基于水合物指示因子的地震識(shí)別方法

鄧煒，梁金強(qiáng)，鐘桐，何玉林， 孟苗苗

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075； 2.自然資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局 天然氣水合物工程技術(shù)中心，廣東 廣州 510700)

0 引言

天然氣水合物是在一定的溫度和壓力下由水和天然氣形成的類似冰的籠型結(jié)晶化合物[1-3], 主要蘊(yùn)藏在淺部海底盆地、陸架坡折帶和陸地永久凍土區(qū)等的天然氣水合物穩(wěn)定域內(nèi)。地震識(shí)別是檢測(cè)海底水合物以及游離氣最有效的方法之一[4-5]。

速度在水合物勘查中具有重要意義[6]，但速度的影響因素較多。實(shí)驗(yàn)室已測(cè)出純合成水合物速度[7]，即縱波速度3 650 m/s，橫波速度1 890 m/s，密度900 kg/m3，速度高于海底未成巖的水合物儲(chǔ)層。相比于不含水合物的巖石，大量水合物的聚集會(huì)使得巖石的縱橫波速度增加，泊松比減小[8]，然而少量的水合物對(duì)于速度的影響則依賴于水合物賦集方式。沉積物孔隙空間中水合物形成并非單一模式，在同一時(shí)刻水合物可能出現(xiàn)“懸浮”、“接觸”和“膠結(jié)”的混合模式，在形成過程中水合物先以膠結(jié)沉積物顆粒的微觀分布為主，形成中期以懸浮狀形態(tài)或接觸模式為主，形成后期又以膠結(jié)模式為主[9-11]。因此高飽和度的水合物應(yīng)以膠結(jié)模式為主，在建模中主要考慮膠結(jié)模式的水合物，如果水合物以膠結(jié)態(tài)賦集，則縱橫波速度增大[12-13]。水合物一般與游離氣伴生，游離氣對(duì)速度的影響更加復(fù)雜，即使孔隙中存在微量游離氣(<1%)，縱波速度也會(huì)發(fā)生明顯變化[14]，含氣對(duì)橫波速度的影響不明顯，水合物儲(chǔ)層中可能存在分解游離氣與水合物共存的現(xiàn)象[15]，此時(shí)儲(chǔ)層彈性特征較為復(fù)雜?？紫抖葘?duì)于彈性特征影響非常明顯[16]，水合物儲(chǔ)層孔隙度可以基于孔隙度反射率以及波阻抗反射率、速度反射率之間的關(guān)系進(jìn)行反演獲取[17-18]。

正是由于影響水合物速度的因素多，單純利用速度識(shí)別水合物可能會(huì)帶來一定誤差[19]，特別是在海底淺層的MTD、河道沉積往往產(chǎn)生與水合物類似的反射特征，此時(shí)則需要去除由于孔隙度變化引起的振幅異常，巖石物理建模分析可以有效地指導(dǎo)開展高精度的水合物識(shí)別，其關(guān)鍵在于構(gòu)建高敏感度的水合物指示因子。事實(shí)上，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，針對(duì)不同儲(chǔ)層應(yīng)使用不同的彈性參數(shù)或者構(gòu)建相應(yīng)的指示因子[20],疊后阻抗、縱橫波速度、泊松比、Gassman流體因子、楊氏模量、泊松比、流體模量、組合流體因子等相繼被提出并應(yīng)用到相關(guān)研究中，且國內(nèi)外眾多學(xué)者相繼提出了不同彈性參數(shù)的反演方法，但是對(duì)于水合物儲(chǔ)層的流體因子構(gòu)建和反演研究尚少。

疊前地震反演的基礎(chǔ)是Zoeppritz方程，Aki等[21]導(dǎo)出了在界面兩側(cè)彈性差異較小的情況下縱波反射系數(shù)的近似表達(dá)式，該方程廣泛用于反演縱橫波速度；Shuey[22]導(dǎo)出了與泊松比有關(guān)的縱波相對(duì)反射系數(shù)近似式，用于含氣性檢測(cè)；Smith等[23]將Gardner公式代入Aki近似式中，消除了密度項(xiàng)，提高反演的穩(wěn)定性；Fatti等推導(dǎo)了基于縱橫波阻抗和密度的反射系數(shù)近似方程，該方程提高了縱波阻抗反演穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[24]；Russell等[25]基于Boit-Gassmann理論對(duì)飽和流體多孔介質(zhì)的AVO理論進(jìn)行研究，提出了包含Gassmann流體項(xiàng)的反射系數(shù)近似公式，一定程度消除了巖石骨架的影響；Yin和Zhang[26]針對(duì)復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層推導(dǎo)了基于流體模量Kf表示的固液解耦四項(xiàng)近似近似。為了提高反演的穩(wěn)定性，本文使用彈性阻抗反演的方法。彈性阻抗反演由于其固有的優(yōu)秀抗噪性得到廣泛使用，國內(nèi)外眾多學(xué)者在上述AVO近似式基礎(chǔ)上提出了不同的彈性阻抗反演方法[27-28]，在此不一一贅述。但淺層水合物儲(chǔ)層尚未成巖，其彈性特征受到孔隙度的影響較大，水合物飽和度與孔隙度對(duì)速度等彈性參數(shù)的影響程度不明確，需要構(gòu)建對(duì)水合物敏感性更好的參數(shù)[29]，并發(fā)展相應(yīng)的反演方法。

筆者基于SCA-DEM巖石物理建模方法[30]，針對(duì)水合物未固結(jié)特性合理設(shè)置建模參數(shù)，定量地描述物性參數(shù)對(duì)彈性參數(shù)以及AVO 特征的影響，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了水合物指示因子。相比于傳統(tǒng)彈性參數(shù)，該指示因子與水合物飽和度具有更高相關(guān)性。然后在平面波近似下，推導(dǎo)了與該指示因子直接相關(guān)的AVO反射特征方程，基于該方程則可直接獲取水合物指示因子，提高水合物識(shí)別精度。

1 速度影響因素分析

1.1 建模參數(shù)優(yōu)選

首先，根據(jù)礦物組分含量，選取VRH公式估算礦物(水合物、方解石、白云石和泥質(zhì))混合后的模量，VRH計(jì)算公式為：

(1)

其中

式中：MVRH、MV和MR可以是任何模量，如體積模量、剪切模量或楊氏模量等；fi是第i個(gè)組分的體積分量；Mi是第i個(gè)組分的彈性模量。

然后，利用SCA-DEM模型向基質(zhì)中加入有一定連通性的干燥微孔隙，假設(shè)孔隙為固定縱橫比的理想橢球體，計(jì)算干巖石骨架的彈性模量，由于水合物儲(chǔ)層未固結(jié)，因此給定的縱橫比小于 0.01，表現(xiàn)為顆粒接觸邊界模型。各向異性的SCA模型如下所示:

(2)

(3)

特別地，在SCA-DEM模型中，我們需要首先確認(rèn)模型中的建模常數(shù)，包括礦物組分的模量、孔隙縱橫比、孔隙內(nèi)流體類型等，其中，孔隙縱橫比較難確定。海底淺層物性參數(shù)變化較小，假設(shè)孔隙結(jié)構(gòu)變化也應(yīng)較小，水合物富集在淺層未固結(jié)巖層中，軟孔隙較發(fā)育，縱橫比小于0.01。圖1展示了南海瓊東南海域一口含水合物井的部分測(cè)井曲線，水合物層(1 800～1 860 m)為高電阻率、高縱波速度特征。通過對(duì)比不同孔隙縱橫比建模結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以獲取研究區(qū)的孔隙縱橫比，如圖2所示，當(dāng)硬孔隙含量較低(平均值約0.3)時(shí)，模型計(jì)算出的縱波速度與實(shí)測(cè)的縱波速度幾乎完全一致，表明此時(shí)模型參數(shù)設(shè)置合理，可以為下一步分析提供基礎(chǔ)。

圖1 南海瓊東南海域一口含水合物井的部分測(cè)井曲線Fig.1 Log data of a typical hydrate-bearing well in Qiongdongnan area of South China Sea

圖2 建模結(jié)果與對(duì)應(yīng)的硬孔隙度Fig.2 Modeling results with corresponding hard porosity

1.2 速度的影響因素

我們的目的是研究速度對(duì)哪些因素最敏感，固定孔隙縱橫比后，改變孔隙度、飽和度等參數(shù)則可以研究不同物性參數(shù)與速度的關(guān)系。

圖3為縱橫波速度隨著水合物飽和度和含氣飽和度的變化趨勢(shì)，圖4為縱橫波速度隨著孔隙度和含氣飽和度的變化趨勢(shì)。不難發(fā)現(xiàn)，含氣飽和度對(duì)縱波速度影響顯著，即使少量含氣也會(huì)使得縱波速度明顯減小。孔隙度與速度負(fù)相關(guān)，水合物飽和度與速度正相關(guān)(圖3a,圖4a)，圖5展示了不同含氣飽和度下速度隨著孔隙度理論上的變化，即縱波速度與孔隙度之間呈指數(shù)型關(guān)系，橫波速度與孔隙度之間幾乎呈線性關(guān)系，水合物飽和度與孔隙度對(duì)速度影響都很大。

a—縱波速度與水合物飽和度、含氣飽和度的關(guān)系;b—橫波速度與水合物飽和度、含氣飽和度的關(guān)系a—P-velocity corresponding to different gas saturation and hydrate saturation;b—S-velocity corresponding to different gas saturation and hydrate saturation圖3 孔隙度為45%時(shí)縱橫波速度與水合物飽和度、含氣飽和度的關(guān)系Fig.3 Velocity corresponding to different gas saturation and hydrate saturation when porosity is 45%

a—縱波速度與孔隙度、含氣飽和度的關(guān)系;b—橫波速度與孔隙度、含氣飽和度的關(guān)系a—P-velocity corresponding to different gas saturation and porosity;b—S-velocity corresponding to different gas saturation and porosity圖4 縱橫波速度與孔隙度、含氣飽和度的關(guān)系Fig.4 Velocity corresponding to different gas saturation and porosity

a—縱波速度與孔隙度的關(guān)系;b—橫波速度與孔隙度的關(guān)系a—P-velocity corresponding to different porosity;b—S-velocity corresponding to different porosity圖5 不同含氣飽和度下縱橫波速度與孔隙度的關(guān)系Fig.5 Velocity corresponding to porosity at different gas saturations

w1和w2分別為瓊東南海域不含水合物井與高飽和度水合物井，圖6a、b分別為w1(低飽和度)與w2(高飽和度)孔隙度與速度交會(huì)圖，可以看到，w1縱波速度與孔隙度呈指數(shù)型負(fù)相關(guān)，與模型分析結(jié)果一致。而w2中孔隙度與速度負(fù)相關(guān)關(guān)系不明顯，這是水合物賦存在不同孔隙度的儲(chǔ)層造成的，且高飽和度水合物層未表現(xiàn)出高速異常(圖6b中黑色橢圓)，推測(cè)是孔隙度較大使得速度減小造成的；高速異常區(qū)與水合物飽和度關(guān)系不明顯，速度無法區(qū)分開高飽和度水合物與較高飽和度的水合物(圖6b中紅色橢圓)，反而與孔隙度關(guān)系較明顯。那么，這種情況下若要高精度識(shí)別水合物，需要去除孔隙度的影響。

a—w1縱波速度與孔隙度的關(guān)系;b—w2橫波速度與孔隙度的關(guān)系a—P-velocity corresponding to porosity in w1 well;b—S-velocity corresponding to porosity in w2 well圖6 南海瓊東南海域典型高飽和度水合物與低飽和度水合物井速度—孔隙度測(cè)井交會(huì)分析Fig.6 Typical high saturation hydrate and P-velocity corresponding to porosity with a no hydrate-bearing well in Qiongdongnan area of South China Sea

當(dāng)速度、孔隙度、水合物飽和度之間保持上述的關(guān)系時(shí)，我們需要確定此時(shí)其AVO特征的正確性，即需要保證模型正演出的AVO屬性與實(shí)際道集分析結(jié)果一致。利用w1井確定不含水合物層的參數(shù)，如泥質(zhì)含量、孔隙度等，含水合物地層的彈性參數(shù)通過改變水合物飽和度再建模獲取?；谏鲜龅膸r石物理模型，從理論上分析了反射系數(shù)與水合物飽和度、入射角之間的關(guān)系，如圖7所示?？梢钥吹?，水合物頂為第一類AVO，AVO截距P屬性為正值，振幅隨著角度的增加而逐漸減小，但梯度G屬性較小，而且G隨著水合物飽和度增大而減小，即高飽和度水合物的頂AVO特征不明顯。而對(duì)于水合物底則呈第三類AVO，P為負(fù)值，G為負(fù)值，振幅絕對(duì)值不斷增大，且G絕對(duì)值隨著水合物飽和度增大而減小，相比于水合物頂，水合物底的P、G屬性更加明顯。

a—水合物頂AVO特征;b—水合物底AVO特征a—AVO at the hydrate top;b—AVO at the hydrate bottom圖7 水合物頂?shù)譇VO分析Fig.7 Modeled AVO at the hydrate top and bottom

利用實(shí)際井對(duì)水合物頂?shù)走M(jìn)行了AVO分析，如圖8所示。在頂?shù)赘浇?0個(gè)采樣點(diǎn)分別計(jì)算了其上下兩點(diǎn)的AVO特征，發(fā)現(xiàn)在水合物頂有明顯的一類AVO現(xiàn)象，底層有明顯的三類AVO現(xiàn)象，與實(shí)際道集分析結(jié)果(圖中黑色虛線)吻合，其余層位均無此現(xiàn)象(圖中藍(lán)色曲線)。這一特征與建模結(jié)果吻合，說明上述模型很好地刻畫了水合物的AVO異常，進(jìn)一步證實(shí)了模型可靠性。

a—水合物底AVO特征;b—水合物頂AVO特征a—AVO at the hydrate bottom;b—AVO at the hydrate top圖8 w3井水合物頂?shù)譇VO特征曲線Fig.8 AVO at the hydrate top and bottom in w3 well

2 水合物指示因子構(gòu)建與反射特征方程

2.1 水合物指示因子構(gòu)建：孔隙度彈性解耦

由上述分析可知，對(duì)于研究區(qū)而言，縱波速度與孔隙度呈指數(shù)型，與橫波速度呈線性。構(gòu)建水合物指示因子的關(guān)鍵在于：從速度中去除孔隙度影響，突出水合物以及下浮游離氣作用。水合物富集使得縱、橫波速度增大，即：

(4)

式中:vp、vs為實(shí)測(cè)縱波速度、橫波速度;vp0、vs0為背景縱波速度、背景橫波速度，主要受到孔隙度影響；vpgh、vsgh為水合物引起的速度增加，與水合物飽和度有關(guān)。根據(jù)前文模型分析得出的結(jié)論，式(4)可以寫成：

(5)

a—w2水合物飽和度與孔隙度的關(guān)系;b—w3水合物飽和度與孔隙度的關(guān)系a—relation between hydrate stauration and porosity in w2 well;b—relation between hydrate stauration and porosity in w3 well圖9 水合物飽和度與孔隙度的關(guān)系Fig.9 Relation between hydrate saturation and porosity

(6)

由于水合物富集使得縱橫波速度均增大，而游離氣對(duì)橫波幾乎無影響，那么可構(gòu)建如式(7)所示的水合物指示因子：

(7)

式中：Fp為水合物指示因子。取n=1,利用w2井進(jìn)行交會(huì)分析，圖10為Fp與縱波速度、縱波阻抗的交會(huì)圖，顏色軸為水合物飽和度，高飽和度水合物層Fp較大，高飽和度水合物層的Fp位于100～300之間，水合物飽和度越高，F(xiàn)p越大，不含水合物層的Fp低于50，而縱波速度、縱波阻抗等參數(shù)未能區(qū)分不同飽和度水合物，F(xiàn)p識(shí)別效果明顯優(yōu)于縱波阻抗等常規(guī)參數(shù)。下一步則需要考慮如何從地震數(shù)據(jù)中得到Fp，本文通過建立以Fp表示的AVO反射系數(shù)方程進(jìn)行直接反演。

a—Fp與縱波速度的交會(huì);b—Fp與縱波阻抗的交會(huì)a—crossplot of Fp and P-velocity;b—crossplot of Fp and P-impedance圖10 w2井Fp與縱波速度以及縱波阻抗相對(duì)于水合物飽和度的交會(huì)分析Fig.10 Crossplots of Fp and P-velocity and P-impedance in w2 well

2.2 水合物指示因子表示的AVO反射特征方程

(8)

其中

(9)

3 基于地震巖石物理的的水合物識(shí)別

從式(8)可以看到，反演的精度與孔隙度準(zhǔn)確程度密切相關(guān)。若n取值太大，則反演結(jié)果對(duì)于孔隙度預(yù)測(cè)結(jié)果依賴性較大， 因此反演結(jié)果受到更多方面的干擾。n=0不能很好地達(dá)到構(gòu)建水合物指示因子的目的。綜合權(quán)衡后，本文取n=1，此時(shí)Fp仍具有較好的識(shí)別效果(圖10)。建立起如下的反演流程，如圖 11所示。首先利用Kumar 等提出的方法，基于縱波阻抗求取孔隙度；然后利用背景速度與孔隙度的關(guān)系，求取式(2)中的常數(shù)；進(jìn)一步利用孔隙耦合方程式(8)獲得，最后利用式(7)計(jì)算出水合物指示因子。

圖11 水合物指示因子反演流程Fig.11 Flow chart of hydrate indicator inversion

實(shí)際資料來源于中國南海瓊東南海域某二維測(cè)線，海底深度約為1 700 m。對(duì)實(shí)際資料進(jìn)行疊前反演之前，需要對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行保幅處理，包括精細(xì)的波前擴(kuò)散補(bǔ)償、震源組合與檢波器組合效應(yīng)的校正、反Q濾波、地表一致性處理、疊前去噪處理、去除多次波等，并假設(shè)處理后的層間多次波、各向異性的影響可以忽略不計(jì)。

通過鉆探取心已經(jīng)證實(shí)了該區(qū)分布大量滲透型高飽和度水合物。圖12展示了該測(cè)線不同中心入射角的部分角度疊加剖面， 大約在CDP 380 處， 可以看到從海底到2 500 ms范圍內(nèi)發(fā)育明顯的滲透通道，底部存在氣體模糊帶，同相軸下拉，疑似為氣體運(yùn)移所致，氣煙囪頂部AVO異常明顯。

a—小角度部分角度疊加數(shù)據(jù)(1°～10°);b—中角度部分角度疊加數(shù)據(jù)(11°～20°);c—大角度部分角度疊加數(shù)據(jù)(21°～30°)a—small angle partial angle stack seismic data(1°～10°);b—middle angle partial angle stack seismic data(11°～20°);c—big angle partial angle stack seismic data(21°～30°)圖12 瓊東南研究區(qū)某測(cè)線地震剖面Fig.12 The target seismic section in Qiongdongnan area

依據(jù)本文提出的方法，首先求取孔隙度。通過孔隙度反演，得到了圖13所示的反演結(jié)果，最終的孔隙度結(jié)果與測(cè)井孔隙度保持很好的一致性。

圖13 孔隙度反演結(jié)果Fig.13 Inverted results of porosity

圖與反演結(jié)果Fig.14 Inverted results of

圖15 Fp反演結(jié)果Fig.15 Inverted results of Fp

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

多種因素共同影響水合物儲(chǔ)層速度，使得水合物預(yù)測(cè)多解性增強(qiáng)。對(duì)于淺層水合物儲(chǔ)層而言，水合物飽和度、孔隙度為影響最為顯著的參數(shù)。利用本文提出的水合物指示因子，可以消除孔隙度的干擾。實(shí)際鉆探數(shù)據(jù)分析表明，相比于縱波阻抗等參數(shù)，水合物指示因子與水合物飽和度存在更高相關(guān)性。高飽和度水合物的指示因子位于100～300內(nèi)，水合物指示因子反演結(jié)果與鉆探認(rèn)識(shí)吻合較好，可以有效地預(yù)測(cè)水合物空間分布，驗(yàn)證了方法的實(shí)用性與有效性。