CN115857006B - 一种海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统，属于海底环境技术领域，该海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统包括获取海底沉积物骨架的粒径组分比例数据与孔隙水密度；根据所得的海底沉积物骨架的各组分数据计算海底沉积物骨架的密度；根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙度下的疏松沉积物密度；计算海底沉积物的体积模量和剪切模量；计算海底沉积物的纵波速度和横波速度；计算海底地层的吸收系数。

Description

一种海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统

技术领域

本发明属于海底环境技术领域，具体而言，涉及一种海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统。

背景技术

海底是水下声场的重要边界，同时也是海洋声学、海洋地质和海洋地球物理等学科共同关注的对象，海底沉积物组分是影响海底声学、物理学参数的重要因素，相关参数的研究是求解海水中声波传播问题，调查海底地学特性，及建立典型区域适用地声学模型等研究的重要组成部分，其测量与海底沉积环境密切相关，在军事海洋环境保障、水体/海底目标探测、海底资源勘探等领域具有重要的应用价值。钻探获取测井资料是研究疏松沉积层声学、物理学参数的最佳手段，另外还有遥测法、实验室测量法及海底原位测量法。为获得更广泛的数据分布，地球物理学家尝试利用岩石物性理论模型进行疏松沉积层物理力学参数（纵波速度、横波速度、声吸收系数、密度、弹性模量等）分析。现在对于疏松沉积层力学参数计算模型较多，既有简单的模型，如时间平均方程、时间平均—Wood加权方程等；也有复杂的模型，如Lee计算模型、Hamilton计算模型、弹性模量计算模型、二相介质波传播理论模型等。在南黄海地区，根据地声模型可以提供海底声速、密度、声吸收系数和分层特征等地声属性，结合物理力学参数计算海底沉积物的剪切波等，但大部分都是单点位或多点位联合的局部研究，未形成区域性成果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统，能够经过计算得到海底疏松沉积物的密度、体积模量、剪切模量、纵波速度、横波速度以及海底地层的吸收系数等参数。

本发明是这样实现的：

本发明的第一方面提供一种海底声学、物理学参数探测方法，其中，包含以下步骤：

S10：获取海底沉积物骨架的粒径组分比例数据与孔隙水密度；

S20：根据所得的海底沉积物骨架的各组分数据计算海底沉积物骨架的密度；

S30：根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙度下的疏松沉积物密度；

S40：计算海底疏松沉积物的体积模量和剪切模量；

S50：计算海底疏松沉积物的纵波速度和横波速度；

S60：计算海底地层的吸收系数。

在上述技术方案的基础上，本发明的一种海底声学、物理学参数探测方法还可以做如下改进：

其中，所述海底的沉积物骨架组分包括砂质沉积物和黏土质沉积物，其中砂质沉积物包括粉砂质沉积物和其他砂质沉积物。

其中，所述根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙度下的疏松沉积物密度的计算方法为：采用时间平均-Wood加权方程计算，其中：

时间平均-Wood加权方程是时间平均方程与Wood方程综合后，而形成的无物理意义的计算水合物岩石物性的方程式，其主要原理为：

时间平均方程模型的简单表达式为：

(1) ；

其中，为疏松沉积物的速度，、分别为孔隙水、岩石骨架的速度，为孔隙度；将岩石骨架、孔隙水速度代入（1）式中，即可计算得到疏松沉积物的速度；

与时间平均方程对应，基于Wood方程的二相速度方程如下：

(2) ；

(3) ；

式中，为疏松沉积物的密度，为孔隙流体（一般指水）的密度，为岩石骨架密度。

其中，所述步骤“计算海底沉积物的体积模量和剪切模量”的具体包括：

步骤一：根据不同孔隙度下的疏松沉积物密度计算有效压力；

步骤二：根据Hashin-Shtrikman-Hertz-Mindlin理论，计算体积模量和剪切模量理论值;

步骤三：计算海底疏松沉积层的岩石骨架的体积模量和剪切模量;

步骤四：计算饱和流体沉积物的体积模量和剪切模量。

其中，所述计算海底疏松沉积物的纵波速度和横波速度的计算方法为：采用Helgerud的海洋沉积物的纵、横波速度公式进行计算。

其中，所述计算海底地层的吸收系数的方法为：考虑地震波传播过程的介质吸收及球面扩散影响对吸收系数进行计算。

其中，所述粒径组分比例数据包含所探测的海底沉积物骨架的各组分的粒径比例。

其中，所述声学、物理学参数包括：海底沉积物的密度、体积模量、剪切模量、纵波速度和横波速度以及海底地层的吸收系数。

本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其特征在用户，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的一种海底声学、物理学参数探测方法。

本发明的第三方面提供一种海底声学、物理学参数探测系统，其中，包括上述的计算机可读存储介质。

与现有技术相比较，本发明提供的一种海底声学、物理学参数探测方法、介质及系统的有益效果是：通过海底沉积物粒径组分比例数据计算获得沉积物参数，该参数计算与常规计算模式中仅用单一速度与厚度等计算不同，它分为多种组分比例计算；通过进行海底疏松沉积物的密度、体积模量、剪切模量、纵波速度、横波速度、声吸收系数等参数计算，获得不同粒径组分比例数据、不同孔隙度下的计算数据，得到海底疏松沉积物组分比例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种海底声学、物理学参数探测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，是本发明第一方面提供一种海底声学、物理学参数探测方法的流程图，本方法包含以下步骤：

S10：获取海底沉积物骨架的各粒径组分比例数据与孔隙水密度；

S20：根据所得的海底沉积物骨架的各组分数据计算海底沉积物骨架的密度；

S30：根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙度下的疏松沉积物密度；

S40：计算海底疏松沉积物的体积模量和剪切模量；

S50：计算海底疏松沉积物的纵波速度和横波速度；

S60：计算海底地层的吸收系数。

其中，在上述技术方案中，海底的沉积物骨架组分包括砂质沉积物和黏土质沉积物，其中砂质沉积物包括粉砂质沉积物和其他砂质沉积物。

通常的探测法有以下几种：

钻探测量法，通过钻探取样测量、随钻测井、钻孔测井等方式，测量深层海底沉积物的声学与物理特性。属于专有手段，能够获得实验室测量法或海底原位测量法难以提供的海底深层声速剖面特征。

遥测法，通过声学反射和折射获得海底声波传播的分层走时信息和传播损失信息，结合海底沉积物的经验关系式、理论模型、搜索函数、目标函数等，获得海底沉积物的声学与物理特性的分布结构。

实验室测量法，通过重力柱状取样（含活塞取样）、箱式取样、多管取样等方式取得海底沉积物样品，在实验室开展分段声学和物理特性测量。实验室测量法存在过程扰动，但可以得到海底沉积物样品的分层信息以及声学与物理特性分布结构。

海底原位测量法，通过贯入式、压入式海底原位测量设备，在海底原位环境状态测量海底沉积物的声学特性和声学结构。如需要借助取样进行样品测量获得海底沉积物物理特性，因此对海底沉积物的扰动小。

其中，在上述技术方案中，根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙水密度下的疏松沉积物密度的计算方法为：采用时间平均-Wood加权方程计算，其中：

时间平均-Wood加权方程是时间平均方程与Wood方程综合后，而形成的无物理意义的计算水合物岩石物性的方程式，其主要原理为：

时间平均方程模型的简单表达式为：

(1) ；

其中，为疏松沉积物的速度，、分别为孔隙水、岩石骨架的速度，为孔隙度；将岩石骨架、孔隙水速度代入（1）式中，即可计算得到疏松沉积物的速度；

与时间平均方程对应，基于Wood方程的二相速度方程如下：

(2) ；

(3) ；

式中，为疏松沉积物的密度，为孔隙流体（一般指水）的密度，为岩石骨架密度。

Lee方程模型以Biot-Gassmann理论为基础，针对疏松的、含游离气的沉积物建立了纵横波速度模型。

采用Lee方程模型可以进行沉积物密度的确定、沉积物体积模量和剪切模量的确定；其中：

(1)沉积物密度的确定

沉积物密度可由下式确定：

(4)；

式中，、分别为骨架密度和流体密度。骨架密度为：

(5)；

式中，为骨架成分的种类；为第种成分的密度；为第种成分在岩石中的体积百分比。

(2)沉积物体积模量和剪切模量的确定

对于被天然气部分饱和的沉积物，体积模量和剪切模量与Biot系数有关：

(6)；

(7)；

式中，、分别为骨架的体积模量和剪切模量，

(8)；

(9)；

式中，、分别为第种成分的体积模量和剪切模量；可由下式确定：

(10)；

式中，为流体的体积模量。

Biot系数可以采用经验关系式来确定，对于软地层或疏松沉积物，Lee(2002)给出了以下计算式：

(11)；

对于硬地层，采用Krief公式计算：

(12)；

下面采用BGTL算法对饱和水沉积物的剪切模量进行计算：

Lee方程模型中，Biot系数与地层压力差有关，加入Biot系数计算饱和水沉积物的剪切模量：

(13)；

式中，为Biot系数，采用式(11)计算；采用(10) 式计算；、是与压力差、胶结程度、泥质含量有关的参数，

(14)；

式中，为压力差；为常数，对于疏松沉积物，，对于固结沉积物，。的作用是补偿泥质或水合物对骨架的影响，下面是Lee(2004)给出的经验关系式：

(15)；

对于纯砂岩，。

根据式(7)，有

(16)；

于是得到新的Biot系数：

(17)；

将代入式(6)、(7) 、(10)，可进一步计算纵、横波速度。

(4)其它参数的确定

对于模型C，流体的有效体积模量为：

(18)；

其中，、分别为水和天然气的体积模量。流体密度为：

(19)；

其中，、分别为水和天然气的密度。

对于模型D，采用Brie等人(1995)和Dvorkin等人(1999)的体积模量计算方法：

(20)；

其中，、分别为和时的岩石体积模量。流体的有效体积模量则采用Brie等人(1995)提供的方法：

(21)；

其中，为刻度常数，。

下面是弹性模量模型的计算方法：

由于高孔隙度的海洋沉积物可看成“颗粒系统”，其弹性波速度与孔隙度、有效压力、矿物组成、孔隙充填物的弹性性质、以及水与游离气的饱和度有关。

基于Hashin-Shtrikman-Hertz-Mindlin理论，疏松沉积层的岩石骨架的体积模量与剪切模量分别为：

(22)；

(23)；

(24)；

(25)；

(26)；

其中，下标HM表示Hashin-Shtrikman-Hertz-Mindlin理论的计算值，为由球密集、随机堆积的物体的孔隙度（一般为40%），K与G分别为矿物组成的体积模量与剪切模量。根据Hill平均，它们与m种组成部分的模量有关。

(27)；

(28)；

其中，fi为第i种矿物组分在固体部分中所占的体积百分比。根据Hertz-Mindlin理论，可计算出与：

(29)；

(30)；

这里为根据K与G计算得到的矿物组分的泊松比，n是每个颗粒的接触的颗粒数，可取8.5，P是有效压力：

(31)；

其中，与分别为固相与液相的密度，为重力加速度，为海底以下的深度。

根据Gassmann方程，饱和流体沉积物的体系模量与剪切模量分别为：

(32)；

(33)；

这里，为饱和度为的孔隙流体的体积模量，是水的体积模量与气体体积模量的等应力平均：

(34)；

Helgerud (1999，2000)的海洋沉积物的纵、横波速度表达式为：

(35)；

(36)；

式中，、分别为海洋沉积物的纵、横波速度；为饱和流体沉积物的体积模量；为饱和流体沉积物的剪切模量；为沉积物的密度。

在本方案中，步骤“计算海底沉积物的体积模量和剪切模量”的具体包括：

步骤一：根据不同孔隙度下的疏松沉积物密度计算有效压力；

步骤二：根据Hashin-Shtrikman-Hertz-Mindlin理论，计算海底沉积物的体积模量和剪切模量;

步骤三：计算海底疏松沉积层的岩石骨架的体积模量和剪切模量;

步骤四：计算饱和流体沉积物的体积模量和剪切模量。

其中，在上述技术方案中，计算海底沉积物的纵波速度和横波速度的计算方法为：采用Helgerud的海洋沉积物的纵、横波速度公式进行计算。

其中，在上述技术方案中，计算海底地层的吸收系数的方法为：考虑地震波传播过程的介质吸收及球面扩散影响对吸收系数进行计算，其中：地层中的吸收系数可以写为：

（37）；

λ为地震波长，为地层品质因子。按照地层品质因子与地层纵波速度的经验公式（李庆忠，1992），由介质吸收按主频论处，。每层根据可推知品质因子。

则：以波长衡量的吸收系数为：

（38）；

（单位为例如：海底沉积物的吸收系数为0.157/λ）。

其中，在上述技术方案中，粒径组分比例数据包含所探测的海底沉积物骨架的各组分的粒径比例。

本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其特征在用户，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的一种海底声学、物理学参数探测方法。

本发明的第三方面提供一种海底声学、物理学参数探测系统，其中，包括上述的计算机可读存储介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种海底声学、物理学参数探测方法，其特征在于，包含以下步骤：

S10：获取海底沉积物骨架的粒径组分比例数据与孔隙水密度；

S20：根据所得的海底沉积物骨架的各组分数据计算海底沉积物骨架的密度；

S30：根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙度下的疏松沉积物密度；

S40：计算海底沉积物的体积模量和剪切模量；

S50：计算海底沉积物的纵波速度和横波速度；

S60：计算海底地层的吸收系数；

其中，所述海底的沉积物骨架组分包括砂质沉积物和黏土质沉积物，其中砂质沉积物包括粉砂质沉积物和其他砂质沉积物；

所述粒径组分比例数据包含所探测的海底沉积物骨架的各组分的粒径比例；

所述声学、物理学参数包括：海底沉积物的密度、体积模量、剪切模量、纵波速度和横波速度以及海底地层的吸收系数；

其中，所述根据海底沉积物骨架密度与孔隙水密度计算不同孔隙度下的疏松沉积物密度的计算方法为：采用时间平均-Wood加权方程计算，其中：

时间平均-Wood加权方程是时间平均方程与Wood方程综合后，而形成的无物理意义的计算水合物岩石物性的方程式，其主要原理为：

时间平均方程模型的简单表达式为：

其中，V_P为疏松沉积物的速度，V_w、V_m分别为孔隙水、岩石骨架的速度，为孔隙度；将岩石骨架、孔隙水速度代入(1)式中，即可计算得到疏松沉积物的速度；

与时间平均方程对应，基于Wood方程的二相速度方程如下：

式中，ρ为疏松沉积物的密度，ρ_w为孔隙流体的密度，ρ_m为岩石骨架密度。

2.根据权利要求1所述的一种海底声学、物理学参数探测方法，其特征在于，所述步骤“计算海底沉积物的体积模量和剪切模量”的具体包括：

步骤一：根据不同孔隙度下的疏松沉积物密度计算有效压力；

步骤二：根据Hashin-Shtrikman-Hertz-Mindlin理论，计算体积模量和剪切模量的理论值；

步骤三：计算海底疏松沉积层的岩石骨架的体积模量和剪切模量；

步骤四：计算饱和流体沉积物的体积模量和剪切模量。

3.根据权利要求1所述的一种海底声学、物理学参数探测方法，其特征在于，所述计算海底沉积物的纵波速度和横波速度的计算方法为：采用Helgerud的海洋沉积物的纵、横波速度公式进行计算。

4.根据权利要求1所述的一种海底声学、物理学参数探测方法，其特征在于，所述计算海底地层的吸收系数的方法为：考虑地震波传播过程的介质吸收及球面扩散影响对吸收系数进行计算。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～4中任一项所述的海底声学、物理学参数探测方法。

6.一种海底声学、物理学参数探测系统，其特征在于，包括如权利要求5所述的计算机可读存储介质。