天然气水合物地球物理勘探技术研究范文

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摘要:地球物理勘探技术是天然气水合物成矿研究的三大关键技术之一，备受各国相关研究机构的重视。特别是海洋天然气水合物的勘探，由于埋藏深水海底或地层之中，直接取样的成本和探测范围有限，因此利用有效的地球物理勘探技术显得尤为重要。根据调研成果，天然气水合物地球物理勘探关键技术归类为三大方面:①天然气水合物地震采集、处理和解释;②天然气水合物岩石物理分析、测井研究与储层建模;③天然气水合物AVO正演模拟和地震反演技术研究。并讨论了利用常规海洋地震资料开展宽频高分辨率处理对水合物三维勘探的潜力。

关键词:天然气水合物;地球物理勘探;海洋宽频地震

天然气水合物的地球物理勘探，已受到各国政府和科学界的重视，美国、中国、俄罗斯、印度、日本、韩国、加拿大等国家纷纷设立了相关的科研机构进行水合物勘探与开采方面的研究［1］。天然气水合物研究主要集中在三个方面，第一是天然气水合物成因、成矿和成藏机理等地化、地质因素相关的研究;第二是天然气水合物地球物理勘探技术;第三方面是天然气水合物开采技术与开采工艺。研究结果表明，只有高饱和度、相当规模且具有商业开采价值的天然气水合物矿体才能推动天然气水合物的商业开采，因此高饱和度的规模天然气水合物矿体的地球物理勘探技术研究显得尤为重要。考虑到水合物评价研究的复杂性和先进性，笔者将天然气水合物地球物理勘探技术归纳为以下几个方面。

1天然气水合物地震采集、处理和解释

地震数据采集、地震数据处理成像、多波勘探研究，具体包括地震采集形式、针对性的处理流程持续改进、似海底反射层(BSR)精确成像、水合物地震速度、全波形高精度速度反演等［2－9］。伍忠良在“海洋天然气水合物三维地震与海底地震勘探中震源技术研究”一文中提出设计一种新型的GI枪点震源系统(对激发频宽、输出、气泡效应等震源特性及组合优化)，并于2006—2009年期间在南海北部某海域进行了一系列试验［10］。该系统利用500in3的GI枪组合“点震源”系统，跑间距和线间距均为25m，采用了长方形的OBS布阵方式，分布间距为500m，得到X，Y分量的处理地震剖面。与常规地震资料相比，该方法取得的地震资料分辨率有明显提高，能更清楚地识别BSR及其与邻层的关系，不足之处为处理资料相对常规繁琐，成本比较高。BSR(BottomSimulatingReflector)是目前最直接、最简单和最方便地识别海洋水合物赋存的地球物理标志。BSR通常被认为是水合物稳定域的底界(BGHSZ:BottomofGasHydrateStabilityZone)，代表了水合物赋存的下限深度。目前不仅有单BSR的水合物成矿区，还有典型的双BSR水合物成矿区域(见图1)，相关的研究仍然在持续开展［14，15］。水合物地震速度的研究是一项极具挑战性的研究，常规方法有基于叠前道集沿层密点速度场建立、双层网格层析速度建模法、小尺度速度反演法、双方位联合Tomo各向异性速度法、叠前深度偏移速度场等，但对于厚度在10～200m级的南海水合物矿体而言，仍然存在不足，表现为精度有限以致于厚度指示不准。基于全波形高精度速度反演法具有精度高、可靠性强的特点，在实验层面已经取得突破，能够给出高分辨率的速度结构，可以应用于天然气水合物和游离气分布的研究。近十年，宽频地震处理技术发展迅速，特别是海洋宽频高分辨率地震资料处理、反演和解释研究伴随海洋油气勘探开发的深入、水合物勘探的突破和人类对地球结构认识的需要，成为了近几年国内外学者和科研机构研究的热点。宽频地震数据目前应用较广，日本学者将宽频地震应用到日本东部地区的地壳和上地幔结构联合层析成像研究［16］;公亭等利用宽频处理技术，在传统的高分辨率处理的基础上，形成了低频补偿为特色的宽频配套处理技术［17］;彭军等研究认为基追踪能从带限地震资料中计算出宽频资料，可提高地震资料对薄层的识别能力［18］。笔者所在的课题组利用宽频地震数据对水合物及水合物下覆游离气地层宽频地震反射特征做了初步研究，在南海水合物发育的神狐海域进行了实验并取得了较多新认识。如图2所示，较传统地震资料而言，宽频高分辨率资料有几个方面优势:(1)能更清楚地识别水合物顶界面，传统的地震资料受子波旁瓣影响，同相轴为两黑夹一红，而子波旁瓣得到收敛的宽频资料以单一红轴代替，“亮点型”顶界面识别容易;同时，我们惊讶地发现在宽频高分辨率地震资料上能够去除假“BSR”，即在一些原来是强BSR老资料上打井为空，在宽频资料上能够剔除这种情况。(2)宽频高分辨率资料不仅在刻画水合物薄层方面有优势，也能较好分辨厚层，更容易分析水合物矿体内部储层的纵向富集规律变化。(3)宽频高分辨率资料成像得到改善，对其下伏游离气地层的频散、低频增强现象能够较好反映，对原来认为的气烟囱“模糊带”和断面成像也有一定改善，提升了水合物矿体下覆气体运移通道———断裂系统的解释精度。基于地震资料地震解释和属性研究，地震解释包括地层解释、沉积解释、BSR特征解释、异常速度解释，如振幅、瞬时频率、瞬时相位、薄层指示因子、属性聚类分析等［2］。以Riedel为代表的国际学者强调利用岩性描述、沉积相同地震相、地震属性之间的建立关联性研究，确定水合物顶、底界面控制的稳定带，计算各地震相的天然气水合物饱和量和研究区内天然气水合物的总体积;并主张利用主成分分析法确定不同地震相所代表的地质含义，将所分析的研究区分为5种典型相类，分别为块体搬运沉积相(MTD)，半深海泥层与少量砂质浊流层，半深海泥层与较多砂质浊流层，近海底浅部几乎无砂的饱水泥沉积层，水合物稳定带之下的几乎无砂的饱水泥沉积层［2］。

2天然气水合物岩石物理分析、测井研究与储层建模

天然气水合物储层的岩石物理分析、测井技术的研究、三维精确建模等发展较快，原位同步层析成像数据处理更是帮助科研人员快速认识地下水合物随饱和度孔隙内部变化的有效手段［19－22］。天然气水合物测井技术目前基本基于常规测井，如井中的自然伽马、自然电位、密度、声波、中子孔隙度等，但侧重点有所不同，如王秀娟等利用电阻率测井，基于阿尔奇公式能够估算孔隙空间中天然气水合物饱和度，在神狐海域利用电阻率计算的饱和度与阿尔奇常数和饱和度指数及孔隙度有关。图3为SH2站位测井测得的电阻率(Rt)、计算的共生水电阻率(Rw)和饱和水地层电阻率(Ro)。梁金强等在《天然气水合物成矿预测技术》一书中详细介绍了天然气水合物储层岩石物理特征、测井响应特征、测井评价方图3SH2站位测井测量的电阻率法和相关软件等，较为全面详细地阐述了测井技术在水合物评价中的应用［19］。戴建春将天然气水合物建模与分析评价概括为5步法流程，包括强调以获取高分辨率地震资料的地震数据重处理，以寻找潜在水合物富集区为目标的地层评价，以标志性水合物异常区的地震敏感属性分析，以识别水合物和水合物成因的岩性反演，定量分析天然气水合物储层岩性［20］。梁金强等介绍了基于工区数据管理、天然气水合物构造建模、属性建模和三维可视化为核心的天然气水合物储层建模方法，该方法思路基于常规油气储层建模，所不同的是在属性建模时考虑将与天然气水合物密切相关的深、浅侧向电阻率作为主要参考属性［21］。以德国学者KSell为代表的国外学者利用原位水合物沉积物岩石样品同步模拟含量不同的水合物沉积物岩石物理参数，如P波的速度变化，利用2D层析图或3D立体显示方式呈现水合物与岩石骨架之间的接触关系。特别是在水合物含量动态增大的背景下，样品实验通过同步扫描其2D切面成像，能够细致分析水合物和基岩的接触关系，方便分析其接触类型和得到详细的岩石物理速度参数，可以说是集岩石物理和岩样扫描成像为一体的经典方法，如图4所示，该图4二维切片X－Y方向和三维等效体的展示样品含17%水合物，二维切片的尺寸为2560像素×2560像素，0．76μm2的像素尺寸;体积渲染图像描述了石英颗粒和水合物的分布［22］。

3天然气水合物AVO正演模拟和地震反演技术研究

AVO正演模拟和地震反演技术研究主要有AVO正演模拟、道积分反演、波阻抗反演和弹性波阻抗反演等技术［23－27］。徐华宁等研究南海神狐海域天然气水合物时，利用阻抗反演、属性聚类及神经网络方法综合钻井数据研究了水合物与游离气三维空间分布，提出了南海北部陆坡神狐海域水合物与游离气的隔层分布模式，依靠断层与裂缝沟通提供气源，打破传统的水合物层与游离气层相临模式［23］。反演技术的使用开阔了地质模式和地质思维，为水合物与游离气的隔层分布模式的提出提供了依据。李广才在其博士论文中推导模拟了水合物层顶、底界面的AV0响应特征，研究了基于精确的Zoeppritz方程的反射系数对各弹性参数的梯度随角度变化的特征，为天然气水合物矿藏的AV0广角分析、多分量以及AV0反演等奠定了基础。对贝叶斯理论的不同先验分布进行了AV0反演模拟，反演时放弃Gardner经验公式，定量研究了不同先验分布特征以及噪音的影响，指出贝叶斯理论下的反演的实际困难和不足［24］。目前，对于水合物地震采集的资料而言，最大的困难是缺少中、远道数据(在文章中展示的CDP道数为16道)，进而对需要更多信息支持的AVO研究来说是天然的困难。建议在地震数据采集时进行加密采样，如道间距减小至12．5m或者6．25m，增加道数。郭依群等在“南海北部神狐海域高饱和度天然气水合物分布特征”一文中展示了利用声波阻抗反演方式反演出高纵波阻抗的水合物层空间分布，其效果直观地体现了各水合物储层的厚度、横向分布和空间分布，有利于水合物储层的储量计算和后续开发方案的制定［25］。Virieux提出的全波形反演技术是大幅度提高速度精度和成像精度的重要方法，特别是高分辨率和高精度水合物储层描述急需方法［26］。全波形反演技术方法由于依赖其自身设定的初始模型，计算收敛的稳定性依赖于地震资料的优劣，稳定性还有待提高。另外，重力、电法、滋力勘探为辅的综合物探方法已经在陆地勘探水合物方面有一些应用［13］。

4天然气水合物地球物理勘探技术发展趋势

天然气水合物地球物理识别及评价技术目前基本上是借鉴固体矿产和油气勘探的地球物理识别方法，尚未形成一套自有的地球物理识别体系。且每个区域的地质背景、地震资料质量、测井资料水平和采样的数量都有一些不同，且常规方法或某个特定方法未必能解决每一个研究区的问题，故天然气水合物地球物理识别和评价技术的研究任重道远。笔者认为有几个方面期待突破。一是高精度分辨率地震采集、处理的完善。海洋水合物往往埋藏得较深，根据南海经验来看，大部分天然气水合物分布在深水斜坡上，水深超1000m，开发一套针对水合物勘探的海洋地震高信噪比、高分辨三维地震采集、精细处理配套技术，特别是采集方式和采集参数的研究显得尤为重要。高密度高分辨率三维地震采集是根本，配套的处理技术应该考虑使用宽频高分辨率地震处理技术。宽频高分辨率处理应该是完善地震资料解释和反演的重要基础资料，宽频处理有利于剥离低频建立反演模型，高频成分帮助精细识别水合物薄储层，故宽频处理及早应用到水合物勘探区的地震资料处理非常有必要。另，基于海底水合物的宽带海底地震仪(OBS)数据全波形反演技术的应用已经取得了较快进展，也为提升海洋水合物地层速度的精细描述带来了可能［27］。二是天然气水合物测井识别的技术突破。目前已有电阻率反演方法实现井筒内水合物纵向分布模拟，其三维效果展示良好，但精度和可靠性有赖于研究水合物饱和度与测井参数之间的严密关系，进一步探索测井技术提升水合物饱和度纵向分布的可靠性和精度值得期待。另外，水合物岩石物理分析模拟技术国内现在还比较滞后，建议加快这方面的研究。三是地球物理本身是二手资料，是间接取得的资料，多解性自然就存在其中，结合区域地质背景、地层、岩性、压力资料、钻探取样资料、分析化验资料等，优化地震采集处理、帮助测井建立合适的识别参数和反演模型，去伪存真保障地球物理勘探水合物质量意义重大。

5结论

(1)根据调研成果，天然气水合物地球物理勘探关键技术归类为三个方面:①天然气水合物地震采集、处理和解释和多波勘探技术;②天然气水合物岩石物理分析、测井研究与储层建模;③天然气水合物AVO正演模拟和地震反演技术研究。(2)总体而言，水合物地震勘探技术在地震数据采集、地震资料处理成像、基于饱和度测井评价的水合物测井技术的研究、水合物储层的岩石物理分析与三维精确建模等方面发展较快，成果也较为丰富。(3)海洋宽频高分辨率处理在天然水合物顶底界的识别、厚薄层刻画及下覆游离气地层、气烟囱“模糊带”和断面成像等方面也有一定改善，提升了水合物矿体下覆气体运移通道———断裂系统的解释精度，是未来研究天然气水合物重要的地球物理技术。

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作者：吴其林 侯志平 史文英 刘涛 刘洁 郑植涛 单位：广东石油化工学院