BSR与CSEM识别天然气水合物的优缺点对比*

陈 杰，胡高伟，卜庆涛

（1. 中国石油大学（华东），山东 青岛 266071；2. 青岛海洋地质研究所，国土资源部天然气水合物重点实验室，山东 青岛 266071；3. 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071）

0 引 言

天然气水合物是一种分布广泛的高效清洁能源，具有极高的资源价值，在常规石油天然气资源消耗巨大的情况下，天然气水合物有望成为21世纪潜在的替代能源[1]。科学评价结果表明，全世界天然气水合物的资源总量约2倍于已探明石油、天然气和煤的总碳量，全球海域中约有90%的面积属于天然气水合物的潜在区域[2]。因此，国内外对海洋天然气水合物进行了大量的勘探研究。

自20世纪60年代人们陆续在海洋和冻土带发现了天然气水合物以来，国内外对天然气水合物的勘探至今从未停止。天然气水合物的勘探研究方兴未艾，大洋钻探计划对海洋天然气水合物的研究给予高度重视，设立了专项调查航次。目前，对天然气水合物的勘探主要依靠地球物理和地球化学方法。地球物理勘探主要有地震、海底电磁、重力勘探、测井等；地球化学主要包括气体异常、孔隙水离子浓度异常、稳定同位素法等；除此之外，近年来海底摄像技术也得以应用，通过海底摄像观测海底地貌，直接寻找天然气水合物标志。地震勘探是最常用的手段之一，主要通过地震剖面上的似海底反射层（bottom simulating reflector, BSR）对天然气水合物层进行识别[3]。目前，在大范围的天然气水合物资源远景调查阶段主要利用地震BSR识别，但在无BSR区域，急需一种勘探范围广、成本较低的勘探方法来辅助地震勘探，如此将有助于分析全球天然气水合物资源的分布和提高资源评价精度。

目前海洋天然气水合物探测中BSR已成为指示天然气水合物存在的一个重要标志，并且取得了显著的应用效果[3-5]。然而，近年来研究发现，BSR并不一定能指示天然气水合物的存在，而有天然气水合物赋存的地方有时也未显示BSR[6-7]。BSR的多解性为天然气水合物的识别带来困难[3,6,8]，因此学者们一方面通过BSR的特征分析来降低多解性，提高天然气水合物识别准确率，并通过研究BSR层面的振幅随偏移距变化（amplitude versus offset, AVO）属性特征对天然气水合物层和游离气层进行饱和度和储量估算[9]；另一方面，通过地球化学等其他手段进行综合判别以提高天然气水合物识别的准确度。

海洋可控源电磁法（controlled source electromagnetic method, CSEM）是近年来发展起来的一项有效的天然气水合物勘探方法，可以根据天然气水合物储层、海底沉积物和海水三者之间的电性差异，确定天然气水合物的赋存位置，得到天然气水合物储层的电阻率，从而估算饱和度[3,10]，目前在天然气水合物的研究和电磁数据的解释取得显著成果。我国对海洋CSEM技术及其勘探天然气水合物的研究虽然起步较晚，近年来也得到了长足的发展[7]。实践结果表明，海洋CSEM与地震BSR特征识别能提供互补的勘探信息，两者联用在多个海域天然气水合物勘探中取得了较好的效果。本文拟通过总结对比BSR与海洋CSEM识别天然气水合物的优缺点，以期得到更准确和有效的联合勘探方式，为两种技术的联用提供理论支撑。

我国对天然气水合物的勘探起步较晚，可分为三个阶段[4]：①跟踪研究阶段（1982 ～ 1998年）。1990年，中国科学院兰州冰川冻土研究所与莫斯科大学合作首次合成天然气水合物；1995年，中国地质科学院矿产资源研究所在南海、东海和太平洋国际海底开展天然气水合物的调查研究工作；这一阶段内，主要针对国外资料、文献进行调研和跟踪分析[11-12]。②前期勘查阶段（1999 ～ 2010年）。1999 ～ 2001年中国地质调查局科技人员首次在南海西沙海槽发现了存在天然气水合物的BSR标志[5]；随后，2002年在冻土区开展了地质、地球物理、地球化学和遥感调查，发现我国冻土区具有较好的天然气水合物成矿条件[13]；2005年在南海北部陆坡首次发现“冷泉”碳酸盐岩分布区的重要天然气水合物存在证据[14]；2007年5月，我国首次在南海北部神狐地区天然气水合物采样成功[4-5,11-12]；2008年，在祁连山冻土区钻获天然气水合物样品[13]。③普查与试采阶段（2011年至今）。2011年，正式启动了第二期为期长达 20年的国家天然气水合物计划[5]；2013年6月在广东沿海珠江口盆地东部海域钻获天然气水合物样品；2017年5月中国首次在南海北部神狐海域试采天然气水合物成功[4]。

尽管21世纪以来我国在天然气水合物勘探开采方面取得巨大进步，但我国海域的天然气水合物资源战略调查工作仍然需要大力发展，在天然气水合物勘探方面仍存在以下问题：①详细资源分布区调查程度较低。目前我国天然气水合物资源分布预测多为远景调查阶段，主要分布在南海、东海和青藏高原、东北漠河冻土区等，天然气水合物的有利区与靶区的预测缺乏实际勘探数据支撑，需要大量地质调查与勘探数据进一步圈定资源分布区。②资源评价精度较低，资源潜力不清。近年来有不少学者与机构对我国天然气水合物资源量进行初步预测，中国地质调查局2016年发布的《中国能源矿产地质调查报告》显示，我国天然气水合物预测远景资源量超1 000亿t油当量[4]，资源等级低，远景资源量最终有多少能转化为探明储量仍不清楚。③天然气水合物资源评价中与有效区域评价参数可结合数据较少。资源评价中除了需要获取有效区域评价参数外，还需结合已有地震、海洋CSEM、测井和钻井等资料，提高资源量评价可信度，天然气水合物资源量评价方法的选择以及资料的丰富程度将决定资源评价的工作质量和预测精度。

1 天然气水合物物理性质

天然气水合物是一种有笼状结构的类冰状结晶化合物，主要是由甲烷和水分子结合而成，每单位晶胞内有两个十二面体和六个十四面体的水笼结构，内部排列紧凑，与冰的结构十分相似[1-3]。表1所示为纯水合物与冰的物理性质对比，纯水合物泊松比、剪切模量、纵横波速度比略小于冰，介电常数与热传导率远小于冰，相较于围岩，一般认为含天然气水合物沉积物的纵横波速度增加、电阻率增加、热导率减小[7,15]。天然气水合物物理性质的研究为天然气水合物的勘探提供理论导向性，不仅为地震、电磁等地球物理勘探研究提供一个理论基础，还对天然气水合物本身的研究有一定的现实意义。

表1 纯水合物与冰的物理性质[7,15]Table 1 Physical properties of pure gas hydrate and ice[7,15]

2 BSR识别天然气水合物的研究现状与特征

2.1 BSR识别天然气水合物的研究现状

20世纪 60年代，勘探工作者首次在地震剖面上观察到BSR；随后，1970年MARKL等[16]在美国东海岸大陆边缘布莱克巴哈马外脊的地震剖面上发现与海底面平行的异常强反射层。1976年，GEORGY在佐治亚州海大型沉积物隆起的地震声纳探测记录中发现了与局部海底地形平行的地震反射层[17]。深海钻探第 11航次后，将这一异常反射层称为BSR[6,18]。天然气水合物与 BSR的关系随后也多次在大洋钻探和海洋钻探中被证实，因而成为一种重要的天然气水合物识别方式[6]。同时，科学钻探结果证明，有BSR现象不代表一定有天然气水合物，单一采用BSR识别天然气水合物并不准确[6,8,19-21]。研究发现，在不同地区天然气水合物含量和游离气含量等因素对BSR有重要的影响[15]。因此，人们开始研究BSR的特征以及天然气水合物、游离气和饱水沉积物的各个接触界面的反射特征[22-27]。目前，国内外除了以BSR特征作为识别天然气水合物的手段之外，还深入研究BSR界面的AVO属性特征及其对天然气水合物和气体浓度的定性评估。

2.2 BSR特征

BSR的出现是由于海底天然气水合物层和下伏沉积层的地震波阻抗差异的结果[24]。天然气水合物的形成使得原沉积层的密度增大，因此地震波在天然气水合物层中的传播速度变快。天然气水合物地层下的游离气层是由于地层深部未生成天然气水合物的残余气体及后续生成的气体充填其中，使得地层密度和地震波速度低于天然气水合物地层，地震波在高低密度层之间产生较大的波阻抗，在传播过程中就会产生较强振幅的反射波，这个反射波通常近似海底，但又与海底多次波有区别，称之为BSR[23-25]。

自发现BSR以来，人们就对BSR的特征做过诸多研究，BSR的特征在分析多层BSR、真假BSR等问题起到一定作用的同时，也为准确识别天然气水合物提供技术手段。因此，对BSR特征的认识将对天然气水合物的勘探研究和综合判识天然气水合物藏有很重要的现实意义。目前对BSR特征的认识主要为BSR在地震剖面上的直接特征和BSR相关的AVO属性特征[9]。

2.2.1 BSR的直接特征

目前通过对地震勘探和地球物理资料的研究发现BSR直接特征如下：

（1）BSR一般与海底地形平行分布，随海底地形的变化而变化（图1）[23-24]。随着海底地形变化，海底地层压力和地层温度也发生变化，天然气水合物对温度的变化比对压力变化要更加敏感，天然气水合物的存在使得上下界面处的波阻抗差异而出现BSR与海底地形近于平行。

（2）BSR极性与海底反射极性相反（图1）[25]。海底是海水和表层沉积物的分界面，上部海水为低速层，相对海水，下部沉积物层为高速层，因此反射系数为正值；BSR上的天然气水合物层为高速层，相较于天然气水合物层，下部沉积层为低速层，故反射系数为负值，因此造成BSR与海底反射波的极性反转的现象。BSR之下沉积层未必一定含游离气，也可能是由上覆地层含天然气水合物饱和度较高而产生的速度差异。

图1 BSR地震特征（据文献[30]修改）Fig. 1 The seismic features of BSR (modified from reference [30])

（3）BSR上方常伴生有振幅空白带（图1）[26]。由于沉积层中充填天然气水合物后，天然气水合物储层内的物性参数差距不大，从而使地层均质性增强，波阻抗差减少，反射系数减小，造成振幅空白带[27]。空白带程度与地层中的天然气水合物含量有关，含量越高，振幅空白程度越明显[28]。有研究表明，反射振幅的强弱与天然气水合物含量有一定相关性，因而，可以利用地震反射的振幅信息，间接估计天然气水合物的含量及储量大小[29]。

（4）当地层产状与海底地形不平行时，BSR与其他地层分界面反射波斜交[25]。这是由于天然气水合物储层与游离气层的分界面是受控于温度和压力影响的相边界，使得BSR大致与海底平行，当地层与海底不平行时，其反射波与BSR相交。

（5）BSR界面上下地层地震纵波速度异常。BSR的形成机制决定其速度异常特征，海底地层中充填天然气水合物、游离气或地层水时，地震波传播的速度不同。

（6）强振幅。由于上下地层的高阻抗和低阻抗之间的相互作用而造成振幅较强的地震反射[25]。

2.2.2 AVO属性特征

在研究BSR界面的特性时，最常用的是BSR界面的AVO正反演方法，一般分为通过建立不同的天然气水合物接触正演模型得到反射系数随入射角变化的特征和直接利用AVO关系反演岩石物性两种思路。以Zoeppritz方程为基础，计算入射角度在分界面BSR处的反射系数，研究BSR振幅随偏移距变化特征[9,31-33]。AVO属性分析可以直观地显示出振幅随角度的变化情况，用来估算上下地层的泊松比，进而分析其岩性及流体性质[28]。

BSR的AVO属性特征中主要有AVO角道集（amplitude versus angle, AVA）分析和AVO属性叠加的属性剖面特征。AVO角道集分析得到BSR振幅随着偏移距或入射角的增加呈增加趋势，在大偏移距处BSR出现相位转换现象[33-37]；BSR界面的AVO属性叠加的属性剖面主要有：①截距属性剖面，一般BSR处的大截距值反映了BSR界面上下的较大纵波速度差；②梯度属性剖面，可以提升BSR分辨率与检测游离气，对天然气水合物饱和度的变化较为敏感；③泊松比属性剖面，BSR上覆和下伏地层之间泊松比的变化较大；④碳氢检测属性剖面，孔隙度稳定的情况下，可以指示天然气水合物饱和度下降的位置，突显BSR；⑤流体因子属性剖面，可用于检测天然气水合物和游离气，一般能观察到明显的BSR现象；⑥横波属性剖面，对于因天然气水合物饱和度降低引起的 BSR，在剖面上突显反极性BSR现象；⑦乘积相关属性剖面与其他属性剖面结合，可以用来检测游离气[28,31,38]。储层含天然气水合物的饱和度和下伏地层含游离气的多少是影响BSR的重要因素[32,34]。AVO技术的研究也是用于判断BSR界面以下是否存在游离气体的重要方法之一，地震BSR界面的AVO特征研究是需要继续深入探讨的问题[6,39-44]。

地震勘探识别天然气水合物时，常常会发现与天然气水合物BSR特征十分相似的地震波，造成假BSR问题。假BSR无论从地震剖面上还是测井曲线上均表现出明显的BSR特征，与真BSR的最大差异便是没有天然气水合物的存在，为海底天然气水合物的识别带来困难。2007年，中国地质调查局在我国南海北部陆坡神狐海域的WELL2井发现BSR特征，但并未取得天然气水合物样品，也未发现天然气水合物分解证据[8]。MAJUMDAR在2016年根据墨西哥湾北部的 788个工业井的测井记录，将测井数据集与BSR分布数据集组合在三维地震数据中的同一区域，发现BSR能提升找到天然气水合物约 2.6倍的机会，即便如此，通过BSR钻出的井中有63%（35个井中有22个）没有探测到天然气水合物的存在[45]。目前针对地球物理处理假象造成的假BSR主要解决方式有极性分析、精细速度分析、AVO属性分析、瞬时属性分析、多次波压制等以及结合其他勘探方式识别，但对于由岩性、构造及游离气等成因造成的假BSR，却难以用单一的地震方法区分和解决[8]。因此，即使能够确认有BSR的应有特征，也并不能代表一定存在天然气水合物。

2.3 BSR特征分析法识别天然气水合物的优势与局限性

BSR作为识别海底天然气水合物的重要标志，其特征分析可以准确有效地找到天然气水合物储层的位置、降低多解性和提高天然气水合物储层的识别效率。BSR特征分析作为识别天然气水合物主要方法的优势为：①直观性强，易识别。BSR的负极性、与海底平行分布、之上有振幅空白等特征，使得在地震剖面上直观且易识别。②BSR位置深度一定程度上反映天然气水合物稳定带（hydrate stability zone, HSZ）的厚度。随着水深的增加，压力会随之增大，HSZ的厚度易增大。③BSR与其他反射层相交，指示了沉积层的位置。④BSR位置与理论计算的天然气水合物储层底界相近。BSR为一个过渡相边界，BSR之上为固相天然气水合物储层，之下可能为气相游离气储层。

目前在海底天然气水合物探测中，地震勘探不可否认为最主要的方法[5]。然而，实践研究表明，BSR的局限性使得地震勘探海底天然气水合物的准确率和效率大大降低。BSR特征分析法识别天然气水合物的局限性有：①仅适用于海洋天然气水合物的识别。由于地震波传播速度在永冻层和天然气水合物层的传播速度相当，BSR现象很难出现在陆地永冻层的地震剖面上，因此BSR特征识别仅适合用海洋天然气水合物沉积层。②BSR非常接近理论计算的天然气水合物储层底边界，但天然气水合物储层的上边界在地震剖面难以识别。③BSR与天然气水合物不是一一对应的关系，即存在天然气水合物的地层未必有 BSR，这可能是由于下伏地层含有不同气体组分或高盐度的孔隙水造成 BSR缺失，也可能因为断裂和泥火山等构造对天然气水合物矿藏的影响而造成BSR特征不明显或不存在[3,8]，同时，因为BSR的多解性，很难判别 BSR是高饱和度的天然气水合物引起或者是游离气引起，所以存在BSR特征的地层也未必有天然气水合物；对于如何降低多解性，除了 BSR的特征分析外，还需要结合其他非地震手段进一步确定辨别。④BSR计算天然气水合物的饱和度较为繁杂且有一定误差，因此也难以准确评价天然气水合物的资源量。

3 海洋CSEM技术原理及其研究现状

3.1 海洋CSEM技术原理

在海洋地球物理勘探中，海洋 CSEM 已经成为一种必不可少的探测方法，通过测量周围空间的电磁场来获得地下介质的电阻率信息[46]。相较于一般海底沉积物，天然气水合物为导电性极差的高阻体，其电阻率远大于海水和海底沉积物层，这为在海底进行海洋 CSEM 勘探天然气水合物提供了良好的物性基础[47]。海底接收的电磁场能够反映沉积物层的电性变化，提供海底沉积物层的电阻率数据，在不利于海底地震勘探的碳酸盐礁脉、盐丘等区域，海洋 CSEM 能有效辅助推断海底地层结构信息。

目前，海洋 CSEM 勘探天然气水合物方式有坐底式和拖曳式两类。图2a为坐底式，是将电磁场接收器以一定间距置于海底，发射器放在海底上方几十米；图2b为拖曳式，是将发射器和接收器同时放在海底上方几十米的位置获取数据[48]。两者的技术原理基本相同，本文以坐底式海洋CSEM为例讨论。海洋 CSEM 进行海底天然气水合物探测时，使用船载可移动 CSEM 发射器，将电磁信号发射器拖在海底上方几十米处，同时通过电极和海水接触，激发合适的低频电磁信号，电磁信号发射器通过船载深拖电缆与作业船上的大功率电源相连，发射一定频率的交变电流，交变电流会在周围介质中产生相同频率的电磁波，电磁波通过不同的介质传播，以一定的间隔放置于海底的电磁接收器将接收电磁波并储存电磁数据。CSEM探测系统主要包括作业船及船载大功率甲板电源、船载深拖缆及绞车、船载导航及水下定位设备、大功率拖曳发射机、若干台海底电磁接收机[49]。作业流程主要分为：①电磁场接收器投放，根据目标工区预设的点位，将海底电磁接收机依次投放至海底；②电磁场接收器定位，借助船载超短基线定位系统（ultra-short baseline, USBL）对海底接收机位置进行精确定位，并为后期数据处理提供坐标信息；③发射作业与 CSEM 数据采集，拖曳发射机按照设计的路线及频率进行大功率电流激发，接收机采集CSEM信号与大地电磁（magnetotelluric mehtod, MT）信号，此时MT信号为噪声；④MT数据采集，在接收机着底后至回收之前一直采集海底MT信号；⑤回收接收器，借助释放回收系统对接收器进行逐点打捞回收；⑥现场数据预处理，下载接收器中的数据文件，结合发射电流文件、导航及水下定位数据，进行CSEM数据处理与海底MT数据处理，并对数据质量进行评估，为后期室内数据处理提供中间文件[50]。

图2 坐底式与拖曳式海洋可控源电磁法作业示意图Fig. 2 Deployed and towed marine CSEM system operating diagram

电磁波在不同导电介质中的衰减速度和传播速度不同。海水为导电介质，电磁波衰减快，传播速度变慢，而在天然气水合物这种高阻介质中衰减慢，传播速度变快。通常海水的电阻率为0.3 Ω·m左右，海底一般沉积层的电阻率约为1 Ω·m大于海水，而含天然气水合物沉积层的电阻率要几倍甚至几十倍于海水和一般海底沉积物[51]。根据电磁波的衰减速度和传播速度不同，可得到如图3所示海洋CSEM探测天然气水合物时的6条电磁波传播路径：①通过海水—空气—海水传播的空气波；②通过海水—空气与海水界面—海水的反射波；③直接通过海水传播的直达波；④通过海水—海水与覆盖层分界面的海底地层波；⑤通过海水—覆盖层—天然气水合物层与覆盖层分界面—覆盖层的地层波；⑥通过海水—覆盖层—高阻天然气水合物储层—覆盖层中的导波。

图3 海洋电磁波场传播特征示意图Fig. 3 Propagation of marine CSEM waves

3.2 海洋CSEM识别天然气水合物研究现状

海洋CSEM最初是用于探测海底油气资源和地质构造研究的一种方法。近年来，海洋CSEM探测海底油气储层取得了显著成效。加拿大多伦多大学的EDWARDS研究组在1987年研制了时间域水平磁偶极−偶极测量系统，并将该项技术用于海洋地球物理调查中，但由于传播深度不够而无法用于海洋油气探测[52]。EDWARDS研究组在2000年研制了一套用于天然气水合物探测的时间域电偶极−偶极测量系统[53]。随后，海洋CSEM也越来越多地应用于世界各地区海域勘探，并在探测海洋天然气水合物上取得了显著的应用效果[54-62]。海洋电磁数据的正演模拟和反演解释也取得了进步，从开始的一维模型发展到了如今的二维、三维模型[63-66]。

国内海洋CSEM探测天然气水合物方面的研究起步较迟，近几年国内研究者也做了一些研究。2012年，盛堰等[67]通过理论分析和实例证明了海洋电磁探测技术探测天然气水合物的可行性。随后王启等多位学者对海洋CSEM识别天然气水合物的可行性和有效性进行了研究[7,48,68-69]。景建恩等[70]在 2012年利用自主研发的海洋电磁探测仪器在中国南海北部陆坡获得了首批深水海域的可控源电磁探测数据。陈凯等多位学者在我国海域开展海洋CSEM识别天然气水合物的实验，均成功取得了大量的海洋电磁信息数据[50,71]。

综上所述，国内外对海洋CSEM探测天然气水合物技术十分重视，海洋CSEM因其特有的勘探优势，受到了国内外海洋地球物理勘探工作者的青睐。

3.3 海洋CSEM识别天然气水合物的优势和局限性

目前，世界上用于探测天然气水合物的海洋CSEM技术主要分为时间域CSEM和频率域CSEM。斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）2004年在美国的俄勒冈州（Oregen）海域首次使用频率域海洋CSEM探测天然气水合物试验，在较少或没有天然气水合物的区域显示为低电阻率异常，在有天然气水合物的区域显示为高电阻率异常，证明了海洋CSEM探测天然气水合物的优势。SCHWALENBERG等[72-73]对分布在新西兰波朗阿豪（Porangahau）山脊的天然气水合物进行了海洋CSEM探测，获取数据并进行解释。如图4所示，图4a为视电阻率剖面每个点位附近的平均体积电阻率；图4b为缝合模型的一维层状电阻率反演；图4c为相应点位地震剖面。海洋CSEM的数据突出显示了异常的高电阻率，在高振幅反射区上方显示局部较高的天然气水合物浓度，海洋CSEM的电阻率异常位置与地震高振幅空白反射位置一致，结果显示，电阻率异常是由相应位置BSR的高振幅反射带上方的集中天然气水合物所引起。

海洋CSEM能够为天然气水合物研究提供重要电性信息，因此正逐步成为地震勘探的有效辅助手段[3]。其探测天然气水合物的优势在于：①适用性强，因为海洋天然气水合物埋藏深度不大、具有一定水深、电阻率高等特点很适用于海洋CSEM勘探要求。具体原因是埋藏深度不大，利于海洋CSEM的深度使用条件；具有一定水深减小了空气波的影响，利于海洋CSEM探测结果的准确性；天然气水合物电阻率高便于接收器获得较强的地层有效信号[51]。②海洋 CSEM 技术可以得到天然气水合物的电阻率，并可以依据采集到的数据利用阿尔奇（Archie）公式估算沉积层中天然气水合物的饱和度。Archie公式是联系孔隙度、电阻率和饱和度的经验公式，通过电阻率可以定量估算天然气水合物饱和度。Archie公式估算饱和度时也有限制条件，如不适用于裂缝及矿脉中的饱和度估算，难以区分天然气水合物和游离气。Archie公式相关参数较多，主要参数有孔隙度、地层水电阻率和经验参数a、m、n，一般通过测井、原位监测、岩芯分析等数据计算获取。虽然关于Archie公式的争议颇多，但毋庸置疑，Archie公式是定量估算饱和度的基础经验公式，且应用简单便捷[10]。③能够识别地震因地质构造、下伏地层含高阻孔隙水和含游离气少等因素引起所不能识别的天然气水合物沉积。④海洋CSEM对单一天然气水合物储集层和两相邻天然气水合物储集层具有较高的横向分辨能力。⑤相较于钻井，勘探效率高、成本低。

图4 Porangahau山脊CSEM数据[72]Fig. 4 CSEM data taken across Porangahau Ridge[72]

随着勘探天然气水合物的海洋CSEM技术的发展，海洋CSEM正逐渐成为获得天然气水合物分布及含量的最佳探测方法之一。然而，海洋CSEM识别天然气水合物具有其独特优势的同时也存在一些限制条件：①对海底地形及水深有一定要求，其目的是便于获得准确的数据；②海洋CSEM探测天然气水合物得到的数据需要结合其他技术（如地震、测井等）进行综合解释；③需要确定目标层附近是否存在高阻异常体（如致密灰岩、致密高阻砂岩、盐丘、火山岩等），否则将会影响勘探结果；④不能提供高分辨率的地层结构信息。海洋CSEM探测海底天然气水合物一般使用低频的电磁波，高频电磁波会在海水中迅速衰减，不能达到勘探深度，所以电磁信号的频率一般较低，与地震相比，也正因如此使得分辨率较低。

目前，可控源电磁法已广泛应用在海洋天然气水合物识别中，用于勘查海洋天然气水合物的空间分布，利用电阻率数据估算富集度，通过联合其他方法提高海洋天然气水合物勘探成功率。在陆上极地冻土区，同样也开展过电磁法勘探天然气水合物的实验。由于天然气水合物具有较高的电阻率，当天然气水合物占据了储层内部分孔隙时，导致冻土区的天然气水合物储层表现出较高的电阻率[74]。近年来，我国开展了高密度电法、可控源音频大地电磁测深、音频大地电磁测深和瞬变电磁法探测冻土区天然气水合物方法有效性对比实验，发现可控源音频大地电磁法可以分辨出天然气水合物形成、运移所需要的冻土盖层和断裂构造，但没有识别出天然气水合物的电阻率异常区，瞬变电磁法在永久冻土层下方的天然气水合物稳定带内探测出不连续的高阻层位，并与钻孔资料所推断的天然气水合物的储层位置具有可比性，认为瞬变电磁法可以有效探测冻土区天然气水合物[74-75]。

4 BSR特征分析法与CSEM探测天然气水合物的优缺点比较

海洋天然气水合物在海底地层中形成及分布的区域地质环境具有多样性和综合性，在复杂的地质环境中识别天然气水合物，根据不同的地质构造以及其他环境和条件，应选取不同的方法对天然气水合物储层进行识别，以确保勘探准确性。现今在地球物理勘探方法中探测天然气水合物的主要方法为地震勘探，但海洋 CSEM 勘探海洋天然气水合物的优势也越来越显著，因此，对这两种物理勘探方法优缺点总结与比较，可以为不同条件下天然气水合物的探测提供一定的指导。表2为地震BSR特征分析法与海洋 CSEM 识别天然气水合物的优缺点比较。

表2 BSR与CSEM识别天然气水合物的优缺点对比Table 2 Comparison of the advantages and disadvantages of BSR and CSEM in detecting gas hydrate

地震勘探通过测量波速的变化，从而得到天然气水合物的识别标志和地层构造形态，还可以通过地震数据寻找可能存在天然气水合物的地质构造和环境；海洋CSEM测量的是电磁波在介质中的传播，依据电阻率的高低变化来区分天然气水合物储层和围岩，并得到含天然气水合物地层电阻率及其分布情况。地球物理勘探具有多解性，因此将多种地球物理勘探数据综合分析，能够减小多解性，从而降低勘探风险[51]。

海洋CSEM测量的电阻率数据是对中高阻天然气水合物物理性质的直接反映，是一种直接指示天然气水合物的方法。而地震勘探中除了BSR特征分析、地震属性分析与提取之外，主要是寻找有利于天然气水合物存在的地质构造。因此，海洋 CSEM可直接从天然气水合物高电阻率这个物性数据方面为地震勘探提供独立、有效的补充信息。如果用地震勘探能够发现有天然气水合物储层的指示，同时利用海洋CSEM测量地震指示区域的电阻率异常，这将能够提高勘探的成功率。GOSWAMI等[76-77]分别对斯瓦尔巴（Svalbard）边缘西的韦斯特内萨（Vestnesa）山脊的天然气水合物稳定区域进行海洋CSEM 探测，并结合地震勘探资料联合分析，图5清晰直接地显示了天然气水合物位置以及高电阻率与声学烟囱之间的良好一致性。HSU等[60]用海洋可控源电磁法对台湾西南海域的天然气水合物进行调查，发现有较高的电阻率显示和天然气渗漏站位。ATTIAS等[78]对挪威近海的天然气水合物区域进行了海洋可控源探测分析。

图5 垂直电阻率模型和同步地震反射数据叠加图[77]Fig. 5 Overlay of vertical resistivity model and coincident air-gun seismic reflection data[77]

目前，国外在进行深海天然气水合物探测时，因面对高风险和高投资，开始进行了勘探思路观念的转变，即打破仅靠地震勘探单一手段的传统模式，结合所有地球物理探测方法，开展联合勘探的思路[47]。目前常见的三种地球物理探测手段为地震、海洋CSEM和钻井，其中任何一种探测方法都不能保证是100%准确的，三种方法各有优劣，多种勘探方法的联合使用将获得更丰富的信息，风险就越低。海洋CSEM因为分辨率低，在对探测地质构造方面不如地震，但能给出整个探区天然气水合物的分布以及埋藏深度信息，可以对天然气水合物进行直接监测，获取电阻率信息，这是其他两种方法不能比拟的。相较于钻井，海洋CSEM和地震勘探成本投入较低。在前期普查阶段，海洋CSEM与地震勘探的联合勘探将更经济，也可提高准确率。HESTHAMMER在2010年通过研究海洋CSEM电磁异常与海洋钻井成功率之间的关系发现：在没有明显海洋CSEM电磁异常区域，钻井成功率一般小于35%，在有明显电磁异常区域，钻井平均成功率为70%左右。而就海洋CSEM的应用阶段来说，目前还主要应用在勘探阶段地震3D之后，钻井之前，提高钻井成功率[47]。

采用 CSEM 技术与地震数据联合反演预测天然气水合物储层参数与估算资源量是一个很好的发展方向。HOVERSTEN等[79]在挪威北海通过3D地震叠前AVA数据和海洋CSEM联合反演数据求取出含油气储集层的含油气饱和度和孔隙度。随后，HOU等多位学者对海洋CSEM与地震数据结合反演研究[80-85]。结果表明，利用地震和海洋 CSEM数据进行联合反演，比单独使用地球物理数据集有更好的效果。GOSWAMI等[76]通过联合电磁和地震数据对Svalbard边缘Vestnesa山脊的活跃麻坑进行天然气水合物饱和度评估。这些都为在天然气水合物储层参数预测和资源评估提供借鉴。

目前，海底天然气水合物的勘探流程依次可分为四个阶段：远景调查，普查阶段，详查阶段和勘探阶段[86]。根据不同阶段的工作目的，勘探手段的经济效益以及技术优缺点分析地震 BSR与海洋CSEM 的应用阶段及作用，使海底天然气水合物储层的勘探和评价取得更好的效果。

（1）远景调查阶段。利用船底声学、地质、地震BSR、海底热流、遥感、海底摄像技术等多种方法以及前人资料用于收集异常点数据。主要工作目的以初步圈定远景区块，确定调查区构造环境和演化特征和查明海底地形特征为主。

（2）普查阶段。①在具有BSR的天然气水合物有利区带，联合利用海洋CSEM与地震BSR确定天然气水合物分布；②无明显地震BSR的天然气水合物有利区域，以海洋CSEM勘探方法为主，其他方法为辅，预测分析天然气水合物的分布。主要工作目的以确定天然气水合物分布的有利区带，预测和分析天然气水合物的侧向连续性和了解区域地质概况为主。

（3）详查阶段。①利用高精度 3D地震构造勘探确定有利区带构造内的结构和声波特征，利用海洋CSEM数据估计有利区带中天然气水合物的储层分布以及利用电阻率值估算富集度；②随钻测井用于井的物性测量和天然气水合物储层的重要参数的计算。主要工作目的以确定有利区带中主要富集层段和次要含矿地段（靶区），确定含天然气水合物储层的物性，以及利用测井和海洋CSEM数据估算储层孔隙中天然气水合物的饱和度等为主。

（4）勘探阶段。以钻探取芯为主，结合测井与海洋CSEM数据提高靶区天然气水合物资源量评价精度。主要工作目的以确定天然气水合物的产出状态，有效厚度，形态及规模大小和精细评价靶区天然气水合物储量，为生产开发做准备等为主。

5 结论与建议

本文通过对BSR特征分析法和海洋CSEM技术识别海洋天然气水合物的优势与局限性比较分析，结论如下：

（1）BSR特征分析法在识别天然气水合物方面技术成熟、容易识别、直观性强、可以理论确定天然气水合物储层底边界，是海底天然气水合物勘探过程中远景调查和普查阶段重要的勘探方法和初级评估方法。但BSR仅适用于海洋沉积物，存在多解性，并非与天然气水合物的存在具有一一对应关系，而使其准确率也大大降低。BSR对天然气水合物的饱和度不敏感，难以解决天然气水合物在地层中的赋存状态问题和对于天然气水合物稳定带的上界面难以确定等局限性导致其难以准确评价天然气水合物储量。

（2）海洋CSEM可以勘探海底盐丘、碳酸盐礁脉等海上地震勘探应用效果欠佳区域，相较于钻井成本低。海洋CSEM在识别天然气水合物上适用性强，可准确推测天然气水合物存在位置，风险与成本较低，尤其是能获得天然气水合物储层的电阻率信息，并可以结合测井数据估计天然气水合物的饱和度和估算资源量。但海洋CSEM勘探有水深及海底地形，埋藏深度，目标层要具有一定的规模且与围岩具有电阻率差异，附近无其他高阻异常体影响等应用限制条件和不能提供高分辨率的地层结构信息的局限性，因此需要结合其他勘探技术才有更好的效果。

（3）在海底天然气水合物勘探过程中，海洋CSEM 能够获得海底天然气水合物储层的电性参数，可成为地震勘探的有效辅助手段。目前阶段海洋CSEM最适用于地震勘探之后，钻井之前，有助于提高准确率和钻井成功率。地震BSR特征分析法与海洋CSEM联合勘探天然气水合物将可以有效降低多解性、提高勘探和钻井成功率、降低勘探风险、节约勘探费用。

因此，针对BSR和CSEM勘探技术的下一步研究工作，本文提出如下建议：①针对地震BSR的局限性，需要深入研究 BSR多解性的原因，如对假BSR和多层BSR的成因研究等，提高BSR识别天然气水合物的准确度，进一步研究如何利用地震勘探数据提升远景调查阶段天然气水合物资源量的评价精度。②CSEM 勘探天然气水合物应用限制条件较多，在未来，提高海洋CSEM的独立应用能力的同时，也需要提高与其他物理勘探方法交叉应用的紧密性。国外目前对拖曳式海洋CSEM采集数据的方式应用较多，地球物理方法多领域综合数据解释是未来发展的热点。由于目标层深度，是否有电阻率差等限制条件，如何利用CSEM勘查陆域永久冻土区天然气水合物达到更好的探测效果还需要深入研究。目前瞬变电磁法为探测冻土区天然气水合物方面的有效方法。③在无明显BSR的天然气水合物有利区，可以海洋CSEM勘探方法为主，其他方法为辅，预测分析天然气水合物的分布。联合地震BSR与海洋 CSEM精确预测含天然气水合物地层有利区带的分布面积，地震、海洋CSEM、测井和取芯数据联合评价靶区天然气水合物资源量。在普查阶段如何利用海洋 CSEM 技术与地震数据联合反演预测天然气水合物储层参数与估算资源量将是一个很好发展方向。