2016, Vol. 59
2. 海洋国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266061;
3. 中国科学院三亚深海科学与工程研究所, 三亚 572000;
4. 印度国家地球物理研究所, 海德拉巴 500007;
5. 中国石油杭州地质研究院, 杭州 310023
2. Evaluation and Detection Technology Laboratory of Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China;
3. Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China;
4. National Geophysical Research Institute, Hyderabad 500007, India;
5. Hangzhou Research Institute of Geology, PetroChina, Hangzhou 310023, China
天然气水合物是由水分子与气体分子在一定温压条件下形成的一种似冰状固态化合物，广泛分布于世界深水盆地和冻土带(Kvenvolden，1993; 陈多福等，2005).地震剖面上的似海底反射(BSR)是识别海洋天然气水合物的一个重要标志(张光学等，2011; 刘学伟等，2005; 阮爱国等，2006).BSR在地震剖面上对应于水合物稳定带底部，它是由其上方固态水合物充填高速沉积物和下方游离气充填低速沉积物之间的波阻抗差异产生的，所以BSR的强弱与水合物和游离气的饱和度与分布类型有关.因此许多学者在研究天然气水合物或游离气饱和度时，除了借鉴理论或半经验公式直接利用测井资料 外(王秀娟等，2006; Wang et al.，2011; 王吉亮等，2013)，另一类就是间接地分析BSR处反射系数随偏移距或入射角的变化(AVO)曲线(Hyndman and Spence，1992; Müller et al.，2007).但沉积物中水合物和游离气对BSR的贡献如何一直并不确定.
印度东海岸Krishna-Godavari(K-G)盆地(图 1)地震剖面上显示有清晰的BSR(图 2)(Jaiswal et al.，2012).2006年印度国家天然气水合物计划(NGHP01)为了研究K-G盆地的区域地质背景和天然气水合物特征，在盆地内共计钻探了15口钻井，并在NGHP01-10站位的泥质沉积物中获得脉状水合物，基于各向异性模型，利用纵波测井数据估算的水合物饱和度约为25%，与实测压力取心计算结果非常接近(王吉亮等，2013; Collett et al.，2008).地震资料上BSR为弱振幅、不连续反射，BSR下方存在亮点反射，指示游离气存在(Müller et al.，2007)(图 2)，盆地广泛发育的底辟构造为游离气向上运移提供通道，在BSR附近发现了大量裂隙，有学者认为这些裂隙可能是导致BSR呈弱地震 反射特征(Jaiswal et al.，2012; Collett et al.，2008; Wang et al.，2014; 吴能友等，2009; Fohrmann and Pecher，2012).但是通过地震反射振幅异常分析，只能定性地解释BSR下方存在游离气，对游离气饱和度及其分布类型并不清楚.我国学者对南海神狐海域的水合物在地震调查与解释、测井评价、岩石物理模型和成藏系统等方面也开展了大量的研究工作(吴能友等，2007; Zhang et al.，2007; 何家雄等，2009; 阎贫和陈多福，2009; 栾锡武等，2010; 张光学等，2011; Wang et al.，2011; 宁伏龙等，2013; 于兴河等，2014)，但对游离气饱和度及其分布类型等定量评价研究较少.因此，本文根据收集到的印度K-G盆地原始地震数据，利用水合物岩石物理模型，联合测井数据估算的水合物饱和度和实际的叠前地震数据AVO分析，进行游离气饱和度及其分布类型的定量地震估算研究，该研究能够为我国水合物资源量的评价工作提供一定的借鉴.
2 研究区地质背景由于晚侏罗世-早白垩世的裂谷和漂移作用，导致印度半岛从澳大利亚/南极洲大陆分离，并在半岛东部大陆边缘形成了诸如K-G等许多产油盆地(Powell et al.，1988).K-G盆地陆地和海洋面积分别为28000 km2和145000 km2，盆地内Krishna和Godavari两条河流为盆地带来了大量白垩纪至近代的碎屑沉积物.盆地陆地沉积物厚度约为3~5 km，而近海沉积物厚度高达8 km(Rao，2001; Prabhakar and Zutshi，1993).资料显示盆地的沉积速率在整个地质时期内一直在变化，尤其是在第三纪印度板块和欧亚板块碰撞导致喜马拉雅隆升之后 的速率明显增加(Subrahmanyam and Chand，2006).
本文的研究区位于K-G盆地的陆坡段(图 1)，是印度东部大陆边缘的组成部分.海底浅剖和多道地震显示区内存在一个由前缘逆冲断层或泥岩底辟作用产生的丘状体(图 2)，其周围断裂极其发育，为深部流体的运移提供了通道.因此，该丘状体可能是天然气和冷泉富集的潜在区域(Dewangan et al.，2010).在NGHP01-10站位周围断层较发育，并且在多道反射地震剖面上具有明显的BSR分布(图 2)，钻探、取心、测井和CT成像资料均指示存在天然气水合物，压力取心结果显示水合物饱和度占孔隙空间的17.6%~25.4%(Collett et al.，2008).
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图 1 研究区K-G盆地位置图(左图)，钻井NGHP01-10A和地震测线gdsw16的相对位置见右图 Fig. 1 Location map of K-G basin(left). The relative positions of Site NGHP01-10A and seismic profile gdsw16 are shown in the right chart |
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图 2 过10A井的gdsw16地震剖面 Fig. 2 The seismic profile gdsw16 through Hole 10A |
多道地震数据是由印度石油和天然气有限公司使用0.016387 m3的空气枪每隔12.5 m采集所得，其采集参数如下：接收道数120道、道间距12.5 m、采样间隔1 ms、记录长度5 s、最小偏移距75 m和炮间距12.5 m.
NGHP01-10站位水深为1038 m，水合物稳定带底部约为海底以下156 m，计算出的地震数据最大入射角约为35°.因此，该数据可以用来分析发育有BSR层位的详细AVO特征.通过叠前地震保幅数据处理获取目标层位的振幅信息，处理流程主要包括：道编辑、带通滤波、速度分析、球面扩散补偿、动校正、倾角时差校正、震源方向性校正(Sheriff and Geldart，1995)和检波器方向性校正(Hyndman and Spence，1992)等(图 3).速度分析间隔为62.5 m(10个CMP)，在BSR处加密为每隔5个CMP.由于AVO正演模拟结果为振幅随角度的变化曲线，在动校正后，还需要对动校正速度进行平滑后利用Dix公式转为层速度，再进行射线追踪，从而将处理 后得到的偏移距道集转换为角度域道集，这样实际的AVO曲线与正演AVO曲线可以在角度域内相匹配.
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图 3 地震保幅处理流程图 Fig. 3 Workflow for true amplitude processing |
P波、S波的速度和密度信息是AVO正演模拟的关键参数.此次NGHP01-10A井的钻井深度为188 mbsf(海底以下188 m)，该井已经穿透BSR位置，并进行了P波和密度测井，但缺少S波信息.对于海底未固结的高孔隙度水合物地层，不同水合物充填模式，描述水合物和沉积物之间微观结构的模型不同(Dai et al.，2008)，其中等效介质理论模型比较适合于水合物层段的P波和S波速度预测(Ecker et al.，2000).该岩石物理模型是利用有效压力、孔隙度、饱和度、矿物组分以及流体性质等参数计算沉积物的速度.模型假设沉积物在36%到40%存在一个临界孔隙，不同孔隙度下计算骨架的弹性模量方法不同.模型的计算过程包括Hill平均计算骨架的弹性模量、Hertz-Mindlin理论计算弹性模量、Hashin-Shtrikman理论计算干燥骨架的弹性模量、Gassmann方程计算流体饱和的弹性模量以及P波和S波速度计算等五个步骤(Dewangan et al.，2009).计算过程中使用的沉积物矿物组分见表 1.
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表 1 弹性参数和矿物组分含量(Ghosh et al.，2010) Table 1 Elastic parameters and mineralogy(Ghosh et al.，2010) |
根据等效介质理论，利用NGHP01-10A和10D两口井的密度、孔隙度以及饱和度等测井数据(图 4a和4b)拟合P波和S波速度随深度的变化曲线(图 4c)与实测P波和S波速度吻合度很高，两者的平均误差分别为2.5%和4.3%，说明等效介质理论岩石物理模型非常适合于该研究区海底浅层沉积物S波速度的预测.对于含水合物地层，其P波和S波速度与水合物饱和度呈正比关系，并且饱和度越高速度的增量越快(图 5a红色和绿色实线)，而地层密度略有下降(图 5a蓝色实线)；泊松比在低饱和度时基本保持不变，在高饱和度时略有降低(图 5a中品红实线).但含游离气地层的速度情况明显不同，游离气均匀分布时的P波速度在游离气低饱和度时下降非常快，随后在游离气饱和度20%时又开始缓慢升高(图 5b红色实线)；游离气块状分布时的P波速度一直呈下降趋势，在游离气低饱和度时下降较快，当游离气饱和度到达40%，纵波速度趋于稳定(图 5b红色虚线).由于S波只能在固体中传播，所以S波速度在游离气两种分布情况下是一致的，都是随着游离气饱和度的增加而略微增加(图 5b绿色实线)，地层密度呈下降趋势(图 5b蓝色实线)，但含游离气层的下降速度明显大于含水合物地层；两种游离气分布情况下的泊松比下降明显，与纵波形态基本保持一致.上述分析表明由于水合物和游离气的存在会引起地层的弹性性质发生变化即水合物会增加沉积物速度，而游离气会降低沉积物速度，使上下地层之间形成波阻抗差异，这将会导致水合物饱和度保持不变，不同游离气饱和度条件下BSR的AVO响应存在差异，这也是本文利用AVO进行BSR下方游离气定量研究的理论基础.
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图 4 NGHP01-10A和10D井曲线图 (a)10A速度和密度实测曲线；(b)10A孔隙度和饱和度计算曲线，孔隙度为密度孔隙度；(c)10A和10D井实测和岩石物理理论计算的P波和S波对比曲线.黑色虚线为BSR位置.需要注意的是图 4c中0.7~1.3 km·s-1的横坐标值被省略. Fig. 4 Wireline logs at hole NGHP01-10A and 10D (a)Velocity and density logs of 10A;(b)Porosity and saturation logs of 10A，porosity is calculated by density;(c)Comparison between the measured P-wave and S-wave logs of hole 10A and 10D and those of rock physics calculation. BSR lies at the depth marked by the black dashed line. Note that the values between 0.7 and 1.3 km·s-1 are omitted. |
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图 5 水合物和游离气不同饱和度下的速度和密度变化图(a)水合物；(b)游离气，其中红色实线和虚线分别代表游离气呈均匀分布和块状分布.计算孔隙度为70%，弹性参数见表 1.图 5与王秀娟等(2006)利用45%孔隙度的计算结果一致. Fig. 5 Curves of velocity and density with saturation changes from 0 to 1(a)Gas hydrate;(b)Free gas，red solid and dashed lines are the homogeneous and patchy distribution for free gas，respectively. Porosity is at 70% and elastic parameters are from Table 1. The results of Fig. 5 are similar to those of Wang et al.(2006). |
AVO研究是指地震反射振幅随炮点与接收器之间的距离即炮检距(或入射角)的变化特征来探讨反射系数响应随炮检距(或入射角)的变化，进而确定反射界面上覆、下伏介质的岩性特征及物性参数(Ostrander，1984).BSR界面上方的水合物层和下方的游离气层之间存在明显的波阻抗差异，所以BSR的AVO分析可以用于水合物或游离气的物性研究.反射系数在两种半无限弹性介质分界面上随角度的变化可用Knott-Zoeppritz方程表示，它主要取决于界面上下介质的密度、P波和S波速度，此次AVO正演是使用Aki和Richards(2002)简洁矩阵形式推导出的精确解进行反射系数的计算.
4 游离气地震定量估算 4.1 层位标定根据NGHP01-10A的井数据和连井地震数据，通过反射系数计算、子波提取、合成地震记录制作和层位标定等工作，识别出NGHP01-10A井准确的BSR深度(图 6).反射系数是利用密度和速度测井曲线计算获得.由于水合物地层海底埋深较浅，地震数据频率较高，为了使反演获得较高的分辨率，子波采用主频50 Hz，长度200 ms的雷克子波.图 6中蓝色合成地震记录与红色井旁道两者之间的相关系数达到0.8，BSR深度位于156 mbsf处，测井的P波速度为1.57 km·s-1，密度为1.54 g·cm-3，孔隙度为70%，水合物饱和度为12%.以上速度、密度、孔隙度和饱和度信息可以为AVO正演模拟提供准确的物性参数.
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图 6 合成地震记录 Fig. 6 Seismogram synthesis |
利用图 3中AVO处理流程对过10A井的原始地震数据进行了保幅处理，得到动校正后的共中心点道集，如图 7所示.图中红色和绿色虚线分别代表海底和图 6中标定的BSR位置.数据显示BSR振幅较强，与海底反射极性相反，其上方振幅相对于海底和BSR明显较弱.
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图 7 动校正后的共中心点道集 Fig. 7 Common midpoint gather after normal moveout correction |
由于实际的地震资料为振幅值，所以需要利用海底、BSR和海底多次波将BSR处的振幅转化为反射系数(Warner，1990).假定海底是光滑水平的，首先根据从实际资料中提取的海底反射振幅As和海底全程多次波振幅Am，利用式(1)计算海底垂直入射的反射系数RSeafloor：
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(1) |
根据速度模型将共中心点的偏移距道集转换成角度道集后，再使用检波器方向性校正(Hyndman and Spence，1992)和震源方向性校正(Sheriff and Geldart，1995)对BSR处的振幅进行补偿，再依据式(2)即可以计算BSR界面的反射系数(Ojha and Sain，2007)：
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(2) |
计算后的BSR反射系数随角度变化曲线见图 8中的蓝色点线.从图中可以看出，在0°垂直入射时，反射系数绝对值约为0.1；随着角度增加反射系数绝对值逐渐增大，当入射角达到35°时，其绝对值接近0.15.根据AVO曲线的分类(Castagna and Swan，1997)，I类AVO下伏地层波阻抗高于上覆地层，法线入射时的反射系数为正，随着入射角增大，其值开始减小，可为负值；II类AVO下伏地层波阻抗与上覆地层基本接近，法线入射时的反射系数可正可负，绝对值较小，随着入射角增大，其绝对值逐渐增大；III类AVO下伏地层的波阻抗低于上覆地层，法线入射时的反射系数为负，随着入射角增大，其绝对值逐渐增大；IV类AVO下伏地层的波阻抗远低于上覆地层，法线入射时的反射系数为负值，且绝对值较大，随着入射角增大，其绝对值逐渐减小.图 8中NGHP01-10A井处BSR的反射系数曲线呈现明显的III类AVO特征，即反射系数为负，绝对值随入射角的增大而增大，这是因为水合物的充填使沉积物的波阻抗增加，而游离气使沉积物的波阻抗减小，造成BSR上覆地层的波阻抗大于下伏地层(图 5).这与该盆地裂隙充填型水合物层呈现各向异性且BSR反射系数为IV类AVO特征明显不同(Sriram et al.，2013)，对比分析后发现两者位置不同，这说明各向异性裂隙充填型水合物层的BSR反射系数特征可能为III类AVO也可能为IV类AVO.
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图 8 NGHP01-10A井BSR界面的反射系数 红色曲线为正演模拟不同游离气饱和度下的理论AVO曲线，蓝色点线为实际地震资料计算的AVO曲线.(a)游离气为均匀分布；(b)游离气为块状分布. Fig. 8 Reflection coefficient of the BSRs versus incidence angles at NGHP01-10A Red lines stand for the synthetic AVO curves with different gas saturations and blue dotted line is the reflection coefficient derived from CMP 766 which is the location of hole NGHP01-10A.(a)Free gas is homogeneous distribution;(b)Free gas is patchy distribution. |
经过图 6中的层位标定，准确识别出NGHP01-10A井处的BSR深度位于156 mbsf处，获取了BSR处P波速度、密度、孔隙度和水合物饱和度.然后假设水合物饱和度固定不变，根据等效介质理论，计算出水合物层的S波速度和不同游离气饱和度的含气层弹性参数.最后根据水合物层和游离气层的弹性参数，利用Aki和Richards(2002)方法精确计 算BSR的理论反射系数随角度的变化曲线，AVO正演模拟结果见图 8中红色曲线.计算使用的水合物饱和度为12%，地层孔隙度为70%，游离气均匀分布和块状分布时的饱和度变化范围分别为0%~1%和0%~10%，其他弹性参数见表 1.图 8中实际AVO曲线与正演模拟的理论AVO曲线之间的对比分析表明，在游离气均匀分布情况下，游离气饱和度为0.3%~0.4%；而游离气块状分布情况下，饱和度为3%~4%，两者的估算结果相差约10倍.
泊松比是浅层海底沉积物物性研究的一个重要弹性参数(Dvorkin and Nur，1998; Dvorkin et al.，1999; Tinivella，2002).为了验证上述估算结果的正确与否，首先根据等效介质理论获得的NGHP01-10A井游离气层的密度、P波和S波速度信息(图 5b)拟合出泊松比在两种游离气分布状态下随游离气饱和度的变化曲线，再利用测量了水合物层P波和S波速度的NGHP01-10D井数据(王吉亮等，2013)计算出该井的泊松比平均值(图 9中绿线)与拟合曲线进行交汇分析，得出在均匀分布时游离气饱和度为0.4%，块状分布时为3.6%，该结果与地震定量估算结果非常吻合.从图中还可以看出，虽然游离气块状分布时泊松比随游离气饱和度变化的曲线值要明显大于其均匀分布的值，但这却不足以区分游离气的分布类型.而在墨西哥湾和北海未固结砂岩储层的进一步研究发现沉积物岩石干燥骨架的泊松比值范围通常在0~0.2之间(Dvorkin and Nur，1998)，由于游离气均匀分布和块状分布的体积模量计算公式不同(Dvorkin et al.，1999)，因此可以通过体积模量反演沉积物岩石干骨架的泊松比判断游离气的分布类型.具体流程如下(Dvorkin and Nur，1998)：(1) 根据实测速度和密度数据计算饱和水的体积模量和剪切模量；(2) 假设游离气均匀分布，根据计算的体积模量、剪切模量、游离气饱和度、气和水的性质，利用饱和水和干燥岩石骨架体积模量之间的关系，即可计算干燥岩石骨架的体积模量；(3) 再利用体积模量、剪切模量与泊松比的关系可以反演得到干燥岩石骨架的泊松比；(4) 如果反演出的泊松比值在0~0.2，说明假设成立，游离气为均匀分布，否则游离气为块状分布.该流程同样适用于假设游离气为块状分布的情况，需要注意的是该情况下体积模量的计算公式是不同的.使用该流程对BSR上下150~170 m深度的岩石干骨架 泊松比进行反演，结果见图 10，当假设气为块状分布时，反演泊松比值在0.4左右，全部大于0.2，而假设气为均匀分布时，在BSR附近156~162 m和168~170 m之间的值位于0~0.2，说明假设成立.而150~156 m和162~168 m之间两种假设都不成立，我们推测误差可能是因为分别充填水合物和水引起的.因此，根据反演结果，可以判断该处游离气的分布类型为均匀分布，游离气饱和度为0.3%~0.4%.以上分析不但说明叠前地震定量估算游离气饱和度方法是可行的，而且表明利用泊松比不但能够检验叠前地震数据定量估算游离气饱和度的精度，还可以判别游离气的分布类型.
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图 9 泊松比随游离气饱和度变化图绿线指示的泊松比为NGHP01-10D井计算的平均泊松比.红色箭头指示的是利用黑线和绿线泊松比交汇推导出的游离气饱和度值. Fig. 9 Poisson′s ratio curves versus free gas saturations from 0 to 1 Poisson ratio of green line is the average value from Well NGHP01-10D. Free gas saturation，shown by the red arrows，are derived by the crossplot of Poisson′s ratio of black and green lines. |
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图 10 干燥岩石骨架的泊松比反演结果红线为干燥岩石骨架理论泊松比的最大值0.2，绿色阴影部分为游离气均匀分布假设条件下反演出合理泊松比结果的深度范围. Fig. 10 Poisson′s ratio inversion of dry matrixRed solid line stands for the maximum Poisson′s ratio of the dry matrix. The green shadow parts are the reasonable results for the homogeneous distribution. |
通过叠前地震数据的保幅处理、岩石物理模型和AVO分析，定量评价了印度K-G盆地天然气水合物稳定带下方的游离气饱和度.结论如下：
(1) 等效介质理论岩石物理模型计算出的水合物和游离气沉积层的纵横波速度和密度等弹性参数与盆地内NGHP01-10A和10D的测井数据非常接近，说明等效介质理论模型适合构建研究区的理论AVO曲线.
(2) 叠前地震振幅数据实际提取的BSR处AVO曲线呈现反射系数为负(-0.1~-0.15)，绝对值随入射角增大而增大的第三类AVO特征.
(3) BSR处不同游离气分布类型和饱和度下的理论和实际AVO曲线分析对比显示NGHP01-10A游离气饱和度在均匀分布和块状分布两种情况下的 叠前地震定量估算结果分别为0.3%~0.4%和3%~4%，该结果与NGHP01-10D实测计算的泊松比交汇分析结果吻合很好.
(4) 根据沉积物干燥岩石骨架的泊松比反演结 果获得该处的游离气为均匀分布，饱和度为0.3%~0.4%.
致谢感谢印度国家水合物计划NGHP01航次的所有工作人员，文章里的测井数据是他们采集所获得，感谢印度国家地球物理研究所提供的原始地震数据.非常感谢两位匿名审稿专家，他们字斟句酌的评阅意见帮助作者很好地提高了论文质量.
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