地震屬性在海洋天然氣水合物識別中的應(yīng)用

王偉巍，伍忠良，龔躍華，吳世敏

（1.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510760；2.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；3.中山大學(xué)，廣東 廣州 510275）

天然氣水合物是一種天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，在我國青藏高原凍土帶和南海北部深海海底都有發(fā)現(xiàn)，已被我國正式確認(rèn)為一種新的礦產(chǎn)資源。天然氣水合物因其資源密度高，全球分布廣泛，并且綠色清潔無污染，商業(yè)化開發(fā)已被世界多國提上日程。海洋天然氣水合物資源勘探，主要采用主動源海洋多道地震探測技術(shù)，被公認(rèn)是水合物資源調(diào)查技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。在水合物資源勘查階段，研究人員主要應(yīng)用高分辨二維地震/三維地震調(diào)查技術(shù)，在成像剖面中尋找海底似反射（Bottom Simulating Reflector, BSR）、極性反轉(zhuǎn)等疑似水合物賦存的標(biāo)志[1-2]。2007 年與2013 年，南海北部海域鉆探獲取水合物實物樣品，標(biāo)志著我國海洋天然氣水合物資源研究工作進(jìn)入勘探開發(fā)階段。同時大量研究表明，以BSR 特征識別水合物存在不確定性情況[3]。為此，科研人員從油氣藏勘探技術(shù)中引入提出了天然氣水合物地震屬性技術(shù)，于南海北部海域開展單源單纜高分辨準(zhǔn)三維地震調(diào)查，選取BSR 特征剖面進(jìn)行地震屬性提取與分析，探討地震屬性技術(shù)在提高水合物礦體識別研究中的效用。

地震屬性是指疊前或疊后地震數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)學(xué)變換而導(dǎo)出的有關(guān)地震波幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的特征值，代表了原始地震資料中所包含全部信息的子集。天然氣水合物地震屬性分析是根據(jù)不同的算法得出多種地震屬性，找出對水合物敏感屬性，然后利用這些地震屬性將差異“放大”，使其能區(qū)分判斷與水合物有關(guān)的微小地震反射特征，從而達(dá)到識別預(yù)測水合物的目的[4]。

為滿足屬性提取質(zhì)量，原始數(shù)據(jù)采集通過高分辨準(zhǔn)三維地震探測技術(shù)，數(shù)據(jù)處理應(yīng)用高精度縱波速度層析反演及約束改善拖纜準(zhǔn)三維地震數(shù)據(jù)成像技術(shù)，為無測井資料（偽井）的天然氣水合物礦體的多種敏感屬性的分析應(yīng)用，提供了高精確，高可信度的地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)[5]。由于水合物礦體和含游離氣帶對不同的地震屬性有不同的敏感度，水合物礦體對振幅屬性比較敏感，BSR 往往呈強振幅特征，水合物賦存地層因其內(nèi)部成礦程度高在剖面上形成振幅空白帶。水合物層下部的游離氣不但對振幅屬性敏感，而且對頻率屬性也很敏感，BSR 下部的游離氣往往形成振幅增強體（亮點）及低頻效應(yīng)。因此，通過提取地震屬性分析，可以提高對水合物礦體及游離氣帶的識別度。

1 天然氣水合物準(zhǔn)三維地震數(shù)據(jù)采集

我國海洋天然氣水合物資源勘查與開發(fā)，主要通過采用單源單纜高分辨率（準(zhǔn)）三維地震拖纜采集，海上實施模式如圖1 所示。在設(shè)計調(diào)查區(qū)域內(nèi)尋找存在BSR 地震反射特征區(qū)域，圈定并選取水合物礦體富集并具有較好開發(fā)價值的目標(biāo)區(qū)。

圖1 單源單纜準(zhǔn)三維維地震海上采集原理示意圖

在南海北部海域前期的二維地震調(diào)查圈出的存在BSR 特征的調(diào)查區(qū)塊內(nèi)，為進(jìn)一步研究天然氣水合物的識別技術(shù)，進(jìn)一步圈定天然氣水合物鉆探及試采有利目標(biāo)區(qū)，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“奮斗四號”調(diào)查船在此區(qū)域開展了準(zhǔn)三維地震采集技術(shù)試驗以及數(shù)據(jù)采集工作，獲得了豐富的準(zhǔn)三維地震數(shù)據(jù)，并采用淺海底層去噪、反褶積、偏移成像等技術(shù)，通過海底地震反演層析速度數(shù)據(jù)約束，處理輸出三維疊前（疊后）偏移數(shù)據(jù)體。

1.1 試驗區(qū)位置

試驗海域位于我國南海北部陸坡海域，海水深度約在400～2 400 m 之間，圖2 為天然氣水合物準(zhǔn)三維地震試驗工區(qū)位置圖。試驗區(qū)包括了部分陸架、陸坡和深海平原三個地貌單元，地貌形態(tài)復(fù)雜各異。試驗區(qū)經(jīng)過充分的二維高分辨多道地震調(diào)查，設(shè)計測線基本覆蓋區(qū)域內(nèi)BSR 范圍（圖2 綠色區(qū)域），在預(yù)測水合物賦存區(qū)域（圖2 藍(lán)色區(qū)域）進(jìn)行了測線相應(yīng)的延長和加密測量，有利于獲得更高分辨率和精確速度的地震波場資料。

圖2 天然氣水合物準(zhǔn)三維地震采集海上試驗工區(qū)位置圖

1.2 試驗船只與設(shè)備

試驗船只為“奮斗四號”船，配有現(xiàn)代化集控航海、通訊、氣象傳真等設(shè)備。專業(yè)調(diào)查設(shè)備主要有導(dǎo)航定位系統(tǒng)、地震測量系統(tǒng)等。

地震震源系統(tǒng)：由氣槍控制器和G.I.槍相干槍陣組成。震源容量為540 Cu.in.，由4 條G.I 槍組成。氣槍控制器為GunLink2000 氣槍同步控制器。地震接收系統(tǒng)為法國SERCEL 公司的SEAL428XL 海洋拖纜地震采集系統(tǒng)，配備192 道拖曳電纜，道間距為12.5 m。試驗參數(shù)詳見表1.

表1 準(zhǔn)三維地震與海底地震聯(lián)合采集試驗參數(shù)表

1.3 試驗數(shù)據(jù)獲取

海上試驗共完成了準(zhǔn)三維試驗測線29 條，試驗工作量447.30 km，形成三維數(shù)據(jù)體面積12.8 km2。本文選擇主測線（圖2 中藍(lán)色陰影測線）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及屬性提取分析，表述方法的應(yīng)用及取得效果。

2 數(shù)據(jù)處理

地震數(shù)據(jù)三維資料處理主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和面元均化處理等幾個部分，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要針對涌浪、頭標(biāo)、水鳥所產(chǎn)生的噪音以及多次波進(jìn)行壓制，形成SEGY 格式的道集，三維處理重點在于針對單源單纜的特點，進(jìn)行觀測系統(tǒng)定義、面元均化、三維疊加等處理流程，最終形成三維偏移和疊加剖面，為后續(xù)的解釋反演提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 天然氣水合物準(zhǔn)三維地震處理流程圖

試驗中，作者對全區(qū)域內(nèi)拖纜數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析，獲取高精度層速度信息，用于改善主測線拖纜數(shù)據(jù)偏移疊加成像質(zhì)量，實現(xiàn)了精確速度約束下的拖纜多道地震偏移疊加剖面成像處理，為數(shù)據(jù)反演、地震屬性提取做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3 BSR 地震屬性檢測與提取

3.1 三維地震資料BSR 層位追蹤

地震屬性分析需要特定層位約束，層位信息是地震屬性分析的重要前提。對于天然氣水合物探測而言，BSR 特征是地震屬性分析必須具備的。然而在三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行人工拾取的BSR 適用性較差，主要存在兩點不足：一是人工追蹤耗時長；二是人工追蹤難以實現(xiàn)BSR 延展至全部三維地震覆蓋區(qū)域。因此，提出兩種方法生成全區(qū)覆蓋的BSR 參考層位，用于后續(xù)的地震屬性分析。

首先，在研究區(qū)內(nèi)追蹤海底層位（圖4-a），計算覆蓋全區(qū)的BSR 參考層（圖4-b）。圖4-c 是人工拾取的BSR，計算出的全區(qū)BSR 參考層與之相比非常接近（圖4-d）。其中，分辨率較高的地震數(shù)據(jù)體及準(zhǔn)確的速度信息為計算追蹤BSR 全區(qū)域?qū)游惶峁┛尚判员ＷC。

圖4 BSR 層位追蹤效果圖

3.2 天然氣水合物地震屬性綜合分析

目前，BSR、振幅空白帶、速度倒轉(zhuǎn)和極性反轉(zhuǎn)等地震異常特征，仍是識別水合物的主要標(biāo)志。但是因為地震信息存在多解性，具備上述特征仍無法確定水合物的存在。例如，地層孔隙度低會造成縱橫波速度增大；地層均勻或內(nèi)部破碎就可以在常規(guī)處理地震剖面上形成弱反射帶；上下接觸的地層波阻抗差都會形成強反射界面；只要存在高速層就會形成與海底反極性等[6]。

實踐中，下列情況難以用BSR 來識別水合物：（1）游離氣層較薄或者完全沒有；（2）存在近似平行于海底的同相軸，但其上的空白帶和其下的低速特征不明顯，沒有切割同相軸的現(xiàn)象；（3）由蛋白石等巖性引起的假BSR 現(xiàn)象。因此，要判斷由水合物賦存而形成的BSR，還存在許多技術(shù)問題，需要在實踐中不斷改進(jìn)和提高采集、處理和解釋技術(shù)[7]。

綜上所述，目前用來在地震剖面上識別天然氣水合物的反射特征都存在多解性。為加強水合物的識別，對三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了特殊屬性計算，包括疊前反演屬性如P 波阻抗反射率、流體因子、法線入射反射率、泊松反射率和彈性波阻抗反射率，以及疊后屬性如瞬時振幅、瞬時頻率、相對極性、能量半衰時等。通過特殊處理，進(jìn)一步揭示水合物的地震綜合異常特征，取得了可供參考并應(yīng)用的效果。同時，在利用各種地震信息檢測水合物的過程中，應(yīng)注意各種地震信息的相互印證，才能較準(zhǔn)確識別水合物并把握其賦存部位。下面說明各種地震屬性在水合物地震檢測中的應(yīng)用[8]。

3.2.1 疊后屬性分析 偏移疊加數(shù)據(jù)體反映的時間構(gòu)造對應(yīng)著地下的真實情況，是地質(zhì)分析和BSR識別的基礎(chǔ)。在疊加偏移數(shù)據(jù)體上開展分析反射強度、瞬時頻率、相位余弦和視極性屬性剖面，以幫助識別BSR 及水合物可能的賦存狀態(tài)。為考察地震反射的平面分布特征，沿BSR 層位提取了均方根振幅、弧長、能量半衰時屬性和平均瞬時頻率屬性。為方便計算，對BSR 層位進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难由旌筒逯堤幚韀9]。

3.2.2 疊前屬性分析 在疊前偏移數(shù)據(jù)體上提取P波阻抗反射率、流體因子、法線入射反射率、泊松反射率、彈性波阻抗反射率等屬性，分析得出其對地層含流體信息比較敏感，能夠更直觀快速的反映BSR 構(gòu)造輪廓，快速識別水合物。

P 波阻抗反射率是一個相對數(shù)值，主要反映地層P 波阻抗變化情況，可用于進(jìn)行巖性解釋。以高速水合物層為蓋層，含氣圍巖可以產(chǎn)生強反射，有利于識別BSR 和游離氣[10]。流體因子可預(yù)測地層中流體變化，有利于識別BSR 之下是否含氣。法線入射反射率是地震波在巖性界面法向的相對反射強度。泊松反射率反映的是流體的可壓縮性。彈性波阻抗是聲波阻抗在非法向入射情況下的自然推廣，隨入射角變化而變化，利用不同入射角的地震疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，反射系數(shù)精度高，能夠有效地預(yù)測巖性和流體，對巖性的指示能力強。

3.3 試驗區(qū)BSR 地震屬性分析

從取得的資料獲知，本研究區(qū)內(nèi)BSR 分布廣泛，本文選取了準(zhǔn)三維處理三維數(shù)據(jù)體中心剖面Line80 測線（圖5）進(jìn)行屬性提取和分析。從地震剖面上可看到BSR 表現(xiàn)出與水合物相關(guān)的典型特征：反射極性與海底相反；反射強度較大并與正常沉積地層反射同相軸相交；上下常伴有空白反射現(xiàn)象。BSR 總體近似平行于海底，在深水區(qū)距海底的厚度增大，這與水合物穩(wěn)定帶厚度隨水深增加有關(guān)[11-12]。

圖5 三維地震數(shù)據(jù)體中心成像剖面

（1）BSR 層的屬性提取與分析

針對于剖面上BSR 反射層，提取了P 波阻抗反射率、反射強度、視極性等地震屬性，并繪出相應(yīng)屬性剖面進(jìn)行分析（圖6～圖8）。分析結(jié)果表明：提取的這三種屬性剖面可以明顯的區(qū)分出BSR 反射層，排除近海底多次波反射的影響；利用反射強度及P波波阻抗反射率屬性剖面可以進(jìn)一步確定BSR 層（含水合物礦體層）的分布特點，并總結(jié)出與圍巖的賦存關(guān)系。

如圖6 所示，在line80 測線的視極性屬性剖面上，與海底正極性反射（白—紫—白色）相比，BSR的反極性特征非常明顯（紫—白—紫色），此特性可以將BSR 反射層與海底多次波（鬼波）反射區(qū)分開來，進(jìn)一步確定BSR 反射特征層位位置，明確與天然氣水合物賦存存在的關(guān)聯(lián)。

圖6 Line80 視極性屬性剖面

從反射強度屬性剖面上（圖7）觀察到，BSR 的反射強度（紅色區(qū)域）相對較高，局部較強反射主要集中于裂隙構(gòu)造區(qū)域上部，且側(cè)向分布有遠(yuǎn)離斷層反射強度降低、連續(xù)性減弱的現(xiàn)象，可以確定與水合物層分布的不連續(xù)性相匹配，區(qū)域內(nèi)發(fā)育的裂隙斷層作為主要氣體運移通道對本區(qū)水合物形成分布起重要的控制作用[13]，兩種地質(zhì)現(xiàn)象同時顯著增強，有利支持了此區(qū)域水合物礦體賦存的識別與預(yù)測。

圖7 Line80 線反射強度剖面

提取P 波波阻抗反射率屬性剖面（圖8）并進(jìn)行分析，海底界面和BSR 表現(xiàn)為強反射、高阻抗差；海底界面是連續(xù)的，而由水合物的賦存性質(zhì)，BSR 界面呈現(xiàn)點散狀、塊狀及長條狀等斷續(xù)分布，BSR 之上的弱反射表明水合物礦體與圍巖之間的波阻抗差值小，體現(xiàn)交互賦存的特征。

圖8 Line80 線P 波波阻抗反射率屬性剖面

（2）BSR 反射層位上部地震屬性提取與分析

為研究BSR 反射層與其上伏地層的關(guān)系，識別水合物賦存帶，在地震剖面上，提取P 波阻抗法線入射反射率和能量半衰時等地震屬性，對BSR 層上反射體進(jìn)行分析。

對Line80 測線P 波阻抗法線入射反射率屬性剖面進(jìn)行分析（圖9），BSR 反射層之上地層可追蹤多層相似層位，反射率振幅能量均勻分布，說明上伏地層巖性差異不大，且層狀沉積，具有整體性特點，可視為沉積（成礦）穩(wěn)定帶，對水合物礦體形成理想的蓋層。

圖9 P 波阻抗法線入射反射率剖面

從整體研究，時窗選取海底到BSR 之間，提取能量半衰時屬性（圖10），也能夠刻畫BSR 之上地層的地震反射特征。若BSR 上部地層存在反射空白帶，那么能量半衰時屬性將對應(yīng)較低的值。從圖中可看到，調(diào)查區(qū)內(nèi)能量半衰時多小于40%，主要分布于調(diào)查區(qū)西北部，反映這些區(qū)域緊靠BSR 的上部地層反射振幅普遍較弱。這與地震剖面上觀察到的廣泛發(fā)育的反射空白帶相對應(yīng)，說明本區(qū)水合物成礦穩(wěn)定并十分富集。

（3）BSR 反射層位下部地震屬性提取與分析

為研究BSR 反射層與其下部地層的關(guān)系，研究水合物成礦機制，在地震剖面上，提取流體因子、泊松反射率和彈性波阻抗反射率等地震屬性（圖11～圖13），對下層礦體進(jìn)行分析。

圖10 能量半衰時屬性（海底到BSR 層之間）

對Line80 測線剖面提取流體因子屬性剖面（圖11），我們可以看到，與地震剖面相比，在BSR 層以下原來反射強度較弱的情況在流體因子剖面上表現(xiàn)為強振幅，并且與斷層發(fā)育區(qū)域相關(guān)聯(lián)。在斷層發(fā)育較多的剖面下側(cè)，強振幅分布密集，說明BSR下地層表現(xiàn)為含流體地層，流體的運移通道為斷裂帶。結(jié)合水合物的成礦模式，我們可以認(rèn)為BSR 下伏地層為含氣地層，為水合物形成提供充足的氣源。

圖11 Line80 流體因子剖面

提取并分析Line80 泊松反射率剖面（圖12），泊松比值同樣反映地層的含氣屬性，其結(jié)果與流體因子屬性相反，在剖面上可以形成強弱互補特性，即在含氣的地方流體因子能量增強，而泊松比能量明顯降低，進(jìn)一步驗證BSR 下伏地層的含氣屬性。

圖12 Line80 泊松反射率剖面

對比Line80 彈性波阻抗反射率剖面（圖13），相比P 波阻抗反射率剖面，彈性波阻抗反射率受流體影響較小，更多反映地層的巖性變化。對于Line80 線，結(jié)合兩種波阻抗反射率剖面，可看到高值異常分布范圍較大，集中于斜坡中部，在低部位和高部位較少有流體和巖性的異常反應(yīng)，也佐證識別出了水合物富集的具體位置。

圖13 Line80 彈性波阻抗反射率剖面

4 分析討論與結(jié)論

4.1 地震屬性綜合分析討論

地震屬性技術(shù)在常規(guī)油氣藏勘探構(gòu)造識別應(yīng)用非常成熟，提取的地震屬性類型繁多。在海洋天然氣水合物勘探中，天然氣水合物成礦機理特異，能夠提高地層中天然氣水合物礦體識別精度和預(yù)測準(zhǔn)確率的地震屬性比較集中，通過幾類屬性的提取及分析，在地層BSR 反射特征區(qū)域排除了特殊地質(zhì)環(huán)境的干擾，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣水合物礦體的精準(zhǔn)識別，對地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，還可以直觀反映地層BSR 反射區(qū)域的結(jié)構(gòu)信息，刻畫出水合物礦層這種非連續(xù)性復(fù)雜賦存結(jié)構(gòu)縱向及橫向演變。綜上分析，本次研究針對水合物BSR 層，分別提取了P 波阻抗、P 波阻抗反射率、P 波阻抗法線入射反射率、彈性波阻抗反射率、反射強度和弧長、泊松反射率、均方根振幅、能量半衰時、視極性、流體因子等屬性并對剖面進(jìn)行了分析，旨在對水合物BSR 區(qū)域水合物賦存地層做定性的討論，對天然氣水合物三維礦體精確描述。

（1）檢測BSR 之上的礦體的屬性包括：P 波阻抗法線入射反射率、均方根振幅和能量半衰時；（2）檢測BSR 的屬性包括：P 波阻抗反射率、視極性、反射強度和弧長；（3）檢測BSR 之下的游離氣的屬性包括：P 波阻抗、流體因子、泊松反射率和彈性波阻抗反射率。

通過對比分析，疊前偏移地震屬性主要揭示了BSR 反射特征地層的邊界效應(yīng)，進(jìn)一步識別出水合物賦存結(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確地確定出水合物礦體的底界面以及追蹤到水合物穩(wěn)定成礦帶和物質(zhì)能量供給帶，為圈定水合物礦體范圍及含流體飽和度計算等工作提供指導(dǎo)；偏移疊加后地震屬性是研究BSR 反射區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)手段，在屬性剖面上刻畫出水合物成礦帶橫向斷續(xù)展開和塊狀、散點狀賦存的特點?？傊疚乃龅卣饘傩詥为毞治鲠槍π暂^強，指示效果明顯；同時多種屬性聯(lián)合分析，能夠?qū)崿F(xiàn)互補及弱勢增強的效果，是天然氣水合物勘探開發(fā)中間重要環(huán)節(jié)，突出了地震信息特殊處理解釋技術(shù)的優(yōu)勢。

由于天然氣水合物埋藏的高密度和含流體屬性，疊前地震剖面上的阻抗屬性技術(shù)效果突出，在前期資料明確指出水合物在本研究區(qū)地層賦存的情況下，此區(qū)域內(nèi)BSR 強反射得以連續(xù)追蹤，清晰可見。同時對能量衰減屬性、流體因子等屬性分析，對BSR 反射層的向下延伸印跡能夠同時顯現(xiàn)出來，穿層斷裂、裂隙等也被突出顯示，為判斷此區(qū)域天然氣水合物類型及成礦模式的探討提供有效證據(jù)。

4.2 結(jié)論

地震屬性分析技術(shù)在天然氣水合物BSR 結(jié)構(gòu)識別中應(yīng)用中，取得了較為理性的效果。針對天然氣水合物準(zhǔn)三維地震探測技術(shù)，利用精確速度信息，約束和改善三維地震疊前偏移及偏移疊加處理，為實現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)全域BSR 追蹤和拾取提供了數(shù)據(jù)可靠性、可信度支持。多種地震屬性提取成像清晰，效果明顯，通過不同屬性剖面對比分析，可以分辨出水合物BSR 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異性，特別是強反射界面的相互驗證、位置標(biāo)定，松散交結(jié)與含氣變化，BSR 的連續(xù)與斷續(xù)關(guān)系等等，實現(xiàn)水合物礦體的精準(zhǔn)識別。研究同時也對BSR 反射界面上下一定區(qū)域進(jìn)行了屬性分析，基本上描述出了BSR 反射區(qū)域水合物成礦帶的范圍，能夠進(jìn)一步圈定水合物礦體的縱向、橫向分布情況，對研究天然氣水合物的成藏機制，成礦理論，以及估算BSR 地層中水合物礦體儲量，確定鉆探井位等有著重要的意義。