基于模型正演的天然氣水合物定量描述

楊 靜 張 雷 王九拴 謝 楠 馬 寧 張 輝

(東方地球物理公司研究院處理中心，河北涿州 072750)

0 引言

天然氣水合物是20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的一種新型后備能源，是目前地球上尚未開發(fā)的最大能源庫[1]。地震勘探在天然氣水合物資源調(diào)查中應(yīng)用廣泛，絕大多數(shù)水合物礦體的發(fā)現(xiàn)依賴該項(xiàng)技術(shù)[2-5]。近年不斷完善的海洋地震處理技術(shù)為水合物地震識別提供了堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)[6]。從似海底反射(BSR)響應(yīng)特征識別、地震屬性分析到AVO反演，天然氣水合物地震識別技術(shù)已經(jīng)從定性預(yù)測、半定量預(yù)測發(fā)展到了定量預(yù)測[7-11]。但天然氣水合物賦存狀態(tài)具有多樣性，鉆井資料少且取心受溫壓條件的限制很難原狀保存，因此難以獲得準(zhǔn)確的物性參數(shù)[12-15]。對無井區(qū)域如何開展水合物礦體定量描述是開展水合物地震識別的難點(diǎn)。

本文以中國南海海域?qū)嶋H地震資料為例[16-20]，闡述了在無井區(qū)利用模型正演開展天然氣水合物量化描述的方法。在地震多屬性定性描述水合物分布基礎(chǔ)上，利用模型正演確定研究區(qū)水合物礦體的組合關(guān)系，以及水合物地層與沉積層的彈性參數(shù)關(guān)系，從而建立不同飽和度水合物礦體與阻抗信息之間的關(guān)系量板；利用AVO疊前反演開展不同飽和度水合物礦體定量描述，得到了不同飽和度水合物礦體平面分布面積、厚度等量化參數(shù)，為研究區(qū)水合物礦體資源量估算提供了基礎(chǔ)。

1 天然氣水合物分布地震多屬性定性描述

受天然氣水合物的厚度與飽和度以及底部游離氣飽和度的影響，水合物頂、底界面具有多種地震反射特征。地震多屬性剖面能較好識別水合物異常地震響應(yīng)特征[7，9-10]。

依據(jù)天然氣水合物的BSR特征、速度異常、底界反射與沉積層斜交等典型特征，形成了基于振幅、頻率、相位等地震多屬性水合物定性描述技術(shù)。在圖1a的疊前時間偏移剖面上，BSR(粉色虛線)與海底同相軸近似平行，并與地層界面反射斜交，含天然氣水合物地層(綠色與粉色虛線之間)具有相對強(qiáng)的振幅特征。在圖1b的反射強(qiáng)度屬性剖面上，突顯了強(qiáng)阻抗特征，更加有利于天然氣水合物頂、底界面的識別與解釋。峰值振幅屬性是峰值頻率對應(yīng)的振幅信息，該屬性可由時頻分析技術(shù)得到，其突顯了水合物礦體強(qiáng)振幅異常特征(圖1c)。水合物沉積層底部受水合物飽和度低、底部游離氣欠發(fā)育等因素影響，導(dǎo)致BSR強(qiáng)振幅異常特征不明顯。瞬時相位屬性可以突出一些反射振幅較弱的天然氣水合物地震反射特征。圖1d中瞬時相位屬性剖面中突顯了BSR與正常沉積地層斜交的特征，水合物礦體頂(綠色虛線)、底(粉色虛線)界面特征清楚。地震振幅、頻率、相位等多屬性結(jié)合能定性描述水合物礦體頂、底界面。

圖1 地震多屬性識別天然氣水合物礦體

2 模型正演分析明確天然氣水合物分布類型

天然氣水合物沉積層地震響應(yīng)特征受礦體飽和度及厚度、下伏游離氣飽和度及厚度以及沉積地層彈性參數(shù)等因素影響，因此在無井區(qū)域識別水合物礦體通常具有多解性。模型正演分析與地震響應(yīng)特征相結(jié)合，不僅能準(zhǔn)確描述水合物礦體分布類型，確定BSR地震響應(yīng)特征，同時可建立水合物礦體飽和度與地震彈性參數(shù)之間量化關(guān)系模板，用于水合物礦體定量描述。

圖2為地震多屬性定性描述的水合物礦體所對應(yīng)的正演地層框架模型。地質(zhì)框架模型橫向地震道從零開始定義、道數(shù)與實(shí)際地震道數(shù)保持一致，縱向?qū)⒑Ｆ矫嬉韵?70m定義為起始深度0、模型中沉積層厚度與實(shí)際地層厚度保持一致。正演地層框架模型中地層界面主要依據(jù)地震波組反射特征確定，通常情況下一個強(qiáng)波峰反射對應(yīng)一個波阻抗反射界面； 依據(jù)鄰區(qū)水合物實(shí)測鉆井分析可知水合物沉積層非均質(zhì)性較強(qiáng)，地層框架模型中水合物層數(shù)主要依據(jù)地震剖面波組反射特征，按照波峰反射個數(shù)最終確定水合物層數(shù)為5層。框架模型地層彈性參數(shù)主要參照大洋鉆探(ODP)349航次1432C站位(圖3)、地震速度譜、鄰區(qū)水合物鉆井資料聯(lián)合確定，最終確定正演模型沉積地層層速度變化范圍為1500～2040m/s、密度變化范圍為1.10～1.94g/cm3；水合物層速度變化范圍為1980～2100m/s、密度定義為定值1.90g/cm3。通過將正演模型剖面與實(shí)際地震剖面擬合，不斷修正完善水合物礦體沉積層組合關(guān)系，以求達(dá)到最大相關(guān)性。同時結(jié)合其他區(qū)塊實(shí)測鉆井?dāng)?shù)據(jù)，明確目標(biāo)區(qū)水合物礦體飽和度與速度的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 天然氣水合物正演模型及參數(shù)

利用圖2正演模型、選用與實(shí)際地震資料(圖4上)主頻保持一致的子波(50Hz)激發(fā)，模擬獲得正演剖面(圖4下)。實(shí)際地震剖面與正演模型剖面對相關(guān)系數(shù)達(dá)到90%。由正演模型結(jié)合疊前時間偏移剖面(圖4)波形特征分析可知天然氣水合物沉積層的賦存狀態(tài)：在海底以下300m沉積層中充填楔狀天然氣水合物層；水合物層頂界為強(qiáng)波峰反射(紫色層位)，底界反射(BSR)振幅橫向差異大(紅色層位)、兩側(cè)薄層為強(qiáng)波谷，旁瓣呈現(xiàn)“上強(qiáng)下弱”的特征，中間厚層為弱波谷、BSR穿層特征明顯；水合物礦體呈單層到多層疊置分布，水合物飽和度橫向、縱向存在變化； 該水合物礦體在兩側(cè)厚度為9m，小于λ/4(λ為波長)；中部厚層區(qū)厚度累計達(dá)到58m，為多個飽和度不同的薄層水合物疊加，天然氣水合物底部游離氣不發(fā)育。

圖3 中國南海海域大洋鉆探站點(diǎn)資料

圖4 常規(guī)疊前時間偏移剖面(上)及模型正演結(jié)果(下)

通過模型正演分析目標(biāo)區(qū)水合物礦體速度和密度變化范圍，參考鄰區(qū)水合物鉆井建立研究區(qū)水合物礦體速度與飽和度之間的換算量板：天然氣水合物層速度為2020m/s、縱波阻抗為3840m·s-1·g·cm-3，對應(yīng)的水合物飽和度為15%；層速度為2080m/s、縱波阻抗為3960m·s-1·g·cm-3對應(yīng)的水合物飽和度為20%。同時圖2天然氣水合物正演模型中地層速度組合關(guān)系為無井區(qū)疊前彈性反演提供了低頻模型背景。

3 利用疊前彈性反演開展天然氣水合物量化描述

利用井資料開展疊前彈性反演，根據(jù)彈性參數(shù)(縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比等)定量識別天然氣水合物，可以減小天然氣水合物識別的多解性。但在水合物鉆井資料缺乏的地區(qū)，基于模型正演分析可以得到實(shí)際地層速度組合關(guān)系，為無井地區(qū)疊前彈性反演提供低頻模型背景，為疊前彈性反演順利開展奠定基礎(chǔ)。

圖5為疊前彈性反演縱波阻抗屬性與縱橫波速度比屬性剖面。天然氣水合物沉積層表現(xiàn)為高縱波阻抗、低縱橫波速度比。縱波阻抗屬性剖面中黑色、紫色虛線分別為天然氣水合物礦體頂、底界面，其中紅色高阻抗指示了高飽和度水合物礦體分布、黃綠色低阻抗指示了相對低飽和度水合物礦體分布(圖5上)； 該天然氣水合物礦體在縱橫波速度比剖面上表現(xiàn)為紅、黃色低值分布(圖5下)。游離氣表現(xiàn)為低縱波阻抗、低縱橫波速度比，賦存在天然氣水合物礦體底部，由疊前反演結(jié)果可知該礦體底部游離氣欠發(fā)育。

圖5 水合物礦體疊前彈性反演屬性剖面

實(shí)際工區(qū)天然氣正演模型分析結(jié)合大洋鉆探(ODP)349航次1432C站位(圖3)、鄰區(qū)水合物鉆井資料明確了天然氣水合物縱波阻抗與飽和度之間量化關(guān)系，建立縱波阻抗與水合物飽和度的對應(yīng)關(guān)系(表1)；利用疊前彈性反演縱波阻抗屬性計算得到水合物礦體飽和度屬性體(圖6)。該水合物礦體飽和度為10%～30%，礦體飽和度呈現(xiàn)頂部最大向下至BSR逐漸減小的特征，反演結(jié)果與正演模型中水合物沉積層設(shè)定關(guān)系完全一致。

縱波阻抗門檻值3840m·s-1·g·cm-3對應(yīng)飽和度為15%的天然氣水合物礦體，厚度預(yù)測結(jié)果如圖7a所示，飽和度大于15%礦體厚度變化范圍為0～18m，平面分布面積為81.4km2。縱波阻抗門檻值3960m·s-1·g·cm-3對應(yīng)飽和度為20%的天然氣水合物礦體，厚度預(yù)測結(jié)果如圖7b所示，飽和度大于20%礦體厚度變化范圍為0～12m，平面分布面積為77.9km2。水合物礦體厚度及平面分布面積隨飽和度升高呈減小趨勢。

表1 縱波阻抗與飽和度對應(yīng)關(guān)系

圖6 水合物礦體飽和度預(yù)測剖面

圖7 天然氣水合物礦體預(yù)測厚度

4 結(jié)論

(1)疊后多屬性定性描述技術(shù)能確定天然氣水合物礦體異常反射區(qū)；模型正演分析技術(shù)明確水合物礦體分布類型、水合物礦體與沉積層之間的速度和密度組合關(guān)系、建立水合物礦體縱波阻抗與飽和度關(guān)系量板；疊前彈性波阻抗反演技術(shù)完成了水合物礦體定量描述。

(2)基于模型正演分析天然氣水合物地震預(yù)測技術(shù)為無鉆井區(qū)域開展天然氣水合物礦體定量描述提供了技術(shù)手段。

(3)該技術(shù)應(yīng)用于NH海域，完成了天然氣水合物礦體空間展布及物性參數(shù)定量描述，為天然氣水合物礦體儲量估算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。