南海天然气水合物储层的叠后地震属性分析_潘冬阳.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-01-07修回日期 2020-01-10 项目来源 国家重点研发项目 “船载高压气枪阵列海上试验验证”（2018YFC0308903） 。 第一作者简介 潘冬阳 （1991-） ， 女 （汉族） ， 黑龙江哈尔滨人， 助理工程师， 现从事海洋地球物理勘探工作。 南海天然气水合物储层的叠后地震属性分析 潘冬阳*,陈晨,谢雪恋 （广州海洋地质调查局， 广东 广州 510000） 摘要 天然气水合物储层常伴随出现似海底反射界面 （Bottom Simulating Reflection， BSR） ， 但仅以 BSR这一现象不能够确定存在水合物层， 还需要结合其他地震属性来进行综合分析。天然气水合物 广泛发育于全球大陆边缘的海底沉积以及永久冻土带。南海北部陆坡是我国天然气水合物勘探的 重点区域， 结合天然气水合物储层的高速、 高波阻抗、 高瞬时频率等地震特征， 对南海北部陆坡神狐 海域某工区的地震数据采用叠后地震属性分析方法进行天然气水合物储层的识别研究。分析结果 表明地震属性 （ “三瞬” 属性等） 在BSR和天然气水合物储层的识别上具有明显的效果， 可以为圈定 水合物成藏的目标区域提供依据。 关键词“三瞬” 剖面； 天然气水合物； 地震属性 中图分类号 TE3 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0046-04 天然气水合物广泛发育于全球大陆边缘的海底沉 积以及永久冻土带， 是在一定条件 （适合的温度、 压力、 气体浓度等） 下， 由水和天然气组成的类冰的、 笼形结 晶化合物。水合物存在的区域， 可能会伴随着游离气 层， 水合物作为游离气体的盖层， 二者共同成藏。天然 气水合物在地球上的蕴藏量非常丰富， 它们在陆地上 主要分布于寒冷的高纬度区域特别是永冻层地区， 部 分内陆深水湖泊， 在海洋中一般出现在水深500m以下 的大陆边缘海底沉积物中[1]。中国天然气水合物主要 分布在高纬度地区的冻土层和南海海域的浅部地层 中， 当前对南海水合物资源量的研究表明， 其北部陆坡 区有相当可观的水合物资源[2]。 因为含水合物储层具有特殊的地球物理特征， 所 以地震属性分析技术对水合物储层的识别具有显著的 效果， 该技术已在海洋地震资料处理与解释方面具有 广泛的应用。地震属性是可以从叠前或者叠后地震数 据中提取的出表征几何学、 运动学、 动力学及统计学特 征的物理量[3]， 这些属性通常能够反映出储层的地球物 理性质， 在地震解释、 岩性分析、 储层预测等研究中具 有十分重要的作用。本文是通过地震数据提取出叠后 地震属性来对天然气水合物储层进行分析和解释。 1天然气水合物和游离气储层的主要地震特征 天然气水合物储层往往分布于海底下300～500m 范围内， 因为特定的温度和压力条件是其形成的重要 因素， 与此同时上覆地层厚度直接影响着温度压力梯 度的变化， 因此水合物储层通常与海底反射界面近似 平行[4]， 这种特征为在地震剖面上识别水合物提供了一 定的参考。 天然气水合物的存在会使地层的纵波速度和横波 速度增加， 而游离气的存在会使地层的纵波速度减小， 对横波速度影响不大。由于纯净的天然气水合物的密 度与海水密度相差不大， 并且游离气含量有限， 所以水 合物层和游离气层之间的波阻抗差和振幅值主要由速 度决定[5]。 天然气水合物和游离气的存在往往伴随着BSR 似海底反射界面的产生， BSR通常在地震剖面上表现 为与海底反射同相轴近似平行， 极性与其相反并与沉 积层斜交， BSR上方往往伴随空白带的产生。BSR的 产生原因即是水合物层的纵波速度增大， 游离气层的 纵波速度减小， 在水合物和游离气的分界面处产生了 一个较强的负波阻抗界面， 通常认为BSR为游离气的 顶界面， 水合物的底界面[6]。空白带的产生是由于水合 物填充在岩层孔隙空间， 使含水合物成矿带变得均匀， 速度、 密度等物性参数变化不大， 从而导致反射能量不 46 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 强， 呈现出一个弱的反射带[7]。BSR其他沉积层斜交， 是由于天然气水合物的底界面不受地层产状控制， 含 天然气水合物沉积层与含游离气体沉积层的分界面只 是一个受温度和压力影响的相边界， 与沉积作用产生 的地层分界无关。因此BSR和空白带通常与水合物层 和游离气层伴生， 但是由于地质构造的多样性和复杂 性， 使得地震资料的解释具有多解性， 所以水合物和游 离气层的存在不能仅通过BSR现象来判断， 还需与其 他地震特征共同验证。 2叠后地震属性 随着地震勘探技术的不断进步， 地震属性已发展 为很多种， 不同的地震属性对地质信息有着不同程度 的识别作用， 本文根据天然气水合物与游离气储层的 赋存环境、 物性特征， 主要基于 “三瞬” 属性 （瞬时振幅， 瞬时相位， 瞬时频率） 及其衍生属性进行了分析，“三 瞬” 属性是把地震波的特征分别从振幅、 频率和相位三 个的方面独立显示出来。对于含碳氢化合物的储层， 地震瞬时具有的特征为在高频率、 弱振幅的背景中， 出 现相对稳定的低频率、 强振幅异常， 并在其边缘伴随出 现极性反转， 这些瞬时信息是可以作为识别储层的有 效标志。 2.1地震属性的原理 地震信号s是关于振幅a、 相位w、 时间t的函数， 可 以表示为 s t a t cos[w0θ t ]（1） 对st进行希尔伯特 （Hilber） 变换求得ht h t a t sin[w0θ t ]（2） 可求得瞬时振幅 at， 瞬时相位φt， 瞬时频率 wt a t s2 t h2 t（3） φ t arctan h t s t （4） w t dφ t dt （5） 瞬时振幅和瞬时频率相乘可得平滑频率 ws t a t w t（6） 2.2地震属性的意义 瞬时振幅即振幅包络， 能够提供上下地层波阻抗 差的信息， 是反射强度的量度， 主要反映能量上的变 化， 突显出地层反射的强弱。但其值总是正的， 不能够 反映地震波的极性。在水合物和游离气储层处， BSR 轴会表现出强振幅， 由于水合物层内部是一个均匀稳 定带， 所以含水合物层内部通常会呈现弱振幅现象。 瞬时相位是同相轴连续性的量度， 可以于其他属 性一起判断储层横向的变化与流体含量的变化。瞬时 相位剖面可以不受反射能量的影响， 同相轴连续性更 好， 易于分辨出BSR与下伏地层反射的相互关系。 瞬时频率表示瞬时相位的时间变化率， 即瞬时相 位的斜率， 其显示的尖峰对应反射强度数据的最小值， 由于储层中的气体的吸收效应会引起地震波高频成分 衰减， 所以瞬时频率对于气体聚集带和低频带比较敏 感。游离气的存在会吸收地震波的高频成分， 因此在 水合物储层地震波的反射频率具有相对高频的特点。 平滑频率可以定义为包络加权平均意义下的频 率， 提供了更光滑的频率， 不易受到噪音的影响， 反映 储层含油气的变换。 视极性为实际地震道在振幅包络峰值处实地震道 的极性， 强调反射界面的主相位特征， 常与反射强度共 同判断沿层极性的横向变化。 3实例分析 3.1工区概况 南海北部陆坡同时具有被动大陆边缘和主动大陆 边缘的特点， 深部流体活动异常活跃， 局部地区热流较 高， 沉积速率较大， 形成了有别于世界典型构造环境的 天然气水合物成藏系统。神狐海域位于南海北部陆坡 的西沙海槽和东沙海岛之间， 构造上位于珠江口盆地 珠Ⅱ凹陷。近年来的地质、 地球物理和地球化学调查 已经证实了该区域的温压条件和地质环境适于水合物 的形成。适宜的温度、 压力条件， 丰富的气源供给， 加 之有利的运移通道， 使得神狐海域成为我国南海天然 气水合物资源勘探和开发的重点有利区域[8]。 3.2地震属性剖面分析 图 1 所示为该条测线的叠后偏移剖面， 在 2.2～ 2.4ms之间， 可以清晰地看到与海底反射同相轴近似平 行的BSR， 相位极性与海底反射界面相反 （海底反射呈 现蓝黄蓝， 而BSR呈现黄蓝黄） ， 其上方存在 明显的空白带， 同时可以看到沉积层界面反射对应的 同相轴与BSR有交叉现象。图2为瞬时振幅剖面， 在 此图中可以清晰的看到与图1中相对应的位置处2.2～ 2.4ms之间同样出现了BSR。在理论上由于水合物填 充在岩层孔隙空间， 使含水合物成矿带变得均匀， 速 度、 密度等物性参数变化不大， 从而导致反射能量不 强， 因此在瞬时剖面上水合物层呈现弱反射特征 （即空 白带） ， 由图2的剖面上可以看到BSR与海底反射之间 47 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 存在弱反射层， 在其中圈出的蓝色强反射能量团， 推测 为水合物饱和度较高的区域。 从图1与图2对比看， 在2.1ms处， 图1中为负振幅 正振幅变化， 而瞬时振幅为低值， 水合物层为一个高速 层， 地震波从水层传播进入水合物层， 即是从低速层进 入高速层， 振幅特征表现为一个类似海底的正振幅异 常， 尤其是高饱和度水合物层。BSR产生的主要原因 是由于地震波从高速层传播到低速层形成了较强的负 的波阻抗差， 而水合物的存在可以使纵波速度增大， 游 离气的存在会使纵波速度减小， 由此初步猜测此处可 能存在水合物层和游离气层。 图1叠后偏移剖面 图2瞬时振幅剖面 图3为瞬时相位剖面， 由该剖面可以看到相对应的 海底反射和BSR有很好的连续性， 相位分布均匀。图 4为瞬时频率剖面， 通常认为在含碳氢化合物的地层 中， 地震波的瞬时频率会变低， 在空白带区域出现两处 相对低频的现象， 对应于瞬时振幅剖面上的强反射能 量团， 推测为水合物饱和度较高的区域， 该处可能伴随 出现甲烷溶解气， 导致频率较低， 但在BSR下方没有表 现出游离气层所特有的有低频特征。图5为基于瞬时 振幅和瞬时频率计算的平滑频率剖面， 能够提供更光 滑的频率显示， 在剖面上可以看出BSR上方的空白带 中出现了相对低频的异常特征。在视极性剖面 （图6） 上， 对应于其他剖面中推测出的高饱和对水合物区域， 可以看到此处的极性为负， 在理论上视极性表示反射 强度的极性， 能够反映反射层位极性横向的变化， 饱和 度很高的水合物层顶部的反射会显示出负极性。由以 上属性剖面验证了前面的推测， BSR上方存在水合物 层。 图3瞬时相位剖面 图4瞬时频率剖面 图5平滑频率剖面 4结论 48 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 （1） 从提取的 5 个地震属性剖面上都识别出了 BSR， 并与叠后偏移剖面上的BSR相吻合。BSR是海 底天然气水合物存在的重要标志， 可以初步推测水合 物成藏的目标区域， 因此准确识别出BSR具有十分重 要的意义。 （2） 对瞬时振幅剖面、 平滑频率剖面和视极性剖面 的分析表明BSR上方存在水合物层， 并初步地圈定出 了水合物含量较高的区域。 （3） 地震属性的种类很多， 文中只是基于了 “三瞬” 属性进行分析， 就如何做到多属性结合以更全面、 准确 地圈定对天然气水合物的目标区域还有待进一步的分 析研究。 参考文献 [1]唐勇,金翔龙,方银霞， 等.冲绳海槽天然气水合物BSR的地 震研究[J].海洋学报, 2003， 254 59-66. 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