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南海北部天然气水合物赋存带识别与深度预测_图文

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南海 北部 天然气 水合物 赋存带 识别 深度 预测 图文
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2011年8月海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质Vol.31,No.4第31卷 第4期MARINE GEOLOGY &QUATERNARY GEOLOGY  Aug.,2011DOI:10.3724/SP.J.1140.2011.04141南海北部天然气水合物赋存带识别与深度预测杨睿1,2,3,张媛4,雷新华3,苏正1,2,梁金强5,沙志彬5(1中国科学院 广州能源研究所 ,可再生能源与天然气水合物重点实验室 ,广州510640;2中国科学院 广州天然气水合物研究中心 ,广州510640;3中国地质大学 (北京 )软件学院 ,北京100083;4中油集团 东方地球物理公司研究院长庆分院 ,西安710021;5广州海洋地质调查局 ,广州510075)摘要 :利用地球物理方法 ,在钻探前对水合物赋存带进行识别和深度预测 ,可以为钻探井位的选取及井深的规划提供直接的数据支持 。在我国南海北部二维地震数据的基础上 ,以速度为主要判别依据 ,以波阻抗反演为佐证 ,识别水合物赋存带的顶 、底界 ,并以叠加速度谱为基础 ,预测神狐海域A测线预测井位的水合物赋存深度 。在此数据的指导下 ,经钻探证实 ,该钻位在预测深度附近确实存在高饱和度的水合物矿藏 。关键词 :天然气水合物 ;水合物赋存带 ;速度 ;波阻抗 ;南海北部中图分类号 :P744.4   文献标识码 :A   文章编号 :0256-1492(2011)04-0141-07天然气水合物是由水分子和天然气 (通常以甲烷为主 )构成的笼型结构固态晶体[1]。通常情况下 ,天然气水合物多赋存于海底以下500m左右的沉积物中[2]。水合物稳定带是指地下温度和压力处于天然气水合物形成的热力学稳定范围的特定区域 ,它表征了水合物形成的最大可能范围 ;空白带 ,也叫天然气水合物地震空白带现象 ,它往往与BSR相伴生 ,且常出现在BSR上方 ,是由于水合物与沉积物均匀混合致使在地震剖面上出现连续的 、反射振幅减弱的区域 ,它是一个典型的地球物理成像现象 ,是水合物存在的地球物理标志之一 ;本文所研究的水合物赋存带 ,是指地下连续的 、含有水合物的实际地层 ,该区域只取决于水合物矿藏 ,与BSR没有必然关联 ,对它的研究 ,有助于定量地研究水合物沉积模式及成藏系统 ,同时 ,也为资源量预测和勘探开发提供更为准确的参考数据 。目前 ,对于水合物稳定带和空白带的研究 ,已取得了众多成果 。Duan等在大量实验基础上 ,得到了天然气水合物稳定带底界的热力学温度以及压力在三相平衡曲线中的表达式[3-5];Milkov等于2000年计算了墨西哥湾陆架的水合物稳定带厚度[6];我国的葛倩 、唐勇等也于2006年分别讨论了南海和冲基金项目 :中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室基金项目 (o907jb1001);国土资源部公益性行业科研专项基金项目(200811014);国家自然科学基金-广东联合基金项目 (U0933004);中国科学院知识创新工程重要方向项目 (KGCX2-YW-805)作者简介 :杨睿 (1980—),硕士 ,研究实习员 ,主要从事海洋天然气水合物地震研究 ,E-mail:yangrui@ms.giec.ac.cn收稿日期 :2010-10-19;改回日期 :2011-03-11. 周立君编辑绳海槽水合物稳定带厚度计算中存在的问题和难点 ,并估算了资源量[7-8];空白带的研究也是由来已久 ,但其研究往往与BSR相伴 ,仅针对空白带的研究比较少见 ,2005年 ,Katrin Schwalenberg等研究了空白带内的电磁特征 ,指出空白带附近的电阻率由1.1~1.5Ωm的背景值迅速增大到5Ωm,这与空白带内水合物的高饱和度有关[9];孙春岩等通过正演的方法研究了空白带 ,指出水合物沉积物饱和度的变化是振幅空白的主要原因[10]。然而 ,针对水合物赋存带的研究 ,在国内外尚不多见 ,其原因有二 :(1)赋存带边界缺乏准确的识别标志 ;(2)在没有测井数据的前提下 ,深度计算误差较大 。水合物的识别除了BSR具有普遍的指示作用以外 ,还有多种地震属性可供处理和解释人员参考 ,如 速 度 异 常 、波 阻 抗 值 异 常 、瞬 时 属 性 、AVO等[11-15],这就为解决赋存带边界识别问题提供了可能 。本文选取南海北部神狐海域为研究区 ,尝试了以速度为主要判别依据 ,以波阻抗反演数据为佐证的方法 ,对水合物赋存带进行了识别 ,并依据速度突变确定了水合物赋存带的顶 、底界 ,接着 ,以叠加速度谱为基础数据预测了南海北部神狐海域A测线的水合物赋存深度 、厚度 ,取得了可信度较高的结果 ,经实地钻井证实 ,预测结果与钻探结果基本吻合 ,但厚度的预测误差仍然较大 。1 赋存带识别一般的 ,BSR被认为与水合物稳定带的底界有着密切的关系[2],BSR在地震剖面上具有明显的极性反                    海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质2011年转特征 ,因此 ,识别BSR,也可以说识别水合物稳定带底界是相对比较容易的 ,水合物赋存带往往包含在水合物稳定带内 ,其顶 、底界没有十分明确的地球物理识别标志 ,针对这一难点 ,我们采用了多属性相互印证的方法 ,对水合物赋存带的顶 、底界进行了预测 。神狐海域位于南海北部陆坡珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南侧[16],水深900~1 500m,海底地形总体呈东北高 、西南低的形态 ,区内存在古近系文昌组-恩平组巨厚烃源岩[17]、浅海三角洲砂岩储层和新近系陆坡大型珠江深水扇储层 ,东沙运动在研究区形成了大量断裂和大型底辟带 ,地层褶皱变形强烈[18],具有良好的天然气水合物勘探前景[19-22]。钻探前 ,通过对目标海域地质 、构造及地震勘探等资料的综合分析 ,结合水合物赋存的一般地球物理特征 ,我们首先优选了测线A(图1)作为最有利目标之一 ,然后对其进行了叠前及叠后偏移 、AVO反演及属性分析 (图2)、三瞬属性提取及分析 (图3)、波阻抗反演 (图4),其目的有二 :一是多角度识别 、印证天然气水合物的存在 ;二是更为准确地预测水合物赋存深度 ,为下一步的钻井取样提供更为可靠的参考数据 。以1s为时窗 ,对测线A的地震剖面进行扫描 ,如图1所示 ,可发现在CDP 700至CDP 1200、双程旅行时1 700~2 200ms这个区域内 ,存在一个明显的强反射面 ,趋势与海底近似平行 ,该界面横向不连续 ,仔细观察 ,可见明显的穿层现象 ,将局部振幅值放大后 ,与海底具有明显的反极性特征 ,初步判断该界面为BSR[23-24];强反射层上部 ,有明显的振幅空白反射区 ,区内振幅变化较不明显 ,与周围形成反差 ,有效地震信息较难识别 ,呈团块状分布 ,考虑为空白带[25]。仅从地震剖面做出判定 ,显然是不够充分的 。图3为经过瞬时振幅属性提取的地震数据 ,众所周知 ,瞬时振幅剖面更能反映振幅空白带特征 ,由于沉积物空隙被水合物充填胶结 ,使地层变得 “均匀 ”,在地震反射剖面上通常呈现弱振幅或振幅空白带 。振幅的强弱与水合物含量有关 ,水合物含量越高 ,振幅越弱[26]。在这张剖面上 ,更为清晰地显示了前述目标区域内的强反射面 ,且其上存在明显的团块状振幅空白带 ,其范围约为CDP 850至CDP 1050、双程旅行时1 700~2 100ms。图2所示的是A测线的AVO剖面 ,它较好地反映了地下的气层信息 。仔细观察前述的目标区域 ,可发现在BSR处及空白带的顶部 ,且仅在这两处 ,有明显的薄气层发育 ,顶部的气层位于约1 700ms处 ,而底部的气层位于约1 900ms处 ,这可能与水合物藏底部存在气源及其分解有关 。然而要确定这种猜测 ,尚需进一步考证 。进一步考察波阻抗剖面 (图4),在前述目标区域内 ,可见一个明显的高波阻抗体 ,其阻抗值超过了4 000Ω,而其上下区域的波阻抗值仅在3 000Ω左右 ,这也再一次印证了水合物的赋存[27]。仔细读取高阻抗体的双程旅行时坐标 ,其顶部约位于1 730ms处 ,而底部约位于1 880ms处 。图1 南海北部神狐海域A测线的地震剖面 (曲线为可能的BSR,椭圆区域为空白反射区 )Fig.1 Seismic profile of Line A,Shenhu Area(the curve represents BSR and the elipse represents blank reflection area)241 第4期杨睿 ,等 :南海北部天然气水合物赋存带识别与深度预测图2 南海北部神狐海域A地震测线AVO反演剖面 (乘积相关剖面 )Fig.2 AVO(P*G*C)profile of line A in Shenhu area,northern South China Sea图3 南海北部神狐海域A地震测线瞬时振幅剖面Fig.3 Instantaneous amplitude profile of line A in Shenhu area,northern South China Sea通过对叠加剖面 、瞬时振幅剖面 、AVO属性剖面 、波阻抗反演剖面的综合考察 ,神狐海域A测线的多种地震属性均与水合物赋存特征相符 ,最大限度地保证了水合物的赋存 。结合上述属性特征 ,水合物赋存带的位置圈定为CDP700到1200,双程旅行时1 730~1 880ms这个范围内 。在综合考虑水合物赋存带位置及海底钻探地质条件的基础上 ,将井位定在了上述区域内 (图5)。为了保证钻探的成功 ,我们做了进一步的定量研究 ,在没有测井数据的情况下 ,选择了对水合物检测较为敏感的速度和波阻抗属性进行赋存带顶 、底界的识别 ,并依据其结果进行了水合物赋存带深度估算 。2 赋存带深度预测在波阻抗剖面上 (图4),我们可以看到 ,预选井位所在的水合物赋存带存在于1 730~1 880ms之间 ,然后 ,在 “时间-叠加速度 ”序列上 (图5),沿时间递增的方向扫描 ,发现速度具有如下变化阶段 :在1 780ms处 ,出现了一个速度由低到高的突变点 ,341                    海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质2011年图4 南海北部神狐海域A地震测线波阻抗反演剖面Fig.4 P-impedance profile of seismic line A in Shenhu area,northern South China Sea图5 预选井位及对应的叠加速度序列Fig.5 Location of the selected wel and its stack velocity sequence从约1 500m/s跃迁到1 750m/s以上 ;接着 ,进入一个速度缓慢增加的区域 ,从约1 750m/s增加到约1 900m/s;在1 830ms处 ,出现了第二次速度突变 ,由约1 900m/s跃迁至约2 100m/s;随后 ,在1 980ms左右 ,速度均匀增加至约2 200m/s,而在剖面上 ,我们可以看到 ,1 980ms处对应的是BSR。据此 ,我们预测 ,水合物赋存带可能的顶界出现在1780ms处 ,而底界则可能位于1 830ms处 ,在这个区间内 ,波阻抗值也都在4 300Ω以上 ,而区间外则低于该值[27]。在没有测井数据的条件下 ,利用DIX公式把速度谱 (即均方根速度 )转换为层速度 ,然后 ,将层速度441 第4期杨睿 ,等 :南海北部天然气水合物赋存带识别与深度预测沿构造层序内插得到层速度数据体 ,继而转换为平均速度体 ,据平均速度求得 :水合物赋存带顶界位于海底以下约180m处 ,底界位于海底以下约253.5m,由此 ,进一步推算赋存带的厚度约为73.5m。3 结果和讨论根据以上数据 ,2007年 ,广州海洋地质调查局在神狐海域实施了钻探 ,其中SH2站位与图5中的预测井位重合 (图6)。测井结果显示 ,在188~228m内 ,声波速度和电阻率曲线都出现明显的正异常 ,在密度曲线上 ,该区间也表现为略有增加 ,结合钻孔沉积物取心结果 ,可以断定在SH2站位 ,水合物赋存于海底之下188~228m,含水合物的沉积物层厚度约为40m;继续分析钻孔沉积物取心和现场孔隙水地球化学测试结果 ,水合物饱和度最高达到48%[16]。该站位含天然气水合物沉积物具有较高的电阻率和声波速度 ,密度相对稍低 ,具有含天然气水合物地球化学异常特征 。钻探结果有力地证明了该区域确实存在天然气水合物 ,说明通过多种地球物理属性共同推断水合物赋存具有较高的可靠性 ;前述水合物赋存带深度的预测也具有较高的精度 。图6 天然气水合物钻探站位SH2在地震测线A上的位置示意图Fig.6 Location of hydrate driling siteSH2on seismic profile of Line A而在前述预测中 ,该站位含天然气水合物沉积层的深度为海底之下180~253.5m,厚度约为73.5m,但实际钻探揭示的含天然气水合物沉积层厚度只有40m,预测结果与实际钻探结果存在一定的误差 :顶界面的误差率约为4.3%,底界面的误差率约为11.2%。虽然预测误差已经控制在了一个较容易接受的范围 ,但仍需进一步提高预测精度 。分析误差产生的原因 ,可能有以下几个方面 :(1)赋存带顶 、底界缺乏明显 、明确的地球物理识别标志 ;(2)虽然采用了以较敏感的速度属性为主要判断依据 ,但仍难以准确定位 ;(3)在没有测井数据的情况下 ,以叠加速度为基础数据的深度计算存在一定的误差 ;(4)相对于顶界而言 ,底界深度的预测精度更低 ,这主要由于表征顶界的速度跃迁更为明显 ,易于识别 ;(5)由于各种主 、客观原因 ,地震勘探所得到的数据与实际地下情况本身就存在一定的误差 。4 结论(1)水合物赋存带的识别和预测 ,为资源勘探与开发 、资源评价提供了必不可少的参考数据 ,同时 ,对其研究也有助于了解天然气水合物的成矿作用 、分布规律和演化过程等重要信息 。(2)水合物赋存带的准确识别及精确预测 ,一方面受限于现阶段人们对天然气水合物本身的认识尚不够全面 ;另一方面也受到勘探技术和属性分析手段的限制 。然而 ,在无井的条件下对水合物矿体做出识别和预测 ,却是实地勘探的第一步 。(3)结合地震剖面 、瞬时属性剖面 、AVO剖面 、反演剖面等多属性综合考虑的方法 ,能较准确地识别水合物矿体的赋存 ,通过对速度及波阻抗数据的分析 ,可以对赋存带顶 、底界的深度进行预测 ,虽然预测结果还存在一定误差 ,但具备一定的参考价值 。(4)实地勘探与预测结果的差异也引出了几个问题 :首先 ,BSR与水合物赋存带底界可能并不重合 ,那么 ,BSR与水合物矿体底界之间的地层具有哪些特点?其次 ,预测的顶 、底界与实际勘探的顶 、底界也不重合 ,它们之间的地层又具有哪些特征?希望能够通过对取心结果及测井数据的研究找到答案 。参考文献 (References)[1]Sloan E D.Clathrate Hydrates of Natural Gases[M].NewYork:Marcel Dekker,1990.[2]Taylor M H,Dilon W P,Pecher I A.Trapping and migrationof methane associated with the gas hydrate stability zone at theBlake Ridge Diapir:new insights from seismic data[J].Ma-rine Geology,2000,164(1-2):79-89.[3]Duan Z H,Moler N,Greenberg J,et al.The prediction ofmethane solubility in natural-waters to high ionic-strengthfrom 0-Degrees-C to 250-Degrees-C and from 0to 1600Bar[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1992,56(4):1451-1460.541                    海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质2011年[4]Handa Y P.Effect of hydrostatic-pressure and salinity on thestability of gas hydrates[J].Journal of Physical 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510640;2.Guangzhou Center for Gas Hydrate Research,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou,Guangdong 510640;3.School of Software,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;4.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,Guangdong 510075)Abstract:Rationale drilingplanningrequires precise data on gas hydrate reservoir and its depth beforedriling.2-D seismic data from the Northern South China Sea were used to identifythe topand bottom ofthe gas hydrate reservoir bythe changes in velocityand impedance.The depth of the reservoir was thencalculated with RMS velocity.Guangzhou Marine Geological Surveycarried out field drilingin 2007,andthe gas hydrate reservoir with high saturation was discovered at the depth predicted,suggestingthat thecalculation is precise enough for drilingplanning.Keywords:gas hydrate;hydrate reservoir;P-velocity;wave impedance;Northern South China Sea741
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