基于热声成像的天然气水合物相变界面监测的方法研究_郭亮.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0201-0210地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P郭亮，曾彩虹，邢兰昌，等2023 基于热声成像的天然气水合物相变界面监测的方法研究 地球物理学进展，38(1):0201-0210，doi:10 6038/pg2023GG0266GUO Liang，ZENG CaiHong，XING LanChang，et al2023 esearch on monitoring phase transition interface of hydrate based on thermoacoustic imagingProgress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0201-0210，doi:106038/pg2023GG0266基于热声成像的天然气水合物相变界面监测的方法研究esearch on monitoring phase transition interface of hydrate based onthermoacoustic imaging郭亮，曾彩虹，邢兰昌，王斌GUO Liang，ZENG CaiHong，XING LanChang，WANG Bin收稿日期2022-06-23;修回日期2022-11-16投稿网址http:/www progeophys cn基金项目山东省自然科学基金面上项目(Z2021ME093)资助第一作者简介郭亮，男，1981 年生，副教授，研究方向为电磁场、声场、温度场等多物理场的相互耦合机制与成像探测方法，探索其在油气探测领域、生物医学领域和无损探测领域的应用，包括热声成像、等离子体声成像、电磁逆散射成像、磁声成像等子方向E-mail:guoliang upc edu cn中国石油大学(华东)控制科学与工程学院，青岛266580College of Control Science and Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China摘要在天然气水合物(简称水合物)钻采过程中，动态监测水合物沉积物具有非常重要的现实意义和应用价值 常规探测方法只能判断水合物分解前的大致分布情况，很难获得水合物分解过程中固-液交界面的动态变化和图像 本文将热声耦合引入到水合物的钻采监测中，首次提出了在瞬态强脉冲激励下水合物产生瞬态相变、并激发相变热声信号的物理机制，导出了脉冲激励与声源之间的耦合方程，提出了基于滤波反投影算法的相变界面成像方法 建立了三维仿真模型，开展了电场和声场耦合分析，在强脉冲激励下求解出了热函数及声压分布 然后模拟超声换能器接收到的声信号，利用声信号对不同半径的水合物重建声源的分布，从声源图像得到水合物的相变界面位置信息 为水合物松散沉积物的研究提供了一种全新的探测方法关键词天然气水合物;热声成像;相变界面;动态监测中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0266AbstractIn the drilling and production procession ofnaturalgashydrate，dynamicmonitoringofhydratesediments has very important practical significance andapplication value Conventional detection methods can onlyjudgethegeneraldistributionofhydratebeforedecomposition，and it is difficult to obtain the dynamicchanges and images of solid-liquid interface in the processofhydrate sdecompositionInthispaper，thethermoacoustic couplingisintroducedintomonitoringhydrate The physical mechanism of hydrate generatingtransient phase transition and exciting phase transitionthermoacoustic signals under transient strong pulse isproposed for the first time，the coupling equation betweenpulse and acoustic source is derived，and the phasetransition interface imaging method based on filtered back-projection algorithm is proposedThe three-dimensionalsimulation model is established，the coupling analysis ofelectric field and acoustic field is carried out，the heatfunction and acoustic pressure distribution are solved understrong pulse excitation Then，the acoustic signals receivedby the ultrasonic transducer is simulated，and the acousticsignals are used to reconstruct the distribution of acousticsource forhydratewithdifferentradiusThephasetransition interfacepositioninformationofhydrateisobtained from the acoustic source image It provides a newdetection method for the study of hydrate loose sedimentsKeywordsNaturalgashydrate;Thermoacousticimaging;Phase transition interface;Dynamic monitoring地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)0引言天然气水合物是由水分子和甲烷分子在特定的温度、压力条件下形成的笼形晶状化合物，通常以固态形式成藏于海域陆坡沉积层和陆域永久冻土层(祝有海等，2010;张洪涛等，2007)天然气水合物被认为是 21 世纪最有潜力的新能源，但是海洋天然气水合物主要分布于水深 300 4000 m 的深水盆地，开采难度大，储层监测技术尚不成熟，因此对水合物的分布以及开采过程的固-液交界面的动态监测显 得 尤 为 重 要(帅 庆 伟 等，2020;王 虑 远 等，2006)目前在纯净水合物或含水合物沉积物测试研究的装置中应用了许多测量技术和方法 吴青柏采用计算机断层扫描技术对天然气水合物进行了扫描观察，利用 CT 成像对水合物的生成和分解进行识别(吴 青 柏 等，2006)Baldwin 等(2009)、Gao 等(2009)利用核磁共振技术监测水合物的生成和分解程度，国内孟庆国等(2012)也采用核磁共振成像监测了冰融化和四氢呋喃水合物分解的微观过程孙海亮等(2019)利用电阻率层析成像(ET)测量快、非侵入等优势实时提取沉积物体系的电导率场分布，从而对水合物在沉积物中的合成与分解研究提供支撑热声成像是磁、声、热、电耦合成像技术(刘广东和张业荣，2011)，注入电流式热声成像是中科院电工研究所在 2016 年新提出的一种针对低电导率介质成像的方法，起初用于生物医学成像领域，在癌症的早期诊断中具有巨大的发展潜力(李艳红等，2020;杨延菊等，2018;郭亮等，2021;Wu et al，2022)在水合物的融化过程中，在固态和液态之间的交界面称之为相变界面(宋林泉，2018)本文将热声成像引入到天然气水合物的探测中，研究一种针对水合物相变界面的探测与成像方法，简称相变热声探测方法，用于原位或实验室内相变界面的探测与成像 其原理为利用瞬态调制的高能电磁脉冲激励天然气水合物，电磁能激发的焦耳热作为一种瞬态热源，可作用于水合物的亚平衡体系，使局部孔隙介质(相变界面附近)在产生瞬态热膨胀的同时，伴随着瞬态的相变(陈强等，2010)水合物瞬态相变产生气态物质，能够大大增加体积膨胀率，作为一种较强的声源，激发水合物特有的相变热声信号(蒋观利等，2005)通过探测该声信号，利用特定的成像算法，能够重建水合物相变界面的宏观位置信息1基于热声效应的正问题理论研究对于天然气水合物相变界面监测及成像，可以分为正逆问题两个方面 正问题是指已知水合物及周围物质电导率分布的情况下，求解出在高压脉冲激励下声场分布热声成像正问题原理为通过两个电极向被测目标体内施加微秒宽的脉冲电压，被测目标体吸收焦耳热产生瞬态热膨胀，继而激发超声波被超声探头所检测到，其原理如图 1 所示 假设水合物周围海水的电导率为(r)=3 S/m，对应图 1 的浅灰色矩形区域，被测沉积物由弱固结孔隙介质组成，其电导率为(r)=0 275 S/m，对应图 1 的深灰色矩形区域(王斌和邢兰昌，2018)被测目标体包括孔隙介质水合物及其周围的海水 超声探头和装有海水及水合物的透声容器都浸没于电导率为 0 的绝缘油中图 1热声成像原理图Fig 1Schematic diagram of thermoacoustic imaging在微秒宽的脉冲激励下，采用电准静态近似(杨延菊，2017)，目标体满足的控制方程和边界条件为:(r)(r，t)=0(r，t)=U(t)，r1(r，t)=0，r2/n=0，r3 6，(1)其中，r为源点，(r)为电导率分布，1为高压极板所在平面，2为接地极板平面，3 6为除去上下电极之外圆柱的侧边界 通过两个电极作用于目标的电压可以表示为 U(t)=Ae(t b)2/(2c2)=Af(t)，其中 A 为脉冲电压的幅值 A=3000，b=5 107，c2=210142022023，38(1)郭亮，等:基于热声成像的天然气水合物相变界面监测的方法研究(www progeophys cn)根据控制方程得电场强度可以用标量电位的负梯度来表示:E(r，t)=(r，t)，(2)则目标体内的电流密度为:J(r，t)=(r)E(r，t)(3)忽略掉介电损失和磁损耗后，目标体产生焦耳热的热函数可以表示为:H(r，t)=J(r，t)E(r，t)=(r)E(r，t)2，(4)采用时空分离法可以将热函数 H(r，t)表示为:H(r，t)=H(r)f(t)，(5)式中 H(r)为热函数的空间热吸收系数，表示能量密度，可表示为热函数在脉冲激励宽度时间 内的积分，即0H(r，t)dt，f(t)为瞬时脉冲函数在微秒宽的脉冲激励下，热传导可以忽略不计，此时在激励下目标体产生的声信号所遵循的声压波动方程为:2p(r，t)1c2s2p(r，t)t2=Qm，(6)其中，r 为检测点，cs为声速，为密度，Qm为源天然气水合物融化过程中产生的热膨胀声源为:Qm=CPH(r)f(t)t，(7)其中，为体积膨胀系数，CP为比热容在相变过程中，1 单位体积饱和的天然气水合物可以释放出约 164 单位体积的天然气(张旭辉等，2014)，这将大大增强相变热声源的体积膨胀率 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得