Table Of ContentGeophysical Characterization
of Gas Hydrates
Edited by
Michael Riedel
Eleanor C. Willoughby
Satinder Chopra
SEG Geophysical Developments Series No. 14
Ian Jones, managing editor
Downloaded 25 Jun 2012 to 95.28.162.50. Redistribution subject to SEG license or copyright; Terms of Use: http://segdl.org/
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd ii 1100//11//1100 33::4444::1199 PPMM
ISBN 978-0-931830-41-9 (Series)
ISBN 978-1-56080-218-1 (Volume)
Copyright © 2010
Society of Exploration Geophysicists
P.O. Box 702740
Tulsa, OK U.S.A. 74170-2740
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Published 2010
Printed in the United States of America
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Geophysical characterization of gas hydrates / edited by Michael Riedel,
Eleanor C. Willoughby, Satinder Chopra.
p. cm. — (SEG geophysical developments series; no. 14)
Includes bibliographical references and index.
ISBN 978-1-56080-218-1 (volume) — ISBN 978-0-931830-41-9 (series)
1. Natural gas—Hydrates. 2. Natural gas—Geology. I. Riedel,
Michael. II. Willoughby, Eleanor C. (Eleanor Colleen), 1974- III. Chopra,
Satinder.
TN884.G46 2010
622’.18285—dc22
2010041643
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0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd iiii 1100//11//1100 77::0000::0033 PPMM
Table of Contents
About the Editors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Foreward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
Chapter 1: Gas Hydrates — Geophysical Exploration Techniques and Methods . . . 1
Michael Riedel, Eleanor C. Willoughby, and Satinder Chopra
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Impact of Gas Hydrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Gas hydrates as potential future energy resource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Gas hydrates — Greenhouse gas and climate change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
The role of gas hydrates in geohazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
The Gas-hydrate Petroleum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Stability of gas hydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Source of gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Availability of water and focused gas migration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Reservoir rocks and gas-hydrate morphologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Gas Production from Gas-hydrate Reservoirs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Gas-hydrate production simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Geophysical Exploration for Gas Hydrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Seismic techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Electrical-resistivity methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Other potential-field methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Mapping the gas-hydrate stability field. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Well-logging techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Other gas-hydrate characterization and quantification tools on sediment cores. . . . 11
Laboratory Measurements for Gas-hydrate Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Rock-physics Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Chapter 2: Motivations for the Geophysical Investigation of Gas Hydrates . . . . . . . 23
Ray Boswell and Tatsuo Saeki
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
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The gas-hydrate resource pyramid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
iii
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd iiiiii 99//2244//1100 77::5533::3399 PPMM
iv Table of Contents
Gas-hydrate Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Section 1: Seismic Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Chapter 3: Introduction to Seismic Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Michael Riedel, Eleanor C. Willoughby, and Satinder Chopra
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Chapter 4: Seismic Indicators of Natural Gas Hydrate and
Underlying Free Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
G. D. Spence, R. R. Haacke, and R. D. Hyndman
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Elastic properties of sediments with gas hydrate or free gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Seismic velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Seismic attenuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Seismic anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Seismic Data Collection Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Surface source and receivers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Surface source and deep receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Deep source and deep receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Seismic Data Analysis Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Determination of P-wave velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Determination of S-wave velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Determination of seismic attenuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Determination of seismic anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Indicators of Gas Hydrate and Free Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Characteristics of the bottom-simulating reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
High-amplitude reflections above BSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
High-amplitude reflections below BSR: Evidence for gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Regional amplitude blanking associated with gas hydrate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Characteristics of vent-like fluid escape features and faults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Calculation of Gas-hydrate and Free-gas Concentrations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Reference no-hydrate, no-gas velocity profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Conversion of velocity increase to gas-hydrate concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Distribution and Concentration of Gas Hydrate and Free Gas: Examples . . . . . . . . . . 58
Southwest Japan (Nankai Trough) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Cascadia margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Gulf of Mexico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Blake Ridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
DowSnltooadreedg 2g5 aJu.n .2 0. 1.2 .to . 9 .5 ..2 8.. 1.6 2. .5.0 .. R. e.d i.s tr.i b.u t.io .n .s u.b j.e c.t t.o .S .E G. l.ic .e n.s e. o.r .c o.p .y ri.g h.t ;. T .e r.m .s .o f .U .s e.: h. tt.p :.// s.e .g d.l .o.r g. /. . . . . 60
Outstanding Questions and Avenues for Further Seismic Research . . . . . . . . . . . . . . . 61
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd iivv 99//2244//1100 77::5533::3399 PPMM
Table of Contents v
Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Chapter 5: Seismic AVO for Gas-hydrate-related Reflections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Marc-André P. Chen, Michael Riedel, and Stan E. Dosso
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
AVO Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Zoeppritz equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Shuey approximation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Marine Gas-hydrate AVO: A Forward Modeling Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Synthetic AVO curves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Data processing considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Comparison of reported results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Shortcomings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Marine Gas Hydrate: A Bayesian Approach to BSR–AVO Inversion. . . . . . . . . . . . . . 78
Bayesian inversion theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Synthetic study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Inversion of a northern Cascadia gas-hydrate BSR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Permafrost Gas Hydrate: Bayesian AVO Inversion for Sediments
at the Mallik Well Site — A Synthetic Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Model design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Synthetic models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Chapter 6: Analysis of Gas-hydrate Provinces by Ocean-bottom
Seismic Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
T. A. Minshull, K. E. Louden, and S. M. Dean
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Elastic properties of hydrate-bearing sediments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Ocean-bottom seismic methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Experiment Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
OBS versus OBC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Sources and receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Spatial sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Layout of shooting tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Navigation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
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Coupling and shear waves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd vv 99//2244//1100 77::5533::3399 PPMM
vi Table of Contents
Methods of Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Data processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Traveltime inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
S-wave analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Waveform analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Future Developments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Chapter 7: Inversion of Seismic Data for Elastic Parameters: A Tool for
Gas-hydrate Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
M. Riedel, M. W. Lee, and G. Bellefleur
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Poststack Acoustic Impedance Inversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Example of band-limited AI inversion of Mallik 3D seismic data. . . . . . . . . . . . . 111
AVO Intercept-gradient Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Elastic Impedance Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Definition of EI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
EI-inversion schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
EI inversion in the presence of low S-wave velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Poststack EI-inversion — Blake Ridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Full Waveform Prestack Inversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Chapter 8: Vertical Seismic Profiles through Gas-hydrate-bearing Sediments. . . . 121
Ingo A. Pecher, Bernd Milkereit, Akio Sakai, Mrinal K. Sen, Nathan L.
Bangs, and Jun-Wei Huang
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Methodology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
VSPs for gas hydrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Ocean Drilling Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
ODP Leg 146. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
ODP Leg 164, Blake Ridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
ODP Leg 204, Hydrate Ridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Mallik – Permafrost Gas Hydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Mallik 2L-38 (1998) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Mallik 3L-38 (2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Other Recent Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Downloaded 25 Jun 2012 to 95.28.162.50. Redistribution subject to SEG license or copyright; Terms of Use: http://segdl.org/
Nankai Trough Exploratory Well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd vvii 99//2244//1100 77::5533::3399 PPMM
Table of Contents vii
Gulf of Mexico Joint Industry Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
IODP Expedition 311 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Hot Ice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Discussion and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Section 2: Geophysical Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Chapter 9: Introduction to Geophysical Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Eleanor C. Willoughby, Michael Riedel, and Satinder Chopra
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Chapter 10: Marine Controlled-source Electromagnetics and
the Assessment of Seafloor Gas Hydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
R. N. Edwards, K. Schwalenberg, Eleanor C. Willoughby, R. Mir, and Carsten Scholl
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Controlled-source electromagnetics — The rationale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Controlled-source EM Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
CSEM — An approach from dimensional analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Electric dipole — dipole methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Resistivity and Archie’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
CSEM study in northern Cascadia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Experimental apparatus and methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Data interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Assessment of gas hydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Overview of CSEM gas hydrate characterization worldwide. . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Chapter 11: Resolving an Onshore Gas-hydrate Layer with
Long-offset Transient Electromagnetics (LOTEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Carsten Scholl
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
The Geological Setting at Mallik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
The LOTEM Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Resolution of the 1D model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
More Complex Resistivity Distributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
A heterogeneous hydrate layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Large scale resistivity structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Downloaded 25 Jun 2012 to 95.28.162.50. Redistribution subject to SEG license or copyright; Terms of Use: http://segdl.org/
Survey Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd vviiii 99//2244//1100 77::5533::3399 PPMM
viii Table of Contents
Conclusions and Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Chapter 12: Seafloor Compliance Imaging of Marine Gas-hydrate Deposits . . . . . 179
E. C. Willoughby, K. Latychev, R. N. Edwards, K. Schwalenberg,
and R. D. Hyndman
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Theory of Seafloor Compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Instrumentation and Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Data Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3D numerical finite-difference models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Ongoing Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Appendix – The Theory of Seafloor Compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Basic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
The general equations of motion for a solid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
The wave equations for a uniform solid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
The uniform liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Gravity Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
The dispersion relationship. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
The static approximation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Interaction with a lower half-space. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
The dispersion relationship on a compliant seafloor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Effects of pore fluid flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Chapter 13: Gas hydrates and Magnetism: Surveying and Diagenetic Analysis. . . 197
L. Esteban, T. S. Hamilton, R. J. Enkin, C. Lowe, and I. Novosel
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Magnetism, Magnetic Minerals, and Diagenetic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Magnetism and Gas Hydrates in a Permafrost Setting: Mallik and
the Mackenzie Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Aeromagnetic and ground magnetic surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Magnetic properties of the Mallik cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Petrographic and geochemical observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Discussion of arctic gas-hydrate magnetism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Magnetism and Gas Hydrates in the Marine Setting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Magnetic properties of Cascadia margin cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Downloaded 25 Jun 2012 to 95.28.162.50. Redistribution subject to SEG license or copyright; Terms of Use: http://segdl.org/
Petrographic and geochemical observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd vviiiiii 99//2244//1100 77::5533::4400 PPMM
Table of Contents ix
Discussion of marine gas-hydrate magnetism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Synthesis and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Chapter 14: Infrared Imaging of Gas-hydrate-bearing Cores:
State of the Art and Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Philip Long, Melanie Holland, Peter Schultheiss, Michael Riedel,
Jill Weinberger, Anne Tréhu, and Herbert Schaef
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
IR Thermal Imaging Principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Methods and Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
IR thermal imaging of sediment cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Development of IR thermal imaging track . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Routine IR imaging of sediment core in plastic liners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Direct IR Imaging of Sediment Surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
IR imaging of cut core ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
IR imaging of longitudinally split or opened whole-round cores. . . . . . . . . . . . . . 222
Time-lapse imaging of sediment core. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Data Analysis and Typical Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Qualitative gas-hydrate distribution and morphological analysis from
thermal data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Quantitative estimates of gas-hydrate abundance from thermal data . . . . . . . . . . . 225
Linkage to pore water freshening data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Thermal Imaging as a Guide for Subsampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Constraining the extent of temperature change in cores during recovery. . . . . . . . 228
Problems and Issues with Thermal IR Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Future Directions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Full circumference imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Automated detection and virtual removal of voids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Automated generation of downcore temperature plots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Real-time estimation of gas-hydrate abundance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Use of hyperspectral IR cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Section 3: Borehole Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Chapter 15: Introduction to Borehole Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Michael Riedel, Eleanor C. Willoughby, and Satinder Chopra
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
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0022118811__SSEEGG__GGHH__FFMM..iinndddd iixx 1100//88//1100 99::4466::2288 PPMM
x Table of Contents
Chapter 16: Evaluation of Natural Gas-hydrate Systems Using
Borehole Logs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
David S. Goldberg, Robert L. Kleinberg, Jill L. Weinberger,
Alberto Malinverno, Pat J. McLellan, and Timothy S. Collett
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Wireline logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Logging while drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Seismic–log-core data integration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Field Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Scientific ocean drilling and logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Resource-driven ocean drilling and logging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Permafrost drilling and logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Porosity logs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Resistivity logs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Electromagnetic logs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
NMR logs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Sonic logs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Borehole imaging tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Chapter 17: Borehole Pressure Coring Techniques and Core Analysis
at In Situ Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Peter Schultheiss, Melanie Holland, and Frank Rack
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Introduction: Why Take Pressure Cores?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Wireline Pressure Coring Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
PCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
PTCS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
HYACINTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Recovering Gas Hydrate in Pressure Cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Staying in the stability zone: Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Staying in the stability zone: Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Pressure and temperature changes during a typical deployment . . . . . . . . . . . . . . 268
Nondestructive Analysis of Pressure Cores: Gas Hydrate Distribution. . . . . . . . . . . . 269
Nondestructive measurements on HYACINTH cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Nondestructive measurements on PCS cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Depressurization Analysis of Pressure Cores: Gas Hydrate Quantification . . . . . . . . 271
Further Analysis and Subsampling Under Pressure: The Future of
Pressure Coring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
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Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
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