CN119915897B

CN119915897B - 一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法

Info

Publication number: CN119915897B
Application number: CN202510397298.2A
Authority: CN
Inventors: 石仁刚; 葛菊; 智红燕; 王媛媛; 胡颀睿; 罗苇凯; 马天成; 彭颖姿; 梁锦雅; 张子毅; 杨若芯; 徐浩然
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2025-04-01
Filing date: 2025-04-01
Publication date: 2025-07-04
Anticipated expiration: 2045-04-01
Also published as: CN119915897A

Abstract

本发明公开了一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，涉及水底孔隙介质地层地球物理探测技术领域，包括：S1、获取待测水底地层的岩石物理参数；S2、在待测点部署声波发射换能器与接收器，所述声波发射换能器发射设置好的信号确定测量频率范围，接收器记录每个频点的声波速度及衰减系数；S3、判断是否存在相邻频点满足声波速度下降且衰减系数增加，若存在，重新测量并提取气泡共振特征对应的声波速度及衰减系数；否则记录无气泡特征次数，若次数未达阈值则继续调整频点个数后返回步骤2；S4、构建目标函数；S5、在角频率和声波速度已知条件下，求解使所述目标函数最小的自变量、气泡半径及气泡饱和度，确定最终的气泡尺寸与饱和度。

Description

一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法

技术领域

本发明属于水底孔隙介质地层地球物理探测技术领域，尤其涉及一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法。

背景技术

水底孔隙介质地层中气泡的尺寸具有重要的科学意义和实际应用价值。海底孔隙介质中气泡尺寸可揭示天然气水合物稳定性与分解动态，为资源储量评估提供关键参数；同时，气泡尺寸特征能指示深部油气渗漏路径，优化声学勘探技术，提升海底资源探测精度，并为碳封存安全性评估提供科学依据。气泡尺寸直接调控甲烷等温室气体的释放通量：小气泡溶解于水减缓排放，大气泡直通大气加剧变暖。研究其分布规律可完善全球碳循环模型，同时揭示气泡释放对海底酸化、微生物活动及生态系统的影响，为生态保护提供理论支撑。气泡聚集会降低沉积物强度，诱发海底滑坡，其尺寸监测可构建灾害预警系统；在工程领域，气泡尺寸影响管道气蚀速率、平台基础稳定性及资源开采效率，研究成果能为深海工程安全设计和生态风险防控提供关键技术参数。

综上分析，水底孔隙介质地层中的气泡尺寸研究是地球物理勘探、环境评估及海洋工程安全领域的核心课题。现有技术体系及瓶颈主要包括：实验表征技术：利用显微CT成像结合图像分割算法提取气泡形态，或通过声学反演（如Biot-Stoll模型）推算气泡等效半径，但受限于实验室条件，及模型参数难以获取，无法模拟水底地层环境；数值模拟方法：基于孔隙网络模型或离散气泡动力学模拟气泡运移，但跨尺度耦合算法尚未成熟；原位观测技术：依赖激光衍射传感器、电阻率层析成像（ERT）等设备获取气泡分布，然而水底地层环境导致光学信号严重衰减干扰复杂，且长期连续观测数据匮乏。上述局限严重阻碍了对海底天然气水合物稳定性评估、温室气体释放机制解析及海底工程风险防控的深入研究。现有专利中分析了水底地层气泡饱和度，没有涉及气泡尺寸评估。因此，亟需开发新的技术方案，以突破水底地层气泡尺寸精准表征与动态监测难题。

研究发现在地层声学信号接近气泡共振频率时，声速随频率增加先急剧下降至极小值，随后急剧上升达到峰值，声波衰减系数在气泡共振频率处出现显著峰值，峰形尖锐且幅度最大，且声速峰值处的频率始终低于衰减峰值处的频率。这种现象与气泡的相位响应变化直接相关。而气泡共振频率对气泡半径响应极为敏感，因此本发明提出一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，主要解决现有技术无法评估海底地层气泡尺寸的技术难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，通过阈值判断机制快速识别无气泡区域，减少无效勘探成本，提升作业效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，包括：

S1、通过地质调查获取待测水底地层的岩石物理参数；

S2、在待测点部署声波发射换能器与接收器，所述声波发射换能器发射设置好的信号确定测量频率范围，接收器记录每个频点的声波速度及衰减系数；

S3、判断是否存在相邻频点满足声波速度下降且衰减系数增加，若存在，则重新设定最大频点并减小步长至原步长的1/10倍，重新测量并提取气泡共振特征对应的声波速度及衰减系数；否则记录无气泡特征次数，若次数未达阈值则继续调整频点个数后返回步骤2；

S4、构建目标函数；

S5、在角频率和声波速度已知条件下，通过网格剖分法求解使所述目标函数最小的自变量、气泡半径及气泡饱和度，确定最终的气泡尺寸与饱和度。

可选的，所述测量频率范围为，，，其中为步长，为频点个数。

可选的，所述目标函数包括：

；

其中，为目标函数；和分别为权重；为当前工况下衰减系数起跳点所对应的频率，也就是衰减系数突然增大的地方；是当前工况下计算气泡共振频率的理论公式；是当前工况下计算水底地层速度的理论公式；为具有气泡共振特征的声波速度。

可选的，当前工况下计算气泡共振频率的理论公式包括：

；

其中，为气泡内气体的比热比；为地层的静水压力；为当前地层等效密度；为气泡内气体等效密度；为孔隙液体密度；为地层骨架密度；为当前地层剪切模量；为角频率，为气体在恒压下的比热，为气体的热导率。

可选的，当前工况下计算水底地层速度的理论公式包括：

；

其中，为气泡饱和度；为气泡内气体体积模量；为孔隙液体体积模量；为构成地层骨架的颗粒体积模量；为地层骨架体积模量。

可选的，网格剖分时，所述目标函数最小的自变量、气泡半径及气泡饱和度分别进行等步长划分，每个变量划分为N不小于20等份，并在节点处计算目标函数，选取最小值对应的节点作为初始解。

可选的，所述初始解所在网格的相邻八个单元进一步细分为N等份，重新计算目标函数后选择最小值节点作为最终解。

可选的，所述S3中，若所有频点均存在气泡共振特征，则地层速度取测量值的最大值作为声波平均速度。

本发明技术效果：本发明公开了一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，通过声波发射换能器发射特定脉冲信号，测量不同频率下的声波速度和衰减系数，利用声速在气泡共振频率附近先急剧下降后回升、衰减系数呈相反变化的特征，构建包含理论共振频率和理论地层速度的目标函数。通过网格剖分优化算法，在使目标函数误差最小的条件下，同时反演出气泡饱和度、气泡半径及共振频率。本发明创新性地将声学特征与多孔介质理论结合，为海底资源勘探，海底气体封存和地质灾害预警提供了可靠的气泡参数量化评估手段。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例归一化的声波速度、衰减系数及共振频率在气泡共振频率范围随频率的变化特征示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，本实施例中提供一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，包括：

步骤1、进行地质调查，确定待测水底地层的岩石物理参数；

步骤2、在水底地层待测点，声波发射换能器发射脉冲宽度为、幅值为的脉冲信号，测量频率范围为，步长为，频点个数大于3；

，；

声波信号接收器放在声波发射换能器指向的水底地层，与发射器的距离大于一个波长，记录每个频点的接收信号，获取声波速度和衰减系数；

步骤3、判断是否同时存在声波速度下降和衰减系数增加的相邻频点，这里相邻频点指的是频点序号相差1；

如果存在，把所有相邻频点顺次拼接在一起，找到最大频点和最小频点，返回步骤2，把最大频点赋值给步骤2中的，减小步长把频点个数变为原来十倍，重新测量并计算，提取具有气泡共振特征的声波速度及衰减系数，提取衰减系数起跳点所对应的频率，没有气泡共振特征的声波速度取平均值，记为，如果所有频点都有气泡共振特征，则取所有测量速度的最大值，进入步骤4；

如果不存在，记录不存在次数nongas，如果nongas小于给定阈值Maxnongas，返回步骤2，把频点个数变为10倍，如果不存在次数等于给定阈值Maxnongas，结束本次测量，在所测频率范围内水底地层没有气泡。

步骤4、构建误差和目标函数，这里的误差包括：测量速度与理论速度的误差，以及气泡共振频率与理论频率的误差；

目标函数定义为：

；

其中，是当前工况下衰减系数起跳点所对应的频率，也就是衰减系数突然增大的地方，是当前工况下计算气泡共振频率的理论公式；是当前工况下计算水底地层速度的理论公式，和为权重；

当前工况下气泡共振频率的理论公式取为：

；

其中，为气泡内气体的比热比，为地层的静水压力；为当前地层等效密度；为气泡内气体等效密度；为孔隙液体密度；为地层骨架密度；为当前地层剪切模量；角频率，为气体在恒压下的比热，为气体的热导率；

当前工况下地层速度的理论公式取为：

；

其中，为气泡饱和度；为气泡内气体体积模量，为孔隙液体体积模量；为构成地层骨架的颗粒体积模量；为地层骨架体积模量；

步骤5、在已知数据和的基础上，在使目标函数值Error最小的条件下，求解自变量和；

给定自变量合理取值范围，和，对每个变量等步长网格剖分N等份，在网格节点上计算目标函数值，选取最小值所对应的节点，如果最小值存在多个节点，选取靠近区域中心的节点；

对最小值节点所在网格，把相临的八个单元看作整体，对每个边再N等分，在网格节点上计算目标函数值，选取最小值所对应的节点（）记作最终解，于是活动水底地层的气泡饱和度，和气泡的尺寸。

进一步的，所述步骤2中测量频率范围为，根据所关注的气泡尺寸范围，设置频率上下界，提高计算效率。

进一步的，所述步骤3中判断地层声学信号是否存在气泡共振特征，并依据此特征精细化扫频网格提取声学信息。

进一步的，所述步骤4中通过设置权重消除量纲，把两种误差变为无量纲，且大小接近。

本发明的一个具体应用实施例如下：

本实施例提供了一种水底孔隙介质地层中气泡尺寸计算方法，其步骤为：

步骤1、进行地质调查，确定待测水底地层的岩石物理参数；

步骤2、在水底地层待测点，声波发射换能器发射脉冲宽度为、幅值为=1[V]的CW脉冲信号，测量频率范围为，步长为，频点个数91个；

，；

声波信号接收器放在声波发射换能器指向的水底地层，与发射器的距离为0.4[m]，记录每个频点的接收信号，获取声波速度和衰减系数；

步骤3、判断是否同时存在声波速度下降和衰减系数增加的相邻频点，见图2，这里相邻频点指的是频点序号相差1；

如果存在，把所有相邻频点顺次拼接在一起，找到最大频点和最小频点，返回步骤2，把最大频点赋值给步骤2中的，等分频率范围把频点个数变为原来十倍，重新测量并计算，提取具有气泡共振特征的声波速度及衰减系数，提取衰减系数起跳点对应频率，没有气泡共振特征的声波速度取平均值，记为，如果所有频点都有气泡共振特征，则取所有测量速度的最大值，进入步骤4；

如果不存在，记录不存在次数nongas，如果nongas小于给定阈值Maxnongas，返回步骤2，把频点个数变为10m，如果不存在次数等于给定阈值Maxnongas，结束本次测量，在所测频率范围内水底地层没有气泡。

优选地，这里目标函数定义为

；

其中，是当前工况下气泡半径所对应的实际气泡共振频率，是当前工况下计算气泡共振频率的理论公式，是当前工况下计算水底地层速度的理论公式，和为权重；

优先地，当前工况下气泡共振频率的理论公式取为：

；

其中，为气泡内气体的比热比，[Pa]地层的静水压力，为当前地层等效密度；[kg/]为气泡内气体等效密度，=1013[kg/]孔隙液体密度，=2300[kg/]地层骨架密度，[Pa]为当前地层剪切模量，角频率，=2.19[J/C]气体在恒压下的比热，=0.03[J/smC]气体的热导率；

优先地，当前工况下地层速度的理论公式取为：

；

其中，气泡饱和度，气泡内气体体积模量，孔隙液体体积模量，构成地层骨架的颗粒体积模量，地层骨架体积模量；

优选地，给定自变量合理取值范围，，和，对每个变量等步长网格剖分N=10等份，在网格节点上计算目标函数值，选取最小值所对应的节点()，如果最小值存在多个节点，选取靠近区域中心的节点；

进一步地，对最小值节点所在网格，把相临的八个单元看作整体，对每个边再N=10等分，在网格节点上计算目标函数值，选取最小值所对应的节点()记作最终解，于是活动水底地层的气泡饱和度，和气泡的尺寸。

根据提供的发明内容，本发明的优点和积极效果归纳如下：

一、技术优势：

（1）多参数同步反演能力：通过声波信号在频率变化中的衰减特征，可同时估算水底地层中的气泡饱和度、气泡半径及共振频率。这一特性突破了传统方法单一参数评估的局限。

（2）自适应测量优化机制：采用动态频点调整策略（步骤3），通过判断声波速度与衰减系数的变化特征，自动优化测量频率范围和步长，显著提高数据采集效率，避免无效测量。

（3）理论模型与实测数据深度融合：通过构建包含气泡共振频率理论公式（）和地层速度理论公式（）的复合目标函数（步骤4），实现声学特征与多孔介质物理模型的精准匹配。

（4）高精度网格优化算法：采用网格剖分与分层优化策略（步骤5），通过对变量、r、进行多级网格搜索，确保反演结果在合理取值范围内的全局最优解。

二、积极效果：

（1）提升海洋资源勘探精度：为天然气水合物勘探、海底渗漏监测等场景提供精确的气泡尺寸参数，辅助判断地层含气特性。

（2）工程应用广泛性：方法兼容不同地层岩石物理参数（步骤1），适用于海洋地质调查、油气田开发及环境监测等领域。

（3）技术创新突破：首次将声速-衰减系数相位差特征（声速峰谷频率滞后于衰减系数峰值）用于反演计算，拓展了声学探测技术的应用边界。

（4）经济效益显著：通过阈值判断机制（Maxnongas）快速识别无气泡区域，减少无效勘探成本，提升作业效率。

本发明通过声学信号处理与理论模型的协同创新，为水下地层含气性评估提供了兼具理论深度与工程实用性的解决方案。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，包括：

S1、通过地质调查获取待测水底地层的岩石物理参数；

S4、构建目标函数；

2.如权利要求1所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

所述测量频率范围为，，其中为步长，为频点个数。

3.如权利要求2所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

所述目标函数包括：

；

其中，为目标函数；和分别为权重；为当前工况下衰减系数起跳点对应的共振频率；是当前工况下计算气泡共振频率的理论公式；是当前工况下计算水底地层速度的理论公式；为具有气泡共振特征的声波速度。

4.如权利要求3所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

当前工况下计算气泡共振频率的理论公式包括：

；

其中，为气泡内气体的比热比；为地层的静水压力；为当前地层等效密度；为气泡内气体等效密度；为孔隙液体密度；为地层骨架密度；为当前地层剪切模量；为角频率，为气体在恒压下的比热，为气体的热导率，为气泡饱和度。

5.如权利要求4所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

当前工况下计算水底地层速度的理论公式包括：

；

其中，为气泡内气体体积模量；为孔隙液体体积模量；为构成地层骨架的颗粒体积模量；为地层骨架体积模量。

6.如权利要求1所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

网格剖分时，所述目标函数最小的自变量、气泡半径及气泡饱和度分别进行等步长划分，每个变量划分为N不小于20等份，并在节点处计算目标函数，选取最小值对应的节点作为初始解。

7.如权利要求6所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

所述初始解所在网格的相邻八个单元进一步细分为N等份，重新计算目标函数后选择最小值节点作为最终解。

8.如权利要求1所述的水底孔隙介质地层气泡尺寸计算方法，其特征在于，

所述S3中，若所有频点均存在气泡共振特征，则地层速度取测量值的最大值作为声波平均速度。