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(kāi)發(fā)的最大能源庫(kù)[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(shí)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(shí)別、地震屬性分析到AVO反演，天然氣水合物地震識(shí)別技術(shù)已經(jīng)從定性預(yù)測(cè)、半定量預(yù)測(cè)發(fā)展到了定量預(yù)測(cè)[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(duì)無(wú)井區(qū)域如何開(kāi)展水合物礦體定量描述是開(kāi)展水合物地震識(shí)別的難點(diǎn)。

本文以中國(guó)南海海域?qū)嶋H地震資料為例[16-20]，闡述了在無(wú)井區(qū)利用模型正演開(kāi)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(kāi)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)別與解釋。峰值振幅屬性是峰值頻率對(duì)應(yīng)的振幅信息，該屬性可由時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(wú)井區(qū)域識(shí)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(shí)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(duì)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(kāi)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(gè)強(qiáng)波峰反射對(duì)應(yīng)一個(gè)波阻抗反射界面； 依據(jù)鄰區(qū)水合物實(shí)測(cè)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(gè)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(guò)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(shí)結(jié)合其他區(qū)塊實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)相關(guān)系數(shù)達(dá)到90%。由正演模型結(jié)合疊前時(shí)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(zhǎng))；中部厚層區(qū)厚度累計(jì)達(dá)到58m，為多個(gè)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(guó)南海海域大洋鉆探站點(diǎn)資料

圖4 常規(guī)疊前時(shí)間偏移剖面(上)及模型正演結(jié)果(下)

通過(guò)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(duì)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(duì)應(yīng)的水合物飽和度為20%。同時(shí)圖2天然氣水合物正演模型中地層速度組合關(guān)系為無(wú)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(kāi)展天然氣水合物量化描述

利用井資料開(kāi)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(shí)別天然氣水合物，可以減小天然氣水合物識(shí)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(wú)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(kāi)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系(表1)；利用疊前彈性反演縱波阻抗屬性計(jì)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(mén)檻值3840m·s-1·g·cm-3對(duì)應(yīng)飽和度為15%的天然氣水合物礦體，厚度預(yù)測(cè)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(mén)檻值3960m·s-1·g·cm-3對(duì)應(yīng)飽和度為20%的天然氣水合物礦體，厚度預(yù)測(cè)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(shì)。

表1 縱波阻抗與飽和度對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 水合物礦體飽和度預(yù)測(cè)剖面

圖7 天然氣水合物礦體預(yù)測(cè)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(cè)技術(shù)為無(wú)鉆井區(qū)域開(kāi)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(chǔ)量估算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。