利用反射地震水體處理技術(shù)探測(cè)東海沖繩海槽天然氣水合物

牛華偉，趙秀蓮，劉 苗

（1. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120；2. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院，上海 200120）

天然氣水合物是天然氣和水在一定的溫度和壓力條件下形成的結(jié)晶狀物質(zhì)。作為21 世紀(jì)理想的替代能源，其對(duì)于保障國(guó)家能源安全、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等具有重要的戰(zhàn)略意義。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都先后將水合物列入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，美、日、俄、加、英、德等國(guó)均相繼投入巨資進(jìn)行水合物調(diào)查與開采技術(shù)研究，目前全球已發(fā)現(xiàn)兩百多處水合物礦點(diǎn)，水合物已從資源勘查階段邁入試采和商業(yè)化利用階段。

我國(guó)于20 世紀(jì)90 年代開始水合物的調(diào)查研究工作。自1999 年在南海實(shí)施第一個(gè)針對(duì)水合物的高分辨率多道地震調(diào)查開始，掀開了我國(guó)海域水合物調(diào)查的序幕。我國(guó)海域天然氣水合物研究起步雖晚，但進(jìn)展速度很快。2020 年3 月18 日，由自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施的我國(guó)海域天然氣水合物第二輪試采取得成功，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14×104m3，日均產(chǎn)氣2.87×104m3”兩項(xiàng)世界紀(jì)錄[1]，標(biāo)志著我國(guó)天然氣水合物調(diào)查研究水平躋身世界前列。

理論和實(shí)踐證明，水深大于300 米的海域沉積層存在滿足水合物形成的溫壓條件（Huang et al., 2002），即水合物“穩(wěn)定域”，是尋找天然氣水合物礦藏的有利地區(qū)。但是由于地下熱液活動(dòng)、大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、全球氣候變暖等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物“穩(wěn)定域”的溫度或壓力發(fā)生變化，保持水合物穩(wěn)定的條件將不滿足，從而使水合物分解成游離氣和水；如果存在合適的運(yùn)移通道，游離氣就會(huì)運(yùn)移泄漏到海水中（Lewis and Marshall, 1996;Suess et al., 1999）形成羽狀流，又稱冷泉。而含游離氣的海水（冷泉）與周邊海水在物理特性上也會(huì)存在差異。針對(duì)這一特性，可以對(duì)常規(guī)油氣勘探采集的海底以上的反射地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行針對(duì)性的處理與分析，作為尋找滲漏型天然氣水合物的一個(gè)佐證。

地震勘探不但廣泛應(yīng)用于尋找石油和天然氣，同時(shí)也是尋找天然氣水合物的主要方法手段之一[2]。但一般情況下，勘探家們關(guān)注的重點(diǎn)是海底以下的反射數(shù)據(jù)，海底以上的數(shù)據(jù)常常被作為噪聲而切除。上世紀(jì)80 年代，Gonella 第一次發(fā)表了利用海水中的反射地震數(shù)據(jù)研究海水的物理海洋學(xué)性質(zhì)[3]，并逐漸衍生出一門新的學(xué)科—地震海洋學(xué)。徐華寧等2012 年發(fā)表了利用多道反射地震水體處理技術(shù)，對(duì)南海神狐地區(qū)滲漏型水合物進(jìn)行研究，取得了令人滿意的效果[4]。

本文正是基于這一想法，對(duì)東海沖繩海槽盆地的常規(guī)二維地震資料進(jìn)行針對(duì)海水水體的處理，利用海底深度信息從常規(guī)地震數(shù)據(jù)中分離出水體數(shù)據(jù)，對(duì)水體數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪分離，對(duì)分離后的有效信息進(jìn)行成像處理，探索針對(duì)水體反射數(shù)據(jù)的處理流程。利用水體成像處理成果對(duì)海水中的反射波進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非常明顯的氣泡羽狀流反射特征，從而對(duì)東海天然氣水合物的賦存研究提供證據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

東海沖繩海槽盆地位于西太平洋溝-弧-盆系統(tǒng)的盆地構(gòu)造區(qū)域，地貌上可分為西側(cè)槽坡（大陸坡）、東側(cè)槽坡（島坡）和槽底平原。西側(cè)槽坡寬30～40 km，中南部發(fā)育地壘式隆塊、裂谷、海山、斷裂溝等地貌，地形起伏變化大；槽底平原南部地形相對(duì)平緩，海山、海丘較少。西側(cè)槽坡的中南部和槽底平原南部的地貌條件有利于水合物的埋藏與保存（圖1）。

圖1 東海區(qū)域水深地形圖

沖繩海槽盆地沉積地層主要為中新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系, 沉積厚度約1 000～12 000 m。西側(cè)槽坡及海槽西南部的沉積速率快、沉積厚度大、有機(jī)質(zhì)含量高。在海槽南部水深大于1 000 m 的柱狀巖心中見多層濁流沉積，其沉積速率（100～400 m/Ma）和有機(jī)質(zhì)含量（1%～1.25%）均高于相鄰的陸架和槽底區(qū), 有利于海底天然氣水合物的形成與聚集。

海槽內(nèi)發(fā)育的NE 向斷裂切割較深，從海底向下切穿中新世地層，有利于深部氣體和流體上移，可為水合物的形成創(chuàng)造流體動(dòng)力條件。

衛(wèi)星熱紅外增溫異常顯示海槽西南部海域的熱流值較低，現(xiàn)代熱液活動(dòng)較弱，推測(cè)其增溫異常可能與海底水合物有關(guān)。

淺表層沉積物烴類異常調(diào)查結(jié)果也顯示沖繩海槽海底沉積物中CH4含量異常分布區(qū)主要位于熱液活動(dòng)區(qū)以南的槽坡或陸坡區(qū)。一方面，表明它們的烴類氣體來(lái)源充足；另一方面，這些烴類氣體本身可能就是天然氣水合物分解或深水常規(guī)油氣滲漏所致。

研究表明，沖繩海槽盆地具備天然氣水合物形成的基本地質(zhì)條件，眾多學(xué)者（楊文達(dá)等，2004；欒錫武等，2008）曾經(jīng)對(duì)東海沖繩海槽二維地震剖面上的BSR 進(jìn)行了研究，圈定了異常范圍。吳能友等的研究表明，沖繩海槽盆地發(fā)育繁盛的熱液-冷泉活動(dòng)[5]，而冷泉活動(dòng)正是滲漏型天然氣水合物滲入海底的直接證據(jù)。

2 水體處理思路與技術(shù)

2.1 資料基礎(chǔ)

本次研究的二維地震數(shù)據(jù)位于沖繩海槽，資料采集于2004 年，主要采集參數(shù)為：道間距，12.5 m；炮間距，37.5 m；電纜長(zhǎng)度，6 000 m；道數(shù)，480 道；覆蓋次數(shù)，80；采樣率，2 ms；氣槍容量，5 080 Psi；氣槍沉放深度，7 m；電纜沉放深度，9 m。

圖（2）是炮集數(shù)據(jù)，其中時(shí)間線1.6 s 以上的信號(hào)為水體反射?？梢钥闯雠c地層反射相比，水體反射信號(hào)的能量非常弱。

圖2 沖繩海槽盆地常規(guī)二維地震炮集數(shù)據(jù)（1.6 s 以上是被直達(dá)波掩蓋的弱水層反射）

2.2 水體處理思路

眾所周知，水體間的阻抗差異要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地下地層之間的差異，而這也是水體中地震反射信號(hào)微弱的根本原因。但是野外采集中常見的隨機(jī)干擾、涌浪干擾、船干擾等噪聲則與水深無(wú)關(guān)。這就導(dǎo)致水體中有效信號(hào)常常會(huì)被淹沒(méi)在噪聲之中。因此水體處理的關(guān)鍵因素包括弱信號(hào)的能量恢復(fù)以及噪聲消除時(shí)盡量保護(hù)有效信號(hào)。

圖3 是本次水體處理的流程。首先將水體數(shù)據(jù)和海底以下反射數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，隨后對(duì)水體數(shù)據(jù)進(jìn)行直達(dá)波與噪聲衰減，并通過(guò)濾波與頻率優(yōu)選，突出水體內(nèi)的有效反射，最后對(duì)去噪后的水體數(shù)據(jù)運(yùn)用水速進(jìn)行成像處理。

圖3 沖繩海槽水體處理流程

概括起來(lái)，處理流程可以總結(jié)為三項(xiàng)主要處理技術(shù)：水體數(shù)據(jù)分離、水體反射信號(hào)增強(qiáng)去噪技術(shù)與水體成像技術(shù)。

2.2.1 水體數(shù)據(jù)分離技術(shù)

東海沖繩海槽海底地形崎嶇，變化劇烈（圖4），水深從十幾米變化到一千多米，用簡(jiǎn)單的切除不能有效獲得精細(xì)的水體數(shù)據(jù)。本次采用了從導(dǎo)航數(shù)據(jù)里提取水深數(shù)據(jù)，擬合海底，利用海底信息控制零偏移距的切除時(shí)間，再結(jié)合偏移距信息擬合雙曲線實(shí)施疊前數(shù)據(jù)切除，實(shí)現(xiàn)水體數(shù)據(jù)的精確分離。

2.2.2 水體反射信號(hào)增強(qiáng)去噪技術(shù)

水體反射增強(qiáng)主要從兩方面進(jìn)行，一是水體反射能量的補(bǔ)償，二是消除水體反射以外的其它強(qiáng)能量干擾。

幾何擴(kuò)散而損失的能量通過(guò)常規(guī)球面擴(kuò)散補(bǔ)償?shù)确绞交謴?fù)，圖5 是球面擴(kuò)散補(bǔ)償前后的炮集展示，可以看出深層能量得到有效補(bǔ)償，不同深度能量變得均一。

圖4 沖繩海槽盆地地震剖面（可以看出海底起伏劇烈，水深變化大）

圖5 球面擴(kuò)散前（左）后（右）的炮集記錄

切除后的水體數(shù)據(jù)中，仍然包含直達(dá)波與涌浪兩種強(qiáng)能量干擾。對(duì)于直達(dá)波不能采取常規(guī)地震處理中切除海底以上數(shù)據(jù)的做法，只能采取信號(hào)衰減的方式對(duì)直達(dá)波進(jìn)行衰減。另外，為了更好地避免直達(dá)波對(duì)水層反射的影響，對(duì)剩余直達(dá)波可以采取區(qū)域切除的方式進(jìn)行進(jìn)一步衰減。

水體數(shù)據(jù)中另外一種強(qiáng)能量噪聲是涌浪噪聲，涌浪是海洋地震數(shù)據(jù)中特有的噪聲，頻率較低。由于水層反射只在水體中傳播與反射，相比于常規(guī)地層反射信號(hào)，水層反射的高頻能量吸收衰減不明顯，可以采用FX 域投影濾波并結(jié)合高通5～8 Hz 以上的濾波進(jìn)行涌浪噪聲衰減。圖6 是水層反射能量增強(qiáng)前后的炮集記錄，經(jīng)過(guò)處理，水體能量更加凸現(xiàn)出來(lái)。

2.2.3 水體成像技術(shù)

相對(duì)于地下構(gòu)造而言，海水中的分層或構(gòu)造并不復(fù)雜，波的傳播路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，水體成像采用疊前時(shí)間偏移的成像方式即可。地震波在海水中的傳播速度雖然也會(huì)隨著海水密度、鹽度等的變化而變化，但總體變化量不大，對(duì)成像結(jié)果沒(méi)有明顯影響。本次研究應(yīng)用常速（1 500 m/s）Kirchhoff 疊前時(shí)間偏移對(duì)沖繩海槽的二維水體數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。

圖7 是本次沖繩海槽盆地一條二維測(cè)線水體成像結(jié)果的部分剖面，可以明顯看出水體中存在分層現(xiàn)象，也存在縱向與橫向變化，并且出現(xiàn)有類似氣體擾動(dòng)的異常反射。

3 水體處理結(jié)果分析

圖6 去干擾后前（左）后（右）的水層反射炮集記錄

圖7 沖繩海槽盆地水體疊前時(shí)間偏移成像結(jié)果

由圖7 可以看出，與地下地層反射類似，水體中同樣存在很多層狀反射，這些層狀反射是由于不同的溫鹽層所引起的，屬于地震海洋學(xué)的范疇[3]，在此不做討論。研究所關(guān)注的是天然氣水合物分解后滲流到海水中所形成的噴射羽狀流所形成的反射。經(jīng)過(guò)對(duì)水體處理結(jié)果進(jìn)行分析和篩查，在多條地震剖面上發(fā)現(xiàn)了類似反射異常。為了便于結(jié)合BSR 等天然氣水合物異常反射特征進(jìn)行綜合分析，可以將水體反射測(cè)線數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定增益處理后與地震數(shù)據(jù)疊合（圖8）。

圖8 沖繩海槽水體與地震成像結(jié)果疊合

從圖8 可以看出，在剖面上存在三個(gè)反射異常。其中異常1 比較弱，異常2 和異常3 表現(xiàn)出非常典型的噴射狀羽狀流反射特征，相比水體中溫鹽層所引起層狀反射，這類異常顯示出不同的反射特征，呈現(xiàn)出霧狀錐體特征，且從海底向上逐漸發(fā)散，并伴隨有同相軸下拉的特征，推測(cè)其為氣體溢散反射特征。在異常2 的下方發(fā)育典型的BSR 反射特征，并伴有一定的速度異常。而異常1 和異常3 的下方，BSR 特征并不明顯。

BSR 又稱似海底反射，它是水合物成礦帶和之下含游離氣的低速地層之間的界面所形成的反射。BSR 雖然是識(shí)別天然氣水合物的重要方法之一，但是在水合物勘查實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)BSR 和水合物賦存區(qū)不存在絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6]，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)BSR特征微弱或缺失的情況，如大洋鉆探計(jì)劃曾在多個(gè)鉆獲水合物樣品的地區(qū)發(fā)現(xiàn)BSR 缺失現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貙臃瓷洳ê秃５灼叫袝r(shí)，BSR 的識(shí)別也會(huì)比較困難。因此，水體反射上的羽狀流反射異常，結(jié)合下方BSR 異常的解釋，降低多解性。如異常2就很可能是滲漏型天然氣存在的證據(jù)；而對(duì)于下方BSR 不明顯的異常（異常1 和異常3），并不能排除天然氣水合物存在的可能性。

4 結(jié)論

利用油氣勘探采集的地震數(shù)據(jù)對(duì)水合物賦存識(shí)別研究是一種非常經(jīng)濟(jì)且比較有效的方式。由于水體中的反射能量非常弱且相對(duì)于常規(guī)油氣勘探而言，水體記錄非常短，常規(guī)油氣勘探地震資料處理流程與參數(shù)不能適應(yīng)針對(duì)水體數(shù)據(jù)的處理，本文針對(duì)東海沖繩海槽的水體數(shù)據(jù)特點(diǎn)探索了水體分離、水體信號(hào)增強(qiáng)去噪與水體成像處理技術(shù)，取得了一定效果。獲得水體中的羽狀流反射特征，推測(cè)可能為存在冷泉的異常反射信息，對(duì)水合物的賦存確定提供了比較可靠的依據(jù)。