海底地震儀探測(cè)天然氣水合物技術(shù)

柴 祎 郝小柱

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760

天然氣水合物是烴類氣體在低溫高壓條件下與水混合形成的籠形化合物，廣泛分布于大陸永久凍土、海洋淺層沉積物中。海洋中的天然氣水合物主要存在于水深大于300米海底以下2000m以淺的沉積層中[1]。海底地震儀是放置于海底的檢波器，其直接與海底接觸，可以采集到縱波和橫波數(shù)據(jù)，而且其采集的數(shù)據(jù)是寬方位角，其信息可以有效地接受來(lái)自于高阻層之下的地層反射或者折射。前人研究表明橫波速度在天然氣水合物中不論其飽和度如何變化，速度變化始終較?。豢v波速度隨著天然氣水合物的飽和度的減小，其速度會(huì)越來(lái)越小。海底地震儀就是利用這一靶點(diǎn)探測(cè)天然氣水合物。

1 海底地震儀觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是找到最佳的采集參數(shù)組合和海底地震儀（OBS）分布間距，使海底沉積層的成像能夠滿足勘探需要。一般采用射線追蹤法和波動(dòng)方程法正演以及聚焦理論進(jìn)行分析研究，確定采集參數(shù)和OBS的布局方式，從而實(shí)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]。鑒于OBS一般和海面拖纜聯(lián)合采集，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮施工因素。觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須首先根據(jù)地質(zhì)資料對(duì)目的層進(jìn)行地質(zhì)建模，然后用利用正演優(yōu)選炮間距、測(cè)線間距以及OBS的間距和排列方式。雖然投放于海底的OBS數(shù)量有限，但是選取合適的參數(shù)通過(guò)合理布局，可以獲得較好的縱橫波信息和轉(zhuǎn)換波信息。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了在南海某海域，要取得良好的成像效果，OBS間距分部小于500m的結(jié)論[3]。

2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

海底地震數(shù)據(jù)處理的主要目的就是獲得有效的PP波和PS的速度信息，改善地震剖面的成像質(zhì)量，進(jìn)一步弄清天然氣水合物礦體的外部形態(tài)和內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)，為綜合識(shí)別、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)水合物礦體服務(wù)。

OBS數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理和常規(guī)處理。

1）數(shù)據(jù)解編和格式轉(zhuǎn)換

把野外數(shù)據(jù)從OBS里導(dǎo)出，再把每個(gè)分量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成后處理及解釋所需要的格式。

2）二次定位

OBS投放后，受水流的影響一般會(huì)漂離投放位置，因此，需要根據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次定位。檢波點(diǎn)位置二次重定位分析是基于限定偏移距范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)線性動(dòng)校正后觀測(cè)初至?xí)r間是否對(duì)齊，以此為依據(jù)來(lái)判斷檢波點(diǎn)位置坐標(biāo)是否存在偏差。

3）時(shí)間校正

由于OBS放置于海底沒(méi)有GPS的精確授時(shí)，主要依靠?jī)?nèi)部時(shí)鐘計(jì)時(shí)，由于海底環(huán)境的變換會(huì)產(chǎn)生的時(shí)間偏差。時(shí)間校正就是為了消除時(shí)間漂移對(duì)初至波走時(shí)的影響。

4）水平分量旋轉(zhuǎn)

在投放OBS的過(guò)程中，OBS會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和水平漂移，造成OBS的沉底位置與設(shè)計(jì)的方位有差異而導(dǎo)致預(yù)定的水平分量接收方位不在最佳的極化方向，因此要對(duì)水平分量作旋轉(zhuǎn)。

5）基準(zhǔn)面校正

OBS勘探其放炮點(diǎn)和檢波器點(diǎn)不在同一個(gè)基準(zhǔn)面上而是上下高差很大，因此需要做基準(zhǔn)面校正。選用海水面做基準(zhǔn)面可用有限差分法波場(chǎng)延拓技術(shù)進(jìn)行處理，相當(dāng)于常規(guī)處理中的靜校正[4]。

6）常規(guī)處理包括濾波、反褶積、增益、傅里葉變換以及頻譜分析、速度分析[5]。其中速度分析是處理的重中之重。

速度分析包含P波速度分析和PS速度分析。P波速度分析與常規(guī)的NMO速度分析相同，PS波由于其時(shí)距曲線不是雙曲線，需要求取轉(zhuǎn)換波時(shí)距曲線，按照轉(zhuǎn)換波時(shí)距曲線進(jìn)行振幅疊加求取速度譜，進(jìn)而進(jìn)行速度分析[6][7]。

3 資料解釋應(yīng)用

海底地震儀所采集的數(shù)據(jù)不僅是廣角數(shù)據(jù)，而且包含了縱橫波以及轉(zhuǎn)換波信息。通過(guò)分析處理可以得到沉積物中天然氣水合物和游離氣的分布情況以及天然氣水合物沉積層孔隙度、飽和度等物理參數(shù)。具體而言主要包括以下幾個(gè)方面

3.1 天然氣水合物響應(yīng)特征

海底地震儀放置于海底，能夠接收到縱波和轉(zhuǎn)換橫波，綜合利用這些信息，可以更好的為描述海底沉積層構(gòu)造特點(diǎn)和含油氣屬性服務(wù)，這也是其優(yōu)勢(shì)所在。通過(guò)前人研究得知縱波在純天然氣水合物中的速度一般很高，因此天然氣水合物含量越高，P波速度相應(yīng)也越高，若水合物中含有氣體則其速度會(huì)大幅降低。而橫波只是在固相介質(zhì)中傳播，因此沉積層中是否含有非固相介質(zhì)對(duì)于其速度傳播基本沒(méi)有影響。由此可以得出如下推論：除開地質(zhì)因素影響，若P波速度譜在某段降低，而S波速度譜無(wú)變化，則此段地下可能存在游離氣；P波速度譜在某段升高，而S波速度譜無(wú)變化，預(yù)示該區(qū)域的該段內(nèi)可能存在天然氣水合物。所以在通過(guò)分析P波，PS波速度曲線判斷是否存在天然氣水合物時(shí)，一定要充分考慮工區(qū)地質(zhì)條件，排除地質(zhì)因素后的速度變化才是真正的異常響應(yīng)[5]。

3.2 AVO分析與反演

天然氣水合物層所獨(dú)有的縱橫波特征使得AVO分析與反演技術(shù)在OBS的勘探中發(fā)揮著廣泛的作用[8]。OBS采集海底各巖層的彈性波的多波多分量信息，在利用振幅隨偏移距變化（AVO）進(jìn)行彈性參數(shù)反演中，這些分量對(duì)反演所作的貢獻(xiàn)是不同的，體現(xiàn)在各反射波的反射系數(shù)與彈性參數(shù)的信息量及其組合關(guān)系的關(guān)聯(lián)程度是不同的。利用波場(chǎng)正演技術(shù)分析研究海底多波地震資料中蘊(yùn)含彈性參數(shù)的信息，有助于充分利用海底多波地震資料提高AVO反演彈性參數(shù)的可靠性[9]。

4 結(jié)論

近年來(lái)，OBS應(yīng)用于探測(cè)天然氣水合物技術(shù)取得了很好的進(jìn)展，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。今后OBS的發(fā)展取決于本身檢波器的發(fā)展和OBS數(shù)據(jù)的處理。本文簡(jiǎn)單介紹了OBS探測(cè)天然氣水合物技術(shù)，從觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置，到處理以及資料的應(yīng)用都做了概述。在這些流程中OBS數(shù)據(jù)的處理最關(guān)鍵，如何找到一種適用且成熟的處理方法有待于更多的研究。

[1]潘繼平，李思田 ，許紅. 天然氣水合物的重要特征與評(píng)價(jià)及其在中國(guó)海域的勘探前景[J]. 海洋地質(zhì)與第四季地質(zhì)，2000，20（1）:63-72.

[2]曾先軍，伍忠良，郝小柱. 天然氣水合物礦體的三維地震與海底高頻地震聯(lián)合采集技術(shù)一海底地震儀觀測(cè)系統(tǒng)研究 [J]. 海洋技術(shù) ，2010，29（1）:124-130.

[3]伍忠良，馬德堂，沙志彬. 海底地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（2）:194-197.

[4]楊鍇，徐世勇等. 有限差分法波場(chǎng)延拓海水基準(zhǔn)面校正[J].中國(guó)海上油氣（地質(zhì)），1999，13（5）:p342-345.

[5]夏常亮，劉學(xué)偉，夏密麗，劉恩華. 應(yīng)用OBS探測(cè)海底天然氣水合物[J]. 勘探地球物理進(jìn)展 2008，31（4）:259-264.

[6]Jurgen Mienerta. Stefan Bunza. Ocean bottom seismometer investigations in the Ormen Lange area offshore mid-Norway provide evidence for shallow gas layers in subsurface sediments[J]. Marine and Petroleum Geology，2005，（12）:287-297.

[7]Chris LeBlanc，etc. Gas hydrate off Eastern Canada:Velocity models from wide-angle seismic profiles on the scotian Slope[J]. Marine and Petroleum Geology，2007，（24）:321-335.

[8]吳志強(qiáng)，陳建文，龔建明，肖國(guó)林，文 麗. AVO技術(shù)在水合物勘探中的應(yīng)用[J]. 海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)，2004，20（6）:31-35.

[9]顧家明，王家映，江濤，朱光明. 海底多波多分量AVO蘊(yùn)含彈性參數(shù)信息的定量分析[J]. 2000，35（1）:56-63.