天然气水合物具备巨大的资源潜力,在世界范围内广泛分布,在我国海域和陆上冻土带中也逐渐发现了水合物。当前,以地震波技术为主的地球物理勘探技术仍是海洋天然气水合物勘探的主要手段。由于野外获取的数据难以在水合物饱和度和声速之间建立关系,因此人们通常用实验的方法将水合物饱和度和声速之间建立相应的关系并进行速度模型验证。在合适的模型基础上希望利用获取的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。已有研究大多在封闭体系下对天然气水合物生成分解过程中声学响应特征进行研究,对更接近水合物实际成藏过程的气体运移条件下声学响应特征了解甚少。因此,采用实验模拟的方法研究气体垂向运移体系中水合物储层的声学特性,将对水合物地球物理勘探和资源评价具有重要意义。本文通过模拟气体垂向运移条件下水合物在沉积物中生成和分解过程,利用超声探测技术和时域反射技术(TDR),实时探测水合物的声速和饱和度变化,确定不同甲烷通量对水合物饱和度、声学响应特征的影响。通过上述模拟实验获取动态体系中声速随水合物饱和度的变化规律,验证速度模型在各种条件下的适应情况。在此基础上,同封闭体系下水合物形成过程中声学特性进行对比,揭示不同体系下含水合物沉积物的声学响应特征差异,根据理论模型和声学数据探讨水合物生成模式。通过相应的研究,一方面在技术方面取得创新,另一方面在不同体系下水合物的声学响应、速度模型的选取和水合物微观分布方面取得了新的认识,也为更加逼真模拟水合物的形成和真实理解水合物成藏过程提供了重要实验依据。在实验技术方面,采用数字示波器优化和改进了实验技术的数据采集系统,将数字示波器替代A/D数据采集卡应用到超声数据采集系统,相比数据采集卡数字示波器具有同等的数据存储和采集功能,并且在实验过程中能对待测波形进行直观观测,应用取得良好的效果。在实验装置中实现气体垂向运移体系,使用压差控制系统为气体的流动提供驱动力,为防止沉积物中水分的散失和气体运移通道的堵塞,将微孔烧结板、防水透气砂和下气室加热底板应用到实验体系,保证实验过程的顺利进行。将BROOKS质量流量控制器应用到实验体系,实现对反应体系的气体流量控制。系统地获得了气体垂向运移体系中水合物生成和分解实验的声学和饱和度数据,建立了气体垂向运移体系下声学和水合物饱和度的关系。对气体垂向运移体系下水合物声学特性研究表明水合物生成过程中的纵横波速度大于分解过程中的纵横波速度。在气体垂向运移体系下,当水合物饱和度在0-20%时,发现声速有一个小幅度的快速增加。当水合物饱和度在20%-60%时,声速的增加幅度变慢。当水合物饱和度大于60%时,声速的增加再次变快。发现含水合物沉积物声速随水合物饱和度的增加呈现出快速-慢速-快速增加的变化趋势。在此基础上,对进气端甲烷通量进行控制,探索了不同甲烷通量的水合物生成模拟实验。通过实验获取了不同甲烷通量对水合物生成速率及水合物生成量的影响:即甲烷供应通量越小,生成最大水合物饱和度所需时间越少;甲烷通量越大,生成最大水合物饱和度用时越长。在一定时间内,甲烷通量越大,越易形成高饱和度水合物。甲烷通量供应模式下声速同气体垂向运移体系下声速变化呈现出相似趋势,在水合物生成初期,声速有相对较快的增长;之后在水合物生成阶段,声速呈现出较为平缓的增长趋势;在水合物饱和度50%-60%左右,声速的增加速率明显变快。为了进行动态、静态体系水合物形成差异性对比,在二维实验装置中进行封闭体系模拟实验,并得到水合物生成过程中空间分布的初步认识:即水合物生成初期,水合物优先在粗粒沉积物中生成;水合物生成末期,粗粒和细粒对沉积物饱和度及声速影响不大。在沉积物中纵向上离气源越近,越易生成水合物,随着时间推移各层水合物饱和度逐渐趋于一致;在横向上水合物优先在反应釜周边生成,随后在反应釜内部生成。实验获得Vp-Vs间的经验公式,与野外同类型储层实地数据具有良好对比性,可为储层纵横波速度和水合物饱和度估算提供依据。将封闭体系下和气体运移体系下水合物声学特性进行对比分析,得出在封闭体系中,声速的增加较快,没有明显阶段性变化。在气体垂向运移体系下,声速体现出快速-慢速-快速增加的趋势。将南海北部陆坡实测声速同水合物饱和度数据与实验结果对比,结果表明气体运移体系下声速与水合物饱和度间关系同南海实测数据结果较为一致。在进行不同体系实验的基础上,将适应于水合物饱和度预测的速度模型进行验证。结果表明,在气体垂向运移体系下,适应的速度模型为权重方程、BGTL理论和等效介质理论,权重方程的预测值同实测值有较好一致性。由于本实验为松散沉积物体系,通过验证得知权重方程并不适应实测横波速度值。当水合物饱和度在20%-60%时,实验结果同等效介质理论模式A的计算结果相近。在甲烷通量供应模式下,适应的速度模型为BGTL理论和经过调整的等效介质理论。在权重方程中,权重方程预测的纵波速度值同实验测试值有相近的趋势,但计算值同实际值之间有一定差值。在等效介质理论中,当水合物饱和度为25%-55%时,实验结果同等效介质理论模式B计算结果相接近。当水合物饱和度为60%-70%时,实验测得结果同等效介质理论模式A结果相一致。在水合物饱和度大于80%以后,实测值趋向于等效介质理论模式C的计算值。BGTL理论和等效介质理论对南海沉积物中水合物饱和度预测有一定适应性。综上可知,速度模型在各体系下具有不同的适应性,由于水合物对沉积物声学影响较复杂,单一参数选择难以适应不同条件。BGTL理论和等效介质理论在各体系下具有较好的适应性。在高甲烷通量体系下,气体对沉积物声速的影响需要考虑,经过调整的等效介质理论模型不仅能对水合物饱和度进行估算,还能对水合物微观分布模式产生指导意义。改进和完善了水合物成藏的微观理论模型,根据理论模型并结合CT实验数据探讨了水合物在不同体系下的微观分布模式。在气体垂向运移体系下,水合物生成初始阶段,水合物优先在颗粒接触处和气泡表面以胶结方式形成,沉积物颗粒通过水合物壳相互结合在一起。之后水合物主要在孔隙流体中生成。随着水合物饱和度的增加,流体中的水合物同沉积物颗粒相互接触在一起,水合物充填满孔隙空间。在高甲烷通量渗漏体系下,水合物主要以颗粒接触模式生成,之后水合物会在孔隙流体中生成。随着水合物饱和度的增加,流体中的水合物同沉积物颗粒相互接触在一起,水合物以胶结模式生成。