南海北部神狐海域含天然氣水合物沉積層的速度特征

梁 勁 王明君 陸敬安 梁金強(qiáng) 王宏斌 匡增桂

1．廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 2．國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源實(shí)驗(yàn)室 3．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所

2007年，國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在神狐海域進(jìn)行了天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水合物）鉆探取樣，得到水合物實(shí)物樣品，取得了系列重大發(fā)現(xiàn)和成果［1］。神狐海域的水合物調(diào)查在未取得測(cè)井和鉆井資料之前，主要是通過(guò)對(duì)地震剖面上似海底反射（BSR）識(shí)別和振幅空白帶的分布來(lái)判別水合物的存在以及水合物儲(chǔ)層厚度的變化。然而2007年的水合物鉆探巖心和測(cè)井資料表明，神狐海域的水合物僅分布在地震剖面BSR上方10～43m的范圍內(nèi)，而其上振幅空白帶相對(duì)應(yīng)的沉積層（比較均勻的粉砂質(zhì)泥）并無(wú)水合物賦存，這表明依靠BSR和振幅空白不能揭示沉積層內(nèi)水合物的賦存狀態(tài)，不能準(zhǔn)確地圈定水合物的分布面積和儲(chǔ)層厚度。

為此，筆者通過(guò)對(duì)神狐海域聲波測(cè)井速度與地震速度資料的精細(xì)分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件研究陸坡區(qū)各沉積地層的速度特征，根據(jù)沉積層的速度變化來(lái)確定水合物的儲(chǔ)層厚度，并對(duì)聲波和地震波速度與水合物的關(guān)系進(jìn)行了分析和探討。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南海北部陸坡中部神狐暗沙東南海域珠江口盆地珠二坳陷南翼，水深500～1 500m，水深線(xiàn)走向大體平行于海岸線(xiàn)。該區(qū)海底地形比較復(fù)雜，地形坡度變化較大，從北向南傾斜下降，上陸坡相對(duì)較陡，海底坡降平均約為3．2×10－2，下陸坡相對(duì)較緩，海底坡降平均約為2．0×10－2。該區(qū)斷裂非常發(fā)育，在陸坡上發(fā)育有海底高原、海底陡坡、海底陡崖、海谷海丘、深海海槽、沖刷槽溝和陸坡臺(tái)地等各種特殊構(gòu)造地貌單元。區(qū)內(nèi)發(fā)育的褶皺、滑塌體、增生楔等特殊構(gòu)造易于捕獲甲烷氣體，有利于水合物形成，是水合物發(fā)育的重點(diǎn)區(qū)域；各類(lèi)扇體、濁積巖以及扇體底部與下部正常沉積相接觸的地方是水合物富集有利區(qū)。扇體通常具有由濱線(xiàn)向海進(jìn)積的特征，從而導(dǎo)致整個(gè)地質(zhì)時(shí)期中沉積相的橫向遷移，使得富集有機(jī)質(zhì)的較老的深水泥巖（生物成因氣烴源巖）與新沉積未壓實(shí)的沉積物（具有較高孔隙度的儲(chǔ)層）呈側(cè)變式接觸，因此生物成因氣不需要作長(zhǎng)距離運(yùn)移，在合適的溫壓條件下就可聚集成藏形成水合物。晚中新世以來(lái)重力流比較發(fā)育，沉積速率最高達(dá)120 cm／ka，發(fā)育幾千米厚的中、新生代沉積物，累積了大量有機(jī)質(zhì)，為水合物的形成提供了物源［2－3］。

2 含水合物層聲波測(cè)井曲線(xiàn)、地震反射特征

2．1 含水合物層聲波測(cè)井曲線(xiàn)特征

地球物理測(cè)井技術(shù)是了解海底沉積層中水合物與游離氣之間關(guān)系的重要方法，正確識(shí)別水合物儲(chǔ)層必須要了解水合物的測(cè)井響應(yīng)特征，不同的水合物儲(chǔ)層在測(cè)井曲線(xiàn)上有不同程度的反映。含水合物層具有高速異常特征，分析聲波測(cè)井曲線(xiàn)是識(shí)別水合物的有效手段，可用以確定地震數(shù)據(jù)與水合物和游離氣的關(guān)系［4－5］。

2007年，我國(guó)在神狐海域?qū)嵤┝怂衔镢@探，在SH3、SH2和SH7站位成功鉆獲水合物實(shí)物樣品，筆者利用這3個(gè)站位的聲波測(cè)井曲線(xiàn)來(lái)分析含水合物層的特征。

2．1．1 含水合物層聲波測(cè)井曲線(xiàn)特征

圖1為神狐海域SH3、SH2和SH7站位先導(dǎo)孔的聲波測(cè)井曲線(xiàn)。由圖1可見(jiàn)，SH3站位聲波速度值為1 200～2 050m／s。在100～185m深度段，聲波速度緩慢增大，其中在110～130m深度段聲波速度驟然下降到1 200m／s，分析可能是該段含有氣體的緣故，但并沒(méi)有水合物存在；在185～200m深度段，聲波速度隨深度增加而起伏，其中在185～195m深度段聲波速度小幅增高，該段聲波速度平均值為1 899 m／s，并在該段采集到水合物樣品；195～200m深度段聲波速度快速下降到1 450m／s，是水合物之下有游離氣層的緣故。

圖1 神狐海域聲波測(cè)井曲線(xiàn)圖

SH2站位聲波測(cè)井曲線(xiàn)是一條典型的含水合物層的速度異常曲線(xiàn)（圖1），其速度范圍為1 600～2 250 m／s。在100～195m深度段，聲波速度緩慢升高，范圍在1 600～1 900m／s，是普通沉積物特征；195～215 m深度段，聲波速度隨地層深度的增加而起伏不定，速度值遞增快，之后快速遞減，整段曲線(xiàn)呈典型的三段式含水合物異常特征。其中在195～215m深度段聲波速度明顯增高，該厚度范圍內(nèi)聲波速度平均值為2 105m／s，并在該段成功采集到水合物樣品。215～220m深度段聲波速度快速下降到1 750m／s，是水合物之下存在游離氣層的緣故。

SH7站位聲波測(cè)井速度數(shù)據(jù)不完整（圖1）。該站位聲波測(cè)井曲線(xiàn)與SH－2站位相似 ，也出現(xiàn)高速、速度倒轉(zhuǎn)等含天然氣水合物沉積層的特征。在100～123 m深度段，此段曲線(xiàn)呈漸增式，聲波速度值為1 500～1 600m／s，此層段無(wú)明顯聲波速度變化界面；123～150m深度段聲波速度均值在1 800m／s，整體聲波速度較高；150～175m深度段速度明顯增高，最高達(dá)2 500m／s，平均為2 143m／s，并在該段成功采集到水合物樣品。

2．1．2 天然氣水合物飽和度特征

神狐海域含水合物層的水合物飽和度值是提取巖心沉積物孔隙水現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試氯離子濃度，并依據(jù)其稀釋程度計(jì)算獲得的。水合物的飽和度與沉積物孔隙水的稀釋程度之間存在著一定的相關(guān)性，即自上而下氯離子濃度逐漸減小，這是巖心中水合物分解釋放出來(lái)的低鹽度自由水稀釋而形成的。依據(jù)這種方法計(jì)算的水合物飽和度，雖然只是某一井口位置垂向的飽和度數(shù)據(jù)，但可以擴(kuò)展到整個(gè)研究區(qū)域，并且體現(xiàn)了各種復(fù)雜影響因素，是沉積層水合物飽和度的真實(shí)體現(xiàn)［6－8］。

利用巖心中孔隙水測(cè)試氯離子的稀釋程度來(lái)計(jì)算水合物的飽和度首先要求確立水合物分解前原地孔隙水氯離子濃度的背景剖面，控制水合物分解的稀釋程度。假定巖心孔隙水氯離子濃度剖面上小于原地孔隙水氯離子剖面濃度的部分是水合物分解造成的，則水合物飽和度可以用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算［9－11］：

式中Sh為水合物飽和度；ρh為純水合物密度，取0．9 g／cm3；Clpw為實(shí)測(cè)的巖心孔隙水中氯離子濃度；Clsw為原地孔隙水中氯離子的濃度。

圖2是神狐海域SH3、SH2和SH7站位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水合物飽和度散點(diǎn)圖。SH3站位含水合物層較薄，水合物集中分布在192～196m段，最高飽和度值出現(xiàn)在196m處，飽和度值為25．5%，與聲波曲線(xiàn)高值段相對(duì)應(yīng)，含水合物層的最高聲速值為2 051m／s。SH2站位含水合物層大約有30m厚，水合物集中分布在海底190～220m，該站位水合物飽和度相對(duì)較高，超過(guò)15%高飽和度水合物主要集中在197～220m段，飽和度值為15%～47%，平均為29%。該深度段的聲波速度值相對(duì)較高，含水合物層的最高聲速為2 279m／s。SH7站位水合物層大約有22m厚，水合物集中分布在海底155～177m。與SH2站位相似，該站位水合物飽和度較高，水合物的分布主要分為2段，155～164m為高飽和度值段，水合物的飽和度為25%～44%，平均為34%，該深度段的聲波速度值整體較高，最高聲速為2 578m／s；而166～177m深度段的水合物飽和度相對(duì)較低，飽和度值為3%～23%，平均為14%，該深度段的聲波速度值有下降的趨勢(shì)，最高聲速為2 256m／s。

承插型盤(pán)扣式鋼管支架在現(xiàn)澆箱梁中的應(yīng)用…………………………………… 韋新強(qiáng)，吳陽(yáng)露，陸建培（3-159）

圖2 神狐海域水合物飽和度散點(diǎn)圖

含水合物層速度的大小與水合物的飽和度及地層的孔隙度有關(guān)。研究區(qū)的鉆探結(jié)果表明，含水合物層的巖性主要為粉砂質(zhì)泥，水合物蘊(yùn)藏于未固結(jié)的沉積物中，水合物的飽和度較高，含水合物層的速度與飽和度的對(duì)應(yīng)關(guān)系相當(dāng)明顯。由于研究區(qū)海底地質(zhì)構(gòu)造和沉積因素復(fù)雜，海底沉積層存在著較多的不確定因素，導(dǎo)致水合物飽和度隨聲波速度升高而上下波動(dòng)，但總體趨勢(shì)上是隨聲波速度的升高而增高［12－13］。

2．2 含水合物層地震反射特征

2．2．1 地震剖面特征

含水合物層在地震反射剖面上常常會(huì)出現(xiàn)一強(qiáng)振幅的連續(xù)反射波，大致與海底反射波平行，被稱(chēng)為似海底反射（BSR），一般代表天然氣水合物穩(wěn)定域的底界。BSR與地層產(chǎn)狀無(wú)關(guān)，當(dāng)?shù)貙赢a(chǎn)狀與海底不一致時(shí)，BSR往往與地層斜交［14－15］。另外，由于水合物濃度和厚度的增大，引起含水合物層速度增加，產(chǎn)生上拉構(gòu)造，其下方同時(shí)顯示出因低速含氣層引起的速度下拉構(gòu)造，即“眼球狀”的速度振幅異常結(jié)構(gòu)。地震剖面上通常利用BSR和“眼球狀”構(gòu)造來(lái)判別水合物層的存在［16］。含水合物層由于孔隙空間被水合物充填膠結(jié)，地層變得“均勻”，地震剖面上通常呈現(xiàn)振幅空白帶或弱振幅帶。研究表明，BSR的子波波形通常呈現(xiàn)負(fù)極性，即極性反轉(zhuǎn)，并具有較大的反射系數(shù)［17］。

圖3是神狐海域過(guò)SH2站位的地震反射剖面，從圖3中可看出，沉積物波表現(xiàn)為席狀波狀相，整體呈長(zhǎng)條形或伸長(zhǎng)狀席狀外形，厚度較為均一，內(nèi)部同相軸呈不對(duì)稱(chēng)波狀反射結(jié)構(gòu)，向上坡方向遷移攀升；在橫切大陸坡的剖面上，呈連續(xù)的波狀或丘狀；其底部有明顯的滑脫面，這是由于底流發(fā)育時(shí)具有較強(qiáng)的侵蝕能力，對(duì)早期的沉積物進(jìn)行了簸選改造和再沉積，頻繁的侵蝕界面可能反映了底流的脈動(dòng)性。剖面上TRACE900～TRACE1 000，BSR之上有一明顯的因速度振幅異常而形成的眼球狀結(jié)構(gòu)，是一條比較典型的含水合物層特征的地震剖面。另外，BSR上面有明顯的、連續(xù)性較好的振幅空白帶，極性與海底極性相反。

圖3 通過(guò)SH2站位的地震反射剖面圖

2．2．2 速度譜特征

速度是識(shí)別水合物的重要物性數(shù)據(jù)，速度異常是水合物地震響應(yīng)特征之一，是判斷沉積地層中是否含水合物的重要條件［18－22］。在神狐海域速度譜特征中，與水合物有關(guān)的速度異常一般可分為兩種類(lèi)型：①水合物之下的地層含有游離氣型，其特點(diǎn)是含水合物層的速度高于上、下地層的速度，水合物之下游離氣地層的速度低于水合物之上的地層速度，且層速度下降較大；②另一種是水合物之下的地層不含游離氣型，其特點(diǎn)是與水合物位置相對(duì)應(yīng)地層的速度高于上、下地層的速度，水合物之下的地層速度高于水合物之上的地層速度，且層速度下降較小。

圖4為神狐海域含水合物層的速度譜。速度譜中紅線(xiàn)代表拾取的疊加速度。圖4左邊為含游離氣型譜特征，在1．90～1．98s段，疊加速度增加明顯，速度值從1 520m／s增加到1 550m／s，至1．98～2．02s段，疊加速度突然下降到1 500m／s，下降幅度較大，即水合物下地層比水合物上地層疊加速度要低。圖4右邊為不含游離氣型譜特征，在1．43～1．46s的水合物段疊加速度有一明顯的增加過(guò)程，到1．46～1．48s段，疊加速度有所下降，但下降幅度較小，即水合物下地層比水合物上地層疊加速度要高，無(wú)明顯的游離氣存在特征。

圖4 神狐海域含水合物層速度譜特征圖

2．2．3 層速度剖面特征

圖5 神狐海域130測(cè)線(xiàn)層速度剖面圖

圖5為神狐海域130測(cè)線(xiàn)用Dix公式計(jì)算的層速度剖面。在距海底大約250ms上方附近（地震剖面上解釋為BSR位置），明顯顯示出一段近似平行于海底的相對(duì)高速層，高速層上、下都是明顯的低速層。高速層的層速度在1 800～2 500m／s，其上面低速層的層速度為1 500～1 700m／s，而下面的低速層的層速度在1 100～1 500m／s，有明顯的游離氣存在的低速特征，可以認(rèn)為該測(cè)線(xiàn)的相對(duì)高速層速度是水合物層的反映。

2．2．4 速度反演剖面特征

對(duì)地震速度剖面進(jìn)行綜合分析，是水合物地震資料解釋的關(guān)鍵技術(shù)。高精度的速度分析可幫助判定水合物儲(chǔ)層及其厚度和游離氣的分布情況。通常利用測(cè)井、鉆井及地質(zhì)資料，可以較準(zhǔn)確地獲得井孔及其周?chē)》秶鷥?nèi)某一層段的巖性及含水合物信息，但卻難以描述井間以及井孔周?chē)膬?chǔ)層、水合物情況。而高分辨率地震資料在一定程度上可以反映儲(chǔ)層物性信息，在橫向上具有鉆井資料無(wú)可比擬的連續(xù)性。因此通過(guò)高精度的反演對(duì)地震資料進(jìn)行巖性識(shí)別和物性預(yù)測(cè)，是目前行之有效的手段之一［25－27］。

圖6是神狐海域HS622A測(cè)線(xiàn)速度反演剖面。距海底大約200ms的沉積層中有一與海底平行高速帶，厚度約為25m，速度值在2 050m／s左右，是沉積層中有水合物存在的體現(xiàn)。高速層之下有一速度值約為1 800m／s的低速帶，是水合物層之下存在游離氣層的緣故。與層速度剖面相比，有井約束速度反演剖面具有更高的分辨率，能更準(zhǔn)確地判定水合物的富集層位，礦體厚度和游離氣的分布情況，對(duì)水合物的速度精細(xì)解釋起到關(guān)鍵的作用。

圖6 神狐海域HS622A測(cè)線(xiàn)有井約束速度反演剖面圖

運(yùn)用多種特殊地震成像技術(shù)進(jìn)行綜合分析，是水合物地震資料解釋的有效手段。與層速度剖面相比，反演速度剖面的分辨率有了很大的提高，能夠精細(xì)刻畫(huà)地層內(nèi)部速度變化。有井約束速度反演采用聲波測(cè)井速度、伽馬和電阻率等測(cè)井曲線(xiàn)來(lái)做合成記錄，既克服了反演過(guò)程中可能出現(xiàn)的多解性，又補(bǔ)償了地震記錄中缺失的高頻與低頻成分，剖面分辨率比常規(guī)速度剖面和其他層速度剖面有很大的提高，能完全滿(mǎn)足高分辨地震剖面的分辨率（采樣率為1ms）需要。

3 討論

3．1 神狐海域BSR上方振幅空白帶與水合物的關(guān)系

當(dāng)沉積層中含有水合物時(shí)，由于水合物地震波速較高，導(dǎo)致該地層與下伏地層間的反射系數(shù)增大，地震剖面上就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的強(qiáng)反射界面，含水合物層由于孔隙空間被水合物充填膠結(jié)，地層變得“均勻”，地震剖面上通常呈現(xiàn)振幅空白帶或弱振幅帶。一般情況下BSR之上的振幅空白帶是水合物存在的地震響應(yīng)，是水合探測(cè)物的重要地震證據(jù)。同時(shí)，由于振幅減弱程度與水合物含量直接相關(guān)，因此可以利用地震反射振幅信息，間接地估計(jì)水合物的含量及儲(chǔ)量大小［28］。然而2007年水合物鉆探的巖心和測(cè)井資料表明，神狐海區(qū)的地震剖面上弱振幅帶和振幅空白帶相對(duì)應(yīng)的沉積層為比較均勻的粉砂質(zhì)泥，水合物儲(chǔ)層只有11～25m厚，大大低于預(yù)測(cè)的水合物儲(chǔ)層厚度。這表明振幅空白帶與其他地質(zhì)因素也有一定的關(guān)系，如沉積環(huán)境、沉積物巖性等，神狐海域水合物的沉積層只是位于BSR之上較淺的深度范圍內(nèi)，這可能是因?yàn)樾纬伤衔锏募淄闅怏w很可能來(lái)源于原位微生物成因甲烷，分散狀地賦存于沉積物深部［29］。所以要判斷地震剖面上出現(xiàn)的振幅空白帶是否與水合物有關(guān)，必須結(jié)合地層速度特征進(jìn)行綜合分析。

3．2 神狐海域地層速度與水合物飽和度的關(guān)系

神狐海域水合物賦存于海底100～200m的沉積層中。純水合物的聲波速度在3 600m／s左右［30］，理論上水合物的飽和度與地層速度呈線(xiàn)性的正比例關(guān)系，水合物的飽和度越高，地層速度越高。但由于海底地層的構(gòu)造和沉積因素比較復(fù)雜，水合物飽和度的理論計(jì)算，是假設(shè)沉積物均勻變化，忽略了復(fù)雜地質(zhì)因素對(duì)水合物的影響，是一種理想化的計(jì)算結(jié)果，誤差的存在是不可避免的。而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水合物飽和度，是利用巖心中孔隙水測(cè)試氯離子的淡化程度來(lái)計(jì)算，是沉積地層中水合物飽和度的真實(shí)體現(xiàn)。在海底復(fù)雜的地質(zhì)因素作用下，水合物的飽和度與聲波速度并不是單一的比例關(guān)系，而是飽和度隨聲波速度的升高而上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在20%以?xún)?nèi)，但總體趨勢(shì)上隨聲波速度的升高而升高，并集中分布在理論曲線(xiàn)附近［31］。這表明水合物飽和度是影響地層速度的重要因素。

4 結(jié)論

1）地震反射剖面上，由于水合物飽和度、厚度增大，引起含水合物層速度增大產(chǎn)生上拉構(gòu)造，其下方同時(shí)顯示出因低速含氣層引起的速度下拉構(gòu)造，即“眼球狀”的速度振幅異常結(jié)構(gòu)。

2）含水合物層速度的大小與沉積物孔隙度和水合物飽和度密切相關(guān)，水合物飽和度隨聲波速度升高而上下波動(dòng)，總體趨勢(shì)上隨聲波速度的升高而增高。

3）利用高精度的速度反演對(duì)地震資料進(jìn)行巖性識(shí)別和物性預(yù)測(cè)，可得到具有更高分辨率的速度剖面，能更準(zhǔn)確地判定水合物儲(chǔ)層及其厚度和游離氣的分布情況，對(duì)水合物的速度精細(xì)解釋起到關(guān)鍵作用。

4）水合物層內(nèi)部高速層呈平行于海底的帶狀分布，底部速度最高，由底部往上速度逐漸降低。若水合物層下伏地層有明顯的低速特征，則水合物層下含有游離氣體。

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