青海木里地区陆域天然气水合物地震波阻抗特征研究
王凯1,2,3, 陈德元1,2, 张凯1,2, 岳航羽1,2, 张保卫1,2, 王小江1,2
1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
2.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000
3.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026
通讯作者:张凯(1985-),男,硕士,工程师,2011年硕士毕业于中国地质大学(武汉)地球探测与信息技术专业,主要从事近地表地震勘探和复杂介质中面波研究工作。Email:naturekai@126.com
摘要

天然气水合物主要分布在海底以下和永久冻土带。海域天然气水合物储层有比较明显的高波阻抗异常特征,但是针对陆域天然气水合物波阻抗特征的研究较少。文中针对青藏高原青海木里地区的陆域天然气水合物储层,结合DK-9井资料对经过DK-9井的L1测线二维反射地震数据进行了井约束的稀疏脉冲波阻抗反演,并分析了DK-9井中四层赋存天然气水合物的储层在波阻抗剖面上的特征,结果显示该地区陆域天然气水合物储层波阻抗特征较围岩差异性较小,无法单独通过波阻抗特征进行识别,需结合其它资料综合考虑进行识别。

关键词: 陆域天然气水合物; 稀疏脉冲反演; 波阻抗
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1105-08
The application of constrained sparse spike impedance inversion to seismic exploration of land gas hydrate
WANG Kai1,2,3, CHEN De-Yuan1,2, ZHANG Kai1,2, YUE Hang-Yu1,2, ZHANG Bao-Wei1,2, WANG Xiao-Jiang1,2
1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
2.National Modern Geological Exploration Technology Research Center,Langfang 065000,China
3.College of GeoExploration Science and Technology,Jilin University,Changchun 130026,China
Abstract

Natural gas hydrates are mainly distributed below the seabed and in the permafrost zones.There are obvious characteristics for the impedance of the sea gas hydrate.Nevertheless,very insufficient research has been focused on the impedance characteristics of the land gas hydrate.In this paper,the research aimed at the land gas hydrate in Muli area of the Tibetan Plateau.The authors used the constrained sparse-spike method to invert the impedance with 2D reflected seismic profile which crossed the DK-9 well.The authors analyzed the features of the impedance profile of the four layers that contain gas hydrate.The results show that the impedance of land gas hydrate reservoir is on the whole the same as things of the surroundings.There are a lot of difficulties in detecting the land gas hydrate with wave impedance individually,and hence the reservoir should be detected in combination with other geological and geophysical data.

Keyword: land gas hydrate; sparse-spike inversion; wave impedance
0 引言

天然气水合物, 又称“ 可燃冰” , 是由水和天然气在高压低温环境条件下形成的冰态、结晶状笼形化合物[1, 2]。它是自然界中天然气存在的一种特殊形式, 主要分布在一定水深(通常大于300 m)的海底以下和永久冻土带。近些年, 我国海上天然气水合物勘探取得了突破性的进展, 2005~2007年广州海洋地质调查局在南海北部陆坡神狐海域开展了天然气水合物三维高分辨率地震调查, 获得了具有似海底反射(BSR)、振幅空白、极性反转、BSR与沉积层斜交等天然气水合物地震反射特征[3]。但是陆域天然气水合物反射波地震勘探的研究国外还仅限于在加拿大Mackenzie三角洲地区[4]。我国于2008年在祁连山冻土区首次钻获天然气水合物实物样品[5]。徐明才等2010年在木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的试验研究, 通过综合分析解释资料和地质资料, 初步认为该区域天然气水合物介质形成的反射波在地震剖面上具有低速、弱振幅、高频的特征[6, 7, 8]

地震波阻抗是地层密度和地震波速度的乘积, 是地质、地球物理工程师们能够共同理解的数据, 具有明确的物理意义[9]。2004年, Lu和McMechan[10]对北美东海岸的天然气水合物海上地震数据进行了约束波阻抗反演, 反演结果表明海域天然气水合物储层的波阻抗相对周围地层表现为高异常, 游离气储层的波阻抗相对周围地层表现为低异常。2010年, 杨睿等[3]对南海北部神狐海域天然气水合物地震勘探数据进行了无井约束的波阻抗反演, 反演结果表明该区海域天然气水合物储层表现为高波阻抗异常, 而不连续的低波阻抗异常层是水合物层之下游离气的赋存层位, 结果与钻探结果吻合。2016年, 薛花等[11]对琼东海域天然气水合物勘探区的地震数据进行了波阻抗反演, 结果表明水合物储层表现为明显的波阻抗高阻异常特征, 波阻抗特征可以用于后续的水合物储层分析及综合研究。

海域天然气水合物储层的波阻抗与周围地层的波阻抗差异明显, 易于利用波阻抗特征进行识别。而目前对陆域天然气水合物储层波阻抗特征的研究还较少。为了研究陆域天然气水合物储层的地震波阻抗特征, 文中结合青海木里地区DK-9井测井资料, 对经过DK-9井的L1测线二维反射地震数据进行了测井约束的稀疏脉冲波阻抗反演, 并结合测井资料对水合物储层的波阻抗特征进行了分析。

1 勘探区地质概况

勘探区位于青藏高原祁连山地区的木里煤田, 中部为三叠系地层组成的一个背斜, 南北两侧为侏罗系含煤地层组成的两个向斜(图1)。该背斜南北两侧发育规模较大的逆推覆断裂, 在南北两个向斜内发育北东向规模较大的剪切断裂, 将凹陷切割成断续的不同块段, 使得研究区呈现南北分带、东西分区的构造特征[12]。木里煤田地层组成主要为一套侏罗系陆相含煤层, 包括中侏罗统江仓组和木里组两套地层[13]。地层内主要发育三叠纪、侏罗纪和新生代砂岩、泥岩、页岩、煤层和砾岩。中上侏罗统煤层和页岩为该区主力烃源岩层位, 煤层生成的煤成气和页岩生成的页岩气为该区主要潜在气源; 本区断层、不整合面、裂隙及渗透性良好的砂体发育, 为天然气的输导提供通道; 木里煤田下部地层中裂缝构造较发育, 可成为有效的天然气水合物储集空间; 该区附近冻土区厚度在115~120 m之间, 为天然气水合物的形成提供了良好的盖层条件。所有这些条件都为陆域天然气水合物的形成和富集提供了有利条件。

图1 L1地震测线位置图及DK-9井位置

2015年, 侯颉等[14]在对青海木里三露天矿区14个钻孔的水合物储层进行属性分析后, 将该区水合物储层分为两大类:泥岩裂隙型水合物储层和砂岩孔隙型水合物储层。储层发育岩性种类较多, 主要包括细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、油页岩、煤等。不同的岩性加之水合物赋存状态的差异都会导致测井响应的差异。2011年, 郭星旺[15]对祁连山木里地区DK-1井天然气水合物的测井响应特征进行了研究, 指出DK-1井水合物储层主要分布在砂岩段, 声波速度较围岩高, 而密度低于围岩。2015年, 刘杰[16]针对木里地区DK-1井和DK-4井的水合物层段通过岩石物理方法分析了水合物在孔隙中的填充模式, 指出将水合物作为岩石骨架的一部分更符合含水合物层的物性特征。2011年, 金春爽[12]基于木里冻土区的气体组成、钻孔泥浆的温度测量数据等对该区水合物稳定带的顶底深度进行了模拟计算, 结果显示水合物层顶深在148.8~122.7 m之间, 底深在324.6~354.8 m之间。

中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所于2014年在青海木里地区DK-9井进行了测井数据采集工作, 经过数据处理和解释得到的DK-9井的综合柱状图如图2所示。

图2 DK-9井综合柱状图

由图2可以看出在180 m~370 m之间存在4层水合物层, 储层的厚度非常薄, 第1、2、3层水合物层赋存于泥质地层中, 第4层赋存于砂质地层中; 在460 m和500 m左右各存在一层水合物异常层, 异常层位于砂质岩层内。

2 约束稀疏脉冲波阻抗反演原理

约束稀疏脉冲反演(CSSI)是目前使用较多的一种重要的地震波阻抗反演方法。它是在最大似然反褶积和L1范数反褶积研究的基础上形成的。从地质意义上讲, 大反射系数代表的是地下不连续界面和岩性分界面。在反演过程中, 通过计算地震脉冲的均方根值和噪声的均方根值, 估算所给定的采样序列的似然值, 迭代优化求解稀疏脉冲反射系数模型所代表的地下波阻抗模型。其特点是反演时可加入低频信息的约束, 产生较宽频带的反演结果, 比较完整地保留了地震的基本特征, 不存在多解性[17]

最大似然反褶积算法是反演地震反射系数序列的算法, 其假设地层的反射系数序列是稀疏的, 并且由两部分叠加组成:幅值较大的反射系数序列和幅值具有高斯背景的小反射系数序列两部分。在这种假设的基础上构造出一个目标函数, 通过寻找目标函数的最小值, 得到地层的反射系数序列[18]:

其中:J为构造的目标函数; L为采样点的总数; r(K)为地震记录中第K个采样点的反射系数; R为地层的反射系数序列; n(K)为地震记录中第K个采样点的噪声值; N表示地震记录中噪声变量的平方根; m为地层总的反射系数; λ 为给定反射系数的似然值。选取合适的r(K)使目标函数J的值最小, 则可以得到地层的最佳反射系数序列。

在地震反演中, 递推反演法是对每一道地震记录从上而下推测可能存在反射系数的位置, 如果存在, 判断每个反射系数幅值的大小; 反复迭代下去, 直到满足迭代终止判别标准。依此步骤对整个地震记录做反褶积运算, 就可以得到整个地震记录的反射系数序列。其公式可以表示为:

Ri=ρi+1vi+1-ρiviρi+1vi+1+ρivi=Zi+1-ZiZi+1+Zi(2)

式中:R为地层的反射系数, ρ 为地层的密度值, v为地层中介质的速度值, Z为地层的波阻抗值。对式(2)进行数学变换可以得到:

Zi+1=Zi1+Ri1-Ri(3)

根据式(3)进行递推可得到:

其中:Z11v1表示第一层的波阻抗值, 可以利用声波测井资料直接得出顶层的速度和密度值, 然后可以求出顶层的波阻抗值。反射系数序列可以从地震资料中得到, 这样就可以递推计算出所有地层的波阻抗值。递推反演方法直接采用地震资料进行反演处理, 其效果好坏直接取决去地震资料的品质高低。

地震反射系数与测井资料的约束稀疏脉冲反演目标函数为[19]:

(5)

式中:ri代表地层的反射系数序列; di代表地震记录; si代表合成记录; α 为趋势不匹配权重因子; ti是用户提供的波阻抗趋势, Zi为波阻抗; Lp, Lq代表p阶和q阶泛函, 一般情况下取p=1, q=2; λ 为实际地震记录与合成地震记录残差权重因子, 与地震资料的信噪比大小有关。

由于一般采集到的地震数据缺少低频信息, 因此可以利用测井曲线的低频信息进行补偿。首先将测井数据的声波速度和密度转换成波阻抗, 然后利用插值得到一个波阻抗数据体, 对该数据体利用低通滤波器滤波, 并将滤波后的波阻抗数据体与反演得到的波阻抗结果合并, 最终得到的波阻抗数据体就是一个绝对的全频带数据体。

3 波阻抗反演

2014年中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在青海木里地区开展了反射地震试验研究。跨越钻遇水合物的DK-9井部署两条呈十字交叉的剖面(图1)。反射地震数据主要采集参数为:2 m 道间距, 8 m炮间距, 24次覆盖, 零偏移距, 192道接收。每个接收点采用60 Hz检波器串以点组合的方式接收, 车载可控震源激发, 一点激发, 全测线布满检波器接收。采用法国Sercel-428XL有线遥测地震仪记录, 采样率0.5 ms, 记录长度3 s。图3为野外采集的单炮记录, 由图中可以看出, 记录上噪声干扰大, 有效信号较弱, 为了得到品质较高的叠后地震数据来提高波阻抗反演的精度, 地震资料处理中需重点对噪声进行压制。图4为叠后时间偏移剖面, 由图中可以看出, 在DK-9井位置处浅层地震同相轴连续性差, 断层发育, 增大了波阻抗反演的难度。

图3 第119炮和第120炮原始地震记录

图4 L1线叠后时间偏移剖面

本次采用的地震数据为L1线反射地震剖面和DK-9井声波测井数据和密度测井数据。DK-9井中, 分别在188.20~209.45 m、259.77~271.89 m、300.09~302.19 m、357.50~367.59 m处发现水合物储层, 如图5中H1, H2, H3, H4层所示。H1层密度较低, H2、H3层速度较低, 我们通过测井曲线的速度和密度求取地层的波阻抗曲线, 并利用波阻抗曲线通过插值建立地层的低频阻抗模型。利用低频阻抗模型来补充地震数据的低频成分。选取地震剖面上CDP位置在1 700~2 300之间的地震剖面进行反演, DK-9井孔位置在CDP点2 000位置处。

图5 DK-9井测井曲线a— 密度曲线; b— 声波速度曲线

首先对测井和地震记录进行标定, 标定结果如图6所示, 除了浅层0.18 s以上同相轴对应较差外, 0.18 s以下同相轴均能够相互对应, 证明标定结果合理。

图6 井震标定结果左边为实际地震记录, 在井左右两侧各抽取3道; 右侧为利用井数据合成地震记录, 为了与左图对比清晰, 井两侧各复制3道

对井震数据标定以后, 提取的子波波形如图7所示, 该波形符合零相位雷克子波的特点, 主频振幅强, 旁瓣振幅弱且对称。

图7 提取的子波

反演结果如图8所示, 水合物层的顶底界面如图8e中所示, t1_t, t2_t , t3_t, t4_t分别为H1, H2, H3, H4的顶界面; t1_b, t2_b , t3_b, t4_b分别为H1, H2, H3, H4的底界面。从图8e中我们可以看出, H1、H2和H3层为低阻抗显示, H4层为高阻抗显示。

图8 反演结果剖面a— 地震叠后偏移剖面上选取的CDP点位置在1 700~2 300之间的地震记录; b— 反演的反射系数剖面; c— 利用提取子波与反演的反射系数褶积合成的地震记录剖面; d— 通过DK-9井的声波测井数据和密度测井数据建立的低频波阻抗模型; e— 利用低频模型约束反演得到的P波阻抗剖面

图9为反演的CDP点位置为2 000时的波阻抗曲线与井测数据合成的波阻抗曲线对比。由图中可以看出, 反演的波阻抗变化趋势与井测数据合成的波阻抗相符合, 但是在浅层反演的波阻抗幅值较小, 相对深层反演的波阻抗幅值与井测数据合成的波阻抗相近, 这与浅层地震数据振幅信息恢复较困难有关。

图9 反演波阻抗与井测数据合成的波阻抗对比

4 结果分析

结合前人在木里地区的一些研究成果, 并对比DK-9井综合柱状图对波阻抗反演剖面进行分析。

受天然气水合物形成条件的限制, 陆域天然气水合物的成藏深度一般较浅且层厚度较薄, 由图2中DK-9井综合柱状图可以看出, H4层底界面在367.59 m, 再往深处无水合物层显示。对比地震剖面(图8a)和测井综合柱状图, 在深度170 m位置附近同相轴杂乱, 分析此处应为断裂的破碎带。通过提取的地震子波与反演的反射系数剖面进行褶积得到合成地震记录(图8c), 对比合成地震记录(图8c)和原始地震记录(图8a)可以看出, 两个剖面在同相轴趋势和振幅上都比较相近, 说明反演的反射系数能真实反映实际地层的反射系数, 利用该反射系数反演的波阻抗信息真实可信。

由图9可以看出, H1层水合物层波阻抗值小于上层底层的波阻抗值, H2层水合物层波阻抗值小于H1层水合物层的波阻抗值, H2、H3、H4层水合物层波阻抗值由浅往深逐渐增大。对比图2中DK-9井综合柱状, H1层为泥岩和油页岩互层, 但是以泥岩地层为主, 由地震剖面上可以看出该层位内含有一断层, 推测水合物作为裂隙填充物赋存于地层中, 使得该地层波阻抗值大于不含水合物的破碎带泥岩地层的波阻抗值而小于纯泥岩地层的波阻抗值。H2层为泥岩和油页岩互层, 以油页岩地层为主, 由于油页岩地层波速要小于泥岩地层的波速, 而水合物密度小于地层密度, 水合物赋存在地层中又使得地层密度降低, 所以该地层波阻抗值小于围岩波阻抗值。H3层的情况与H2层的情况一致, 由于H3层深度大于H2层, 所以H3层的整体波速大于H2层, 使得H3层的波阻抗值大于H2层的波阻抗值, 但是整体上表现为低波阻抗异常。H4层水合物层赋存于砂岩地层中, 砂岩孔隙度要大于泥岩孔隙度, 推测水合物作为骨架与砂岩胶结在一起, 使得地层的波速升高; 但是纯水合物的密度小于水的密度, 水合物赋存在砂岩中使得砂岩整体密度降低; 由于天然气水合物中的波速大约是水中波速的2倍, 而天然气水合物的密度大约比水低10%, 相对于水而言, 天然气水合物波速升高的速率要大于其密度下降的速率, 所以造成地层的波阻抗值大于围岩的波阻抗值, 表现为高波阻抗异常。

综上所述, 陆域天然气水合物的波阻抗特征并没有像海域天然水合物的波阻抗特征那么明显。在海域, 水合物层呈现较高波阻抗异常, 且水合物层下存在较低波阻抗异常气层, 存在BSR界面。而陆域天然气水合物储层既可以呈现低阻抗特征, 又可以呈现高阻抗特征, 其特征受围岩物性、裂隙结构及在裂隙或孔隙中的胶结状态影响较大。在木里地区DK-9井水合物储层中, 赋存于泥岩中的水合物层波阻抗特征表现为低异常, 赋存于砂岩中的水合物层波阻抗特征表现为高异常。

5 结论

文中利用青海木里地区DK-9井测井资料的约束, 对L1测线地震叠后偏移剖面进行了约束稀疏脉冲波阻抗反演, 并结合测井资料和前人工作成果对反演剖面进行了分析, 得到了如下结论:

1)在青海木里地区DK-9井的水合物层中, 赋存于泥岩中的水合物储层表现为低波阻抗特征, 赋存于砂岩中的水合物储层表现为高波阻抗特征。

2)相比于海域天然气水合物储层高波阻抗与BSR识别标志而言, 陆域天然气水合物储层无确定的波阻抗识别标志, 其波阻抗特征受围岩影响较大, 不同围岩情况下既可以表现为低波阻抗异常又可以表现为高波阻抗异常。

由于受水合物成藏特定的压力和温度的限制, 陆域天然气水合物储层一般埋深较浅且层厚较薄, 通过波阻抗特征对其进行识别有一定的难度, 因此需结合地质条件与测井资料或其他信息进行综合研究识别。

致谢:感谢中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所地下物探室提供DK-9井测井资料, 感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见和修改建议。

(本文编辑:叶佩)

The authors have declared that no competing interests exist.

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