寬頻地震無井反演技術(shù)在神狐海域天然氣水合物礦體描述中的應(yīng)用*

李元平 顏承志 李 杰 史文英 陳 利

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部特普公司 廣東湛江 524057)

天然氣水合物是由水分子和碳?xì)錃怏w在低溫、高壓環(huán)境下生成的固態(tài)化合物，具有能量密度高、無污染等特點,被認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的能源之一。由于石油、煤炭等能源的日益短缺,人們對水合物的研究越來越多，主要體現(xiàn)在其形成環(huán)境、保存條件、賦存范圍和資源量等方面[1]。

我國在南海北部珠江口盆地不同區(qū)域先后進(jìn)行過3次水合物鉆探，揭示高飽和度砂質(zhì)水合物儲層在當(dāng)下最具商業(yè)開發(fā)價值。2015年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局GMGS-3航次在南海北部神狐海域23個站位進(jìn)行了隨鉆測井，測井資料表明在每個站位都發(fā)現(xiàn)了水合物，飽和度最高達(dá)64%。與2007年GMGS-1航次首次鉆探結(jié)果不同，GMGS-3航次鉆遇的水合物層飽和度和厚度都遠(yuǎn)大于GMGS-1航次發(fā)現(xiàn)的水合物層，因兩次鉆探位于峽谷不同的結(jié)構(gòu)單元，水合物儲層沉積相帶空間變化較大，致使神狐地區(qū)水合物層飽和度和厚度在垂向和橫向上都具有明顯的不均勻性和不連續(xù)性。此外，GMGS-3航次鉆探的不同站位水合物厚度和飽和度也存在較大差異，其中站位A井水合物層位于海底以下116.5～192.5 m，呈分散狀充填在孔隙空間中，垂向上發(fā)育多套水合物層，水合物總厚度達(dá)70 m以上，飽和度最高達(dá)53%；而距離A井東南方向約2 km的站位B井，其鉆遇的水合物層總厚度則只有30多米，飽合度最高只有37%左右[2-4]。

對水合物礦藏識別及礦體精細(xì)描述，目前常見的做法是利用高分辨率的二維地震開展研究[5-10]，如2007年楊文達(dá) 等[11]總結(jié)并整理出了高分辨率地震勘探中需要重視的技術(shù)問題,并介紹了一些運用高分辨率地震勘探獲得的地質(zhì)成果；2012年徐華寧 等[12]利用多道高分辨地震資料開展了神狐海域水合物的探測研究，該采集方式獲得的地震資料分辨率較高，但低頻缺失，無法準(zhǔn)確描述水合物的空間分布;2015年褚宏憲 等[13]對小道距高分辨多道地震對水合物的勘查適用性進(jìn)行了探討。另外，在利用常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)開展研究方面，前人也取得了大量應(yīng)用研究成果[14-20]，如2010年沙志彬 等[21]基于常規(guī)三維地震資料開展了針對天然氣水合物的波阻抗反演技術(shù)探索；2011年呂琳 等[22]利用常規(guī)處理地震屬性識別天然氣水合物；2016年劉潔 等[23]基于地震譜反演層速度方法開展水合物分布研究。但受常規(guī)地震中深層采集處理的影響，地震頻帶窄且分辨率低，常規(guī)地震無井反演結(jié)果中低頻和高頻信息缺失，達(dá)不到精細(xì)刻畫水合物的目的。

針對常規(guī)地震資料及常規(guī)反演存在的諸多問題，本文提出以寬頻處理的高保真地震資料為基礎(chǔ)，以疊前深度偏移處理獲得的高精度網(wǎng)格層析速度場為背景，構(gòu)建反演所需的低頻模型，開展寬頻地震無井反演，利用反演獲得的波阻抗屬性對研究區(qū)水合物礦體進(jìn)行描述。

1 寬頻地震無井反演技術(shù)

研究區(qū)內(nèi)水合物層非均質(zhì)性較強，相對于非水合物地層背景具有高縱波速度、高縱波阻抗、高電阻率的特點，因此可以利用寬頻地震無井反演技術(shù)獲得縱波速度或者縱波阻抗屬性，進(jìn)而描述水合物礦體的空間展布。

1.1 技術(shù)流程

寬頻地震無井反演技術(shù)以寬頻處理地震資料為基礎(chǔ)，以高精度網(wǎng)格層析速度場為反演初始背景，以稀疏脈沖算法為核心算法，獲得高分辨寬頻波阻抗屬性。寬頻地震無井反演技術(shù)流程如圖1所示，其中核心環(huán)節(jié)是寬頻地震處理和無井反演低頻模型構(gòu)建。

圖1 寬頻地震無井反演技術(shù)流程Fig.1 Technical flowchart of well-free broadband seismic inversion

1.2 寬頻地震處理

受海上地震鬼波陷波影響，研究區(qū)常規(guī)處理地震資料往往表現(xiàn)為頻帶窄、低頻段能量弱的特征：頻譜分析按振幅能量歸一化后的50%為界限進(jìn)行，低頻端頻率為22 Hz，高頻端頻率為64 Hz，頻帶寬度只有42 Hz(圖2a、c)。為避免鬼波陷波影響，本文從偏移前炮集開始進(jìn)行鬼波壓制，經(jīng)過反Q濾波、拓頻等一系列處理，獲得頻帶更寬的地震資料，低頻端頻率可達(dá)5.5 Hz，高頻端頻率可達(dá)75 Hz，頻帶寬度達(dá)到69.5 Hz(圖2b、d)，低頻信號明顯增強。在研究區(qū)目的層水合物層段分別從常規(guī)地震和寬頻地震資料上提取地震子波，可以看出，從常規(guī)地震中提取的子波旁瓣個數(shù)多，旁瓣振幅較大，波形延續(xù)范圍廣(圖2e)；而從寬頻地震中提取的子波旁瓣個數(shù)少，旁瓣振幅較小，波形延續(xù)范圍窄(圖2f)，有利于后續(xù)寬頻無井阻抗反演。

從研究區(qū)目的層水合物層段附近提取子波，分別對常規(guī)地震和寬頻地震進(jìn)行井震標(biāo)定，常規(guī)地震資料與井合成記錄的相關(guān)系數(shù)為0.742，寬頻地震資料與井合成記錄的相關(guān)系數(shù)為0.818，寬頻地震資料與井合成記錄吻合得更好(圖3)，這表明寬頻地震資料分辨率得到了有效提高，且保真性較好。

圖2 研究區(qū)常規(guī)處理與寬頻處理地震數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison of seismic data processed by conventional and broadband processing methods in study area

1.3 無井反演低頻模型構(gòu)建

由于海上地震資料采集原因，常規(guī)處理地震資料的低頻信息有所缺失，反演所需的低頻成分大多依靠井和解釋層位控制插值補充，這種建模方式對沉積環(huán)境變化不大的地層比較適用。但對于天然氣水合物藏而言，采取常規(guī)的層控井插值建模方式的反演結(jié)果無法體現(xiàn)水合物藏空間變化快的特點，而采取以地震速度約束建模方式的反演結(jié)果則可以很好地體現(xiàn)水合物藏空間變化快的特點(圖4、5)，目前比較流行的做法是以地震層速度場作為輸入，構(gòu)建低頻模型開展反演，關(guān)鍵在于獲得高精度的速度場和低頻豐富的地震資料。

在研究區(qū)，常規(guī)處理中地震資料低頻信息比較缺失，10 Hz以內(nèi)幾乎無信息，常規(guī)地震速度場精度不高，速度在頻率域信息多在2 Hz以內(nèi)，難以識別水合物礦體的邊界(圖6左)，而且2～10 Hz內(nèi)的地層信息很難體現(xiàn)在反演結(jié)果上(圖7左)。為了拓展地震低頻端信息，開展了鬼波壓制處理，通過高精度網(wǎng)格層析更新，地震速度場精度得到進(jìn)一步提高，速度場頻率可達(dá)4～5 Hz，可以反映出幾十米厚的水合物礦體速度異常(圖6右)，基本可以實現(xiàn)頻率成分的全覆蓋(圖7右)。研究區(qū)A井位置反演阻抗與合成阻抗曲線頻譜特征相似(圖8)，進(jìn)一步證實了前期拓展的低頻信息合理可信。

圖4 研究區(qū)層控井插值建模(左)與地震速度約束建模(右)Fig.4 Layers control well interpolation modeling (left)and seismic velocity constraint modeling (right) in study area

圖5 研究區(qū)層控井插值建模反演阻抗(左)與地震速度約束建模反演阻抗(右)Fig.5 Layers control well interpolation modeling inversion impedance (left)and seismic velocity constraint modeling inversion impedance (right) in study area

圖6 研究區(qū)常規(guī)速度場(左)與高精度網(wǎng)格層析速度場(右)Fig.6 Conventional (left)and high precision grid tomography (right)velocity field information in study area

圖7 常規(guī)地震反演(左)與寬頻地震反演(右)頻率信息構(gòu)成Fig.7 Frequency information composition of conventional seismic (left)and broadband seismic (right)inversion

圖8 研究區(qū)A井位置反演阻抗(左)與合成阻抗曲線(右)頻譜信息Fig.8 Inversion impedance (left)and composed impedance curve (right)spectrum information of A well location in study area

2 在神狐海域天然氣水含物礦體描述中的應(yīng)用

首先，以研究區(qū)A、B、C等3口探井作為盲井，對寬頻地震無井反演結(jié)果進(jìn)行檢驗(圖9)。從圖9可以看出，這3口井點位置的反演阻抗與合成阻抗曲線吻合較好，特別是在水合物層段，如A井鉆遇的4層薄厚不均的水合物礦體，總厚度70 m左右，最薄的只有6 m；C井鉆遇的厚度20 m左右的單層水合物在反演結(jié)果上也有較好的對應(yīng)關(guān)系。這表明，寬頻地震無井反演結(jié)果精度較高，可應(yīng)用于對水合物礦體的識別描述。

然后，利用寬頻地震無井反演出的阻抗屬性結(jié)果對神狐海域天然氣水合物礦體進(jìn)行描述，并與常規(guī)地震無井反演結(jié)果進(jìn)行對比(圖10、11)，從圖10、11可以看出，常規(guī)地震資料的無井反演結(jié)果對水合物礦體內(nèi)幕刻畫不清晰，頂界空間展布描述模糊，而寬頻地震無井反演結(jié)果很好地描述了水合物礦體的空間展布特征，水合物礦體的頂界、底界以及內(nèi)部變化特征刻畫清楚，水合物礦體的底界是由多套水合物地層與下方游離氣的頂界相接觸而成，并非是常規(guī)反演結(jié)果展示的一套連續(xù)高阻抗條帶。分別追蹤水合物礦體頂界，提取對應(yīng)的平面切片(圖12)，可以看出，水合物礦體頂界面在常規(guī)地震無井反演阻抗上有一定反映，但其邊界的準(zhǔn)確識別比較困難；而在寬頻地震無井反演阻抗上，水合物礦體頂界平面展布特征非常清晰，邊界識別比較容易。因此，在寬頻地震無井反演結(jié)果上可以更精細(xì)地描述神狐海域水合物礦體空間展布形態(tài)，更準(zhǔn)確地認(rèn)識水合物礦體的非均質(zhì)性，尋找潛在的甜點區(qū)域，有利于該地區(qū)后續(xù)水合物礦體的評價開發(fā)。

圖9 研究區(qū)寬頻地震無井反演結(jié)果盲井檢驗Fig.9 Blind well inspection for broad band seisimic without well inversion results in study area

圖10 研究區(qū)常規(guī)地震數(shù)據(jù)(左)及基于常規(guī)地震的無井反演結(jié)果(右)Fig.10 Conventional seismic data (a)and its well-free inversion result(b) in study area

圖11 研究區(qū)寬頻地震數(shù)據(jù)(左)及基于寬頻地震的無井反演結(jié)果(右)Fig.11 Broadband seismic data(a) and its well-free inversion result(b) in study area

圖12 研究區(qū)常規(guī)地震無井反演(左)與寬頻地震無井反演(右)水合物頂界平面展布Fig.12 Hydrate top boundary plane distribution of conventional seismic(a) and broadband seismic(b) well-free inversion in study area

3 結(jié)論

1) 利用鬼波壓制、反Q濾波等技術(shù)獲得頻帶更寬的地震資料，利用疊前深度偏移獲得高精度網(wǎng)格層析速度場，構(gòu)建反演所需的低頻模型，開展寬頻地震無井反演，獲得高精度的波阻抗體，可以對神狐地區(qū)天然氣水合物礦體進(jìn)行描述。

2) 實踐表明，與基于常規(guī)地震數(shù)據(jù)的無井反演相比，寬頻地震無井反演結(jié)果刻畫的水合物礦體空間展布特征準(zhǔn)確且清晰，在水合物礦體邊界識別、內(nèi)部細(xì)節(jié)刻畫等方面都更具優(yōu)勢。