利用反射地震水体处理技术探测东海冲绳海槽天然气水合物

牛华伟，赵秀莲，刘 苗

（1. 中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120；2. 中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司研究院，上海 200120）

天然气水合物是天然气和水在一定的温度和压力条件下形成的结晶状物质。作为21 世纪理想的替代能源，其对于保障国家能源安全、促进能源结构优化等具有重要的战略意义。20 世纪90 年代以来，世界上许多发达国家和发展中国家都先后将水合物列入国家重点发展战略，美、日、俄、加、英、德等国均相继投入巨资进行水合物调查与开采技术研究，目前全球已发现两百多处水合物矿点，水合物已从资源勘查阶段迈入试采和商业化利用阶段。

我国于20 世纪90 年代开始水合物的调查研究工作。自1999 年在南海实施第一个针对水合物的高分辨率多道地震调查开始，掀开了我国海域水合物调查的序幕。我国海域天然气水合物研究起步虽晚，但进展速度很快。2020 年3 月18 日，由自然资源部中国地质调查局组织实施的我国海域天然气水合物第二轮试采取得成功，创造了“产气总量86.14×104m3，日均产气2.87×104m3”两项世界纪录[1]，标志着我国天然气水合物调查研究水平跻身世界前列。

理论和实践证明，水深大于300 米的海域沉积层存在满足水合物形成的温压条件（Huang et al., 2002），即水合物“稳定域”，是寻找天然气水合物矿藏的有利地区。但是由于地下热液活动、大地构造运动、全球气候变暖等因素的影响，会导致天然气水合物“稳定域”的温度或压力发生变化，保持水合物稳定的条件将不满足，从而使水合物分解成游离气和水；如果存在合适的运移通道，游离气就会运移泄漏到海水中（Lewis and Marshall, 1996;Suess et al., 1999）形成羽状流，又称冷泉。而含游离气的海水（冷泉）与周边海水在物理特性上也会存在差异。针对这一特性，可以对常规油气勘探采集的海底以上的反射地震数据，进行针对性的处理与分析，作为寻找渗漏型天然气水合物的一个佐证。

地震勘探不但广泛应用于寻找石油和天然气，同时也是寻找天然气水合物的主要方法手段之一[2]。但一般情况下，勘探家们关注的重点是海底以下的反射数据，海底以上的数据常常被作为噪声而切除。上世纪80 年代，Gonella 第一次发表了利用海水中的反射地震数据研究海水的物理海洋学性质[3]，并逐渐衍生出一门新的学科—地震海洋学。徐华宁等2012 年发表了利用多道反射地震水体处理技术，对南海神狐地区渗漏型水合物进行研究，取得了令人满意的效果[4]。

本文正是基于这一想法，对东海冲绳海槽盆地的常规二维地震资料进行针对海水水体的处理，利用海底深度信息从常规地震数据中分离出水体数据，对水体数据进行信噪分离，对分离后的有效信息进行成像处理，探索针对水体反射数据的处理流程。利用水体成像处理成果对海水中的反射波进行研究，发现非常明显的气泡羽状流反射特征，从而对东海天然气水合物的赋存研究提供证据。

1 研究区地质背景

东海冲绳海槽盆地位于西太平洋沟-弧-盆系统的盆地构造区域，地貌上可分为西侧槽坡（大陆坡）、东侧槽坡（岛坡）和槽底平原。西侧槽坡宽30～40 km，中南部发育地垒式隆块、裂谷、海山、断裂沟等地貌，地形起伏变化大；槽底平原南部地形相对平缓，海山、海丘较少。西侧槽坡的中南部和槽底平原南部的地貌条件有利于水合物的埋藏与保存（图1）。

图1 东海区域水深地形图

冲绳海槽盆地沉积地层主要为中新统、上新统和第四系, 沉积厚度约1 000～12 000 m。西侧槽坡及海槽西南部的沉积速率快、沉积厚度大、有机质含量高。在海槽南部水深大于1 000 m 的柱状岩心中见多层浊流沉积，其沉积速率（100～400 m/Ma）和有机质含量（1%～1.25%）均高于相邻的陆架和槽底区, 有利于海底天然气水合物的形成与聚集。

海槽内发育的NE 向断裂切割较深，从海底向下切穿中新世地层，有利于深部气体和流体上移，可为水合物的形成创造流体动力条件。

卫星热红外增温异常显示海槽西南部海域的热流值较低，现代热液活动较弱，推测其增温异常可能与海底水合物有关。

浅表层沉积物烃类异常调查结果也显示冲绳海槽海底沉积物中CH4含量异常分布区主要位于热液活动区以南的槽坡或陆坡区。一方面，表明它们的烃类气体来源充足；另一方面，这些烃类气体本身可能就是天然气水合物分解或深水常规油气渗漏所致。

研究表明，冲绳海槽盆地具备天然气水合物形成的基本地质条件，众多学者（杨文达等，2004；栾锡武等，2008）曾经对东海冲绳海槽二维地震剖面上的BSR 进行了研究，圈定了异常范围。吴能友等的研究表明，冲绳海槽盆地发育繁盛的热液-冷泉活动[5]，而冷泉活动正是渗漏型天然气水合物渗入海底的直接证据。

2 水体处理思路与技术

2.1 资料基础

本次研究的二维地震数据位于冲绳海槽，资料采集于2004 年，主要采集参数为：道间距，12.5 m；炮间距，37.5 m；电缆长度，6 000 m；道数，480 道；覆盖次数，80；采样率，2 ms；气枪容量，5 080 Psi；气枪沉放深度，7 m；电缆沉放深度，9 m。

图（2）是炮集数据，其中时间线1.6 s 以上的信号为水体反射。可以看出与地层反射相比，水体反射信号的能量非常弱。

图2 冲绳海槽盆地常规二维地震炮集数据（1.6 s 以上是被直达波掩盖的弱水层反射）

2.2 水体处理思路

众所周知，水体间的阻抗差异要远远小于地下地层之间的差异，而这也是水体中地震反射信号微弱的根本原因。但是野外采集中常见的随机干扰、涌浪干扰、船干扰等噪声则与水深无关。这就导致水体中有效信号常常会被淹没在噪声之中。因此水体处理的关键因素包括弱信号的能量恢复以及噪声消除时尽量保护有效信号。

图3 是本次水体处理的流程。首先将水体数据和海底以下反射数据进行分离，随后对水体数据进行直达波与噪声衰减，并通过滤波与频率优选，突出水体内的有效反射，最后对去噪后的水体数据运用水速进行成像处理。

图3 冲绳海槽水体处理流程

概括起来，处理流程可以总结为三项主要处理技术：水体数据分离、水体反射信号增强去噪技术与水体成像技术。

2.2.1 水体数据分离技术

东海冲绳海槽海底地形崎岖，变化剧烈（图4），水深从十几米变化到一千多米，用简单的切除不能有效获得精细的水体数据。本次采用了从导航数据里提取水深数据，拟合海底，利用海底信息控制零偏移距的切除时间，再结合偏移距信息拟合双曲线实施叠前数据切除，实现水体数据的精确分离。

2.2.2 水体反射信号增强去噪技术

水体反射增强主要从两方面进行，一是水体反射能量的补偿，二是消除水体反射以外的其它强能量干扰。

几何扩散而损失的能量通过常规球面扩散补偿等方式恢复，图5 是球面扩散补偿前后的炮集展示，可以看出深层能量得到有效补偿，不同深度能量变得均一。

图4 冲绳海槽盆地地震剖面（可以看出海底起伏剧烈，水深变化大）

图5 球面扩散前（左）后（右）的炮集记录

切除后的水体数据中，仍然包含直达波与涌浪两种强能量干扰。对于直达波不能采取常规地震处理中切除海底以上数据的做法，只能采取信号衰减的方式对直达波进行衰减。另外，为了更好地避免直达波对水层反射的影响，对剩余直达波可以采取区域切除的方式进行进一步衰减。

水体数据中另外一种强能量噪声是涌浪噪声，涌浪是海洋地震数据中特有的噪声，频率较低。由于水层反射只在水体中传播与反射，相比于常规地层反射信号，水层反射的高频能量吸收衰减不明显，可以采用FX 域投影滤波并结合高通5～8 Hz 以上的滤波进行涌浪噪声衰减。图6 是水层反射能量增强前后的炮集记录，经过处理，水体能量更加凸现出来。

2.2.3 水体成像技术

相对于地下构造而言，海水中的分层或构造并不复杂，波的传播路径相对简单，水体成像采用叠前时间偏移的成像方式即可。地震波在海水中的传播速度虽然也会随着海水密度、盐度等的变化而变化，但总体变化量不大，对成像结果没有明显影响。本次研究应用常速（1 500 m/s）Kirchhoff 叠前时间偏移对冲绳海槽的二维水体数据进行成像处理。

图7 是本次冲绳海槽盆地一条二维测线水体成像结果的部分剖面，可以明显看出水体中存在分层现象，也存在纵向与横向变化，并且出现有类似气体扰动的异常反射。

3 水体处理结果分析

图6 去干扰后前（左）后（右）的水层反射炮集记录

图7 冲绳海槽盆地水体叠前时间偏移成像结果

由图7 可以看出，与地下地层反射类似，水体中同样存在很多层状反射，这些层状反射是由于不同的温盐层所引起的，属于地震海洋学的范畴[3]，在此不做讨论。研究所关注的是天然气水合物分解后渗流到海水中所形成的喷射羽状流所形成的反射。经过对水体处理结果进行分析和筛查，在多条地震剖面上发现了类似反射异常。为了便于结合BSR 等天然气水合物异常反射特征进行综合分析，可以将水体反射测线数据经过一定增益处理后与地震数据叠合（图8）。

图8 冲绳海槽水体与地震成像结果叠合

从图8 可以看出，在剖面上存在三个反射异常。其中异常1 比较弱，异常2 和异常3 表现出非常典型的喷射状羽状流反射特征，相比水体中温盐层所引起层状反射，这类异常显示出不同的反射特征，呈现出雾状锥体特征，且从海底向上逐渐发散，并伴随有同相轴下拉的特征，推测其为气体溢散反射特征。在异常2 的下方发育典型的BSR 反射特征，并伴有一定的速度异常。而异常1 和异常3 的下方，BSR 特征并不明显。

BSR 又称似海底反射，它是水合物成矿带和之下含游离气的低速地层之间的界面所形成的反射。BSR 虽然是识别天然气水合物的重要方法之一，但是在水合物勘查实践中，发现BSR 和水合物赋存区不存在绝对的对应关系[6]，曾经发现BSR特征微弱或缺失的情况，如大洋钻探计划曾在多个钻获水合物样品的地区发现BSR 缺失现象。当地层反射波和海底平行时，BSR 的识别也会比较困难。因此，水体反射上的羽状流反射异常，结合下方BSR 异常的解释，降低多解性。如异常2就很可能是渗漏型天然气存在的证据；而对于下方BSR 不明显的异常（异常1 和异常3），并不能排除天然气水合物存在的可能性。

4 结论

利用油气勘探采集的地震数据对水合物赋存识别研究是一种非常经济且比较有效的方式。由于水体中的反射能量非常弱且相对于常规油气勘探而言，水体记录非常短，常规油气勘探地震资料处理流程与参数不能适应针对水体数据的处理，本文针对东海冲绳海槽的水体数据特点探索了水体分离、水体信号增强去噪与水体成像处理技术，取得了一定效果。获得水体中的羽状流反射特征，推测可能为存在冷泉的异常反射信息，对水合物的赋存确定提供了比较可靠的依据。