杨静, 河北省涿州市华阳东路物探科技园东方地球物理公司研究院处理中心, 072750。Email:954891129@qq.com。天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备能源，是目前地球上尚未开发的最大能源库[1]。地震勘探在天然气水合物资源调查中应用广泛，绝大多数水合物矿体的发现依赖该项技术[2-5]。近年不断完善的海洋地震处理技术为水合物地震识别提供了坚实的资料基础[6]。从似海底反射(BSR)响应特征识别、地震属性分析到AVO反演，天然气水合物地震识别技术已经从定性预测、半定量预测发展到了定量预测[7-11]。但天然气水合物赋存状态具有多样性，钻井资料少且取心受温压条件的限制很难原状保存，因此难以获得准确的物性参数[12-15]。对无井区域如何开展水合物矿体定量描述是开展水合物地震识别的难点。
本文以中国南海海域实际地震资料为例[16-20]，阐述了在无井区利用模型正演开展天然气水合物量化描述的方法。在地震多属性定性描述水合物分布基础上，利用模型正演确定研究区水合物矿体的组合关系，以及水合物地层与沉积层的弹性参数关系，从而建立不同饱和度水合物矿体与阻抗信息之间的关系量板；利用AVO叠前反演开展不同饱和度水合物矿体定量描述，得到了不同饱和度水合物矿体平面分布面积、厚度等量化参数，为研究区水合物矿体资源量估算提供了基础。
1 天然气水合物分布地震多属性定性描述受天然气水合物的厚度与饱和度以及底部游离气饱和度的影响，水合物顶、底界面具有多种地震反射特征。地震多属性剖面能较好识别水合物异常地震响应特征[7, 9-10]。
依据天然气水合物的BSR特征、速度异常、底界反射与沉积层斜交等典型特征，形成了基于振幅、频率、相位等地震多属性水合物定性描述技术。在图 1a的叠前时间偏移剖面上，BSR(粉色虚线)与海底同相轴近似平行，并与地层界面反射斜交，含天然气水合物地层(绿色与粉色虚线之间)具有相对强的振幅特征。在图 1b的反射强度属性剖面上，突显了强阻抗特征，更加有利于天然气水合物顶、底界面的识别与解释。峰值振幅属性是峰值频率对应的振幅信息，该属性可由时频分析技术得到，其突显了水合物矿体强振幅异常特征(图 1c)。水合物沉积层底部受水合物饱和度低、底部游离气欠发育等因素影响，导致BSR强振幅异常特征不明显。瞬时相位属性可以突出一些反射振幅较弱的天然气水合物地震反射特征。图 1d中瞬时相位属性剖面中突显了BSR与正常沉积地层斜交的特征，水合物矿体顶(绿色虚线)、底(粉色虚线)界面特征清楚。地震振幅、频率、相位等多属性结合能定性描述水合物矿体顶、底界面。
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图 1 地震多属性识别天然气水合物矿体 (a)叠前时间偏移剖面；(b)反射强度剖面；(c)峰值振幅剖面；(d)瞬时相位剖面 |
天然气水合物沉积层地震响应特征受矿体饱和度及厚度、下伏游离气饱和度及厚度以及沉积地层弹性参数等因素影响，因此在无井区域识别水合物矿体通常具有多解性。模型正演分析与地震响应特征相结合，不仅能准确描述水合物矿体分布类型，确定BSR地震响应特征，同时可建立水合物矿体饱和度与地震弹性参数之间量化关系模板，用于水合物矿体定量描述。
图 2为地震多属性定性描述的水合物矿体所对应的正演地层框架模型。地质框架模型横向地震道从零开始定义、道数与实际地震道数保持一致，纵向将海平面以下970m定义为起始深度0、模型中沉积层厚度与实际地层厚度保持一致。正演地层框架模型中地层界面主要依据地震波组反射特征确定，通常情况下一个强波峰反射对应一个波阻抗反射界面；依据邻区水合物实测钻井分析可知水合物沉积层非均质性较强，地层框架模型中水合物层数主要依据地震剖面波组反射特征，按照波峰反射个数最终确定水合物层数为5层。框架模型地层弹性参数主要参照大洋钻探(ODP)349航次1432C站位(图 3)、地震速度谱、邻区水合物钻井资料联合确定，最终确定正演模型沉积地层层速度变化范围为1500~2040m/s、密度变化范围为1.10~1.94g/cm3；水合物层速度变化范围为1980~2100m/s、密度定义为定值1.90g/cm3。通过将正演模型剖面与实际地震剖面拟合，不断修正完善水合物矿体沉积层组合关系，以求达到最大相关性。同时结合其他区块实测钻井数据，明确目标区水合物矿体饱和度与速度的对应关系。
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图 2 天然气水合物正演模型及参数 |
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图 3 中国南海海域大洋钻探站点资料 |
利用图 2正演模型、选用与实际地震资料(图 4上)主频保持一致的子波(50Hz)激发，模拟获得正演剖面(图 4下)。实际地震剖面与正演模型剖面对相关系数达到90%。由正演模型结合叠前时间偏移剖面(图 4)波形特征分析可知天然气水合物沉积层的赋存状态：在海底以下300m沉积层中充填楔状天然气水合物层；水合物层顶界为强波峰反射(紫色层位)，底界反射(BSR)振幅横向差异大(红色层位)、两侧薄层为强波谷，旁瓣呈现“上强下弱”的特征，中间厚层为弱波谷、BSR穿层特征明显；水合物矿体呈单层到多层叠置分布，水合物饱和度横向、纵向存在变化；该水合物矿体在两侧厚度为9m，小于λ/4(λ为波长)；中部厚层区厚度累计达到58m，为多个饱和度不同的薄层水合物叠加，天然气水合物底部游离气不发育。
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图 4 常规叠前时间偏移剖面(上)及模型正演结果(下) |
通过模型正演分析目标区水合物矿体速度和密度变化范围，参考邻区水合物钻井建立研究区水合物矿体速度与饱和度之间的换算量板：天然气水合物层速度为2020m/s、纵波阻抗为3840m·s-1·g·cm-3，对应的水合物饱和度为15%；层速度为2080m/s、纵波阻抗为3960m·s-1·g·cm-3对应的水合物饱和度为20%。同时图 2天然气水合物正演模型中地层速度组合关系为无井区叠前弹性反演提供了低频模型背景。
3 利用叠前弹性反演开展天然气水合物量化描述利用井资料开展叠前弹性反演，根据弹性参数(纵波阻抗、横波阻抗、纵横波速度比等)定量识别天然气水合物，可以减小天然气水合物识别的多解性。但在水合物钻井资料缺乏的地区，基于模型正演分析可以得到实际地层速度组合关系，为无井地区叠前弹性反演提供低频模型背景，为叠前弹性反演顺利开展奠定基础。
图 5为叠前弹性反演纵波阻抗属性与纵横波速度比属性剖面。天然气水合物沉积层表现为高纵波阻抗、低纵横波速度比。纵波阻抗属性剖面中黑色、紫色虚线分别为天然气水合物矿体顶、底界面，其中红色高阻抗指示了高饱和度水合物矿体分布、黄绿色低阻抗指示了相对低饱和度水合物矿体分布(图 5上)；该天然气水合物矿体在纵横波速度比剖面上表现为红、黄色低值分布(图 5下)。游离气表现为低纵波阻抗、低纵横波速度比，赋存在天然气水合物矿体底部，由叠前反演结果可知该矿体底部游离气欠发育。
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图 5 水合物矿体叠前弹性反演属性剖面 上：纵波阻抗；下：纵横波速度比 |
实际工区天然气正演模型分析结合大洋钻探(ODP)349航次1432C站位(图 3)、邻区水合物钻井资料明确了天然气水合物纵波阻抗与饱和度之间量化关系，建立纵波阻抗与水合物饱和度的对应关系(表 1)；利用叠前弹性反演纵波阻抗属性计算得到水合物矿体饱和度属性体(图 6)。该水合物矿体饱和度为10%~30%，矿体饱和度呈现顶部最大向下至BSR逐渐减小的特征，反演结果与正演模型中水合物沉积层设定关系完全一致。
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表 1 纵波阻抗与饱和度对应关系 |
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图 6 水合物矿体饱和度预测剖面 |
纵波阻抗门槛值3840m·s-1·g·cm-3对应饱和度为15%的天然气水合物矿体，厚度预测结果如图 7a所示，饱和度大于15%矿体厚度变化范围为0~18m，平面分布面积为81.4km2。纵波阻抗门槛值3960m·s-1·g·cm-3对应饱和度为20%的天然气水合物矿体，厚度预测结果如图 7b所示，饱和度大于20%矿体厚度变化范围为0~12m，平面分布面积为77.9km2。水合物矿体厚度及平面分布面积随饱和度升高呈减小趋势。
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图 7 天然气水合物矿体预测厚度 (a)饱和度大于15%；(b)饱和度大于20% |
(1) 叠后多属性定性描述技术能确定天然气水合物矿体异常反射区；模型正演分析技术明确水合物矿体分布类型、水合物矿体与沉积层之间的速度和密度组合关系、建立水合物矿体纵波阻抗与饱和度关系量板；叠前弹性波阻抗反演技术完成了水合物矿体定量描述。
(2) 基于模型正演分析天然气水合物地震预测技术为无钻井区域开展天然气水合物矿体定量描述提供了技术手段。
(3) 该技术应用于NH海域，完成了天然气水合物矿体空间展布及物性参数定量描述，为天然气水合物矿体储量估算提供了基础数据。
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