哈拉湖地区天然气水合物地震探测技术试验
徐明才, 哈立洋, 王小江, 柴铭涛, 刘建勋, 王广科, 张保卫, 李培, 王凯, 高景华
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

作者简介: 徐明才(1955-),男,硕士,教授级高工,主要从事复杂条件下地震方法技术研究和开发工作。

摘要

哈拉湖位于青藏高原,在该区开展的地质调查、音频大地电磁测深和地球化学调查结果表明,该区具有良好的天然气水合物找矿前景。为寻找天然气水合物,在该区开展了高精度反射地震试验。反射地震采用1 200道接收,道间距2 m,偏移距1 m,炮间距8 m,覆盖次数150次,排列中间激发的观测系统,每道采用6个60 Hz检波器单点组合接收;采样间隔0.5 ms,记录长度2 s,宽频带采集;激发震源为大型车载可控震源。采用该工作方法得到的地震剖面信噪比和分辨率较高,构造形态特征明显。根据试验区地形地貌和地震剖面上反映的永冻土层厚度、断裂构造和高速层分布,结合其他资料,确定了验证孔位。

关键词: 哈拉湖地区; 天然气水合物; 反射地震; 纵波速度; 断裂构造; 永冻土
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)04-0667-08 doi: 10.11720/wtyht.2016.4.05
Experiment on seismic exploration technique of natural gas hydrate in Halahu area
XU Ming-Cai, HA Li-Yang, WANG Xiao-Jiang, CHAI Ming-Tao, LIU Jian-Xun, WANG Guang-Ke, ZHANG Bao-Wei, LI Pei, WANG Kai, GAO Jing-Hua
Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
Abstract

Halahu is located in the Tibetan Plateau.The results of geological survey,AMT (Audio Magnetotelluric Sounding) and geochemical survey show that there is good perspective of natural gas hydrate prospecting in this area.High-precision seismic reflection experiments were carried out in search for natural gas hydrate in the area.1 200 receiving channels,2 m group spacing,1 m offset,8 m shot spacing,150 folds,the surveillance system excited in spread middle were used in reflection seismic survey.60 Hz geophone string (with 6 geophones) was adopted,each received channel receiving seismic wave in the form of point array.Excitation source was large vehicle-borne Vibroseis.Instrument recording factors used included 0.5 ms sampling,2 s recording length and whole-band receiving.The high S/N ratio and resolution as well as obvious structural form characteristics were provided with seismic section obtained by the method.Validate hole location was determined according to land feature and the permafrost thickness,fault structure and high-speed distribution reflected on seismic profile as well as other data.

Keyword: Halahu area; natural gas hydrate; seismic reflection; P-wave velocity; fault structure; permafrost

天然气水合物是以甲烷为主的气态烃类物质和水在低温高压下形成的貌似于冰的结晶状固体物质, 具有分布广储量大、热值高及污染小三个主要特点, 极有可能成为未来最有远景的新型洁净性接替能源。从目前发现的天然气水合物分布来看, 天然气水合物主要分布在海底和永久冻土区。自极地冻土区发现天然气水合物以来, 俄、美、加、德等国分别在俄罗斯北部极地区含油气省、北美普拉德霍湾油田和阿拉斯加陆坡, 以及加拿大三角洲大陆冻土带地区开展了地震勘探和钻井取芯工作, 发现了分布范围大、含量高的天然气水合物。

我国永久冻土区天然气水合物调查起步较晚。2008年在青海省祁连山南缘木里永久冻土带成功钻获天然气水合物实物样品。2010年, 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在祁连山木里地区跨过钻遇天然气水合物的DK-1等钻孔进行了高精度反射地震等物化探方法技术试验研究。根据反射地震及其他物化探结果, 确定了验证孔位, 2013年对该验证孔进行了验证。在DK9验证钻孔中, 188.2~209.45 m处发现有天然气水合物 13, 单层厚度大于20 m。该发现证实在木里地区, 天然气水合物主要赋存在侏罗系硬岩裂缝裂隙中。

为进一步研究探测赋存在松软地层内天然气水合物的反射地震方法, 2015年, 我们在哈拉湖地区开展了高精度地震探测天然气水合物的试验研究[4]

1 试验区概况

哈拉湖地区位于青海省格尔木东北300 km, 在天峻县和德令哈市之间, 北纬38° 18', 东径97° 35', 海拔 4 078 m。

试验区位于南祁连盆地哈拉湖坳陷内, 哈拉湖坳陷与木里坳陷具有统一的构造演化史和相似的烃源岩 56(图1)。试验区以短轴背向斜和窗式褶皱样式为基本构造变形形式, 断裂以NWW和NE向断层为主, 多为逆冲断层。

图1 南祁连盆地次级坳陷划分示意[7]

哈拉湖坳陷是南祁连盆地内面积最大的坳陷, 自下而上发育的地层为志留系(S)、石炭系(C)、二叠系(P)、三叠系(T)、中新统(N1)和第四系(Q)。试验区缺失白垩系(K)和侏罗系(J)。基底由志留系(S)的浅变质碎屑岩和火山碎屑岩, 并伴有晚加里东花岗岩体的侵入。下石炭统臭牛沟组(C1-2ch)、上二叠统忠什公组(P2z)和上三叠统尕勒得寺组(T3g)为烃源岩系。新生界白杨河组(N1b)与中生界尕勒得寺组(T3g)以及古生界石炭系与志留系(S)都呈不整合接触 811

试验区烃源岩厚度较大, 有机质丰度较高, 有机质类型为I2型, 处于成熟— 高成熟阶段, 是整个盆地内生烃条件较好的坳陷之一。通过野外地质调查和烃源岩样品分析, 在哈拉湖地区识别出下石炭统臭牛沟组(C1-2ch)、上二叠统忠什公组(P2z)和上三叠统尕勒得寺组(T3g)3套主要烃源岩[12]。试验区存在3套有利的生储盖组合, 保存条件较好。

1) 下石炭统臭牛沟组(C1-2ch)为试验区最下层烃源岩, 岩性主要为深灰、黑色薄层致密灰岩。

2) 上二叠统忠什公组(P2z)为三角洲相沉积, 岩性以杂色碎屑岩为主, 偶夹页岩、泥岩、含腕足类、植物化石。

3)上三叠统尕勒德寺组(T3g)烃源岩为一套滨浅湖相到半深湖相形成的细粒沉积物(暗色泥岩), 该烃源层沉积厚度大、分布范围广。本组内部砂岩为储集层, 本组泥岩为盖层, 印支— 燕山期构造作为圈闭组成的自生自储式油气藏。

有文献[7]认为:在哈拉湖坳陷区, 三叠系发育两套含油气系统: ① 中三叠统大加连组(T2d)的暗色灰岩为生油层, 中三叠统切尔玛组(T2q)和上三叠统阿塔寺组(T3a)砂岩为储集层, 上三叠统尕勒德寺组(T3g)暗色泥岩为盖层, 印支— 燕山期构造为圈闭组成的古生新储式油气藏; ②上三叠统尕勒德寺组(T3g)暗色泥岩为生油层, 本组内部砂岩为储集层, 本组泥岩为盖层, 印支— 燕山期构造作为圈闭组成的自生自储式油气藏。

哈拉湖地区是寻找天然气水合物的一个新区, 但由已发现天然气水合物实物样品的木里资料[8, 11]可知, 木里地区天然气水合物分布呈不规则状, 分布空间大多与断裂破碎带有关, 且埋藏深度相对较浅。因此为了提高浅层勘探的分辨率, 以及更好地识别浅层中小断裂, 提高地层和构造的成像精度, 我们采用了高密度地震勘探方法, 并得到了高分辨(纵向分辨率和横向分辨率都较高)地震剖面, 有利于对其进行精确解释。

2 地震方法技术
2.1 测线布置

根据以往物化探勘查成果, 跨过NWW向隐伏断裂布置了一条反射地震试验剖面(图2)。其目的在于探测该断裂的深部结构及其向新生界地层的延伸情况、地层和基底分布, 特别是烃源岩系分布。

图2 反射地震剖面位置

2.2 工作方法

由于本次地震勘探剖面表层为凸凹不平的高原植被, 激发和接收条件较差, 为更好地获得高信噪比、高分辨率地震资料, 采用了小道间距、高覆盖次数反射地震数据采集方式。浅层地震反射测量采用 1 200 道接收, 道间距2 m, 偏移距1 m, 炮间距8 m, 覆盖次数150次, 采用排列中间激发的观测系统, 每道采用6个60 Hz检波器单点组合接收(3串2并)。采用Sercel 428地震数据采集系统采集设备, 采样间隔0.5 ms, 记录长度2 s, 记录格式SEG-D, 前方增益12 dB。激发震源为满足探测深度要求的大型车载可控震源。采用该工作方法得到的地震记录如图3a所示, 由图可知, 采用可控震源激发获得的地震记录信噪比较高, 地震记录上的干扰波主要有:声波、面波和震源干扰波。对该记录进行去噪处理, 得到的记录如图3b所示, 在去噪后的记录上, 各种干扰得到了压制, 反射信号的特征更清楚了。

图3 去噪前(a)后(b)的炮集记录

为使倾斜界面产生的反射波更好地同相叠加, 在处理中进行了倾角时差校正(DMO)处理, 图4给出了常规动校叠加(图4a)与DMO叠加(图4b)剖面对比, 可以看出, DMO叠加处理使倾斜反射波的信噪比更高, 连续性更好。

图4 某测线常规动校叠加(a)与DMO叠加(b)剖面对比

在图5a所示叠加剖面上, 地质构造十分复杂, 绕射波比较发育, 为使这些复杂的构造正确成像, 进行了叠后偏移处理, 图5b为偏移后的地震剖面。对比图5a、b剖面可知, 偏移处理使绕射波收敛, 倾斜反射波归位较好, 地下地质构造成像清晰。

图5 某测线叠加剖面(a)与偏移剖面(b)效果对比

3 试验成果分析
3.1 地震剖面的推断解释

图6为经处理和解释后的地震时间剖面, 剖面上面的曲线为地表地形。由时间解释剖面看出该剖面反映出来的地层丰富、构造特征清楚。

根据图6所示地震剖面上的波组特征, 可划分出3大套地层, 一套在T1反射波组以上, 该套地层内的反射波频率较高, 各反射波组之间的时差较小, 反射信号丰富, 振幅相对较弱, 该套地层内最下面的反射波T0与T1反射波呈角度不整合接触, 解释为新生界地层。T1反射波振幅强、连续性好、频率相对较低, 解释为新生界底界与中生界顶界面之间形成的反射波。中间一套地层在T1和T2之间, 该套地层除在T1反射波之下有一组连续性较好的双相位反射波T1-1和在T2反射波之上有一组连续性较差的反射波T1-2外, 整体反射信号弱, 连续性较差, 为石炭系至三叠系之间的烃源岩地层, 由于该套地层为大套的灰岩和泥岩、粉砂岩等细粒沉积岩, 地层之间的阻抗差异小, 反射系数小, 反射信号振幅弱, 连续性较差。T2反射波由多个相位组成, 振幅较强, 形态复杂, 解释为基底顶界面产生的反射波。由于该区基底由浅变质砂岩、板岩、千枚岩和火山碎屑岩组成, 该岩性地层难以产生相干性较好的反射波。

在图6所示地震剖面上, 还解释了两组断层F1和F2, 其中:断距较大的F1断层仅使T2反射波发生了错断, 并未使T1反射波发生错断, 根据木里地区天然气水合物形成模式, 受T1反射波所代表界面的屏蔽所用, 烃源气向上运移缺少通道, 因此在对应F1断层位置上面的地层内部, 不利于天然气水合物富集。F2断层断距虽较小, 但该断层错断T1反射波十分明显, 特别是由于F2断层的分支断层F2-2向上延伸到新生界地层内, 使得该断层附近的反射波能量很弱, 形成一弱振幅反射区, 该弱振幅反射区有可能与地层内部含气有关, 该气有可能是通过F2和F2-2断层从下面的烃源岩地层运移上来的, 形成所谓的气烟囱。由此得出, 在F2断层位置, 有可能发现天然气水合物。有关断层F2的局部地震剖面如图7b所示。

图6 哈拉湖地震时间剖面

图7 综合地震剖面

3.2 F2断层附近地震波的速度分布

图8表示了在该区得到的速度谱, 由此看出, 该速度谱能量团集中, 由该速度谱拾取速度精度较高。对F2断层附近的速度谱j进行整理, 得到的T0反射波的叠加速度如图7c所示。

与图7b所示的地震剖面对比后发现, 在F2断层处地震波组隆起部位, 地震波的速度较高, 在该隆起部位两侧地震波的速度较低。该试验结果表明地震剖面上的反射波隆起部位的高速区段有可能与天然气水合物有关, 而该隆起部位两侧地震波速度较低的区段有可能与断裂分布有关。

图8 F2断层附近某炮记录速度分析结果

3.3 F2断层附近的冻土层

当地层结冻之后, 地层速度有所增大, 图9表示了沙和粘土层纵波速度随温度变化曲线, 由此得出, 地层冻结后纵波速度明显增大。由图8所示的速度谱看出, 由于表层冻土层的存在, 使得速度谱曲线出现倒转, 即表层速度相对较高, 往下速度相对较低。根据测区地质概况, 认为表层高速能量团是由于冻土层引起的。根据速度谱上的表层高速能量团的时间和速度, 计算得到的冻土层厚度如图7d所示。

图9 沙和粘土速度随温度变化曲线

实际上, 在图7b所示地震剖面上的浅部有一组反射波, 该反射波与正常沉积地层形成的反射波存在穿时现象, 推断该反射波为冻土层底界面形成的。该反射波反映的冻土层厚度与图7d所示的冻土层厚度基本一致。

3.4 与钻遇天然气水合物地震剖面的对比

图10a为在加拿大马更些地区得到的地震剖面 1315, 在该剖面上标注了钻遇天然气水合物的钻孔5L-38及vp测井曲线, 马更些地区天然气水合物分布在未胶结成岩的松软地层内, 测井曲线上反映的高速层与钻遇的天然气水合物相对应。

图10b为在哈拉湖地区获得的地震剖面, 在该剖面隆起部位对应的速度较高, 该隆起背斜受断层控制, 剖面上部对应的是新生界地层, 与马更些地区类似。

对比图10a、b两剖面结果可知:①马更些地区钻遇天然气水合物的地层与哈拉湖地区推断的含天然气水合物地层均为未胶结成岩的松软地层; ②马更些地区钻遇天然气水合物的层段速度较高, 哈拉湖地区推测含天然气水合物层段的速度也具有高速特征; ③在两剖面上都分布有隆起背斜和断层, 反映的构造特征类似; ④在剖面对应位置都具有较厚的冻土层, 当然, 马更些地区的冻土层厚度更大。

图10 马更些地区已钻遇天然气水合物的地震剖面(a)和哈拉湖地区所得地震剖面(b)结果对比

3.5 建议的验证孔

根据地震试验研究成果, 建议验证孔位选取在CDP 4230处(图7b)。该验证孔根据以下因素选取:

1) 验证孔位于深部断裂附近, 具备深部烃源气上升的通道(图7b)。

2) 验证孔位于新生界地层隆起区, 有利于从深部地层运移到新生界地层的烃源气富集成藏。

3) 验证孔处的纵波速度较高, 与含天然气水合物的未胶结地层具有的高速特征类似(图7c)。

4) 验证孔处的冻土层厚度较大(图7d)。

5) 该验证孔位于地形斜坡带上, 地下水比较稳定, 冻土层受地下水影响较小(图7a)。

4 结论

通过本次试验, 可初步得出以下几点认识:

1) 在青藏高原高海拔地区, 选择在冬季施工, 采用可控震源激发可避开表层冻土层对地震波的影响。

2) 采用小道间距、排列中间激发的多次覆盖观测方法能够获得高质量的反射地震剖面。

3) 分析地震速度谱, 可获得测区冻土层厚度的有关资料。

4) 根据由地震资料解释的测区冻土层的厚度、地质构造及地层分布等资料, 确定了一个验证钻孔。如果该验证孔能够钻遇天然气水合物, 将成为我国在陆域新生界地层内寻找天然气水合物新成藏类型的一个先例。

The authors have declared that no competing interests exist.

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