海洋天然氣水合物及相關(guān)淺層氣藏的地球物理勘探技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展*

——以黑海地區(qū)德國(guó)研究航次為例

邢軍輝， 姜效典， 李德勇

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

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海洋天然氣水合物及相關(guān)淺層氣藏的地球物理勘探技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展*

——以黑海地區(qū)德國(guó)研究航次為例

邢軍輝， 姜效典， 李德勇

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

摘要：本文根據(jù)作者在德國(guó)留學(xué)期間參與的航次、科研以及文獻(xiàn)資料，介紹了迄今為止國(guó)際同行，尤其是德國(guó)的科研工作者在黑海地區(qū)勘探天然氣及天然氣水合物所采用的地球物理勘探方法，包括高分辨率多道地震勘探方法、淺地層剖面方法、旁掃聲吶方法、多波束測(cè)深方法以及衛(wèi)星成像海面調(diào)查方法，這些常用及最新的方法技術(shù)已經(jīng)獲得了很好的效果。借此，可以為中國(guó)的天然氣水合物的勘探工作以及勘探方法提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；地球物理勘探；黑海；淺層氣

21世紀(jì)以來，世界天然氣水合物的研發(fā)取得了一系列新進(jìn)展和技術(shù)的進(jìn)步，其中海洋地球物理勘探技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)海域天然氣水合物、相關(guān)的淺層氣藏以及海底滲流點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、調(diào)查和研究起到了至關(guān)重要的作用。由于地球物理勘探方法往往具有多解性，不同的方法其探測(cè)的深度和分辨率都不盡相同，為此，科學(xué)家們?cè)谡{(diào)查研究過程中經(jīng)常采用多種地球物理勘探技術(shù)相結(jié)合的方法，來實(shí)現(xiàn)天然氣水合物地球物理方法的成功勘探研究。

從1980年代初，美、英、德、加、俄、日、印、韓等國(guó)家便相繼展開了海底天然氣水合物的調(diào)查研究，取得了一系列成果。由于德國(guó)既無常規(guī)油氣資源，又無水合物資源,其主要靠發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)來開展國(guó)際合作，以期在未來水合物開發(fā)中獲益，因此其更加重視勘探技術(shù)的更新和研究。黑海地區(qū)是目前德國(guó)研究天然氣水合物的一個(gè)重要區(qū)域之一，黑海存在大量的天然氣水合物和天然氣滲漏點(diǎn)及其相關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造，而天然氣滲漏點(diǎn)根據(jù)水深和海底地形可以分為3種類型：類型一主要分布在水深較淺的陸架和陸坡上部，如在烏克蘭、羅馬尼亞、保加利亞、土耳其和格魯吉亞近海發(fā)現(xiàn)的大量以生物成因甲烷為主的天然氣滲漏點(diǎn)[1-5]。類型二是存在于天然氣水合物穩(wěn)定域帶低于725m水深，這種類型的滲漏點(diǎn)較為稀少，主要以格魯吉亞海區(qū)的巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)[6-7]和烏克蘭海區(qū)的“刻赤氣焰”[8]為代表，其滲漏的天然氣成分以生物成因的甲烷為主伴隨著更高的低分子量的碳?xì)浠衔颷7-8]。類型三是伴隨著特殊的海底地形特征，如海底隆起和海底泥火山。而類型二和類型三可用于指示黑海的天然氣水合物儲(chǔ)藏的位置。黑海天然氣水合物的首次采樣是在1974年，這次發(fā)現(xiàn)也是世界上天然氣水合物在海洋沉積物中的首次直接觀測(cè)[9]。黑海在理論上適合天然氣水合物形成的面積近30萬km2，約占整個(gè)黑海面積的68%或深水盆地面積的91%[10]。本文將依據(jù)以下4個(gè)德國(guó)航次：R/V Meteor M52(2002),FS Poseidon cruise P317/4(2004)，R/V Meteor M72/3(2007)，和R/V MARIA S. MERIAN MSM 15/2(2010)，來介紹目前所采用的天然氣及天然氣水合物的地球物理勘探方法以及輔助的衛(wèi)星成像研究。

1高分辨率多道地震勘探方法

地震勘探是在海洋天然氣水合物勘探中最常用、最重要的方法。傳統(tǒng)的地震勘探為了能夠反映更深層的地層結(jié)構(gòu)，常使用頻率較低的震源來獲得較大的穿透深度，而忽略了其垂向的分辨率[11]。天然氣水合物儲(chǔ)層及海底模擬反射層(BSR)往往位于較淺的地層中，且水合物儲(chǔ)層厚度在10m以下的所占比例相當(dāng)大[12]，為了達(dá)到更清楚準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水合物的目的，就需要采用高分辨率的地震勘探。

在黑海的R/V Meteor M52和R/V Meteor M72/3的科研航次[13-14]中所采用的就是高分辨率多道地震勘探方法，該套高分辨率多道地震采集系統(tǒng)是由德國(guó)不來梅大學(xué)地球?qū)W院海洋技術(shù)與環(huán)境工作組自行設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體航次的目標(biāo)來設(shè)置不同的系統(tǒng)參數(shù)。例如在R/V Meteor M72/3的科研航次中，高分辨率多道地震勘探主要用于調(diào)查滲漏點(diǎn)附近的淺部構(gòu)造，并重點(diǎn)揭示位于海底下方10～50m厚的地層中的淺層天然氣及天然氣水合物的分布情況。該系統(tǒng)震源使用了GI氣槍，其中“G槍”的容積是4.1L，而“I槍”的容積是1.7L，主頻范圍30～300Hz，該槍被沉放于水面下方約7m深的位置。拖纜長(zhǎng)500m，80個(gè)工作道，拖纜的沉放深度為3m(正負(fù)0.5m)。該系統(tǒng)由GPS實(shí)施精確定位。所采集到的地震數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過Vista地震處理軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，選取幾個(gè)道的數(shù)據(jù)疊加，獲得原始疊加剖面，如下圖1可見，在這預(yù)處理剖面上，其信噪比、分辨率、成像質(zhì)量很高，目標(biāo)構(gòu)造清晰。

2淺地層剖面方法

在黑海的R/V Meteor M52和R/V Meteor M72/3[13-14]的科研航次中所用到的淺地層剖面儀是固定安裝在R/V Meteor船底的Parasound淺剖，其是由德國(guó)ATLAS公司生產(chǎn)的全海域參量淺層剖面儀，該設(shè)備采用了差頻技術(shù)，具有波束窄、穿透強(qiáng)和分辨率高等特點(diǎn)，主要用于精確地揭示海底地形和海底以下100m以內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)、斷裂和淺層氣等，其分辨率高達(dá)0.2m。在這2個(gè)航次中，根據(jù)黑海海域的海底地形情況以及海況影響采用的是單波束淺剖的工作模式，發(fā)射主高頻(PHF)為18kHz，二次低頻(SLF)為4kHz。PHF數(shù)據(jù)主要用于水體成像，探測(cè)氣體火焰。SLF數(shù)據(jù)則用于淺地層成像。在接收時(shí)，對(duì)PHF和SLF的頻率帶寬進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)為12.2kHz，66%的采樣率。而對(duì)其PHF的振幅進(jìn)行手動(dòng)增益，當(dāng)水深大于800m時(shí)，設(shè)置為30dB；當(dāng)水深小于800m時(shí)，設(shè)置為15dB。對(duì)SLF的振幅設(shè)置為12dB。因此，水體成像和淺層剖面可同時(shí)采集，如在巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)采集的PHF和SLF數(shù)據(jù)，見圖2中(a)和(b)?？捎糜跐B漏點(diǎn)的精確定位，及淺層氣藏的識(shí)別和指導(dǎo)淺鉆采樣作業(yè)等。

(BSR出現(xiàn)在大約200ms深的位置[13]，如圖中黃箭頭所示。A BSR is seen approx. 200 ms beneath the sea floor[13]indicated by the yellow arrows.)

圖1穿過巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)的高分辨率多道地震剖面

Fig.1A high resolution multichannel seismic

profile across Batumi seep

((a) PHF數(shù)據(jù)，巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)處的海底氣焰成像 Imaging gas flares in the Batumi seep area by PHF data;(b) 同時(shí)采集的SLF數(shù)據(jù)，巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)處的淺層地層剖面[14]SLF data, subbottom profile recorded at the same time as the Fig. 3 in the Batumi seep area[14].)

圖2PHF(a)及淺層(b)剖面圖

Fig.2PHF(a) and Subbottom(b) profile

3旁掃聲吶方法

目前在德國(guó)科研航次中普遍采用的旁掃聲吶儀器是DTS-1，其設(shè)有2個(gè)工作頻率分別對(duì)應(yīng)于不同的工作目標(biāo)。一個(gè)是75kHz，其最大掃描寬度是750m，分辨率是5.6cm，該頻率用于對(duì)未知的滲漏點(diǎn)的初次探測(cè)，并對(duì)未知的區(qū)域進(jìn)行成像。而另個(gè)頻率是410kHz，其最大掃描寬度是150m，分辨率是2.4cm，該高頻率用于對(duì)已知滲漏點(diǎn)的精細(xì)成像。DTS-1旁掃聲吶系統(tǒng)所需的船速為平均2.5節(jié)。在德國(guó)FS Poseidon P317/4[15]科研航次中，該系統(tǒng)被用于巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)氣焰的探測(cè)，及海底地貌的精細(xì)成像研究等。如圖3、4。對(duì)于圖4中的反射異常的解釋，結(jié)合其他數(shù)據(jù)分析，如采樣，無

(圖中箭頭所指的是反射異常區(qū)域，白色指示的是反射強(qiáng)度高。圖中黑線指示的是船的航行路線[15]。black arrows in the figure indicating the reflection anomaly, white color shows the high reflection. The black line was the ship direction[15].)

圖3經(jīng)過處理后的DTS-1 75 kHz旁掃聲吶剖面

經(jīng)過巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)

Fig.375 kHz processed DTS-1 sidescan sonar

profile across Batumi seep

(在穿過巴統(tǒng)滲漏點(diǎn)的DTS-1 410kHz旁掃聲吶剖面中，出現(xiàn)多個(gè)同心環(huán)狀的滲漏點(diǎn)及位于東邊的兩個(gè)清晰的斷層[15]。410 kHz DTS-1 sidescan sonar profile across Batumi seep showing two fractures in the east and individual seeps with concentric rings[15].)

圖4旁掃聲吶剖面

Fig.4Sidescan sonar profile

人遙控潛水器(ROV)等，可以認(rèn)為該異常是由來自甲烷厭氧氧化(AOM)作用形成的碳酸鹽沉積以及近地表的天然氣水合物的形成和分解導(dǎo)致的。

4多波束測(cè)深方法

在本文所提到的這4個(gè)航次中，分別使用了不同的多波束測(cè)深系統(tǒng)，如在M52航次使用了ATLAS-ELEKTRONIK公司制造的HYDROSWEEP DS2多波束系統(tǒng)，在P317/4航次中使用了ELAC Bottomchart Mk II多波束系統(tǒng)，在M72/3航次中使用了挪威Kongsberg公司的EM120多波束系統(tǒng)，而在MSM 15/2[16]航次中則使用了挪威Kongsberg公司的EM122多波束系統(tǒng)。下面以這4個(gè)航次中最新的多波束系統(tǒng)挪威Kongsberg公司的EM122為例進(jìn)行介紹。EM122的頻率為12kHz，除了可以用于獲得測(cè)量海底地形地貌的水深數(shù)據(jù)之外，還可以用于水體中異常的測(cè)量，如氣焰的探測(cè)。在MSM15/2的航次中，多波束扇形的角度設(shè)置為70°，船速約為5節(jié)。對(duì)于采集到的水體數(shù)據(jù)，可以用Fledermaus Midwater tool這個(gè)軟件工具，將其中的氣焰數(shù)據(jù)提取出來，可以獲得氣焰的準(zhǔn)確范圍，如寬度和高度等(見圖5)。該技術(shù)可方便、清晰地探測(cè)海底甲烷滲漏系統(tǒng)的氣體泄漏情況，有助于計(jì)算氣體泄漏量。

(該氣焰位于Pechori Mound滲漏點(diǎn)[17]。3D view on an individual gas flare at Pechori Mound[17].)

圖5三維立體氣焰圖

Fig.5Image of Gasflares in 3D veew

為了對(duì)滲漏點(diǎn)、天然氣水合物富集區(qū)等目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的采樣或鉆探等研究工作，則需要獲得更高精度的測(cè)深數(shù)據(jù)，德國(guó)不來梅大學(xué)MARUM研究所則采用了水下自治機(jī)器人(AUV)，也稱為無纜水下機(jī)器人，型號(hào)是SEAL 5000，AUV自帶的丹麥RESON 7125多波束測(cè)深儀，其具有無與倫比的高分辨率，在MSM 15/2航次中對(duì)Colkheti Seep滲漏點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，所設(shè)置的參數(shù)為400kHz及512束多波[16]，而AUV則位于距海底40m的高度位置，獲得了0.5m的高精度網(wǎng)格數(shù)據(jù)，加之安裝在船體上的多波束EM122系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)，通過MB系統(tǒng)軟件后期處理，可獲得如圖6。

(本圖中清晰的海底地形成像所用的是AUV采集的測(cè)深數(shù)據(jù)，而周圍相對(duì)模糊的部分則是使用的EM122所采集的測(cè)深數(shù)據(jù)[17]In this fig, the clear image of the seafloor morphology is created by using the AUV data, the indistinct part is using the EM122 data[17])

圖6高分辨率海底地形圖

Fig.6High resolution image of the seafrom morphology

5衛(wèi)星成像海面調(diào)查方法

ENVISAT衛(wèi)星是歐空局的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系列之一，于2002年3月1日發(fā)射升空，并于2012年5月9日正式“退休”。該衛(wèi)星是歐洲迄今建造的最大的環(huán)境衛(wèi)星，其所搭載的最大設(shè)備是先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)(ASAR)，可生成海洋、海岸、極地冰冠和陸地的高質(zhì)量高分辨率圖象[18]。因此，ASAR的數(shù)據(jù)被德國(guó)科學(xué)家用于觀測(cè)東黑海海底Colkheti Seep and Pechori Mound油氣滲漏點(diǎn)的位置。ASAR發(fā)射微波并接收記錄反向散射信號(hào)。根據(jù)布拉格定律，越是光滑的界面，信號(hào)被散射的越多，而ASAR所接收到的信號(hào)越少，由于油水界面相對(duì)于海水表面，具有較高的表面張力，使得油水界面更加光滑[19]。因此，在經(jīng)過處理的ASAR圖像上，油水界面表現(xiàn)為較深的黑色帶，如圖7。將同一個(gè)油氣滲漏區(qū)的不同時(shí)間的ASAR圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，可以獲得油氣滲漏點(diǎn)的位置[17]。該方法利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)尋找油氣滲漏點(diǎn)，其勘探成本較低，但對(duì)于所觀測(cè)的滲漏點(diǎn)有一定的條件限制，可以作為勘探未知的天然氣水合物礦藏位置的參考手段之一。

(圖中箭頭指示的是浮油的漂流方向，這四幅分別采集于a) 2008-04-08；b)2009.09.14；c)2010.09.13；d)2011.05.14[17]。Arrows in these figures indicate drift direction of the slicks. The images were acquired on a) 08 April 2008, b) 14 September 2009, c) 13 September 2010, d) 14 May 2011[17].)

圖7海底滲漏點(diǎn)ColkhetiSeep和Pechori Mound

相關(guān)的海水表面的浮油情況

Fig.7Oil slicks on the sea surface related to natural seepage

at Colkheti Seep and Pechori Mound

6對(duì)中國(guó)水合物及相關(guān)淺層氣藏勘探的啟示

通過介紹R/V Meteor M52(2002),FS Poseidon cruise P317/4(2004)和R/V Meteor M72/3(2007)，和R/V MARIA S. MERIAN MSM 15/2(2010)這4個(gè)德國(guó)的科研航次中的天然氣及天然氣水合物的地球物理勘探方法及輔助的衛(wèi)星成像海面調(diào)查方法，認(rèn)識(shí)到常用的方法如高分辨率多道地震勘探方法、淺地層剖面方法、旁掃聲吶方法、多波束測(cè)深方法，以及最新的方法如多波束測(cè)深方法中的氣焰三維成像和AUV、衛(wèi)星成像海面調(diào)查方法，這些技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋天然氣水合物及其相關(guān)構(gòu)造的高分辨率勘探，取得了非常好的效果。在海底天然氣水合物和相關(guān)淺層氣藏的地球物理勘探過程中，多種勘探技術(shù)方法的綜合運(yùn)用及更高分辨率的成像已經(jīng)成為未來水合物研究的趨勢(shì)，同時(shí)，更加側(cè)重于天然氣水合物礦藏的系統(tǒng)性勘探研究，從水體的中氣體火焰、到海底表面地形地貌及水合物出露情況、到海底下淺層地層中的水合物礦藏的分布、及相關(guān)氣體的來源、運(yùn)移和儲(chǔ)藏。

目前中國(guó)對(duì)海洋天然氣水合物及相關(guān)淺層氣藏的勘探技術(shù)研究還不夠深入、不夠系統(tǒng)，依靠的主要技術(shù)手段仍然是地震勘探為主，重力和磁力勘探為輔的綜合物探方法，雖然海洋地震勘探技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但僅局限于地震方法，研究的范圍則更多的是局限于海底地層中，而以近海底水合物沉積層為目標(biāo)的綜合聲學(xué)勘探技術(shù)研究和運(yùn)用較少，以海底表面及水體中的目標(biāo)以及相關(guān)的勘探技術(shù)研究和運(yùn)用則更少[20]。因此，建議在中國(guó)的水合物勘探研究工作中，要將水合物作為一個(gè)系統(tǒng)來綜合勘探和研究，目標(biāo)范圍不僅要包括海底地層，更要包括海底表面以及水體，甚至海洋表面。而技術(shù)方法方面則要充分運(yùn)用好以近海底為目標(biāo)的勘探技術(shù)，如高分辨率多道地震勘探、淺地層剖面、旁掃聲吶等，不斷地在實(shí)踐中找到適合我國(guó)東海和南海天然氣水合物勘探的參數(shù)設(shè)置；同時(shí)，應(yīng)不斷關(guān)注、開發(fā)和利用最新的科技成果，如高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，AUV等，擴(kuò)大目標(biāo)研究范圍，提高成像的分辨率，將更多的方法技術(shù)應(yīng)用于海洋天然氣水合物及其相關(guān)構(gòu)造的系統(tǒng)性勘探上,實(shí)現(xiàn)天然氣水合物系統(tǒng)的綜合研究和多種勘探技術(shù)的綜合發(fā)展。

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責(zé)任編輯徐環(huán)

Application Progress of Geophysical Exploration Technology About Marine Gas Hydrate and Shallow Gas Reservoirs：A Case for German Research Cruises in the Black Sea

XING Jun-Hui, JIANG Xiao-Dian, LI De-Yong

(The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, College of Marine Geoscience, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Based on the German research cruises that the author participated in during his study in Germany, and scientific research projects and references, the authors review the geophysical exploration technology used by German scientists to study Gas hydrate and shallow gas reservoirs in the Black Sea area. These technologies include high resolution multichannel seismic exploration methods, Parasound, side scan sonar, Multi-beam and sea surface investigations by satellite imagery. They are the most popular and the newest methods that are successfully used in the gas hydrates and shallow gas reservoirs exploration. Therefore, the methods introduced by the paper can open a new way or be used in our native research on gas hydrates exploration.

Key words:gas hydrate; geophysical exploration; Black Sea; shallow gas

中圖法分類號(hào)：S917.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)01-080-06

作者簡(jiǎn)介：邢軍輝(1983-)，男，講師。E-mail：355318352@qq.com

收稿日期：2014-10-24；

修訂日期：2014-11-13

*基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(201513007)資助

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140338

引用格式： 邢軍輝， 姜效典， 李德勇. 海洋天然氣水合物及相關(guān)淺層氣藏的地球物理勘探技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——以黑海地區(qū)德國(guó)研究航次為例[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)版(自然科學(xué)版)，2014，46(1)： 80-85.

XING Junhui, JIANG Xiaodian, LI Deyong. Application progress of geophysical exploration technology about marine gas hydrate and shallow gas reservoirs[J].Periodical of Ocean Uniuensity of China, 2015, 49(1)： 80-85.

Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(201513007)