文献96
第五章不同实验体系的水合物声学实验及模型验证98
**节静态体系中模拟实验研究98
第二节动态体系中模拟实验研究100
第三节不同甲烷通量模式对水合物形成声学的影响规律120
第四节二维探测体系中模拟实验研究141
第五节静态体系与动态体系下水合物声学特性对比155
第六节本章小结158
参考文献160
第六章孔隙充填型与裂隙充填型水合物声学实验及模型验证165
**节水合物储层声学响应模拟实验系统简介165
第二节孔隙充填型水合物声学模型分析和实验模拟167
第三节裂隙充填型水合物声学模型分析和实验模拟176
第四节孔隙充填和裂隙充填型水合物识别181
第五节本章小结187
参考文献188
第七章海洋天然气水合物岩石物理模型的应用190
**节我国南海天然气水合物饱和度与充填类型评价190
第二节国际典型海域天然气水合物饱和度与充填类型评价193
第三节岩石物理模拟及其在水合物开采过程中的应用205
第四节光纤声学技术展望229
第五节本章小结233
参考文献234