2016, Vol. 31
2. 中国石化中原油田分公司物探研究院, 濮阳 457001
3. 中国石化中原石油工程有限公司钻井三公司, 兰考 475300
2. Geophysical Research Institute of Zhongyuan Oilfield Co., SINOPEC, Puyang 457001, China
3. Drilling Company No.3 of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd., SINOPEC, Lankao 475300, China
天然气水合物是天然气体和水在高压(>100大气压或>10 MPa)和低温(0～10 ℃)条件下形成的一种固态结晶物质.因其天然气中80%~90%的组分是甲烷，所以天然气水合物也被称为甲烷水合物，燃烧对环境几乎没有任何污染，是一种高效清洁的能源.1 m3的天然气水合物常温常压下可以分解出约164 m3天然气(Makogon，1997；马在田等，2000).天然气水合物通常呈现出白色或浅灰色晶体，看起来像冰雪，在某些条件下能够像酒精一样被点燃，因此有人称之为“可燃冰”.自然界中天然气水合物分布广泛，存量巨大，据有关专家估计，天然气水合物中含碳量约是常规化石燃料(石油、天然气、煤炭)含碳量的两倍(钱建中和曾九岭，2002；范德江和杨作升，2004)，因此，天然气水合物是一种潜在的巨大新型能源，从而备受到科学家们的密切关注，并积极开展这方面的研究工作.
深海钻探和大洋钻探的多个钻孔已证实了海洋天然气水合物的存在(Shipley and Didyk，1982；Kvenvolden and Bamard，1983; Kvenvolden and McDonald，1985；宋海斌等，2001a).天然气水合物识别方法很多，既可通过地质沉积物取样等方法来直接识别，也可通过似海底反射层BSR(Bottom simulating reflector)等间接手段来识别.由于深海钻探十分昂贵并且有限，地震方法是识别海洋天然气水合物的重要手段.地震剖面上的似海底反射层常常指示天然气水合物稳定带的底界(宋海斌等，2001b；张光学等，2014).BSR具有以下特征：与海底大致平行、极性反转、与沉积层层理斜交等；在一些地区，BSR上方呈现空白带的特征.厄瓜多尔西海岸盆地是在板块作用下形成的沿海岸线状排列的弧前盆地.自20世纪初期以来，该区的油气勘探已有近百年历史，并发现了多个油气田，其蕴含着丰富的石油和天然气资源，但整个地区勘探程度相对较低，本文根据BSR特征对厄瓜多尔西海岸天然气水合物进行地震识别；同时，通过对天然气水合物的成藏条件进行分析，采用Gornitz容积法公式计算出了厄瓜多尔西海岸中天然气水合物的资源量，并揭示了其平面展布规律，指出了该地区广阔的勘探前景.
1 天然气水合物的勘探现状随着天然气水合物在加拿大Mallik三角洲、俄罗斯西伯利亚冻土带等区域相继被发现，人们意识到天然气水合物可能在自然界中广泛分布(唐志远等，2015).因此，人类投入了大量的精力用于全球天然气水合物的勘探，新的水合物矿藏不断被发现.目前已调查发现并圈定有天然气水合物的地区主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、冲绳海槽、千岛海沟、四国海槽、日本海、南海海槽、苏拉威西海、新西兰北岛；东太平洋海域的中美海槽、秘鲁海槽、北加利福尼亚一俄勒冈滨外；大西洋海域的美国东海岸外布莱克海台、墨西哥湾、南美东海岸外陆缘、加勒比海、非洲西西海岸海域；印度洋的阿曼海湾；北极的巴伦支海和波弗特海；南极的罗斯海和威德尔海，以及里海与黑海等(Tucholke et al.，1977；Satoh et al.，1996；McGee，2000；Taylor et al.，2000；徐宁等，2006).目前世界这些海域内有多处直接或间接发现了天然气水合物，其中30%处岩心见到天然气水合物，70%处见到有天然气水合物地震标志的似海底反射(BSR)，许多地方见有生物及碳酸盐结壳标志.据专家估算：在全世界的边缘海、深海槽区及大洋盆地中，目前已发现的水深3000 m以内沉积物中天然气水合物中甲烷资源量为2.1×1016 m3(2.1万万亿m3).水合物中甲烷的碳总量相当于全世界已知煤、石油和天然气总量的二倍.可满足人类1000年的需求，其储量之大，分布面积之广，是人类未来不可多得的能源.以上储量的估算尚不包括天然气水合物层之下的游离气体.
中国天然气水合物勘探工作主要始于“九五”期间，近年来在冲绳海槽的边坡、南海的北部陆坡、西沙海槽、西沙群岛南坡、笔架南盆地和台湾西南陆坡等海域发现了海底天然气水合物存在的似海底地震反射层(BSR)标志(邓辉等，2005；卢振权等，2013；苏正等，2014).资料表明：地震剖面上具有明显似海底反射界面(BSR)和振幅空白带.“BSR”界面一般位于海底以下300~700 m，最浅处约180 m.振幅空白带或弱振幅带厚度约80~600 m，“BSR”分布面积约2400 km2.海域天然气水合物主要赋存于活动大陆边缘和非活动大陆边缘的深水陆坡区，尤以活动陆缘俯冲带增生楔区、非活动陆缘和陆隆台地断褶区含水化合物十分发育.表明在中国海域寻找天然气水合物具有光明的前景.
2 天然气水合物的识别方法天然气水合物的形成与赋存条件需要独特的温压和地质条件，既可通过地质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方法来直接识别，也可通过似海底反射层(BSR)、速度和振幅异常结构、地球化学异象、多波速探测和海底电视摄像等间接手段来识别，尤其是地震识别标志. 本文只讨论地震识别方法.地震勘探是海上大面积识别天然气水合物的可靠手段和方法.厄瓜多尔西海岸地区海上地震剖面上存在明显的BSR特征，指示了在该区域大面积存在天然气水合物的可能性.通过分析地震剖面，采取下列几种方法对天然气水合物进行识别：
2.1 平行海底反射在地震剖面上BSR是一个平行或基本平行海底的、能够切割所有的层面或断层的反射界面.大量游离的甲烷气体被圈闭在天然气水合物稳定带之下，从而在地震剖面上形成BSR.项目研究过程中，在厄瓜多尔西海岸地震剖面上发现了很多BSR.图 1 中MR08-856-C测线上BSR特点非常清楚，呈现出了一个强的反射界面，它与海底是基本平行的.同时，从图 1中红框部分可以看出，BSR切割正常沉积地层的反射.
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图 1 地震剖面上的BSR显示(测线号MR08-856-C) Figure 1 The performance of BSR in the seismic section(MR08-856-C) |
现已证实，BSR代表了天然气水合物稳定带的基底，其上部是固态水合物层段，声波速率高；而下部是游离气或仅孔隙水充填的沉积物，声波速率低.因此，在地震剖面上形成了强的负阻抗反射界面.
BSR是由于具有低渗透率的水合物层与其下部大量游离天然气及饱和水沉积物之间存在着较大声波阻抗差异(或声波传播速度)而引起的.因为水合物层的底界面主要受所在海域的地温梯度控制，它往往是位于海底以下一定的深度.因此，BSR基本平行于海底的，被称之为“似海底反射层.”除了被用于识别天然气水合物的存在和编制水合物发育分布图外，BSR也被用来确定天然气水合物层的顶、 底界和产状(曹运诚和陈多福，2014)，还可计算水合物层深度、厚度和体积.
然而，并非所有水合物都存在BSR.在平缓的海底，即使天然气水合物存在，也很难以识别出BSR.BSR经常出现在斜坡或海底地形起伏大的海域.此外，并非所有BSR对应的都是天然气水合物.在极少见的情况下，其他因素也可能导致BSR的产生.还应当指出的是，虽然大部分的天然气水合物层都位于BSR之上，但并不是所有的水合物层都位于BSR之上的，深海钻探已证明了这点.因此，BSR不能是天然气水合物识别的唯一标志，应该结合其他方法来一起判断.近年来，分析和研究地震波的速度结构，已成为该学科领域的前沿.水合物层是一个高速度层，其下气体饱和层或水饱和层的饱和度较低.在速度曲线上，BSR界面处的速度会突然降低，表现出明显的速度异常结构.
2.2 空白地震反射带赋存天然气水合物的地层密度近乎均一，穿透其中的反射波往往变弱，在BSR之上出现空白带，此空白带层段有时与正常沉积层的反射波斜交或近乎平行(钱建中和曾九岭，2002).在反射地震剖面上空白反射带通常是与BSR伴生的反射特征，是由于沉积物孔隙被水合物充填胶结而使其在声学上呈现出均一响应的结果.在地震反射剖面上，它表现为均匀反射或空白反射. 垂向上这些反射带上部与海底沉积层呈逐渐过渡的趋势，下部以BSR为界，与下伏游离气带是显著突变接触的.在厄瓜多尔西海岸地区并没有出现像布莱克海台地区那样的空白反射，但和中国南海的相似.从图 1中不难发现，整体上来看，厄瓜多尔西海岸地区BSR以上的地震反射强度明显地弱于其下的地震反射强度.
2.3 极性反转该标志是与上述两个特征相伴生的地震反射特征，它最突出的特征是，BSR的反射极性与海底反射极性是相反的.这是由于反射波的极性是由反射界面的反射系数(R)决定的，而反射系数与界面两侧介质之间的阻抗差异有关.因此，BSR层的反转极性是由于下伏游离气带的波阻抗比天然气水合物稳定带的波阻抗小而引起的.此特点是确认BSR真实性的关键，在水平沉积层尤为如此.
从图 1中可以明显看出海底反射是一个强能量单相位反射，而BSR是强能量双相位反射.这正是天然气水合物底界面与海底界面波阻抗反射系数刚好相反引起的极性反转现象，也是指示可能含有天然气水合物标志.
2.4 AVO分析振幅随偏移距变化AVO(Amplitude Versus Offset)这也是一种特征的反射结构，表明BSR的反射振幅是随着偏移距(或入射角)的变化而改变的(宋海斌等，2001a).该结构的形成是由于BSR上方含水合物沉积物和下伏含游离气沉积物之间存在着较大泊松比差异而引起的.当高孔隙度的沉积物中含少量天然气时，泊松比下降，此时纵波速度有较大降低，而横波速度变化很小.BSR在CMP道集上表现出AVO异常.因此，AVO分析是判断是否含游离气的重要手段(孙春岩等，2003).
图 2为厄瓜多尔海上地震测线MR08-972-N的偏移剖面和道集，在道集5859上，BSR时间为1588 ms，在这个时间以及上部的1438 ms和1515 ms 之间都有明显的AVO异常；在道集5867上，BSR时间为1580 ms，在这个时间以及上下部都有明显的AVO异常，这些都预示着存在多套气层，对应的层位是Angostura和Onsole下部，在BSR界面以上的碳水化合物以层状出现而并非块状.
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图 2 BSR在偏移剖面和CMP道集上的反映(测线MR08-972-N) (a)CMP5859道集；(b)CMP5867道集；(c)偏移剖面. Figure 2 BSR on migration section and CMP gathers(Line MR08-972-N) |
厄瓜多尔西海岸地区属于典型的深水区域，海底崎岖(如图 3所示)，其海上地震资料存在多种类型的多次波.强能量多次波的存在，不但降低了资料的信噪比，而且严重影响了天然气水合物的地震识别.利用VSP(Vertical Seismic Profile)技术不仅可以最大限度地压制多次波，使BSR更加突出，而且还可以利用VSP的速率变化来判断天然气水合物及其下游离气的变化(公衍芬等，2008).
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图 3 厄瓜多尔西海岸地区典型崎岖海底剖面(测线MR-08-417-S) Figure 3 Typical Section of rugged seabed in Western Coast of Ecuador(Line MR-08-417-S) |
天然气水合物的形成需具备几个基本条件：①充足的天然气和水，天然气源包括无机成因气体和有机成因气体，例如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等; ②足够低的温度和较高的压力；③有利于空气和水充分聚集的储集空间.
天然气水合物受其特殊的性质和形成时所备条件的限制，因此，仅分布在特定的地理位置和地质构造单元内.在一般情况下，除了在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常是位于海底300~500 m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地表层沉积物或沉积岩中，但有时散布于海底呈颗粒状.这些地点的压力和温度条件使得气体水合物的结构保持稳定.
厄瓜多尔西海岸位于纳斯卡板块和南美板块碰撞带，海沟、增生楔、大陆架斜坡、弧前盆地及火山岛弧等构造单元发育(如图 4).深深的海沟可以给地壳深处带来无机成因气体，广阔的大陆架斜坡覆盖了不同区间的水温和压力，这些都为天然气水合物的形成创造了非常有利的条件.
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图 4 厄瓜多尔西海岸海上构造剖面(测线MR08-856-C) Figure 4 Structural Section of Marine data in Western Coast of Ecuador(Line MR08-856-C) |
据推算，在厄瓜多尔西海岸，出现BSR的水深范围为 300~810 m这与我国在西沙海槽盆北部斜坡和南部台地发现强BSR显示深度200~700 m大体一致.
通过多种方法，在厄瓜多尔西海岸地区大致识别出六块天然气水合物分布区(图 5中的黄色区域)，总面积约5381 km2，据Gornitz容积法计算公式(Gornitz and Fung，1994；曾维平和周蒂，2003)预测厄瓜多尔西海岸地区天然气水合物的甲烷量在112.19~779.11 Tcf范围内(1 Tcf等于1万亿立方英尺).其平面展布规律性较强，与海岸线及海沟的走向基本一致，主要分布在大陆架斜坡和大陆架到大陆斜坡的过渡部位.这与世界上大部分地方天然气水合物发现的构造部位是一致的.弥补了沿哥伦比亚-秘鲁海沟中部厄瓜多尔段没有发现天然气水合物的缺憾，证明沿哥伦比亚-秘鲁海沟向大陆架延伸方向是一个天然气水合物的富集带，具有广阔的勘探前景.
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图 5 BSR在厄瓜多尔西海岸地区的平面分布特征 Figure 5 The planar distribution characteristics of BSR in the Western cost of Ecuador |
厄瓜多尔西海岸地区发育着大面积的可燃冰，通过采用平行海底反射、极性反转、地震空白反射带、AVO分析和垂直地震剖面等地震识别方法，明确地划分出了可燃冰的分布范围，并确定了其面积；利用Gornitz容积法公式计算出了该地区天然气水合物的资源量，展示了其平面分布规律，并指出了新的勘探领域；对其他类似区域可燃冰的识别和勘探具有一定的借鉴意义.
致谢 主编和审稿专家对本文提出了很多有益的修改意见，在此表示衷心的感谢！| [1] | Cao Y C, Chen D F.2014. Modeling calculation of top occurrence of marine gas hydrates[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 57 (2) : 618–627. DOI:10.6038/cjg20140225 |
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