海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害的高分辨率地震預(yù)測技術(shù)

王海平,李春雷，焦敘明，劉劍濤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探研究院，天津 300451；2.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部工程勘察作業(yè)公司，天津 300451)

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海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害的高分辨率地震預(yù)測技術(shù)

王海平1,李春雷1，焦敘明1，劉劍濤2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探研究院，天津 300451；2.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部工程勘察作業(yè)公司，天津 300451)

為降低海上鉆井及施工風(fēng)險(xiǎn)，利用渤海及西非某區(qū)塊最新采集的高分辨率地震資料，結(jié)合研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景及鄰井鉆探數(shù)據(jù)，對淺海及深水鉆井面臨的各類地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了研究。利用地震相分析、波阻抗反演、井(孔)震標(biāo)定、屬性分析等中深部油氣勘探的成熟技術(shù)，分析了各類海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害因素的成因、特征、危害及展布規(guī)律，總結(jié)了一套利用高分辨率地震資料預(yù)測海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害的技術(shù)方法。經(jīng)鉆井證實(shí)，利用高分辨率地震資料對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，可以有效地防范各類鉆井風(fēng)險(xiǎn)，并可為今后海上油田施工提供可靠的工程地質(zhì)調(diào)查成果。

高分辨率地震；海底；淺層；地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測

1 引 言

近年來隨著海洋油氣勘探開發(fā)的逐漸深入，越來越多的危及鉆井及海上施工安全的海洋地質(zhì)災(zāi)害事件時有發(fā)生。地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的安全問題已經(jīng)成為制約海上油氣工程發(fā)展的一大難題，因此加強(qiáng)井位工程地質(zhì)調(diào)查及井區(qū)潛在工程地質(zhì)災(zāi)害因素研究，對于確保鉆井安全、防范次生安全事故具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

對于海洋災(zāi)害地質(zhì)的調(diào)查研究，是20世紀(jì)80年代初期隨著海洋油氣的大規(guī)模勘探與開采發(fā)展起來的[2]。前人針對海洋地質(zhì)災(zāi)害的分類、特征、成因、危害及研究趨勢進(jìn)行了較為深入的研究，并取得了豐富的研究成果。Francesco等人通過大量研究資料對海底及淺層災(zāi)害地質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)，描述了一個理想大陸邊緣海底淺層存在的潛在地質(zhì)災(zāi)害因素[3](圖1)。

總體上，海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害可以分為三類：①海底地質(zhì)災(zāi)害，如斷崖、氣漏、水合物山、不穩(wěn)定陸坡、海底滑坡、塌陷、塔礁和暗礁等；②淺層地質(zhì)災(zāi)害，如斷層、含氣沉積物、超壓帶、低壓帶、天然氣水合物、淺水流和埋藏古河道等；③人為災(zāi)害，如管線、井口設(shè)施、通訊電纜等人造設(shè)施。

在海洋地質(zhì)災(zāi)害研究中，如何進(jìn)行海底淺層地質(zhì)災(zāi)害因素的預(yù)測是關(guān)鍵。受成本限制，國內(nèi)多采用淺剖、單道地震或24道地震開展工作。海洋石油公司在各海域積累了豐富的高分辨率地震資料，與其他淺層調(diào)查手段相比，利用這些資料對海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，具有資料獲取方便、調(diào)查深度大、覆蓋面廣、技術(shù)方法多的優(yōu)點(diǎn)，特別是在早期地質(zhì)災(zāi)害研究方面具有非常明顯的優(yōu)勢。

2 研究資料與方法

2.1 地震資料處理及解釋

淺層地震資料的處理流程一般采取將近道數(shù)據(jù)去噪、反褶積、多次波衰減、偏移、疊加等常規(guī)處理，為了提高分辨率，可采用特殊的處理技術(shù)以達(dá)到更好的成像效果。

對淺層地震資料的解釋主要有兩個目的：①為地質(zhì)災(zāi)害因素研究提供地層格架，確定某種災(zāi)害地質(zhì)因素的頂?shù)咨疃确秶?；②為使用其他地球物理方法如相干體技術(shù)、 屬性分析技術(shù)等提供約束層位。

圖1 理想大陸邊緣海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害分布(據(jù)Francesco等修改)Fig.1 Distribution map of seafloor and shallow geological hazards of an idealized continental margin (modified by Francesco)

圖2 渤海某研究區(qū)淺層地震資料解釋方案Fig.2 Interpretation version of shallow seismic data in a study area of the Bohai sea

追蹤對比的淺層地震層位應(yīng)該選取那些上下波組特征明顯，易于全區(qū)追蹤對比的反射界面。區(qū)域不整合面必須選擇，在區(qū)域不整合面界定的地層單元內(nèi)，根據(jù)研究需要選取局部不整合面進(jìn)行追蹤和對比。以渤海某區(qū)塊為例，該三維地震工區(qū)的道間距為12.5 m，針對研究區(qū)內(nèi)淺層工程地質(zhì)的特點(diǎn)，在500 ms以上，選擇海底(Sb)、第四系底(Qb)、層位A(HorzionA)、層位B(HorzionB)、層位C(HorzionC)五套層位進(jìn)行了全區(qū)解釋[1](圖2)。

利用DIX公式對時間域疊加速度轉(zhuǎn)換的層速度結(jié)果建立時深轉(zhuǎn)換速度模型，將地震層位進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換。通過編制等t0圖及構(gòu)造圖，可以統(tǒng)計(jì)出每套地震層位的頂?shù)咨疃?，便于開展后續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)工作。

2.2 研究方法與思路

通過對渤海及西非某區(qū)塊的淺層地質(zhì)災(zāi)害研究工作，總結(jié)了一套利用高分辨率地震資料預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的技術(shù)方法(圖3)。具體思路為：對研究區(qū)內(nèi)已有鉆井資料進(jìn)行分析，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，對潛在的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行初步分析；將地震資料針對淺層成像處理后，利用地震資料綜合解釋軟件，建立解釋數(shù)據(jù)庫；選擇對災(zāi)害地質(zhì)研究有重要意義的地震層位進(jìn)行全區(qū)解釋，并進(jìn)行構(gòu)造精細(xì)成圖，分析淺層斷裂及深部斷層的展布規(guī)律，同時對海底地貌條件進(jìn)行評價(jià)；利用地震相識別、多屬性分析、波阻抗反演、疊前反演等技術(shù)對淺層地質(zhì)災(zāi)害的分布范圍及深度進(jìn)行預(yù)測，研究各類地質(zhì)災(zāi)害因素的成因及危害，最終達(dá)到鉆前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測或者區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)的目的(圖3)。

圖3 研究方法與思路Fig.3 Research methods and ideas

下面結(jié)合研究實(shí)例，就海底及淺層地質(zhì)災(zāi)害的地震預(yù)測方法展開詳細(xì)論述。

3 海底地質(zhì)災(zāi)害的地震預(yù)測

海底地質(zhì)災(zāi)害大部分都是由地貌因素引發(fā)的各類海底不穩(wěn)定造成的。通過編制海水深度圖、海底坡度圖及海底立體顯示圖可以清晰地識別各類潛在的海底地質(zhì)災(zāi)害。

渤海海域大量泥沙的堆積使得海水深度變淺，平均水深18 m，全海區(qū)50%以上水深不到20 m。平緩的海底地貌條件決定了危害鉆井安全的海底陡坡、麻坑、溝槽等海底地形地貌因素極少發(fā)育。

深水海域海水深度變化范圍可達(dá)數(shù)百米至上千米，相較于淺水陸架區(qū)域海底地貌條件更為復(fù)雜。以西非某區(qū)塊為例，在49 km2范圍內(nèi)，海水深度變化范圍為610～1 140 m(圖4(a))，分布有大量的海底峽谷及氣體逸散形成的麻坑(圖4(b))，起伏不平的海底地形，可能對錨固造成困難，影響鉆井船就位。在鉆探過程中，可能造成海床局部失穩(wěn)，對鉆桿造成沖擊破壞。

圖4 西非某區(qū)塊海底地形Fig.4 Seabed topography of a block in West Africa

4 淺層地質(zhì)災(zāi)害的地震預(yù)測

不同海域淺層地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育類型和致災(zāi)機(jī)制主要受控于晚中生代以來的構(gòu)造沉積體系的疊加影響。因此在對淺層地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測前，必須重視研究區(qū)晚白堊世以來的構(gòu)造沉積演化歷史。

4.1 淺層斷裂

渤海海域在郯廬斷裂帶形成的走滑拉張環(huán)境下，淺層斷層具有多種類型的剖面組合樣式。這些斷層向下逐漸歸攏至深大斷裂，大部分?jǐn)嗔阎恋谒南档撞徽厦娼Y(jié)束，一部分?jǐn)嗔言诘谒南道^續(xù)活動，斷至海底后形成所謂的“通天”斷層[1]。

在深水白堊紀(jì)及新生代盆地淺部地層中經(jīng)常發(fā)育一類具有層控、斷距小、平面呈多邊形展布的小型伸展斷層，其成因目前尚存有爭論[4]。這類斷層無法通過剖面拾取進(jìn)而進(jìn)行平面組合的傳統(tǒng)斷層解釋方法進(jìn)行刻畫，但是可以通過沿層提取相干體切片的技術(shù)加以識別。圖5(a)為沿解釋層位shallow6往上50 ms提取的相干體切片，可以清晰地識別出在shallow5與shallow6層位之間發(fā)育的大量的多邊形斷層(圖5(b))。

斷層發(fā)育帶內(nèi)巖體往往較為破碎，活動斷層對工程穩(wěn)定性存在一定的影響，特別是對樁基影響很大，在渤海海域摸清淺層斷裂的分布范圍及深度是科學(xué)合理設(shè)計(jì)樁基的關(guān)鍵。在海上鉆井過程中鉆遇淺層斷裂，需要及時調(diào)整泥漿比重，預(yù)防塌孔、卡鉆或者鉆井液大量漏失等事故的發(fā)生。

4.2 淺層氣

淺層氣通常是指海底以下數(shù)十米至數(shù)百米地層內(nèi)聚積的有機(jī)氣體。按其成因一般可以分為兩類，即生物甲烷淺層氣及熱成甲烷氣[5]。

渤海海域淺層氣主要是深部氣經(jīng)斷層、裂隙、不整合面等通道運(yùn)移至淺層形成的，絕大部分屬于深部成因的熱成甲烷氣。根據(jù)埋深的不同，可以將渤海海域淺層氣分為出露至地表的淺層氣及埋藏氣兩大類。前者主要沿?cái)鄬踊蛘邩?gòu)造薄弱帶侵入至海底，可形成“氣煙囪”(圖2)；后者具有一定的埋深，基本呈層狀或者塊狀產(chǎn)出。淺層氣可以分別利用提取相應(yīng)的振幅屬性或者道積分反演的方法進(jìn)行預(yù)測[1]。

圖5 西非某區(qū)塊多邊形斷層特征Fig.5 Characteristics of Polygonal fault in a block of West Africa

深水區(qū)的淺層氣表現(xiàn)為呈層狀或塊狀的強(qiáng)地震反射特征。通過提取淺層氣頂?shù)椎卣鸾忉寣游恢g的均方根振幅屬性，可以大致確定淺層氣的分布范圍及深度。以西非某區(qū)塊為例，相鄰的2井在鉆井過程中于地震解釋層位shallow5與shallow6之間氣測顯示異常，對應(yīng)的地震反射特征為強(qiáng)振幅蠕蟲狀反射(圖6(a))，通過兩層之間的均方根振幅屬性可以預(yù)測設(shè)計(jì)井在1 771～1 860 m處存在低風(fēng)險(xiǎn)淺層氣(圖6(b))。

作為一種危險(xiǎn)的海洋災(zāi)害地質(zhì)類型，淺層氣的危害性主要表現(xiàn)為改變沉積層土質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，使其強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)變松，破壞土質(zhì)原始穩(wěn)定性，減小基底支撐力[6]。在海洋鉆探中，一旦遇到有一定壓力的淺層氣聚集層，有可能會發(fā)生井噴，甚至釀成井口塌陷、火災(zāi)等災(zāi)難性事故[7]。

4.3 埋藏古河道

新生代以來的全球海平面變化，在海域盆地造成多期的海相—陸相沉積過渡。早期陸相沉積的河流湖泊被后期沉積的海相地層覆蓋，即形成埋藏古河道(淺層河道)。河谷中的新沉積層與谷坡的相對較老沉積層在工程受力特性上存在差異，會對插樁式海洋石油平臺及鉆桿產(chǎn)生影響。此外，古河谷中的砂體可形成淺層油氣聚集的透鏡體，如果壓力較高，鉆遇時會對石油平臺帶來嚴(yán)重的危害[8]。

渤海海域埋藏古河道具有以下的地震響應(yīng)特征：主河道具有頂平底凹的反射特征，在全新統(tǒng)及更新統(tǒng)，河道內(nèi)充填物表現(xiàn)為強(qiáng)振幅反射(砂巖或粉砂巖)；在更新統(tǒng)以下，河道內(nèi)充填物表現(xiàn)為弱振幅反射(砂巖或粉砂巖)[1]。利用該地震響應(yīng)特征對河道進(jìn)行連續(xù)追蹤及平面成圖， 即可預(yù)測研究區(qū)內(nèi)不同期次古河道的展布及埋深。

圖6 西非某區(qū)塊淺層氣發(fā)育特征Fig.6 Development characteristics of shallow gas in a block of West Africa

圖7 西非某區(qū)塊埋藏古峽谷地震響應(yīng)特征Fig.7 Seismic response characteristics of buried ancient canyon in West Africa

深水盆地淺層不整合面附近往往發(fā)育大量的下切溝谷或者海底峽谷，這些溝谷沉積了較厚的砂體，被后期沉積地層覆蓋，也會形成類似埋藏古河道的淺層地質(zhì)災(zāi)害。圖7為在西非某研究區(qū)識別出的埋藏峽谷沉積。由圖7可知，3井在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)有明顯的氣測異常顯示，推測是shallow2與shallow3層位之間的下切古峽谷沉積含氣造成的。同一套沉積單元內(nèi)，設(shè)計(jì)井處也存在該下切谷，實(shí)鉆時需注意采取相應(yīng)的措施。

深水盆地海底以下較淺的未固結(jié)的松散沉積物中有時會有超壓、未固結(jié)、欠壓實(shí)砂層存在，稱之為“淺水流”。鉆井時如果鉆遇，砂水流將會沖進(jìn)井孔并向上噴發(fā)，發(fā)生鉆井事故。已鉆好的井孔井壁，在砂水流的不斷侵蝕下，容易被掏空發(fā)生變形，從而破壞井的安全性。

國內(nèi)外已有學(xué)者采用疊前地震反演技術(shù)對淺水流這一深水區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理和地球物理預(yù)測進(jìn)行了研究，認(rèn)為高壓淺水流具有高縱橫波速度比、高泊松比、低波阻抗等地震響應(yīng)特點(diǎn)[9]。

天然氣水合物是一種氣體和水組成的籠狀物，大多數(shù)的深水環(huán)境都滿足天然氣水合物形成和穩(wěn)定的條件(高壓低溫)。其對工程的危害主要表現(xiàn)在兩個方面：一是天然氣水合物的分解可以形成某些淺層氣，這種含氣區(qū)內(nèi)部承載力的不均勻都將威脅到海洋工程的安全，氣體的突然釋放會對管道產(chǎn)生破壞作用，輕則侵蝕套管，重則造成井噴，引起平臺燃燒，造成生命及財(cái)產(chǎn)的損失；二是天然氣水合物分解可能引起海底滑坡，對海洋工程環(huán)境影響巨大，嚴(yán)重危害深水油氣勘探開發(fā)平臺、管線、海底電纜等海底設(shè)施，還可能誘發(fā)海嘯[10]。

目前，天然氣水合物的地震識別標(biāo)志是似海底反射(BSR)，即含天然氣水合物沉積層與含游離氣沉積層或含水沉積層的相邊界[11]。

5 結(jié) 論

通過使用二維及三維高分辨率地震資料以及一些中深部油氣勘探的成熟技術(shù)，筆者曾先后完成了渤海某油田區(qū)塊區(qū)域工程地質(zhì)評價(jià)及西非某區(qū)塊鉆前地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)項(xiàng)目，取得了良好的應(yīng)用效果。

通過以上采用高分辨率地震對海底及淺層災(zāi)害地震特征及致災(zāi)機(jī)制的研究，可以得出以下結(jié)論：

1)利用二維或者三維高分辨率地震資料對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，能夠滿足工程地質(zhì)災(zāi)害評估及鉆前地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)的要求。一些成熟的中深層油氣勘探技術(shù)，應(yīng)用于淺層地質(zhì)災(zāi)害因素識別及研究也能夠取得良好的效果。

2)地質(zhì)災(zāi)害因素之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，實(shí)際工作中需要重視不同類型地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理之間的相互聯(lián)系。地震資料解釋具有多解性，需要多學(xué)科、多領(lǐng)域的合作，才能提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的可靠性，進(jìn)而對預(yù)測的每類地質(zhì)災(zāi)害制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

[1]王海平，張偉，李春雷．海底淺層地質(zhì)災(zāi)害的高分辨率地震識別技術(shù)[J]．海洋科學(xué)，2014，38(7)：103-109．

[2]葉銀燦．海洋災(zāi)害地質(zhì)學(xué)發(fā)展的歷史回顧及前景展望[J]．海洋學(xué)研究，2011，29(4)：1-7．

[3]Francesco L C,Antonio C,Roger U. Seafloor mapping for geohazard assessment：state of the art[J]．Mar Geophys Res,2011,32：1-11．

[4]吳時國，孫啟良，吳拓宇，等．瓊東南盆地深水區(qū)多邊形斷層的發(fā)現(xiàn)及其油氣意義[J]．石油學(xué)報(bào)，2009，30(1)：22-26．

[5]葉銀燦，陳俊仁，潘國富，等．海底淺層氣的成因、賦存特征及其對工程的危害[J]．東海海洋，2003，21(1)：27-36．

[6]宋召軍，張志珣，劉立．南黃海海底地質(zhì)災(zāi)害因素的識別[J]．海洋地質(zhì)動態(tài)，2003，19(4)：8-11．

[7]鮑才旺．中國近海海底潛在地質(zhì)災(zāi)害類型及其特征[J]．熱帶海洋，1999，18(3)：24-31．

[8]李斌，楊文達(dá)，李培廉．利用三維地震資料評估深水井位工程地質(zhì)災(zāi)害[J]．海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2009，9(1)：121-127.

[9]吳時國，孫運(yùn)寶，王秀娟，等．南海北部深水盆地淺水流的地球物理特性及識別[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(7)：1 681-1 690．

[10]吳時國，謝楊冰，秦芹，等．深水油氣淺層鉆井的“三淺”地質(zhì)災(zāi)害[J]．探礦工程，2014，41(9)：38-42．

[11]吳時國，姚伯初．天然氣水合物賦存的地質(zhì)構(gòu)造分析與資源評價(jià)[M]．北京：科學(xué)出版社，2008:1-307．

High-resolution Seismic Prediction Technology of Seafloor and Shallow Geohazards

Wang Haiping1，Li Chunlei1，Jiao Xuming1，Liu Jiantao2

(1.GeophysicalResearchInstitute,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China;2.EngineeringSurveyOperationCompanyofGEO,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China)

In order to reduce the risks of offshore drilling and construction,the study on all factors of geological hazard,faced by shallow water and deep water drilling uses the latest high-resolution seismic data of the Bohai sea and a block in West Africa,combined with the background of regional geology and the data of offset well drilling data. Some mature technologies for hydrocarbon exploration in mid-deep strata,such as the analysis of seismic facies,wave impedance inversion,well (hole) seismic calibration,attribute analysis and so on,have been used to analyze the causes,characteristics,hazards and distribution rules of various seafloor and shallow geological hazards and have been used to summarize a set of technical methods to predict seafloor and shallow geohazards by using high-resolution seismic data. The practice of well drilling verifies that the prediction of geohazards by using high resolution seismic technology can prevent effectively all kinds of drilling risks and can provide reliable results of engineering geological survey for future construction in offshore oil field.

high-resolution seismic data; seafloor; shallow; prediction of geohazards

1672—7940(2016)06—0694—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.002

國家重大科技專項(xiàng)(編號：2011ZX05056)

王海平(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事地震資料解釋及地質(zhì)綜合研究工作。E-mail：whp19845022@163.com

P631.4

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2016-02-16