含天然氣水合物介質(zhì)地震空白帶成因研究

尤加春,馮 凱,王 成,杜漫霖,劉學(xué)偉

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京100083;2.中國石油天然氣股份有限公司海外勘探開發(fā)公司，北京100034)

天然氣水合物是一種具有巨大潛在開發(fā)價(jià)值的新型海洋能源礦產(chǎn),在世界各大海洋中均有廣泛分布[1]。目前對于天然氣水合物的勘探主要采用地震方法,地震剖面上水合物賦存區(qū)域出現(xiàn)的空白帶(blanking zone)及似海底反射(BSR)等地球物理特征是識別海底天然氣水合物的主要標(biāo)志[2-3]。地震空白帶和似海底反射作為天然氣水合物地震識別的一個(gè)重要特征,同時(shí)也是目前天然氣水合物地震識別方法研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[4]。

地震空白帶是存在于BSR之上的反射波振幅相較于正常的反射波振幅要弱的天然氣水合物賦存區(qū)域[5]。對于地震空白帶的存在與天然氣水合物的關(guān)系有多種解說。Holbrook等[6]將布萊克海臺阻抗差的減小,即振幅空白的原因歸結(jié)為這一地區(qū)沉積的均質(zhì)性。Shipley等[7]研究認(rèn)為,振幅空白是沉積物孔隙充填天然氣水合物造成的。但這兩種觀點(diǎn)都由于缺乏實(shí)際的地震模型而難以解釋。孫春巖等[8]建立了水合物飽和度不隨孔隙度變化(CGHC)以及水合物飽和度隨孔隙度變化(VGHC)的模型,認(rèn)為天然氣水合物飽和度的變化是引起振幅空白的主要原因。但CGHC和VGHC模型建立在均勻介質(zhì)假設(shè)之上,而實(shí)際情況是,天然氣水合物在地層中大多是非均勻分布的,因此,上述模型還不足以解釋地震空白帶形成的原因。胡高偉等[9-10]利用彎曲元技術(shù)研究了含水合物松散沉積物的聲學(xué)特征,認(rèn)為天然氣水合物在孔隙中生成時(shí)形成的懸浮粒子對超聲波信號產(chǎn)生了散射衰減。這一現(xiàn)象為地震空白帶形成原因的研究提供了一種新的思路。

認(rèn)識地震空白帶的成因有利于認(rèn)識并探測天然氣水合物在地層中的賦存狀態(tài)。但對于天然氣水合物地震空白帶形成的原因,目前并未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。我們在前人工作的基礎(chǔ)上,分析了滲透型天然氣水合物(水合物在地層中非均勻分布)在地層中賦存的微觀模型及南海神狐地區(qū)實(shí)際地震偏移剖面,嘗試建立了一種天然氣水合物非均勻分布的地球物理模型,利用該模型研究了水合物非均勻分布對地震反射波的散射影響及這種散射作用與水合物飽和度的關(guān)系,并據(jù)此給出了地震空白帶形成的一種合理解釋。

1 一階應(yīng)力-速度彈性波動方程及有限差分離散

正演計(jì)算的地震記錄基于彈性波動方程。在均勻各向同性二維彈性介質(zhì)下,x-z平面內(nèi)的一階應(yīng)力-速度彈性波動方程[11-12]為

(1a)

(1b)

其中,τxx,τxz,τzz是應(yīng)力張量;Ux,Uz分別為位移的水平分量和垂直分量;ρ為彈性介質(zhì)的密度;λ,μ為拉梅系數(shù)。

在利用交錯(cuò)網(wǎng)格法求解一階應(yīng)力-速度彈性波動方程時(shí),速度和應(yīng)力是分別在t+Δt/2和t時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算的。在時(shí)間偏導(dǎo)上采用傳統(tǒng)的二階差分近似計(jì)算,在空間偏導(dǎo)上采用如下形式的高階差分近似計(jì)算:

(2)

在利用有限差分、有限元等方法正演模擬地震波場傳播規(guī)律時(shí),激發(fā)的波場在模擬區(qū)域的邊界會不可避免地產(chǎn)生邊界反射,為此采用了吸收效果最佳的完全匹配層(PML)[13]邊界條件。

2 含天然氣水合物的非均勻雙相孔隙介質(zhì)模型

實(shí)際地層大多是多相孔隙介質(zhì),孔隙空間中填充的并不是單一的氣相或液相物質(zhì),而是由液相、氣相甚至其它固相介質(zhì)(如冰、天然氣水合物)組成的混合物質(zhì)。鑒于此,我們以研究滲透型天然氣水合物地震空白帶的形成原因?yàn)楸尘?建立了水合物在地層中非均勻分布的雙相孔隙介質(zhì)模型,如圖1所示。模型共4層,第1層為海水;第2(孔隙度為65%)和第3層(孔隙度為58%)為含天然氣水合物儲層;第4層為含氣層,孔隙度為45%,孔隙空間中含氣和水(氣的飽和度為30%,水的飽和度為70%)。模型大小為2000m×2000m。模型中水合物呈非均勻隨機(jī)分布,水合物非均勻分布的位置由隨機(jī)函數(shù)給出[14-15],其中a,b分別為水平方向和垂直方向的自相關(guān)長度。根據(jù)南海神狐地區(qū)實(shí)際鉆井資料,模型的巖石骨架由石英、黏土、白云母、斜長石和方解石按一定比例組成:第2層石英22%,白云母20%,斜長石8%,黏土30%,方解石20%;第3層石英37%,白云母20%,斜長石8%,黏土15%,方解石20%;第4層石英37%,白云母20%,斜長石8%,黏土15%,方解石20%。模型第2層和第3層中空白區(qū)為水飽和區(qū),黑點(diǎn)區(qū)為含天然氣水合物區(qū)。水飽和區(qū)不含天然氣水合物,孔隙空間完全填充水,彈性參數(shù)可由Kuster-Toksoz等效介質(zhì)理論(計(jì)算公式見附錄A)和Gassmann方程計(jì)算得到。[16]圖1中黑點(diǎn)區(qū)表示水合物賦存區(qū),其微觀模型為:巖石骨架(與水飽和區(qū)的巖石骨架完全相同)、天然氣水合物及水。我們將天然氣水合物作為固體骨架的一部分[17-18]來進(jìn)行研究,以期得出定性上的一般認(rèn)識和結(jié)論,并利用Helgerud等提出的等效介質(zhì)理論計(jì)算水合物賦存區(qū)雙相孔隙介質(zhì)的彈性參數(shù)(參見附錄B及文獻(xiàn)[19])。

(3)

圖1 含天然氣水合物的巖石物理模型

3 數(shù)值模擬與分析

為研究孔隙度一定時(shí)、不同水合物飽和度情況下地震散射波的響應(yīng)及其對地震空白帶成因的影響,設(shè)計(jì)了天然氣水合物飽和度分別為2%,10%,15%,20%,25%,30%,40%,50%,60%,70%和80%時(shí)的11種模型。圖2是模型的縱波速度隨天然氣水合物飽和度變化的曲線,可見縱波速度隨水合物飽和度的增大而增大。圖3是天然氣水合物飽和度為50%時(shí)的速度模型。

圖2 縱波速度隨天然氣水合物飽和度變化的曲線

圖3 天然氣水合物飽和度為50%的模型縱波速度分布

有限差分正演計(jì)算的空間步長Δx=Δz=5m,時(shí)間步長Δt=0.001s。正演震源采用主頻為45Hz的Ricker子波,震源深度200m。道間距為5m,炮間距為20m,一個(gè)排列設(shè)置有400個(gè)檢波器,共正演計(jì)算100炮地震記錄。

對正演計(jì)算得到的共炮集記錄進(jìn)行克希霍夫疊前深度偏移(偏移參數(shù)設(shè)置相同),圖4是天然氣水合物飽和度最大和最小時(shí)的偏移剖面。

對圖4進(jìn)行定性分析可見:在水合物飽和度較低時(shí),模型中第2層與第3層的反射同相軸清晰可見,說明非均勻分布的水合物對地震反射波的散射衰減作用較弱。當(dāng)水合物飽和度較大時(shí),模型中第2層與第3層的反射同相軸幾乎不可見,說明地層中非均勻分布的水合物對地震反射波的散射衰減作用較強(qiáng)。同時(shí),海底與BSR之間的反射雜亂無章,反射同相軸發(fā)生錯(cuò)斷,該現(xiàn)象與實(shí)際剖面的地震空白帶頗為相似。說明在水合物飽和度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),實(shí)際海底中非均勻分布的天然氣水合物可以造成地震波能量的較大衰減,使正常地層的反射同相軸消失,在地震剖面上出現(xiàn)空白帶。

3.1 散射波、反射波相對能量變化分析

由不同天然氣水合物飽和度的偏移剖面可見,隨著地層中非均勻分布的水合物飽和度的變化,地震散射波、反射波的能量也相應(yīng)發(fā)生了變化。為研究地震散射波、反射波的相對能量值隨水合物飽和度的變化關(guān)系[20],也為進(jìn)一步定量研究地層中非均勻分布的天然氣水合物對地震波的散射衰減強(qiáng)度,在正演偏移剖面中劃分了3個(gè)區(qū)域(對應(yīng)模型中的位置見圖1):①散射波zone-1區(qū)Ds,該區(qū)域用于研究含水合物區(qū)域的散射衰減;②層間反射波zone-2區(qū)Dr,該區(qū)域用于研究含水合物地層的層間反射衰減；③BSR反射zone-3區(qū)DBSR，該區(qū)域用于研究BSR處的反射衰減。在上述3個(gè)區(qū)域分別按照下列公式計(jì)算其能量Di:

圖4 不同天然氣水合物飽和度模型的正演偏移剖面a 水合物飽和度為2%; b 水合物飽和度為80%

(4)

其中，u(x,z)為偏移剖面中的波場值。散射波、反射波相對能量的定義分別為

(5)

圖5為正演偏移剖面上散射波、反射波相對能量隨天然氣水合物飽和度變化的關(guān)系曲線。從圖5 可見,在地層孔隙度一定時(shí),模型中的層間反射波zone-2區(qū)域、BSR反射zone-3區(qū)域的相對能量變化趨勢與水合物飽和度的變化趨勢成反比,而散射波zone-1區(qū)域的相對能量變化趨勢與水合物飽和度的變化趨勢成正比。分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:地層中非均勻分布的天然氣水合物飽和度的增加,意味著孔隙流體中水合物微粒增多及孔隙流體飽和度減小。根據(jù)散射理論,水合物微粒增多增加了非均勻體對地震反射波的散射作用,使散射波相對能量增大,反射波相對能量減小。

圖5 正演偏移剖面上散射波、反射波相對能量隨天然氣水合物飽和度變化的關(guān)系曲線

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)天然氣水合物飽和度從2%增加到80%時(shí),層間反射波zone-2區(qū)域的相對能量衰減率為54%。反射波振幅減弱正是地震空白帶的主要特征,說明滲透型天然氣水合物非均勻分布體對反射波的散射效應(yīng)能使反射能量減弱而形成地震空白帶,當(dāng)水合物飽和度高到一定程度時(shí),水合物不均勻體產(chǎn)生的散射波能量會增大到在地震空白帶內(nèi)產(chǎn)生“亮點(diǎn)”(圖4b)。

從圖5中同時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)?shù)貙又蟹蔷鶆蚍植嫉奶烊粴馑衔锏娘柡投仍黾訒r(shí),BSR反射zone-3區(qū)的相對能量衰減率為25%。與上述分析相同,在水合物飽和度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),地層中非均勻分布的天然氣水合物對地震反射波的強(qiáng)烈衰減使BSR現(xiàn)象的可辨識度降低,這也可以用于解釋為什么會在一些實(shí)際地震剖面中出現(xiàn)“存在天然氣水合物而無BSR特征”的現(xiàn)象。

3.2 頻率衰減梯度分析

地震空白帶在動力學(xué)上表現(xiàn)為地震波高頻能量的強(qiáng)烈衰減,這種能量衰減可以通過能量隨頻率的衰減梯度、指定能量比所對應(yīng)的頻率、指定頻率段的能量比等物理參數(shù)來指示。本文討論的頻率衰減梯度[21]是衰減屬性中的一種,它指示高頻段的地震波能量隨頻率的變化情況,表征了能量衰減的程度。其計(jì)算公式為

(6)

其中,E1和f1表示總能量衰減到65%時(shí)的能量和頻率,E2和f2表示總能量衰減到85%時(shí)的能量和頻率。具體的計(jì)算方法為:首先對每道地震記錄做時(shí)頻分析,在時(shí)頻剖面上把檢測到的最大能量頻率作為初始衰減頻率,再計(jì)算65%和85%時(shí)的地震波能量分別對應(yīng)的頻率,在這個(gè)頻率范圍內(nèi),根據(jù)頻率對應(yīng)的能量值,擬合出頻率與能量的衰減梯度,得到振幅衰減梯度因子,如圖6所示。

為研究地震空白帶的成因,計(jì)算了模擬地震記錄的頻率衰減梯度,繪制了圖1所示模型中兩個(gè)層間反射區(qū)域的頻率衰減梯度值隨天然氣水合物飽和度的變化關(guān)系曲線(圖7)。

圖6 頻率衰減梯度計(jì)算

從圖7可見,在地層孔隙度一定、天然氣水合物飽和度增加時(shí),zone-2和zone-3區(qū)域的頻率衰減梯度值也相應(yīng)增大,說明地震能量衰減的程度增大,據(jù)此可以預(yù)見地震波能量應(yīng)呈現(xiàn)減小趨勢。這與圖5中zone-2區(qū)域和zone-3區(qū)域的相對能量隨水合物飽和度的增加呈減小趨勢相吻合。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)?shù)貙又蟹蔷鶆蚍植嫉奶烊粴馑衔镲柡投仍黾訒r(shí),其對地震波的散射衰減作用增強(qiáng),導(dǎo)致了地震波能量的衰減,進(jìn)一步表現(xiàn)為頻率衰減梯度的增加。

圖7 zone-2區(qū)域(a)和zone-3區(qū)域(b)頻率衰減梯度與天然氣水合物飽和度的變化關(guān)系曲線

綜合上述分析可見,對于滲透型天然氣水合物,當(dāng)其在地層中飽和度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),孔隙空間中非均勻分布的水合物微粒對反射波有較強(qiáng)的散射作用。結(jié)合正演偏移剖面(圖4)、相對能量曲線(圖5)、頻率衰減梯度曲線(圖7)對比發(fā)現(xiàn):天然氣水合物的非均勻分布對反射波振幅散射衰減較大,足以使水合物賦存區(qū)域反射波振幅相對于正常反射波振幅降低50%以上。在含高飽和度水合物的地層中,反射波振幅衰減更大,而反射波能量的衰減對應(yīng)了偏移剖面上振幅的減弱。由此不難得出結(jié)論:當(dāng)天然氣水合物成藏模式為滲透型時(shí),水合物在地層中的非均勻分布對反射波的散射衰減是地震振幅空白帶形成的主要原因。

4 結(jié)束語

我們從彈性波動方程的一階應(yīng)力-速度方程出發(fā),利用高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分正演方法計(jì)算了在地層孔隙度一定時(shí)、不同天然氣水合物飽和度下地震散射波的響應(yīng),并對模擬結(jié)果進(jìn)行了定性和定量分析,初步認(rèn)為:地層中非均勻分布的天然氣水合物產(chǎn)生的散射作用的強(qiáng)弱與水合物的飽和度成正比,是地震空白帶形成的主要原因,并對BSR的形成也有重要影響。本文著重討論的是滲透型天然氣水合物在地層中非均勻分布對反射波的散射作用,對于天然氣水合物成藏模式為擴(kuò)散型時(shí)地震空白帶的形成原因及不同的成藏模式對地震空白帶形成的影響還有待進(jìn)一步研究。

附錄A Kuster-Toksoz等效介質(zhì)理論

式中:Km,μm為背景介質(zhì)m的體積模量和剪切模量;Ki,μi為第i種包含物的體積模量和剪切模量;xi為第i種包含物所占的體積百分比;Pmi,Qmi為在背景介質(zhì)中加入包含物材料i后的效果(本文考慮包含物的形狀為球形)。

附錄B Helgerud等提出的等效介質(zhì)理論計(jì)算公式

天然氣水合物沉積層的體積模量Kdry與剪切模量Gdry的計(jì)算公式分別為

式中：φc為臨界孔隙度(范圍36%～40%);Ks為巖石骨架的體積模量;Gs為巖石骨架的剪切模量。

根據(jù)Hertz-Mindlin的理論,在巖石孔隙度為臨界孔隙度時(shí),干巖石骨架有效體積模量和剪切模量計(jì)算公式為

(B4)

當(dāng)水合物是骨架的一部分時(shí),會使孔隙度減小,也會改變固體部分的體積模量、剪切模量和密度。固體部分的體積模量和剪切模量根據(jù)Hill平均方程修正為

(B5)

式中：m為組成巖石礦物成分的數(shù)目;fi為第i種礦物的體積百分比;Ki,Gi分別為第i種礦物的體積模量和剪切模量。

當(dāng)孔隙空間中含有水和氣體時(shí),孔隙流體的體積模量利用等效介質(zhì)理論進(jìn)行計(jì)算,其公式為

(B6)

參 考 文 獻(xiàn)

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