CN117890998B - 基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统 - Google Patents

基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统。该方法包括：获取地震数据和测井数据；根据所述地震数据和所述测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；所述三维地质模型包括圆柱体状模型；获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型；所述热力学模型用于表征所述气烟囱的热效应的变化规律；根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，并根据所述稳定域确定所述水合物的时空分布。本申请实施例有利于提升水合物时空分布预测的准确度，可以广泛应用于天然气水合物勘探开发技术领域。

Description

基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统
技术领域
本发明涉及天然气水合物勘探开发技术领域，尤其是一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统。
背景技术
天然气水合物是由天然气分子与水分子在高压和低温下组成的晶体化合物，主要分布在永久冻土带和水深大于300米的大陆斜坡上。对于天然气水合物的分布研究有利于预测油气和天然气水合物勘探方向。相关技术中，一实施例通过装置模拟气烟囱活动对水合物分布的影响；另一实施例通过模拟气烟囱作为流体运移通道对天然气水合物稳定区供给气源的方式，通过模拟水合物形成装置中合成样本，确定水合物的空间分布。上述方案通过地震反射资料确定水合物的分布，存在一定的人为因素，难以准确确定水合物的分布；同时，模拟的尺度小，模拟过程设置的条件因素过多，影响了模拟的效果。
发明内容
本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提供一种准确的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统。
为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：
一方面，本发明实施例提供了一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，包括以下步骤：
本发明实施例的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，该方法包括：获取地震数据和测井数据；根据所述地震数据和所述测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；所述三维地质模型包括圆柱体状模型；获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型；所述热力学模型用于表征所述气烟囱的热效应的变化规律；根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，并根据所述稳定域确定所述水合物的时空分布。本申请实施例通过地震数据确定三维地质模型；进而确定气烟囱的热力学模型，通过气烟囱的热效应变化规律，确定水合物的时空分布。本申请实施例有利于提升水合物时空分布预测的准确度。
另外，根据本发明上述实施例的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，本发明实施例的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，所述获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型，包括：
根据所述气烟囱的管道长度，确定气烟囱内部流体的初始喷发速度；
根据所述初始喷发速度，确定气烟囱通道内部的第一温度；所述第一温度与所述气烟囱的高度相关；
获取气烟囱热流体在水合物层底部的第二温度和水合物层初始的第三温度；
根据所述第二温度和所述第三温度，确定所述气烟囱顶部的第四温度；所述第四温度与时间相关；
根据所述第一温度和所述第四温度，确定所述气烟囱的热力学模型。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述第一温度和所述第四温度，基于瞬态热传导方程，确定第一热效应模型；
基于有限差分原理对所述第一热效应模型进行离散处理，确定热力学模型。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，包括：
根据水合物的类型，确定经验常数；
根据所述热力学模型和所述经验常数，确定地层压力；
根据所述地层压力和海水深度，确定水合物的稳定域。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：
所述第一温度通过下面的公式确定：
；
其中，用于表征气烟囱的通道壁温度；T 0为气烟囱热流体的初始温度；C为气烟囱通道的周长；h为平均导热系数，与热导率和气烟囱通道直径相关；m为热流体的比流速；c为热流体的比热容；z为距离气烟囱起始层的垂向距离，用于表征气烟囱的高度；
所述第四温度通过下面的公式确定：
；
其中，用于表征互补误差函数，r为三维极坐标，t为时间；为热扩散系数，与水合物的热导率、水合物的比热容和水合物的密度相关；T B为第二温度，用于表征气烟囱热流体在水合物层底部的温度；T H为第三温度，用于表征水合物层的初始温度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述热力学模型通过以下公式确定：
；
其中，i用于表征z方向的节点标记，j用于表征x方向的节点标记，n用于表征与时间相关的节点标记；，，为热扩散系数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述方法包括：
根据所述地震数据，确定关键地层的位置和深度；
通过原位锥体渗透试验，确定底层的温度和渗透率。
另一方面，本发明实施例提出了一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定系统，包括：
第一模块，用于获取地震数据和测井数据；
第二模块，用于根据所述地震数据和所述测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；所述三维地质模型包括圆柱体状模型；
第三模块，用于获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型；所述热力学模型用于表征所述气烟囱的热效应的变化规律；
第四模块，用于根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，并根据所述稳定域确定所述水合物的时空分布。
另一方面，本发明实施例提供了一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实现上述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
另一方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现上述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
本发明实施例提供的方法包括：获取地震数据和测井数据；根据所述地震数据和所述测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；所述三维地质模型包括圆柱体状模型；获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型；所述热力学模型用于表征所述气烟囱的热效应的变化规律；根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，并根据所述稳定域确定所述水合物的时空分布。本申请实施例通过地震数据确定三维地质模型；进而确定气烟囱的热力学模型，通过气烟囱的热效应变化规律，确定水合物的时空分布。本申请实施例有利于提升水合物时空分布预测的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本发明提供的水合物时空分布确定方法的一种实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的三维地质模型的一种实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的气烟囱内部温度模拟效果的一种实施例的示意图；
图4为本发明提供的气烟囱顶部环境温度分布模拟效果的一种实施例的示意图；
图5为本发明提供的气烟囱顶部热效应形成的温度场模拟效果的一种实施例的示意图；
图6为本发明提供的不同时期气烟囱热值与水合物稳定域模拟效果的一种实施例的示意图；
图7为本发明提供的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定系统的一种实施例的结构示意图；
图8为本发明提供的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定装置的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
首先，对本申请实施例涉及的概念或术语进行解释说明：
气烟囱：是地层含气后在地震反射剖面上表现出的类似烟囱状反射异常，通常表现地震模糊带或空白带，气烟囱是地层深部含气流体运移的优势通道，其是由一系列微裂隙或小断层构成。
天然气水合物：是由水分子和甲烷等小分子碳氢化合物在低温高压条件下结合形成的类似冰状的固体物质，其在常温常压下可被点燃，故俗称“可燃冰”。
似海底反射层：含天然气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），它大致代表水合物稳定域的底界。相关研究成果表明，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，而地温变化却很大（存在地温梯度），因此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，而与地层层面斜交（当地层层面与海底斜交时）或平行（当地层层面与海底平行时）。
天然气水合物稳定域：简称“稳定带”，（Gas Hydrate Stability Zone，GHSZ），是指地下存在一个特定的区域，在这个区域内，温度和压力处于天然气水合物形成的热力学稳定范围内。它表征了可能形成水合物的最大范围。
麻坑：海底麻坑是由超压流体溢出海底时侵蚀海底沉积物所形成的一种负地貌，其广泛分布于各种水下构造环境（如大陆边缘盆地和增生楔等）。
丘状体：丘状体是在海底形成的具有明显丘状反射特征的地质体，具有多种地质成因，在海相背景下丘状体主要包括与生物沉积作用有关的生物礁、与火山作用有关的泥底辟及受深水沉积作用影响的沉积物波等。
上拉：地震反射轴向上变形类似于被向上拉的反射特征。
下拉：地震反射轴向下变形类似于被向下拉的反射特征。
天然气水合物是由天然气分子与水分子在高压和低温下组成的晶体化合物，主要分布在永久冻土带和水深大于300米的大陆斜坡上。由于其分布广、地质储量大、能量密度高、环境污染小，被认为是未来重要的新能源资源与全球碳库。因此，世界各地的许多组织和研究机构都投入了大量的研究力量来探索和开发天然气水合物。已有研究表明，气体水合物的积累受到多种因素的控制，如水合物的温压条件、气源、水、气体迁移途径、储层和时间等。
关于气体迁移途径，许多实验室和现场研究表明，天然气水合物与断层裂隙、气烟囱、泥底辟和麻坑等流体活动系统密切相关。其中，气烟囱作为一种流体活动系统在海洋环境里的气体水合物的富集成藏中起着关键作用。气烟囱是一种流体底辟构造造成的地震反射异常，因为其在地震剖面中显示的形状像烟囱而被命名，其本身及伴生构造即是油气运聚成藏的良好场所。对于天然气水合物而言，气烟囱的发育保证了气体的供给，能够将深部气源输送至海底浅层高压低温稳定带中聚集并形成水合物藏。在地震响应上，天然气水合物似海底反射层（BSR）常与气烟囱伴生，即BSR分布与气烟囱分布存在较好的相关性。气烟囱构成的天然气运聚通道与水合物稳定域空间匹配决定了水合物的主要分布范围。因此气烟囱可以确定油气运移路径，有效预测油气和天然气水合物勘探方向。
另一方面，天然气水合物的形成和分解对环境温度变化非常敏感。气烟囱形成和活动过程中伴随的含气热流体可以形成环境局部的热异常。环境温度的升高会抑制水合物的形成，天然气水合物稳定域的底界深度也会随之变浅，导致局部原已赋存的水合物分解。如在一些海域都开展了详细的地热调查与水合物钻探实验，结果都能支持上述发现。相关地区气烟囱发育位置的热流值明显增高，且未发现天然气水合物，这被认为是含气热流体的热效应导致了水合物的分解。
目前有关气烟囱控制水合物分布的研究中还存在的问题包括：
（1）气烟囱活动过程中伴随的热流体变化过程和空间分布特征尚不明确；
（2）气烟囱热效应对天然气水合物稳定域底界和空间分布的影响尚未进行探索；
（3）在实际的气烟囱发育地质背景下，气烟囱活动如何影响天然气水合物的赋存与分布尚未有实例验证。
为了查明气烟囱活动是如何控制水合物生成和分布的，一种实施例将高压反应釜放置于恒温箱内，高压反应釜中下部安装有模拟气烟囱的装置；高压反应釜焊接的多块带孔隔板将高压反应釜内部空间分隔为若干层；高压反应釜和气烟囱内部安装有若干电阻率传感器和温度传感器；数据采集器连接电脑，气烟囱下部通过注气口连接阀门，阀门连接增压泵，增压泵连接甲烷气瓶；高压反应釜顶部通过导管连接阀门，阀门连接压力计，压力计连接排气瓶。该实施例针对不同位置的天然气水合物合成样品，分别测试其水合物饱和度参数，掌握当气烟囱为天然气水合物体系提供气源时所生成水合物的空间分布特征。
目前，前人对天然气水合物相关的热异常的探测主要是通过一些传感器或者探针等对整体区域开展热流实测，利用采集的数据分析气烟囱热流的活动控制水合物的分布情况，一般以定性认识居多，缺乏定量研究，且对局部区域特殊构造体热异常刻画不够精细，对热异常的作用机制、时空变化及分布规律认识不足，缺乏对水合物形成分布与热流体活动系统的时空耦合相关性研究，难以有效地揭示热异常区域水合物的分布情况和计算水合物资源潜在量。
可知，气烟囱作为一种含气热流体运移通过的断裂/裂隙构造异常体，其一方面为顶部的水合物形成提供了充足的气源和高效的运输通道，另一方面也对水合物产生抑制与分解作用。现有的技术方案也是通过物理模拟并利用水合物探测的设备来模拟气烟囱如何影响水合物的形成和分布，主要通过设计模拟水合物形成和气烟囱的装置，模拟气烟囱作为流体运移通道对天然气水合物稳定区供给气源，通过电阻率监测结果计算水合物饱和度；设置孔隙水盐度、沉积物粒度、实验温度和压力等影响水合物形成和分布的不同的地质条件参数，再通过设置不同的进气速度；模拟不同地质条件下，分析不同气源供给强度下气烟囱内部及周边沉积物中的水合物分布。
另一实施例模拟气烟囱作为流体运移通道对天然气水合物稳定区供给气源，通过电阻率监测结果计算水合物饱和度；在模拟水合物形成装置中设置与水合物形成密切相关的孔隙水盐度、沉积物粒度、实验温度和压力不同的地质条件参数，再通过设置通过气烟囱的不同的进气速度；模拟不同地质条件下，不同气源供给强度下气烟囱内部及周边沉积物中的水合物分布。该实施例针对不同位置的天然气水合物合成样品，包括气烟囱内部和沉积地层距离气烟囱不同位置处，分别测试其水合物饱和度参数，掌握当气烟囱为天然气水合物体系提供气源时所生成水合物的空间分布特征。
现有分析气烟囱与天然气水合物的分布关系主要依靠地震资料的解释和识别，首先依靠地震异常识别模糊带和空白带等可能存在含气流体活动的异常通道，再依据天然气水合物赋存的似海底反射层（BSR）、“亮点”、地震同相轴“下拉”、“上拉”，海底麻坑、丘状体、滑坡等地质异常体来识别和刻画可能存在的天然气水合物。在上述工作基础上，通过气烟囱和水合物指示标志的空间关系描述，定性分析气烟囱控制天然气水合物分布。现有的技术中有关气烟囱对天然气水合物生成和分布的影响分析，主要针对不同位置的天然气水合物合成样品，分别测试其水合物饱和度参数，进而分析气烟囱控制水合物的分布。
存在的缺点包括如下几点：
一是在缺乏三维地震资料条件下，无法从三维空间角度识别和确定天然气水合物的分布和富集特征；
二是在气烟囱背景下，地震反射资料存在多解性和人为因素，难以准确确定天然气水合物的存在和分布；
三是模拟尺度较小，无法从实际地质条件下模拟整体水气烟囱分布区天然气水合物的空间分布；
四是模拟形成水合物的条件因素设置过多，人为控制变量条件合理性欠缺，难以控制水合物形成，且模拟所需时间较长；
五是无法从时间角度去动态定量分析气烟囱活动控制天然气水合物的分布。
基于此，本发明旨在探索气烟囱发育地质背景下气烟囱热效应控制天然气水合物时空动态分布的机理，具体包括：1）基于地震数据，确定实际区域气烟囱的地震反射特征与发育展布特点，建立气烟囱与水合物分布的三维地质模型；2）根据获得的气烟囱规模等参数，通过数值模拟建立气烟囱的热力学模型，探究气烟囱活动的热效应三维变化规律；3）查明气烟囱活动热效应对天然气水合物赋存与分布的时空影响。该发明可反映深部构造异常体热流场，还原甲烷等温室气体渗漏历史，定量表征气烟囱热流体活动制约天然气水合物时空分布，这在天然气水合物资源勘探开发及开展天然气水合物资源评价等方面具有重要作用。
下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法和系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
参照图1，本发明实施例中提供一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，本发明实施例中的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，可应用于终端中，也可应用于服务器中，还可以是运行于终端或服务器中的软件等。终端可以是平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等，但并不局限于此。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、CDN、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。参照图1，本发明实施例中的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法主要包括以下步骤：
S100：获取地震数据和测井数据；
S200：根据地震数据和测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；三维地质模型包括圆柱体状模型；
S300：获取气烟囱的规模参数，基于三维地质模型，根据所述规模参数，确定气烟囱的热力学模型；热力学模型用于表征气烟囱的热效应的变化规律；
S400：根据热力学模型，确定水合物的稳定域，并根据稳定域确定水合物的时空分布。
在一些可能的实施方式中，本申请实施例中的地震数据和测井数据可以来源于任意可行的方式获取的地震数据和测井数据。具体地 ，地震数据可以基于三维地震数据的解释获取，测井数据可以基于原位锥体渗透试验（CPT）获取，本申请并不作具体限制。本申请实施例中基于气烟囱的具体特性，三维地质模型可以是圆柱体状模型。本申请实施例通过测得的数据，确定气烟囱的热效应变化规律，进而确定水合物的稳定域，并确定时空分布，提升了水合物勘测的准确度。
对于地震数据解释与层位确定，本申请实施例模拟模型的建立首先依据三维地震数据解释，根据先前研究中发表的生物地层年龄与地震反射之间的年龄相关性来确定关键层位的位置和深度。
示例性地，地震数据采用Petrel软件平台进行解释。对地震数据进行处理，以红黑组合作为地震截面显示，红色表示高振幅，黑色表示低振幅，它们的组合可以反映波阻抗的变化情况。通过解释软件对地震数据进行瞬时频率、均方根振幅、方差属性的提取以及属性切片，以更好地反映相关地质问题。一般而言，瞬时频率可以反映含气层，均方根振幅属性可以反映强振幅异常带，方差属性可以反映断裂的发育情况。地震数据的深度测量基于工区速度函数进行时空转化，以计算不同的层位深度与刻画气烟囱结构的形态参数，为下一步的数值模拟的参数设置提供了依据。
对于测井与原位温度测试数据处理，本申请实施例利用测井数据获取地层深度；采用原位锥体渗透试验（CPT）测量泥沙温度和渗透率。CPT工具（带有温度和压力传感器）渗透到沉积物中1-1.5m，并保持30 min以达到压力和温度平衡。通过对测量温度的线性拟合来估计地温梯度。根据孔隙压力耗散率计算渗透率。
对于流体热力学数值模拟条件设定，本申请实施例为了模拟气烟囱温度场的特征及其对水合物的影响且简化计算，这里假设气烟囱内的热流体在向上运移的过程中符合以下几个条件：
（1）气烟囱热流体通过的是一个横截面为圆形的封闭管道；
（2）气烟囱内热流体以恒定速度通过管道；
（3）气烟囱通道管道壁的温度与围岩的温度相等；
（4）不考虑动能与势能的变化，摩擦力等耗散近似为零。
对于创建地质模型，本申请实施例根据获得的地震、测井、取芯与热流调查数据，建立气烟囱地质模型（示例性地，参照图2所示）。该模型为一个圆柱体，底部的超压建立在层位5与层位6的压力差上，该模型每层的参数如表1所示。当然，可以理解的是，图2和表1所示的三维地质模型为示例性举例，本领域技术人员可以根据实际需求，设定三维地质模型的具体形状。
表1
本申请实施例基于建立的三维地质模型的具体结构，确定气烟囱的热力学模型，即确定气烟囱的热效应变化规律，进而求得水合物的稳定域。
可选地，在本发明的一个实施例中，获取气烟囱的规模参数，基于三维地质模型，根据所述规模参数，确定气烟囱的热力学模型，包括：
根据气烟囱的管道长度，确定气烟囱内部流体的初始喷发速度；
根据初始喷发速度，确定气烟囱通道内部的第一温度；第一温度与气烟囱的高度相关；
获取气烟囱热流体在水合物层底部的第二温度和水合物层初始的第三温度；
根据第二温度和第三温度，确定气烟囱顶部的第四温度；第四温度与时间相关；
根据第一温度和第四温度，确定气烟囱的热力学模型。
在一些可能的实施方式中，对于气烟囱内部和气烟囱顶部的热效应分别通过不同的方式求得，然后，确定气烟囱的热力学模型。
对于气烟囱内部的温度分布，首先，确定气烟囱内部流体初始喷发速度。具体地，气烟囱通常发育在深度较大的地层，采用多孔介质的达西定律来计算气烟囱热流体的初始喷发速度，参见公式（1）。
公式（1）
其中，▽P是起始地层压力差，单位是Pa，v是热流体喷发速度，单位是m/s，k是管道的渗透率，µ是流体粘度系数，L是管道长度。本申请实施例中，设置管道的渗透率k=5×10-7；流体粘度系数µ=1×10-6。
气烟囱通道内部不同深度的温度分布确定过程如下：
在上述条件的限制下，气烟囱内热流体向上运移时会因为其温度比气烟囱管道壁的温度高而发生热量交换，此时，热流体温度会逐渐变低。当气烟囱管道壁温度不随深度变化时，气烟囱通道温度可以写成标准模式，见公式（2）：
公式（2）
其中，T W是气烟囱通道壁温度[℃]；T 0是气烟囱热流体初始温度[℃]；C是气烟囱通道周长[m]；h是平均导热系数[W/m2·K]；，k是热导率[W/m2·℃]，d是气烟囱通道直径[m]；m是热流体的比流速[kg/s]；，是流体密度[kg/m3]；c是热流体比热容[J/kg·℃]；z是距离气烟囱起始层的垂向距离[m]。
当气烟囱管道壁与围岩温度相等时，气烟囱管道壁温度为与深度有关的变量，用以下公式（3）表示：
T W(z)=gz公式（3）
其中，g是气烟囱发育区域地温梯度[℃/m]。结合公式（2），根据有限差分的思路把公式（2）变为公式（4）：
公式（4）
其中，T(z)为本申请实施例中的第一温度。
把气烟囱对周围沉积物的热效应作用看作是气烟囱顶部与其管道分别独立放热，气烟囱对水合物层的热效应可近似看作气烟囱顶部的热流体以点源方式向水合物层扩散传热。气烟囱热流体对水合物层的热效应可以用以下公式（5）表达：
公式（5）
其中，是互补误差函数；r是三维极坐标；t是时间；是热扩散系数；，k H是水合物热导率，c H是水合物比热容，ρ H是水合物密度；T B是气烟囱热流体在水合物层底部的温度；T H是水合物层的初始温度。由于气烟囱有一定的宽度，点源放热不能完全反映其地质意义。把气烟囱通道顶部横截面内看作是无数个点源单独向上传热。
对于气烟囱顶部到底部线源放热的部分，在获得气烟囱通道内部不同深度的初始温度后，运用瞬态热传导方程模拟气烟囱热流体对周围岩石以及水合物层的温度影响。气烟囱热流体刺穿水合物赋存层后对水合物层的热效应，可描述为热源为线源（气烟囱流体通道）的情况下，热流体在水合物赋存层的温度分布规律与热传导效应。对应方程为公式（6）：
公式（6）
其中ρ是地层的密度，c P是地层的比热容，k x和k z分别是横向和垂向热导率，当热导率时，令，公式（6）可以写成以下公式（7），
公式（7）
接着运用显式有限差分方法离散瞬态热传导方程（7），离散过程为公式（8）至公式（9）：
T（z,x,t）可均匀网格化为T（i△z,j△x,n△t）,表示为，公式（8）可写为公式（9）:
公式（8）
，
公式（9）
令，。最后，从公式（7）至公式（9）,可以表达为公式（10）：
公式（10）
当满足的条件时，上述显式方程是稳定的。气烟囱通道及其对沉积物、水合物的热效应的数值模拟参数可见表2。
表2
可以理解的是，通过表2可知本申请实施例中的所有参数的获取方式，通过实测或实测设定的参数，基于公式（1）至公式（10）可以得到气烟囱的热力学模型，进而确定水合物的时空分布。
可选地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：
根据第一温度和第四温度，基于瞬态热传导方程，确定第一热效应模型；
基于有限差分原理对第一热效应模型进行离散处理，确定热力学模型。
可选地，在本发明的一个实施例中，根据热力学模型，确定水合物的稳定域，包括：
根据水合物的类型，确定经验常数；
根据热力学模型和经验常数，确定地层压力；
根据地层压力和海水深度，确定水合物的稳定域。
在一些可能的实施方式中，对于天然气水合物稳定域的计算，采用甲烷水合物相边界线性经验公式（如公式11）。
公式（11）
式中，P为地层压力，是标准大气压，Mpa；T为在此压力下形成水合物所需要的最低地层温度，K，本申请实施例中，可以通过公式（4）至公式（10）确定T。A、B、C是实验获得的经验常数，当形成纯甲烷水合物时，A=-1205.907；B=44097；C=186.7594。
海底浅部地层一般是松散沉积物，空隙之间连通良好，故可以近似把地层中的压力看作正常静水压力，海底地层中的压力为P=ρg（H+）, 因此水合物的稳定域深度可以通过以下公式（12）计算：
公式（12）
式中，H为地层埋藏深度，m；为海水密度，kg/m3；为海水深度，m；公式（12）中的g用于表征重力加速度。本申请实施例通过公式（12）确定稳定域的深度，进而确定水合物的稳定域。
可选地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：
第一温度通过下面的公式确定：
；
其中，用于表征气烟囱的通道壁温度；T 0为气烟囱热流体的初始温度；C为气烟囱通道的周长；h为平均导热系数，与热导率和气烟囱通道直径相关；m为热流体的比流速；c为热流体的比热容；z为距离气烟囱起始层的垂向距离，用于表征气烟囱的高度；
第四温度通过下面的公式确定：
；
其中，T(r,t)用于表征第四温度，用于表征互补误差函数，r为三维极坐标，t为时间；为热扩散系数，与水合物的热导率、水合物的比热容和水合物的密度相关；T B为第二温度用于表征气烟囱热流体在水合物层底部的温度；T H为第三温度，用于表征水合物层的初始温度。
可选地，在本发明的一个实施例中，热力学模型通过以下公式确定：
；
其中，i用于表征z方向的节点标记，j用于表征x方向的节点标记，n用于表征与时间t相关的节点标记；热效应温度T(z,x,t)被均匀网格化为T(iΔz,jΔx,nΔt)，表示为；，，为热扩散系数，△用于表征变量的增量。
可以理解的是，本申请实施例中用于表征下一个时间节点的热效应温度，用于表征下一个x方向节点的热效应温度，用于表征上一个x方向节点的热效应温度，用于表征上一个z方向节点的热效应温度，用于表征下一个z方向节点的热效应温度，用于表征当前z方向、当前x方向和当前时间节点的热效应温度。
可选地，在本发明的一个实施例中，方法包括：
根据地震数据，确定关键地层的位置和深度；
通过原位锥体渗透试验，确定底层的温度和渗透率。
下面以一具体实施例对本申请实施例提出的方法进行气烟囱热效应模拟：
设备：任何能运行MATLAB软件的电脑。
安装：将在上述步骤确定的原理中的算法写到MATLAB软件中，调试参数，运行程序开始模拟。
首先根据公式（4）模拟计算了气烟囱管道内部的温度分布，其结果如图3所示。横坐标是与流体起始喷发处的垂直距离，纵坐标是气烟囱内部流体温度，实点表示原位实测的不同深度下的沉积物温度，其与模拟结果的趋势相近。
根据模拟结果，气烟囱流体开始流动后，由于气烟囱管道内热流体温度比管道壁与周围环境的温度高，因此气烟囱热流体温度不断下降。气烟囱管道中的流体的初始温度为180℃，当它到达气烟囱顶部时，温度下降到28℃。图3中曲线的斜率随距离变大缓慢变得平缓，这说明流体在上升过程中随着温度变低，其与环境的温度差逐渐变小，温度变化速率也逐渐变低。因此，流体系统的散热与流动流体与环境之间的温差密切相关。
本申请实施例对气烟囱热效应形成的温度场进行模拟，如下所示：
模拟获得了气烟囱通道不同深度的热流体的温度变化后，利用公式（5）模拟了气烟囱热流体顶部对周围沉积物的影响。图4展示了一个气烟囱顶部周围沉积物的温度分布，用实测的不同深度下的沉积物温度做验证，验证结果显示模拟效果良好。其中横坐标表示距离气烟囱顶部中心的横向距离，纵坐标表示深度。模拟结果表明，气烟囱顶部对周围地层的温度影响可以看作气烟囱顶部的高温体像蜡烛一样呈放射状对周围放热。在这种模式下，气烟囱中心温度最高，沉积物温度随与气烟囱顶部的距离增大而变低。
在这种情况下，距气烟囱顶部较近的水合物中心会被气烟囱形成的高温分解，从三维空间可以发现气烟囱热效应导致的适合天然气水合物成藏的温度场呈环带状分布（图5），距气烟囱顶部较远的水合物层受到的温度影响较少，水合物赋存良好。图5中，x与y坐标表示距离气烟囱顶部中心的水平距离，z坐标表示深度。
本申请实施例对天然气水合物时空分布进行模拟和验证，根据公式（10）-（12）预测了气烟囱热流体引起的温度异常分布范围，圈定了气烟囱发育区域的天然气水合物稳定带，研究水合物在气烟囱影响下的时空动态变化，模拟了不同时期气烟囱区域的热值分布与水合物稳定域深度（图6）。现今阶段的地温梯度设置为站位实测值，低温阶段设置的是无热异常的环境背景实测值，高温阶段的低温梯度与压力值利用梯度的方法进行设置。从模拟出的温度分布与水合物稳定域曲线可以看出，在气烟囱的热效应下，气烟囱顶部水合物呈中间薄两侧厚的渐变分布。模拟结果还表明，气烟囱不同发育时期具有不同的环境参数，不同时期气烟囱热效应对水合物稳定域的改变非常明显，稳定域深度的变化可以达到几百米。总之，气烟囱的幕式发育和热效应构成水合物的动态成藏与空间差异分布的重要因素。
对图6进行解释说明，具体地，左图：现今时期(G=0.105℃·m-1, P=1Mpa)；中图：低温弱活动时期(G=0.065℃·m-1, P=0.5Mpa)；右图：高温活动期(G=0.130℃·m-1, P=1.5Mpa)。横坐标表示距离气烟囱中心的横向距离，纵坐标表示深度；G是地温梯度，P是起始层压力；白色虚线代表计算得出的区域水合物稳定域GHSZ。
本发明实例能较好地反气烟囱发育区域深部的温度分布，一定程度上解决了地层深部温度数据不足的问题。能够从三维空间角度和时间角度定量表征气烟囱热流体活动形成的温度场及温度场制约天然气水合物空间分布，能够掌握天然气水合物资源的分布规律，指导天然气水合物勘探开发。
具体地，本申请按照实际地质情况设定气烟囱规模尺寸，突破了物理模拟尺寸的限制；可将任一气烟囱地质模型转为数值模型，定量表征气烟囱活动控制天然气水合物空间分布；本申请提出气烟囱通道及其对水合物的热效应的数值模拟热效应计算模型及参数的精确设定；本申请将天然气水合物稳定域空间分布嵌入气烟囱热效应三维温度场，定量表征气烟囱热效应控制天然气水合物的分布；本申请能够表征不同时期气烟囱活动的热效应及其对天然气水合物形成和空间分布的控制过程。
气烟囱活动热效应及其对地质资源富集成藏与分布的控制影响具有重要的研究意义。虽然相关技术中针对这一现象做过一定工作，但由于深部数据来源有限，缺乏记录该运动的地质证据，无法从时空角度揭示气烟囱热效应对天然气水合物的形成和分布的控制过程和机理，本发明解决了目前部分难题，具有的优点在于：
（1）可以从实际地质条件下模拟整体水气烟囱分布区天然气水合物的空间分布，突破了室内物理模拟有限尺度的难题，可以按照实际地质情况来创建任一气烟囱地质模型并转为数值模型，模型参数也可以根据地质实测数据进行实时更新和调整，提高了模拟效率。
（2）可以从时间角度去动态定量分析气烟囱活动控制天然气水合物分布。解决了目前物理模拟中需要长时间模拟水合物生成并利用探测设备探测是否有水合物生成和分布的成本问题和时间问题，可以从三维空间角度和时间角度来查看气烟囱区天然气水合物的分布特征。
综上可知，本发明实施例提供的方法包括：获取地震数据和测井数据；根据地震数据和测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；三维地质模型包括圆柱体状模型；获取气烟囱的规模参数，基于三维地质模型，根据所述规模参数，确定气烟囱的热力学模型；热力学模型用于表征气烟囱的热效应的变化规律；根据热力学模型，确定水合物的稳定域，并根据稳定域确定水合物的时空分布。本申请实施例通过地震数据确定三维地质模型；进而确定气烟囱的热力学模型，通过气烟囱的热效应变化规律，确定水合物的时空分布。本申请实施例有利于提升水合物时空分布预测的准确度。
其次，参照附图7描述根据本发明实施例提出的一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定系统。
图7是本发明一个实施例的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定系统结构示意图，系统具体包括：
第一模块710，用于获取地震数据和测井数据；
第二模块720，用于根据地震数据和测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；三维地质模型包括圆柱体状模型；
第三模块730，用于获取气烟囱的规模参数，基于三维地质模型，根据所述规模参数，确定气烟囱的热力学模型；热力学模型用于表征气烟囱的热效应的变化规律；
第四模块740，用于根据热力学模型，确定水合物的稳定域，并根据稳定域确定水合物的时空分布。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
参照图8，本发明实施例提供了一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定装置，包括：
至少一个处理器810；
至少一个存储器820，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器810执行时，使得所述至少一个处理器810实现所述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
同理，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行上述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
同理，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干程序用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行程序的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供程序执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从程序执行系统、装置或设备取程序并执行程序的系统）使用，或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供程序执行系统、装置或设备或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取地震数据和测井数据；
根据所述地震数据和所述测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；所述三维地质模型包括圆柱体状模型；
获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型；所述热力学模型用于表征所述气烟囱的热效应的变化规律；
根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，并根据所述稳定域确定所述水合物的时空分布；
所述获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型，包括：
根据所述气烟囱的管道长度，确定气烟囱内部流体的初始喷发速度；
根据所述初始喷发速度，确定气烟囱通道内部的第一温度；所述第一温度与所述气烟囱的高度相关；
获取气烟囱热流体在水合物层底部的第二温度和水合物层初始的第三温度；
根据所述第二温度和所述第三温度，确定所述气烟囱顶部的第四温度；所述第四温度与时间相关；
根据所述第一温度和所述第四温度，确定所述气烟囱的热力学模型；
所述根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，包括：
根据水合物的类型，确定经验常数；
根据所述热力学模型和所述经验常数，确定地层压力；
根据所述地层压力和海水深度，确定水合物的稳定域；
所述方法还包括：
所述第一温度通过下面的公式确定：
；
其中，T(z)用于表征第一温度；用于表征气烟囱的通道壁温度；T 0为气烟囱热流体的初始温度；C为气烟囱通道的周长；h为平均导热系数，与热导率和气烟囱通道直径相关；m为热流体的比流速；c为热流体的比热容；z为距离气烟囱起始层的垂向距离，用于表征气烟囱的高度；
所述第四温度通过下面的公式确定：
；
其中，用于表征互补误差函数，r为三维极坐标，t为时间；为热扩散系数，与水合物的热导率、水合物的比热容和水合物的密度相关；T B为第二温度，用于表征气烟囱热流体在水合物层底部的温度；T H为第三温度，用于表征水合物层的初始温度。
2.根据权利要求1所述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述第一温度和所述第四温度，基于瞬态热传导方程，确定第一热效应模型；
基于有限差分原理对所述第一热效应模型进行离散处理，确定热力学模型。
3.根据权利要求2所述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，其特征在于，所述热力学模型通过以下公式确定：
；
其中，T（z,x,t）可均匀网格化为 T（i△z, j△x, n△t）,表示为，为时间阶步，为x方向节点的间距，为z方向节点的间距，i用于表征z方向的节点标记，j用于表征x方向的节点标记，n用于表征与时间相关的节点标记；，，为热扩散系数。
4.根据权利要求1所述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法，其特征在于，所述方法包括：
根据所述地震数据，确定关键地层的位置和深度；
通过原位锥体渗透试验，确定底层的温度和渗透率。
5.一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定系统，其特征在于，包括：
第一模块，用于获取地震数据和测井数据；
第二模块，用于根据所述地震数据和所述测井数据，建立气烟囱和水合物分布的三维地质模型；所述三维地质模型包括圆柱体状模型；
第三模块，用于获取所述气烟囱的规模参数，基于所述三维地质模型，根据所述规模参数，确定所述气烟囱的热力学模型；所述热力学模型用于表征所述气烟囱的热效应的变化规律；
第四模块，用于根据所述热力学模型，确定所述水合物的稳定域，并根据所述稳定域确定所述水合物的时空分布；
第三模块，还用于：根据所述气烟囱的管道长度，确定气烟囱内部流体的初始喷发速度；
根据所述初始喷发速度，确定气烟囱通道内部的第一温度；所述第一温度与所述气烟囱的高度相关；
获取气烟囱热流体在水合物层底部的第二温度和水合物层初始的第三温度；
根据所述第二温度和所述第三温度，确定所述气烟囱顶部的第四温度；所述第四温度与时间相关；
根据所述第一温度和所述第四温度，确定所述气烟囱的热力学模型；
第四模块，还用于：根据水合物的类型，确定经验常数；
根据所述热力学模型和所述经验常数，确定地层压力；
根据所述地层压力和海水深度，确定水合物的稳定域；
第三模块，还用于：
所述第一温度通过下面的公式确定：
；
其中，T(z)用于表征第一温度；用于表征气烟囱的通道壁温度；T 0为气烟囱热流体的初始温度；C为气烟囱通道的周长；h为平均导热系数，与热导率和气烟囱通道直径相关；m为热流体的比流速；c为热流体的比热容；z为距离气烟囱起始层的垂向距离，用于表征气烟囱的高度；
所述第四温度通过下面的公式确定：
；
其中，用于表征互补误差函数，r为三维极坐标，t为时间；为热扩散系数，与水合物的热导率、水合物的比热容和水合物的密度相关；T B为第二温度，用于表征气烟囱热流体在水合物层底部的温度；T H为第三温度，用于表征水合物层的初始温度。
6.一种基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1至4中任一项所述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
7.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现如权利要求1至4中任一项所述的基于气烟囱热效应的水合物时空分布确定方法。
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