BSR與CSEM識別天然氣水合物的優(yōu)缺點對比*

陳 杰，胡高偉，卜慶濤

（1. 中國石油大學（華東），山東 青島 266071；2. 青島海洋地質(zhì)研究所，國土資源部天然氣水合物重點實驗室，山東 青島 266071；3. 海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，山東 青島 266071）

0 引 言

天然氣水合物是一種分布廣泛的高效清潔能源，具有極高的資源價值，在常規(guī)石油天然氣資源消耗巨大的情況下，天然氣水合物有望成為21世紀潛在的替代能源[1]?？茖W評價結(jié)果表明，全世界天然氣水合物的資源總量約2倍于已探明石油、天然氣和煤的總碳量，全球海域中約有90%的面積屬于天然氣水合物的潛在區(qū)域[2]。因此，國內(nèi)外對海洋天然氣水合物進行了大量的勘探研究。

自20世紀60年代人們陸續(xù)在海洋和凍土帶發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物以來，國內(nèi)外對天然氣水合物的勘探至今從未停止。天然氣水合物的勘探研究方興未艾，大洋鉆探計劃對海洋天然氣水合物的研究給予高度重視，設(shè)立了專項調(diào)查航次。目前，對天然氣水合物的勘探主要依靠地球物理和地球化學方法。地球物理勘探主要有地震、海底電磁、重力勘探、測井等；地球化學主要包括氣體異常、孔隙水離子濃度異常、穩(wěn)定同位素法等；除此之外，近年來海底攝像技術(shù)也得以應用，通過海底攝像觀測海底地貌，直接尋找天然氣水合物標志。地震勘探是最常用的手段之一，主要通過地震剖面上的似海底反射層（bottom simulating reflector, BSR）對天然氣水合物層進行識別[3]。目前，在大范圍的天然氣水合物資源遠景調(diào)查階段主要利用地震B(yǎng)SR識別，但在無BSR區(qū)域，急需一種勘探范圍廣、成本較低的勘探方法來輔助地震勘探，如此將有助于分析全球天然氣水合物資源的分布和提高資源評價精度。

目前海洋天然氣水合物探測中BSR已成為指示天然氣水合物存在的一個重要標志，并且取得了顯著的應用效果[3-5]。然而，近年來研究發(fā)現(xiàn)，BSR并不一定能指示天然氣水合物的存在，而有天然氣水合物賦存的地方有時也未顯示BSR[6-7]。BSR的多解性為天然氣水合物的識別帶來困難[3,6,8]，因此學者們一方面通過BSR的特征分析來降低多解性，提高天然氣水合物識別準確率，并通過研究BSR層面的振幅隨偏移距變化（amplitude versus offset, AVO）屬性特征對天然氣水合物層和游離氣層進行飽和度和儲量估算[9]；另一方面，通過地球化學等其他手段進行綜合判別以提高天然氣水合物識別的準確度。

海洋可控源電磁法（controlled source electromagnetic method, CSEM）是近年來發(fā)展起來的一項有效的天然氣水合物勘探方法，可以根據(jù)天然氣水合物儲層、海底沉積物和海水三者之間的電性差異，確定天然氣水合物的賦存位置，得到天然氣水合物儲層的電阻率，從而估算飽和度[3,10]，目前在天然氣水合物的研究和電磁數(shù)據(jù)的解釋取得顯著成果。我國對海洋CSEM技術(shù)及其勘探天然氣水合物的研究雖然起步較晚，近年來也得到了長足的發(fā)展[7]。實踐結(jié)果表明，海洋CSEM與地震B(yǎng)SR特征識別能提供互補的勘探信息，兩者聯(lián)用在多個海域天然氣水合物勘探中取得了較好的效果。本文擬通過總結(jié)對比BSR與海洋CSEM識別天然氣水合物的優(yōu)缺點，以期得到更準確和有效的聯(lián)合勘探方式，為兩種技術(shù)的聯(lián)用提供理論支撐。

我國對天然氣水合物的勘探起步較晚，可分為三個階段[4]：①跟蹤研究階段（1982 ～ 1998年）。1990年，中國科學院蘭州冰川凍土研究所與莫斯科大學合作首次合成天然氣水合物；1995年，中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所在南海、東海和太平洋國際海底開展天然氣水合物的調(diào)查研究工作；這一階段內(nèi)，主要針對國外資料、文獻進行調(diào)研和跟蹤分析[11-12]。②前期勘查階段（1999 ～ 2010年）。1999 ～ 2001年中國地質(zhì)調(diào)查局科技人員首次在南海西沙海槽發(fā)現(xiàn)了存在天然氣水合物的BSR標志[5]；隨后，2002年在凍土區(qū)開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學和遙感調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國凍土區(qū)具有較好的天然氣水合物成礦條件[13]；2005年在南海北部陸坡首次發(fā)現(xiàn)“冷泉”碳酸鹽巖分布區(qū)的重要天然氣水合物存在證據(jù)[14]；2007年5月，我國首次在南海北部神狐地區(qū)天然氣水合物采樣成功[4-5,11-12]；2008年，在祁連山凍土區(qū)鉆獲天然氣水合物樣品[13]。③普查與試采階段（2011年至今）。2011年，正式啟動了第二期為期長達 20年的國家天然氣水合物計劃[5]；2013年6月在廣東沿海珠江口盆地東部海域鉆獲天然氣水合物樣品；2017年5月中國首次在南海北部神狐海域試采天然氣水合物成功[4]。

盡管21世紀以來我國在天然氣水合物勘探開采方面取得巨大進步，但我國海域的天然氣水合物資源戰(zhàn)略調(diào)查工作仍然需要大力發(fā)展，在天然氣水合物勘探方面仍存在以下問題：①詳細資源分布區(qū)調(diào)查程度較低。目前我國天然氣水合物資源分布預測多為遠景調(diào)查階段，主要分布在南海、東海和青藏高原、東北漠河凍土區(qū)等，天然氣水合物的有利區(qū)與靶區(qū)的預測缺乏實際勘探數(shù)據(jù)支撐，需要大量地質(zhì)調(diào)查與勘探數(shù)據(jù)進一步圈定資源分布區(qū)。②資源評價精度較低，資源潛力不清。近年來有不少學者與機構(gòu)對我國天然氣水合物資源量進行初步預測，中國地質(zhì)調(diào)查局2016年發(fā)布的《中國能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報告》顯示，我國天然氣水合物預測遠景資源量超1 000億t油當量[4]，資源等級低，遠景資源量最終有多少能轉(zhuǎn)化為探明儲量仍不清楚。③天然氣水合物資源評價中與有效區(qū)域評價參數(shù)可結(jié)合數(shù)據(jù)較少。資源評價中除了需要獲取有效區(qū)域評價參數(shù)外，還需結(jié)合已有地震、海洋CSEM、測井和鉆井等資料，提高資源量評價可信度，天然氣水合物資源量評價方法的選擇以及資料的豐富程度將決定資源評價的工作質(zhì)量和預測精度。

1 天然氣水合物物理性質(zhì)

天然氣水合物是一種有籠狀結(jié)構(gòu)的類冰狀結(jié)晶化合物，主要是由甲烷和水分子結(jié)合而成，每單位晶胞內(nèi)有兩個十二面體和六個十四面體的水籠結(jié)構(gòu)，內(nèi)部排列緊湊，與冰的結(jié)構(gòu)十分相似[1-3]。表1所示為純水合物與冰的物理性質(zhì)對比，純水合物泊松比、剪切模量、縱橫波速度比略小于冰，介電常數(shù)與熱傳導率遠小于冰，相較于圍巖，一般認為含天然氣水合物沉積物的縱橫波速度增加、電阻率增加、熱導率減小[7,15]。天然氣水合物物理性質(zhì)的研究為天然氣水合物的勘探提供理論導向性，不僅為地震、電磁等地球物理勘探研究提供一個理論基礎(chǔ)，還對天然氣水合物本身的研究有一定的現(xiàn)實意義。

表1 純水合物與冰的物理性質(zhì)[7,15]Table 1 Physical properties of pure gas hydrate and ice[7,15]

2 BSR識別天然氣水合物的研究現(xiàn)狀與特征

2.1 BSR識別天然氣水合物的研究現(xiàn)狀

20世紀 60年代，勘探工作者首次在地震剖面上觀察到BSR；隨后，1970年MARKL等[16]在美國東海岸大陸邊緣布萊克巴哈馬外脊的地震剖面上發(fā)現(xiàn)與海底面平行的異常強反射層。1976年，GEORGY在佐治亞州海大型沉積物隆起的地震聲納探測記錄中發(fā)現(xiàn)了與局部海底地形平行的地震反射層[17]。深海鉆探第 11航次后，將這一異常反射層稱為BSR[6,18]。天然氣水合物與 BSR的關(guān)系隨后也多次在大洋鉆探和海洋鉆探中被證實，因而成為一種重要的天然氣水合物識別方式[6]。同時，科學鉆探結(jié)果證明，有BSR現(xiàn)象不代表一定有天然氣水合物，單一采用BSR識別天然氣水合物并不準確[6,8,19-21]。研究發(fā)現(xiàn)，在不同地區(qū)天然氣水合物含量和游離氣含量等因素對BSR有重要的影響[15]。因此，人們開始研究BSR的特征以及天然氣水合物、游離氣和飽水沉積物的各個接觸界面的反射特征[22-27]。目前，國內(nèi)外除了以BSR特征作為識別天然氣水合物的手段之外，還深入研究BSR界面的AVO屬性特征及其對天然氣水合物和氣體濃度的定性評估。

2.2 BSR特征

BSR的出現(xiàn)是由于海底天然氣水合物層和下伏沉積層的地震波阻抗差異的結(jié)果[24]。天然氣水合物的形成使得原沉積層的密度增大，因此地震波在天然氣水合物層中的傳播速度變快。天然氣水合物地層下的游離氣層是由于地層深部未生成天然氣水合物的殘余氣體及后續(xù)生成的氣體充填其中，使得地層密度和地震波速度低于天然氣水合物地層，地震波在高低密度層之間產(chǎn)生較大的波阻抗，在傳播過程中就會產(chǎn)生較強振幅的反射波，這個反射波通常近似海底，但又與海底多次波有區(qū)別，稱之為BSR[23-25]。

自發(fā)現(xiàn)BSR以來，人們就對BSR的特征做過諸多研究，BSR的特征在分析多層BSR、真假BSR等問題起到一定作用的同時，也為準確識別天然氣水合物提供技術(shù)手段。因此，對BSR特征的認識將對天然氣水合物的勘探研究和綜合判識天然氣水合物藏有很重要的現(xiàn)實意義。目前對BSR特征的認識主要為BSR在地震剖面上的直接特征和BSR相關(guān)的AVO屬性特征[9]。

2.2.1 BSR的直接特征

目前通過對地震勘探和地球物理資料的研究發(fā)現(xiàn)BSR直接特征如下：

（1）BSR一般與海底地形平行分布，隨海底地形的變化而變化（圖1）[23-24]。隨著海底地形變化，海底地層壓力和地層溫度也發(fā)生變化，天然氣水合物對溫度的變化比對壓力變化要更加敏感，天然氣水合物的存在使得上下界面處的波阻抗差異而出現(xiàn)BSR與海底地形近于平行。

（2）BSR極性與海底反射極性相反（圖1）[25]。海底是海水和表層沉積物的分界面，上部海水為低速層，相對海水，下部沉積物層為高速層，因此反射系數(shù)為正值；BSR上的天然氣水合物層為高速層，相較于天然氣水合物層，下部沉積層為低速層，故反射系數(shù)為負值，因此造成BSR與海底反射波的極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。BSR之下沉積層未必一定含游離氣，也可能是由上覆地層含天然氣水合物飽和度較高而產(chǎn)生的速度差異。

圖1 BSR地震特征（據(jù)文獻[30]修改）Fig. 1 The seismic features of BSR (modified from reference [30])

（3）BSR上方常伴生有振幅空白帶（圖1）[26]。由于沉積層中充填天然氣水合物后，天然氣水合物儲層內(nèi)的物性參數(shù)差距不大，從而使地層均質(zhì)性增強，波阻抗差減少，反射系數(shù)減小，造成振幅空白帶[27]?？瞻讕С潭扰c地層中的天然氣水合物含量有關(guān)，含量越高，振幅空白程度越明顯[28]。有研究表明，反射振幅的強弱與天然氣水合物含量有一定相關(guān)性，因而，可以利用地震反射的振幅信息，間接估計天然氣水合物的含量及儲量大小[29]。

（4）當?shù)貙赢a(chǎn)狀與海底地形不平行時，BSR與其他地層分界面反射波斜交[25]。這是由于天然氣水合物儲層與游離氣層的分界面是受控于溫度和壓力影響的相邊界，使得BSR大致與海底平行，當?shù)貙优c海底不平行時，其反射波與BSR相交。

（5）BSR界面上下地層地震縱波速度異常。BSR的形成機制決定其速度異常特征，海底地層中充填天然氣水合物、游離氣或地層水時，地震波傳播的速度不同。

（6）強振幅。由于上下地層的高阻抗和低阻抗之間的相互作用而造成振幅較強的地震反射[25]。

2.2.2 AVO屬性特征

在研究BSR界面的特性時，最常用的是BSR界面的AVO正反演方法，一般分為通過建立不同的天然氣水合物接觸正演模型得到反射系數(shù)隨入射角變化的特征和直接利用AVO關(guān)系反演巖石物性兩種思路。以Zoeppritz方程為基礎(chǔ)，計算入射角度在分界面BSR處的反射系數(shù)，研究BSR振幅隨偏移距變化特征[9,31-33]。AVO屬性分析可以直觀地顯示出振幅隨角度的變化情況，用來估算上下地層的泊松比，進而分析其巖性及流體性質(zhì)[28]。

BSR的AVO屬性特征中主要有AVO角道集（amplitude versus angle, AVA）分析和AVO屬性疊加的屬性剖面特征。AVO角道集分析得到BSR振幅隨著偏移距或入射角的增加呈增加趨勢，在大偏移距處BSR出現(xiàn)相位轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[33-37]；BSR界面的AVO屬性疊加的屬性剖面主要有：①截距屬性剖面，一般BSR處的大截距值反映了BSR界面上下的較大縱波速度差；②梯度屬性剖面，可以提升BSR分辨率與檢測游離氣，對天然氣水合物飽和度的變化較為敏感；③泊松比屬性剖面，BSR上覆和下伏地層之間泊松比的變化較大；④碳氫檢測屬性剖面，孔隙度穩(wěn)定的情況下，可以指示天然氣水合物飽和度下降的位置，突顯BSR；⑤流體因子屬性剖面，可用于檢測天然氣水合物和游離氣，一般能觀察到明顯的BSR現(xiàn)象；⑥橫波屬性剖面，對于因天然氣水合物飽和度降低引起的 BSR，在剖面上突顯反極性BSR現(xiàn)象；⑦乘積相關(guān)屬性剖面與其他屬性剖面結(jié)合，可以用來檢測游離氣[28,31,38]。儲層含天然氣水合物的飽和度和下伏地層含游離氣的多少是影響B(tài)SR的重要因素[32,34]。AVO技術(shù)的研究也是用于判斷BSR界面以下是否存在游離氣體的重要方法之一，地震B(yǎng)SR界面的AVO特征研究是需要繼續(xù)深入探討的問題[6,39-44]。

地震勘探識別天然氣水合物時，常常會發(fā)現(xiàn)與天然氣水合物BSR特征十分相似的地震波，造成假BSR問題。假BSR無論從地震剖面上還是測井曲線上均表現(xiàn)出明顯的BSR特征，與真BSR的最大差異便是沒有天然氣水合物的存在，為海底天然氣水合物的識別帶來困難。2007年，中國地質(zhì)調(diào)查局在我國南海北部陸坡神狐海域的WELL2井發(fā)現(xiàn)BSR特征，但并未取得天然氣水合物樣品，也未發(fā)現(xiàn)天然氣水合物分解證據(jù)[8]。MAJUMDAR在2016年根據(jù)墨西哥灣北部的 788個工業(yè)井的測井記錄，將測井數(shù)據(jù)集與BSR分布數(shù)據(jù)集組合在三維地震數(shù)據(jù)中的同一區(qū)域，發(fā)現(xiàn)BSR能提升找到天然氣水合物約 2.6倍的機會，即便如此，通過BSR鉆出的井中有63%（35個井中有22個）沒有探測到天然氣水合物的存在[45]。目前針對地球物理處理假象造成的假BSR主要解決方式有極性分析、精細速度分析、AVO屬性分析、瞬時屬性分析、多次波壓制等以及結(jié)合其他勘探方式識別，但對于由巖性、構(gòu)造及游離氣等成因造成的假BSR，卻難以用單一的地震方法區(qū)分和解決[8]。因此，即使能夠確認有BSR的應有特征，也并不能代表一定存在天然氣水合物。

2.3 BSR特征分析法識別天然氣水合物的優(yōu)勢與局限性

BSR作為識別海底天然氣水合物的重要標志，其特征分析可以準確有效地找到天然氣水合物儲層的位置、降低多解性和提高天然氣水合物儲層的識別效率。BSR特征分析作為識別天然氣水合物主要方法的優(yōu)勢為：①直觀性強，易識別。BSR的負極性、與海底平行分布、之上有振幅空白等特征，使得在地震剖面上直觀且易識別。②BSR位置深度一定程度上反映天然氣水合物穩(wěn)定帶（hydrate stability zone, HSZ）的厚度。隨著水深的增加，壓力會隨之增大，HSZ的厚度易增大。③BSR與其他反射層相交，指示了沉積層的位置。④BSR位置與理論計算的天然氣水合物儲層底界相近。BSR為一個過渡相邊界，BSR之上為固相天然氣水合物儲層，之下可能為氣相游離氣儲層。

目前在海底天然氣水合物探測中，地震勘探不可否認為最主要的方法[5]。然而，實踐研究表明，BSR的局限性使得地震勘探海底天然氣水合物的準確率和效率大大降低。BSR特征分析法識別天然氣水合物的局限性有：①僅適用于海洋天然氣水合物的識別。由于地震波傳播速度在永凍層和天然氣水合物層的傳播速度相當，BSR現(xiàn)象很難出現(xiàn)在陸地永凍層的地震剖面上，因此BSR特征識別僅適合用海洋天然氣水合物沉積層。②BSR非常接近理論計算的天然氣水合物儲層底邊界，但天然氣水合物儲層的上邊界在地震剖面難以識別。③BSR與天然氣水合物不是一一對應的關(guān)系，即存在天然氣水合物的地層未必有 BSR，這可能是由于下伏地層含有不同氣體組分或高鹽度的孔隙水造成 BSR缺失，也可能因為斷裂和泥火山等構(gòu)造對天然氣水合物礦藏的影響而造成BSR特征不明顯或不存在[3,8]，同時，因為BSR的多解性，很難判別 BSR是高飽和度的天然氣水合物引起或者是游離氣引起，所以存在BSR特征的地層也未必有天然氣水合物；對于如何降低多解性，除了 BSR的特征分析外，還需要結(jié)合其他非地震手段進一步確定辨別。④BSR計算天然氣水合物的飽和度較為繁雜且有一定誤差，因此也難以準確評價天然氣水合物的資源量。

3 海洋CSEM技術(shù)原理及其研究現(xiàn)狀

3.1 海洋CSEM技術(shù)原理

在海洋地球物理勘探中，海洋 CSEM 已經(jīng)成為一種必不可少的探測方法，通過測量周圍空間的電磁場來獲得地下介質(zhì)的電阻率信息[46]。相較于一般海底沉積物，天然氣水合物為導電性極差的高阻體，其電阻率遠大于海水和海底沉積物層，這為在海底進行海洋 CSEM 勘探天然氣水合物提供了良好的物性基礎(chǔ)[47]。海底接收的電磁場能夠反映沉積物層的電性變化，提供海底沉積物層的電阻率數(shù)據(jù)，在不利于海底地震勘探的碳酸鹽礁脈、鹽丘等區(qū)域，海洋 CSEM 能有效輔助推斷海底地層結(jié)構(gòu)信息。

目前，海洋 CSEM 勘探天然氣水合物方式有坐底式和拖曳式兩類。圖2a為坐底式，是將電磁場接收器以一定間距置于海底，發(fā)射器放在海底上方幾十米；圖2b為拖曳式，是將發(fā)射器和接收器同時放在海底上方幾十米的位置獲取數(shù)據(jù)[48]。兩者的技術(shù)原理基本相同，本文以坐底式海洋CSEM為例討論。海洋 CSEM 進行海底天然氣水合物探測時，使用船載可移動 CSEM 發(fā)射器，將電磁信號發(fā)射器拖在海底上方幾十米處，同時通過電極和海水接觸，激發(fā)合適的低頻電磁信號，電磁信號發(fā)射器通過船載深拖電纜與作業(yè)船上的大功率電源相連，發(fā)射一定頻率的交變電流，交變電流會在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生相同頻率的電磁波，電磁波通過不同的介質(zhì)傳播，以一定的間隔放置于海底的電磁接收器將接收電磁波并儲存電磁數(shù)據(jù)。CSEM探測系統(tǒng)主要包括作業(yè)船及船載大功率甲板電源、船載深拖纜及絞車、船載導航及水下定位設(shè)備、大功率拖曳發(fā)射機、若干臺海底電磁接收機[49]。作業(yè)流程主要分為：①電磁場接收器投放，根據(jù)目標工區(qū)預設(shè)的點位，將海底電磁接收機依次投放至海底；②電磁場接收器定位，借助船載超短基線定位系統(tǒng)（ultra-short baseline, USBL）對海底接收機位置進行精確定位，并為后期數(shù)據(jù)處理提供坐標信息；③發(fā)射作業(yè)與 CSEM 數(shù)據(jù)采集，拖曳發(fā)射機按照設(shè)計的路線及頻率進行大功率電流激發(fā)，接收機采集CSEM信號與大地電磁（magnetotelluric mehtod, MT）信號，此時MT信號為噪聲；④MT數(shù)據(jù)采集，在接收機著底后至回收之前一直采集海底MT信號；⑤回收接收器，借助釋放回收系統(tǒng)對接收器進行逐點打撈回收；⑥現(xiàn)場數(shù)據(jù)預處理，下載接收器中的數(shù)據(jù)文件，結(jié)合發(fā)射電流文件、導航及水下定位數(shù)據(jù)，進行CSEM數(shù)據(jù)處理與海底MT數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估，為后期室內(nèi)數(shù)據(jù)處理提供中間文件[50]。

圖2 坐底式與拖曳式海洋可控源電磁法作業(yè)示意圖Fig. 2 Deployed and towed marine CSEM system operating diagram

電磁波在不同導電介質(zhì)中的衰減速度和傳播速度不同。海水為導電介質(zhì)，電磁波衰減快，傳播速度變慢，而在天然氣水合物這種高阻介質(zhì)中衰減慢，傳播速度變快。通常海水的電阻率為0.3 ?·m左右，海底一般沉積層的電阻率約為1 ?·m大于海水，而含天然氣水合物沉積層的電阻率要幾倍甚至幾十倍于海水和一般海底沉積物[51]。根據(jù)電磁波的衰減速度和傳播速度不同，可得到如圖3所示海洋CSEM探測天然氣水合物時的6條電磁波傳播路徑：①通過海水—空氣—海水傳播的空氣波；②通過海水—空氣與海水界面—海水的反射波；③直接通過海水傳播的直達波；④通過海水—海水與覆蓋層分界面的海底地層波；⑤通過海水—覆蓋層—天然氣水合物層與覆蓋層分界面—覆蓋層的地層波；⑥通過海水—覆蓋層—高阻天然氣水合物儲層—覆蓋層中的導波。

圖3 海洋電磁波場傳播特征示意圖Fig. 3 Propagation of marine CSEM waves

3.2 海洋CSEM識別天然氣水合物研究現(xiàn)狀

海洋CSEM最初是用于探測海底油氣資源和地質(zhì)構(gòu)造研究的一種方法。近年來，海洋CSEM探測海底油氣儲層取得了顯著成效。加拿大多倫多大學的EDWARDS研究組在1987年研制了時間域水平磁偶極?偶極測量系統(tǒng)，并將該項技術(shù)用于海洋地球物理調(diào)查中，但由于傳播深度不夠而無法用于海洋油氣探測[52]。EDWARDS研究組在2000年研制了一套用于天然氣水合物探測的時間域電偶極?偶極測量系統(tǒng)[53]。隨后，海洋CSEM也越來越多地應用于世界各地區(qū)海域勘探，并在探測海洋天然氣水合物上取得了顯著的應用效果[54-62]。海洋電磁數(shù)據(jù)的正演模擬和反演解釋也取得了進步，從開始的一維模型發(fā)展到了如今的二維、三維模型[63-66]。

國內(nèi)海洋CSEM探測天然氣水合物方面的研究起步較遲，近幾年國內(nèi)研究者也做了一些研究。2012年，盛堰等[67]通過理論分析和實例證明了海洋電磁探測技術(shù)探測天然氣水合物的可行性。隨后王啟等多位學者對海洋CSEM識別天然氣水合物的可行性和有效性進行了研究[7,48,68-69]。景建恩等[70]在 2012年利用自主研發(fā)的海洋電磁探測儀器在中國南海北部陸坡獲得了首批深水海域的可控源電磁探測數(shù)據(jù)。陳凱等多位學者在我國海域開展海洋CSEM識別天然氣水合物的實驗，均成功取得了大量的海洋電磁信息數(shù)據(jù)[50,71]。

綜上所述，國內(nèi)外對海洋CSEM探測天然氣水合物技術(shù)十分重視，海洋CSEM因其特有的勘探優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外海洋地球物理勘探工作者的青睞。

3.3 海洋CSEM識別天然氣水合物的優(yōu)勢和局限性

目前，世界上用于探測天然氣水合物的海洋CSEM技術(shù)主要分為時間域CSEM和頻率域CSEM。斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）2004年在美國的俄勒岡州（Oregen）海域首次使用頻率域海洋CSEM探測天然氣水合物試驗，在較少或沒有天然氣水合物的區(qū)域顯示為低電阻率異常，在有天然氣水合物的區(qū)域顯示為高電阻率異常，證明了海洋CSEM探測天然氣水合物的優(yōu)勢。SCHWALENBERG等[72-73]對分布在新西蘭波朗阿豪（Porangahau）山脊的天然氣水合物進行了海洋CSEM探測，獲取數(shù)據(jù)并進行解釋。如圖4所示，圖4a為視電阻率剖面每個點位附近的平均體積電阻率；圖4b為縫合模型的一維層狀電阻率反演；圖4c為相應點位地震剖面。海洋CSEM的數(shù)據(jù)突出顯示了異常的高電阻率，在高振幅反射區(qū)上方顯示局部較高的天然氣水合物濃度，海洋CSEM的電阻率異常位置與地震高振幅空白反射位置一致，結(jié)果顯示，電阻率異常是由相應位置BSR的高振幅反射帶上方的集中天然氣水合物所引起。

海洋CSEM能夠為天然氣水合物研究提供重要電性信息，因此正逐步成為地震勘探的有效輔助手段[3]。其探測天然氣水合物的優(yōu)勢在于：①適用性強，因為海洋天然氣水合物埋藏深度不大、具有一定水深、電阻率高等特點很適用于海洋CSEM勘探要求。具體原因是埋藏深度不大，利于海洋CSEM的深度使用條件；具有一定水深減小了空氣波的影響，利于海洋CSEM探測結(jié)果的準確性；天然氣水合物電阻率高便于接收器獲得較強的地層有效信號[51]。②海洋 CSEM 技術(shù)可以得到天然氣水合物的電阻率，并可以依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)利用阿爾奇（Archie）公式估算沉積層中天然氣水合物的飽和度。Archie公式是聯(lián)系孔隙度、電阻率和飽和度的經(jīng)驗公式，通過電阻率可以定量估算天然氣水合物飽和度。Archie公式估算飽和度時也有限制條件，如不適用于裂縫及礦脈中的飽和度估算，難以區(qū)分天然氣水合物和游離氣。Archie公式相關(guān)參數(shù)較多，主要參數(shù)有孔隙度、地層水電阻率和經(jīng)驗參數(shù)a、m、n，一般通過測井、原位監(jiān)測、巖芯分析等數(shù)據(jù)計算獲取。雖然關(guān)于Archie公式的爭議頗多，但毋庸置疑，Archie公式是定量估算飽和度的基礎(chǔ)經(jīng)驗公式，且應用簡單便捷[10]。③能夠識別地震因地質(zhì)構(gòu)造、下伏地層含高阻孔隙水和含游離氣少等因素引起所不能識別的天然氣水合物沉積。④海洋CSEM對單一天然氣水合物儲集層和兩相鄰天然氣水合物儲集層具有較高的橫向分辨能力。⑤相較于鉆井，勘探效率高、成本低。

圖4 Porangahau山脊CSEM數(shù)據(jù)[72]Fig. 4 CSEM data taken across Porangahau Ridge[72]

隨著勘探天然氣水合物的海洋CSEM技術(shù)的發(fā)展，海洋CSEM正逐漸成為獲得天然氣水合物分布及含量的最佳探測方法之一。然而，海洋CSEM識別天然氣水合物具有其獨特優(yōu)勢的同時也存在一些限制條件：①對海底地形及水深有一定要求，其目的是便于獲得準確的數(shù)據(jù)；②海洋CSEM探測天然氣水合物得到的數(shù)據(jù)需要結(jié)合其他技術(shù)（如地震、測井等）進行綜合解釋；③需要確定目標層附近是否存在高阻異常體（如致密灰?guī)r、致密高阻砂巖、鹽丘、火山巖等），否則將會影響勘探結(jié)果；④不能提供高分辨率的地層結(jié)構(gòu)信息。海洋CSEM探測海底天然氣水合物一般使用低頻的電磁波，高頻電磁波會在海水中迅速衰減，不能達到勘探深度，所以電磁信號的頻率一般較低，與地震相比，也正因如此使得分辨率較低。

目前，可控源電磁法已廣泛應用在海洋天然氣水合物識別中，用于勘查海洋天然氣水合物的空間分布，利用電阻率數(shù)據(jù)估算富集度，通過聯(lián)合其他方法提高海洋天然氣水合物勘探成功率。在陸上極地凍土區(qū)，同樣也開展過電磁法勘探天然氣水合物的實驗。由于天然氣水合物具有較高的電阻率，當天然氣水合物占據(jù)了儲層內(nèi)部分孔隙時，導致凍土區(qū)的天然氣水合物儲層表現(xiàn)出較高的電阻率[74]。近年來，我國開展了高密度電法、可控源音頻大地電磁測深、音頻大地電磁測深和瞬變電磁法探測凍土區(qū)天然氣水合物方法有效性對比實驗，發(fā)現(xiàn)可控源音頻大地電磁法可以分辨出天然氣水合物形成、運移所需要的凍土蓋層和斷裂構(gòu)造，但沒有識別出天然氣水合物的電阻率異常區(qū)，瞬變電磁法在永久凍土層下方的天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)探測出不連續(xù)的高阻層位，并與鉆孔資料所推斷的天然氣水合物的儲層位置具有可比性，認為瞬變電磁法可以有效探測凍土區(qū)天然氣水合物[74-75]。

4 BSR特征分析法與CSEM探測天然氣水合物的優(yōu)缺點比較

海洋天然氣水合物在海底地層中形成及分布的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境具有多樣性和綜合性，在復雜的地質(zhì)環(huán)境中識別天然氣水合物，根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造以及其他環(huán)境和條件，應選取不同的方法對天然氣水合物儲層進行識別，以確?？碧綔蚀_性?，F(xiàn)今在地球物理勘探方法中探測天然氣水合物的主要方法為地震勘探，但海洋 CSEM 勘探海洋天然氣水合物的優(yōu)勢也越來越顯著，因此，對這兩種物理勘探方法優(yōu)缺點總結(jié)與比較，可以為不同條件下天然氣水合物的探測提供一定的指導。表2為地震B(yǎng)SR特征分析法與海洋 CSEM 識別天然氣水合物的優(yōu)缺點比較。

表2 BSR與CSEM識別天然氣水合物的優(yōu)缺點對比Table 2 Comparison of the advantages and disadvantages of BSR and CSEM in detecting gas hydrate

地震勘探通過測量波速的變化，從而得到天然氣水合物的識別標志和地層構(gòu)造形態(tài)，還可以通過地震數(shù)據(jù)尋找可能存在天然氣水合物的地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境；海洋CSEM測量的是電磁波在介質(zhì)中的傳播，依據(jù)電阻率的高低變化來區(qū)分天然氣水合物儲層和圍巖，并得到含天然氣水合物地層電阻率及其分布情況。地球物理勘探具有多解性，因此將多種地球物理勘探數(shù)據(jù)綜合分析，能夠減小多解性，從而降低勘探風險[51]。

海洋CSEM測量的電阻率數(shù)據(jù)是對中高阻天然氣水合物物理性質(zhì)的直接反映，是一種直接指示天然氣水合物的方法。而地震勘探中除了BSR特征分析、地震屬性分析與提取之外，主要是尋找有利于天然氣水合物存在的地質(zhì)構(gòu)造。因此，海洋 CSEM可直接從天然氣水合物高電阻率這個物性數(shù)據(jù)方面為地震勘探提供獨立、有效的補充信息。如果用地震勘探能夠發(fā)現(xiàn)有天然氣水合物儲層的指示，同時利用海洋CSEM測量地震指示區(qū)域的電阻率異常，這將能夠提高勘探的成功率。GOSWAMI等[76-77]分別對斯瓦爾巴（Svalbard）邊緣西的韋斯特內(nèi)薩（Vestnesa）山脊的天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)域進行海洋CSEM 探測，并結(jié)合地震勘探資料聯(lián)合分析，圖5清晰直接地顯示了天然氣水合物位置以及高電阻率與聲學煙囪之間的良好一致性。HSU等[60]用海洋可控源電磁法對臺灣西南海域的天然氣水合物進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有較高的電阻率顯示和天然氣滲漏站位。ATTIAS等[78]對挪威近海的天然氣水合物區(qū)域進行了海洋可控源探測分析。

圖5 垂直電阻率模型和同步地震反射數(shù)據(jù)疊加圖[77]Fig. 5 Overlay of vertical resistivity model and coincident air-gun seismic reflection data[77]

目前，國外在進行深海天然氣水合物探測時，因面對高風險和高投資，開始進行了勘探思路觀念的轉(zhuǎn)變，即打破僅靠地震勘探單一手段的傳統(tǒng)模式，結(jié)合所有地球物理探測方法，開展聯(lián)合勘探的思路[47]。目前常見的三種地球物理探測手段為地震、海洋CSEM和鉆井，其中任何一種探測方法都不能保證是100%準確的，三種方法各有優(yōu)劣，多種勘探方法的聯(lián)合使用將獲得更豐富的信息，風險就越低。海洋CSEM因為分辨率低，在對探測地質(zhì)構(gòu)造方面不如地震，但能給出整個探區(qū)天然氣水合物的分布以及埋藏深度信息，可以對天然氣水合物進行直接監(jiān)測，獲取電阻率信息，這是其他兩種方法不能比擬的。相較于鉆井，海洋CSEM和地震勘探成本投入較低。在前期普查階段，海洋CSEM與地震勘探的聯(lián)合勘探將更經(jīng)濟，也可提高準確率。HESTHAMMER在2010年通過研究海洋CSEM電磁異常與海洋鉆井成功率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：在沒有明顯海洋CSEM電磁異常區(qū)域，鉆井成功率一般小于35%，在有明顯電磁異常區(qū)域，鉆井平均成功率為70%左右。而就海洋CSEM的應用階段來說，目前還主要應用在勘探階段地震3D之后，鉆井之前，提高鉆井成功率[47]。

采用 CSEM 技術(shù)與地震數(shù)據(jù)聯(lián)合反演預測天然氣水合物儲層參數(shù)與估算資源量是一個很好的發(fā)展方向。HOVERSTEN等[79]在挪威北海通過3D地震疊前AVA數(shù)據(jù)和海洋CSEM聯(lián)合反演數(shù)據(jù)求取出含油氣儲集層的含油氣飽和度和孔隙度。隨后，HOU等多位學者對海洋CSEM與地震數(shù)據(jù)結(jié)合反演研究[80-85]。結(jié)果表明，利用地震和海洋 CSEM數(shù)據(jù)進行聯(lián)合反演，比單獨使用地球物理數(shù)據(jù)集有更好的效果。GOSWAMI等[76]通過聯(lián)合電磁和地震數(shù)據(jù)對Svalbard邊緣Vestnesa山脊的活躍麻坑進行天然氣水合物飽和度評估。這些都為在天然氣水合物儲層參數(shù)預測和資源評估提供借鑒。

目前，海底天然氣水合物的勘探流程依次可分為四個階段：遠景調(diào)查，普查階段，詳查階段和勘探階段[86]。根據(jù)不同階段的工作目的，勘探手段的經(jīng)濟效益以及技術(shù)優(yōu)缺點分析地震 BSR與海洋CSEM 的應用階段及作用，使海底天然氣水合物儲層的勘探和評價取得更好的效果。

（1）遠景調(diào)查階段。利用船底聲學、地質(zhì)、地震B(yǎng)SR、海底熱流、遙感、海底攝像技術(shù)等多種方法以及前人資料用于收集異常點數(shù)據(jù)。主要工作目的以初步圈定遠景區(qū)塊，確定調(diào)查區(qū)構(gòu)造環(huán)境和演化特征和查明海底地形特征為主。

（2）普查階段。①在具有BSR的天然氣水合物有利區(qū)帶，聯(lián)合利用海洋CSEM與地震B(yǎng)SR確定天然氣水合物分布；②無明顯地震B(yǎng)SR的天然氣水合物有利區(qū)域，以海洋CSEM勘探方法為主，其他方法為輔，預測分析天然氣水合物的分布。主要工作目的以確定天然氣水合物分布的有利區(qū)帶，預測和分析天然氣水合物的側(cè)向連續(xù)性和了解區(qū)域地質(zhì)概況為主。

（3）詳查階段。①利用高精度 3D地震構(gòu)造勘探確定有利區(qū)帶構(gòu)造內(nèi)的結(jié)構(gòu)和聲波特征，利用海洋CSEM數(shù)據(jù)估計有利區(qū)帶中天然氣水合物的儲層分布以及利用電阻率值估算富集度；②隨鉆測井用于井的物性測量和天然氣水合物儲層的重要參數(shù)的計算。主要工作目的以確定有利區(qū)帶中主要富集層段和次要含礦地段（靶區(qū)），確定含天然氣水合物儲層的物性，以及利用測井和海洋CSEM數(shù)據(jù)估算儲層孔隙中天然氣水合物的飽和度等為主。

（4）勘探階段。以鉆探取芯為主，結(jié)合測井與海洋CSEM數(shù)據(jù)提高靶區(qū)天然氣水合物資源量評價精度。主要工作目的以確定天然氣水合物的產(chǎn)出狀態(tài)，有效厚度，形態(tài)及規(guī)模大小和精細評價靶區(qū)天然氣水合物儲量，為生產(chǎn)開發(fā)做準備等為主。

5 結(jié)論與建議

本文通過對BSR特征分析法和海洋CSEM技術(shù)識別海洋天然氣水合物的優(yōu)勢與局限性比較分析，結(jié)論如下：

（1）BSR特征分析法在識別天然氣水合物方面技術(shù)成熟、容易識別、直觀性強、可以理論確定天然氣水合物儲層底邊界，是海底天然氣水合物勘探過程中遠景調(diào)查和普查階段重要的勘探方法和初級評估方法。但BSR僅適用于海洋沉積物，存在多解性，并非與天然氣水合物的存在具有一一對應關(guān)系，而使其準確率也大大降低。BSR對天然氣水合物的飽和度不敏感，難以解決天然氣水合物在地層中的賦存狀態(tài)問題和對于天然氣水合物穩(wěn)定帶的上界面難以確定等局限性導致其難以準確評價天然氣水合物儲量。

（2）海洋CSEM可以勘探海底鹽丘、碳酸鹽礁脈等海上地震勘探應用效果欠佳區(qū)域，相較于鉆井成本低。海洋CSEM在識別天然氣水合物上適用性強，可準確推測天然氣水合物存在位置，風險與成本較低，尤其是能獲得天然氣水合物儲層的電阻率信息，并可以結(jié)合測井數(shù)據(jù)估計天然氣水合物的飽和度和估算資源量。但海洋CSEM勘探有水深及海底地形，埋藏深度，目標層要具有一定的規(guī)模且與圍巖具有電阻率差異，附近無其他高阻異常體影響等應用限制條件和不能提供高分辨率的地層結(jié)構(gòu)信息的局限性，因此需要結(jié)合其他勘探技術(shù)才有更好的效果。

（3）在海底天然氣水合物勘探過程中，海洋CSEM 能夠獲得海底天然氣水合物儲層的電性參數(shù)，可成為地震勘探的有效輔助手段。目前階段海洋CSEM最適用于地震勘探之后，鉆井之前，有助于提高準確率和鉆井成功率。地震B(yǎng)SR特征分析法與海洋CSEM聯(lián)合勘探天然氣水合物將可以有效降低多解性、提高勘探和鉆井成功率、降低勘探風險、節(jié)約勘探費用。

因此，針對BSR和CSEM勘探技術(shù)的下一步研究工作，本文提出如下建議：①針對地震B(yǎng)SR的局限性，需要深入研究 BSR多解性的原因，如對假BSR和多層BSR的成因研究等，提高BSR識別天然氣水合物的準確度，進一步研究如何利用地震勘探數(shù)據(jù)提升遠景調(diào)查階段天然氣水合物資源量的評價精度。②CSEM 勘探天然氣水合物應用限制條件較多，在未來，提高海洋CSEM的獨立應用能力的同時，也需要提高與其他物理勘探方法交叉應用的緊密性。國外目前對拖曳式海洋CSEM采集數(shù)據(jù)的方式應用較多，地球物理方法多領(lǐng)域綜合數(shù)據(jù)解釋是未來發(fā)展的熱點。由于目標層深度，是否有電阻率差等限制條件，如何利用CSEM勘查陸域永久凍土區(qū)天然氣水合物達到更好的探測效果還需要深入研究。目前瞬變電磁法為探測凍土區(qū)天然氣水合物方面的有效方法。③在無明顯BSR的天然氣水合物有利區(qū)，可以海洋CSEM勘探方法為主，其他方法為輔，預測分析天然氣水合物的分布。聯(lián)合地震B(yǎng)SR與海洋 CSEM精確預測含天然氣水合物地層有利區(qū)帶的分布面積，地震、海洋CSEM、測井和取芯數(shù)據(jù)聯(lián)合評價靶區(qū)天然氣水合物資源量。在普查階段如何利用海洋 CSEM 技術(shù)與地震數(shù)據(jù)聯(lián)合反演預測天然氣水合物儲層參數(shù)與估算資源量將是一個很好發(fā)展方向。