叠后波阻抗无井反演技术在T研究区天然气水合物分布预测中的应用
万晓明1,2, 梁劲1,2, 梁金强1,2, 林霖1,2, 沙志彬1,2, 柴祎1,2, 蔡振华3
1.国土资源部 海底矿产资源重点实验室,广东 广州 510760
2.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760
3.中石油海洋工程有限公司钻井事业部,天津 300280

作者简介: 万晓明(1984-),男,湖北黄冈人,硕士,工程师,主要从事储层地震反演研究工作。E-mail:daozhong09@163.com

摘要

针对南海北部陆坡T研究区的地质情况和天然气水合物的赋存特征,在缺少钻井资料的情况下,利用T研究区准三维地震数据和叠加速度谱资料,建立三维层速度模型,并将其转化为低频波阻抗背景模型。提取虚拟井进行精细标定,通过稀疏脉冲反演方法,最终获得研究区绝对波阻抗体和精细速度体。同时,综合利用地震、反演结果分析研究区水合物识别的最佳门槛值,并以此为依据对水合物进行定量解释。研究结果表明:① 研究区内水合物的速度在2 050~2 150 m/s之间,纵波阻抗在3.9×106 kg·m-3·m·s-1以上,与围岩速度、阻抗反差较大;② 水合物分布范围较广,在研究区中西部及东南部尤为发育,初步估算其厚度最大可达48 m左右。

关键词: 南海北部陆坡; 天然气水合物; 虚拟井; 波阻抗反演
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)03-0438-07 doi: 10.11720/wtyht.2016.3.2
The application of post-stack impedance inversion without well to the prediction of gas hydrate distribution in T study area
WAN Xiao-Ming1,2, LIANG Jing1,2, LIANG Jin-Qiang1,2, LIN Lin1,2, SHA Zhi-Bin1,2, CHAI Yi1,2, CAI Zhen-Hua3
1.Key Laboratory of Marine Mineral Resources of Ministry of Land and Resources,Guangzhou 510760,China
2.Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760,China
3.Drilling Division,CNPC Offshore Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300280,China
Abstract
Aim

ed at investigating the geological conditions and the modes of occurrence of gas hydrate on the northern slope of South China Sea, the authors established a three-dimensional interval velocity model based on the three-dimensional seismic data and stacking velocity spectrum under the condition of lack of logging data, and then transformed the data to low impedance background model. Subsequently, the authors extracted pseudo wells and tied them accurately, and finally obtained an absolute impedance and fine velocity bodies by the constrained sparse spike inversion method. Meanwhile, the authors comprehensively utilized seismic and inversion data,analyzed the best threshold value for distinguishing the gas hydrate in the study area and, on such a basis, quantitatively interpreted the gas hydrate. The results obtained show that:First,the velocity of gas hydrate is about 2050~2150 m/s, and P-impedance is above 3.9×106 kg·m-3·m·s-1 in the study area,which are higher than the velocity and impedance of surrounding rock;Second,the distribution of gas hydrate is extensive, especially in the middle west and southeast region,where the preliminary estimated maximum thickness is up to 48m.

Keyword: northern slope of South China Sea; gas hydrates; pseudo well; impedance inversion

中图分类号: P631.4 文献标识码: A 文章编号: 1000-8918(2016)03-0438-07

天然气水合物是一种由相对较小分子量的气体分子与水分子组成的类冰固态化合物。自然界中的气体水合物主要为甲烷水合物, 通常分布于冻土带与大陆边缘, 据估计天然气水合物中有机碳含量是常规油气能源的两倍左右, 是一种巨大的潜在能源 12。我国的天然气水合物资源调查勘探工作也已进行了多年, 在南海海域获得大量天然气水合物存在的间接和直接证据。目前, 天然气水合物调查主要采取地震等地球物理方法, 通过地震反射剖面上的似海底反射(bottom simulating reflections, BSR)、极性反转、振幅空白等反射特征来识别某区域所存在的天然气水合物。地震剖面上的BSR通常具有与海底大体平行、高振幅、负极性、与沉积层理斜交等特点, 且通常被认为是含天然气水合物稳定带的底界[3]

研究表明, 仅通过特定的地震反射特征去预测含水合物地层存在诸多不足。首先, BSR与水合物的存在并不具有一一对应的关系, 在地震剖面上, 一些非典型的水合物沉积层一般没有明显BSR的反射特征; 同时, 地震剖面上也会出现一些假“ BSR” 现象, 影响水合物的准确识别, 例如, 与蛋白石有关的反射(opal-A/opal-CT) 在海底起伏时也可以横穿正常沉积层。另外, 即便BSR与天然气水合物的存在对应, 也只能反映天然气水合物沉积层的底界, 仅通过地震上BSR等反射特征无法预测含水合物地层的厚度、孔隙度以及饱和度等信息 37。因此, 为了提高水合物识别的准确性, 充分利用含水合物地层具有较高声波速度的特性, 文中针对无钻井资料的情况下, 以三维地震反射数据为基础, 精细分析地震数据的速度特征, 获得叠加速度谱, 并进行质控与优化处理, 从而建立速度模型与阻抗低频模型, 最终通过虚拟井波阻抗稀疏脉冲反演的方法获得了含天然气水合物地层精确的绝对阻抗体与速度体, 利用速度和阻抗对研究区水合物进行三维立体和平面上的定量刻画, 预测天然气水合物的发育特征 45。与常规测井约束反演相对, 虚拟井波阻抗反演有效解决了勘探初期缺少钻、测井资料的水合物预测问题; 同时, 研究采用的速度谱质控处理及速度模型构建技术较常规速度资料分析处理更具针对性, 保证了无井条件下速度模型以及波阻抗低频模型的可靠性, 在一定程度上提高了虚拟井反演的可信度。

1 研究区地质背景

研究区位于南海北部陆坡的东部, 该海域水深在200~3 000 m之间, 海底地形复杂, 且地形坡度多变, 整体呈阶梯状逐渐下降, 发育有海丘、海槽、海底陡坡和海底峡谷等地貌。研究区内上新统— 第四系地层大部分区域厚度介于200~500 m之间, 但最厚处可达1 000 m; 上中新统地层厚度为100~500 m。同时, 该区发育有泥底劈、海底峡谷、海底滑坡、褶皱、海丘等有利于水合物形成的特殊地质条件(图1), 且发育滨浅湖至半深湖等有利于形成天然气水合物形成的沉积环境, 是水合物发育的重点区域 89

图1 LINE165测线地震剖面

2 反演方法、思路及关键技术
2.1 反演方法选取

目前, 流行的波阻抗反演方法主要有两种:一种是模型约束反演, 另一种是稀疏脉冲反演。基于模型约束的反演方法对地质模型依赖程度大, 并需要较多的测井数据约束, 而研究区尚无钻、测井资料, 且含水合物地层通常较浅, 目标层具有速度变化剧烈、横向分布不均的特征, 以致高速层与正常沉积地层无法对应, 难以建立准确的精细地质模型。而稀疏脉冲反演对地质模型准确、精细程度的依赖性小, 能够直接从地震信息中提取反射信息, 其反演结果的信噪比、分辨率以及可信度主要依赖于地震资料本身的品质, 具有较好唯一性, 对测井资料的多少、均匀程度没有明确要求。在无井的情况下可利用高信噪比、高分辨的地震数据、速度数据构建可信度较高的虚拟井, 实现虚拟井约束地震反演, 能弥补缺少钻井资料的缺陷。该方法充分利用了叠后反演效率高、抗噪能力强的优点, 以虚拟井作为约束信息进行叠后反演, 达到准确识别天然气水合物的目的 1011

2.2 反演关键技术与流程

稀疏脉冲波阻抗反演属于确定性反演, 影响反演结果的因素有4点:地震资料的品质、子波、低频模型、反演过程中的重要参数。因此, 在地震数据品质一定的情况下, 虚拟井选取、合成记录标定、子波提取及低频模型建立非常关键[12]。根据含水合物地层及稀疏脉冲波阻抗反演方法的特点, 反演过程的关键点包括速度模型建立、虚拟井提取及标定和低频背景阻抗体的生成等3个方面, 其实现过程如图2所示。

图2 波阻抗反演流程

2.2.1 速度模型的建立

地质模型是根据精细的层位解释结果建立起来的地层格架, 它能够定义虚拟井或速度数据在每套地层中的内插方法, 由于含水合物地层物性的变化, BSR横穿正常沉积地层形成一个伪地层, 因此, 速度模型需依据地震相或速度变化特征来建立, 而不仅是基于地层层序构建的地质模型。更为重要的是在无钻测井资料的情况下, 速度模型的准确建立是虚拟井速度曲线提取以及波阻抗低频成分获得的基础。虚拟井速度曲线的精度直接影响合成记录的质量以及子波的准确性, 而子波与低频成分是波阻抗反演成功的关键。因此, 速度模型的建立至关重要。

研究区以叠加速度谱资料为基础, 并对其质控和优化精细处理, 最终获得较高准确性的层速度模型, 研究中主要采用以下具有针对性处理技术。如图3所示, 首先采用高密度叠加速度拾取技术获取研究区叠加速度谱, 利用Dix方程进行层速度转换。通过散点交会模块剔除速度拾取中产生的异常速度点, 并进一步通过低通滤波和空间平滑技术在空间范围内剔除奇异值, 使层速度结果更接近实际。通常情况下速度谱频率在2 Hz以内, 针对研究区速度资料情况, 低通滤波的高切频率为2 Hz。最后, 在优化处理基础上对层速度谱进行网格空间插值及平滑处理, 以获得趋势平滑合理的层速度模型。图4为优化后的层速度与地震叠合剖面, 层速度趋势与构造形态更为符合, BSR附近速度特征明显。速度谱优化处理减少速度异常值对速度建模的影响, 为虚拟井曲线提取以及低频阻抗模型的建立提供合理的数据基础。

图3 层速度建模技术

图4 优化后层速度与地震叠合剖面

2.2.2 虚拟井提取及标定

在没有钻井数据的情况下, 首先要考虑如何合理提取虚拟井。以地震数据为基础, 根据研究区似海底反射面发育情况和该区的地质特征, 在层速度场中均匀地选取虚拟井点, 确保虚拟井能提取到含水合物地层的异常速度曲线和不含水合物地层的正常速度曲线, 以使虚拟井能够代表实际地层物性变化特征, 进而利用合成地震记录对虚拟井进行质量控制, 并保证提取子波的合理性。图5是工区北部W2井的合成记录, 该井位于BSR发育区, 图中水合物高速层明显, BSR下面是游离气低速层, 低速层段地震记录与合成记录均呈现弱振幅的特点。同时, BSR强振幅层段地震记录与合成记录匹配较好。换言之, 在基于速度模型提取的低频率速度曲线条件下所进行的虚拟井合成记录, 其水合物层的合成地震响应特征与实际地震响应特征相符。因此, 可以确保所提取虚拟井的有效性及其合成记录所提取子波的合理性, 也在一定程度上证明叠后波阻抗无井反演技术的可行性。

图5 W2井地震合成记录

2.2.3 低频阻抗体的生成

海洋地震记录中通常缺少8 Hz以下的频率成分, 所以仅用地震, 其反演结果也必然缺少这一频率成分。为了得到宽频反演结果, 需从其它资料中获得低频成分予以补偿。一般是从地震资料出发, 以测井资料或速度数据为基础, 建立基本反映沉积体地质特征的低频初始模型。但研究区没有实钻井, 建立初始低频模型没有直接依据。若是利用虚拟井内插形成低频阻抗体, 其结果是低频模型严重模型化, 不利于反映实际地层的真实波阻抗变化趋势。因此, 将原始层速度体直接转换为波阻抗体, 将其作为低频阻抗体模型, 可避免合成记录及虚拟井内插时所产生的误差, 同时最大程度地利用了真实地震速度谱信息。研究区经处理优化之后的层速度数据频率为2 Hz左右, 2~8 Hz的低频成分通过稀疏脉冲反演算法获取, 从而最终补偿0~8 Hz的低频成分, 获取宽频带绝对波阻抗反演结果。

3 反演效果分析
3.1 水合物识别

地震波阻抗反演的最终目的是定量预测含水合物地层分布。水合物的发育厚度及分布规律是反演预测的两项重要目标。由于缺少实测井数据约束, 确定水合物分布范围需要合适的阻抗门槛值。首先根据地震数据及低频层速度谱等数据确定含水合物的可能区域, 再对比反演波阻抗结果以及邻区的研究成果, 最终综合确定研究区水合物识别的最佳门槛值。

图6为研究区LINE132测线的地震剖面和低频层速度与地震叠合剖面。地震剖面上BSR反射特征明显, BSR之上出现与之斜交的沉积岩层和丘状空白反射。与此同时, 层速度剖面上BSR之上存在高速异常区带, 在其下同时存在低速异常区带。分析认为在BSR之上的高速异常区存在均匀分布的水合物, 以致其地层阻抗差异小, 形成空白反射。且因含水合物后, 速度增加导致地震反射出现“ 上拉” 现象, 最终产生“ 丘状” 反射特征; 在BSR之下低速异常区为游离气聚集区[13]

对比相同测线的波阻抗反演剖面, 进一步确定识别水合物的最佳门槛值。由图4可知, 水合物发育区以及游离气聚集区分别对应波阻抗高值异常区和低值异常区。因此, 选取较为稳定的波阻抗高值异常区带, 在高值异常尖灭点附近选取靶点A, 在波阻抗数据上提取该靶点的方波曲线(如图7)。波阻抗剖面以及方波曲线上存在两套高值异常带, 最大波阻抗可达4.2× 106 kg· m-3· m· s-1。对比南海神狐海域已有的钻井资料, 即钻井成果和波阻抗数据交互分析结果可知, 南海北部神狐海域天然气水合物矿体的波阻抗值在3.85× 106 kg· m-3· m· s-1左右[11]。结合以上分析, 最终确定研究区识别水合物的波阻抗门槛值为3.9× 106 kg· m-3· m· s-1。在门槛值范围内, 波阻抗反演剖面可以观察到在BSR界面以上存在强阻抗带, 可能与水合物的存在相关。

图6 LINE132测线地震剖面(左)及层速度与地震叠合剖面(右)

图7 A靶点波阻抗方波曲线(左)及对应地震(中)、反演波阻抗剖面(右)

3.2 水合物速度特征

天然气水合物的存在改变海洋沉积物属性, 特别是对地层声波速度的影响尤其明显, 因此利用速度异常判断沉积层中是否含有水合物是可行度很高的方法, 也是地震方法探测水合物的关键依据[14]。图6中右图为T研究区LINE132测线层速度谱与地震叠合剖面, 剖面显示与水合物有关的速度异常为:水合物之下的地层含有游离气型, 其特点是含水合物地层速度高于上、下地层的速度, 为1 800~2 150 m/s, 水合物之下含游离气地层的速度为1 500~1 700 m/s, 低于水合物之上的地层速度, 且速度下降较大[14]

研究区内原始速度是基于叠加速度谱转化插值得到, 反演所获得的速度是通过反演的绝对波阻抗转换获取, 具有较高分辨率, 能较好地反映更细微的速度变化。由于天然气水合物的形成可以有效地粘结碎屑颗粒, 降低沉积物孔隙度, 它的存在改变了沉积物的物理性质。在图8反演速度剖面上, 水合物层的速度变化趋势与速度谱特征相同, 呈典型的三段式, 即中间大、两头小的异常特征 1314, 在距海底1.4~1.6 ms之间, 存在一套与海底平行的高速沉积层, 厚度在30 m左右, 速度为2 050~2 150 m/s, 是沉积层中含有水合物的体现。其下部含游离气地层速度为1 600~1 750 m/s。

图8 研究区地震剖面(左)及反演波阻抗(中)、速度剖面(右)

3.3 水合物平面特征

以上述分析为基础, 利用三维地震信息、速度、阻抗等属性, 对水合物进行刻画, 并在三维立体空间显示。通过三维可视化可以雕刻出反演波阻抗范围内的高阻、高速等异常体, 有利于理解水合物的发生、发展及影响, 以更加直观的方式展示目标体的形态[15]。在三维异常体雕刻的基础上, 结合反演波阻抗门槛值的截取, 在BSR之上100 ms视窗范围内求取了水合物层的厚度。估算结果表明, 研究区天然气水合物分布范围较广, 且具有中西部以及东南部厚、东北部薄, 中西部及东南部连续、东北部零散的特点, 初步估算最大厚度累计可达48 m左右(图9、图10), 其分布特点与这一区域的水合物成藏条件相符合。

图9 反演波阻抗、速度异常体三维雕刻

图10 研究区水合物厚度预测

3.4 实钻效果分析

依据后期的钻探结果, 在研究区域内共实施了11个站位的钻探, 其中通过随钻测井等技术手段证实了其中8个站位存在天然气水合物, 并优选其中4个站位进行了水合物取样, 均获得了水合物样品。对比钻探结果表明, 随钻测井上有水合物显示的站位均分布在无井反演预测的水合物发育区内, 在取样站位中分别获取了块状、扩散状以及脉状分布的水合物样品。与此同时, 随钻测井无水合物响应的3个站位均分布在水合物发育区的边缘部位。其中S-08站位恰好位于研究区东北部水合物发育区带之上, 钻探取样获得了块状水合物。而S-08s站位与S-08站位紧邻, 但位于该发育区边缘, 钻探未发现水合物存在的证据[16]。通过与实钻结果对比可知, 叠后波阻抗无井反演技术对水合物的识别效果良好。

4 结论

1) 精细速度优化建模是无井反演的关键所在, 叠合波阻抗无井反演技术是水合物识别的有效技术手段。

2) 研究区水合物为高阻、高速异常特征, 且其识别的波阻抗门槛值为3.9× 106 kg· m-3· m· s-1, 含水合物地层速度为2 050~2 150 m/s, 而围岩速度一般在1 800~1 900 m/s, 游离气地层速度为1 600~1 750 m/s, 均与水合物地层速度反差较大, 整体上速度曲线呈现两头小、中间大的三段式异常特征。

3) 研究区天然气水合物分布范围广, 具有中西部以及东南部厚、东北部薄, 中西部以及东南部连续、东北部零散的特点, 初步估算最大厚度累计可达48 m左右, 这一结果符合研究区天然气水合物分布的地质规律。

致谢:论文在撰写过程中得到了广州海洋地质调查局徐华宁教授的多次修改与精心指导, 在此对其表示衷心的感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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