李 杰 何 敏 顏承志 李元平 靳佳澎

南海北部揭陽凹陷天然氣水合物的地震異常特征分析*

李 杰1, 2何 敏1, 2顏承志1, 2李元平1, 2靳佳澎3

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 深圳 518054; 2. 中海石油深海開發(fā)有限公司 深圳 518054; 3. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071)

大量研究表明南海北部珠江口盆地是天然氣水合物發(fā)育區(qū), 但是該盆地東部揭陽凹陷水合物研究較少。本文利用揭陽凹陷新采集三維地震資料, 對(duì)該三維地震資料進(jìn)行成像道集優(yōu)化和疊前時(shí)間偏移處理, 得到針對(duì)水合物的新處理地震數(shù)據(jù)體, 并通過高精度網(wǎng)格層析反演得到層速度數(shù)據(jù)體。利用該數(shù)據(jù)開展疊后約束稀疏脈沖反演, 獲得含天然氣水合物地層波阻抗異常, 綜合分析反演與地震屬性識(shí)別水合物。從新處理地震資料看, 該區(qū)域似海底反射(bottom simulation reflection, BSR)反射呈連續(xù)、不連續(xù)與地層斜交等特征, BSR發(fā)育在一個(gè)繼承性小型水道上, 且下部斷裂和氣煙囪發(fā)育。通過分析BSR特征及BSR上下地層的速度、波阻抗、振幅、頻率、相干等屬性異常, 結(jié)合水合物成藏條件, 發(fā)現(xiàn)了南海北部新的天然氣水合物有利富集區(qū), 為該區(qū)域水合物勘探提供基礎(chǔ)。

天然氣水合物; 揭陽凹陷; 地震反演; 水合物成藏

天然氣水合物是由水分子與甲烷分子在低溫、高壓環(huán)境下形成的一種類似于冰的固態(tài)化合物(Sloan, 1998; Sloan, 2008)。目前已經(jīng)在南海北部多個(gè)盆地通過鉆探證實(shí)存在大量天然氣水合物, 自2007年以來, 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海北部進(jìn)行了多個(gè)水合物取樣、鉆探航次, 發(fā)現(xiàn)南海北部陸坡地區(qū)存在孔隙和裂隙充填型水合物(Wang, 2011; Sha, 2015), 特別是神狐海域天然氣水合物大量鉆探表明, 水合物層厚度從幾米至七十多米不等, 且飽和度最高能達(dá)到60%左右(Yang, 2017; Qian, 2018), 并開展了試驗(yàn)開采工作(Li, 2018), 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)2個(gè)月穩(wěn)定開發(fā)。

利用反射地震調(diào)查與解釋、測(cè)井評(píng)價(jià)、巖石物理和成藏系統(tǒng)分析等技術(shù)方法, 在南海北部開展了天然氣水合物大量的研究工作(宋海斌等, 2001; 陳多福等, 2005; 劉學(xué)偉等, 2005; 吳能友等, 2007; 閻貧和陳多福, 2009; 欒錫武等, 2010; 張光學(xué)等, 2011; Wang, 2011; Qian, 2018; 王秀娟等, 2017), 形成識(shí)別和定量評(píng)價(jià)天然氣水合物方法。但是從大量研究來看, 南海北部水合物研究主要集中在珠江口盆地、瓊東南盆地、中建盆地與臺(tái)西南盆地(Lin, 2009; Liu, 2006; Yang, 2014; Sha, 2015; Zhang, 2015), 而其他區(qū)域研究程度相對(duì)較低。

近期, 中海石油(中國)有限公司與臺(tái)灣合作, 對(duì)南海北部東沙隆起東部的揭陽凹陷采集了三維地震資料, 由于區(qū)內(nèi)缺少淺層測(cè)井?dāng)?shù)據(jù), 本文主要根據(jù)指示天然氣水合物存在的地球物理異常特征, 結(jié)合該區(qū)域的實(shí)際地震資料情況, 對(duì)調(diào)查區(qū)新采集地震資料進(jìn)行成像道集優(yōu)化和疊前地震處理, 通過網(wǎng)格層析反演得到高精度速度和疊前深度數(shù)據(jù)體, 系統(tǒng)分析該區(qū)域潛在天然氣水合物地質(zhì)條件, 并對(duì)該區(qū)域發(fā)育的似海底反射(bottom simulation reflection, BSR)、流體運(yùn)移有利通道、斷裂與氣煙囪分布特征進(jìn)行研究, 新發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物有利發(fā)育區(qū), 為下一步開展勘探提供研究基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南海北部東沙隆起帶以東, 潮汕坳陷北東方向(圖1a)。潮汕坳陷主要呈北東-南西走向, 為一個(gè)殘留的中生代盆地(趙淑娟等, 2012), 與珠江口盆地明顯差異的是, 潮汕坳陷中生代沉積為主, 沉積最厚約為5200m, 新生代沉積較薄。前人研究顯示東沙海域及其東部的潮汕坳陷在晚中新世末-早上新世初(5.5Ma)經(jīng)歷了一次重要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)-東沙運(yùn)動(dòng), 其在構(gòu)造上主要表現(xiàn)為斷塊升降, 在隆起區(qū)上覆沉積層受到強(qiáng)烈侵蝕作用, 造成中新世及部分上新世地層缺失, 在東沙及其東部海域形成大量張性斷層, 部分?jǐn)鄬訛榍写┖５准盎住巴ㄌ鞌鄬印?Li, 2008; Yan, 2014; 劉濤, 2019)。另外潮汕坳陷是油氣勘探潛力區(qū), 侏羅系海相沉積被認(rèn)為是有利油氣儲(chǔ)層地層, 匹配區(qū)域發(fā)育的大量正斷層, 該地區(qū)被認(rèn)為是水合物有利勘探區(qū)(Yan, 2006)。

本研究利用該區(qū)域針對(duì)水合物保幅處理三維地震資料和速度場(chǎng)信息, 面積約130km2。利用三維地震資料解釋的水深變化范圍為1100—1500m。從海底地形看, 研究區(qū)峽谷發(fā)育, 沉積類型復(fù)雜多變, 主要發(fā)育水下扇體(圖1b)。由于受到海底峽谷水道的頻繁侵蝕, 水合物穩(wěn)定帶底部位于10.5—16Ma (T30—T40)之間(圖1c)(劉濤, 2019; 吳曉川等, 2019)。在疑似BSR下方發(fā)育大片模糊反射區(qū), 具有明顯的“氣通道”反射特征, 表明中深部氣運(yùn)移通道發(fā)育。另外, 地震剖面上斷層非常發(fā)育, 表現(xiàn)為多期拉張作用下發(fā)育的“X”型正斷層, 斷層斷面平直、活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長, 淺層斷層發(fā)育, 多數(shù)斷層斷至海底(圖1c)。

圖1 研究區(qū)揭陽凹陷位置(a)、海底地形(b)以及解釋典型地震剖面(c)

注： BSR: 似海底反射; T30: 13.8Ma; T40: 16Ma; 圖c中地震剖面方向A和B見圖b

2 高精度網(wǎng)格層析速度反演

研究區(qū)目前無油氣鉆井與水合物鉆井可供利用, 而穩(wěn)定帶上部存在速度異常是識(shí)別水合物一種重要屬性異常。因此, 除了通過對(duì)資料重新處理(如噪音去除、多次波衰減和地震成像等常規(guī)處理)外, 為了獲得更準(zhǔn)確的速度場(chǎng), 本文對(duì)成像道集凈化和高精度網(wǎng)格層析速度反演。

2.1 τ-p域成像道集凈化

成像道集的質(zhì)量通常受資料信噪比、多次波及靜校正等因素影響, 如何提高成像道集的質(zhì)量決定了剩余延遲(residual moveout, RMO)的精度, 也決定了速度反演的精度。利用τ-p域成像道集凈化對(duì)疊前道集進(jìn)行了處理, 不僅能壓制多次波還有效提高了道集的信噪比, 在成像道集凈化的同時(shí)還保持了由于速度影響造成的有效反射同相軸的剩余延遲信息, 形成基于運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行道集凈化方法。凈化后的道集較好壓制了剩余多次波, 并有效提高了資料的信噪比, 利于更精確的RMO拾取, 為層析反演提供高質(zhì)量道集資料。

2.2 高精度網(wǎng)格層析速度反演

研究區(qū)海底崎嶇起伏大, 斷裂系統(tǒng)發(fā)育, 由于海底侵蝕作用影響, 淺部地層僅在西北部地區(qū)發(fā)育, 大部分地區(qū)缺失, 局部區(qū)域可發(fā)現(xiàn)特征較為明顯BSR(圖1c)。本研究通過高精度網(wǎng)格層析反演獲得高分辨率淺層速度異常, 同時(shí)兼顧中深部地層反射, 提高斷裂發(fā)育區(qū)成像效果。通過深度偏移成像道集中同相軸的RMO進(jìn)行層析成像反演來優(yōu)化速度模型。在速度反演過程中采用從淺部至深部, 從大尺度到小尺度的多次迭代優(yōu)化方法。主要包括以下步驟(圖2):

(1) 利用疊前時(shí)間偏移的速度場(chǎng)和年代地層框架模型建立初始的速度場(chǎng), 使用精確的初始速度模型提高迭代效率, 確保速度的合理性;

(2) 在初始速度基礎(chǔ)上開展目標(biāo)區(qū)疊前深度偏移處理, 自動(dòng)拾取剩余深度差并進(jìn)行高精度網(wǎng)格點(diǎn)層析速度反演, 迭代更新速度場(chǎng), 獲取精細(xì)層速度。

(3) 經(jīng)多次迭代, 針對(duì)淺層進(jìn)一步優(yōu)化速度提高速度細(xì)節(jié), 最終獲得研究區(qū)高精度速度場(chǎng)信息, 利用該速度進(jìn)行偏移成像。

圖2 高精度網(wǎng)格層析速度反演流程

通過多次迭代, 獲得研究區(qū)高精度網(wǎng)格點(diǎn)層析速度反演的速度場(chǎng)(圖3)。從該圖看, 淺層速度場(chǎng)在解釋的BSR上部出現(xiàn)高速度異常, 速度達(dá)2.0km/s, 在BSR下部出現(xiàn)低速度異常, 速度約為1.6km/s。利用該速度場(chǎng)進(jìn)行疊前時(shí)間偏移成像, 從地震剖面看, BSR上部地層出現(xiàn)局部強(qiáng)振幅反射, BSR下部出現(xiàn)局部振幅增強(qiáng)。局部發(fā)育斷層, BSR下部地層成像明顯改善, 盡管地震反射呈弱振幅, 但是橫向呈連續(xù)反射, 表明BSR下部局部存在游離氣。

3 含天然氣水合物層地震異常特征分析

3.1 BSR反射特征分布

利用時(shí)間偏移地震資料, 發(fā)現(xiàn)研究區(qū)BSR主要分布于兩條峽谷中間的脊部地層中, 從地震剖面看, 脊部兩側(cè)地層受到明顯侵蝕作用, 造成T30以來地層的局部缺失(圖1b, c)。根據(jù)BSR的地震反射特征, 該區(qū)域BSR呈兩類(圖4)反射特征: 連續(xù)BSR (continuous BSR, CBSR)和不連續(xù)BSR(discontinuous BSR, DBSR)。CBSR在地震剖面上呈連續(xù)、強(qiáng)反射特征, BSR上部出現(xiàn)局部強(qiáng)反射且與地層近似平行(圖4a), BSR下部亮點(diǎn)反射沿地層展布, 終止在BSR之上, 位于地層構(gòu)造高點(diǎn)之上, 即水道脊的頂部。DBSR分布在峽谷侵蝕側(cè)翼, 地層被峽谷侵蝕, BSR與地層呈明顯的斜交關(guān)系, 強(qiáng)振幅與弱振幅交互出現(xiàn), 下部亮點(diǎn)反射終止在BSR處(圖4a), 在CBSR上方存在與海底極性一致的強(qiáng)反射, 可能指示相對(duì)高飽和度水合物層發(fā)育(圖4a)。

通過對(duì)研究區(qū)三維地震資料精細(xì)解釋, 發(fā)現(xiàn)該區(qū)域BSR發(fā)育在一個(gè)多期次疊置水道上(圖4a), 該水道主要分為四期(圖4b—e), 不同期次水道的水合物平面分布特征相似, 呈北東-南西走向, BSR主要分布在水道中部, 橫跨水道(圖4)。從該區(qū)域解釋層位看, BSR位于T40到T30(16—10.5Ma), 該層為韓江組地層(圖1c), 該時(shí)期是一個(gè)穩(wěn)定的海相沉積, 海底侵蝕目標(biāo)區(qū)位于T30之上地層。因此, 與珠江口盆地相比, 該研究區(qū)BSR位于相對(duì)較老地層, 從反演速度剖面看, 速度背景高于珠江口盆地飽和水地層速度(1.65km/s), 表明揭陽凹陷地層的壓實(shí)固結(jié)程度可能較高。

圖3 研究區(qū)典型測(cè)線BSR位置地震剖面(a)和高密度分析層速度(b)及其BSR上部50ms高速異常(c)和BSR下方50ms低速異常(d)分布區(qū)

注： 紅色實(shí)線: 反演速度圈定的高速異常范圍; 藍(lán)色實(shí)線: 反演速度圈定的低速異常范圍

3.2 屬性異常分析

與不含水合物地層相比, 穩(wěn)定帶底界下部的地層可能含游離氣, 也可能為飽和水地層, 均呈現(xiàn)“上部高速、下部低速”異常特征, 在地震剖面上均產(chǎn)生BSR。根據(jù)全區(qū)高精度網(wǎng)格層析反演后的層速度, 發(fā)現(xiàn)研究區(qū)BSR上方為高縱波速度異常, BSR下方局部出現(xiàn)低縱波速度異常(圖3)。

由于目標(biāo)區(qū)沒有測(cè)井資料, 為了驗(yàn)證高密度網(wǎng)格層析反演的縱波速度是否合理。本文同時(shí)利用疊后反演縱波阻抗識(shí)別水合物層。我們利用地震處理獲得低頻速度(4Hz以下)建立低頻趨勢(shì)模型, 進(jìn)行約束稀疏脈沖反演, 獲得含水合物的波阻抗剖面(圖5)。在BSR附近的地震資料中提取振幅子波(圖5b), 進(jìn)行約束稀疏脈沖反演。為了獲得比較合理反演結(jié)果, 通過選擇合適的子波比例因子, 來調(diào)整反演阻抗的高值異常大小, 其中子波比例因子為4.0時(shí), 反演波阻抗剖面與地震異常吻合較好(圖5c)。從圖5可以看出, 在BSR上方存在連續(xù)的高波阻抗值, 而在BSR下方存在有低波阻抗區(qū)。從反演的波阻抗與縱波速度看, 該區(qū)域BSR上方均為高值異常, 下方為低值異常, 表明BSR上方含水合物, 而下方含游離氣層, 表明該區(qū)域是天然氣水合物有利發(fā)育區(qū)。

圖4 研究區(qū)BSR發(fā)育特征和解釋四期水道(a)以及多期次水道平面展布(b—e)

注： CBSR: 連續(xù)BSR; DBSR: 不連續(xù)BSR; a中黑色虛線: 追蹤的四個(gè)期次水道層位; b—e中黑色實(shí)線: 識(shí)別的水道發(fā)育邊界; b—e中紅色實(shí)線: 識(shí)別的BSR范圍; e中W: 西, E: 東

3.3 天然氣水合物空間分布

由于受構(gòu)造活動(dòng)影響, 研究區(qū)正斷層相對(duì)比較發(fā)育, 說明該地區(qū)整體位于構(gòu)造拉張環(huán)境下。由于受侵蝕作用, 大量斷層到達(dá)海底(圖6a), 局部斷層切穿BSR。研究區(qū)局部發(fā)育了氣煙囪構(gòu)造, 在地震剖面上呈弱反射或雜亂反射特征(圖6a), 在地震相干剖面上為低相干。在BSR上方發(fā)育比較明顯的連續(xù)反射界面, BSR上方有明顯高速度、高波阻抗異常, 推測(cè)為水合物發(fā)育層段頂面, 主要分布在BSR發(fā)育區(qū)構(gòu)造較高部位。BSR下方表現(xiàn)出明顯的低速度與低波阻抗異常, 比周邊正常地層速度明顯偏低, 高速度異常與低速度異常在垂向上對(duì)應(yīng)關(guān)系良好(圖5c)。

為了研究水合物平面分布特征, 我們利用研究區(qū)深部油氣鉆探ST18-6井(位置見圖1), 地溫梯度45°C/km, 海底溫度4°C計(jì)算研究區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定帶底界深度, 再結(jié)合反演縱波速度, 計(jì)算穩(wěn)定帶底界雙程走時(shí), 沿穩(wěn)定帶底界一定時(shí)窗內(nèi)提取不同屬性, 研究水合物空間分布。相干屬性是識(shí)別斷層與沉積環(huán)境變化的有效屬性參數(shù), 本文利用Petrel軟件提取三維地震數(shù)據(jù)相干屬性, 沿穩(wěn)定帶底界30ms時(shí)窗提取該層的相干屬性。從該相干屬性看, BSR周圍及內(nèi)部斷層發(fā)育密集(圖6b), 表明正斷層構(gòu)造是該區(qū)域水合物成藏的重要條件。同時(shí)沿水合物穩(wěn)定帶底界提取反射地震的均方根振幅(RMS)和波阻抗的最大振幅值來反映水合物的巖性與異?？臻g分布(圖6), 反演波阻抗高值異常約為50ms(圖5c), 我們沿穩(wěn)定帶底界上方50ms提取RMS振幅(圖6c)和波阻抗的最大值(圖6d)。從該圖看, 異常分布區(qū)與識(shí)別BSR吻合較好, 在識(shí)別BSR范圍外局部區(qū)域存在最大波阻抗異常, 該異?？赡芘c水合物有關(guān), 也可能是地層沉積異常造成的。為了進(jìn)一步判別該異常, 利用穩(wěn)定帶底界上方50ms與下方30ms時(shí)窗內(nèi)的波阻抗差異計(jì)算穩(wěn)定帶附近的反射系數(shù), 來反映穩(wěn)定帶附近上下地層速度異常。從計(jì)算反射系數(shù)看, 在BSR發(fā)育區(qū), 若計(jì)算的反射系數(shù)為負(fù)值異常區(qū)(圖6e), 表明下伏地層與上覆地層阻抗差較大。

因此, 根據(jù)識(shí)別BSR、反演縱波速度與波阻抗和反射系數(shù)異常及氣體運(yùn)移通道的綜合分析及平面展布特征, 通過平面多個(gè)屬性疊合分析, 認(rèn)為本研究區(qū)識(shí)別BSR是由地層含有水合物造成的反射異常, 該研究區(qū)是一個(gè)潛在的有利于水合物成藏區(qū)域。

4 結(jié)論

揭陽凹陷位于珠江口盆地東部海域, 由于受東沙隆起影響, 發(fā)育了多個(gè)海底峽谷, 且斷裂與斷層較發(fā)育, 具備形成水合物的構(gòu)造與沉積條件, 受研究資料限制, 該區(qū)域天然氣水合物研究一直未取得突破。通過對(duì)該區(qū)域新采集三維地震資料, 開展高精度網(wǎng)格層析速度反演與疊前時(shí)間偏移成像處理, 發(fā)現(xiàn)了該凹陷指示水合物賦存的BSR反射。該BSR與地層斜交、與海底極性相反, BSR上出現(xiàn)的局部強(qiáng)振幅反射為水合物識(shí)別標(biāo)志, 而BSR下呈雜亂與下拉反射異常是游離氣地球物理識(shí)別標(biāo)志。由于受侵蝕影響, BSR呈不同反射特征, 脊部發(fā)育BSR呈連續(xù), 而峽谷側(cè)壁處BSR呈不連續(xù)分布特征。結(jié)合反演的高精度層速度、約束稀疏脈沖反演的縱波阻抗, 發(fā)現(xiàn)BSR上部為高值異常, 而下部出現(xiàn)低值異常, 表明該BSR是由于地層含有天然氣水合物而形成的地球物理屬性異常。利用三維地震資料, 基于區(qū)域天然氣水合物穩(wěn)定帶底界, 通過提取振幅、速度、波阻抗、反射系數(shù)和相干等屬性, 發(fā)現(xiàn)了該區(qū)域?qū)傩援惓ＥcBSR分布具有非常好相關(guān)性。廣泛發(fā)育的高角度斷裂為深部流體向上運(yùn)移提供通道, 而發(fā)育多期次繼承性水道為水合物形成提供相對(duì)較好儲(chǔ)層條件。

圖6 研究區(qū)典型地震剖面(a)與沿穩(wěn)定帶底界提取的相干(b), 均方根振幅(c), 最大波阻抗(d), 反射系數(shù)(e)屬性

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式中：ρ為鋁板的密度，C為材料的比熱，U為材料熔融后溶液流動(dòng)的速度矢量，T為溫度。在計(jì)算中，材料的性質(zhì)將隨著溫度的變化而改變。持續(xù)輸入激光能量，當(dāng)溫度超過材料熔點(diǎn)或氣化點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生相變，采用等效熱容法來處理相變潛熱吸收。

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Yang S X, Liang J Q, Lei Y, 2017. GMGS4 gas hydrate drilling expedition in the South China Sea. Fire in the Ice, 27(1): 7—11

Zhang G X, Liang J Q, Lu J A, 2015. Geological features, controlling factors and potential prospects of the gas hydrate occurrence in the east part of the Pearl River Mouth Basin, South China Sea. Marine and Petroleum Geology, 67: 356—367

SEISMIC ANOMALIES OF GAS HYDRATE-BEARING SEDIMENTS IN THE JIEYANG SAG, NORTHERN SLOPE OF SOUTH CHINA SEA

LI Jie1, 2, HE Min1, 2, YAN Cheng-Zhi1, 2, LI Yuan-Ping1, 2, JIN Jia-Peng3

(1. CNOOC China Limited, Shenzhen Branch, Shenzhen 518054, China; 2. CNOOC Deepwater Development Ltd., Shenzhen 518054, China; 3. Institute of Oeanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A large number of studies show that the Zhujiang (Pearl) River Mouth Basin in the north of the South China Sea is a gas hydrate development area, but studies on the hydrate in the Jieyang Sag in the east of the basin are few. In this study, using the newly acquired three-dimensional seismic data of Jieyang Sag, the imaged gathers optimization and pre-stack time migration processing were carried out for the three-dimensional seismic data, and the interval velocity cube was obtained by high-resolution grid tomographic inversion. Using the data to perform post-stack constrained sparse spike inversion, the acoustic impedance anomaly of gas hydrate formation was acquired, and the hydrate was identified by comprehensive analysis of inversion and seismic attributes. According to the newly processed seismic data, BSR reflection in this area was characterized by continuity, discontinuity, and cross-bedding. BSR was developed on an inherited small channel, and faults and gas chimneys were developed below. Based on the analysis of the characteristics of BSR and the anomalies of velocity, wave impedance, amplitude, frequency, coherence, and other attributes of the upper and lower strata of BSR, combined with the conditions of hydrate accumulation, a new favorable gas hydrate accumulation area in the north of South China Sea was found, which provides the basis for hydrate exploration in this area.

gas hydrate; Jieyang Sag; seismic inversion; gas hydrate accumulation

* “十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題, 2017YFC0307301-1號(hào); 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題, 2013AA092601號(hào)。李 杰, 工程師, E-mail: lijie51@cnooc.com.cn

2019-11-19,

2020-01-13

P618.13

10.11693/hyhz20191100218