天然气水合物(natural gas hydrate)作为一种新型潜在能源, 广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带和陆域永久冻土中, 由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。从20世纪70年代开始, 美、英、德、加、日等发达国家相继开展本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作^[1]。在陆域冻土带中, 在俄罗斯西伯利亚的Messoyakha^[2]、加拿大西北部的Mackenzie三角洲^[3]、美国的阿拉斯加North Slope地区^[4]和我国祁连山冻土区^[5]陆续发现了天然气水合物。

在Mallik冻土区, 富集天然气水合物的岩层为新生界未胶结或弱胶结成岩的地层^{[6, 7]}, 即:天然气水合物富集在弱胶结的砂— 砂岩、粉砂— 粉砂岩地层中, 上覆地层为砂和粘土互层、砂和弱胶结的砂岩、细粉砂和页岩互层等, 含天然气水合物单层储层厚度达40 m, 平均孔隙率为25%~40%, 天然气水合物含量较高。沉积物中水合物的饱和度越高, 地震P波和S波速度越大, 尽管含水合物储层的密度与围岩差别不大, 但含水合物储层与围岩之间仍存在一个较明显的波阻抗界面, 产生较强的反射。

在木里地区, 富集天然气水合物的岩层为胶结成岩的中生界硬地层, 其主要地层为泥质粉砂岩、细砂岩、泥岩等, 压实作用较好, 速度相对较高^[8]。由于含水合物储层的孔隙度较低, 与围岩反射系数较小, 难以形成明显的反射界面。较低的岩石孔隙度造成碳氢化合物不易在横向上运移很远, 水合物储层主要分布在断裂带附近^{[9, 10, 11]}。

地震勘探是海洋天然气水合物调查的有效手段, 随着对陆域冻土区天然气水合物资源调查工作的进行, 徐明才等在木里地区进行了二维地震勘探试验研究^{[12, 13]}, 综合地震剖面、测井和地质资料对天然气水合物的分布和地震属性, 初步认为含天然气水合物层地震反射波具有低速、弱振幅、高主频的特征。于常青等针对木里盆地天然气水合物开展三维地震勘探, 得出木里地区的天然气水合物为裂隙型储层, 主要赋存于泥岩裂隙发育层中或孔隙度较大的细粒砂岩层中^[14]。

地震属性分析广泛应用在油气储层预测中, 近几年, 在海域天然气水合物预测中也得到了应用^{[15, 16, 17, 18]}, 但在陆域天然气水合物预测中地震属性分析应用较少^[19]。对于海底水合物, 同一探测对象, 三瞬(瞬时频率、瞬时振幅和瞬时相位)信息在同一区段发生明显变化就有可能反映探测对象在该处的物性变化。在3个参数中, 瞬时相位谱的分辨率最高, 而瞬时频率和瞬时振幅谱的变化也较为直观, 可以利用瞬时频率和瞬时振幅谱来确定地下异常的大概位置, 用瞬时相位来确定分层的边界。

海域识别天然气水合物的主要标志有BSR、振幅空白带、速度倒转、极性反转、纵横波速度增加、泊松比降低、纵横波速度比降低等, 由于地震信号的多解性, 具备上述特征的地震异常不一定是天然气水合物的反映^{[15, 19, 20]}。陆域天然气水合物地震探测要比海域复杂得多, 由于冻土层的存在, 地震波能量被屏蔽衰减严重, 获得的地震信息能量相对较弱, 地震波场结构复杂。特别是木里地区天然气水合物含量较低, 利用地震信息预测天然气水合物分布难度很大。尽管如此, 笔者试图通过对木里地区地震资料、合成记录及地震属性特征分析, 总结出一些有利于天然气水合物储层的识别标志。

青海省木里地区位于中祁连与南祁连构造单元间的拗陷区内, 地层主要包括第四系、上侏罗统、中侏罗统和上三叠统^[5]。上三叠统岩性以黑色粉砂岩、泥岩和薄煤层为主, 与上覆侏罗系呈平行不整合接触; 中侏罗统含有煤系地层, 岩性为中— 粗粒砂岩、泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、页岩等; 第四系为洪积形成的腐殖土、砂砾石、冰积泥沙、冰层、漂砺等。钻探发现DK-9井在A层段188.20~209.45 m、B层段259.77~271.89 m、C层段300.09~302.19 m、D层段57.50~367.59 m发现天然气水合物实物样品, 对比综合柱状图(图1)可知, 含天然气水合物的地层为侏罗系, 水合物主要赋存于泥岩、砂岩和页岩的裂隙中, 属于裂隙型水合物储集层, 岩性较为致密, 具有低渗特点, 地层压实作用十分明显, 地层视电阻率值增大, 纵波速度较高, 密度相对围岩略小或不变。

图1

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	图1 祁连山冻土区DK-9井综合柱状图

2014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开展了高精度反射地震方法探测试验, 试验采用2 m道间距, 8 m炮间距, 24次覆盖, 0 m偏移距, 192道接收的数据采集方法。图2表示了采用该工作方法得到的地震时间剖面, 其中:图2a所示地震剖面垂直于地质构造分布, 图2b所示地震剖面平行于地质构造分布, 两剖面在DK-9孔处相交。在图2所示地震剖面上, 埋深在180~280 m深度范围内的主要含天然气水合物地层形成的反射波具有频率相对较高、振幅相对较弱的特征。通过与图1所示的钻孔综合柱状图对比后看出, 在该深度范围内, 裂隙发育, 地层破碎, 天然气水合物以结晶晶体状态存在于破碎带内, 地震剖面上的高频反射与该结晶晶体产生的散射波有关, 由于该钻孔揭示的天然气水合物含量较低, 因此由该含水合物地层产生的反射波振幅相对较弱。

木里地区天然气水合物稳定层位呈现高电阻率异常和弱振幅的地震反射特征, 不存在海洋地震剖面上的BSR特征, 也指示在天然气水合物稳定带的底部不存在游离气体, 这一特征既不同于海域水合物地震学特征, 也不同于极地冻土区水合物地震学特征, 反映了青藏高原天然气水合物成矿环境的特殊性。

图2

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	图2 祁连山木里地区获得的两条地震剖面a— L1线; b— L2线

合成地震记录是地震资料解释中标定地震层位的一种非常重要的手段, 也是将地震资料与测井资料相结合的一条纽带。测井资料对岩性、物性的划分具有纵向分辨率高的优点, 地震资料具有良好的横向追踪能力, 利用人工合成地震记录结合反射地震资料进行研究, 目的在于确立含天然气水合物地层及标志性地层的反射波形成机理, 用来分析天然气水合物的地震识别标志。利用DK-9井的声波测井数据模拟合成的地震记录如图3所示, 该数值模拟使用了10~80 Hz的雷克带通子波。由该模拟结果看出, 在含水合物地层A层段(188.20~209.45 m, 岩性为泥岩、油页岩和细砂岩)和B层段(259.77~271.89 m, 油页岩、钙质泥岩和含砾钙质泥岩), 纵波速度相对偏低; 而在含水合物地层D层段(357.50~367.59 m, 岩性为泥质粉砂岩、中细砂岩等), 纵波速度相对较高。在人工合成地震记录上这些含水合物地层产生的反射波振幅强度虽不尽一致, 但基本都具有弱反射的特征, 由于钻孔揭示的天然气水合物含量较低, 含水合物地层形成的反射波主要与含水合物地层的岩性和破碎程度有关。通过对比合成地震记录与实测地震剖面可以看出:含水合物储层形成的反射波具有频率相对较高、振幅相对较弱的特征, 该模拟结果与实测地震剖面结果吻合。

综合DK-9钻孔速度、密度和主要岩性制作了地震地质模型, 并针对该模型开展了波动方程正演模拟, 其模拟结果如图4所示。若形成水合物的天然气以流体形式赋存在储层(骨架v_p< 水合物v_p)的孔隙中时, 储层纵波速度增加微弱, 横波速度降低, 泊松比相较围岩(油页岩)较大; 若天然气以结晶形式(水合物)赋存在储层孔隙中时(不含水), 储层纵波速度同样增加微弱, 但横波速度增加明显, 泊松比相较围岩较小(图4)。以流体形式和以晶体形式储存在储层时的AVO响应特性曲线如图5(上、下)所示。对图4、5分析后看出:储层顶界面3和底界面4产生的反射振幅较弱, 反射波极性由界面上下介质的波阻抗差决定, 而反射界面的AVO曲线特征则由该界面上下两层的泊松比差决定:在流体模型中, 储层顶界面(界面3)反射波振幅随入射角的变化曲线斜率为正, 底界面(界面4)曲线斜率为负(图5上), 固结骨架模型的曲线特征则刚好相反(图5下)。图6表示了储层孔隙含水、含气和含天然气水合物模型的地震波场响应, 由此看出, 对同一地层而言, 储层孔隙含水情况下该储层形成的反射波振幅最弱, 储层孔隙含天然气水合物情况下该储层形成的反射波振幅最强, 储层孔隙含气情况位于两者中间。该结果对以后天然气水合物勘探, 鉴别孔隙中充填介质的性质具有一定的参考作用。

图3

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	图3 木里地区 DK-9井钻孔地层柱状图及合成地震记录对比

图4

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	图4 流体模型和固结模型参数及地震波响应特征

图5

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	图5 水合物不同模型AVO曲线特征

图6

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	图6 储层孔隙含介质不同时的地震波场响应

根据木里地区水合物成藏条件和地质背景, 分析研究地震资料的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、能量半衰时和AVO特征, 有助于预测研究区的天然气水合物富集带。

3.2 瞬时频率

瞬时频率是相位的时间变化率, 它能够反映地层的岩性变化, 有助于识别地层。当地震波通过不同介质界面时, 频率将会发生明显变化。从图7b所示瞬时频率剖面中可以看出水合物储层的地震波频率相对较高, 这可能与泥、页岩裂隙中团块状天然气水合物等不均匀体形成的散射波有关。这是木里地区天然气水合物地震响应特征不同于海域和极地冻土区水合物的地震响应特征的一方面。

图7

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	图7 L1线的瞬时振幅剖面(a)与瞬时频率剖面(b)

3.3 瞬时相位

瞬时相位是地震剖面上同相轴连续性的量度, 不考虑能量的强弱, 即使是弱振幅有效波在瞬时相位图上也能很好的显示出来。当波在同一岩性地层中传播时, 其相位是连续的; 当波在穿越不同岩性地层时, 其相位将在异常位置发生显著变化, 在剖面上明显不连续。因此瞬时相位能够较好的对地下分层和地下异常进行识别。在图8a所示的瞬时相位剖面中, 可见含水合物储层反射与围岩反射之间几乎没有差异, 但在断裂破碎带处瞬时相位剖面上的相位不连续。该研究结果表明, 瞬时相位属性对含水合物储层反映不敏感。

图8

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	图8 L1线的瞬时相位剖面(a)与能量半衰时剖面(b)

3.5 AVO特征

由于木里地区复杂的地震地质条件加上冻土层对地震信号的屏蔽作用, 采用具有AVO效应的近远道叠加剖面对振幅随偏移距的变化规律进行了分析研究, 图9表示了木里地区垂直构造线的地震剖面在0~150 m和150~300 m范围内地震记录的响应特征。由图9看出, 150~300 m范围内地震叠加道的能量较强。分别选取偏移距50~250 m、100~300 m、150~350 m、200~400 m、250~450 m、300~500 m的记录道进行叠加, 得到的DK-9井处各偏移距的叠加道集如图10所示, 可以看出振幅为正极性, 反映DK-9孔最上面一储层的反射振幅随着偏移距增大而增大, 这与图5中反射界面3水合物流体模型AVO曲线一致, 结合其AVO曲线特征得出:相对于不含天然气水合物的围岩来说, 含天然气水合物储层的泊松比较高。

图9

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	图9 木里地区近(上)远(下)道地震响应特征

图10

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	图10 DK-9井处各偏移距叠加道集(a)及AVO曲线(b)

在木里地区, 过DK-9井的天然气水合物储层为裂隙型, 由于天然气水合物储层中水合物含量较低, 其速度主要与含天然气水合物地层的岩性和破碎程度有关。综合分析高精度地震剖面、合成地震记录及地震属性剖面后认为在木里地区天然气水合物稳定区段的底部没有游离气体, 含天然气水合物地层地震反射相对较弱、频率相对较高、振幅为正极性、泊松比较围岩大。在地震剖面上, 相对较高频率的含水合物地层反射波是由地层破碎带内的水合物晶体产生的散射波引起的, 若在数据处理阶段, 采用不合适的高频抑制处理技术, 则会压制掉该高频信息。在瞬时振幅、瞬时频率剖面上, 含水合物地层反射波的瞬时振幅相对较弱、瞬时频率相对较高, 而瞬时相位属性对水合物反映不敏感; 含水合物地层的能量半衰时振幅较强, 表明反射波通过破碎程度较高的地层时, 能量衰减相对较强。

我国陆域水合物远景区主要位于青藏高原中生代盆地群里, 目前发现的水合物主要赋存在中生界砂岩、泥岩等硬岩石的孔隙或裂隙内, 受青藏高原隆升运动的影响, 构造十分复杂, 形成了复杂的构造和岩性组合等独特的成藏背景, 对该区实验取得一些认识与进展是否具有普遍意义还有待进一步考证。

(本文编辑:叶佩)