天然气水合物是由水分子与甲烷分子在低温、高压环境下形成的一种类似于冰的固态化合物(Sloan, 1998; Sloan et al, 2008)。目前已经在南海北部多个盆地通过钻探证实存在大量天然气水合物, 自2007年以来, 广州海洋地质调查局在南海北部进行了多个水合物取样、钻探航次, 发现南海北部陆坡地区存在孔隙和裂隙充填型水合物(Wang et al, 2011; Sha et al, 2015), 特别是神狐海域天然气水合物大量钻探表明, 水合物层厚度从几米至七十多米不等, 且饱和度最高能达到60%左右(Yang et al, 2017; Qian et al, 2018), 并开展了试验开采工作(Li et al, 2018), 实现了连续2个月稳定开发。

利用反射地震调查与解释、测井评价、岩石物理和成藏系统分析等技术方法, 在南海北部开展了天然气水合物大量的研究工作(宋海斌等, 2001;陈多福等, 2005;刘学伟等, 2005;吴能友等, 2007;阎贫和陈多福, 2009;栾锡武等, 2010;张光学等, 2011; Wang et al, 2011; Qian et al, 2018;王秀娟等, 2017), 形成识别和定量评价天然气水合物方法。但是从大量研究来看, 南海北部水合物研究主要集中在珠江口盆地、琼东南盆地、中建盆地与台西南盆地(Lin et al, 2009; Liu et al, 2006; Yang et al, 2014; Sha et al, 2015; Zhang et al, 2015), 而其他区域研究程度相对较低。

近期, 中海石油(中国)有限公司与台湾合作, 对南海北部东沙隆起东部的揭阳凹陷采集了三维地震资料, 由于区内缺少浅层测井数据, 本文主要根据指示天然气水合物存在的地球物理异常特征, 结合该区域的实际地震资料情况, 对调查区新采集地震资料进行成像道集优化和叠前地震处理, 通过网格层析反演得到高精度速度和叠前深度数据体, 系统分析该区域潜在天然气水合物地质条件, 并对该区域发育的似海底反射(bottom simulation reflection, BSR)、流体运移有利通道、断裂与气烟囱分布特征进行研究, 新发现了天然气水合物有利发育区, 为下一步开展勘探提供研究基础。

1 区域地质概况

研究区位于南海北部东沙隆起带以东, 潮汕坳陷北东方向(图 1a)。潮汕坳陷主要呈北东-南西走向, 为一个残留的中生代盆地(赵淑娟等, 2012), 与珠江口盆地明显差异的是, 潮汕坳陷中生代沉积为主, 沉积最厚约为5200m, 新生代沉积较薄。前人研究显示东沙海域及其东部的潮汕坳陷在晚中新世末-早上新世初(5.5Ma)经历了一次重要的构造运动-东沙运动, 其在构造上主要表现为断块升降, 在隆起区上覆沉积层受到强烈侵蚀作用, 造成中新世及部分上新世地层缺失, 在东沙及其东部海域形成大量张性断层, 部分断层为切穿海底及基底“通天断层”(Li et al, 2008; Yan et al, 2014;刘涛, 2019)。另外潮汕坳陷是油气勘探潜力区, 侏罗系海相沉积被认为是有利油气储层地层, 匹配区域发育的大量正断层, 该地区被认为是水合物有利勘探区(Yan et al, 2006)。

本研究利用该区域针对水合物保幅处理三维地震资料和速度场信息, 面积约130km²。利用三维地震资料解释的水深变化范围为1100-1500m。从海底地形看, 研究区峡谷发育, 沉积类型复杂多变, 主要发育水下扇体(图 1b)。由于受到海底峡谷水道的频繁侵蚀, 水合物稳定带底部位于10.5-16Ma (T30-T40)之间(图 1c)(刘涛, 2019;吴晓川等, 2019)。在疑似BSR下方发育大片模糊反射区, 具有明显的“气通道”反射特征, 表明中深部气运移通道发育。另外, 地震剖面上断层非常发育, 表现为多期拉张作用下发育的“X”型正断层, 断层断面平直、活动持续时间较长, 浅层断层发育, 多数断层断至海底(图 1c)。

2 高精度网格层析速度反演

研究区目前无油气钻井与水合物钻井可供利用, 而稳定带上部存在速度异常是识别水合物一种重要属性异常。因此, 除了通过对资料重新处理(如噪音去除、多次波衰减和地震成像等常规处理)外, 为了获得更准确的速度场, 本文对成像道集净化和高精度网格层析速度反演。

2.1 τ-p域成像道集净化

成像道集的质量通常受资料信噪比、多次波及静校正等因素影响, 如何提高成像道集的质量决定了剩余延迟(residual moveout, RMO)的精度, 也决定了速度反演的精度。利用τ-p域成像道集净化对叠前道集进行了处理, 不仅能压制多次波还有效提高了道集的信噪比, 在成像道集净化的同时还保持了由于速度影响造成的有效反射同相轴的剩余延迟信息, 形成基于运动学原理进行道集净化方法。净化后的道集较好压制了剩余多次波, 并有效提高了资料的信噪比, 利于更精确的RMO拾取, 为层析反演提供高质量道集资料。

2.2 高精度网格层析速度反演

研究区海底崎岖起伏大, 断裂系统发育, 由于海底侵蚀作用影响, 浅部地层仅在西北部地区发育, 大部分地区缺失, 局部区域可发现特征较为明显BSR(图 1c)。本研究通过高精度网格层析反演获得高分辨率浅层速度异常, 同时兼顾中深部地层反射, 提高断裂发育区成像效果。通过深度偏移成像道集中同相轴的RMO进行层析成像反演来优化速度模型。在速度反演过程中采用从浅部至深部, 从大尺度到小尺度的多次迭代优化方法。主要包括以下步骤(图 2):

(1) 利用叠前时间偏移的速度场和年代地层框架模型建立初始的速度场, 使用精确的初始速度模型提高迭代效率, 确保速度的合理性;

(2) 在初始速度基础上开展目标区叠前深度偏移处理, 自动拾取剩余深度差并进行高精度网格点层析速度反演, 迭代更新速度场, 获取精细层速度。

(3) 经多次迭代, 针对浅层进一步优化速度提高速度细节, 最终获得研究区高精度速度场信息, 利用该速度进行偏移成像。

通过多次迭代, 获得研究区高精度网格点层析速度反演的速度场(图 3)。从该图看, 浅层速度场在解释的BSR上部出现高速度异常, 速度达2.0km/s, 在BSR下部出现低速度异常, 速度约为1.6km/s。利用该速度场进行叠前时间偏移成像, 从地震剖面看, BSR上部地层出现局部强振幅反射, BSR下部出现局部振幅增强。局部发育断层, BSR下部地层成像明显改善, 尽管地震反射呈弱振幅, 但是横向呈连续反射, 表明BSR下部局部存在游离气。

3 含天然气水合物层地震异常特征分析 3.1 BSR反射特征分布

利用时间偏移地震资料, 发现研究区BSR主要分布于两条峡谷中间的脊部地层中, 从地震剖面看, 脊部两侧地层受到明显侵蚀作用, 造成T30以来地层的局部缺失(图 1b, c)。根据BSR的地震反射特征, 该区域BSR呈两类(图 4)反射特征:连续BSR (continuous BSR, CBSR)和不连续BSR(discontinuous BSR, DBSR)。CBSR在地震剖面上呈连续、强反射特征, BSR上部出现局部强反射且与地层近似平行(图 4a), BSR下部亮点反射沿地层展布, 终止在BSR之上, 位于地层构造高点之上, 即水道脊的顶部。DBSR分布在峡谷侵蚀侧翼, 地层被峡谷侵蚀, BSR与地层呈明显的斜交关系, 强振幅与弱振幅交互出现, 下部亮点反射终止在BSR处(图 4a), 在CBSR上方存在与海底极性一致的强反射, 可能指示相对高饱和度水合物层发育(图 4a)。

通过对研究区三维地震资料精细解释, 发现该区域BSR发育在一个多期次叠置水道上(图 4a), 该水道主要分为四期(图 4b-e), 不同期次水道的水合物平面分布特征相似, 呈北东-南西走向, BSR主要分布在水道中部, 横跨水道(图 4)。从该区域解释层位看, BSR位于T40到T30(16-10.5Ma), 该层为韩江组地层(图 1c), 该时期是一个稳定的海相沉积, 海底侵蚀目标区位于T30之上地层。因此, 与珠江口盆地相比, 该研究区BSR位于相对较老地层, 从反演速度剖面看, 速度背景高于珠江口盆地饱和水地层速度(1.65km/s), 表明揭阳凹陷地层的压实固结程度可能较高。

3.2 属性异常分析

与不含水合物地层相比, 稳定带底界下部的地层可能含游离气, 也可能为饱和水地层, 均呈现“上部高速、下部低速”异常特征, 在地震剖面上均产生BSR。根据全区高精度网格层析反演后的层速度, 发现研究区BSR上方为高纵波速度异常, BSR下方局部出现低纵波速度异常(图 3)。

由于目标区没有测井资料, 为了验证高密度网格层析反演的纵波速度是否合理。本文同时利用叠后反演纵波阻抗识别水合物层。我们利用地震处理获得低频速度(4Hz以下)建立低频趋势模型, 进行约束稀疏脉冲反演, 获得含水合物的波阻抗剖面(图 5)。在BSR附近的地震资料中提取振幅子波(图 5b), 进行约束稀疏脉冲反演。为了获得比较合理反演结果, 通过选择合适的子波比例因子, 来调整反演阻抗的高值异常大小, 其中子波比例因子为4.0时, 反演波阻抗剖面与地震异常吻合较好(图 5c)。从图 5可以看出, 在BSR上方存在连续的高波阻抗值, 而在BSR下方存在有低波阻抗区。从反演的波阻抗与纵波速度看, 该区域BSR上方均为高值异常, 下方为低值异常, 表明BSR上方含水合物, 而下方含游离气层, 表明该区域是天然气水合物有利发育区。

3.3 天然气水合物空间分布

由于受构造活动影响, 研究区正断层相对比较发育, 说明该地区整体位于构造拉张环境下。由于受侵蚀作用, 大量断层到达海底(图 6a), 局部断层切穿BSR。研究区局部发育了气烟囱构造, 在地震剖面上呈弱反射或杂乱反射特征(图 6a), 在地震相干剖面上为低相干。在BSR上方发育比较明显的连续反射界面, BSR上方有明显高速度、高波阻抗异常, 推测为水合物发育层段顶面, 主要分布在BSR发育区构造较高部位。BSR下方表现出明显的低速度与低波阻抗异常, 比周边正常地层速度明显偏低, 高速度异常与低速度异常在垂向上对应关系良好(图 5c)。

为了研究水合物平面分布特征, 我们利用研究区深部油气钻探ST18-6井(位置见图 1), 地温梯度45℃/km, 海底温度4℃计算研究区天然气水合物稳定带底界深度, 再结合反演纵波速度, 计算稳定带底界双程走时, 沿稳定带底界一定时窗内提取不同属性, 研究水合物空间分布。相干属性是识别断层与沉积环境变化的有效属性参数, 本文利用Petrel软件提取三维地震数据相干属性, 沿稳定带底界30ms时窗提取该层的相干属性。从该相干属性看, BSR周围及内部断层发育密集(图 6b), 表明正断层构造是该区域水合物成藏的重要条件。同时沿水合物稳定带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来反映水合物的岩性与异常空间分布(图 6), 反演波阻抗高值异常约为50ms(图 5c), 我们沿稳定带底界上方50ms提取RMS振幅(图 6c)和波阻抗的最大值(图 6d)。从该图看, 异常分布区与识别BSR吻合较好, 在识别BSR范围外局部区域存在最大波阻抗异常, 该异常可能与水合物有关, 也可能是地层沉积异常造成的。为了进一步判别该异常, 利用稳定带底界上方50ms与下方30ms时窗内的波阻抗差异计算稳定带附近的反射系数, 来反映稳定带附近上下地层速度异常。从计算反射系数看, 在BSR发育区, 若计算的反射系数为负值异常区(图 6e), 表明下伏地层与上覆地层阻抗差较大。

因此, 根据识别BSR、反演纵波速度与波阻抗和反射系数异常及气体运移通道的综合分析及平面展布特征, 通过平面多个属性叠合分析, 认为本研究区识别BSR是由地层含有水合物造成的反射异常, 该研究区是一个潜在的有利于水合物成藏区域。

4 结论

揭阳凹陷位于珠江口盆地东部海域, 由于受东沙隆起影响, 发育了多个海底峡谷, 且断裂与断层较发育, 具备形成水合物的构造与沉积条件, 受研究资料限制, 该区域天然气水合物研究一直未取得突破。通过对该区域新采集三维地震资料, 开展高精度网格层析速度反演与叠前时间偏移成像处理, 发现了该凹陷指示水合物赋存的BSR反射。该BSR与地层斜交、与海底极性相反, BSR上出现的局部强振幅反射为水合物识别标志, 而BSR下呈杂乱与下拉反射异常是游离气地球物理识别标志。由于受侵蚀影响, BSR呈不同反射特征, 脊部发育BSR呈连续, 而峡谷侧壁处BSR呈不连续分布特征。结合反演的高精度层速度、约束稀疏脉冲反演的纵波阻抗, 发现BSR上部为高值异常, 而下部出现低值异常, 表明该BSR是由于地层含有天然气水合物而形成的地球物理属性异常。利用三维地震资料, 基于区域天然气水合物稳定带底界, 通过提取振幅、速度、波阻抗、反射系数和相干等属性, 发现了该区域属性异常与BSR分布具有非常好相关性。广泛发育的高角度断裂为深部流体向上运移提供通道, 而发育多期次继承性水道为水合物形成提供相对较好储层条件。