水合物的地球物理识别标志

天然气水合物

引言：地球物理技术无疑是水合物识别的最重要技术之一。利用反射地震技术，在上世纪70年代就发现了海底似反射层，自此，海底似反射层成为识别水合物最重要的标志。后来又发展了AVO、AVA技术。随着海底勘探技术的进一步发展，高频OBS技术、海底电磁法勘探等陆续用于水合物的探测。随着水合物钻探的实现，常规油气测井应用到水合物勘探中，应用电阻率、声波、成像等测井技术识别出更多水合物类型，并实现了水合物饱和度的高精度评价。


1似海底反射层
       似海底反射层（Bottom Simulating Reflector，简称BSR）是海域天然气水合物最重要的识别标志之一，具有与海底大体平行、与海底反射波极性相反、高振幅的特点。BSR上覆地层含有高速的天然气水合物，而下伏地层可能含有少量的游离气，声速度较低。海底沉积物的地温变化很大（压力变化不大），海底的起伏变化将造成沉积物中等温面的起伏变化，故BSR大致与海底地形平行。由于天然气水合物的形成可能导致BSR至海底间的沉积层固结而呈均质，内部波阻抗差减小，因而，BSR至海底间呈现空白带／弱振幅带的特征。许多地区水合物BSRs表现十分明显，然而，也有一些地区因为构造沉积十分复杂，以及弱BSR等因素，不易识别。神狐海域由于大量峡谷出现，BSRs表现较为复杂（图1）。在韩国郁陵盆地的浊流-半深海沉积层中，发现了大量的“气囱”反射结构被认为是水合物的形成造成地层纵波速度增加，而形成上拱反射特征（如图2）。“气囱”现象在水合物地区相对普遍，韩国钻探证明了在水合物稳定带内的“气囱”指示了相对高富集水合物存在，在UBGH2-3井烟囱内发现的水合物饱和度高达70%。从LWD测井看，含水合物层电阻率较高，达上千欧姆米，含水合物层的纵波速度也出现明显增加。

图1 南海北部神狐海域地震剖面的 BSRs.jpg

图 2 韩国郁凌盆地地震测线；气烟囱内发现脉状水合物

       BSR是水合物稳定带底界的反射，而不是由地层构造引起的。BSR有时与沉积层理斜交，但是如果和沉积界面平行，同样性质的平行海底沉积层反射，还有多次波和与海底平行地层的反射波，都在视觉上与天然气水合物产生的BSR相似，造成BSR在地震剖面上识别比较困难。振幅空白带内存在亮点，这是水合物后期形成并充填于地层的特征。BSR非常接近理论计算的水合物稳定带的底界面。因此，BSR指示天然气水合物的可能存在，但是不能说明水合物的厚度和饱和度。
       BSRs也会有假象，需要更多的地质地球物理信息来验证。地层侵蚀（或沉积）或矿物相变会形成BSR假象，也称伪BSR（如图3）。伪BSR代表地层侵蚀（或沉积）前的岩性边界。伪BSR作为水合物区顶界的反射有两个特征：1)伪BSR和BSR之间的地层同其上覆地层相比反射弱；2)与同样埋藏深度的地层相比纵波速度高。当然，矿物相变，也会产生伪BSR，硅藻类沉积中的蛋白石A到蛋白石CT的成岩变化也能产生与海底起伏平行的反射，也切穿了海底沉积层，类似BSR，但是具有正极性的特点，这是BSR解释中的一个误区。
BSR作为水合物稳定区域的底界通常较容易识别出来，但却很难识别出水合物层的顶界和BSR之下游离气层的底界。推测原因是：BSR之上沉积物内的水合物浓度向上逐渐降低，BSR之下游离气层仅局限于薄层，地震难以分辨。BSR的确定不能单纯用目测方式决定。要经过振幅保真、相位校正以及正反演处理等手段之后才能确定。BSR横向往往不连续，振幅的强弱和下伏游离气层的厚度有很大关系。在水合物沉积层内，随着水合物含量的增加，会导致振幅的衰减增加。水合物浓度的增加使得岩石的弹性模量增大，弹性模量的增加引起岩石弹性不均匀增加。孔隙流体的交叉流动会产生地震波的衰减。弹性不均匀增加同时会增加散射引起的地震能量的衰减。从图4我们可以看出随着水合物浓度的增加，能量耗损（1/Q）增加。

图3 伪 BSR 示意图和地震剖面

图4水合物浓度、波阻抗、品质因数的倒数对比图

       块状水合物存在明显的强振幅异常较高的波阻抗，但由于块状水合物的厚度可能小于现有的地震分辨率时，受地震波的调谐作用的影响，剖面上难以看到正常的BSR反射。但由于块状水合物集合体地层的高速度和BSR之下由游离气引起的低速度造成了明显的上部速度上拉，下部速度下拉现象。二者垂向叠置称为“VAMPS”现象。当块状水合物的厚度较小，其高速度造成的地震波形上隆并不明显，由游离气层的低速度引起的地震波形的下坳是明显的，且有限的上隆直接覆盖在多层下坳之上，所以“VAMPS”现象仍然显著。在不变形背景中的一般平缓起伏的沉积物的地震剖面上，BSR难以“拾取”，但“VAMPS”却可以识别确定是否存在天然气水合物。

2 地球物理属性识别技术
（1）天然气水合物岩石物理研究
       含天然气水合物的岩石物理模型是地震研究的基础。基于简单模型（如孔隙度降低模型、时间平均方程、时间平均Wood加权方程等）和复杂模型（弹性模量模型、等效介质理论模型等）研究含天然气水合物沉积岩石弹性参数与水合物饱和度，含游离气岩石弹性参数与游离气饱和度的关系，计算不同模型振幅随入射角的变化，对于估计天然气水合物的浓度，进而确定天然气水合物资源量十分重要。
（2）地震正演模拟
       地震正演模拟包括数值模拟和实验室物理模拟。数值模拟正演可以结合反演结果修正模型来进行正反演交替迭代进行。物理模拟多数是用来验证数值模拟结果是否能够体现地震波传播的物理过程。通过正演得到的地震响应分析，研究天然气水合物沉积层和含游离气沉积层的厚度、孔隙度、饱和度、流体性质及组合结构的变化与地震反射特征、结构的关系。正演模拟与实际地震资料相结合会对天然气水合物资源评价产生重要的作用。
（3）水合物的地震资料处理
       由于水合物沉积层相对于油气储层而言埋藏较浅，地震波传播距离短，振幅、频率损耗少，利于高分辨率采集、处理技术的实施。结合海域天然气水合物的地震反射机理，重点进行地震资料的叠前去噪（多次波、鬼波和气泡效应压制）、能量衰减分析和补偿、地表一致性振幅恢复、地表一致性静校正、地表一致性相位校正、高精度速度分析、保持振幅反褶积、保持振幅叠加和叠前偏移处理（含DMO）等高分辨率处理方法，得到高品质的地震资料。
（4）AVO识别技术
       AVO技术是利用地层的纵、横波特性以及由此形成的地震反射振幅与偏移距以及随入射角（AVA）的变化关系来判断地层物性和岩石的一项地震勘探技术。它是根据Zoeppritz方程的简化式进行的。该近似表达式反映了反射系数R随着入射角的变化关系。AVO分析与反演技术在天然气水合物的研究中被广泛应用，几乎所有的水合物研究区都进行了以真假BSR的识别为目的的AVO研究。
       AVO正演分析技术，设计不同的水合物赋存状况的地质模型，在此基础上根据反射层不同的弹性参数（如纵波速度、横波速度、密度、泊松比）模型，正演计算单个反射层的AVO响应特征，然后与拾取的实际的AVO响应进行对比分析，探讨BSR成因，最后进行分析是否存在游离气并反演计算游离气厚度、水合物厚度和水合物饱和度。由于游离气饱和度为2％的沉积物与100％的沉积物的泊松比差别极小，因此AVO分析通常无法估算游离气的饱和度。此外由于沉积物水合物、游离气饱和度与其弹性参数的关系的研究没有定论，因此理论的AVO特征也在争论之中，而AVO不仅与下层的弹性参数有关，还与上层的弹性参数有关，还可能受薄层（包括上、下层都可能是薄层）的影响，因此分析对比相当复杂，也可能是多解的。
       AVO反演技术在天然气水合物中得到广泛使用。由于水合物沉积层与其上覆、下伏沉积层的明显的纵横波速度、纵横波阻抗和泊松比特征的差异，由AVO信息可以反演得到纵横波速度、纵波阻抗和横波阻抗、泊松比等剖面（如图5）。
AVO处理在获取角道集成果的基础上，一般还要获取反映近似于零炮检距的反射纵波的P波剖面，反映反射振幅随入射角的变化率以及变化趋势的梯度剖面G剖面，反映地层横波变化的拟横波剖面，反映水合物异常的亮点剖面和反映泊松比变化的泊松比差值剖面，这些剖面统称为AVO属性剖面。
       利用AVO技术进行水合物定量研究必须在AVO反演提取属性剖面的基础上，先验性地给出一个纵横波速度比，由此可以求出横波速度。最后可用AVO的截距和横波数据求出纵波和横波的阻抗值，根据这两种阻抗值求出泊松比。高分辨率的纵波速度、横波速度和泊松比反演并结合岩石物性分析结果和模型AVO正演结果进行BSR识别水合物、含游离气沉积层储层预测、物性参数的定量预测。

图5 反演得到的纵波波阻抗（左） 、横波波阻抗（中）和泊松比剖面（右）

（5）波阻抗反演
       相对于饱和海水沉积层和含游离气沉积层，水合物沉积层具有高波阻抗值，波阻抗由低向高变化的拐点处为水合物层的上界面，波阻抗由高向低变化的拐点处为水合物沉积层的下界面。利用测井信息的纵向高分辨性和地震资料的横向连续性，对地震剖面进行宽带约束反演处理得到波阻抗剖面。能够反映是水合物在横向和垂向地分布。
（6）弹性波阻抗反演
       利用纵波反射数据（角依赖）进行弹性波阻抗反演可以估算弹性参数，已被有效用于岩石特性分析和解释中。当子波随偏移距变化的时候，弹性波阻抗反演优于AVO反演。图6上图是时间偏移共角度孔径数据体，入射角度孔径由上而下分别是（a）0。-8。（b）8。-16。（c）16。-24。（d）24。-32。，下图是弹性波阻抗反演的结果。主要特征是两组由水合物和游离气层交互产生的高低阻抗层（H1，L1，H2，L2）。从L1和H2可以明显地看出随着入射角度的变化弹性波阻抗的变化。利用弹性波阻抗结果和纵波阻抗结果（入射角约为0），可以得到横波阻抗结果。由横波阻抗和纵波阻抗数据可以得到纵横波的速度比、泊松比和拉梅参数项等弹性参数，继而预测天然气水合物和游离气的浓度和分布。

图 6 时间偏移角（孔径）道集（上）弹性波阻抗反演结果（下）

（7）吸收系数反演技术
       由于水合物沉积层具有较低的吸收系数，而其在上下围岩（尤其是含游离气层）具有较高的吸收系数，同时水合物的含量与吸收系数的大小有密切的关系，因此，吸收系数反演技术可以预测水合物的存在与否及其含量。因此，吸收系数剖面可以用于水合物沉积层顶底界面的标定和厚度预测，吸收系数是水合物探测的一个重要属性。
（8）全波形反演
       纯天然气水合物的密度（0.9g/cm3）和海水的密度相近，产生BSR的波阻抗差主要是由水合物和自由气之间的速度差异造成的。速度分析是地震研究天然气水合物的关键。全波形反演是反演求取速度的重要方法。在地震资料振幅保真、高分辨率处理的基础上，进行高分辨率速度反演处理以获取速度剖面，在此剖面上利用水合物沉积层与其上下围岩（层）的速度差异进行水合物的识别（如图7）。全波形反演是为了求取水合物沉积层的速度的精细结构，主要是通过使实际的地震记录波形与计算合成的地震记录波形之间的方差为最小目标函数进行求解来完成的。
目前被广泛应用的全波形反演方法是在频率-波数域进行的，它包含了旅行时反演（层析成像）与振幅波形反演、全局反演与局部优化反演等反演内容，它在多次搜索后用局部优化方法求解长波长(低频背景)纵波速度模型的基础上（旅行时反演），进行多轮多次的迭代，求取短波长(高频)速度结构（全波形反演），因此利用该方法可以求取水合物沉积层及其上覆沉积层、含游离气层的速度精细结构，识别天然气水合物的存在。旅行时反演非线性程度较高，应用了全局搜索方法，而振幅波形反演非线性程度较低（准线性），应用局部搜索方法。

图7 波形反演得到的水合物稳定带内和BSR处的速度异常

（9）VSP技术
       利用VSP技术可以得到纵波速度和横波速度的垂向分布。也能刻画水合物分布的横向变化。由图8可以明显看出VSP处理数据有很好的横向连续性。

图8 上行地震纵波数据和伽玛测井曲线对比

3测井地球物理特征
       地球物理测井技术在水合物识别中十分重要，具有准确度高的特点。电阻率测井是估算水合物饱和度最直接的方法。电阻率方法求得的孔隙度同密度测井和中子孔隙度测井分析孔隙度相比，更接近岩芯分析孔隙度。从电阻率估算出的水合物饱和度值与从氯离子异常估算出的水合物饱和度值类似，但用电阻率估算的饱和度总体上更高。原因可能是由于取样过程中水进入岩芯引起低的氯离子浓度。核磁共振测井装置可以提供与岩性无关的孔隙度测量并估计渗透率。这些数据可以改善测定天然气水合物饱和度的定量技术。另外，在天然气水合物性质调查方面也起着重要的作用。碳氧比能谱技术，碳氧比能谱测井也叫中子伽玛能谱测井，它能提供岩石矿物中大多数的元素信息，从而建立详细的矿物模型。碳氧比能谱测井提供了一种定量评价地层中含天然气水合物饱和度的方法。利用斯伦贝谢公司制造的储层饱和度测井仪（RST）可以测量水合物层的饱和度。
3.1测井地球物理特征
（1）气测异常
       在含水合物岩层钻井过程中，洗涤液和钻头工作时放出的热量可以分解井壁的水合物，形成气体异常，泥浆含气录井和气测井中有明显显示。
（2）电阻率增高
       孔隙被水合物充填后的岩层导电率降低，即电阻值升高，在视电阻率测井曲线上，水合物沉积层的顶部呈“台阶状”突变增大。运用电阻率可以确定沉积物的孔隙度和沉积物中天然气水合物的含量。
（3）低自然电位
       与含游离气层相比，含水合物层存在较低（较负）自然电位异常，且长电位与短电位分离。其原因可能是，钻探引起的水合物分解除了造成水合物分布层段井径的扩大外，还使得该井段泥浆离子浓度降低，从而导致泥浆活度降低，进而使水合物上下岩层的高活度地层水向该井段扩散（氯离子扩散速度>钠离子扩散速度），最终使水合物赋存井段泥浆负电荷数增多而呈现负的电位异常。
（4）密度降低
       与含水或含游离气沉积层相比，含水合物沉积层的密度降低，声波速率增大，同时还具有较高的纵横速度比，水合物底界面存在速度负异常。
（5）声波时差降低
天然气水合物沉积层的声波时差与声波的传播速度成反比，沉积物纵波速度的增大，会导致声波时差的减小。
（6）中子孔隙度增大
       与含水或含游离气沉积层相比，含水合物层处的中子孔隙度略有增大。因为中子测井值反映的是地层中的氢含量，对于砂质沉积物而言，则大体反映了为流体充满的孔隙度。当水合物形成时，一方面要从邻近地层中汲取大量淡水；另一方面，单位体积水合物中有20%的水为固态甲烷所取代，引起单位体积沉积物内的含氢量大大增加。即使考虑到水合物形成造成的沉积物密度降低还会适当减少沉积物的含氢量，但最终结果也是单位体积内沉积物的含氢量增加，从而导致中子孔隙度增加。这与含游离气层位中子孔隙度明显降低恰好相反。
（7）介电常数差异
       由于冰和天然气水合物的介电常数有显著差异，在273K条件下，冰的介电常数是94，而天然气水合物为58，所以介电测井可能成为在永冻层识别天然气水合物的一种可行方法。
（8）自然伽玛变化
       砂岩储层的天然气水合物赋存层段的自然伽玛曲线表现为箱状降低的谷值。沉积层自然伽玛能谱的强弱与对放射性元素有强烈吸附作用的粘土含量有关。水合物在形成时不但要从上下地层中吸取大量的水分子，还要吸收大量来自下伏沉积物的烃类气体，由此导致单位体积沉积物内的粘土含量相对减少，使水合物赋存层段的自然伽玛曲线降低。但是在细粒沉积物中，由于水合物饱和度并不高，因此，含水合物层的伽玛并没有发生明显变化。
（9）地层微电阻率扫描
       采用地层微电阻率扫描技术可得到井壁高分辨率的电阻率特征图像，从而得出岩层中反映天然气水合物性质和结构的信息。对于井壁上垂向和侧向细微的变化，都能反应出来，因而可探测到非常细微的地质异常特征，如宽度只有几个到几十个微米的裂缝。可用来进行详细的沉积和构造解释。

4海洋电磁法
       海洋电磁探测是利用海底岩石介质的电磁感应信息，对海底的矿产资源分布进行电性推断的一种技术。受控于天然气水合物的成份组成，天然气水合物是高阻绝缘体。因此，可以利用海底瞬变偶极-偶极系统测得天然气水合物层位的电阻率异常数据,这些数据用来判断水合物产状和资源量计算。电磁探测方法用于探测海底甲烷水合物的基本原理在于甲烷水合物与海底沉积物的电学性质差异。与声波的变化相比，电阻率的变化似乎对水合物的存在更敏感，例如：在普拉德霍湾（Prudhoe Bay）含有水合物的区域内，测井曲线上声波速度增加了30%，而电阻率却增加了30倍。。利用天然场源进行探测的方法，叫做大地电磁测深法（Magneto telluric，简称MT）；而利用人工场源的，则称为可控源电磁法（Controlled Source Electromagnetic，简称CSEM）。对于一些埋藏较浅的如天然气水合物资源，需要电磁探测的中高频段，一般在0.1-20 HZ之间，在这区间选择若干个频点，向海下的目标区域进行拖曳式电磁发射，达到电磁扫面的效果。目前关于利用大地电磁或可控源电磁研究水合物的实例较少，是今后水合物研究的重要方向。

天然气水合物

资料来源：吴时国 研究员 中国科学院深海科学与工程学院
作者简介：
吴时国，男，51岁。现任中国科学院三亚深海科学与工程研究所研究员、博士生导师。山东省“泰山学者”，中国石油大学（华东）特聘教授，中国岩石圈委员会委员、中国地球物理学会海洋地球物理专业委员会副主任委员、山东省地球物理学会副理事长、首席专家。1984年毕业于武汉地质学院；1990年、1993年分别获得中国地质大学硕士、博士学位；2001年获得德国汉堡大学理学博士学位。1993年至1995年曾任中国科学院南海海洋研究所助理研究员、副研究员、研究室副主任；2010年、2012年至今分别任中国科学院海洋研究所油气研究中心主任、中国科学院海洋地质与环境重点实验室主任；2010年至2011年在加拿大地质调查局Pacific Geoscience Center和维多利亚大学作为访问学者；2012年在美国University of Texas at Austin作为访问学者；曾在德国汉堡大学生物地球化学与海洋化学研究所、日本科技厅从事科学研究工作。主要从事深水油气、天然气水合物、海底构造及海洋地球物理研究。已完成科研论文近150篇，其中2009年以来发表SCI或EI论文40余篇。合著《海底构造与海洋地球物理学》、《海底构造学导论》等专著6部、主编论文集2部、译著1部。主编的海底科学导论一直是中国科学院研究生院的研究生教材。2000年开始担任《天然气地球科学》杂志编委；2013年开始担任《海相油气地质》杂志编委。　　
曾获荣誉：青岛市科技进步二等奖，青岛市拔尖人才，山东省优秀科技工作者、国务院政府津贴。先后主持国家118专项、中国科学院重要方向性项目课题、科技部973、 863项目、发改委重大专项、自然科学基金项目、先导A课题专项等国家自然科学基金委重点基金在内的科研项目20项。  
研究领域：深水油气、天然气水合物、海底构造及海洋地球物理研究

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