含天然气水合物介质地震空白带成因研究.pdf

第 5 3 卷第 2期 2 0 1 4 年 3 月 石油物探 GEOPHYS I C AL P R0S P EC TI NG R，j R P ETR0LE UM Vo 1 ． 5 3 。 No ． 2 M a r ．． 2 O1 4 文章编号 1 0 0 0 1 4 4 1 2 0 1 4 0 2 0 2 1 6 0 7 含天然气水合物介质地震 空 白带成 因研究 尤加春 ， 冯 凯。 ， 王成 ， 杜漫霖 ， 刘学伟 1 ． 中国地质大学 北京 地球物理与信息技术学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 中国石油天然气股份有限公 司海外勘探开发公司， 北京 1 0 0 0 3 4 摘要 基于弹性波动方程， 结合随机介质理论， 以渗透型天然气水合物地震空白带的研究为背景， 建立了含天然 气水合物的非均匀双相孔隙介质模型。利用高阶交错网格有限差分方法， 正演计算了地层孔隙度一定时天然气 水合物饱和度分别为 2 ， 1 0 ， 1 5 ％， 2 O ， 2 5 ％， 3 0 ， 4 0 ， 5 0 ， 6 O ， 7 0 ， 8 0 等 1 1种模型的地震响应。 通过对正演偏移剖面作定性分析以及相对能量、 频率衰减梯度的定量分析可知 当天然气水合物在地层中的赋 存状态为不均匀分布时， 水合物对反射波的散射效应使反射波能量减弱， 形成地震空白带。当赋存的天然气水 合物饱和度达到一定值时， 由于水合物不均匀体产生的散射波能量增大， 在地震空白带内出现“ 亮点” 。同时， 地 层中非均匀分布的天然气水合物会影响地震剖面中似海底反射 B S R 的形成， 这也可以用于解释为什么会在一 些勘探实例中存在天然气水合物而无似海底反射的现象。 关键词 天然气水合物； 地震空白带； 双相孔隙介质模型； 正演计算 ； 似海底反射 B S R ； 散射作用 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 1 4 4 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 1 2 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标识码 A Th e c a u s e o f s e i s m i c b l a n ki n g z o ne f o r g a s h y d r a t e Yo u J i a c h u n ， Fe n g Ka i ， Wa n g Ch e n g ， Du Ma n l i n ， Li u Xu e we i 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a Na t i o n a l Oi l G a s E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t Co r p o r a t i o n， Be i j i n g 1 0 0 0 3 4， C h i n a Ab s t r a c t ．Ba s e d o n t h e e l a s t i c wa v e e q u a t i o n a n d s t o c h a s t i c me d i u m t h e o r y ， a h e t e r o g e n e o u s b i p h a s i c p o r o u s me d i u m mo d e l i s e s t a b l i s h e d t O s t u d y o n t h e c a u s e o f s e i s mi c r e s p o n s e b l a n k i n g z o n e f o r g a s h y d r a t e ． Hi g h - o r d e r s t a g g e r e d g r i d f i n i t e d i f f e r e n c e me t h o d i s u s e d t o s i mu l a t e s e i s mi c r e s p o n s e s i n 1 1 k i n d s o f mo d e l s ， i n wh i c h t h e g a s h y d r a t e s a t u r a t i o n i s r e s p e c t i v e l y 2 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0 ， 2 5 ， 3 0 ， 4 0 ， 5 0 ， 6 0 ， 7 O ， 8 0 f o r c e r t a i n p o r o s i t y ． Th r o u g h q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f s i mu l a t e d mi g r a t i o n p r o f i l e a n d q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f r e f l e c t e d wa v e e n e r g Y a n d f r e q u e n c y a t t e n u a t i o n g r a d i e n t a s wa v e f i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ， t h e f o l l o wi n g c o n c l u s i o n s c a n b e d r a wn i f d i s t r i b u t i o n o f g a s h y d r a t e i n t h e l a y e r s i s n o n - u n i f o r m， t h e s c a t t e r i n g e f f e c t c a u s e d b y g a s h y d r a t e r e d u c e s t h e e n e r g y o f r e f l e c t e d wa v e a n d t h e n t h e s e i s mi c b l a n k i n g z o n e o c c u r s ． As t h e s a t u r a t i o n o f g a s h y d r a t e r e a c h e s t o a c e r t a i n v a l u e ， “ b r i g h t s p o t s ”c a n b e f o u n d i n t h e s e i s mi c b l a n k i n g z o n e ． Mo r e o v e r ， t h e n o n - u n i f o r m d i s t r i b u t i o n o f g a s h y - d r a t e i n t h e l a y e r s wi l l a f f e c t b o t t o m s i mu l a t i n g r e f l e c t o r o c c u r r e n c e ， wh i c h c a n b e u s e d t O e x p l a i n t h e p h e n o me n a t h a t i n s o me c a s e s t h e r e a r e g a s h y d r a t e i n t h e l a y e r s wi t h o u t b o t t o m s i mu l a t i n g r e f l e c t o r o c c u r r e n c e ． Ke y wo r d s g a s h y d r a t e ， s e i s mi c b l a n k i n g z o n e ， b i p h a s i c p o r o u s me d i u m mo d e l ， f o r wa r d mo d e l i n g， b o t t o m s i mu l a t i n g r e f l e c t o r BS R ， s c a t t e r i n g e f f e c t 天然气水合物是一种具有巨大潜在开发价值 的新型海洋能源矿产 ， 在世界各大海洋中均有广泛 分布Ⅲ。目前对于天然气水合 物的勘探主要采用 地震方法 ， 地震剖面上水合物赋存 区域 出现的空 白 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 2 5 ； 改回目期 2 0 1 3 1 0 2 5 。 作者简介 尤加春 1 9 8 8 一 ， 男， 硕士在读， 主要从事天然气水合物地震勘探方法研究。 通讯作者 刘学伟 1 9 5 6 一 ， 男 ， 教授 ， 博 士生导师 ， 主要研究方向为地震信息处理 、 波动理论 、 金属矿地震勘探 、 天然气水合物地震识别。 基金项 目 国际科技合作计划 2 0 1 0 D F A2 1 6 3 0 和国家重点基础研究 发展计划 9 7 3 项 目 2 0 0 9 C B 2 1 9 5 0 5 共同资助。 第 2期 尤加春等． 含天然气水合物介质地震空白带成因研究 2 1 7 带 b l a n k i n g z o n e 及似海底反射 B S R 等地球 物 理特征是识别海底天然气水合物的主要标志 。 地震空白带和似海底反射作为天然气水合物地震 识别的一个重要特征 ， 同时也是 目前天然气水合物 地震识别方法研究的一个热点问题_ 4 ] 。 地震空白带是存在于 B S R之上的反射波振幅 相较于正常的反射波振幅要弱的天然气水合物赋 存区域[ 5 ] 。对于地震空白带的存在与天然气水合 物的关系有多种解说。Ho l b r o o k 等[ 6 ] 将布莱克海 台阻抗差 的减小 ， 即振 幅空白的原因归结为这一地 区沉积的均质性。S h i p l e y 等[ 7 ] 研究认为， 振幅空 白是沉积物孑 L 隙充填天然气水合物造成的。但这 两种观点都由于缺乏实际的地震模型而难以解释。 孙春岩等[ 8] 建立了水合物饱和度不随孔隙度变化 c G HC 以及 水 合 物 饱 和度 随 孔 隙 度 变 化 V G H C 的模型， 认为天然气水合物饱和度的变化 是 引 起 振 幅 空 白 的 主 要 原 因。但 C GHC 和 VGHC模型建立在 均匀介质假设之上 ， 而实际情 况是， 天然气水合物在地层中大多是非均匀分布 的， 因此 ， 上述模 型还不足 以解释地震 空 白带形成 的原因。胡高伟等[ 9 0 ] 利用弯曲元技术研究了含 水合物松散沉积物的声学特征， 认为天然气水合物 在孑 L 隙中生成时形成的悬浮粒子对超声波信号产 生了散射衰减。这一现象为地震空 白带形成原 因 的研究提供 了一种新 的思路 。 认识地震空 白带 的成因有利于认识并探测天 然气水合物在地层中的赋存状态。但对于天然气 水合物地震空 白带形成的原因， 目前并未形成统一 的认识 。我们在前人工作的基础上 ， 分析了渗透型 天然气水合物 水合物在地层 中非均匀分布 在地 层中赋存的微观模型及南海神狐地区实际地震偏 移剖面， 尝试建立了一种天然气水合物非均匀分布 的地球物理模型， 利用该模型研究 了水合物非均匀 分布对地震反射波的散射影响及这种散射作用与 水合物饱和度的关系， 并据此给出了地震空白带形 成的一种合理解释。 l 一阶应力一 速度 弹性波动方程及有 限差分 离散 正演计算的地震记录基于弹性波动方程。在 均匀各向同性二维弹性介质下， z 平面内的一阶 应力一 速度 弹性波动方程[ 1 1 - 1 2 为 3 t一 丢 鼍 c a D ＼ a z。 a ／ ⋯ 型 3 t一 丢 3 x 薏 D ＼ 。 a ／ 鲁一 警 警 1 b 一 2 警 等一 警 其中， T x x ， ， r 是应力张量； ， u 。 分别为位移的 水平分量和垂直分量 ； ID 为弹性介质的密度 ； ， 为 拉梅系数。 在利用交错网格法求解一阶应力一 速度弹性波 动方程时， 速度和应力是分别在 ￡ △ ／ 2 和 t 时刻 进行计算的。在时间偏导上采用传统 的二阶差分 近似计算， 在空间偏导上采用如下形式的高阶差分 近似计算 一 N M { ， [ z c 2 n m ， ] 一 f 『 z 一 2 n 1 l } 0 2 L 厶 J J 式 中 -厂 代表上述应力张量或位移的水平分量和垂 直分量 ； 为网格 步长； M 为差分系数 ； a f ／ a z 表示变量 厂在 z处 的一 阶空间导数展开 ； N 为空 间偏导数展开的阶数； O △ 。 N 表示差分精度。综 合考虑有限差分计算的效率、 精度及波场频散， 我 们采用时间 2阶、 空间 1 0阶的交错网格离散公式。 在利用有限差分、 有限元等方法正演模拟地震 波场传播规律 时， 激发 的波场在模拟区域的边界会 不可避免地产生边界反射 ， 为此采用了吸收效果最 佳 的完全匹配层 P ML [ 1 边界条件。 2 含天然气水合物的非均匀双相孔 隙介质模型 实际地层大多是多相孔隙介质 ， 孔隙空间中填 充 的并不是单一的气相或液相物质 ， 而是 由液相 、 气相甚至其它固相介质 如冰、 天然气水合物 组成 的混合物质 。鉴于此 ， 我们 以研究渗透型天然气水 合物地震空白带的形成原因为背景， 建立了水合物 在地层中非均匀分布的双相孔隙介质模型， 如图 1 所示 。模型共 4层 ， 第 1 层为海水 ； 第 2 孔隙度为 6 5 和第 3层 孔 隙度为 5 8 为含天然气水合 物储层 ； 第 4层为含气层 ， 孑 L 隙度 为 4 5 ， 孔 隙空 间中含气和水 气 的饱和度为 3 0 ， 水 的饱和度为 第 2 期 尤加春等． 含天然气水合物介质地震空白带成因研究 2 2 1 附录 A Ku s t e r - T o k s o z等效介质理 论 K N K 一 K 芋 一一∑ K K m P K 号 腑 一 等 一 薹 ti -- [Am 一 6 K 2 K 号 P u_一 K 号 一 丝 A1 ／ 1 1 l m 式中 K ， 为背景介质 m 的体积模量和剪切模 量； K ， ／l 为第i 种包含物的体积模量和剪切模量； 五 为第 i 种包含物所 占的体积百分 比； P ， 为 在背景介质中加入包含物材料 i 后的效果 本文考 虑包含物的形状为球形 。 附录 B He l g e r u d等提 出的等效介 质理论计算公式 天然气水合物沉积层的体积模量 Kd ry 与剪切 模量 Gd r y 的计算公式分别为 I 旦 ， 1 一旦 l ． 卜詈 G Ⅲ r 旦L ] G d 一I 翌 I Z r 9 -- 9 c 。。 [ K H M 一4 G HM 嚣7- -K卜詈 J 9 --9 c f 一 l 二 二 I Z 9 ≥ z 一 9 K K 删 HM _ 2 8 GH M C 6 L ] B 3 K 删 2 G H M _J 式中 9 c 为临界孔隙度 范 围 3 6 ％～4 0 ； K 为 岩石骨架的体积模量； G 。 为岩石骨架的剪切模量。 根据 He r t z - Mi n d l i n的理论 ， 在岩石孔 隙度为 临界孔隙度时， 干岩石骨架有效体积模量和剪切模 量计算公式为 fK Ⅲ 一 [ P ] 吉 I 一 [ P ] 吉 式中 7 “／ 为单位体积 内颗粒平均接触 的数 目 一般 为 8或 9 ； P为有效压力， P一 1 --9 P 一P f g h ， h为从海底算起 的深度 ， g为重力加速度 ； 为泊松 比 ， 一 丢 K 一 2 G 。／ g { G s 。 当水合物是 骨架的一部分 时， 会使孔 隙度减 小 ， 也会改变固体部分的体积模量、 剪切模量 和密 度。固体部分的体积模量和剪切模量根据 H i l l 平 均方程修正为 』 K s 一 丢 [ 薹 K z 惫 ] B 5 G s 吉 茎 ] 式 中 为组成岩石矿物成分的数 目； 为第 i 种 矿物的体积百分 比； K ， G 分别为第 i种矿物 的体 积模量和剪切模量 。 当孔隙空间中含有水和气体时， 孔隙流体的体 积模量利用等效介质理论进行计算 ， 其公式为 K 一 [ S f 未 ] ～ 【 一P f S P q S 式中 K ， p 分别为修改后 的体积模量和密度； K ， P 分别为气体的体积模量和密度； S r ， S 分别 为液体和气体的饱和度 。 参考文献 [1 ] Mi k o v A V， S a s s e n R． P r e l i mi n a r y a s s e s s me n t o f r e s o u r c e s a n d e c o n o mi c p o t e n t i a l o f i n d i v i d u a l g a s h y d r a t e a c c u mu l a t i o n i n t h e Gu l f o f Me x i c o c o n t i n e n t a l s l o p e I- J ] ． Ma r i n e a n d P e t r o l e u m Ge o l o g y ， 2 0 0 3 ， 2 0 2 1 1 1 - 1 2 8 [ 2] 宋海斌 ， 松林修， 杨胜雄， 等。 海洋天然气水合物的地 球物理研究 I ／ 地震方法r - j - 1 ． 地球物理学进展， 2 0 0 1 ， 1 6 3 1 ．1 0 1 1 8 S O n g H B， Ma t s u b a y a s h i O， Ya n g S X， e t a 1 ． Ge o p h y s i c a l r e s e a r c h e s o n ma r i n e g a s h y d r a t e sⅡ s e i s mi c me t h o d s [ J ] ． P r o g r e s s i n G e o p h y s i c s ， 2 0 0 1 ， 1 6 3 l 1 O 一 1 1 8 [ 3] 宋海斌， 张岭， 江为为， 等． 海洋天然气水合物的地球 物理研究 Ⅲ 似海底反射E J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 3 ， 1 8 2 1 8 2 1 8 7 2 2 2 石油物探 第 5 3卷 S o n g H B， Z h a n g L， J a n g W W ， e t a 1 ．Ge o p h y s i c a l r e s e a r c h e s o n ma r i n e g a s h y d r a t e s 1 l I b o t t o m s i m u l a t i n g r e f l e c t i o n s [ J ] ． P r o g r e s s i n G e o p h y s i c s ， 2 0 0 3 ， 1 8 2 1 8 2 1 8 7 [ 4] L e e L M． Ag e n a W F ， Hu t c h i n s o n D R ． Amp l i t u d e b l a n k i n g i n s e i s mi c p r o f i l e s f r o m L a k e B a i k a l E J ] ． Ma r i n e a n d P e t r o l e u m Ge o l o g y， 1 9 9 6 ， 1 3 5 5 4 9 5 63 [5 ] 杨木壮， 王明君， 吕万军． 南海西北陆坡天然气水合 物成矿条件研究[ M] ． 北京 气象出版社， 2 0 0 8 3 5 4 7 Ya n g M Z， W a n g M J ， Lu W J ． Ge o l o g i c a l f a c t o r s f o r g a s h y d r a t e s f o r ma t i o n d i s t r i b u t i o n i n t h e n o r t h we s t c o n t i n e n t a l s l o p e o f t h e s o u t h C h i n a s e a [ M] ． B e r i n g C h i n a Me t e o r o l o g i c a l P r e s s ， 2 0 0 8 3 5 4 7 r 6 1 Ho l b r o o k W S ， Ho s k i n s H， Wo o d W T， e t a 1 ． Me t h a n e g a s - h y d r a t e a n d f r e e g a s o n t h e B l a k e Ri d g e f r o m v e r t i c a l s e i s mi c p r o f i l i n g[ J ] ． S c i e n c e ， 1 9 9 6 ， 2 7 3 5 2 8 3 1 8 4 0 1 8 4 3 [7 ] S h i p l e y T H， Ho u s t o n M H， B u ff l e r R T， e l a t ． S e i s mi c e v i d e n c e f o r wi d e s p r e a d p o s s i b l e g a s h y d r a t e h o r i z o n s o n c o n t i n e n t a l s l o p e s a n d r i s e s [ J ] ．A AP G Bu l l e t i n， 1 9 7 9 ， 6 3 1 2 2 2 0 4 2 2 1 3 [ 8] 孙春岩， 章明昱 ， 牛滨华， 等． 天然气水合物地震空白 带现象正演模型研究[ J ] ． 地学前缘， 2 0 0 3 ， 1 0 1 1 9 9 2 04 S u nC Y， Z h a n g M Y， Ni u B H， e t a 1 ． Mo d e l i n g o f s e i s mi c b l a n k i n g z o n e f o r g a s h y d r a t e [ J ] ． E a r t h S c i e n c e Fr o n t i e r s ， 2 0 0 3， 1 0 1 1 9 9 2 0 4 [9 ] 胡高伟， 业渝光， 张剑， 等． 松散沉积物中天然气水合 物生成、 分解过程与声学特性的实验研究[ J ] ． 现代 地质 ， 2 0 0 8 ， 3 3 4 6 5 4 7 4 HuG W ， Ye Y G， Z h a n g J ， e t a 1 ． S t u d y o n g a s h y d r a t e f o rm a t i o n - d i s s o c i a t i o n a n d i t s a c o u s t i c r e s p o n s e i n u n c o n s o l i d a t e d s a n d s[ J ] ．G e o s c i e n c s ， 2 0 0 8， 3 3 4 6 5 - 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4 1 8 [ 1 3 ] Z e n g Y Q， He J Q， L i u H Q T h e a p p l i c a t i o n o f t h e p e r f e c t l y ma t c h e d l a y e r i n n u me r i c a l mo d e l i n g o f wa v e p r o p a g a t i o n i n p o r o e l a s t i c me d i a [ J ] ． Ge o p h y s i c s 。 2 0 0 1 ， 6 6 4 1 2 5 8 1 2 6 6 [ 1 4 ] 奚先， 姚姚． 二维随机介质及波动方程正演模拟[ J ] ． 石油地球物理勘探 ， 2 0 0 1 ， 3 6 5 5 4 6 5 5 2 Xi X ． Ya o Y． 2 - D r a n d o m me d i a a n d wa v e e q u a t i o n f o r wa r d mo d e l i n g [ J ] ． O i l G e o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g ， 2 0 0 1 ， 3 6 5 5 4 6 5 5 2 [ 1 5 ] 奚先， 姚姚． 二维弹性随机介质中的波场特征[ J ] ． 石 油地球物理勘探， 2 0 0 4 ， 3 9 6 6 7 9 6 8 5 Xi X。 Ya o Y． Wa v e f i e l d c h a r a c t e r s o f 2 - D e l a s t i c r a n d o m me d i u m[ J ] ． Oi l Ge o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g ， 2 0 0 4 ， 3 9 6 6 7 9 6 8 5 [ 1 6 ] Ma v k o G， Mu k e i T， D v o r k i n J ． T h e r o c k p h y s i c s h a n d b o o k t o o l s f o r s e i s mi c a n a l y s i s i n p o r o u s me d i a [ M] ． C a mb r i d g e C a mb r i d g e Un i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 3 1 06 14 2 [ 1 7 ] 孙春岩， 章明昱， 牛滨华． 天然气水合物微观模式及 其速度参数估算方法研究[ J ] ． 地学前缘， 2 0 0 3 ， 1 0 1 1 9 1 1 9 8 S u n C Y， Z h a n g M Y， Ni u B H． Mi c r o mo d e l s o f g a s h y d r a t e a n d t h e i r v e l o c i t y e s t i ma t i o n me t h o d s [ J ] ． Ea r t h S c i e n c e F r o n t i e r s ， 2 0 0 3， 1 0 1 1 9 1 - 1 9 8 r l 8 ] Ec k e r C． S e i s mi c c h a r a c t e r i z a t i 0 n o f me t h a n e h y d r a t e s t r u c t u r e [ D_ ． S t a n f o r d S t a n f o r d Un i v e r s i t y ， 2 0 0 1 [ 1 9 2 宋海斌 ， 松林修， 吴能友， 等． 海洋天然气水合物的地 球物理研究 I 岩石物性[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 1 ， 1 6 2 1 1 8 1 2 6 S o n g H B， Ma t s u b a y a s h i O， W u N Y， e t a 1 ． Ge o p h y s i c a l r e s e a r c h e s o n ma r i n e g a s h y d r a t e s I p h y s i c a l p r o p e r t i e s [ J ] ． P r o g r e s s i n G e o p h y s i c s ， 2 0 0 1 ， 1 6 2 11 8 1 26 [ 2 O ] 殷学鑫， 刘洋． 二维随机介质模型正演模拟及其波场 分析[ J ] ． 石油地球物理勘探， 2 0 1 1 ， 4 6 6 8 6 2 8 7 1 Yi n X X， Li u Y． Ra n d o m me d i u m 2 D mo d e l i n g a n d i t s w a v e f i e l d a n a l y s i s[ J ] ． Oi l G e o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g， 2 0 1 1 ， 4 6 6 8 6 2 8 7 1 [ 2 1 ] Xi o n g X J ， He X L， P u Y， e t a 1 ． Hi g h - p r e c i s i o n f r e q u e n c y a t t e n u a t i o n a n a l y s i s a n d i t s a p p l i c a t i o n [ J ] ． Ap p l i e d Ge o p h y s i c s ， 2 0 1 1 ， 8 4 3 3 7 3 4 3 编辑 戴春秋