海底及浅层地质灾害的高分辨率地震预测技术

王海平,李春雷，焦叙明，刘剑涛

(1.中海油田服务股份有限公司 物探研究院，天津 300451；2.中海油田服务股份有限公司 物探事业部工程勘察作业公司，天津 300451)



海底及浅层地质灾害的高分辨率地震预测技术

王海平1,李春雷1，焦叙明1，刘剑涛2

(1.中海油田服务股份有限公司 物探研究院，天津 300451；2.中海油田服务股份有限公司 物探事业部工程勘察作业公司，天津 300451)

为降低海上钻井及施工风险，利用渤海及西非某区块最新采集的高分辨率地震资料，结合研究区区域地质背景及邻井钻探数据，对浅海及深水钻井面临的各类地质风险因素进行了研究。利用地震相分析、波阻抗反演、井(孔)震标定、属性分析等中深部油气勘探的成熟技术，分析了各类海底及浅层地质灾害因素的成因、特征、危害及展布规律，总结了一套利用高分辨率地震资料预测海底及浅层地质灾害的技术方法。经钻井证实，利用高分辨率地震资料对地质灾害进行预测，可以有效地防范各类钻井风险，并可为今后海上油田施工提供可靠的工程地质调查成果。

高分辨率地震；海底；浅层；地质灾害预测

1 引 言

近年来随着海洋油气勘探开发的逐渐深入，越来越多的危及钻井及海上施工安全的海洋地质灾害事件时有发生。地质灾害引发的安全问题已经成为制约海上油气工程发展的一大难题，因此加强井位工程地质调查及井区潜在工程地质灾害因素研究，对于确保钻井安全、防范次生安全事故具有十分重要的现实意义[1]。

对于海洋灾害地质的调查研究，是20世纪80年代初期随着海洋油气的大规模勘探与开采发展起来的[2]。前人针对海洋地质灾害的分类、特征、成因、危害及研究趋势进行了较为深入的研究，并取得了丰富的研究成果。Francesco等人通过大量研究资料对海底及浅层灾害地质进行了总结，描述了一个理想大陆边缘海底浅层存在的潜在地质灾害因素[3](图1)。

总体上，海底及浅层地质灾害可以分为三类：①海底地质灾害，如断崖、气漏、水合物山、不稳定陆坡、海底滑坡、塌陷、塔礁和暗礁等；②浅层地质灾害，如断层、含气沉积物、超压带、低压带、天然气水合物、浅水流和埋藏古河道等；③人为灾害，如管线、井口设施、通讯电缆等人造设施。

在海洋地质灾害研究中，如何进行海底浅层地质灾害因素的预测是关键。受成本限制，国内多采用浅剖、单道地震或24道地震开展工作。海洋石油公司在各海域积累了丰富的高分辨率地震资料，与其他浅层调查手段相比，利用这些资料对海底及浅层地质灾害进行预测，具有资料获取方便、调查深度大、覆盖面广、技术方法多的优点，特别是在早期地质灾害研究方面具有非常明显的优势。

2 研究资料与方法

2.1 地震资料处理及解释

浅层地震资料的处理流程一般采取将近道数据去噪、反褶积、多次波衰减、偏移、叠加等常规处理，为了提高分辨率，可采用特殊的处理技术以达到更好的成像效果。

对浅层地震资料的解释主要有两个目的：①为地质灾害因素研究提供地层格架，确定某种灾害地质因素的顶底深度范围；②为使用其他地球物理方法如相干体技术、 属性分析技术等提供约束层位。

图1 理想大陆边缘海底及浅层地质灾害分布(据Francesco等修改)Fig.1 Distribution map of seafloor and shallow geological hazards of an idealized continental margin (modified by Francesco)

图2 渤海某研究区浅层地震资料解释方案Fig.2 Interpretation version of shallow seismic data in a study area of the Bohai sea

追踪对比的浅层地震层位应该选取那些上下波组特征明显，易于全区追踪对比的反射界面。区域不整合面必须选择，在区域不整合面界定的地层单元内，根据研究需要选取局部不整合面进行追踪和对比。以渤海某区块为例，该三维地震工区的道间距为12.5 m，针对研究区内浅层工程地质的特点，在500 ms以上，选择海底(Sb)、第四系底(Qb)、层位A(HorzionA)、层位B(HorzionB)、层位C(HorzionC)五套层位进行了全区解释[1](图2)。

利用DIX公式对时间域叠加速度转换的层速度结果建立时深转换速度模型，将地震层位进行时深转换。通过编制等t0图及构造图，可以统计出每套地震层位的顶底深度，便于开展后续的地质灾害评价工作。

2.2 研究方法与思路

通过对渤海及西非某区块的浅层地质灾害研究工作，总结了一套利用高分辨率地震资料预测地质灾害的技术方法(图3)。具体思路为：对研究区内已有钻井资料进行分析，并结合区域地质背景，对潜在的地质灾害进行初步分析；将地震资料针对浅层成像处理后，利用地震资料综合解释软件，建立解释数据库；选择对灾害地质研究有重要意义的地震层位进行全区解释，并进行构造精细成图，分析浅层断裂及深部断层的展布规律，同时对海底地貌条件进行评价；利用地震相识别、多属性分析、波阻抗反演、叠前反演等技术对浅层地质灾害的分布范围及深度进行预测，研究各类地质灾害因素的成因及危害，最终达到钻前地质灾害预测或者区域地质灾害评价的目的(图3)。

图3 研究方法与思路Fig.3 Research methods and ideas

下面结合研究实例，就海底及浅层地质灾害的地震预测方法展开详细论述。

3 海底地质灾害的地震预测

海底地质灾害大部分都是由地貌因素引发的各类海底不稳定造成的。通过编制海水深度图、海底坡度图及海底立体显示图可以清晰地识别各类潜在的海底地质灾害。

渤海海域大量泥沙的堆积使得海水深度变浅，平均水深18 m，全海区50%以上水深不到20 m。平缓的海底地貌条件决定了危害钻井安全的海底陡坡、麻坑、沟槽等海底地形地貌因素极少发育。

深水海域海水深度变化范围可达数百米至上千米，相较于浅水陆架区域海底地貌条件更为复杂。以西非某区块为例，在49 km2范围内，海水深度变化范围为610～1 140 m(图4(a))，分布有大量的海底峡谷及气体逸散形成的麻坑(图4(b))，起伏不平的海底地形，可能对锚固造成困难，影响钻井船就位。在钻探过程中，可能造成海床局部失稳，对钻杆造成冲击破坏。

图4 西非某区块海底地形Fig.4 Seabed topography of a block in West Africa

4 浅层地质灾害的地震预测

不同海域浅层地质灾害的发育类型和致灾机制主要受控于晚中生代以来的构造沉积体系的叠加影响。因此在对浅层地质灾害进行预测前，必须重视研究区晚白垩世以来的构造沉积演化历史。

4.1 浅层断裂

渤海海域在郯庐断裂带形成的走滑拉张环境下，浅层断层具有多种类型的剖面组合样式。这些断层向下逐渐归拢至深大断裂，大部分断裂至第四系底不整合面结束，一部分断裂在第四系继续活动，断至海底后形成所谓的“通天”断层[1]。

在深水白垩纪及新生代盆地浅部地层中经常发育一类具有层控、断距小、平面呈多边形展布的小型伸展断层，其成因目前尚存有争论[4]。这类断层无法通过剖面拾取进而进行平面组合的传统断层解释方法进行刻画，但是可以通过沿层提取相干体切片的技术加以识别。图5(a)为沿解释层位shallow6往上50 ms提取的相干体切片，可以清晰地识别出在shallow5与shallow6层位之间发育的大量的多边形断层(图5(b))。

断层发育带内岩体往往较为破碎，活动断层对工程稳定性存在一定的影响，特别是对桩基影响很大，在渤海海域摸清浅层断裂的分布范围及深度是科学合理设计桩基的关键。在海上钻井过程中钻遇浅层断裂，需要及时调整泥浆比重，预防塌孔、卡钻或者钻井液大量漏失等事故的发生。

4.2 浅层气

浅层气通常是指海底以下数十米至数百米地层内聚积的有机气体。按其成因一般可以分为两类，即生物甲烷浅层气及热成甲烷气[5]。

渤海海域浅层气主要是深部气经断层、裂隙、不整合面等通道运移至浅层形成的，绝大部分属于深部成因的热成甲烷气。根据埋深的不同，可以将渤海海域浅层气分为出露至地表的浅层气及埋藏气两大类。前者主要沿断层或者构造薄弱带侵入至海底，可形成“气烟囱”(图2)；后者具有一定的埋深，基本呈层状或者块状产出。浅层气可以分别利用提取相应的振幅属性或者道积分反演的方法进行预测[1]。

图5 西非某区块多边形断层特征Fig.5 Characteristics of Polygonal fault in a block of West Africa

深水区的浅层气表现为呈层状或块状的强地震反射特征。通过提取浅层气顶底地震解释层位之间的均方根振幅属性，可以大致确定浅层气的分布范围及深度。以西非某区块为例，相邻的2井在钻井过程中于地震解释层位shallow5与shallow6之间气测显示异常，对应的地震反射特征为强振幅蠕虫状反射(图6(a))，通过两层之间的均方根振幅属性可以预测设计井在1 771～1 860 m处存在低风险浅层气(图6(b))。

作为一种危险的海洋灾害地质类型，浅层气的危害性主要表现为改变沉积层土质的力学性质，使其强度降低，结构变松，破坏土质原始稳定性，减小基底支撑力[6]。在海洋钻探中，一旦遇到有一定压力的浅层气聚集层，有可能会发生井喷，甚至酿成井口塌陷、火灾等灾难性事故[7]。

4.3 埋藏古河道

新生代以来的全球海平面变化，在海域盆地造成多期的海相—陆相沉积过渡。早期陆相沉积的河流湖泊被后期沉积的海相地层覆盖，即形成埋藏古河道(浅层河道)。河谷中的新沉积层与谷坡的相对较老沉积层在工程受力特性上存在差异，会对插桩式海洋石油平台及钻杆产生影响。此外，古河谷中的砂体可形成浅层油气聚集的透镜体，如果压力较高，钻遇时会对石油平台带来严重的危害[8]。

渤海海域埋藏古河道具有以下的地震响应特征：主河道具有顶平底凹的反射特征，在全新统及更新统，河道内充填物表现为强振幅反射(砂岩或粉砂岩)；在更新统以下，河道内充填物表现为弱振幅反射(砂岩或粉砂岩)[1]。利用该地震响应特征对河道进行连续追踪及平面成图， 即可预测研究区内不同期次古河道的展布及埋深。

图6 西非某区块浅层气发育特征Fig.6 Development characteristics of shallow gas in a block of West Africa

图7 西非某区块埋藏古峡谷地震响应特征Fig.7 Seismic response characteristics of buried ancient canyon in West Africa

深水盆地浅层不整合面附近往往发育大量的下切沟谷或者海底峡谷，这些沟谷沉积了较厚的砂体，被后期沉积地层覆盖，也会形成类似埋藏古河道的浅层地质灾害。图7为在西非某研究区识别出的埋藏峡谷沉积。由图7可知，3井在钻探过程中发现有明显的气测异常显示，推测是shallow2与shallow3层位之间的下切古峡谷沉积含气造成的。同一套沉积单元内，设计井处也存在该下切谷，实钻时需注意采取相应的措施。

深水盆地海底以下较浅的未固结的松散沉积物中有时会有超压、未固结、欠压实砂层存在，称之为“浅水流”。钻井时如果钻遇，砂水流将会冲进井孔并向上喷发，发生钻井事故。已钻好的井孔井壁，在砂水流的不断侵蚀下，容易被掏空发生变形，从而破坏井的安全性。

国内外已有学者采用叠前地震反演技术对浅水流这一深水区重大地质灾害的形成机理和地球物理预测进行了研究，认为高压浅水流具有高纵横波速度比、高泊松比、低波阻抗等地震响应特点[9]。

天然气水合物是一种气体和水组成的笼状物，大多数的深水环境都满足天然气水合物形成和稳定的条件(高压低温)。其对工程的危害主要表现在两个方面：一是天然气水合物的分解可以形成某些浅层气，这种含气区内部承载力的不均匀都将威胁到海洋工程的安全，气体的突然释放会对管道产生破坏作用，轻则侵蚀套管，重则造成井喷，引起平台燃烧，造成生命及财产的损失；二是天然气水合物分解可能引起海底滑坡，对海洋工程环境影响巨大，严重危害深水油气勘探开发平台、管线、海底电缆等海底设施，还可能诱发海啸[10]。

目前，天然气水合物的地震识别标志是似海底反射(BSR)，即含天然气水合物沉积层与含游离气沉积层或含水沉积层的相边界[11]。

5 结 论

通过使用二维及三维高分辨率地震资料以及一些中深部油气勘探的成熟技术，笔者曾先后完成了渤海某油田区块区域工程地质评价及西非某区块钻前地质风险评价项目，取得了良好的应用效果。

通过以上采用高分辨率地震对海底及浅层灾害地震特征及致灾机制的研究，可以得出以下结论：

1)利用二维或者三维高分辨率地震资料对地质灾害进行预测，能够满足工程地质灾害评估及钻前地质灾害评价的要求。一些成熟的中深层油气勘探技术，应用于浅层地质灾害因素识别及研究也能够取得良好的效果。

2)地质灾害因素之间具有一定的关联性，实际工作中需要重视不同类型地质灾害致灾机理之间的相互联系。地震资料解释具有多解性，需要多学科、多领域的合作，才能提高地质灾害预测的可靠性，进而对预测的每类地质灾害制定相应的应急预案。

[1]王海平，张伟，李春雷．海底浅层地质灾害的高分辨率地震识别技术[J]．海洋科学，2014，38(7)：103-109．

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[5]叶银灿，陈俊仁，潘国富，等．海底浅层气的成因、赋存特征及其对工程的危害[J]．东海海洋，2003，21(1)：27-36．

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[11]吴时国，姚伯初．天然气水合物赋存的地质构造分析与资源评价[M]．北京：科学出版社，2008:1-307．

High-resolution Seismic Prediction Technology of Seafloor and Shallow Geohazards

Wang Haiping1，Li Chunlei1，Jiao Xuming1，Liu Jiantao2

(1.GeophysicalResearchInstitute,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China;2.EngineeringSurveyOperationCompanyofGEO,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China)

In order to reduce the risks of offshore drilling and construction,the study on all factors of geological hazard,faced by shallow water and deep water drilling uses the latest high-resolution seismic data of the Bohai sea and a block in West Africa,combined with the background of regional geology and the data of offset well drilling data. Some mature technologies for hydrocarbon exploration in mid-deep strata,such as the analysis of seismic facies,wave impedance inversion,well (hole) seismic calibration,attribute analysis and so on,have been used to analyze the causes,characteristics,hazards and distribution rules of various seafloor and shallow geological hazards and have been used to summarize a set of technical methods to predict seafloor and shallow geohazards by using high-resolution seismic data. The practice of well drilling verifies that the prediction of geohazards by using high resolution seismic technology can prevent effectively all kinds of drilling risks and can provide reliable results of engineering geological survey for future construction in offshore oil field.

high-resolution seismic data; seafloor; shallow; prediction of geohazards

1672—7940(2016)06—0694—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.002

国家重大科技专项(编号：2011ZX05056)

王海平(1984-)，男，工程师，硕士，主要从事地震资料解释及地质综合研究工作。E-mail：whp19845022@163.com

P631.4

A

2016-02-16