（地球探测与信息技术专业论文）南中国海存在天然气水合物的地球物理证据.pdf

摘要 天然气水合物是由碳氢化合物与水在低温高压条件下形成的，主要分布 在海洋大陆斜坡和永久冻土带的地层中，被认为是2 1 世纪的清洁能源。地 质研究表明：我国南海海域也广泛分布天然气水合物，本文研究的目的是为 天然气水合物在南中国海的存在提供准确可靠的地球物理证据，并研究其在 地层中的空间展布。 论文首先从地质上讨论了天然气水合物在南中国海存在的可能性，并分 析了天然气水合物的地球物理响应特征和b s r 形成机理，然后研究了可能含 天然气水合物地层的地震成像问题，提出针对性的多道地震数据成像的关键 步骤及技术，突出了含天然气水合物地层具有的地球物理反射特征一一似海 底反射( b s r ) 、空白带等，首次从地球物理证据上定性预测了天然气水合物 的存在。 为了进一步定量研究天然气水合物的特征，本文采用基于a v o 理论的 叠前地震反演，利用反演的a v o 属性和三参数岩性参数变化量，进一步证 实了异常的存在。同时，我们还发现叠前时间偏移处理所建立的速度场异常 也能间接证明天然气水合物的存在。此外，论文还研究了叠后地震数据的属 性反演和波阻抗反演，得到可能含天然气水合物地层的速度模型以及其在地 层的分布，为天然气水合物的识别提供了更精确的证据。 根据叠前叠后反演结果，首次明确了本区天然气水合物的形成和b s r 的发育属于第二种模式，即天然气水合物主要聚集在b s r 附近的地层中，呈 层状分布。文中提出的以地震数据成像、叠前反演、叠后反演为核心的研究 思路和技术，有效解决了在南中国海识别天然物水合物的难点。 关键词：天然气水合物；似海底反射；数据处理；反演；a v o g e o p h y s i c a li n d i c a t i o n so fg a sh y d r a t eo c c u r r e n c e i ns o u t hc h i n as e a a b s t r a c t g a sh y d r a t e ，m a i n l yc o m p o s e do fh y d r o c a r b o na n dw a t e ru n d e rl o w t e m p e r a t u r ea n d h i g h p r e s s u r ec o n d i t i o n s ，i st a k e n a sak i n do fc l e a ne n e r g yi nt h e2 1 “c e n t u r ya n d d i s t r i b u t e si nt h eh ec o n t i n e n t a ls l o p e so fm a r i n es e d i m e n ta n dp e r m a f r o s to nl a n d g e o l o g i ci n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h es e ao fs o u t hc h i n ai so n eo ft h em o s ta d v a n t a g e o u s l o c a t i o n sf o rg a sh y d r a t eo c c u r r e n c e t h ep a p e ra i m st oo b t a i nt h ec r e d i b l eg e o p h y s i c a l e v i d e n c e st h a tg a sh y d r a t ee x i s t si nt h es e ao fs o u t hc h i n aa n dt or a v e lo u tt h ed i s t r i b u t i o n o ft h eg a sh y d r a t ei nt h es e d i m e n t d i s c u s s i n gt h eg e o l o g i c a lp o s s i b i l i t yo fo c c u r r e n c eo fg a sh y d r a t ei nt h es e ao fs o u t h c h i n a ，t h e na n a l y z i n gt h eg e o p h y s i c a lr e s p o n s eo fg a sh y d r a t ea n df o r m a t i o nm e c h a n i s m o fb s r ，t h ep a p e rs t u d i e st h ei m a g i n go fs t r a t aw h i c hc o u l db e a rg a sh y d r a t es u b s e q u e n t l y af e wk e yp r o c e s s e sa n dm e t h o d sa r ep r o p o s e di nt h ep a p e ra n dt h e na p p l i e di nt h e m u l t i c h a n n e ls e i s m i cd a t ai m a g i n g ，w h i c he n h a n c e st h eb s ra n db l a n k i n gz o n ea n ds u c h g e o p h y s i e a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r a t aw h i c hb e a r i n gg a sh y d r a t e t h er e s u l to fs e i s m i c d a t ai m a g i n gf o r e c a s t st h ee x i s t e n c eo fg a sh y d r a t ea c c o r d i n gt oq u a l i t a t i v eg e o p h y s i c s e v i d e n c ef o rt h ef i r s tt i m e i no r d e rt op r o b et h ec h a r a c t e r i s t i co fg a sh y d r a t e ，t h ep a p e ra d o p t st h ep r e - s t a c k s e i s m i ci n v e r s i o nm e t h o db a s e do na v o t h e o r ya n dt h er e s u l ts u b s t a n t i a t e st h ee x i s t e n c e o fa b n o r m a l i t yf u r t h e r t h ea b n o r m a l i t yo fv e l o c i t yf i e l do b t a i n e df r o mp r e s t a c kt i m e m i g r a t i o nc a na l s op r o v et h eo c c u r r e n c eo fh y d r a t e m o r e o v e r ，t h ep o s t s t a c ks e i s m i cd a t a i n v e r s i o np r o d u c e st h ev e l o c i t ym o d e lo fs t r a t a ，w h i c hp r o v i d e sm o r ep r e c i s ee v i d e n c ea n d i n d i c a t e sh o wt h eg a sh y d r a t ed e p o s i t s b o t hp r e - s t a c ka n dp o s t - s t a c ks e i s m i cd a t ai n v e r s i o nr e s u l t se x p l a i nf o r m a t i o no fg a s i i h y d r a t e a n dd e v e l o p m e n to fb s r ，w h i c hb e l o n g st o t h e2 ”p a t t e r n ，n a m e l y ，t h eg a s h y d r a t ed e p o s i t so nt h ev i c i n i t yo fb s ra n d t h ed i s t r i b u t i o ni sl a y e r e d m u l t i 。c h a n n e l s e i s m i cd a t ai m a g i n g ，p r e s t a c k s e i s m i cd a t ai n v e r s i o na n dp o s t s t a c kd a t ai n v e r s i o n c o n s t i t u t et h eh a r dc o r eo ft h ep a p e r ，w h i c h a r et h ek e yt e c h n i q u e st oi d e n t i f yt h eg a s h y d r a t ei nt h es e ao fs o u t hc h i n a k e yw o r d s ：g a sh y d r a t e ； b o t t o ms i m u l a t i n gr e f l e c t o r ；s e i s m i cd a t ap r o c e s s i n g ； i n v e r s i o n ； a m p l i t u d ev e r s n so f f s e t l l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油勘探开发研究院或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 中国石油勘探开发研究院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1什么是天然气水合物 天然气水合物( n a t u r a lg a sh y d r a t e ，简称g a sh y d r a t e ) ，又称笼形 包合物( c 1 a t h r a t e ) ，俗称“可燃冰”，是在一定条件( 合适的温度、压力、 气体饱和度、水的盐度、p h 值等) 下由水和天然气组成的类冰的、非化学计 量的、笼形结晶化合物，遇火可燃烧。它可用m n h ：0 来表示，m 代表水合物 中的气体分子，n 为水合指数( 也就是水分子数) 。组成天然气的成分如c h 。、 c 。h 。、c 。h 。、c 。h 。等同系物以及c o 。、n 。、h ：s 等可 形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合 物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过9 9 的天然气水合物通常称为甲烷水合物( m e t h a n e h y d r a t e ) 。图1 1 是天然气水合物晶体结构示意 图。天然气水合物的每个单元小室都包含4 6 个 水分子，构成两个较小的十二面体和6 个较大的 十四面体。天然气水合物只能承载较小的气体分 图1 1 天然气水合物晶子。图1 2 ( a ) 是o d p ( 海洋钻探计划) 1 6 4 航次 体结构示意图 取得的天然气 水合物实物样 品，( b ) 为实 物样品溶解过 程中的状态。 图1 2 天然气水合物实物样品( a ) 及溶解过程( b ) 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 2 天然气水合物的发现及其分布 早在1 9 世纪初，化学家己经对水合物有所了解。1 8 1 0 年，英国学者 h u m p h e r yd a v y 在伦敦皇家研究院实验室首次合成氯气水合物；1 8 8 8 年， v 儿l a r d 在实验室合成了c h 。、c 。h 。、c 。h 。、c ：h ：等气体水合物。2 0 世纪3 0 年 代，在输送天然气过程中，人们发现输气管内形成水合物并堵塞管道；6 0 年代，西伯利亚梅索亚哈气田发现天然状态下存在的气体水合物：2 0 世纪 7 0 年代，许多科学家在分析海洋地震反射剖面图时发现了似海底反射层 ( b o t t o ms i m u l a t i n gr e f l e c t o r ) ，这一发现使地震方法成为海洋大规模研 究天然气水合物的重要手段；上世纪8 0 年代d s d p ( 深海钻探计划) 6 6 航次、 8 4 航次、9 6 航次在太平洋大陆边缘、南墨西哥滨海带、中美洲海槽、危地 马拉滨海带等地发现数处水合物。迄今为止，海洋中最大的实物样品是在中 美洲海槽( o d p 8 4 航次) 取得的长1 0 5 m 的块状样。 图1 3 世界水合物分布图( 红色表示推测，黄色表示已知) 2 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 尽管大多数的海底有适合气体水合物稳定存在的温度压力范围，但只有 在大陆斜坡区域才有足够的气源供应以满足水合物的形成。多数人认为甲烷 为生物成因气，因为热成因甲烷的浓度通常非常低并且大部分的钻井结果都 证实形成水合物的甲烷气体为生物成因。因此海( 湖) 区的天然气水合物大 多分布在主动、被动大陆边缘的陆坡、岛坡、边缘盆地等位置；而陆区的多 分布在高纬度或海拔较高地区的永久冻土带层中( 图1 3 ) 。由于水合物的稳 定存在需要一个合适的温压范围，因此它一般位于水底下几百米的深度，而 陆区水合物稳定带的深度范围约l o o 一1 5 0 m 。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 3 研究天然气水合物的能源、环境意义 当前，天然气水合物研究存在二种截然对立的观点，一种观点认为天然 气水合物中的甲烷气体是一种典型的“温室”气体，将使全球气候变暖，对 环境的影响极其严重；另外在钻井和开发期间，人为引起的气体水合物温度 压力条件改变也可能导致局部的地质灾害。另一种观点认为天然气水合物是 一种潜在的、清洁的、数量巨大的可替代能源。主要理由有两个：一是水合 物含有巨大数量的甲烷；二是气体水合物在全球广泛分布。甲烷水台物的能 量通量( 即在标准状态下每单位体积岩石中的甲烷体积) 是其它非常规气源 的能量通量的1 0 倍，是常规天然气能 量通量的2 5 倍。 图1 4 地球上有机碳的分布 目前对天然气水合物中甲烷数量的 估计大多是推测的，而且估计量变化非 常大。根据美国天然气远景委员会 ( 1 9 8 1 ) 对过去估算结果的总结，全球 的天然气水合物中甲烷的含碳量是现 存己知的化石燃料沉积中含碳量的两 倍，如图1 4 所示。 在我国能源消费结构中，煤占6 7 ，石油占2 3 4 ，天然气占3 ，是 全世界唯一以煤炭为主的能源消费大国。以煤为主的能源消费结构对我国环 境和生态造成了严重危害，用石油和天然气等优质、低碳能源代替煤炭以改 善能源结构将成为必然，但这受到石油和天然气资源严重短缺的限制。我国 经济的快速发展对能源的高度依赖和能源结构的不合理更需要开拓新能源 的供应渠道，为此，开发天然气水合物这一新型替代能源就显得尤为迫切。 4 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 4 国内外研究现状及进展 在永久冻土带，判别水合物存在与否主要依靠钻井以及相应的测井和岩 心资料；而在大陆边缘地区，地震方法为可以为水合物的存在方便地提供间 接证据。2 0 世纪9 0 年代以来，天然气水合物调查与研究在世界范围内迅速 扩大和深入，调查与研究的深度、广度以及调查技术水平大大提高。截止2 0 0 2 年底，世界上已直接或间接发现水合物共有1 1 6 处，其中海洋( 包括少数深 水湖泊) 1 0 7 处，陆地永冻带9 处。在这1 1 6 处中，直接见到水合物样品的 有2 3 处( 海洋2 0 处、陆地3 处) 。 目前天然气水合物地球物理勘探主要是利用一些地球物理特征来证明 天然气水合物存在，包括似海底反射波( b s r ) 、b s r 波形极性倒转、振幅空 白区带( b l a n k i n gz o n e ) 和速度一振幅异常等，根据这些地球物理反射特 征间接证实天然气水合物的存在和分布，然后通过地震反演和钻井资料确定 水合物存在的具体位置。1 9 8 9 年在贝加尔湖获取的多道反射地震剖面上发现 天然气水合物存在的间接证据，1 9 9 7 年钻井结果证实在湖底下1 2 0 米和1 6 0 米深度位置的浊积粗砂中取得水合物样品。b a i k a l 湖中的气体水合物突出特 征是含甲烷水合物沉积所表现的声学特征与频率相关，即以不同频率的震源 激发，含气体水合物沉积层所表现的特征完全不一样，这一结果为天然气水 合物的野外地震勘探提供一个方向。 目前，天然气水合物研究程度最高的地区是美国东南部b l a k e 海台，该 区既采集了常规二维、一三维地震数据，也有水下地震检波器记录的广角地震 数据。在单道、多道地震资料上均可发现较强的b s r 以及振幅空白带。m a xm d 等人( 1 9 9 8 ) 对b l a k e 海台水合物稳定带特征进行深入研究，并对甲烷开 采潜力作出评估；e c k e r 等( 1 9 9 3 ) 在叠加速度分析的基础上，利用d i x 公式 求取层速度，结合岩石物理模型，求得b l a k e 海台处一条剖面的水合物沉积 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 的饱和度；l e e 等( 1 9 9 4 ) 则基于a v o 分析，讨论了b l a k e 海台强、中、弱 b s r 成因，认为与下方游离气体的存在及其厚度有关；u m b e r t at i n i v e t l a 与e m a n u e l el o d o l o 等( 2 0 0 0 ) 利用层析成像反演技术，得到b l a k e 海台的 平均速度模型( 图1 5 ) ，结果表明在b s r 之下存在一个明显的低速带，与水 合物稳定带之下存在游离气相关，这与垂直地震测井结果相符合。 图1 5 层析成像反演的b l a k e 海台地层速度模型 在其它经钻探证实存在天然气水合物的海域，如中美洲海槽、秘鲁一智 利海沟、加拿大外波弗特海、黑海等。研究方式基本与b l a k e 海台类似，主 要利用井资料并结合地震数据反演，得到泊松比、岩石孔隙度、饱和度等地 层属性，根据这些属性估算天然气水合物的含量以及b s r 之下游离气的含量， 主要方法包括走时反演、全波形反演、a v o 分析等。如a n d r e a s s e nk 等人 ( 1 9 9 5 ) 对波弗特海b s r 与天然气水合物的关系进行研究；mem a c k a y 等 ( 1 9 9 4 ) 据v s p 核测井记录结果，发现b s r 界面处速度突变。在还没有经钻 探确定的可能地区，主要利用多道地震数据分析地层速度异常，寻找天然气 水合物存在的其它间接证据，结合区域地质背景和地震反射特征( 如b s r 、 振幅空白、波形极性反转等) 来证明天然气水合物的存在。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 我国在天然气水合物这一领域的研究和调查起步较晚。2 0 世纪8 0 年代 至9 0 年代，国内有关单位和学者主要对国外调查研究情况进行了跟踪调研 和文献整理，也对我国天然气水合物资源远景作了一些预测。我国进行实质 性的天然气水合物资源调查自1 9 9 9 年开始，并于2 0 0 2 年1 月1 8 日经国务 院批准设立“我国海域天然气水合物资源调查与评价”国家专项( 简称“1 1 8 专项”) 。目前已在西沙海槽、东沙群岛南部、台西南等海域圈定了b s r 分布 区带，发现了可能与天然气水合物有关的浅表层地质与地球化学异常特征， 并对其天然气水合物资源作了初步评价。 从2 0 0 1 年开始，以实际调查资料和成果为依托的天然气水合物研究全面 启动。以广州海洋地质调查局为依托单位的“十五”8 6 3 项目“天然气水合物 探测技术”( 编号：2 0 0 1 a a 6 1 1 0 2 0 ) 课题获科技瓤批准立项，课题一期合同 于2 0 0 3 年1 2 月通过验收，在天然气水合物地震识别、地球化学勘查、资源 综合评价和保压取芯等技术方法都做了深入的探索研究。2 0 0 3 年5 月，广州 海洋地质调查局院士基金项目“海域水合物地质找矿方法及成矿远景前期研 究”课题顺利完成，为系统了解国际上有关天然气水合物先进的调查方法、 评价奠定了基础。2 0 0 3 年3 月张光学等人根据国内外水合物调查、研究状 况出版海域天然气水合物地震学一书，全面介绍了天然气水合物的地震 采集方法、处理技术及综合解释等方面的最新研究动态和前沿技术，并对我 国海域存在天然气水合物的可能性进行探讨。2 0 0 4 年6 月，广州海洋地质调 查局和德国基尔大学海洋科学研究所联合实施完成了中德合作项目南海北 部陆坡甲烷和天然气水合物分布、形成及其对环境的影响研究，取得东沙 东南海域浅表层沉积物中存在着天然气水合物的直接生物证据和显著的地 球化学异常。成功获取了一批沉积物地质、地球化学资料，为我国海域天然 气水合物形成机理、分布规律和环境效应研究提供了丰富的资料。 总体上看，国内针对天然气水合物的勘探调查和研究主要集中在地球物 7 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 理和地球化学二个方面，其中大规模的勘探是以地球物理调查为主，国内主 要采用高分辨率地震调查方式。“十五”8 6 3 项目“天然气水合物探测技术” 的下属子课题“水合物识别的地震技术”对高分辨地震采集、地震数据的处 理、正反演研究及储层参数预测等几个方面进行深入研究并取得较好的效 果。当前国内针对天然物水合物的地球物理勘探的主要任务是获取高质量的 天然气水合物可能存在的地震反射数据体，发现地震反射中的异常特征，确 定天然气水合物的分布，为地质解释和后续的研究提供一个可靠的依据。由 于缺少钻井资料，地球物理方面的研究主要还是集中在寻找天然气水合物存 在的间接证据方面。当前地球物理识别天然气水合物关键技术主要集中在两 个方面：第一，含天然气水合物地层的精确成像；第二，如何结合天然气水 合物的特性，从地震反射特征和反演预测天然气水合物的分布。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第二章天然气水合物形成机制及赋存我国海域的依据 2 1天然气水合物形成机制 天然气水合物是在一定的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、p h 值等 条件下，由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。深 海中赋存的气体水合物主 要是基于海洋地震反射剖 面中明显的似海底反射层 图2 1 甲烷水合物相界图 (b o t t o m s i m u l a t i n g 简称b s r ) 进 行推测。目前对气体水合物 的形成及b s r 的发育的认 识主要有二种模式：第一种 模式认为甲烷是由气体水 合物稳定带内的有机质经 微生物作用形成的，气体水 合物的形成与沉积作用同期发生，随着甲烷水合物带的增厚和加深，该带最 终沉降到气体水合物不稳定的温度区，在此区可能出现游离气，但若有合适 的运移通道，游离气则能运移到上覆的气体水合物稳定带中。这一模式得到 的结论是气体水合物应该在整个气体水合物稳定带中出现，游离气可能存在 或不存在b s r 之下。第二种模式认为在沉积过程中甲烷会伴随上升的孔隙流 由下而上再次进入气体水合物稳定带。这一模式的结论是气体水合物应该聚 集在稳定带的底部。b s r 的深度恰好与由相界图( 图2 1 ) 所预测的气体水 合物稳定带底面的深度一致，相界图说明大洋沉积物中，气体水合物出现在 底层水温接近0 、水深超过3 0 0 米处，其下限深度显然与地温梯度相关。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 b s r 的标志是高声速( 上部的水合物胶结沉积) 与低声速( 下部的水合物未 胶结沉积) 之间的界面，下面是否存在游离气是一个不确定的问题。 水合物的固结模式主要有四种类型：一是分散分布，可能在一个地方生 成；二是核状分布，气源是由某一深度运移来的热成气；三是层状分布；四 是块状分布，气体运移到水合物形成位置形成水合物时将沉积物推开。 对已知天然气水合物沉积段中烃类气体进行地球化学调查表明：在上述 天然气水合物形成模式中，大部分的甲烷是有机微生物成因，目前世界上多 数海域取得的样品都具有这一特征，但在墨西哥湾、危地马拉近海，也发现 甲烷的来源既有生物成因也有热成因。 2 2 含天然气水合物地层的地球物理反射特征 2 ，2 含天然气水合物地层地震波速度 相对于通常的沉积物，纯天然气水合物具有较高的纵波速度，大约 3 3 3 8 k m s ，而密度相对较低。水合物稳定带下方可能存在的含游离气沉 积物从而具有较低的纵波速度与泊松比，导致地震反射剖面上显示出一个独 特的反射界面一一似海底反射层( b s r ) 。根据b s r 的成因，如果b s r 是由含 水合物沉积物与含游离气沉积物分界引起，b s r 之下含气则对应游离气带速 p1 ， 图2 2 游离气带速度模型( 左) 与水合物楔速度模型( 右) 1 0 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 度模型；如果b s r 是由含水合物沉积物与一般沉积物的分界引起，则对应水 合物楔状模型( 图2 2 ) 。前者主要强调含游离气，后者则强调主因是含水合 物。这二种模型在己知含天然气水合物的区域的地震数据上都得到证实。 2 2 2 b s r 的地震反射特征 图2 3 为b l a k e 海台的一条地震反射剖面，b s r 的地震反射特征非常 典型，在其它海域含天然气水合物地层的地震反射剖面上也具有类似特征。 由于上下地层的速度差异，b s r 通常表现为一个负极性( 与海底反射极性比 较) 的反射面，一般与现代海底近于平行分布，主要受天然气水合物成矿的 温度压力条件的控制，并且多与正常沉积地层反射相交，地层横切b s r 界面 后反射振幅迅速增强：b s r 相对于海底反射来说具有强反射振幅和极性反转 特征，是声波阻抗大大降低的界面；天然气水合物可以有效地粘结碎屑颗粒， 降低沉积物孔隙度，改变了沉积物的地球物理性质，因此在b s r 之上出现弱 地震反射带( 称为空白带) 。 图2 3b l a k e 海台b s r 地震反射特征 2 3 我国海域存在天然气水合物的地质可畿性 以地震勘探为主的多学科综合调查表明：海域天然气水合物主要赋存于 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 活动大陆边缘和非活动大陆边缘的深水陆坡区，尤其以活动大陆边缘的俯冲 带增生楔区、非活动大陆边缘和陆隆台地断褶区水合物十分发育，这与其具 有充足的气源、良好的运移通道、合适的温压条件等各方面的地质环境密切 相关。 南海半深水一一深水区( 大于4 0 0 m ) 面积约1 4 0 万k m 2 ，其中陆坡区面 积约1 1 8 万k m 2 ，有利于水合物成藏的范围广；在沉积条件方面，o d p 8 4 航次钻井资料表明在东沙群岛东南地区，1 m a 以来的沉积速率为4 0 0 1 ，2 0 0 m m a ，晚中新世以来的沉积速率为1 5 0 2 1 0 m m a ，这一沉积条件有利 于水合物赋存所需的沉积异常体的形成：构造方面，中中新世末以前，南海 发生三次构造运动，这些构造运动造成的断裂既控制陆坡地貌的形成，又有 利于气体向上运移，而自晚中新世以来的构造活动趋于平静，长期的平静有 利于水合物的保存；对于天然气水合物形成的气体来源方面，南海的许多大 中型新生代沉积盆地及隆起区等构造单元跨越了陆坡区，盆地沉积速率较 大，沉积厚度2 1 1 k m ，盆地有机质丰富，蕴藏丰富的油气资源，已发现一 大批大、中型油气田，表明这一地区具有充足的烃气来源。在东沙陆坡区， 渐新统及以上地层有机碳含量高，o d p l 8 4 航次的1 1 4 4 、1 1 4 6 等多个站位发 现生物成因气和热解气的富集。因此，从地质条件方面说，南海是天然气水 合物存在可能性很大的海域。 2 4 我国海域可能含天然气水合物地层的地震反射特征 自1 9 9 9 年以来，广州海洋地质调查局开始针对天然气水合物的综合地 质调查，先后在西沙海槽、南海北部东沙陆坡、神狐等海域发现了天然气水 合物存在的b s r 、振幅空白等地球物理标志，图2 4 、2 5 、2 6 分别为我国 海域西沙海槽、东沙陆坡区可能含天然气水合物的典型地震反射剖面。剖面 上可以看出较明显的b s r 、振幅空白等异常反射特征。特别是在图2 6 上， 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 可以发现b s r 具有较强的反射振幅并且与地层斜交的特征非常明显，b s r 之上明显表现为一个弱反射带，地层横穿b s r 后，其反射振幅迅速增强，且 图2 4 西沙海槽区x 测线b s r 反射特征 图2 5 东沙海域x 测线b s r 、空白带反射特征 b s r 面的反射极性与海底反射极性相反。此测线的地震反射特征是目前南海 可能含天然气水合物地层反射特征最为典型的，几乎包含世界其它海域含天 然气水合物地层所具有的大部分最典型特征。叠前数据的层速度分析也可以 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 发现，b s r 上下地层存在速度异常，其上地层的层速度相对高，而下覆地层 的速度有明显的下降。地震反射剖面以及叠前数据的速度分析都表明天然气 水合物在此区域是很可能存在的。图2 5 所示剖面穿过o d p l 8 4 航次的1 1 4 4 站位，但遗憾的是钻井只达到海底以下4 5 0 m ，其深度只到达空白带的顶而 没有钻及到可能的b s r 反射层，红色曲线为声波测井曲线，测井曲线底部速 度达到2 ，0 0 0 m s ，并且开始有一个加大的趋势，预示水合物的存在，且地球 化学分析也表明相同的结果。 图2 6 东沙海域典型的可能含水合物地层地震反射特征 1 4 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第三章天然气水合物地震成像处理技术研究 3 1 天然气水合物地震数据处理的目标 天然气水合物地震识别技术包括地震成像处理、岩石物性参数反演，成 像是基础，反演是关键。地震成像处理的目标是突出天然气水合物的地震反 射特征，为天然气水合物分布预测奠定基础。目前国外关于天然气水合物地 震处理技术方面很少有公开的详细研究，主要强调高保真处理，处理的基本 思路与一般海上地震数据处理基本相同。 结合我国可能含天然气水合物海域地震数据的特点及可能含天然气水 合物地层的反射特征，地震数据处理技术主要强调保幅处理，强化b s r 反射 的强振幅和反极性特征，以及b s r 之上地层弱反射特征的处理，并通过地震 属性突出b s r 与地层接触关系、岩性变化等；以叠前偏移处理建立速度模型， 根据速度异常加强判断b s r 与天然气水合物是否存在对应；基于a v o 理论 的地震数据处理结果可以从纵横波特征、物性参数特征等证实水合物的存在 与否；另外，合适的多次波压制处理能为后续反演提供更为合理的模型。 3 2地震成像和保幅处理的主要技术环节 保幅处理是天然气水合物地震数据处理的核心，但是，真正的保幅是很难 做到的。首先是海底下地层的地震波反射速度难以确定，因此球面扩散和吸 收衰减方面的补偿在实际处理过程中很难做到精确；其次采集数据中存在大 量噪音，对其压制或多或少会影响有效波，因此噪音压制方法的选择是保幅处 理的关键环节之一。图3 1 为一个典型的海洋地震炮集数据，其主要噪音是 由水鸟道引发的大值随机干扰、海浪引发的低频干扰、气枪产生的气泡和地 形引起的不规则多次波干扰。对于海浪引发的低频干扰，用普通滤波的方法 可以解决：对于不规则大值干扰，主要采用f x 域投影滤波方法压制；对于 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 图3 1海洋数据单炮记录 多次波干扰，本文提出一种 频率分离的方法进行压制： 而气泡的压制主要根据激 发产生的波形特点，采用不 同反褶积方法可以压制。 3 2 1 大值随机干扰压制 投影滤波方法压制随 机噪音和大值干扰，其原理 是假定对于所有频率范围 的信号而言，在f x 域， 其信号是可预测的，而噪音 是不可预测的，从而使信号与噪音分离。从数学原理上看，这一嚷音压制方 法具有很好的保幅性。假定一个含有噪音的信号： y k = x 1 + d k n 0 1 n 一1 ( 3 1 ) ， 其中x k 】是待估算的信号，d k 】为噪音，假定某种正交变换( 例如傅立叶变 换) 使x n 】= g k 卫，将含有嗓音的信号y n 作变换后，将低于某一门限值的 部分系数零化，然后反变换就可以噪音压制后的信号，即 土b 】= d ( ) ，r n j ) = w 1 ( a 咿( y i d ) ) ( 3 2 ) 式中a 为对角强制门限算子， ( a r b ! 陆l 若i 嚣唯 ( 3 s ) 其中t ( k ) 为门槛值。 图3 2 为这一方法消除噪音的效果对比图，可见被压制噪音的主要能量 都是随机的。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 对于其它叠前噪音压制方法，特别是通过信号增强来压制干扰的方法， 在水合物地震数据处理中，因为b s r 与地层的特殊接触关系，可能会导致某 些反射信息失真或丢失。大多数情况下，海洋地震数据具有较高的信噪比， 因此叠前去噪处理并非必需，但保幅处理的思想应贯穿整个水合物的地震数 据处理中。 图3 2 噪音压制前( a ) 后( b ) 效果，( c ) 为二者的差异，可见被 压制的噪音是随机的，而无大值噪音的数据道没有任何变化 3 2 2 反褶积处理 反褶积处理是地震数据处理中的重要一环，通常其主要e t 的是补偿波在 传播过程中的频率损失，提高分辨率。在天然气水合物的地震数据处理中， 反褶积的重要性主要源于二个方面的原因：一是海洋地震数据中的气泡效应 容易误导b s r 的识别；二是波形处理的成败决定b s r 的反极性特征能否得到 显示，成功的波形处理可以为b s r 的波形极性识别提供有力证据。图3 3 中， 在海底以下1 0 0 m s 处出现一个明显的与海底平行的反射层，与地层斜交明显， 其反射特征与b s r 的反射特征完全相符合。这一现象是由于气枪阵震源激发 1 7 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 时产生了气泡，在经过一定时间后气泡破裂引起的虚反射造成，气泡由产生 到破裂的时间由震源本身决定。通常采用预测反褶积的方法可以压制气泡所 产生的反射( 图3 3 右) 。 b s r 的一个主要特征是与海底极性相反。通常使子波零相位化是一个行 之有效的提高分辨率的方法( 图3 4 1 ，并使b s r 的反极性特征得以更有效识 别。天然气水合物的地震数据处理中，反褶积方法的选择一般要求根据野外 采集数据的质量而定，特别是依据噪音状况来选择合适的反褶积处理参数和 图3 3 气泡效应及压制效果 ifilllll f 了了万了1 海r 童专 tt至主至至至圭 享享季专亨 净p y 摹手 ；季耄董喜； fz，；f 图3 4 波形零相位化处理前( 左图) 后( 右图) 效果 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 步骤。在原始数据噪音较小且激发波形质量较高时，可以考虑零相位化处理。 在我国海域，天然气水合物大多赋存于大陆边缘的大陆斜坡等部位，海底地 形地貌变化急剧，海流复杂导致采集的原始数据噪音较大，而不同的采集系 统得到的原始数据也会影响反褶积处理方法的选择。图3 5 为多道预测反褶 积与零相位反褶积处理效果分析，图上方的波形为震源产生的直达波波形， 图3 5 预测反褶积( 左) 与零相位反褶积( 右) 效果对比，上方 波形为原始数据直达波波形 图3 6 预测反褶积( 左) 与零相位反褶积( 右) 效果对比，上 方波形为原始数据直达波波形 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 可以看出当震源激发产生的波形较差时，零相位化处理并没有达到预期的结 果。显然，激发条件本身的影响导致反褶积方法选择的差异。图3 6 为另一 震源激发产生的波形及反褶积处理效果。对比可以发现，在激发波形较好的 前提下，零相位化反褶积处理后波形更易于识别，对地层的分辨能力得以加 强。因此，量萱塑直盆疆圣垫震丝堡的丕回是! 钍型丞然气盔盒塑丛堡盟厦 鲨塑友鎏逞握廛这丛塞匪麴堡蕴垂趟：查堡逛厘蕴数据的这型塑丝壁堑数蓝 埕工：厘摺抠丝堡丝达到篚簦退型羞塞出旦墨基生篷庭曲遗堑拯：哇担屋的挂延 麴总厘则1 3 2 3 多次波衰减技术 多次波是海洋地震数据中最大的噪音，多次波压制也是海洋地震数据处 理中的一个关键问题。在天然气水合物最可能赋存的南海东沙海域，多次波 极其发育并且由于地形的急剧变化及地质条件的影响，多次波变形严重并产 生不同方向的多次波相交( 不符合双曲线规律) ，在图3 7 所示的叠加剖面上， 多次波非常发育，主要特点是：振幅强，在地震叠加剖面上表现为一系列的 弧( 假频) 或交叉干扰，几乎完全掩盖有效波；在原始记录上不符合反射时 图3 7 叠加剖面 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 距曲线规律( 图3 1 所示) ，且没有确定的周期性；视速度无差异，其同相轴 表现为多种视速度的组合。基于上述特征，采用一般方法很难压制此类多次 波，其存在不但影响视觉效果，而且将有效信息淹没，不利于后续处理和解 释。此外，多次波的另一特点是在不同频带范围内振幅强度变化，在较高频 段范围时多次波的相对振幅值较大。采用常规的多次压制方法效果并不明 显，并可能造成剖面上出现明显的多次压制痕迹，很难达到保幅处理。尽管 在大多数情况下( 海水深度超过6 0 0 m s ) ，多次波的存在不会影响对b s r 的 识别，但对于后续反演而言则相当不利。在海水深度较浅时，多次波的存在 对水合物的识别产生影响。针对本区多次波的特点，本文提出一种频率分离 方法，将数据分离后再进行不同处理，较好地解决了多次波的压制，并突 出有效波。图3 8 、3 9 分别是多次波压制前后的效果对比图，可以看出经过 频率分离方法处理后，深层有效反射得到突出，为地球物理反演、地质分析 等提供更可靠的资料。 图3 8 常规多次波压制叠加剖面 2 1 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 图3 9 频率分离压制多次波效果 基于频率分离的多次压制方法的主要原理是基于不同的频率段多次波 与有效波的相对振幅差异不 同( 图3 1 0 ) 。在振幅差异最 大的频率段可以根据多次波 的振幅特征对其压制。用数 学方式可以描述为：假定原 始数据为f ，包含原始数据 所有的频率，那么f 可以分 解为若干频率之和， f = f l + f 2 + f 3 + + f n ，其寺 工( 1 s is ) 为某一频率范围。 ，一假定在正的频率范围内不规 图3 1 0 不同频段滤波后多次波的表现 则多次噪音最强( 相对于信 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 号) ，则可以确定频率的划分区间，确定多次波出现的时间范围，对工频段 的数据进行噪音判别，得到一个衰减系数的数据，将衰减系数应用到原始数 据就可以得到多次压制后的数据。这种方法很容易推广到其它地震数据处理 软件中。 3 2 4 叠前时间偏移 由于天然气水合物的存在及可能出现的b s r 经常与地层斜交，造成倾斜 地层相互冲突的问题，而叠前时间偏移可以有效的解决这一问题，使其成像 更为精确；另外采取叠前时间偏移的方法，不仅可以改善成像，而且与常规 叠加速度拾取相比，由于各个反射点都在同一个共中心点道集中，因而消除 了由地表条件对速度造成的假象，使成像更清晰、真实，因此叠前时间偏移 可以确定一个相对精确的速度场，为天然气水合物的识别提供一个有力依 图3 1 l 叠加剖面( 左) 与叠前时间偏移处理剖面( 右) 对比分析 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 据。基于k i r c h h o f f 积分的叠前偏移是当前流行的方法，其理论依据是惠更 斯原理一一反射是绕射的积分。 叠前时间偏移方法对于速度反转的地质体可以清晰成像，对于b s r 横穿 地层的地震反射特征也可以清晰刻画。图3 1 1 是叠前时间偏移处理后的剖 面与叠加剖面效果对比。在反映地层的接触关系方面，叠前时间偏移处理后 的剖面明显优于普通叠加剖面，并且偏移所建立的速度场可以用来半定量识 别天然气水合物及游离气的存在。 叠前时间偏移处理效果的关键技术主要有：叠前噪音压制、多次波压制 和精确速度场建立。 3 3 地震成像技术的局限性 保幅处理、有针对性的反褶积方法以及有效的多次衰减处理方法的使 用，突出了天然气水合物存在的地球物理反射特征，如b s r 强反射、空白带 等；叠前时间偏移方法的引入使地层成像更精确，b s r 与地层的接触关系( 横 穿地层) 更清晰，呈现典型的b s r 地震反射特征( 图3 1 2 ) ，这说明本文采 用的处理方法是有效的。地震成像技术可以定性预测天然气水合物的存在， 但是定量描述存在一定困难。例如，地层速度异常在空间如何展布? 天然气 水合物在地层如何分布? b s r 下方是否存在游离气? 解决这些问题仅依靠 地震成像技术得到的地震反射剖面是不够的，地震反射剖面反映的是一个时 间界面而不是一个岩性剖面，因此仅利用成像结果预测天然气水合物的存在 还是存在诸多方面的问题： 首先，在无井的情况下，依靠地震数据处理并不能证实剖面上的b s r 就是水合物的底界面，b s r 与海底的极性相反的特征是否真实? 另外，如果存在天然气水合物，但并没有b s r 出现，处理显然会缺乏针 对性，反之，若在地震反射数据中出