唐志远，郭清正，邓 强，王 敏，魏天罡

(1.中海油 能源发展工程技术分公司，天津 300457；2.天津普达软件技术有限公司，天津 300457；3.中国地质科学院 力学研究所，北京 100020；4.东北油气分公司 勘探开发研究院，吉林 长春 130026；5.中海油 天津分公司，天津 300457)



海上Z区天然气水合物地震研究与成藏远景预测

唐志远1,2,3，郭清正1，邓 强1，王 敏4，魏天罡5

(1.中海油 能源发展工程技术分公司，天津 300457；2.天津普达软件技术有限公司，天津 300457；3.中国地质科学院 力学研究所，北京 100020；4.东北油气分公司 勘探开发研究院，吉林 长春 130026；5.中海油 天津分公司，天津 300457)

摘要：基于叠前时间偏移地震资料对海区天然气水合物进行研究，提出一种将地质、地震资料相结合以预测天然气水合物矿藏的研究方法。首先结合物源、构造和沉积等资料进行地质分析，确定天然气水合物有利成藏区域的地质条件，然后在叠后振幅属性分析的基础上，分析了水合物地震BSR的基本响应特征，结合地质成藏条件，将本区域BSR分为4种基本类型。最终在叠前反演的基础上，预测水合物及其游离气的存在，圈定出水合物分布范围。认为水合物在研究区域海底浅层广泛分布，并且其分布受气源条件、储集空间、温度和压力条件同时控制。

关键词：天然气水合物；BSR；水合物稳定带；储层预测

唐志远,郭清正,邓强,等.海上Z区天然气水合物地震研究与成藏远景预测[J].西安石油大学学报(自然科学版),2016,31(1):29-36.

TANG Zhiyuan,GUO Qingzheng,DENG Qiang,et al.Seismic study and accumulation prediction of natural gas hydrate in a sea area[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(1):29-36.

引言

天然气水合物是在低温高压等一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气混合而形成的类冰笼形结晶化合物[1-2]，广泛分布于海底或陆地的永久冻土中[3-4]。其中海底水合物占据资源总量的99%[5]。地震似海底反射(BSR)为海底水合物存在的证据之一，BSR层界面之上为水合物稳定赋存区域(GHSZ)；BSR层界面之下，因不满足水合物形成的温度压力条件，烃类气体呈游离态存在于岩石孔隙中[6]。含水合物地层与之下游离气地层阻抗差异在BSR界面形成强负反射特征。受海底地温场影响，BSR通常和海底平行，与沉积层序斜交[7]。

本文在测井资料和取心等硬性资料缺失的情况下，首先对海上Z区海槽盆地物源、运移通道、储集空间以及温度和压力等地质成藏条件进行了评价，然后在对地震资料进行保幅叠前时间偏移处理的基础上，分析水合物在叠后地震资料的响应特征，最后在叠前反演的基础上分析水合物的纵、横波阻抗响应特征，并且提取有利属性，对水合物在区域内的分布进行预测。综合分析叠前叠后地震资料对水合物的预测效果，提出了水合物的钻前预测技术。

1研究区地质背景

研究区位于被动陆缘断层褶皱构造带某新生代沉积盆地北部，处于陆坡深水区，勘探程度较低。随着区域内深部丰富油气藏的发现，对目标区进行了三维地震采集。在对浅层地震资料的分析中发现了多段似海底反射(BSR)界面。综合分析表明，区域内河流系统提供了大量的浊积砂岩沉积，深部油气藏以及浅层河道提供了丰富的物源，广泛分布的断裂构造提供了理想的油气运移通道，水深以及稳定的区域环境为水合物提供了理想的成藏条件。

如图1所示，研究区面积约200 km2，水深约2 000 m，目前三维地震资料采集和处理针对深部油气藏(地层深度超过2 500 m)，无可用的钻井资料。工区内发育有底辟构造、海底扇、麻坑(Pock mark)和海底滑塌等多种地貌形式，其中西北部发育海底麻坑地貌，东部主要为河道发育区。深部发现有若干大中型油气藏，浅层有大量河道，为区域海底浅层沉积物中水合物发育提供了丰富的烃类物质来源。

图1　研究区海底地貌(西北部发育为海底麻坑地貌，东部为河道发育区)Fig.1　Basic seafloor geomorphy in the study area

在叠前时间偏移地震资料基础上对区域内水合物藏进行解释。图2为工区内某二维地震剖面(方向从西南-东北)。从图中可以看出，工区左侧深部气源通过断裂系统快速向海底浅层运移，形成的麻坑地貌非常明显，右侧为河道发育区。BSR具有明显与海底平行、极性反转、其上出现振幅空白带的特征。只要有充足的气源供应和储集空间，BSR就可能大量形成并且在工区内广泛分布。

图2　目标区叠后地震剖面上的典型BSR特征 Fig.2　A seismic line showing BSR features in the study area

分别对海底和上述BSR进行全区层位追踪。明显有海底反射轴为黑色正极性，命名为S层位(图2黄色线)；BSR反射轴为红色负极性，命名为G层位(图2绿色线)。然后分别对S到S+250 ms以及G-30 ms到G+30 ms提取均方根振幅属性，前者用以确定工区内河道分布，后者用以确定工区内BSR分布。

图3显示工区内BSR分布与浅层河道平面分布。图中绿色区域表示低振幅分布区域、无BSR强反射特征，红色和黑色区域为高振幅分布区域，色彩越重，表示BSR越强。可以看出，大面积的BSR平面分布与河道分布近似，浅层河道沉积物中的大量有机质在还原环境下，为水合物的生成提供了充足的气源。工区西北部区域河道不发育，但是可以看到大量的海底麻坑地貌，深部的热成因气可能是该部分BSR形成的主要因素。

图3　基于地震振幅提取的河道及BSR分布Fig.3　River channel and BSR distribution of the study area based on seismic amplitude extraction

2几种典型BSR分布特征

仔细对比区域内水合物叠后地震响应特征，结合地质成藏条件的认识，将区域内BSR分为4种类型：大面积型BSR、亮点型BSR、运移通道型BSR以及双BSR或多BSR。

(1)大面积型BSR

大面积型BSR在工区内广泛分布，与河道分布密切相关，可能与浅层河道提供大量气体的侧向运移有关。其气源成分可能为河道中沉积的有机质在还原状态下生成的烃类气体,也可能有部分气源从深部沿断裂运移而来，河道砂只是提供了良好的侧向运移通道。大面积型BSR具有与海底平行、强反射振幅、极性相反等特点。强振幅大面积分布的BSR需要大量气体的快速运移，浅层有机碳富集处的良好储集空间是该类型BSR发育的理想场所。图4为包含该类型BSR的地震剖面，显然大面积型BSR与河道发育密切相关，河道为BSR发育提供了丰富的烃类物质来源，相对而言，左侧的BSR因为缺少烃类物质而振幅较弱。

图4　大面积型BSR地震剖面特征Fig.4　Widely spreading BSR characters in the study area

(2)亮点型BSR

亮点型BSR出现在低孔低渗围岩背景下的局部高孔高渗区域，围岩生成和运移的烃类气体在亮点处富集，与水化合形成水合物藏。此类型的水合物藏具有规模小、饱和度高的特点，是勘探开发的重点目标之一。在日本Nankai海槽和美国东海岸的Blake Ridge地区发现大量BSR分布，但其钻探结果却往往令人失望，其原因主要是水合物饱和度较低，大部分区域不具有开发价值[8]。因此，在这些区域寻找高孔隙度、高渗透率的储层具有重要意义。图5显示了地震剖面上水合物稳定带的1个亮点型BSR，可能为优质砂岩内水合物的高密度聚集区。

图5　亮点型BSR的地震剖面特征Fig.5　Bright spot BSR characters in the study area

(3)沿运移通道分布型BSR

在水合物稳定带之内，只要有合适的储集空间，孔隙流体中甲烷浓度大于溶解度时就有可能形成水合物。图6清晰地显示了深部气源向海底的运移通道以及大量气体释放形成的海底表面塌陷(海底麻坑)地貌。水合物在海底浅层的运移通道中形成，断层或者断裂为水合物赋存提供了储集空间。工区内沿断层运移通道分布的BSR一般与海底麻坑联系紧密，分布范围小，并且不与海底平行，只是与水合物形成和聚集有关，在平面上显示为颗粒状。

图6　沿运移通道分布的BSR地震剖面特征Fig.6　Characters of BSR distributing along migration channel in the study area

(4)双BSR或者多BSR

双BSR或者多BSR曾在多个地区(Blake Ridge，Storegga Slide等)出现，在黑海地区曾发现有5个BSR[9]。这些BSR的反射极性都为负，在每层BSR之下只包含少量气。现在对多BSR的解释包括：(1)温度压力的变化导致天然气水合物稳定带底界面的变动。一个现代的BSR伴随一个之前残留BSR，也就是在之前地质时期的稳定带内生成的水合物层的残留痕迹；(2)水合物气体的成分差异造成，不同气体形成的水合物有其独立的稳定带，水合物复杂的成分形成多层BSR。

水合物的形成与分解受温度压力条件限制，海底的地质活动以及海平面的变化都有可能造成旧BSR分解和新BSR形成。图7为工区内包含双BSR的地震剖面，图中绿色线为海底滑塌之前存在的BSR，可以看出并不与现有海底平行，在滑塌构造部位，部分旧BSR已逐步分解，滑塌造成了水合物稳定带底界面降低，一组新的BSR(蓝色线)正逐步形成。

3叠前反演与属性分析

只依据地震剖面上反射特征来识别BSR，并据此确定水合物及游离气的存在，受人为因素影响大，识别精度难以保证。天然气水合物和游离气的地震识别与预测已经从对叠后地震数据分析到对叠前地震数据分析，由早期对振幅响应、波形特征及速度结构的研究发展到利用多种反演技术对地震数据提取多属性、多弹性参数综合分析。当水合物分散于孔隙流体时，储层具有纵波速度增加而横波速度基本不变的特征。因此，通过叠前AVO/AVA反演获得的纵、横波信息可以更精确地对水合物藏进行识别和预测。

图7　双BSR分布的地震剖面特征Fig.7　Double BSR characters in the study area

3.1水合物相关的AVO特征

最早关于BSR的AVO研究是为了在钻前确认BSR底界面下的气藏，目标集中于分析地震BSR是由水合物还是气藏引起。Sava等[10]采用基于岩石物理模型分析的办法合成地震道集，用以反演BSR的AVO特征，通过对Blake Ridge陆缘的BSR地震资料分析发现BSR为水合物沉积层与下覆游离气层分界面，并且BSR振幅随着偏移距的增大明显负向增大。这种现象是因为BSR之上的P波速度大于BSR之下的P波速度，同时BSR之上的S波速度小于BSR之下的S波速度。

图8(a)为大面积型BSR的叠加地震剖面，可以看出BSR连续且明显，具有与海底平行、切割沉积层序，与海底反射极性相反的特点。图8(b)为在叠加地震剖面上三角形对应的CDP点抽取叠前CRP道集，分析发现，在叠前道集上BSR的AVO特征明显，反射极性与海底相反，并且随着入射角度的增加反射系数负向降低，具有第四类AVO特征。在保幅叠前偏移资料的基础上，对上述4种类型的BSR分别提取叠前AVO道集显示如图9所示，可以看出大面积型、亮点型以及双BSR型的道集都具有明显的第四类AVO特征，其中大面积型AVO特征最强。

为进一步认识水合物储层及其之下的游离气层对AVO响应特征的影响，通过建立数值模型的办法进行研究。图10为参考Sava等[10]在Blake Ridge陆缘的岩性参数信息建立的水合物BSR界面模型，图中水合物储层与含气储层都是孔隙度为37%的砂岩，因温压条件限制储层上部气体与水结合形成水合物，储层下部气体以游离气形式存在，两者界面形成BSR。

图8　大面积型BSR的响应特征Fig.8　Response characters of widely distributing BSRs in the study area

图9　不同BSR的AVO响应特征Fig.9　AVO response characters of different distribution types of BSRs in the study area

图10　建立的天然气水合物BSR界面模型Fig.10　Mathematical model established for BSR reflection in gas hydrate reservoir

采用流体替代的办法分别计算不同含水合物饱和度(饱和度Sgh从0%到99%变化)下储层速度信息，并由此得到不同含水合物饱和度情况下储层的AVO反射特征。图11为储层段入射角从0°到45°变化的AVO反射特征曲线。从图11可以看出：(1)含水合物饱和度较低情况下，储层呈现第三类AVO反射特征，随着水合物饱和度从低到高增加到70%，PP波从第三类AVO响应逐渐变为第四类响应；(2)在小入射角度的反射轴比在大入射角时能更好地区分水合物饱和度。出现上述变化的主要原因是由于随着饱和度的增加，水合物引起地层胶结作用导致横波速度明显增加。研究工区内水合物具有第四类AVO反射特征表明，工区内水合物很可能以具有高饱和度并占据大量孔隙空间的形式存在。

图11　不同饱和度下储层AVO反射特征Fig.11　AVO reflection characters of reservoir at different gas-hydrate saturation

3.2叠前反演储层预测

研究区处于勘探开发初期，缺失测井以及岩心分析资料，给叠前反演带来很大困难。为建立合理的可用于叠前反演的初始模型，采用速度分析的办法获得地层叠加速度，通过Dix方程转换为层速度。通过Gardener公式计算密度，从邻近区域的纵横波经验关系获得横波速度。通过叠前反演获得纵波阻抗、横波阻抗、Vp/Vs等属性参数。

图12显示大面积分布型BSR的地震剖面以及叠前反演结果。BSR之上的红色条带区域为水合物发育区，之下的蓝绿色区域为游离气带。可以看出，水合物在叠前反演剖面上特征明显，具有明显的高纵波阻抗、高纵横波速度比、横波阻抗变化不明显的特点，与BSR之下的游离气层所体现的低纵波阻抗与低纵横波速度比的特征形成鲜明对比。

图12　大面积型BSR叠前反演剖面特征Fig.12　Prestack inversion characters of widely spreading BSR in the study area

比较利用λ/μ，Vp/Vs，P×G等叠前地震属性预测水合物藏的效果，最终选用截距P×梯度G作为优选属性。图13为叠后振幅属性与叠前反演P×G属性预测水合物分布效果的对比。从图中可以看出截距-梯度乘积属性以及均方根振幅所显示的BSR平面分布区域大致相同，这也证实工区内BSR大面积分布，优质BSR发育区域与河道有关，叠前反演结果具有更高的分辨率。因此，在资料缺乏的地震勘探初期，叠后属性可以作为水合物预测的直接指示因子。

图13　水合物分布预测Fig.13　Gas hydrate distribution predicted by poststack amplitude attribute and prestack inversion attribute

4结论

(1)根据海上Z区海槽地震资料反射特征，结合物源、运移通道、储集空间等地质条件差异，将水合物储层分为大面积型、亮点型、运移通道型和双BSR型4种主要类型。

(2)在勘探开发初期，测井资料和岩心数据缺乏的情况下，叠后属性可以作为水合物预测的直接指示因子。

(3)水合物储层的AVO特征的叠前预测结果表明，与叠后反演方法相比，叠前反演方法对水合物储层的识别和预测具有更高分辨率。

致谢：审稿专家提出了众多有益修改意见，在此表示感谢！

参 考 文 献：

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责任编辑：王辉

DOI：10.3969/j.issn.1673-064X.2016.01.005中图分类号：TE122.1

文章编号：1673-064X(2016)01-0029-08

文献标识码：A

收稿日期：2015-09-17

基金项目：国家重点基础研究规划“973”项目(编号：2011CB201103)

作者简介：唐志远(1984-)，男，博士，主要从事地球物理综合解释研究。E-mail：mmg00@163.com

Seismic Study and Accumulation Prediction of Natural Gas Hydrate in a Sea Area

TANG Zhiyuan1,2,3,GUO Qingzheng1,DENG Qiang1,WANG Min4,WEI Tiangang5

(1.Energy Development Engineering Technology Branch,CNOOC,Tianjin 300457,China;2.Puda Software Technology Co.,Ltd., Tianjin 300457,China;3.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100020,China; 4.Research Institute of Exploration and Development,Northeast Oil and Gas Branch of Sinopec,Changchun 130026,Jilin,China; 5.Tianjin Branch,CNOOC,Tianjin 300457,China)

Abstract:The natural gas hydrate in the sea area locating in the northern part of a Cenozoic Basin is studied based on pre-stack time migration seismic data,and a method for predicting natural gas hydrate reservoirs by combining geological data with seismic data is proposed.Firstly,carry out geological analysis based on gas source,structure and sedimentary data to determine the geological conditions favorable to natural gas hydrate accumulation,and then analyze the seismic characteristics of BSR(bottom simulating reflector)based on the analysis of post-stack seismic profile,the BSR is divided into four types.Finally,predict the distribution of natural gas hydrate and free gas based on gas pre-stack inversion.According to prediction result,it is held that natural gas hydrate widely distributes in the sea area,and its distribution is influenced by gas source condition,storage space,and temperature and pressure conditions.

Key words:natural gas hydrate;BSR;hydrate stability zone;reservoir prediction