海洋天然气水合物地震探测技术进展——从单纵波到多波

海洋天然气水合物是21世纪重要的潜在新能源。针对海洋天然气水合物地震探测技术,从水合物储层的地震识别特征、岩石物理模型以及多波地震技术应用3个方面,分析了在针对不同类型水合物储层时现有岩石物理模型的诸多不适应性;介绍了单纯利用海洋高分辨率纵波技术识别水合物储层、预测水合物饱和度的效果及其局限性;从纵波似海底反射(BSR)及地震空白带(SBZ)识别标志与水合物储层指示关系的非唯一性角度阐明了联合使用纵波和横波进行水合物储层识别与饱和度估算的优势,指出海洋水合物多波地震技术发展中面临的提高海底地震仪(OBS)数据处理与成像精度、建立兼顾温压条件的岩石物理模型等亟需解决的问题;最后提出了基于水合物储层薄(互)层模型的弹性波响应研究、利用地震技术动态监测水合物储层空间分布及饱和度变化等未来的主要研究方向,以推动水合物勘探开发的地震技术发展。     

南海北部陆坡天然气水合物地震识别研究

天然气水合物的存在改变沉积地层的声学特征，使得多道地震勘探成为发现天然气水合物的主要手段。地震识别首先通过地震剖面上独特的地震反射特征初步判断，然后经过地震反演获得地层的速度场分布，从而确定天然气水合物的存在及分布。南海北部陆坡是天然气水合物形成并稳定存在的有利区域，其多道地震反射剖面上具有明显的天然气水合物存在标志，包括强振幅的似海底反射（BSR）、振幅空白带、BSR与地层斜交等典型地震反射特征。文章以南海北部陆坡区的多道高分辨率地震数据为基础，探讨了天然气水合物地震识别的地震成像和波阻抗反演这二个方面的关键技术；研究结果不但突出了含天然气水合物地层的地震反射特征，并得到与天然气水合物最相关的地层岩性参数--声波速度；地震反射特征与速度场异常分别为天然气水合物的识别提供了定性和定量的地球物理证据；根据声波速度场的分布，可以推断存在于研究区地层的天然气水合物主要分布在靠近BSR的上覆沉积地层中。     

天然气水合物沉积层的AVA特征

本文首先分析了天然气水合物沉积的三种微观模式,根据其不同的岩石物理模型特点,研究了弹性参数随水合物饱和度的变化规律;以精确Zoepprize方程为基础,研究随饱和度变化的AVA特征;最后,利用不同的理论模型模拟了BSR现象,分析BSR产生的三种客观条件以及调谐作用对BSR的影响。研究结果表明:天然气水合物饱和度、下伏层游离气的存在与否与水合物沉积层孔隙的变化是影响BSR特征的重要因素。本文的研究结果可为天然气水合物的深度研究提供一种思路。     

南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层的速度特征

2007年在南海北部神狐海域对天然气水合物（以下简称水合物）的钻探结果表明,仅依靠似海底反射（BSR）和振幅空白不能揭示沉积层内水合物的赋存状态,不能准确地圈定水合物的分布面积和储层厚度。为准确判定水合物储层情况,对南海北部神狐海域声波测井及地震资料进行了精细分析,研究了含水合物沉积层的声波速度、地震速度的分布特征和变化规律。结果认为：①地震反射剖面上,由于水合物饱和度、厚度增大,引起含水合物沉积层的速度增大而产生上拉构造,其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造,即“眼球状”的速度振幅异常结构;②含水合物层的层速度大小与沉积物孔隙度和水合物饱和度密切相关,水合物饱和度随声波速度升高而上下波动,总体趋势上随声波速度的升高而增高;③在含水合物带内部,高速层呈平行于海底的带状分布,底部速度最高,从底部往上速度逐渐降低;④利用上述特征,结合其他地质和地球物理资料,依据层速度可识别地层中水合物的存在,计算水合物的饱和度,确定含水合物层的厚度、分布范围,并可进一步计算水合物的资源量。     

南海东北部陆坡天然气水合物藏特征

2013年下半年,国土资源部中国地质调查局、广州海洋地质调查局在南海东北部陆坡水深664~1 420m范围内钻探13个站位,取心获取了大量、多种类型的天然气水合物(以下简称水合物)实物样品,其中甲烷气体含量超过99%。对南海东北部陆坡天然气水合物成藏特征的研究结果表明:1地震反射剖面上具有多道似海底反射层(BSR)、振幅空白带(BZ)、BSR与地层斜交、速度反转等地震异常;2测井曲线揭示含水合物沉积层具有高电阻率(200Ω·m)、高纵波速度(2 700m/s)的特征;3地震和测井异常特征暗示该区具有单、双层水合物藏组合特征;4该区域水合物藏位于海底之下埋深220m以内的粉砂质黏土及生物碎屑灰岩沉积物中,水合物饱和度为45%~100%;5自然状态下,水合物呈块状、层状、瘤状、脉状、分散状等5种赋存形式;6研究区天然气水合物赋存类型多、饱和度高、甲烷纯度高,初步估算该区天然气水合物地质储量约为1 250×108 m3(50%概率条件下),是有利的勘探目标区。     

南海“神狐型”BSR特征及影响因素

为了深入探讨神狐海域BSR特征及其影响因素,对天然气水合物钻探区高分辨率地震资料进行了精细解释。结果表明,神狐海域天然气水合物与BSR具有较好的对应关系,研究区BSR总体表现出多轴(或不光滑)和连续性较差的特征;BSR振幅强度主要与水合物稳定带之下的游离气有关。结合世界典型水合物发现区BSR特征分析认为,"神狐型"BSR的形成可能主要与不同成因水合物在纵向上的相互叠置有关。      

灰岩潜山储集层的油气检测方法

 理论研究和实验表明，多孔隙介质中流体的存在及其运动是弹性波频散和衰减的主要原因。地震波在地下岩层多孔介质的传播过程中，由于所含流体性质不同，特别是当岩石中含有石油和天然气时，地震波的吸收衰减量显著增大。地震波的吸收衰减信息和振幅信息密切相关，与其他地震信息相比具有更高的灵敏度。本文以Biot理论和实验室试验数据为依据，在多相介质条件下，阐述了储层中不同流体对地震波振幅的吸收衰减作用的差异，并利用地震波的振幅吸收衰减信息对灰岩潜山缝洞型储集层进行了油气检测研究，取得了良好的应用效果。     

南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

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天然气水合物作为一种新的烃类资源在人类未来能源中具有极大的潜力，由于天然气水合物大多储藏在水深300 m以下的海底沉积物及冻土地带中，因此研究的重要内容之一就是利用地震准确地识别和预测其分布与资源量。地震识别的特征有似海底反射（BSR）标志特征、BSR强反射界面之上的高速异常带、BSR附近存在的弱振幅或振幅空白带、AVO的正负异常和BSR的极性反转。文章在综合分析的基础上，指出了天然气水合物研究中存在的主要问题，并论述了该项研究在地震资料的特殊处理技术研究、海底地球化学探测技术、水合物高保真度取心技术、人工源海底电磁探查技术和遥感图像信息处理技术等方面的发展趋势。     

珠江口盆地东部海域含天然气水合物沉积层的地球物理特征

为了弄清珠江口盆地东部海域为何存在渗漏型和扩散型两种天然气水合物(以下简称水合物)类型以及其间的地球物理特征有何区别,根据钻井资料和区域地质条件,对该区地震和测井资料进行了精细分析,总结了不同水合物沉积地层的地球物理特征和构造特征。结果表明:(1)含水合物层的测井曲线具有高电阻率、高声波速度、高中子孔隙度、低补偿密度和低自然伽马值的"三高两低"的异常特征;(2)含水合物层在地震反射剖面上具有似海底反射(BSR)、振幅空白带、BSR与地层斜交及眼球状结构等特征;(3)当地震剖面上存在模糊、杂乱反射且BSR之下气烟囱发育、BSR之上有断裂通道时,通道内容易形成渗漏型水合物矿体,而BSR上面连续性较好的振幅空白带所反映的沉积地层则是扩散型水合物矿藏的主要储集层;(4)渗漏型水合物矿藏上、下两层水合物的物性特征存在着显著区别,下层水合物碳氢气体浓度较高,在断层通道内高度聚集形成块状水合物,上层水合物碳氢气体浓度下降,分布范围较广;(5)扩散型水合物由于气体容积扩散导致气体浓度下降,分布范围较大。     

BSR及其下伏游离气区的分布特征与控制因素

拟海底反射层（Bottom Simulating Reflector,简称BSR）是水合物底界的地震反射标志,其上部的振幅空白带是含水合物地层的反射特征,下部的高振幅异常区代表了下伏的游离气区（Free Gas Zones,简称FGZs）。利用高分辨率三维地震资料,精细描述了毛里塔尼亚滨海地区的BSR和FGZs的地震反射特征及其与周边沉积构造单元的关系。BSR在底辟构造上部出现上拱现象,在靠近峡谷两壁时BSR位置快速变深。据分析,在底辟构造带,沿断裂体系向上运移的热流体改变了此处的水合物稳定条件,导致水合物稳定底界向上变浅。而峡谷对周边沉积物的冷却作用使当地的水合物稳定条件发生与底辟构造带处相反的变化,导致水合物稳定底界向下发生移动,在地震上表现为BSR深度的增加。另外,研究发现BSR和FGZs在流体运移通道较发育的地区,如断层、气烟囱和底辟构造带地区更加发育,证明流体运移体系在该地区对水合物和FGZs的形成具有十分重要的作用,提供了水合物体系的气源供给。     

东沙海区天然气水合物形成及分布的地质因素

分析了东沙海区似海底反射波(BSR)分布区的地质构造特征,以了解水合物的地质构造控制因素.似海底反射波通常被认为与水合物密切相关,主要出现在下陆坡沉积物碎屑流和浊流发育区,邻近在海陆过渡带,也是活动断裂构造密集发育和快速沉积作用(重力流沉积作用)地区.该区位于被动大陆边缘,发育巨厚的沉积物.这些沉积物能够供应大量的流体(天然气和水),在渗透性相对高的碎屑流和浊流沉积物中形成水合物.此外,沿洋陆壳过渡带,岩石圈热结构表现较高的热流值,容易形成似海底反射波.相反,在缺乏似海底反射波分布的广大上陆坡区,较薄沉积作用和构造剥蚀等因素不利于似海底反射波发育和天然气水合物的形成.     

尼日尔三角洲前缘挤压带的古今BSRs分布特征

本文通过对尼日尔三角洲前缘挤压带的三维地震资料进行解释和属性提取,结合BSR数值模拟,分析了与天然气水合物相关的古今BSRs的分布特征及其发生垂向运移的主控因素。古今BSRs分别代表了天然气水合物稳定底界过去和现今的位置,在研究区古今BSRs均分散分布且主要位于褶皱带断层、气烟囱或者底辟构造等流体运移通道发育的地区,反映了流体运移条件对BSR的形成具有控制作用。古BSRs的反射特征较现今BSR弱,分布范围也更局限,其振幅特征可能是由先前存在的天然气水合物所导致的成岩作用引起的。现今BSR深度与海底深度呈正相关,但水合物稳定区厚度随海底深度的增加变化不大,约为425 m。BSR在地质历史时期的垂向迁移是诸多因素综合作用的结果。尼日尔三角洲挤压带的构造活动强烈且目的层沉积速率较高,深部热流也可沿断层、底辟等通道运移至浅部;下伏地壳是洋壳和过渡壳,大地热流值较高,且海相泥页岩热封盖能力强,这些条件均有利于BSR的向上迁移。另外,研究区的高饱和度水合物层表现为BSR上部的正极性、强振幅异常,主要位于气烟囱和背斜顶部,指示了流体运移通道对水合物成藏的控制作用。研究区BSR下伏游离气FGZs发育较为局限,仅在褶皱带流体运移通道发育的位置发育较薄的FGZs。     

天然气水合物裂隙输导系统地震表征

南海是世界4大海洋油气聚集中心之一,南海北部陆坡已发现多个油气田和天然气水合物（以下简称水合物）矿藏。依靠高精度的地震探测技术,近年南海水合物矿藏的勘探大有进展,但是地震检测技术的成功率有待提高。科学钻探证实,单纯依靠稳定带中识别BSR寻找水合物有多解性,而水合物成藏系统的研究,尤其是对运聚输导系统的研究目前还不够深入。裂隙是南海北部水合物成藏成矿的主要输导体系,为有效表征水合物的裂隙输导系统,该文结合油气藏运聚系统研究的成功经验,将常规油气勘探中已成功应用的裂隙识别技术,应用到琼东南海域似海底反射区,成功雕刻表征出了水合物裂隙输导体系,并基于结果讨论了其运移效能。裂隙地震表征可作为水合物输导体系的研究手段应用于其成藏系统的研究。      

天然气水合物勘探方法—BSR适用性探析

文章对广泛用于分析和识别天然气水合物稳定带的BSR特征 ,即 ,似海底反射特征进行了阐述 ,并讨论了引起BSR多解性的因素 ,及其判识天然气水合物稳定带的优劣性 ,指出了BSR能够预测天然气水合物稳定带的局限性 ,并探讨了如何应用BSR技术与地质、测井、气源岩地球化学、地球物理等综合研究判识天然气水合物存在范围及其资源量评价     

南海北部陆坡天然气水合物沉积成藏特征

指示天然气水合物存在的重要地球物理标志--BSR（似海底反射）在南海北部陆坡晚中新世以来的地层中广泛分布。根据BSR在晚中新世以来3个三级层序地层内的分布特点,结合区域热动力背景、沉积特征（沉积相、沉积速率、含砂率、岩性特征等）和典型沉积体（构造坡折带、滑塌体、沉积物波）的综合分析,系统研究了南海北部陆坡天然气水合物的沉积成藏特征。研究表明,BSR的分布在满足温压、气源的基础上更明显地受沉积体系展布和所处构造部位的控制,气源和温压条件只是影响BSR分布的必要条件而非充分条件。建立了南海北部陆坡典型沉积成藏模式,总结了在陆架、陆坡、陆基上随着水深的增加各种沉积体的分布及其与BSR和水合物稳定带的关系,展示了水合物成藏的典型要素。BSR与构造坡折、深水重力流及等深流沉积密切相关,大多数BSR分布区均位于地貌变化陡峭、地形起伏较大、长期继承性隆升与沉降交汇的黏土质粉砂和粉砂等沉积物中。在陆架三角洲前缘,BSR侧向较连续但延伸距离短,水合物成藏的关键在于深部气源的沟通条件;在陆坡海槽与底辟发育区,BSR受断层与底辟切割往往呈断续分布,沉积物的快速卸载可为水合物的赋存提供较好的沉积储层条件;在陆基至深海区海底扇、浊流、等深流发育的位置,BSR侧向连续延伸距离远,气源主要为浅部生物气,以侧向运移为主。