2019, Vol. 43
文章信息
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- LI Jie, HE Min, YAN Cheng-zhi, LI Yuan-ping, ZHANG Jun-bin, Qian Jin, JIN Jia-peng, LI Fang. 2019.
- 南海北部荔湾3区块天然气水合物分布特征及目标识别
- The distribution and characteristics of gas hydrate in the Liwan3, northern slope of the South China Sea
- 海洋科学, 43(5): 81-89
- Marina Sciences, 43(5): 81-89.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20190424001
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文章历史
- 收稿日期：2019-04-24
- 修回日期：2019-05-26
2. 中海石油深海开发有限公司, 广东 深圳 518054;
3. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
2. CNOOC Deepwater Development Ltd., Shenzhen 518054, China;
3. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
天然气水合物广泛分布于大陆边缘的多个盆地, 是一种清洁高效的未来能源得到世界各国高度重视[1-4]。2007—2017年, 我国在南海北部进行了多个水合物取样、钻探, 并开展了试验开采工作[5-8]。中海石油(中国)有限公司利用常规油气采集地震资料, 对南海北部白云-荔湾凹陷水合物进行了区域普查, 发现了25个水合物潜在区。地震属性是刻画水合物空间分布的重要方法, 前人研究发现振幅类属性对地层含水合物后异常较为敏感。振幅属性显示荔湾3水合物富集区第三条带SC-02井和W19井附近水合物矿体呈马蹄形展布, 而W18井为块状展布[9]。国际上多个海域使用地震属性研究水合物分布, 例如韩国郁凌盆地、日本南海海槽及美国墨西哥湾等地区[10-12]。大量研究发现荔湾3区块的第四条带是水合物试验开采的潜力区, 水合物具有层状特征, 但是水合物矿体在空间上呈不均分布, 精细刻画该区域水合物分布特征的研究还较少。2017年, 水合物被确立为一种新的矿种, 因此, 如何进行天然气水合物矿藏目标的精细识别与评价技术, 是水合物勘探开发亟待解决的关键问题。本文通过对均方根振幅、相对阻抗、振幅包络、视极性、三类AVO厚度和纵波阻抗等属性进行融合、权重计算, 获得水合物平面分布概率。基于宽频无井反演声波阻抗, 结合岩石物理模型定量估算水合物饱和度, 形成一套水合物钻前高分辨率地震勘探技术, 并对矿体展布特征分析。
1 研究背景近年来, 南海北部陆坡特别是神狐海域已经进行了多个天然气水合物钻探航次, 神狐海域水合物钻探区位于珠江口盆地一系列海底峡谷的脊部, 水深范围在500~1 500 m。该海域水合物主要以孔隙充填型状态赋存, 厚度从几米至七十多米不等[8], 在平面上呈条带状展布特征。图 1为研究区水合物站位分布。其中第一条带和第二条带为GMGS1航次钻探区, 而第三条带和第四条带主要为GMGS3航次钻探区, GMGS3航次钻探揭示荔湾3的第四条带水合物呈厚层状、相对高饱和度分布特征, 在W11井水合物层厚度大于70 m, 最高饱和度超过40%[13-14]。而第三条带上水合物分布范围大(图 1), 在W18井和W19井水合物层厚度为14~28 m, 局部水合物层饱和度最高达到70%以上[8-9, 15]。因此, 不同条带水合物矿体展布特征存在较大差异。最近研究发现在第四条带的W17井地震剖面上发现双BSR, 结合测井、气体组分及保压取心等数据揭示该地区水合物在甲烷稳定带底界(I-BSR)下部也发育, 即存在Ⅱ型天然气水合物、游离气和水在沉积层孔隙中呈三相共存现象[13]。利用激光拉曼对第三条带SC-01井水合物样品测试也显示Ⅰ型水合物层与Ⅱ型水合物层共存现象[16]。因此, 该区域水合物呈多类型的分布, 其岩性主要为泥质粉砂储层。从两个条带5个站位取心样品的烃气体组分数据看, 热成因气对水合物成藏具有明显贡献作用。尽管国际上发现的高饱和度水合物主要发育于与水道-天然堤体系相关的砂质储层中[10-11], 但是神狐海域高饱和度水合物主要富集于黏土质粉砂沉积物中[17], 相对高饱和度水合物与富有孔虫等相对较粗岩性有关。
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| 图 1 南海北部神狐海域三维地震解释的水深及水合物钻井位置 Fig. 1 The interpreted water depth of seafloor from three dimensional seismic data and the drilling sites of gas hydrate in Shenhu area, the northern South China Sea |
地震属性在储层或流体性质变化导致的响应特征比地震振幅敏感, 利用多种地震属性可以进一步判定水合物的空间分布及赋存方式, 实现区域分布的精确识别与刻画。结合该区域的测井及钻探成果, 对多属性进行优化筛选后, 提出了6种对水合物比较敏感的属性, 分别是均方根振幅(RMS)、相对阻抗、振幅包络、视极性、振幅相对偏移距(AVO)厚度和纵波阻抗。
由于6种平面图属性数量级差别很大, 不能简单地进行融合叠加, 需要多种属性进行归一化, 归一化的平面图表示综合属性预测的含水合物分布概率图。为确定各个属性对识别水合物分布的重要性, 本次研究采用层次分析法来确定各属性的权重系数, 利用Saaty[18]提出的定量化1—9标度法进行求取, 含义如表 1所示, 即通过各属性间相互比较各要素相对于其上一层次要素的重要程度。
| 标度 | 标度含义 |
| 1 | 表示两个因素相比, 具有相同重要性。 |
| 2 | 重要性处于1和3之间。 |
| 3 | 表示两个因素相比, 一个比另一个稍微重要。 |
| 4 | 重要性处于3和5之间。 |
| 5 | 表示两个因素相比, 一个比另一个明显重要。 |
| 6 | 重要性处于5和7之间。 |
| 7 | 表示两个因素相比, 一个比另一个强烈重要。 |
| 8 | 重要性处于7和9之间。 |
| 9 | 表示两个因素相比, 一个比另一个极其重要。 |
| 倒数 | 因素i与j比较得到的判断wij, 则因素j与i比较得到的判断wij=1/wij。 |
宽频地震反演是基于已有站位岩石物理分析, 利用高精度深度偏移速度场建立低频模型, 然后在时深转换后时间域宽频处理地震数据的基础上, 采用稀疏脉冲算法进行纵波阻抗反演, 从而对天然气水合物矿体进行精细描述刻画[19-21], 其关键技术流程如图 2所示。
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| 图 2 宽频地震反演技术流程 Fig. 2 The schematic flowchart of broadband seismic inversion |
通过声波速度对水合物饱和度进行预测是水合物地球物理研究的重要方向, 计算方法主要有两类:一类是经验公式, 包括时间平均方程、伍德方程、李权重方程等; 还有一类是理论模型, 包括等效介质理论方程、K-T方程、BGTL理论[22-26]。两类方法各有长短, 前者缺乏严密的理论依据, 但简单实用, 后者理论比较严密, 但涉及计算的参数过多, 参数的取值比较关键。本文主要基于荔湾3区块, 用3种经验公式对水合物饱和度预测进行详细介绍并对预测结果分析比较。
3 结果 3.1 地震属性权重分析在地震数据中似海底反射(bottom simulating reflector, BSR)是天然气水合物的重要识别标志之一, 因此, 通过拾取地震剖面的BSR可以刻画水合物分布范围。但是BSR常常指示的是水合物和下部游离气或水的综合响应, 无法判断温压稳定带附近水合物和游离气的量, 也无法指示温压稳定带之上低饱和度孔隙型、块状或者脉状等类型水合物的赋存。类似地, 国内钻探结果也显示BSR与水合物发育无严格对应关系, 需要从地震数据中提取更多的信息来综合判断水合物的富集区域[20-27]。
荔湾3区块的第一和第二个条带上GMGS1航次钻探了8个站位(图 1), 其中SH2、SH3和SH7三口取到了水合物样品, 其他5口井没有取到水合物样品, 但测井数据分析认为SH4井可能含有薄层的水合物[28]。本文采用其他7口井的钻探结果对含水合物地层的属性在权重计算基础上进行分析标定, 通过前面各个属性对已钻井的预测精度分析, 得到判断矩阵如表 2所示。
| RMS | 相对阻抗 | 振幅包络 | 视极性 | AVO厚度 | 纵波阻抗 | 权重 | |
| RMS | 1 | 1/2 | 1 | 1 | 1/3 | 2 | 0.118 6 |
| 相对阻抗 | 2 | 1 | 2 | 2 | 1/2 | 3 | 0.216 5 |
| 振幅包络 | 1 | 1/2 | 1 | 1 | 1/3 | 2 | 0.118 6 |
| 视极性 | 1 | 1/2 | 1 | 1 | 1/3 | 2 | 0.118 6 |
| AVO厚度 | 3 | 2 | 3 | 3 | 1 | 5 | 0.363 2 |
| 纵波阻抗 | 1/2 | 1/3 | 1/2 | 1/2 | 1/5 | 1 | 0.064 3 |
其中判断矩阵的最大特征值λmax=6.017 5, 一致性指标CI=0.002 8≪0.1, 所以认为矩阵具有满意的一致性。矩阵分析表明AVO厚度属性在水合物层识别刻画中所占权重最大, 相对阻抗属性次之。
3.2 多属性融合的水合物分布刻画利用各个属性的权重对6种属性分析结果, 在研究区的4个条带进行平面融合, 得到6种归一化后的水合物分布概率平面图(图 3)。从图 3中可以看出, 取得水合物样品站位水合物的分布概率都大于0.7。GMGS1航次站位东侧可识别两个水合物富集条带, 即第三、四条带, 水合物的分布概率和分布面积都比GMGS1钻探区的两个条带要分布范围大, 与GMGS3航次钻探结果显示的这两个条带发育高饱和度水合物矿体一致[8]。
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| 图 3 水合物分布概率平面图 Fig. 3 Probability map of hydrate distribution in LW3 area |
钻探揭示荔湾3地区发育孔隙充填型水合物, 但是水合物饱和度、厚度在空间上分布极不均匀, 不同井的水合物饱和度不同, 水合物层厚度也差异较大[8]。采用井插值建立的低频模型的常规反演难以反映水合物矿体快速的空间变化, 因此本文基于宽频无井波阻抗反演刻画水合物矿体空间展布。
3.3.1 低频模型基于高精度深度偏移速度场建立的低频模型频率, 其频率最低可达3~4 Hz, 宽频地震数据体的低频成分最低可达4~5 Hz, 二者在频率域上无缝拼接(图 4), 从而保证反演结果低频部分不缺失, 与常规井插值建立的低频模型相比, 该研究采用低频模型的反演更加客观, 减少了由于水合物非均质性较强导致的误差。
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| 图 4 常规反演频率(a)与宽频地震反演(b)频率 Fig. 4 The frequency of conventional inversion (a) and broadband seismic inversion (b) |
地震及反演剖面使用的均为时间域数据, 其横坐标CDP是共反射点道集, 每道之间距离为12.5 m。如图 5a和图 5b地震剖面结合W11井测井曲线[14], 高密度分析处理地震剖面, 较常规油气地震数据浅部地层分辨率更高, 有利于水合物薄层的识别。与常规反演的波阻抗相比, 宽频波阻抗反演结果可以更好地刻画水合物的空间展布特征, 主要体现在其刻画含水合物地层分辨率更高, 宽频阻抗反演结果显示水合物层内部出现多套高阻抗薄层, 呈现若干薄层状高阻抗与相对低阻抗层互层的特征, 最薄高阻抗地层分辨精度可以达到5~6 m, 其横向延伸性更好, 说明宽频阻抗反演结果更加真实(图 5c和图 5d)。
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| 图 5 过W11井常规地震剖面与反演阻抗剖面 Fig. 5 Seismic section and inversion results through Site W11 a:常规处理地震剖面; b:高密度分析地震剖面; c:常规波阻抗反演结果; d:宽频波阻抗反演结果 |
通过声波速度对水合物饱和度进行预测是水合物地球物理研究的重要方向, 计算方法主要有两类:一类是经验公式, 包括时间平均方程、伍德方程、李权重方程等; 还有一类是理论模型, 包括等效介质理论方程、K-T方程、BGTL理论[29-33]。两类方法各有长短, 前者缺乏严密的理论依据, 但简单实用, 后者理论比较严密, 但涉及计算的参数过多, 参数的取值比较关键。本文主要基于荔湾3区块, 利用3种经验公式对水合物饱和度进行预测和分析比较。
1) 时间平均方程
时间平均方程是指改进的威利方程, 适用于固结、含少量流体的岩石模型, 刚度较大或胶结度好的孔隙流体介质。在水合物研究中, 使用的时间平均方程通常是皮尔森(Pearson)给出的三相介质方程, 即:
| $ \frac{1}{{V{\rm{p}}}} = \frac{{\phi \left( {1 - S} \right)}}{{{V_{\rm{w}}}}} + \frac{{\phi S}}{{V{\rm{h}}}} + \frac{{1 - \phi }}{{{V_{\rm{m}}}}}, $ | (1) |
Vp是含水合物沉积介质的纵波速度; ϕ为岩心孔隙度; S指水合物饱和度(水合物占孔隙的体积分数)。Vw、Vh、Vm分别为水、纯水合物和岩石基质的纵波速度。
2) 伍德方程
伍德方程通常适用于饱和度较大的悬浮状态的颗粒。含水合物的伍德方程为:
| $ \frac{1}{{\rho V_{\rm{p}}^2}} = \frac{{\phi \left( {1 - {S_{\rm{h}}}} \right)}}{{{\rho _{\rm{w}}}v_{\rm{w}}^2}} + \frac{{\phi {S_{\rm{h}}}}}{{{\rho _{\rm{h}}}v_{\rm{h}}^2}} + \frac{{1 - \phi }}{{{\rho _{\rm{m}}}v_{\rm{m}}^2}}, $ | (2) |
| $ \rho = (1 - \phi ){\rho _{\rm{m}}} + (1 - {S_{\rm{h}}})\phi {\rho _{\rm{w}}} + {S_{\rm{h}}}\phi {\rho _{\rm{h}}}, $ | (3) |
Kumar等认为, 式中孔隙度的取值ϕ应为除去水合物的孔隙部分, 这时水合物作为一个固体岩石的一部分。第一个式子中ϕ如下, 其中ϕ0为岩石不含水合物时的孔隙度:
| $ \phi = {\phi _0}\left( {1 - S{\rm{h}}} \right). $ | (4) |
3) 李权重方程
伍德方程和时间平均方程分别对应不同条件下的饱和度计算, 李权重方程把伍德方程和时间平均方程加权到一起, 用调节权重因子W和常数n来适应实际情况。其方程如下:
| $ \frac{1}{{V{\rm{p}}}} = \frac{{W\phi {{\left( {1 - S{\rm{h}}} \right)}^n}}}{{V{{\rm{p}}_{\rm{1}}}}} + {\frac{{1 - W\phi \left( {1 - S{\rm{h}}} \right)}}{{V{{\rm{p}}_{\rm{2}}}}}^n}, $ | (5) |
Vp为李权重方程计算的沉积介质纵波速度; Vp1是由伍德方程计算得到的纵波速度; Vp2是通过时间平均方程得到的纵波速度; W为权重因子; n是与水合物饱和度相关的常数; Sh为孔隙中天然气水合物的饱和度。Nobes[34]等指出, 当W > 1时, 公式倾向于伍德方程; 当W < 1时, 公式更倾向于时间平均方程; 当孔隙度降低时, Sh比较高时, 公式趋近于时间平均方程。
3.4.2 水合物饱和度预测方法对比为了寻找适用于荔湾3目标区水合物饱和度预测方法, 利用研究区已发表的W11测井解释结果及已有的岩石物性参数[9-10, 26], 分别采用时间平均方程、伍德方程和李权重方程计算地层的速度, 再与实测纵波速度Vp进行对比(图 6), 从图中可以看出, 3种方法计算的速度与实测速度变化趋势是一致的, 但时间平均方程计算的速度与测井速度Vp数值相差较大, 数值整体较实测数据高600 m/s左右, 伍德方程计算的速度在水合物层段偏小, 比实测纵波速度整体偏低大约250 m/s, 因而只有李权重方程可以较好的模拟水合物赋存对速度的影响。
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| 图 6 各经验公式计算的速度与测井速度的对比 Fig. 6 Comparison of the calculated velocity based on various empirical formulas and the measured P-wave velocity |
利用宽频无井反演的波阻抗数据, 结合岩石物理交汇分析和李权重方程, 针对水合物稳定带底界上部荔湾3区的第四条带开展了水合物饱和度定量预测(图 7)。结果显示该条带水合物饱和度最高可以达到40%以上, 水合物层最厚位置可以达到50 ms以上, 且宽频无井反演能使识别厚度5 ms的水合物层。水合物层主要分布于水合物稳定带底界上部, 且呈倾斜状与水合物稳定带底界相切, 成层状分布, 由厚度不一的高饱和度和低饱和度水合物层互层组成(图 7)。
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| 图 7 荔湾3区块第四个条带某测线的饱和度剖面 Fig. 7 The gas hydrate saturation section in LW3 area |
利用多属性融合和宽频无井波阻抗反演, 我们对荔湾3区块的第四条带水合物矿体进行精细识别及评价, 优选了两口取心站位(H1和H2)(图 1), 对比两口实测钻井数据与反演剖面可对本文技术及结果进行质量控制。2015年及2017年, 中海石油(中国)有限公司分别在H1及H2两个站位完成了钻测井等工作, 取到了较高饱和度的充填在孔隙空间的水合物, 通过一系列现场甲板测试及点火实验, 证实了水合物的存在。在H2站位从上到下识别出5套水合物层, 而H1识别出4套水合物层, 缺少第二套水合物层。基于宽频阻抗数据反演饱和度剖面显示第二套水合物层在H2到H1站位之间发生尖灭, 与测井结果一致。另外两个站位实测饱和度数据与饱和度反演剖面预测的饱和度值变化趋势一致, 表明实测钻井数据与预测的水合物分布吻合较好, 饱和度剖面上可以清晰识别6 m的水合物薄层, 分辨率较高(图 8)。从反演饱和度结果看, 该区域水合物饱和度最高在40%以上, 主要分布于水合物稳定带底界上部。
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| 图 8 水合物饱和度剖面与测井解释对比 Fig. 8 Comparison between hydrate saturation section and well logging interpretation |
本文以基于模糊数学的多属性融合技术形成了大区搜索水合物的技术。针对常规波阻抗反演技术在识别刻画水合物层中的缺陷, 提出采用高精度速度建立低频模型的宽频无井波阻抗反演技术, 提高反演结果对水合物层预测精度。再分析多种经验公式的水合物饱和度定量计算方法后, 提出李权重方程在模拟水合物赋存对地震速度影响中效果最好, 利用该方法能够使水合物薄层分辨率达5~6 m。利用该技术进行钻前水合物展布及饱和度评价结果与实际钻探H1和H2站位相吻合。荔湾3研究区水合物在第三、第四条带比第一和第二条带水合物分布面积、赋存概率及矿体饱和度都更好。从第四条带的水合物矿体空间刻画看, 水合物层倾斜与水合物稳定带底界相切, 呈高饱和度和相对低饱和度水合物层互层的特征, 水合物饱和度最高达40%以上且分布于水合物稳定带底界上部。
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