朱賀 何濤,? 梁前勇 吳學(xué)敏 董一飛

海域天然氣水合物開采的4C-OBC時移地震動態(tài)監(jiān)測模擬

朱賀1,2何濤1,2,?梁前勇3吳學(xué)敏3董一飛3

1.造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; 2.北京天然氣水合物國際研究中心, 北京 100871; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣州 510760; ?通信作者, E-mail: taohe@pku.edu.cn

為了掌控海域天然氣水合物開采過程中的地質(zhì)和環(huán)境風(fēng)險, 采用能夠同時采集縱波信號和橫波信號, 并且滿足實時性和長期性要求的四分量海底震纜(4C-OBC)技術(shù), 對天然氣水合物儲層進(jìn)行時移地震動態(tài)監(jiān)測。針對未來天然氣水合物商業(yè)化開發(fā)時的水平井環(huán)境, 通過射線追蹤方法進(jìn)行正演模擬, 對地層模型進(jìn)行地震照明分析, 得到合理的 4C-OBC 布設(shè)參數(shù), 以期確保采集的地震數(shù)據(jù)具有良好的成像效果, 并對不同開發(fā)階段的時移地震數(shù)據(jù)進(jìn)行走時與振幅分析。結(jié)果顯示, 差異走時與差異振幅均能很好地反映天然氣水合物的開采程度, 其中轉(zhuǎn)換橫波的效果更顯著。觀測系統(tǒng)的誤差分析結(jié)果表明, 震源船的定位誤差不會對這套時移監(jiān)測系統(tǒng)有明顯的影響?？偟膩碚f, 采用 4C-OBC 時移地震對天然氣水合物儲層進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的方案是有效的。

四分量海底震纜(4C-OBC); 動態(tài)監(jiān)測; 時移地震; 天然氣水合物; 射線追蹤

天然氣水合物(俗稱“可燃冰”)是在相對低溫高壓條件下, 由天然氣與水形成的具有包接籠狀晶格結(jié)構(gòu)的冰狀固態(tài)物質(zhì), 具有儲量豐富、分布廣泛、可再生性和清潔無污染等特性, 是一種極具潛力的未來能源[1]。據(jù)統(tǒng)計, 全球天然氣水合物蘊(yùn)含的有機(jī)碳總量約為煤炭、油氣等傳統(tǒng)資源總和的兩倍, 極具開采價值[2?3]。

海域天然氣水合物埋藏淺, 并且是地層的構(gòu)成部分, 因此在開采過程中必須考慮以下方面的環(huán)境風(fēng)險: 1)天然氣水合物的分解可能造成儲層弱化, 發(fā)生垮塌, 誘發(fā)海底滑坡、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害[4]; 2)如果天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣體大量泄露到海水中, 會導(dǎo)致海水缺氧, 引發(fā)生態(tài)災(zāi)難[5]; 3)甲烷氣體的溫室效應(yīng)相當(dāng)于同等體積 CO2的 25 倍, 一旦泄露到大氣層, 可能對全球氣候造成很大的影響[4,6]。因此, 在天然氣水合物開采過程中, 有必要對儲層進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

目前尚無成熟的方案對天然氣水合物儲層進(jìn)行大范圍的動態(tài)監(jiān)測, 廣泛應(yīng)用于常規(guī)油氣儲層監(jiān)測的時移地震監(jiān)測是一個可選項。郝召兵等[7]基于傳統(tǒng)的水面拖纜, 對天然氣水合物開采的時移地震監(jiān)測進(jìn)行簡要的可行性分析, 結(jié)論是肯定的, 但該研究的定量程度遠(yuǎn)不能滿足實用需求。另外, 當(dāng)前針對天然氣水合物開采監(jiān)測的數(shù)值模擬通常假設(shè)使用垂直井進(jìn)行開發(fā)[7], 很少有關(guān)于水平井的模擬。實際上, 主要的天然氣水合物儲層都是滲透率較低的粉砂質(zhì), 甚至泥質(zhì)沉積物, 垂直井方案的開采速率以及最終采收率都非常有限, 不能滿足商業(yè)開采的需求。因此, 使用可以顯著提高開采效率的水平井方案[8?9]是天然氣水合物商業(yè)化開發(fā)的必然選擇。

天然氣水合物賦存區(qū)域通常存在游離甲烷氣, 生產(chǎn)過程中天然氣水合物分解也會直接釋放出游離甲烷氣。傳統(tǒng)的水面拖纜地震勘探中, 縱波會受到游離氣的嚴(yán)重影響。因此, 能夠同時記錄橫波信息的海底四分量地震儀對海域天然氣水合物儲層的動態(tài)監(jiān)測非常重要。由于電池和數(shù)據(jù)回收等功能的限制, 科學(xué)研究中常用的海底地震儀(ocean bottom seismometer, OBS)和油氣行業(yè)常用的的海底采集節(jié)點(ocean bottom node, OBN)不能滿足天然氣水合物商業(yè)化開采過程中儲層動態(tài)監(jiān)測的實時性和長期性要求。因此, 何濤等[10]提出使用四分量海底地震纜(4-component ocean bottom cable, 4C-OBC)來組建時移監(jiān)測系統(tǒng)。作為一種可以采集海底全波信號的新技術(shù), 4C-OBC 具有低噪聲、長期穩(wěn)定工作和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)葍?yōu)勢。一些針對天然氣水合物的 4C-OBC 實驗已取得良好的成果, 最終得到的縱、橫波圖像均能展示豐富的地層細(xì)節(jié)[11]。

本研究基于水平井減壓法開采天然氣水合物的背景, 對使用 4C-OBC 大規(guī)模監(jiān)測天然氣水合物儲層動態(tài)變化的方案開展數(shù)值模擬, 評估其有效性, 并確定野外作業(yè)對系統(tǒng)的最低要求。

1 地層模型與監(jiān)測方法

南海北部神狐海域存在豐富的天然氣水合物礦藏, 是我國 2017 年第一次天然氣水合物試采區(qū)。楊勝雄等[12]和郭依群等[13]基于廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局第 3 次海域天然氣水合物鉆探航次(the third gas hydrate drilling expedition of Guangzhou Marine Geological Survey, GMGS)天然氣水合物鉆探計劃的測井勘察結(jié)果, 詳細(xì)地描述該區(qū)域的天然氣水合物賦存狀態(tài)和相應(yīng)的測井特征。本文根據(jù)文獻(xiàn)[12]和[13]中的測井聲波數(shù)據(jù)和礦物組分隨深度的變化, 通過構(gòu)建巖石物理模型的方式, 生成一套能反映該區(qū)域典型地層(包括天然氣水合物和游離甲烷氣儲層)特征的虛擬縱橫波測井記錄(圖 1)。

為了模擬時移地震監(jiān)測天然氣水合物開采過程中儲層的動態(tài)變化, 可以逐漸降低模型中天然氣水合物和游離甲烷氣的含量, 表示開采工作的不斷進(jìn)行。我國開采天然氣水合物的工藝流程是先將天然氣水合物穩(wěn)定底界 BSR (bottom simulating reflector, 似海底反射界面)之下的游離甲烷氣抽出, 降低天然氣水合物儲層的壓力, 從而破壞天然氣水合物相的穩(wěn)定條件, 再將天然氣水合物分解釋放的甲烷氣抽出。因此, 可以在生產(chǎn)過程中設(shè)置 6 個關(guān)鍵時間節(jié)點: T0 對應(yīng)初始未開采狀態(tài); T1 對應(yīng)游離甲烷氣恰好被抽空, 但天然氣水合物尚未開始分解的狀態(tài); T2~T5 分別對應(yīng)天然氣水合物儲量剩余 50%, 30%, 15%和 5%的狀態(tài)。采用相同的巖石物理模型, 計算得出不同時間節(jié)點的地層縱、橫波速度和泊松比(圖 1)。需要強(qiáng)調(diào)的是, 圖 1 中 BSR 之上的天然氣水合物儲層以及 BSR 之下的含游離甲烷氣層都是開采的目標(biāo)地層, 原因是波速結(jié)構(gòu)顯示, 無論是天然氣水合物儲層還是含游離甲烷氣層, 都是既包含天然氣水合物, 也包含游離甲烷氣, 區(qū)別僅在于含量的不同。

圖 1 中, 虛擬聲波測井曲線在深度上是連續(xù)的, 過多的高頻細(xì)節(jié)不能被低頻的地震信號所反映, 因此用于 4C-OBC 正演模擬的地層模型通常需要根據(jù)曲線變化特征, 在深度軸上進(jìn)行一定程度的歸并和簡化。根據(jù)對圖 1 中曲線的觀察, 可將原始模型簡化為 5 層, 從上至下依次為海水、非儲層、天然氣水合物儲層、含游離氣層和非儲層(圖 2(a))。

圖1 天然氣水合物開采過程中不同階段的虛擬縱、橫波測井速度記錄

簡化地層模型的橫向范圍無限制。水平井位于天然氣水合物儲層內(nèi)部, 長度設(shè)為 400m。因壓力影響范圍和流體流動性等因素的限制, 一口水平井的開采范圍是有限的。假設(shè)水平井的最遠(yuǎn)影響距離為 50m, 由于天然氣水合物儲層和含氣層的厚度很薄(共約 60m), 垂直方向上能夠完全開采其橫向覆蓋范圍內(nèi)的天然氣水合物和游離甲烷氣, 再在兩端分別外延 50m, 因此開采區(qū)域的整體寬度為 500m。在該地層模型中, 各層的巖石物理參數(shù)可通過對原始模型各層內(nèi)求平均值獲得。為了進(jìn)行定量計算, 假設(shè)該地層模型滿足理想條件: 在天然氣水合物開采過程中, 僅開采區(qū)域內(nèi)地層性質(zhì)發(fā)生變化, 兩側(cè)以及上下地層均不受影響。據(jù)此計算得出的模型中主要地層的波速結(jié)構(gòu)如圖 2(b)所示, 天然氣水合物儲層和含游離甲烷氣層的巖石物理參數(shù)如見表 1。

需要注意的是, 在水平井兩端向外延伸的 50m開采范圍內(nèi), 由于水平井未直接與地層接觸, 逐漸減小的壓力和流動能力會導(dǎo)致該部分的天然氣水合物無法完全開采。本文假設(shè)在該范圍內(nèi)天然氣水合物的開采程度隨延伸距離的增大而線性地降低, 當(dāng)延伸到開采范圍之外時降為零。這樣處理的好處是, 可以讓模型的巖石物理性質(zhì)在橫向上保持連續(xù), 沒有突變, 防止參數(shù)跳變導(dǎo)致的計算錯誤。

圖2 簡化的地層模型(a)以及主要地層的波速在不同開采階段的變化(b)

表1 天然氣水合物儲層與含游離甲烷氣層在開采過程中各階段的巖石物理參數(shù)

我們設(shè)計的 4C-OBC 時移地震系統(tǒng)如圖 2(a)所示, 用于接收地震信號的 4C-OBC 海底震纜由專用的放線艇在定位儀的引導(dǎo)下沉放到海底, 其檢波器節(jié)點等距地分布, 形成陣列。海底震纜的一端連接到固定的記錄船上, 震源船則在四周沿著預(yù)設(shè)的測線放炮, 激發(fā)地震波。地震波穿透海水, 在海底之下的地層界面發(fā)生反射, 海底震纜上的四分量檢波器同時接收縱波和橫波信號, 并通過纜線實時傳輸?shù)接涗洿?。在實踐中, 根據(jù)需要, 通常將 4C-OBC 的檢波器節(jié)點間距設(shè)定為 25m, 12.5m 或 6.25m。由于成本的約束, 4C-OBC 的節(jié)點數(shù)是有限的。本文模型中將 4C-OBC 節(jié)點數(shù)目限定為 41 個。一般情況下, 4C-OBC 的節(jié)點間距越小, 成像質(zhì)量越好, 但成像范圍越窄。本研究的目標(biāo)之一就是通過照明分析來權(quán)衡這兩個因素, 為 4C-OBC 的鋪設(shè)制定合理的參數(shù), 在保證開采區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下降低系統(tǒng)的成本。

本文采用 RAYINVR 程序[14]對上述簡化的地層模型進(jìn)行 4C-OBC 地震正演模擬, 獲得各層的反射地震成像, 并利用不同開采階段走時和振幅等的差異, 開展時移地震監(jiān)測的可行性和效果評估。

2 照明分析

在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上, 可以利用地震照明分析技術(shù), 研究地震波在傳播過程中受地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的能量分布特征, 用于指導(dǎo)觀測系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)節(jié)振幅補(bǔ)償強(qiáng)度, 提高野外工作效率和地震成像質(zhì)量[15]。地震波照明分析方法主要分為射線追蹤[16]和波動方程[17]兩類, 在原理上分別與光的粒子學(xué)說和波動學(xué)說相對應(yīng)。因具有簡單、快速和準(zhǔn)確的優(yōu)點, 基于射線追蹤的方法最先獲得廣泛的應(yīng)用, 但這種方法有一個明顯的缺點, 就是無法處理復(fù)雜的地層模型?；诓▌臃匠痰姆椒梢阅M整個波場,因此對地層模型的復(fù)雜程度不敏感, 主要缺點是計算量較大?？紤]到地層模型的結(jié)構(gòu)比較簡單, 本文采用射線追蹤方法進(jìn)行照明分析。

對于本文模型, 天然氣水合物的開采僅影響儲層和含氣層, 因此在照明分析中只需考慮與此相關(guān)的 3 個反射事件(表 2)。照明分析的目標(biāo)是獲取反射點的分布情況(反映照明范圍)以及單位面元上的射線覆蓋頻次(反映照明強(qiáng)度), 這兩個指標(biāo)決定成像的質(zhì)量。理想的觀測系統(tǒng)的照明應(yīng)盡可能均勻, 且保證照明范圍和照明強(qiáng)度均足夠大。

表2 照明分析中主要關(guān)注的地震事件及編號

說明: 事件編號遵循 RAYINVR 軟件[14]的定義: 第一個數(shù)字代表地震事件在模型第幾層(從上至下)發(fā)生, 第二個數(shù)字代表該地震事件的類型(2代表反射事件)。

決定射線覆蓋情況的 3 個主要因素是 4C-OBC節(jié)點間距、炮點距和測線長度。由于測線長度對鋪設(shè) 4C-OBC 的指導(dǎo)意義不大, 因此在計算過程中保持 5km 不變。4C-OBC 節(jié)點間距或炮點距越大, 射線覆蓋范圍越廣, 但射線密度越小。在實踐中, 4C-OBC 節(jié)點間距與炮點距通常采用 25m, 12.5m 或6.25m 三檔, 并可進(jìn)行不同檔位的搭配組合。關(guān)于照明強(qiáng)度的最低標(biāo)準(zhǔn), 可以參考一般拖纜地震方法中采集共深度道集數(shù)據(jù)時的要求。通常認(rèn)為, 一個道集內(nèi)的射線覆蓋次數(shù)要達(dá)到 10 次以上, 才能保證疊加后的降噪效果顯著, 從而獲得良好的成像。本文定義射線密度為單位長度(1m)內(nèi)的射線覆蓋頻次, 并認(rèn)為射線密度大于 10 次/m時成像良好。

圖 3 顯示縱波的照明分析結(jié)果。考慮到 T0~T1階段地層中的游離甲烷氣被抽空, T1~T5 階段天然氣水合物被逐漸采盡, 僅展示 T0, T1 和 T5 這 3 個關(guān)鍵時間節(jié)點的縱波照明分析結(jié)果。

圖 3(a)為油氣勘探行業(yè)常規(guī)配置下的照明分析結(jié)果, 對應(yīng)的 4C-OBC 節(jié)點間距和炮點距均為 25m。此時, 41 個節(jié)點的 4C-OBC 展布范圍為1000m, 在整條測線上, 氣槍震源共激發(fā) 200 次。從圖 3(a)中可以提取 3 個方面的重要信息。1)照明均勻程度: 在 T0 時刻, 天然氣水合物尚未開采, 3 個地層的照明都比較均勻; 而在 T1 和 T5 時刻, 由于儲層與含氣層不同程度的開采, 導(dǎo)致在水平井開采區(qū)(偏移距=?0.25~0.25km)的邊緣產(chǎn)生一定程度的加強(qiáng)效應(yīng)和影區(qū)效應(yīng)。2)照明范圍: 3 個地層的照明范圍比較一致, 偏移距大體上在?0.5~0.5km 之間。3)照明強(qiáng)度: 整體照明強(qiáng)度較弱, 即使在照明相對集中的中央?yún)^(qū)域(偏移距=?0.3~0.3km), 射線密度也僅達(dá)到9次/m左右, 達(dá)不到成像標(biāo)準(zhǔn)。

在圖 3(a)的基礎(chǔ)上, 圖 3(b)中將 4C-OBC 節(jié)點間距減小一半, 照明強(qiáng)度明顯提升, 開采區(qū)域內(nèi)射線密度接近 10 次/m, 但照明強(qiáng)度的增強(qiáng)主要在非儲層, 對目標(biāo)地層(儲層和含氣層)的貢獻(xiàn)不明顯。同時, 由于 4C-OBC 的展布范圍縮小一半至 500m, 模型的有效照明范圍也相應(yīng)地減小(偏移距=?0.4~ 0.4km)。綜上所述, 縮小 4C-OBC 節(jié)點間距對照明效果有一定程度的提升, 但仍然不夠理想。

在圖 3(a)的基礎(chǔ)上, 圖 3(c)中將炮點距縮小一半, 照明范圍和照明強(qiáng)度均明顯提升。照明范圍擴(kuò)大到偏移距=?0.6~0.6km, 且在模型中央的主要區(qū)域(偏移距=?0.3~0.3km), 射線密度的平均水平可達(dá)15 次/m。雖然 T1 和 T5 時刻的影區(qū)效應(yīng)仍然存在, 但影區(qū)內(nèi)的射線密度也接近 10 次/m?？傮w而言, 這種方案的照明效果已經(jīng)能夠滿足成像要求。

(a)4C-OBC節(jié)點間距=25m, 炮點距=25m; (b)4C-OBC節(jié)點間距=12.5m, 炮點距=25m; (c) 4C-OBC節(jié)點間距=25m, 炮點距=12.5m; (d) 4C-OBC節(jié)點間距=12.5m, 炮點距=12.5m。圖4同

在圖 3(a)的基礎(chǔ)上, 圖 3(d)中將 4C-OBC 的節(jié)點間距和炮點距都減小一半, 照明強(qiáng)度得到很好的加強(qiáng), 在模型中央的主要區(qū)域(偏移距=?0.25~0.25 km), 射線密度超過 20 次/m。照明范圍雖明顯減小(偏移距=?0.29~0.29km), 但仍然能夠覆蓋水平井0.5 km 的開采區(qū)域。

圖 4 顯示橫波的照明分析結(jié)果。與圖 3(a)~(d)進(jìn)行對應(yīng)的比較, 可見橫波照明范圍與縱波無明顯差異, 但照明強(qiáng)度普遍較弱, 圖 4(a)~(c)中 3 種情況對應(yīng)的照明強(qiáng)度明顯不符合成像標(biāo)準(zhǔn)。此外, 圖 4顯示橫波的照明強(qiáng)度具有或強(qiáng)或弱的亮暗相間現(xiàn)象, 亮暗交替的周期數(shù)恰好等于 4C-OBC 節(jié)點的個數(shù), 且 4C-OBC 節(jié)點間距越大就越明顯, 反映 4C-OBC 節(jié)點間距過大會導(dǎo)致各節(jié)點照明空間的相互隔離。圖 4(d)顯示, 4C-OBC 節(jié)點間距和炮點距均為12.5m 時, 橫波照明效果最好, 照明范圍(偏移距=?0.26~0.26km)足夠覆蓋水平井開采區(qū)域, 且照明強(qiáng)度和均勻性比圖 4(a)~(c)有明顯的改善, 射線密度在 20 次/m左右, 遠(yuǎn)高于成像標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 橫波照明分析結(jié)果

綜上所述, 縱波在 4C-OBC 節(jié)點間距與炮點距分別為 25 和 12.5m 時即可滿足成像標(biāo)準(zhǔn), 如果間距進(jìn)一步減小, 可以得到更好的成像質(zhì)量, 但橫波要求兩個間距均不超過 12.5m。模型要求采用縱橫波聯(lián)合監(jiān)測, 因此需要將 4C-OBC 節(jié)點間距和炮點距均設(shè)為 12.5 m。

此外, 在照明強(qiáng)度滿足要求的情況下, 照明范圍是容易調(diào)控的。在實際監(jiān)測中, 如果需要進(jìn)一步增大照明范圍, 只需增加 4C-OBC 的節(jié)點數(shù)目即可。下面的走時分析和振幅分析中, 需要包括水平井開采范圍和周圍地層, 以便合理地容納射線, 因此假設(shè)縱波和橫波的有效照明范圍均為偏移距=?0.5~0.5 km。

3 走時分析

本文用 100ms 的雷克(Richer)子波來合成地震圖。如果兩個地震事件的間隔達(dá)到 100ms, 它們的地震圖就不會發(fā)生疊加, 從而能夠清晰地分辨兩個獨立的事件。在對時移地震的走時進(jìn)行分析時, 觀測的目標(biāo)是同一個地震事件在相鄰兩個時間節(jié)點之間的差異走時, 并不要求前后兩個事件在時域上完全分離, 只需保證走時之差大于觀測誤差, 因此分辨率更高, 可識別 2 ms以上的差異。

與傳統(tǒng)的水面拖纜地震勘探不同, 4C-OBC 系統(tǒng)的走時分析不僅要考慮縱波事件, 還要重點考慮橫波事件。與縱波相比, 轉(zhuǎn)換橫波在縱向分辨率方面具有先天優(yōu)勢, 原因是轉(zhuǎn)換橫波與縱波頻率相同, 波速只有縱波的 30%~40% (表 1), 故相應(yīng)的波長小很多, 能夠分辨更薄的地層, 差異走時也更明顯。

從事件 3.2 和 4.2 的縱波走時分析結(jié)果(偏移距均在有效照明范圍內(nèi))可以得出以下結(jié)論。

1)從圖 5(a1), (a2), (b1)和(b2)可以看出, 兩個事件的走時變化規(guī)律一致。T0~T1 階段, 由于游離甲烷氣被開采, 地層縱波速度增大, 導(dǎo)致走時減小; T1~T5 階段, 由于天然氣水合物被開采, 地層縱波速度減小, 導(dǎo)致走時逐漸增大。

2)圖 5(c1)和(c2)進(jìn)一步顯示, 雖然開采期間兩個事件的走時均有一定程度的變化, 但變化幅度很小(約 1~4ms), 最高累計差異走時(T5?T1)僅 6ms。這樣的差異走時從理論上是能夠分辨的, 但在實際地震圖中, 由于噪音和誤差等因素的干擾, 這樣的差異走時程度并不理想。

3)從圖 5(c1)和(c2)看出, 隨著開采的進(jìn)行, 差異走時逐漸減小, 表明越到后期, 相鄰階段之間地震圖的差異越小, 原因是模型設(shè)定天然氣水合物的剩余量隨時間呈指數(shù)遞減, 越到后期開采越慢。

4)對比不同偏移距的曲線可知, 絕對走時與偏移距正相關(guān)(圖 5(b1)和(b2)), 然而差異走時基本上與偏移距無關(guān)(圖 5(c1)和(c2))。事件 4.2 在 T5 時刻消失, 是因為 T5 時刻含氣層的天然氣水合物被開采殆盡, 與下方地層的波速差異消失。

圖 6 顯示事件 3.2 和 4.2 的橫波走時分析結(jié)果, 可以得出與縱波相同的結(jié)論, 但需要特別注意以下兩點: 1)T0~T1 階段, 橫波事件的走時沒有明顯的增大或減小, 而是基本上保持不變, 原因是游離甲烷氣被開采并不影響橫波速度; 2)圖 5(c1)和(c2)顯示, 橫波事件的差異走時(5~15ms)明顯比縱波更高, 這種規(guī)模的差異走時即使在復(fù)雜的真實地震圖中也非常容易分辨。

綜上所述, 橫波的走時分析效果明顯優(yōu)于縱波, 表明橫波在時移地震監(jiān)測中具有不可忽視的重要性(尤其是考慮到天然氣水合物儲層的縱波響應(yīng)會受到與開發(fā)過程緊密伴隨的游離氣的嚴(yán)重影響)。

4 振幅分析

本文的射線追蹤和正演計算采用 RAYINVR 程序[14]。當(dāng)追蹤一條地震射線時, RAYINVR 采用如下方式計算接收點處的振幅[18]:

=0(?1)/,

其中,為復(fù)振幅,0為射線的初始振幅;描述射線在地層界面處的能量分配效應(yīng), 由界面兩側(cè)的波阻抗以及界面上的Zoeppritz振幅系數(shù)決定;表示射線傳播過程中的幾何擴(kuò)散效應(yīng), 與射線的展布范圍和傳播距離等有關(guān);為射線傳播過程中位移方向掉轉(zhuǎn)的次數(shù)。RAYINVR將0值設(shè)為1, 因此求得的振幅為相對振幅。

在時移地震中, 振幅分析的主要目標(biāo)是研究同一個地震事件的振幅隨時間的變化。在天然氣水合物開采過程中, 儲層和含氣層的縱、橫波速度發(fā)生變化, 進(jìn)而引起Zoeppritz振幅系數(shù)的改變, 最終導(dǎo)致接收點處振幅的相應(yīng)變化。

事件3.2和4.2的縱波振幅分析結(jié)果見圖7。其中, 相對差異振幅為兩相鄰時間節(jié)點之間的振幅之差與前一振幅的比值, 能夠反映后一時刻相對于前一時刻振幅的變化比例。從圖7得出如下結(jié)論。

1)從圖7(a1)和(a2)看出, 在有效照明范圍內(nèi), 同一階段的振幅隨偏移距的增大而減小, 符合界面反射系數(shù)的振幅?偏移距效應(yīng)。

2)從圖 7(b1), (b2), (c1)和(c2)可知, 在同一偏移距下, 事件的振幅隨時間節(jié)點的變化非常明顯。在天然氣水合物開采階段(T1~T5)的相鄰時間節(jié)點之間, 事件3.2的振幅每次衰減35%~50%, 事件4.2的振幅每次衰減50%左右。

3)圖 7(c1)和(c2)中, 不同偏移距下的相對差異振幅差別極小, 可見差異振幅隨時間的變化規(guī)律基本上與偏移距無關(guān)。

圖8顯示橫波的振幅分析結(jié)果。與縱波相比, 橫波事件的絕對振幅偏小。主要原因是模型中地層主要由松散沉積物構(gòu)成, 剪切模量較小, 橫波在其中傳播時能量損耗非常大。盡管如此, 根據(jù)Dash等[19]對Cascadia地區(qū)的研究, 采用容量大于90in3的震源空氣槍就能確保海底地震儀接收到明顯的轉(zhuǎn)換橫波信號。關(guān)于振幅隨時間的變化規(guī)律, 橫波與縱波基本上一致。最重要的是, 橫波的相對差異振幅也非常明顯, 甚至略大于縱波。

綜上所述, 在模擬時移地震中, 縱波和橫波的相對差異振幅都非常明顯, 可以很好地反映天然氣水合物的開采程度。在實際監(jiān)測中, 可以將振幅分析與走時分析相結(jié)合, 以便得出更可靠的結(jié)論。

(a1)和(a2)為不同開采階段的絕對走時; (b1)和(b2)為給定偏移距時的絕對走時; (c1)和(c2)為對應(yīng)(b1)和(b2)的差異走時; (a1)~(c1)為事件 3.2 (儲層底部反射); (a2)~(c2)為事件 4.2 (含氣層底部反射); 偏移距 0.1km 和 0.3km 分別代表開采區(qū)域的內(nèi)部和外部。圖6同

圖6 橫波事件的走時分析結(jié)果

5 觀測系統(tǒng)的誤差分析

時移地震數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量控制主要在于盡量保持多次數(shù)據(jù)采集(基準(zhǔn)采集和重復(fù)采集)條件的一致性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性, 尤其是保持炮點到檢波器的方位角不變[20]。在本文模型中, 由于接收地震信號的 4C-OBC 震纜位置固定不變, 因此震源船的定位誤差就成為最大的誤差來源。對震源船的定位誤差進(jìn)行分析, 有助于評估上述基于模型的相關(guān)結(jié)論(包括走時分析和振幅分析等)的有效性。

(a1)和(a2)為不同開采階段振幅隨偏移距的變化; (b1)和(b2)為給定偏移距時振幅隨時間節(jié)點的變化; (c1)和(c2)為對應(yīng)(b1)和(b2)的差異振幅; (a1)~(c1)為事件3.2 (儲層底部反射); (a2)~(c2)為事件4.2 (含氣層底部反射); 偏移距0.1 km和0.3 km分別代表開采區(qū)域的內(nèi)部和外部。圖8同

圖8 橫波事件的振幅分析結(jié)果

仍然以事件 3.2 和 4.2 為例, 震源船定位誤差對縱波和橫波走時分析的影響如圖 9 所示。從圖 9(a1)和(a2)可見, 縱波的走時曲線因受震源船定位誤差的影響而產(chǎn)生大量的局部不平滑現(xiàn)象, 但在水平井開采區(qū)域(?0.25~0.25km), 各走時曲線之間基本上沒有出現(xiàn)交叉。因此, 雖然震源船定位誤差會對縱波的走時分析造成較大的干擾, 但前面的走時分析結(jié)論基本上不受影響。相比之下, 橫波因較大的差異走時而對震源船定位誤差有更高的耐受度。圖 9 (b1)和(b2)顯示, 定位誤差僅對橫波的走時曲線造成微小的擾動, 完全不影響對差異走時的計算。

圖 10 顯示震源船定位誤差對振幅分析結(jié)果的影響。可以看出, 無論是縱波還是橫波, 其振幅曲線在誤差的影響下僅出現(xiàn)微小的波動?？梢? 振幅曲線比走時曲線擁有更高的誤差容忍程度, 基本上不會對前面的相關(guān)分析結(jié)論造成影響。

(a1)和(a2)為縱波事件, 對應(yīng)2σ=3 m; (b1)和(b2)為橫波事件, 對應(yīng)2σ=6.25 m; (a1)和(b1)為事件3.2 (儲層底部反射); (a2)和(b2)為事件4.2 (含氣層底部反射)

(a1)和(a2)為縱波事件, (b1)和(b2)為橫波事件, 均對應(yīng) 2=6.25 m。(a1)和(b1)為事件 3.2 (儲層底部反射); (a2)和(b2)為事件4.2 (含氣層底部反射)

綜上所述, 在水平井開采區(qū)域內(nèi), 不同開采階段的走時曲線和振幅曲線均能在一定的誤差范圍內(nèi)保持原有的趨勢, 并且相互分離, 不出現(xiàn)交叉, 說明震源船定位誤差對走時分析和振幅分析的結(jié)論沒有明顯的影響。

6 結(jié)論

本文對 4C-OBC 時移地震系統(tǒng)在天然氣水合物儲層動態(tài)監(jiān)測中的有效性進(jìn)行模型分析, 得到如下結(jié)論。

1)為確保轉(zhuǎn)換橫波對天然氣水合物儲層和含游離氣層均有良好的地震照明效果, 在鋪設(shè) 4C-OBC時應(yīng)保證節(jié)點間距和炮點距都不超過 12.5 m。

2)模擬時移地震走時分析結(jié)果表明, 縱波的差異走時(1~4ms)能夠從理論上反映天然氣水合物的開采情況, 但在真實地震圖中, 由于噪聲的干擾, 可能難以識別。相比之下, 橫波的差異走時(5~15 ms)非常明顯, 容易分辨。這也表明對天然氣水合物儲層實施縱橫波聯(lián)合監(jiān)測十分必要。

3)振幅分析結(jié)果顯示, 縱波和橫波的相對差異振幅均能很好地反映天然氣水合物的開采程度, 但由于轉(zhuǎn)換橫波在松散地層中衰減幅度較大, 在設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)時需要保證氣槍震源的容量不能太小。

4)誤差分析結(jié)果表明, 現(xiàn)代化的動力定位震源船的定位誤差(3~6.25m)不足以影響走時分析與振幅分析的結(jié)論。

綜上所述, 采用 4C-OBC 時移地震系統(tǒng)對海域天然氣水合物儲層進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測是有效的。

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Modeling for Dynamic Monitoring of Marine Gas Hydrate Exploitation Using 4C-OBC Time-lapse Seismic System

ZHU He1,2, HE Tao1,2,?, LIANG Qianyong3, WU Xuemin3, DONG Yifei3

1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Beijing International Center for Gas Hydrate, Beijing 100871; 3. Guangzhou Marine Geological Survey, China Geological Survey, Guangzhou 510760; ? Corresponding author, E-mail: taohe@pku.edu.cn

In order to control the geological and environmental risks during the exploitation of marine gas hydrate, 4-component ocean bottom cable (4C-OBC) is considered to perform time-lapse seismic monitoring on hydrate reservoirs, which can collect P- and S-wave simultaneously, and satisfy the requirement of real-time and long-term monitoring. This paper uses ray tracing method to carry out forward simulation of 4C-OBC time-lapse seismic system for the horizontal well environment in the future commercial gas hydrate exploitation. Based on the seismic illumination of the formation model, the optimal OBC layout parameters is obtained to ensure that the acquired seismic data has good imaging effect. Then, the travel time and amplitude of the time-lapse seismic data in different exploitation stages is analyzed. The results show that both differential travel time and amplitude could reflect the exploitation degree of gas hydrate reservoir, especially significant for converted S-wave. The error analysis results of the observation system show that seismic source vessel’s positioning error would not significantly affect the time-lapse monitoring system. In sum, it is effective to monitor dynamic process of marine gas hydrate reservoir using 4C-OBC time-lapse seismic system.

4-component ocean bottom cable (4C-OBC); dynamic monitoring; time-lapse seismic; natural gas hydrate; ray tracing

10.13209/j.0479-8023.2020.091

2020?01?04;

2020?05?09

國家自然科學(xué)基金(41676032, 40904029)和中國地質(zhì)調(diào)查局國家天然氣水合物專項基金(DD20190218, DD20160217, DD20189320, HD-JJHT-20)資助