海上Z區(qū)天然氣水合物地震研究與成藏遠(yuǎn)景預(yù)測

唐志遠(yuǎn)，郭清正，鄧 強(qiáng)，王 敏，魏天罡

(1.中海油 能源發(fā)展工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.天津普達(dá)軟件技術(shù)有限公司，天津 300457；3.中國地質(zhì)科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100020；4.東北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130026；5.中海油 天津分公司，天津 300457)

?

海上Z區(qū)天然氣水合物地震研究與成藏遠(yuǎn)景預(yù)測

唐志遠(yuǎn)1,2,3，郭清正1，鄧 強(qiáng)1，王 敏4，魏天罡5

(1.中海油 能源發(fā)展工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.天津普達(dá)軟件技術(shù)有限公司，天津 300457；3.中國地質(zhì)科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100020；4.東北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130026；5.中海油 天津分公司，天津 300457)

摘要：基于疊前時間偏移地震資料對海區(qū)天然氣水合物進(jìn)行研究，提出一種將地質(zhì)、地震資料相結(jié)合以預(yù)測天然氣水合物礦藏的研究方法。首先結(jié)合物源、構(gòu)造和沉積等資料進(jìn)行地質(zhì)分析，確定天然氣水合物有利成藏區(qū)域的地質(zhì)條件，然后在疊后振幅屬性分析的基礎(chǔ)上，分析了水合物地震B(yǎng)SR的基本響應(yīng)特征，結(jié)合地質(zhì)成藏條件，將本區(qū)域BSR分為4種基本類型。最終在疊前反演的基礎(chǔ)上，預(yù)測水合物及其游離氣的存在，圈定出水合物分布范圍。認(rèn)為水合物在研究區(qū)域海底淺層廣泛分布，并且其分布受氣源條件、儲集空間、溫度和壓力條件同時控制。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；BSR；水合物穩(wěn)定帶；儲層預(yù)測

唐志遠(yuǎn),郭清正,鄧強(qiáng),等.海上Z區(qū)天然氣水合物地震研究與成藏遠(yuǎn)景預(yù)測[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,31(1):29-36.

TANG Zhiyuan,GUO Qingzheng,DENG Qiang,et al.Seismic study and accumulation prediction of natural gas hydrate in a sea area[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(1):29-36.

引言

天然氣水合物是在低溫高壓等一定條件(合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等)下由水和天然氣混合而形成的類冰籠形結(jié)晶化合物[1-2]，廣泛分布于海底或陸地的永久凍土中[3-4]。其中海底水合物占據(jù)資源總量的99%[5]。地震似海底反射(BSR)為海底水合物存在的證據(jù)之一，BSR層界面之上為水合物穩(wěn)定賦存區(qū)域(GHSZ)；BSR層界面之下，因不滿足水合物形成的溫度壓力條件，烴類氣體呈游離態(tài)存在于巖石孔隙中[6]。含水合物地層與之下游離氣地層阻抗差異在BSR界面形成強(qiáng)負(fù)反射特征。受海底地溫場影響，BSR通常和海底平行，與沉積層序斜交[7]。

本文在測井資料和取心等硬性資料缺失的情況下，首先對海上Z區(qū)海槽盆地物源、運移通道、儲集空間以及溫度和壓力等地質(zhì)成藏條件進(jìn)行了評價，然后在對地震資料進(jìn)行保幅疊前時間偏移處理的基礎(chǔ)上，分析水合物在疊后地震資料的響應(yīng)特征，最后在疊前反演的基礎(chǔ)上分析水合物的縱、橫波阻抗響應(yīng)特征，并且提取有利屬性，對水合物在區(qū)域內(nèi)的分布進(jìn)行預(yù)測。綜合分析疊前疊后地震資料對水合物的預(yù)測效果，提出了水合物的鉆前預(yù)測技術(shù)。

1研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于被動陸緣斷層褶皺構(gòu)造帶某新生代沉積盆地北部，處于陸坡深水區(qū)，勘探程度較低。隨著區(qū)域內(nèi)深部豐富油氣藏的發(fā)現(xiàn)，對目標(biāo)區(qū)進(jìn)行了三維地震采集。在對淺層地震資料的分析中發(fā)現(xiàn)了多段似海底反射(BSR)界面。綜合分析表明，區(qū)域內(nèi)河流系統(tǒng)提供了大量的濁積砂巖沉積，深部油氣藏以及淺層河道提供了豐富的物源，廣泛分布的斷裂構(gòu)造提供了理想的油氣運移通道，水深以及穩(wěn)定的區(qū)域環(huán)境為水合物提供了理想的成藏條件。

如圖1所示，研究區(qū)面積約200 km2，水深約2 000 m，目前三維地震資料采集和處理針對深部油氣藏(地層深度超過2 500 m)，無可用的鉆井資料。工區(qū)內(nèi)發(fā)育有底辟構(gòu)造、海底扇、麻坑(Pock mark)和海底滑塌等多種地貌形式，其中西北部發(fā)育海底麻坑地貌，東部主要為河道發(fā)育區(qū)。深部發(fā)現(xiàn)有若干大中型油氣藏，淺層有大量河道，為區(qū)域海底淺層沉積物中水合物發(fā)育提供了豐富的烴類物質(zhì)來源。

圖1　研究區(qū)海底地貌(西北部發(fā)育為海底麻坑地貌，東部為河道發(fā)育區(qū))Fig.1　Basic seafloor geomorphy in the study area

在疊前時間偏移地震資料基礎(chǔ)上對區(qū)域內(nèi)水合物藏進(jìn)行解釋。圖2為工區(qū)內(nèi)某二維地震剖面(方向從西南-東北)。從圖中可以看出，工區(qū)左側(cè)深部氣源通過斷裂系統(tǒng)快速向海底淺層運移，形成的麻坑地貌非常明顯，右側(cè)為河道發(fā)育區(qū)。BSR具有明顯與海底平行、極性反轉(zhuǎn)、其上出現(xiàn)振幅空白帶的特征。只要有充足的氣源供應(yīng)和儲集空間，BSR就可能大量形成并且在工區(qū)內(nèi)廣泛分布。

圖2　目標(biāo)區(qū)疊后地震剖面上的典型BSR特征 Fig.2　A seismic line showing BSR features in the study area

分別對海底和上述BSR進(jìn)行全區(qū)層位追蹤。明顯有海底反射軸為黑色正極性，命名為S層位(圖2黃色線)；BSR反射軸為紅色負(fù)極性，命名為G層位(圖2綠色線)。然后分別對S到S+250 ms以及G-30 ms到G+30 ms提取均方根振幅屬性，前者用以確定工區(qū)內(nèi)河道分布，后者用以確定工區(qū)內(nèi)BSR分布。

圖3顯示工區(qū)內(nèi)BSR分布與淺層河道平面分布。圖中綠色區(qū)域表示低振幅分布區(qū)域、無BSR強(qiáng)反射特征，紅色和黑色區(qū)域為高振幅分布區(qū)域，色彩越重，表示BSR越強(qiáng)?？梢钥闯觯竺娣e的BSR平面分布與河道分布近似，淺層河道沉積物中的大量有機(jī)質(zhì)在還原環(huán)境下，為水合物的生成提供了充足的氣源。工區(qū)西北部區(qū)域河道不發(fā)育，但是可以看到大量的海底麻坑地貌，深部的熱成因氣可能是該部分BSR形成的主要因素。

圖3　基于地震振幅提取的河道及BSR分布Fig.3　River channel and BSR distribution of the study area based on seismic amplitude extraction

2幾種典型BSR分布特征

仔細(xì)對比區(qū)域內(nèi)水合物疊后地震響應(yīng)特征，結(jié)合地質(zhì)成藏條件的認(rèn)識，將區(qū)域內(nèi)BSR分為4種類型：大面積型BSR、亮點型BSR、運移通道型BSR以及雙BSR或多BSR。

(1)大面積型BSR

大面積型BSR在工區(qū)內(nèi)廣泛分布，與河道分布密切相關(guān)，可能與淺層河道提供大量氣體的側(cè)向運移有關(guān)。其氣源成分可能為河道中沉積的有機(jī)質(zhì)在還原狀態(tài)下生成的烴類氣體,也可能有部分氣源從深部沿斷裂運移而來，河道砂只是提供了良好的側(cè)向運移通道。大面積型BSR具有與海底平行、強(qiáng)反射振幅、極性相反等特點。強(qiáng)振幅大面積分布的BSR需要大量氣體的快速運移，淺層有機(jī)碳富集處的良好儲集空間是該類型BSR發(fā)育的理想場所。圖4為包含該類型BSR的地震剖面，顯然大面積型BSR與河道發(fā)育密切相關(guān)，河道為BSR發(fā)育提供了豐富的烴類物質(zhì)來源，相對而言，左側(cè)的BSR因為缺少烴類物質(zhì)而振幅較弱。

圖4　大面積型BSR地震剖面特征Fig.4　Widely spreading BSR characters in the study area

(2)亮點型BSR

亮點型BSR出現(xiàn)在低孔低滲圍巖背景下的局部高孔高滲區(qū)域，圍巖生成和運移的烴類氣體在亮點處富集，與水化合形成水合物藏。此類型的水合物藏具有規(guī)模小、飽和度高的特點，是勘探開發(fā)的重點目標(biāo)之一。在日本Nankai海槽和美國東海岸的Blake Ridge地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量BSR分布，但其鉆探結(jié)果卻往往令人失望，其原因主要是水合物飽和度較低，大部分區(qū)域不具有開發(fā)價值[8]。因此，在這些區(qū)域?qū)ふ腋呖紫抖?、高滲透率的儲層具有重要意義。圖5顯示了地震剖面上水合物穩(wěn)定帶的1個亮點型BSR，可能為優(yōu)質(zhì)砂巖內(nèi)水合物的高密度聚集區(qū)。

圖5　亮點型BSR的地震剖面特征Fig.5　Bright spot BSR characters in the study area

(3)沿運移通道分布型BSR

在水合物穩(wěn)定帶之內(nèi)，只要有合適的儲集空間，孔隙流體中甲烷濃度大于溶解度時就有可能形成水合物。圖6清晰地顯示了深部氣源向海底的運移通道以及大量氣體釋放形成的海底表面塌陷(海底麻坑)地貌。水合物在海底淺層的運移通道中形成，斷層或者斷裂為水合物賦存提供了儲集空間。工區(qū)內(nèi)沿斷層運移通道分布的BSR一般與海底麻坑聯(lián)系緊密，分布范圍小，并且不與海底平行，只是與水合物形成和聚集有關(guān)，在平面上顯示為顆粒狀。

圖6　沿運移通道分布的BSR地震剖面特征Fig.6　Characters of BSR distributing along migration channel in the study area

(4)雙BSR或者多BSR

雙BSR或者多BSR曾在多個地區(qū)(Blake Ridge，Storegga Slide等)出現(xiàn)，在黑海地區(qū)曾發(fā)現(xiàn)有5個BSR[9]。這些BSR的反射極性都為負(fù)，在每層BSR之下只包含少量氣?，F(xiàn)在對多BSR的解釋包括：(1)溫度壓力的變化導(dǎo)致天然氣水合物穩(wěn)定帶底界面的變動。一個現(xiàn)代的BSR伴隨一個之前殘留BSR，也就是在之前地質(zhì)時期的穩(wěn)定帶內(nèi)生成的水合物層的殘留痕跡；(2)水合物氣體的成分差異造成，不同氣體形成的水合物有其獨立的穩(wěn)定帶，水合物復(fù)雜的成分形成多層BSR。

水合物的形成與分解受溫度壓力條件限制，海底的地質(zhì)活動以及海平面的變化都有可能造成舊BSR分解和新BSR形成。圖7為工區(qū)內(nèi)包含雙BSR的地震剖面，圖中綠色線為海底滑塌之前存在的BSR，可以看出并不與現(xiàn)有海底平行，在滑塌構(gòu)造部位，部分舊BSR已逐步分解，滑塌造成了水合物穩(wěn)定帶底界面降低，一組新的BSR(藍(lán)色線)正逐步形成。

3疊前反演與屬性分析

只依據(jù)地震剖面上反射特征來識別BSR，并據(jù)此確定水合物及游離氣的存在，受人為因素影響大，識別精度難以保證。天然氣水合物和游離氣的地震識別與預(yù)測已經(jīng)從對疊后地震數(shù)據(jù)分析到對疊前地震數(shù)據(jù)分析，由早期對振幅響應(yīng)、波形特征及速度結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展到利用多種反演技術(shù)對地震數(shù)據(jù)提取多屬性、多彈性參數(shù)綜合分析。當(dāng)水合物分散于孔隙流體時，儲層具有縱波速度增加而橫波速度基本不變的特征。因此，通過疊前AVO/AVA反演獲得的縱、橫波信息可以更精確地對水合物藏進(jìn)行識別和預(yù)測。

圖7　雙BSR分布的地震剖面特征Fig.7　Double BSR characters in the study area

3.1水合物相關(guān)的AVO特征

最早關(guān)于BSR的AVO研究是為了在鉆前確認(rèn)BSR底界面下的氣藏，目標(biāo)集中于分析地震B(yǎng)SR是由水合物還是氣藏引起。Sava等[10]采用基于巖石物理模型分析的辦法合成地震道集，用以反演BSR的AVO特征，通過對Blake Ridge陸緣的BSR地震資料分析發(fā)現(xiàn)BSR為水合物沉積層與下覆游離氣層分界面，并且BSR振幅隨著偏移距的增大明顯負(fù)向增大。這種現(xiàn)象是因為BSR之上的P波速度大于BSR之下的P波速度，同時BSR之上的S波速度小于BSR之下的S波速度。

圖8(a)為大面積型BSR的疊加地震剖面，可以看出BSR連續(xù)且明顯，具有與海底平行、切割沉積層序，與海底反射極性相反的特點。圖8(b)為在疊加地震剖面上三角形對應(yīng)的CDP點抽取疊前CRP道集，分析發(fā)現(xiàn)，在疊前道集上BSR的AVO特征明顯，反射極性與海底相反，并且隨著入射角度的增加反射系數(shù)負(fù)向降低，具有第四類AVO特征。在保幅疊前偏移資料的基礎(chǔ)上，對上述4種類型的BSR分別提取疊前AVO道集顯示如圖9所示，可以看出大面積型、亮點型以及雙BSR型的道集都具有明顯的第四類AVO特征，其中大面積型AVO特征最強(qiáng)。

為進(jìn)一步認(rèn)識水合物儲層及其之下的游離氣層對AVO響應(yīng)特征的影響，通過建立數(shù)值模型的辦法進(jìn)行研究。圖10為參考Sava等[10]在Blake Ridge陸緣的巖性參數(shù)信息建立的水合物BSR界面模型，圖中水合物儲層與含氣儲層都是孔隙度為37%的砂巖，因溫壓條件限制儲層上部氣體與水結(jié)合形成水合物，儲層下部氣體以游離氣形式存在，兩者界面形成BSR。

圖8　大面積型BSR的響應(yīng)特征Fig.8　Response characters of widely distributing BSRs in the study area

圖9　不同BSR的AVO響應(yīng)特征Fig.9　AVO response characters of different distribution types of BSRs in the study area

圖10　建立的天然氣水合物BSR界面模型Fig.10　Mathematical model established for BSR reflection in gas hydrate reservoir

采用流體替代的辦法分別計算不同含水合物飽和度(飽和度Sgh從0%到99%變化)下儲層速度信息，并由此得到不同含水合物飽和度情況下儲層的AVO反射特征。圖11為儲層段入射角從0°到45°變化的AVO反射特征曲線。從圖11可以看出：(1)含水合物飽和度較低情況下，儲層呈現(xiàn)第三類AVO反射特征，隨著水合物飽和度從低到高增加到70%，PP波從第三類AVO響應(yīng)逐漸變?yōu)榈谒念愴憫?yīng)；(2)在小入射角度的反射軸比在大入射角時能更好地區(qū)分水合物飽和度。出現(xiàn)上述變化的主要原因是由于隨著飽和度的增加，水合物引起地層膠結(jié)作用導(dǎo)致橫波速度明顯增加。研究工區(qū)內(nèi)水合物具有第四類AVO反射特征表明，工區(qū)內(nèi)水合物很可能以具有高飽和度并占據(jù)大量孔隙空間的形式存在。

圖11　不同飽和度下儲層AVO反射特征Fig.11　AVO reflection characters of reservoir at different gas-hydrate saturation

3.2疊前反演儲層預(yù)測

研究區(qū)處于勘探開發(fā)初期，缺失測井以及巖心分析資料，給疊前反演帶來很大困難。為建立合理的可用于疊前反演的初始模型，采用速度分析的辦法獲得地層疊加速度，通過Dix方程轉(zhuǎn)換為層速度。通過Gardener公式計算密度，從鄰近區(qū)域的縱橫波經(jīng)驗關(guān)系獲得橫波速度。通過疊前反演獲得縱波阻抗、橫波阻抗、Vp/Vs等屬性參數(shù)。

圖12顯示大面積分布型BSR的地震剖面以及疊前反演結(jié)果。BSR之上的紅色條帶區(qū)域為水合物發(fā)育區(qū)，之下的藍(lán)綠色區(qū)域為游離氣帶?？梢钥闯觯衔镌诏B前反演剖面上特征明顯，具有明顯的高縱波阻抗、高縱橫波速度比、橫波阻抗變化不明顯的特點，與BSR之下的游離氣層所體現(xiàn)的低縱波阻抗與低縱橫波速度比的特征形成鮮明對比。

圖12　大面積型BSR疊前反演剖面特征Fig.12　Prestack inversion characters of widely spreading BSR in the study area

比較利用λ/μ，Vp/Vs，P×G等疊前地震屬性預(yù)測水合物藏的效果，最終選用截距P×梯度G作為優(yōu)選屬性。圖13為疊后振幅屬性與疊前反演P×G屬性預(yù)測水合物分布效果的對比。從圖中可以看出截距-梯度乘積屬性以及均方根振幅所顯示的BSR平面分布區(qū)域大致相同，這也證實工區(qū)內(nèi)BSR大面積分布，優(yōu)質(zhì)BSR發(fā)育區(qū)域與河道有關(guān)，疊前反演結(jié)果具有更高的分辨率。因此，在資料缺乏的地震勘探初期，疊后屬性可以作為水合物預(yù)測的直接指示因子。

圖13　水合物分布預(yù)測Fig.13　Gas hydrate distribution predicted by poststack amplitude attribute and prestack inversion attribute

4結(jié)論

(1)根據(jù)海上Z區(qū)海槽地震資料反射特征，結(jié)合物源、運移通道、儲集空間等地質(zhì)條件差異，將水合物儲層分為大面積型、亮點型、運移通道型和雙BSR型4種主要類型。

(2)在勘探開發(fā)初期，測井資料和巖心數(shù)據(jù)缺乏的情況下，疊后屬性可以作為水合物預(yù)測的直接指示因子。

(3)水合物儲層的AVO特征的疊前預(yù)測結(jié)果表明，與疊后反演方法相比，疊前反演方法對水合物儲層的識別和預(yù)測具有更高分辨率。

致謝：審稿專家提出了眾多有益修改意見，在此表示感謝！

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]金慶煥，張光學(xué)，楊木壯，等.天然氣水合物資源概論[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]Kvenvolden K A.Gas hydrates-geological perspective and global change[J].Reviews of Geophysics,1993,31:173-187.

[3]Makogon,Y F,Holditch S A,Makogon T Y.Natural gas hydrates:a potential energy source for the 21stcentury[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2007,56(1/3):14-31.

[4]Grover T.Natural gas hydrates-issues for gas production and issues for gas production and geotechnical stability[D].Texas:Texas A & M University,2008.

[5]Boswell R,Collett T.The gas hydrate resource pyramid,fire in the ice[EB/OL].http://www.netl.doe.gov/technologies/oil-gas/publications/Hydrates/Newsletter/HMNewsFall06.Pdf.

[6]Sassen R,Sweet S T.Thermogenic vent gas and gas hydrate in the Gulf of Mexico slope:is gas hydrate decomposition significant?[J].Geology,2001,29(2):107-110.

[7]Hyndman R D,Spence G D.Geophysical studies of marine gas hydrate in northern Cascadia[C].American Geophysical Union Monograph,2001.

[8]Tsuji Y,Namikawa T,Fujii M,et al.Extended abstract-methane hydrate occurrence and distribution in the eastern Nankai trough[J].AAPG Memoir,2009,89:9-12.

[9]Bünz S,Mienert J,Vanneste1 M,et al.Gas hydrates at the Storegga Slide:Constraints from an analysis of multi-component,wide-angle seismic data[J].Geophysics,2005,70(5):B19-B34.

[10] Sava D,Hardage B A.Rock physics characterization of hydrate-bearing deepwater sediments[J].The Leading Edge,2006,26(5):616-619.

責(zé)任編輯：王輝

DOI：10.3969/j.issn.1673-064X.2016.01.005中圖分類號：TE122.1

文章編號：1673-064X(2016)01-0029-08

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-09-17

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究規(guī)劃“973”項目(編號：2011CB201103)

作者簡介：唐志遠(yuǎn)(1984-)，男，博士，主要從事地球物理綜合解釋研究。E-mail：mmg00@163.com

Seismic Study and Accumulation Prediction of Natural Gas Hydrate in a Sea Area

TANG Zhiyuan1,2,3,GUO Qingzheng1,DENG Qiang1,WANG Min4,WEI Tiangang5

(1.Energy Development Engineering Technology Branch,CNOOC,Tianjin 300457,China;2.Puda Software Technology Co.,Ltd., Tianjin 300457,China;3.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100020,China; 4.Research Institute of Exploration and Development,Northeast Oil and Gas Branch of Sinopec,Changchun 130026,Jilin,China; 5.Tianjin Branch,CNOOC,Tianjin 300457,China)

Abstract:The natural gas hydrate in the sea area locating in the northern part of a Cenozoic Basin is studied based on pre-stack time migration seismic data,and a method for predicting natural gas hydrate reservoirs by combining geological data with seismic data is proposed.Firstly,carry out geological analysis based on gas source,structure and sedimentary data to determine the geological conditions favorable to natural gas hydrate accumulation,and then analyze the seismic characteristics of BSR(bottom simulating reflector)based on the analysis of post-stack seismic profile,the BSR is divided into four types.Finally,predict the distribution of natural gas hydrate and free gas based on gas pre-stack inversion.According to prediction result,it is held that natural gas hydrate widely distributes in the sea area,and its distribution is influenced by gas source condition,storage space,and temperature and pressure conditions.

Key words:natural gas hydrate;BSR;hydrate stability zone;reservoir prediction