海洋含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征分析

張如偉， 李洪奇， 文鵬飛， 張寶金

1 中國石油大學(北京)， 油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249 2 國土資源部海底礦產資源重點實驗室， 廣州海洋地質調查局， 廣州 510075

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海洋含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征分析

張如偉1,2， 李洪奇1， 文鵬飛2， 張寶金2

1 中國石油大學(北京)， 油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249 2 國土資源部海底礦產資源重點實驗室， 廣州海洋地質調查局， 廣州 510075

隨著水合物含量的增加，往往會引起縱、橫波速度的增加，同時也會引起衰減的變化.針對含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征分析，有助于水合物含量的估計.本文以有效介質理論模型(EMT)為基礎，研究了海洋未固結含水合物沉積層的縱、橫波速度的非線性變化趨勢.同時采用BISQ模型替代有效介質模型中的Gassmann方程，具體分析了全頻帶范圍內海洋含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征.采用該模型，速度與衰減均隨著水合物含量的增加而增加，且?guī)r石孔隙度與泥質含量對衰減系數的影響較小.針對大洋鉆探計劃(ODP)164航次的實際數據，運用該模型方程計算采用聲波測井數據(20 kHz)與VSP數據(100 Hz)，分別獲取了水合物穩(wěn)定帶的飽和度數據，平均在5%～7%之間，由于速度頻散的影響，VSP估算結果要弱低于聲波測井估算數據，均與實測保壓取芯的甲烷含量數據、他人研究成果以及神經網絡趨勢預測結果均有著較好的一致性.對南海神狐海域三口鉆位開展了水合物含量預測，與保壓取芯結果有著較好的吻合關系.同時基于層剝離法提取該區(qū)域某地震測線BSR層的等效Q值，采用本文方法估算了該區(qū)域的等效天然氣水合物含量15%～30%.數值模擬與實際應用結果表明：含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征均隨著水合物含量的變化而變化，聯合利用這一些變化特征，有助于天然氣水合物含量的估計.

天然氣水合物； 有效介質理論； BISQ模型； 速度頻散； 地震衰減

1 引言

天然氣水合物作為一種全新的清潔能源，廣泛分布于海洋陸坡帶邊緣與凍土帶中，是一種似冰狀的籠形結晶物，一般生成于高壓低溫的環(huán)境中(Sloan， 1998).似海底反射(BSR)是地震剖面上水合物識別的主要標志之一(宋海斌等，2007)，呈現出負極性、與海底近似平行、斜交于一般地層等特點(Hyndman and Spence, 1992)，這主要是由于水合物能夠硬化巖石骨架，而導致沉積物速度增加，而下伏地層一般為游離氣層(張光學等，2014).BSR一般作為水合物穩(wěn)定帶的底界與游離氣層的分界面(Singh et al., 1993; Holbrook et al., 1996).

天然氣水合物對于速度的影響已經得到了較好的認識，隨著水合物含量的增加，縱、橫波速度均呈現不同趨勢的增加(王秀娟等，2006；牛濱華等，2006；張如偉等，2011).同時眾多學者針對這種增加的機制，也提出了許多巖石物理方程，例如：Lee加權方程(Lee et al., 1996)、膠結理論(Ecker et al., 1998)、有效介質模型(Helgerud et al., 1999, Ecker et al., 2000)與三相Biot理論方程(Carcione and Tinivella, 2000; Lee and Waite, 2008)等等.然而，針對含水合物層衰減的研究還處于爭論的階段.基于BIOT理論與Ecker的三種水合物沉積模式，分析了水合物地層的速度與衰減特征(張聿文等，2004).對加拿大Mallik 2L-38水合物鉆位的聲波波形數據研究發(fā)現，水合物的存在將增加衰減(Guerin and Goldberg, 2002)；Mallik的VSP數據同樣顯示出比較明顯的衰減(Bellefleur et al., 2007)；同時實驗室儀器也模擬到隨著水合物的增加，衰減在地震頻帶(50～500 Hz)內也非線性增加(Best et al., 2013; Priest et al., 2006)；然而，Nanki地區(qū)的VSP數據顯示含水合物沉積層區(qū)域并沒有明顯衰減(Matsushima, 2006).這些研究表明，天然氣水合物的衰減似乎隨研究區(qū)域變化，在相同的研究區(qū)域隨采集設備的不同而變化(Dewangan et al., 2014).理論上，水合物的出現會強化沉積物，從而增加體積模量與剪切模量，因此期望衰減一般隨著水合物含量的增加而減少.然而，眾多的實際資料已經表明，衰減一般隨著水合物含量的增加而增加(Dvorkin and Uden, 2004)，本文將模擬這一結論.

本文將有效介質模型(Helgerud et al., 1999)與BISQ模型(Dvorkin and Nur, 1993)相結合，模擬海洋含水合物層的速度頻散與衰減特征.BISQ模型將全局的BIOT流動機制與局部的噴射流機制有效的結合，可以模擬全頻帶的頻散與衰減趨勢(聶建新等，2010).針對ODP的164航次與南海神狐海域實測的數據，運用本文的巖石物理模型，計算得到了水合物的飽和度分布，預測結果與保壓取芯實測數據有著較好的一致性.

2 巖石物理模型

2.1 有效介質理論模型

Helgerud等(1999)建立了有效介質模型的方法，主要為評價高孔隙含天然氣水合物或者氣體海洋沉積物的彈性模量.干燥的巖石骨架的體積模量KHM與剪切模量GHM計算公式為

(1)

其中，n是顆粒間的平均連接系數，n=9，φc為臨界孔隙度，φc=0.38，P=(ρb-ρw)gD， ρb為沉積物骨架密度，ρw為孔隙水密度，g為重力加速度，D為海底之下的深度，v為泊松比，v=(3K-2G)/(6K+2G)，K與G分別為固相的體積模量與剪切模量，可采用Hill(1952)平均公式計算：

(2)

其中,m為礦物成分的數目，fi為第i個成分的體積分數，Ki與Gi為第i個成分的體積模量與剪切模量.

依據Dvorkin等(1999)的計算公式，可知干燥沉積物的體積模量Kdry與剪切模量Gdry分別為

(3)

(4)

則飽和沉積物的體積模量與剪切模量可以通過Gassmann方程來求?。?/p>

(5)

最后可以獲取縱波速度VP與橫波速度VS：

(6)

2.2 BISQ模型

Dvorkin和Nur(1993)將全局的BIOT流動機制與局部的噴射流機制結合，提出了統一的BISQ模型，其P波的相速度、衰減系數及逆品質因子的表達式為

(7)

式中，Kdry和Gdry別為干燥沉積物的體積模量與剪切模量，φ為孔隙度，ρs和ρf分別為固相和流體密度，ρa為固相與流體的耦合附加密度，R為特征噴射流長度，K為固相體積模量，Kf為流體體積模量，η為流體黏度，κ為滲透率.

3 數值模擬

本文在有效介質模型的基礎上，分別獲取沉積物骨架和干燥巖石的體積模量與剪切模量，采用BISQ模型來替代有效介質模型中的Gassmann模型，能夠更加有效的研究速度與衰減隨頻率的變化規(guī)律.圖1為本文理論模型的研究思路，假定天然氣水合物作為巖石骨架的一部分，水合物含量的增加會相應地降低巖石孔隙度.固相部分為石英、泥巖與天然氣水合物，流體為水.表1為本文數值模擬采用的參數.3.1 水合物速度頻散特征

由于天然氣水合物作為巖石骨架的一部分，則隨著水合物含量的增加，充填水的孔隙度會相應的減少，可以用如下公式表示：

圖1 本文模型研究思路Fig.1 The research method of this model

參數標示值單位石英體積模量Kg36GPa石英剪切模量Gg45GPa石英密度ρg2.65kg·m-3泥巖體積模量Kc20.9GPa泥巖剪切模量Gc6.85GPa泥巖密度ρc2.58kg·m-3純水合物體積模量Kh6.41GPa純水合物切模量Gh2.54GPa純水合物密度ρh0.91kg·m-3水體積模量Kf2.29GPa水密度ρf1.04kg·m-3水黏度η1.0×10-3Pa·s臨界孔隙度φc0.38滲透率κ100×10-15m2顆粒間連接系數n9海底之下深度D500mbsf

(8)

其中，Sh為水合物飽和度.

為了研究縱、橫波速度隨充填水孔隙度的變化規(guī)律，分別選用三種巖石孔隙度(20%、40%、60%).針對每類巖石，天然氣水合物的含量均在0～100%之間變化，從而使充填水孔隙度也會相應變化.從圖2中可以觀察出，無論沉積物中是否含有水合物，速度均隨著孔隙度的增加而減少.并且當含有水合物時，隨著充填水孔隙的增加(相應為水合物含量的降低)，縱、橫波均呈現非線性的下降趨勢，當達到飽含水(水合物含量為0)時，與不含水合物的背景線重合.同時也可以看出，在巖石中充填水孔隙度小于20%時，速度變化趨勢較大，而當該值大于40%時(未固結狀態(tài))，這種變化趨勢就較少，同時橫波速度的變化趨勢要小于縱波速度的變化趨勢.

當結合有效介質模型與BISQ理論之后，該模型即可在全頻帶范圍內適用，圖3為縱波速度隨頻率的變化趨勢圖.縱波速度隨頻率是一個非線性變化的過程，中低頻段時(<10 kHz)，縱波速度基本不變，當達到特征頻率時，快速增加到一定的值，而在超高頻時(>10 MHz)，縱波速度再次變化趨勢不明顯.同時隨著水合物含量的增加，縱波速度隨頻率的變化特征會整體上升，并且低頻與高頻的變化趨勢更加明顯.圖4模擬的是不同的頻帶范圍內，縱波速度隨水合物含量的變化規(guī)律.無論在任何頻率范圍，縱波速度均隨著水合物含量的增加而非線性增加，同時頻率越高，縱波速度值也會越高，但基本趨勢一致.圖中的黑點為南海實測三口鉆位的水合物樣本的數據，地震頻帶與測井頻帶均能較好的吻合，兩者區(qū)分不大.

圖2 縱、橫波速度隨充填水孔隙度的變化趨勢圖Fig.2 P-wave and S-wave velocity vary with water-filled porosity

同時，本文引入頻散度的計算公式：

(9)

該公式是表示縱波速度從低頻到高頻跳躍的變化率，與流體、孔隙度、泥質含量與水合物含量等密切相關.圖5分別模擬從地震頻帶(100 Hz)到超聲頻帶(10 MHz)、從測井頻帶(30 kHz)到超聲頻帶(10 MHz)的頻散度隨水合物含量變化圖，隨著水合物含量的增加，不同頻帶的頻散度均逐漸非線性增加，且頻率差異越大，頻散度值整體偏大.在實際處理中，可以依據頻散度的變化來參考衡量水合物的含量的變化.

3.2 水合物衰減特征

天然氣水合物含量的變化，在引起速度頻散的變化特征之外，也會導致地層中衰減系數的變化，也有助于水合物含量的估計.圖6反映了衰減系數隨頻率與水合物含量的變化特征，在特征頻率(100 kHz左右)處，衰減最大，同時隨著水合物含量的增加，衰減將逐漸增加，并且其峰值也逐漸向低頻移動.本文研究的衰減規(guī)律是一種增加趨勢，這與一些期望的減弱衰減不同，但許多實例數據表明水合物的出現會增加衰減，已在引言中進行詳細的論述.

圖3 縱波速度隨頻率的變化趨勢Fig.3 P-wave velocity vary with frequency

圖4 不同頻帶范圍內縱波速度隨水合物含量的變化趨勢Fig.4 P-wave velocity vary with hydrate concentration from different frequency

同時在沉積層中含有天然氣水合物時，模擬了巖石孔隙度與泥質含量引起的衰減變化特征.圖7為在水合物含量為20%時，衰減系數隨頻率與巖石孔隙度的變化規(guī)律，當巖石孔隙度增加時，衰減峰值逐漸向高頻移動，并且有微弱減少趨勢，但40%與50%之間峰值大小變化不明顯.這說明巖石孔隙度主要改變衰減峰值出現的頻率位置，巖石孔隙度越低，峰值越可能在低頻出現，而衰減峰值基本變化不大.圖8為在水合物含量為20%時，衰減系數隨頻率與巖石泥質含量的變化規(guī)律，可以明顯觀察出，泥質含量對衰減系數改變不是特別大，既不能改變峰值出現的頻率位置，也無法較大地改變衰減峰值的大小.綜合圖6、圖7與圖8的研究結論，可以說明沉積層中水合物含量的變化是引起衰減變化的關鍵因素之一.

圖5 頻散度隨著水合物含量的變化趨勢Fig.5 Dispersion degree vary with hydrate concentration

圖6 衰減系數隨著頻率與水合物飽和度的變化規(guī)律Fig.6 The attenuation factor vary with frequency and hydrate concentration

圖7 衰減系數隨頻率與孔隙度的變化規(guī)律Fig.7 The attenuation factor vary with frequency and porosity

圖8 衰減系數隨頻率與泥質含量的變化規(guī)律(水合物含量為20%)Fig.8 The attenuation factor vary with frequency and shale content (The hydrate concentration is 20%)

4 實際數據應用

4.1 北美布萊克海脊

本文采用的實際數據為ODP-164航次的實鉆數據，該航次于1995年在北美陸坡的布萊克海脊發(fā)現比較明顯的BSR特征，并鉆獲到水合物樣本(Guerin et al., 1999).圖9為995鉆位的測井數據與VSP數據，BSR位于海底以下440 m左右，VSP數據與測井數據的縱波速度、橫波速度與電阻率在天然氣水合物穩(wěn)定帶(海底至BSR)內均有明顯增加趨勢.依據氯離子含量測定與保壓取芯的甲烷含量結果，估算的天然氣水合物飽和度位于0～9%之間(Dickens et al.,1997).Helgerud 等(1999)采用有效介質理論估算了995鉆位的天然氣水合物含量，假設水合物作為固相的一部分，估算的背景天然氣水合物含量為2%～4%，水合物含量的峰值位于8%～9%.Guerin 等(1999)利用阿爾奇公式估算得到天然氣水合物含量分布于0～13%之間，并與保壓取芯的甲烷含量結果比較吻合.

圖10為依據本文的巖石物理模型，采用聲波測井數據與VSP數據分別計算得到的水合物含量分布，聲波測井數據計算頻率取20 kHz，VSP數據計算頻率取100 Hz.從圖中可以看出，兩者的變化趨勢基本一致，均隨著海底之下深度的增加逐漸增加，在水合物穩(wěn)定帶內，依據聲波測井數據估算的水合物含量位于0～12%之間，平均飽和度為7%；依據VSP數據估算的水合物含量位于0～8%之間，平均飽和度為5%，要弱低于聲波測井數據估算的結果，這主要是兩類數據由于采集頻率的不一致引起的速度頻散影響.兩類估算結果均與實測保壓取芯(PCA)的甲烷含量(圖10中黑色圓點)的結果吻合較好，同時與Helgerud等(1999)以及Guerin等(1999)估算的結果保持著一致性.

同時采用神經網絡進行了預測驗證本文計算水合物飽和度變化趨勢的可靠性，將縱波速度、橫波速度、電阻率、GR值與孔隙度作為輸入層，隱含層為5層，輸出層為天然氣水合物飽和度，以實測保壓取芯的甲烷含量采樣點作為樣本訓練網絡，同時對結果進行中值濾波處理，其預測結果與采用測井聲波數據與VSP數據的估算結果基本一致.通過與保壓取芯的甲烷含量結果對比、他人研究成果對比以及神經網絡預測結果對比，表明本文方法具有一定的適用性與可信度，同時也考慮到在數據采集頻率不一致時引起的天然氣水合物的速度頻散對天然氣水合物含量估算的影響.

4.2 南海神狐海域

2007年4—6月，我國在位于南海北部陸坡的神狐海域成功鉆獲了天然氣水合物實物樣本(陸敬安等，2008；徐華寧等，2014).圖11是南海神狐海域三口鉆獲水合物樣本的位置圖，均處于陸坡帶邊緣位置，水深1200 m左右(梁勁等，2013；Zhang et al.,2015).圖12是南海神狐海域SH7、SH2與SH3井水合物含量預測結果，由于該區(qū)域缺少VSP數據進行佐證，僅采用聲波測井數據來計算水合物含量，聲波測井數據頻率取20 KHz.SH7鉆位在三口井中的海底深度最小，水合物分布于153～180mbsf，水合物含量為20%～42%；SH3鉆位的天然氣水合物分布于191～224.5mbsf，水合物含量為25%～46%；SH2鉆位的聲波測井數據受井眼垮塌影響嚴重，本文采用電阻率曲線對聲波數據進行校正(龔洪林等，2008)，校正前的縱波速度為虛線，而校正后為實線，其水合物分布于190～201mbsf，預測的水合物含量為12.5%～25.5%.依據于保壓取芯(PCA)的天然氣水合物實測含量數據，三口鉆位預測的結果均比較可靠.

圖9 ODP164航次995鉆位的測井數據與VSP數據圖Fig.9 The logging and VSP data in 995 hole, ODP Leg 164

圖10 多種方法估算的天然氣水合物含量Fig.10 The gas hydrate concentration estimated from multiple methods

為了更好地研究海洋天然氣水合物引起的衰減特征，本文基于Q值提取的層剝離法(Zhang and Ulrych,2002; Liu and Wei,2005)，提取了與BSR相關的等效地震品質因子(圖13a).地震等效Q值基本位于180～280之間，平均值為230左右.在強而連續(xù)BSR的區(qū)域(CDP#600-720，#900-1100), 等效Q值比較集中且較低，平均為200左右；在弱且不連續(xù)BSR的區(qū)域(CDP#250-500，#720-900)，提取的等效Q值比較分散，平均值均高于前者，為250左右.表明強BSR區(qū)域的地震衰減要大于弱BSR區(qū)域，在一定程度上說明，隨著天然氣水合物飽和度的增加，衰減會逐漸增加(Q值會逐漸減少)，這與本文方法研究的結論比較一致.同時采用本文方法，依據提取的等效Q值來估算天然氣水合物的含量(圖14)，大約區(qū)于15%～30%之間，與距離較近的SH3井的實測水合物飽和度12.5%～25.5%有一定的吻合關系.但需要說明的是，由于提取的是等效Q值，與真實地層的Q值對比，可能會受到地震子波、幾何擴散、薄層調諧以及非彈性以外散射的影響，所估算的天然氣水合物的含量會存在一些誤差，但其變化趨勢具有一定的可信度.

圖11 南海神狐海域三口鉆位的位置圖Fig.11 The location of three stations in Shenhu area, South China Sea

5 結論

本文采用BISQ理論替代有效介質模型中的Gassmann方程，具體分析了全頻帶范圍內海洋含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征，有助于水合物含量的估計.天然氣水合物含量的增加會引起縱、

圖12 南海神狐海域SH7、SH2與SH3井水合物含量預測結果Fig.12 The prediction results of hydrate concentration from well SH7, SH2 and SH3 in Shenhu area, South China Sea

圖13 南海神狐海域地震測線提取的等效品質因子(a)及時間偏移地震剖面(b)Fig.13 (a)The variation in effective quality factor (Q) along the inline seismic profile in the Shenhu area, South China Sea. (b) The interpreted time-migrated seismic section highlighting major features such as BSR

圖14 依據Q值采用本文方法估算的等效天然氣水合物含量Fig.14 The estimated effective gas hydrate saturation using the method in this paper based on the seismic Q-values

橫波速度的非線性增加，但由于海洋含水合物沉積物一般為未固結狀態(tài)(高孔隙度)，變化趨勢要明顯小于低孔隙度巖石，同時橫波速度的變化趨勢要小于縱波速度.天然氣水合物的速度頻散與衰減特征同樣比較明顯，縱波速度隨頻率是一個非線性變化的過程，中低頻段時(<10 kHz)，縱波速度基本不變，當達到特征頻率時，快速增加到一定的值.而在超高頻時(>10 MHz)，縱波速度再次變化趨勢不明顯.同時隨著水合物含量的增加，縱波速度隨頻率的變化特征會整體上升，并且低頻與高頻的變化趨勢更加明顯.同時隨著水合物含量的增加，頻散度與衰減系數也會隨之非線性增加.而巖石孔隙度的變化僅影響衰減峰值出現的頻率位置，泥質含量既不能改變峰值出現的頻率位置，也無法較大地改變衰減峰值的大小，可以說明沉積層中水合物含量的變化是引起衰減變化的關鍵因素之一.北美布萊克海脊與南海神狐海域的實例分析表明，采用本文方法估算的天然氣水合物含量均與保壓取芯的實測數據有著較好的對應關系，同是采用疊前地震數據提取BSR層的等效Q值，也是估算水合物含量以及變化趨勢的有效手段.聯合采用速度與衰減來估算水合物含量，能夠在一定程度上提高其預測的精度，也可以對不同頻率的數據進行匹配融合使用，是以后天然氣水合物分析的主要研究方向之一.

致謝 本文部分實驗數據來源于ODP-164航次，感謝該航次全體研究人員.

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(本文編輯 汪海英)

The velocity dispersion and attenuation of marine hydrate-bearing sediments

ZHANG Ru-Wei1,2, LI Hong-Qi1,WEN Pen-Fei2, ZHANG Bao-Jin2

1ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,Beijing102249,China2KeyLaboratoryofMarineMineralResources,MinistryofLandandResources,GuangzhoumarineGeologicalSurvey,Guangzhou510075,China

P-wave and S-wave velocity will increase when the concentration of gas hydrate increases, and the attenuation will vary too. The analysis of velocity dispersion and attenuation for hydrate-bearing sediments (GHBS) would contribute to the estimate of gas hydrate concentration. Based on effective medium theory (EMT), we study the nonlinear variation feature of P-wave and S-wave velocity for marine unconsolidated hydrate-bearing sediments. Moreover, we use BISQ model to replace Gassmann equation in the EMT, and research the velocity dispersion and attenuation of hydrate-bearing sediments in the full frequency band. Based on this model, the velocity and attenuation always increase with the increasing amount of gas hydrate, and the rock porosity and clay content doesn′t make any differences to the attenuation. After the numeral modeling, we apply the sonic logging (20 kHz) and VSP (100 Hz) data from Ocean drilling Program (ODP) leg 164 to obtain the concentration of gas hydrate stability zone (GHSZ). In the application, the average hydrate concentration of GHSZ from hole 995 in ODP leg 164 is about 5%～7%, consistent with the pressure core sample (PCA) data, Helgerud et al.′s research conclusions, and the prediction data from neural network (NN). Due to the velocity dispersion, the estimated hydrate concentration from VSP data is lower than the estimated results from sonic logging data. The prediction results of three hydrate stations (SH2, SH3 and SH7) from Shenhu area also coincide with the PCA, South China Sea. Moreover, based on the peak frequency method, the effective seismic quality factors (Q) of the BSR are estimated from the inline prestack seismic gathers. TheQ-values suggest the effective saturation of gas hydrate estimated by this model fluctuates between 15%～30%. The results of numeral modeling and applications indicate that the velocity dispersion and attenuation of GHBS always vary with the concentration of hydrate. The study of velocity dispersion and attenuation feature for GHBS in the full frequency band would contribute to the estimate of gas hydrate concentration.

Gas hydrate; Effective medium theory; BISQ model; Velocity dispersion; Seismic wave attenuation

10.6038/cjg20160924.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2009CB219505)與國家高技術研究發(fā)展計劃(2013AA092501)聯合資助.

張如偉，男，1984年生，高級工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(北京)，主要從事海洋地震數據處理、反演與天然氣水合物預測的方法與應用研究.目前正在中國石油大學(北京)攻讀工學博士學位. E-mail:cgszrw@163.com

10.6038/cjg20160924

P631

2015-04-18，2016-07-19收修定稿

張如偉， 李洪奇， 文鵬飛等. 2016. 海洋含水合物沉積層的速度頻散與衰減特征分析. 地球物理學報，59(9):3417-3427,

Zhang R W, Li H Q, Wen P F,et al. 2016. The velocity dispersion and attenuation of marine hydrate-bearing sediments.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(9):3417-3427,doi:10.6038/cjg20160924.