天然气水合物裂隙输导系统地震表征

宋瑞有，陈 奎，李安琪，毛 欢，刘云芝

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057)

天然气水合物又称可燃冰，是固体矿藏，其形成不需要常规油气藏所必需的圈闭条件，只要气体分子达到一定浓度、足够的水分子形成水合物的腔洞、温度和压力处于水合物的稳定区间内即可形成，水合物通常赋存于高压和相对低温的海底之下或永久冻土带区域。依据温压条件，目前一般认为海底水合物保持稳定的条件是水深500～4 000 m，在沉积物中的稳定埋藏深度为0～1 100 m。长时间来，对海底水合物的勘探主要采用地震方法，在稳定域内寻找BSR(Bottom Simulating Reflectors，似海底反射层)为水合物勘探的主要手段。近年水合物矿藏的勘探大有进展，但是地震检测技术预测水合物矿床的准确率仍然有待提高，钻探证实水合物和BSR之间并不具有严格对应关系。对油气系统要采用一种系统、整体、动态和历史的思维方式和研究方法，强调地质要素和地质作用在时间和空间上的演化和相互关系。研究水合物的成藏成矿系统，减少BSR的多解性，对水合物的远景开发具有重要意义。

近年国内外已有专家用系统论的思维研究水合物[1-4]，但是对其输导体系的研究相对浅显，较突出问题是缺少输导系统具体的表征方法[5]。本文针对目前水合物输导系统研究的薄弱问题，将常规油气勘探中已成功应用的裂隙识别技术，应用到琼东南深水水合物裂隙输导体系的研究中，成功刻画表征出水合物裂隙输导系统，丰富了水合物输导系统研究的具体手段。

1 水合物研究现状

自1778年发现水合物以来，人类对水合物研究主要经历了实验室研究、管道堵塞与防治、资源调查和试验开采及环境研究4个阶段[6]。20世纪70年代在海洋地震剖面上发现了BSR，固态的水合物与其下伏的游离气体具有差异巨大的声波反射系数，其间的界面会被捕获形成地震上的强反射，由于这个界面是水合物稳定带的底界，所以不受构造制约而是受温压条件控制，当海底地形与地层产状不一致时，BSR与地层斜交，所以地震剖面上的BSR同相轴往往穿插沉积地层而平行于海底，而且其形成机理又与声波从海水进入地层类似，所以被称为似海底反射层。海洋环境下的水合物存在于BSR之上的沉积物中或近海底处，这样只需要在水合物稳定带中寻找BSR，即可发现海底的水合物，这使得地震探测技术成为海洋水合物的主要探测手段，目前发现的水合物矿点大多是通过对BSR的解释而确定的。国内水合物勘探工作主要始于“九五”期间，南海是世界4大海洋油气聚集中心之一，南海海域水合物资源量高达800亿吨油当量。南海北部大陆边缘是水合物富集的有利区域和可开发区域，一般将南海北部的水合物研究区域分为东沙、神狐、西沙、琼东南4个海域(图1)。近年我国已研发了一套适合我国海洋水合物的地震检测技术，发现南海北部陆坡水合物存在似海底反射层、空白带、速度倒转和极性反转等地震异常标志，并依提取的地震属性优选目标，成功钻获水合物实物样品。深水海底高频地震探测系统可采集多分量地震数据[7]，辅助估算水合物的资源量。2013年在台西南盆地中部隆起附近，钻获可视的、多种赋存形式水合物实物样品；2017年5月于神狐海域，全球首次针对海洋弱胶结、非成岩水合物的固态流化试采成功[8]。

图1 南海北部大陆边缘水合物研究区位置

BSR是由于水合物与游离气之间的接触形成，如果水合物没有处在稳定带的底界，那就没有下伏的游离气，这种情况下即便存在水合物，BSR也可能不发育；而穿插地层且平行海底的似海底反射，也可能是侵入等成岩作用造成的。受控于水合物预测的复杂性，BSR影响因素除了该区水合物层的厚度和复杂的海底地形外，还包括矿床岩性、储层密度、孔隙度、稳定带之下的游离气以及水合物的成因类型等，为减少其多解性，有必要研究水合物的成藏系统。“天然气水合物油气系统”构成要素主要包括气源、水合物稳定带、储集层、水源、运聚通道等。近年国内学者运用系统论的思想来探索水合物气体来源、气体运移与聚集成藏之间的内在联系，因为是承接含油气系统的研究理论，总体的水合物成藏理论较成熟，但水合物成藏系统的研究在水合物的成矿富集机制方面尚欠深入，还需完善。较突出的问题是缺乏对烃源供给及运聚输导系统与稳定带相互间的时空耦合配置方面的研究，至今仍没形成有效的输导体系识别方法，多数水合物矿床在地震资料识别不出输导裂隙的情况下仍然成藏。裂隙识别困难主要因为裂隙规模太小，而地震资料分辨率不足。

输导体系是烃源岩与油气藏之间的运移通道，是水合物稳定带内甲烷聚集的必要途径。含气流体运移方式、运移通道类型、运移效能是影响水合物成藏的重要因素，开展重点区域的流体运移分析，揭示流体运移通道的展布及运移规模，对准确预测和描述水合物矿藏非常有必要[9]。沉积地层中发育的早期沟源大断层往往不会断至浅层，而底辟、气烟囱、浅层小断层、裂隙等作为运移通道对水合物的成藏起到重要作用，能够将热解气源从深部输送至浅层深水海底的水合物高压低温稳定带。不同尺度、密集程度的裂隙群输导能力差异较大，而在有限的生烃地质年代内或者生物分解期限内，输导效能决定着水合物矿床的富集程度，从而出现在钻探的矿床中存在不饱和或低丰度水合物的现象。因此弄清气源供给、运聚与水合物特定的高压低温稳定带的时空耦合配置，对水合物的成藏成矿研究至关重要。

2 天然气水合物裂隙输导系统表征

2.1 裂隙系统地震表征技术

裂隙亦即裂缝，是指岩层受力后发生脆性断裂所形成的未发生明显相对位移的断裂构造，因其丧失了岩层原有的连续性而使地层变得非均质。裂隙是油气重要的运聚通道，既可能对流体运聚起到延伸诱导作用，又可以起屏障阻隔作用。国内外研究裂隙的手段主要有裂隙地面调查、岩心裂隙分析、构造应力分析、试井技术、测井技术和地震技术。地震技术识别裂隙是油气勘探研究中的重要手段之一，但裂隙的非均质性尺度往往小于地震分辨率，小尺度非均质性特征的提取是地震识别裂隙的关键所在。在裂隙发育地层中，正常沉积地层的同一层段介质的多数性质基本一致，层内引起地震波速度变化的一个主要原因就是裂隙的发育和孔隙流体的存在。裂隙的分布密度及发育方向和规模等均可能改变原地层介质的不均匀性或各向异性，改变地层的声学属性，导致地震波异常。利用三维地震资料描述裂缝的技术有多种，叠后地震属性分析、宽方位地震属性分析、宽方位地震数据反演等均可预测裂缝。利用地震资料解释出断裂及地层构造后，也可以应用地质力学的数值模拟预测裂隙，并结合基于测井和岩石物理分析的正演结果多方法互相验证，可提高研究结果的可靠性和精度。

地震波是一种在岩层中传播的弹性波，其传播速度主要与岩层性质有关。裂缝可以引起地层速度各向异性，利用各向异性信息可进行裂缝的预测。如果存在一组裂缝(图2a)，在垂直于裂缝方向上地震波传播速度必然比在平行于裂缝方向上的要慢，有裂缝存在的地层中，在纵波叠前地震数据中，随着方位角的变化，旅行时也会发生变化，由方位地震振幅和方位旅行时变化引起的各向异性，可以在角道集上被观测。宽方位地震的叠前数据，可利用方位角、振幅、速度综合分析表征各向异性，从而反映裂缝的发育强度和方位。基于宽方位地震数据开展与地层裂缝相关的各向异性参数的求取，是现阶段裂缝预测精度最高的方法。基于宽方位地震数据的反演来进行裂缝预测，主要涉及利用叠前同时反演求取弹性参数，包括纵波阻抗、纵横波速度比和密度等弹性参数数据体，以及傅立叶系数拟合求取各向异性参数。利用方位角和各向异性强度来展示区域内的裂缝分布和方向，进而开展裂缝描述，同时利用单井和区域裂缝方向验证裂缝预测的准确性。角道集的方位地震属性可以同时反映裂缝发育的强度和方向信息，利用三维的向量显示法，可以将裂缝发育的强度和方向同时进行显示(图2b)。宽方位地震资料的叠前角道集数据可定量准确地预测裂隙，但是目前南海西部地区仅北部湾盆地的乌石地区有海底电缆宽方位地震资料，水合物富集的深水区无此资料。

图2 宽方位叠前道集裂隙识别示意

地震体实际上是波阻抗体，是反射系数与子波的褶积，反映的是弹性参数；地震数据体是界面信息，不是地层信息，是用弹性阻抗来对应岩性变化地质信息的。鉴于地震波的运动学和动力学特征，裂隙的存在必然会破坏均质性，改变地层的声学属性。以三维叠后地震资料属性分析为手段，可从纵波资料中直接提取反映裂隙性质的信息，利用叠后地震的相干体、方差体、似然体、倾角体、曲率体、相位调谐体、能量一致性体、边缘检测体、蚂蚁体等运算技术方法，可有效识别裂缝，定性描述裂缝方向、密度等特征[10-15]。相干属性等技术和三维可视化技术均是目前常用的地球物理方法，裂隙的存在会导致地震波反射特征的改变(图3a)，破坏地震资料的连续性，在相干体上会产生一个明显的异常区，相干异常与反射波波形不连续性相关。三维可视化技术不仅能观察地震数据体的表面特征，而且能透视数据体的内部结构。通过融合三维可视化透视功能与相干技术，将相干数据体进行可视化研究，则能方便、快捷地识别出微小断层和裂隙，清晰显示裂隙发育带的空间形态与展布规律，分析裂隙发育带与油气藏及水合物矿床的接触关系。在用相干体三维可视化对裂隙雕刻表征时，通过调整体元的透明度变量对地震数据体进行快速浏览和透视，剖面反射连续、地震相均质性好的区域应无裂隙显示或裂隙少且短，剖面反射有明显断层或同相轴错断处则有裂隙显示；通过交互调整滤波曲线确定裂隙相干属性门槛值和值域，控制滤掉或保留一些颜色值的体元，再调整“被认为是裂隙的体元”的透明度，决定显示的通透性和清晰度，突出裂隙在空间上的特征(图3b)。三维空间显示具有裂隙叠置性，密度太大影响观察时应将相干体切块分别研究或变换方位多角度研究。地震道空间组合运算突出强调不连续性识别裂隙异常，融合三维可视化技术体元控制压制正常属性滤波雕刻表征裂隙的技术，在油气勘探裂隙表征研究的实践应用中效果理想。

图3 叠后地震资料底辟裂隙识别

2.2 油气勘探中裂隙表征技术的应用

莺琼盆地是全球3大高温高压海域之一，底辟是莺歌海盆地非常独特的地质现象，莺歌海盆地中央底辟带是盆地天然气主产区[16-17]。巨厚泥岩层的快速沉降和欠压实导致了压力封存箱的形成，泥包砂的环境下又缺少断裂[18-19]，莺歌海盆地的底辟裂隙及翼部裂隙成为盆地烃源运聚的主要通道，但底辟裂隙的存在造成了地震资料上的反射模糊带，这些柱状模糊体内部和边界成像不清难以刻画表征，长久以来阻碍了勘探进展。笔者2009年融合了相干技术与三维可视化技术识别表征出底辟裂隙，清晰揭示出油气运移通道空间展布形态等赋存特征及与烃源和圈闭的接触关系；有效识别了裂隙发育带及观察裂隙空间分布特征，指示裂隙发育的密度、方向、宽度和深度等[20]。通过对高分辨地震资料进行地震相干属性异常运算和三维可视化研究，描述出了底辟及围区小尺度裂隙的特征，发现裂隙不仅分布在底辟体内，而且在底辟翼部也发育，解决了翼部岩性圈闭运移通道的难题，结合地质规律研究，成功提交了东方中深层底辟翼部井位，促成了东方中深层超压气田的钻探和发现(图4)，钻井岩心也证实了预测裂隙区高角度裂隙的存在。目前该技术已经成为底辟构造井位研究的必要手段，在莺歌海盆地被广泛应用。借鉴有效评价莺歌海裂隙油气输导系统的技术，理论上可以表征琼东南盆地水合物裂隙输导体系。

图4 莺歌海盆地底辟裂隙三维可视化图

天然裂隙一般平直均匀有延伸性，可作为油气运移的良好通道，同时还可以改善孔隙间的连通性和渗透性，尤其对改善致密岩石的渗透性具有重要意义。裂隙不仅可以作为油气运移的通道，对于潜山或碳酸盐岩，裂隙更是储层内油气的主要储集空间，寻找岩层内的裂隙是潜山油气藏勘探的关键。南海南部及渤海的潜山勘探都有成功案例。潜山的油气储集空间与碎屑砂岩的孔隙型储层不同，主要以缝洞储层为主，非均质性非常强，这些裂缝的分布对储层的储集性能严重制约，裂缝描述一直以来都是储层预测的难点。南海西部用曲率体、蚂蚁体、倾角体、相干体等裂隙系统地震表征技术所预测的潜山储层裂缝在实际钻井中被证实，在琼东南盆地的基岩潜山和北部湾盆地灰岩潜山的油气勘探中均取得较好成效。

2.3 天然气水合物裂隙输导系统的表征

形成水合物的游离气有热成因和生物成因两种，其从烃源到矿藏的输导主要靠异地热解气运聚渗漏成藏和原地生物气扩散成藏两种形式。热成因气源来自深部地层，运聚渗漏主要靠在不同类型盆地特定区带及局部地区的断层裂隙、泥底辟、泥火山及气烟囱、高角度断裂等流体运移体系。冻土地带的水合物多以深大断裂作为主要的运移通道。在产生热解气的海域，大多都有大尺度断层以及底辟或气烟囱的发育[21]。南海是西太平洋最大的边缘海，构造活动强烈，油气资源丰富，4个水合物的研究海域与琼东南、珠江口、台西南3个富烃沉积盆地空间上部分叠合，这些裂谷盆地拉张出的裂隙也为烃源的输导运聚提供通道[22]。南海北部陆坡的神狐、东沙、西沙海域等在地震剖面上均可看到非常明显的断层裂隙和疑似泥底辟及气烟囱或地层滑塌体等流体运移通道，神狐海域水合物成藏的主要流体运移体系是广泛发育的底辟构造、高角度的断裂和垂向裂隙系统[23]。琼东南盆地深水区的水合物BSR标志层主要分布在深水海底以下的第四系中，南海北部盆地浅层气藏普遍具有生物气与热解气混合成因的特征[24]，而混合气中的热成因气源来自深部地层。

琼东南盆地具备丰富的气源及水合物赋存的高压低温条件和较好的沉积构造背景，盆地的烃源已被钻井证实，富生烃凹陷具备优异的生排烃能力，保障了水合物的气源供给。含气流体的运移是水合物聚集成藏的重要控制因素。从东沙、神狐、西沙到琼东南海域，南海海域与水合物存在相关的地震反射特征，自东向西逐步减弱。琼东南盆地的BSR特征不明显，而且由于盆地部分地区海底地形平缓、地层近于水平，BSR平行海底不穿插地层，增加了利用地震反射剖面识别BSR的难度，水合物矿藏的裂隙运移通道在剖面上更是难以识别。深水区无宽方位角地震资料，故只能用常规叠后三维地震资料对裂隙系统进行表征。先用纵波地震资料雕刻出BSR的分布范围，将纵波三维地震资料做相干运算，将运算出的相干体与雕刻出的BSR体及地震振幅体进行综合三维可视化研究(图5)；分析水合物的裂隙输导系统赋存特征，研究潜在水合物矿床BSR与表征出的输导体系的空间匹配关系，将已发现油气田和已落实烃源岩一起分析，从而减少多解性。结合地质演化规律、触发机制、时空配置关系等，与圈闭、底辟、断层、水道及气田等一起进行综合三维可视化研究，可对水合物的成藏系统获得更全面的认识。

3 讨论

表征出的水合物裂隙输导系统的地质意义需结合研究靶区具体分析。由于不同区域构造沉积演化与断层裂隙及泥底辟发育展布特征的差异，往往会形成不同成因类型、不同运聚输导方式的水合物成矿成藏模式。但在深海范围相对较小的水合物富集区内，海底温度和水深差异不大，微生物成因和热成因气源都可以作为水合物的气体来源，且相对稳定，温度、压力以及气源供给可视为均一条件；控制水合物分布的主要因素为水合物运聚体系，即流体运移通道和适合的水合物储集空间。琼东南盆地的泥底辟与气烟囱及其伴生的断层裂隙等构成了水合物成矿成藏的重要气源供给输导系统[25]，通过对表征出的裂隙输导系统的分析研究，可有效指导勘探。BSR上方裂隙发育而下方裂隙不发育的情况是一种聚小于散的输导系统(图6)，不利于天然气在稳定区聚集达到高的浓度，不利于成藏。但是这并不代表着水合物不能成藏，因为运移的关键时刻与水合物的稳定域如果在时空上能较好耦合，还是可以成藏成矿的。水合物是固体矿藏，一旦形成，如果温压条件没有变化到临界值，烃类气就不会变成流体而逃逸。图5中BSR亮点上方裂隙少量发育，裂隙规模明显不及亮点下方，说明天然气聚大于散，加之下部已发现气藏，下伏常规油气资源证实了烃源，气源供应有保证，这是一种非常有利的配置；上部裂隙与BSR分布在平面上匹配关系不好，说明上部裂隙的存在会导致天然气逸散而不易形成水合物(图5b)。数值模拟研究表明，沉积物中一旦有水合物形成，其渗透率开始降低，从而阻碍流体和气体向上运移，地层逐渐成为封堵层，阻止甲烷气继续向上运移，流体与游离气开始侧向运移[26]，因此，往往BSR的分布范围会大于运移系统的平面展布。

图5 琼东南盆地BSR与裂隙空间展布

图6 琼东南盆地不利输导系统空间展布

油气在生油层中生成时呈分散状态，要形成工业油气藏或水合物矿藏必须经过运移和聚集。珠江口盆地白云凹陷内油气钻井地球化学测试分析显示，导致同一富生烃凹陷背景下的2个水合物矿藏存在差异的主要原因是通道类型和运移效能的差异[27]。在水合物已钻探区，底辟、裂隙等运聚通道的分布与BSR分布有很好的相关性。在美国墨西哥湾的一个水合物系统中，BSR分布在结构上受深部盐脊形成的断层系统背斜褶皱控制，天然气倾向于积聚在盐丘上方的浊积岩储层中[28]。琼东南盆地深水区泥底辟展布与水合物分布在空间上存在较密切的叠置耦合关系，底辟及裂隙较发育，且纵向上从深部刺穿可达第四系深水海底浅层附近，热解气从深部能够通过底辟及气烟囱通道，输送至浅层高压低温稳定域，形成常规油气藏和水合物矿藏及BSR标志层[29]。尽管南海北部水合物多分布富集在浅表层未成岩沉积物中，但实际用地震可以在这种特殊的水合物赋存软地层中，刻画表征出其围区及深部的裂隙系统。要系统研究水合物的运聚成藏机制，提高表征精度，除了提高地震资料品质外，还需要分析研究温压场、稳定域、运聚模式、运移时期及期次、运聚规模、运聚效率、充注强度、运聚单元、运聚期关键时刻与持续时间、关键时刻古构造、古水文、流体势、运移方向路径等多种运聚要素的时空耦合及演化过程。

4 结论

(1)在深海小范围的水合物稳定域内，温度、压力以及气源供给可视为均一条件，控制水合物分布的主要因素为水合物运聚体系，即流体运移通道和适合的水合物储集空间。裂隙是水合物重要的运聚输导系统，裂隙存在会改变地层声学属性而导致地层的非均质性，形成地震波异常。宽方位叠前地震数据可以定量描述裂隙系统，但深海区资料条件往往不具备。叠后的地震道空间组合相干、曲率、倾角等运算也可识别这种异常而定性描述裂隙，再融合三维可视化技术透视并滤波雕镂，可以实现裂隙系统的三维表征。应用该技术在莺歌海盆地的底辟构造中成功刻画出裂隙通道，在琼东南盆地基岩潜山和北部湾盆地灰岩潜山勘探中有效表征了储层裂隙；应用在琼东南盆地深水区水合物裂隙输导体系的研究中，成功刻画表征了水合物裂隙输导系统。

(2)融合三维可视化技术与相干体技术，可以精细地揭示断层和裂隙，有效识别和清晰表征出水合物的裂隙输导系统，依据成藏规律可对表征出的裂隙输导系统进行分析，研究其运移效能。结合烃源、温压场、稳定域、运移时期及期次、运聚规模、运聚效率、充注强度等运聚要素的研究，可进一步系统研究水合物的运聚成藏机制。该技术可以作为水合物输导体系的具体研究手段，对水合物的运聚和成藏成矿研究具有广阔的应用前景。