哈拉湖地区低频可控震源天然气水合物地球物理响应特征研究

田玉昆，李桂林，刘晖*，祝有海，马彦彦，李娟，周惠，王德润，王林

1 中国地质调查局非常规油气地质重点实验室，北京 1000292 中国石油集团东方地球物理公司吐哈物探处，新疆哈密 8390093 中国石油集团东方地球物理公司国际勘探事业部，河北涿州 072750



哈拉湖地区低频可控震源天然气水合物地球物理响应特征研究

田玉昆1，李桂林1，刘晖1*，祝有海1，马彦彦1，李娟1，周惠1，王德润2，王林3

1 中国地质调查局非常规油气地质重点实验室，北京 1000292 中国石油集团东方地球物理公司吐哈物探处，新疆哈密 8390093 中国石油集团东方地球物理公司国际勘探事业部，河北涿州 072750

我国陆域天然气水合物主要分布于青藏高原和漠河地区.由于永久冻土层的存在，地震勘探很难获得高品质的资料，给天然气水合物勘探带来了诸多困难.为解决冻土层对地震信号的衰减问题，在哈拉湖地区采用低频可控震源进行地震资料采集试验，通过提高覆盖次数，获得了较高信噪比的地震资料.在高质量地震资料基础上，进行精细速度分析，获得了较准确的叠加速度谱资料；然后以层速度剖面为基础建立正演模型，开展天然气水合物地震正演模拟研究；最后利用叠后偏移地震数据进行地震属性分析.通过正演模拟和地震属性综合研究，总结了天然气水合物的地球物理响应特征，速度突变和空白反射带可作为哈拉湖地区陆域天然气水合物识别的敏感因素.

天然气水合物；低频可控震源；冻土区；纵波速度；地震属性;哈拉湖地区

1 引言

1965年，苏联在西伯利亚Messoyakha油气田区首次发现天然产出的水合物(张洪涛等，2007).自此以后，各国科学家对冻土区水合物的类型、物理化学性质、地质成因、勘探手段、识别方法、资源评价等进行了一系列的研究.目前，国外冻土区水合物研究区块主要集中在环北极地区的美国阿拉斯加北部斜坡、加拿大Mackenzie三角洲以及俄罗斯Messoyakha油气田等(郭星旺,2011).

1972年，美国在阿拉斯加北坡普拉德霍见西北部Eileen State-2井中首次从永久冻土层中取到包含水合物的岩心(Collett,1993).同年，加拿大西北地区的Mackenzie三角洲冻土区的Mallik L-38井的测井资料也显示有水合物的存在.此后，各国科学家对水合物进行了多学科多领域的研究(Moridis et al.,2004;Dallimore et al.,2005;Pratt et al.,2005;Craven et al.,2012).

国内的陆域天然气水合物研究起步较晚.2002年以来，中国地质调查局先后设立4个调查研究项目，包括“青藏高原多年冻土区天然气水合物地球化学勘查预研究”、“青藏铁路沿线天然气水合物遥感识别标志研究”、“我国陆域永久冻土带天然气水合物资源远景调查”和“陆地永久冻土天然气水合物钻探技术研究”(郭星旺,2011)，初步圈定了青藏高原羌塘盆地、祁连山木里地区和东北漠河盆地等为水合物成矿条件和找矿前景较好的地区.2008年，在祁连山冻土区成功获得水合物样品.

天然气水合物与常规油气一样，均存储在具有连通孔隙、裂缝等的岩石或沉积物中，因此水合物储层必然会与周围围岩存在一定的差异.地震勘探是一种有效的探明地下异常岩层的方法，能够获得地下地质体的各种信息(Yilmaz,2001;Yuan et al.,2015).但由于极地和高原地区特殊的自然环境，很难在陆域水合物远景区开展地震勘探工作.目前，在发现陆域水合物的地区中，仅在加拿大的Mackenzie三角洲Mallik地区和我国的青海木里地区开展过地震勘探工作(徐明才等,2012).但是由于冻土层的影响，常规炸药震源激发采集的地震数据信噪比较低，地震波能量被屏蔽和吸收衰减(Yuan et al.,2016)，严重影响地震勘探的效果.

为了解决冻土区二维地震勘探资料不理想的问题，查明青海哈拉湖水合物研究区地层、构造特征，探测与天然气水合物有关的地震异常响应，在青海哈拉湖地区部署了低频可控震源二维地震采集工程，地震资料采集观测系统为3000-10-10-10-3000，低频可控震源扫描频率为1.5～96 Hz.研究区位于哈拉湖坳陷的北部，在大地构造上处于南祁连地槽褶皱带，海拔在4150～4600 m之间，地形整体上较为平坦，适合部署可控震源.哈拉湖坳陷是祁连山西部的一个山间盆地，位于南祁连盆地中心，属高山内陆湖泊.湖面海拔高度4077 m，最大水深65 m，平均27.4 m.湖泊呈北西西—南东东延伸，长32 km，平均宽度13 km，面积为580 km2.哈拉湖盆地北部有疏勒南山，海拔在5000 m以上，南部为哈拉湖南山，平均海拔不到5000 m，盆地东西两侧的分水岭均为低平的丘陵地带.南北二山由上泥盆统、石炭系和三叠系地层组成，盆地内部除零星出露第三纪地层外，大部分被第四系洪积、冰水冲积物覆盖.

通过地震采集工作展开的实验攻关，获得了较高品质的地震资料，并对其进行了精细的处理解释，重点研究了水合物可能分布区域内地震资料的速度、振幅与频率特点.对整个研究区的地震数据进行了统计，并提取了频率和振幅属性.归纳参数异常，为预测天然气水合物提供参考依据.

2 天然气水合物地球物理特征分析

明确天然气水合物的物理性质是估算自然界中天然气水合物含量的必要条件.从组成上来说，天然气容纳于由水分子构成的固体晶格中.同为固体，这就意味着天然气水合物与冰在物理性质上必然会存在着一定的相似性.两者仅在纵波速度上存在一定差异，冰的纵波速度为3.8 km·s-1，结构I型天然气水合物为3.3 km·s-1(李新和肖立志,2013).

自然界中，天然气水合物所在地层多为未固化或者半固化的沉积层.在测井上具有典型的响应特征，例如固态水合物的电阻率较高(蒋国盛,2002)，声波时差低也是识别水合物的有效标志(Murrayet al.,2005;郭星旺和祝有海,2011).相较于岩层，天然气水合物的密度较低，接近于冰.对于半固化的沉积层，天然气水合物的纵波速度相对较高.因此，对于由天然气水合物粘结碎屑颗粒混合半固化沉积岩而成的天然气水合物储层，具有低密度和高纵波速度的特点，这一特点在多数的天然气水合物勘探中得到了验证.

天然气水合物储层底部以下的地层岩石孔隙中常含有较多的游离天然气，例如在青藏高原DK-1科学钻探试验井中，在钻遇天然气水合物样品后继续钻进的过程中遭遇异常高压气体.这种上覆地层含有高纵波速度的天然气水合物，下伏地层含有游离气的地层结构形成一个负波阻抗界面，在海域天然气水合物的地震剖面上表现为BSR(Bottom Simulating Reflector)(王秀娟等,2010).而陆域天然气水合物由于冻土层的存在，这种阻抗上的差异表现得不如海域天然气水合物明显，因此在陆地永久冻土区的天然气水合物勘探中，很少有清晰可辨的BSR出现.由于天然气水合物与沉积物胶结，会使得其储层在声学上呈现更好的均一响应，在剖面上会表现为空白或者均匀反射.当然，对于陆域冻土地区，冰的胶结也可以产生类似的效果，但是由于冻土层一般分布于天然气水合物层之上或者与之混合，所以该特征还是可以作为预测天然气水合物储层底界面的一个标志.

尽管阻抗上的差异不是有效识别陆域天然气水合物的有效标志，但是如果沉积地层中含有天然气水合物，不论含量多少，其纵波速度均会呈现明显增大的现象.因此，在水合物稳定带内，只要存在高速异常，就可以认为有天然气水合物分布的可能.由于钻井资料的匮乏，利用地震数据获取速度场信息便成为一种行之有效的手段，关键是需要在地震资料处理阶段开展针对性的精细速度分析工作.

综上，天然气水合物是一种碳氢化合物，储层下面存在游离气层，具有高纵波速度和低密度的特点，因此其必然具有一定规律的地震属性特征.研究频率、振幅等地震属性对天然气水合物储层的识别具有一定的指导意义.

哈拉湖研究区缺少钻井、测井等直接资料，因此首先选取临区钻测资料开展天然气水合物的特征分析和研究.

南祁连地区目前只有木里坳陷探测到天然气水合物.综合木里坳陷的钻探结果和解释成果，可以得出如下几点认识：(1) 木里坳陷冻土层厚度在80～120 m；(2) 天然气水合物储层分布深度范围为150～300 m；(3) 地质层位为侏罗系，岩性以泥岩为主，含少量粉砂岩、细砂岩；(4) 储集空间类型为裂隙型(泥岩)和孔隙型(砂岩).

木里坳陷DK8、DK9井发现水合物，如图1所示.DK9井发现水合物层段为188～200 m，厚度12 m；井位置处插入的声波测井曲线显示水合物层段具有相对高速的特征，其下伏地层显示明显低速；在过两口井的地震剖面上，水合物层段地震反射为弱反射特征；此外，浅层有一套较稳定的水平状低频反射(图1文本框所示)，推测其为冻土层的地震反映.

3 速度异常分析

在对哈拉湖研究区地震资料处理过程中发现了地下存在高速异常的情况.图2展示了SN2测线上CMP号分别为2950和3000的两个地震道的速度谱，可以看到明显速度反转的现象.图3展示了同一条测线上与之相邻的CMP号分别为3050和3100的两个地震道的速度谱，可以看到并未出现速度反转异常.对比图2和图3，表明工区局部区域在浅层存在高速异常导致速度反转.图4为四道速度谱值的叠合显示，更加直观地反映了上述速度反转异常.

经过进一步逐道分析统计，绘制了速度反转异常区域的平面分布范围(如图5中粉红色线段标示).其中，EW1测线，未见明显反转；EW2测线，出现速度反转的CMP范围为980～4000；SN1测线，出现速度反转的CMP范围为900～2100；SN2测线，出现速度反转的CMP范围为1800～3000.总体看，速度反转异常区域基本分布在图5所示构造图的南部凹陷及其周边，图中用黑色虚线勾绘了其平面范围.

图1 DK8、DK9钻井及过井地震剖面反射特征分析Fig.1 DK8 and DK9drilling and reflection characteristics analysis of seismic profile across wells

图2 SN2线CMP2950、CMP3000道集和速度谱Fig.2 Trace gathers of CMP2950 and CMP3000 on Line SN2 and the velocity spectrum

图3 SN2线CMP3050、CMP3100道集和速度谱Fig.3 Trace gathers of CMP3050 and CMP3100 on Line SN2and the velocity spectrum

图4 SN2线CMP2950至CMP3100速度谱叠合对比Fig.4 Comparison of velocity spectrum of CMP2950 to CMP3100on Line SN2

将EW2、SN1、SN2三条测线速度分析得到的速度谱经DIX公式转化为层速度剖面(图6)，三条速度剖面的浅部(图中500ms附近)均分布有一个相对高速层，即速度反转区域.从地表起算深度在200 ms，按2500 m·s-1层速度计算，埋深应在250 m左右，与水合物的形成深度一致.

4 模型正演研究

地质建模正演模拟是地质体识别的基础分析方法.地层中的水合物储层属于地质异常体，它的地震反射特征以及不同厚度的水合物藏地震反射特征的差异，都可以通过模型正演分析来总结规律、寻找答案.

为了更加接近真实情况，选取速度反转异常最为明显的EW2线作为实验线，将其速度谱转化为层速度剖面，参考该层速度剖面建立水合物储层地质模型，如图7所示.模型中部的不规则团块模拟的是厚层水合物，层速度2800 m·s-1.合成记录如图8.由记录可见，厚层水合物具有明显的弱振幅空白反射或均匀反射特征.

地震反射的强弱特征是波阻抗差异的体现.地质模型中顶部松散沉积物层(蓝色地层)与下伏高速冻土层(青色地层)就是一个强波阻抗界面，在合成记录上表现为一个正极性强振幅同相轴(图8蓝色箭头所示).青色地层底界面与下伏地层又构成一个稍弱的同相轴，两个同相轴之间是冻土与水合物形成的空白带.水合物储层(黄色)虽然是相对高速层，但因其密度属中低密度，导致其与围岩的波阻抗差异较小，因而在合成记录上表现为弱振幅甚至是空白反射.水合物越厚，剖面上“空白”区域越大、越明显.由此推论，实际地震剖面上的弱振幅、均匀或空白反射可能具有与此相似的成因，是水合物储层的一种直观反映.

图5 速度反转区域平面位置及平面范围预测Fig.5 Plane position and plane range prediction of velocity inversion region

图7 EW2线层速度剖面(a)及根据该剖面建立的水合物储层地质模型 (单位：m·s-1)(b)Fig.7 Velocity profile of Line EW2 and gas hydrate reservoir geological model based on this profile

图8 EW2线模型正演记录Fig.8 Seismic forward records of EW2 line model

图9 EW2线偏移地震剖面上速度异常区的地震相特征Fig.9 Seismic facies characteristics of velocity anomaly area in EW2 line migration seismic profile

图10 EW2线振幅谱梯度属性剖面Fig.10 EW2 line amplitude spectrum gradient attribute profile

图11 速度异常区底界沿层25Hz单频振幅属性Fig.11 25 Hz single frequency amplitude attribute of the bottom boundary along the velocity anomaly area

从EW2测线的地震剖面(图9)看，速度异常区在地震剖面上表现为一致的地震相特征，即表层为近水平低频反射，其下为杂乱弱反射(图中红色标示位置)，再向下又显示为清晰的反射.该均匀弱反射区即为本次预测的天然气水合物可能的赋存层位.

5 地震属性分析

地震属性分析技术能够提取隐藏在地震资料中的有用信息，广泛运用于油藏特征描述等方面，能够用来定性地讨论地层岩性、物性、流体成分等，在一定程度上提高了对储层有利区预测的准确度.

目前，广泛应用于油气检测的地震属性有上百种，但是尚无应用地震属性进行陆域天然气水合物的预测研究.主要原因有二：第一，针对陆域水合物的地震勘探工作非常少，资料匮乏；第二，由于冻土区的影响，获得的地震资料大多品质较低，即使开展属性分析也无法得到有价值的信息.本次哈拉湖地区低频可控震源获得地震资料信噪比较高，具备开展地震属性分析预测天然气水合物储层的研究条件.

现有关于天然气水合物地震属性的分析，都针对海域天然气水合物(Andreassen et al.,1995;牛滨华等,2006;Petersen et al.,2007;徐华宁等,2010).通过海域天然气水合物的地球物理特征研究可知，天然气水合物出现的层位大都存在地震反射振幅与频率异常.因此，本文主要利用振幅和频率属性进行预测研究，并与前述速度异常区进行对比分析.

提取EW2线的振幅谱梯度属性(图10)，与图9进行对比，振幅梯度变化较快的位置(白色线框内区域)与图9中所示的均匀弱反射(白色线框内红色区域)有很好的对应关系，与正演研究高速异常的位置也能够很好地吻合.该区域内红色表示振幅快速衰减，在地震剖面上表现为空白带.

将图5的速度反转位置作为预测的水合物储层底界，并沿该层位提取25 Hz单频振幅属性，如图11所示，速度反转区域(图中紫色线段所示)与振幅低值区域吻合良好，这也印证了水合物层位显示空白带及弱振幅反射地震相的推断.

6 结论

针对陆域天然气水合物所开展的地震研究很少，由于永久冻土层的存在，能够获得高品质地震资料非常困难.本次研究对哈拉湖地区低频可控震源获得的高品质地震资料进行了精细处理解释，以邻区发现天然气水合物的测井资料为指导，分析该地区天然气水合物赋存区的地球物理特征，获得如下结论：

(1) 开展天然气水合物的地震特征分析对地震资料的质量提出了更高要求，1.5 Hz低频可控震源宽频激发和高覆盖观测系统的采集方法在哈拉湖地区见到了明显效果，得到了较高品质的地震资料，特别是针对浅层天然气水合物勘探，成像效果明显.

(2) 速度反转和空白反射特征可能为冻土区水合物在地震剖面上的反映，二者同时出现的异常区可作为天然气水合物勘探的重要有利目标区.

(3) 哈拉湖坳陷浅部地层具备天然气水合物成藏条件，且在该区南部凹陷浅部地层发现了速度反转异常这一重要特征，推测这是厚层水合物赋存的反映，地震相和振幅属性分析均印证了这一推测.

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(本文编辑 汪海英)

Geophysical response characteristics of gas hydrate in Har Hu region based on low-frequency vibroseis data

TIAN Yu-Kun1,LI Gui-Lin1,LIU Hui1*,ZHU You-Hai1,MA Yan-Yan1,LI Juan1,ZHOU Hui1,WANG De-Run2,WANG Lin3

1 The Key Laboratory of Unconventional Petroleum Geology,CGS,Beijing 100029,China2 Tuha Division,BGP Inc.,CNPC,Hami Xinjiang 839009,China3 BGP International，CNPC,Zhuozhou Hebei 072750,China

In China,terrestrial gas hydrate is mainly distributed in Qinghai-Tibet Plateau and Mohe County regions.Because of the existence of permafrost,it is difficult to obtain high quality data by seismic exploration,which brings many difficulties to the gas hydrate exploration.In order to solve the problem of attenuation of seismic signal by frozen soil,we used the low-frequency vibroseis as the means to do seismic data acquisition test,and obtained higher signal to noise ratio seismic data by increasing the folds.Based on the high quality seismic data,fine velocity analysis is carried out to obtain the accurate stack velocity spectrum data.And then forward modeling is established on the basis of interval velocity,seismic forward research of gas hydrate is developed.Finally,seismic attribute analysis is carried out on the post stack migration profile.The geophysical response characteristics of natural gas hydrate are summarized through the comprehensive study of the forward and the post stack seismic attributes.The mutational speed and the blank reflection zone can be used as the sensitive factors to identify the terrestrial gas hydrate in Har Hu region.

Gas hydrate；Low frequency vibroseis；Frozen soil region；P-wave velocity；Seismic attribute;Har Hu region

田玉昆，李桂林，刘晖等.2016.哈拉湖地区低频可控震源天然气水合物地球物理响应特征研究.地球物理学报，59(11):4287-4296,

10.6038/cjg20161129.

Tian Y K,Li G L,Liu H,et al.2016.Geophysical response characteristics of gas hydrate in Har Hu region based on low-frequency vibroseis data.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):4287-4296,doi:10.6038/cjg20161129.

地质矿产调查评价专项(DD20160181，12120115006601)，天然气水合物资源勘查与试采工程(GZH201400302)和国家自然科学基金(41202076)联合资助．

田玉昆，男，1984年生，博士，工程师，主要研究方向为地球物理资料处理反演和储层预测．E-mail：tyksango@gmail.com

*通讯作者 刘晖，男，1981年生，副研究员，2011年获得中国地质大学(北京)博士学位，研究方向为天然气水合物与油气地质．E-mail：lhpplu@aliyun.com

10.6038/cjg20161129

P631

2016-08-02，2016-09-13收修定稿