張如偉，張寶金，文鵬飛，徐華寧
張如偉（1984－），男，工程師，主要從事地震處理、反演與儲層預測的方法研究，E-mail:cgszrw@163.com。
註：本文曾發表於《石油地球物理勘探》2011年第4期，本次出版有修改。
廣州海洋地質調查局，廣州 510760
摘要：天然氣水合物沈積層在地震剖面上會產生比較明顯的似海底反射（BSR）特征，壹般可用於天然氣水合物的直接識別，但並非所有BSR特征均為水合物的表現，則BSR形成背景的研究是天然氣水合物深度預測的關鍵與基礎。首先認真分析了天然氣水合物沈積的3種微觀模式，根據其不同的巖石物理模型特點，試驗彈性參數隨水和物飽和度的變化規律；其次以精確zoepprize方程為基礎，研究隨飽和度變化的AVA特征；最後，利用不同的理論模型模擬了BSR現象，並分析BSR產生的3種客觀條件以及調諧作用對BSR的影響。研究結果表明：天然氣水合物飽和度、遊離氣的存在與否與沈積層孔隙的變化是影響BSR特征的重要因素。
關鍵詞：天然氣水合物；似海底反射；振幅隨入射角變化；巖石物性
AVA Character Researches on Gas Hydrate-Bearing Sedimentary Deposit
Zhang Ruwei,Zhang Baojin,Wen Pengfei,Xu Huaning
Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
Abstract:Gas hydrate-bearing deposit usually has obvious feature of seismic reflection,for example,bottom simulating reflector(BSR) ,it commonly used as gas hydrate direct indication,but the same reflection characteristic is not sure the presence of gas hydrate,so the background of BSR phenomenon is the base of most researches.This paper seriously analysis three microscopic models of gas hydrate-bearing sedimentary deposit at first,according to the petrophysical model,we have researched the variational rule of elastic parameters.Then,we have discussed the AVA character for the saturation variation base on accurate zoepprize function.At last,this paper simulates BSR phenomenon on using different theoretical model,at the same time,we analysis three external conditionfor BSR,and research the tuning effect of gas hydrate-bearing sedimentary deposit.The research result indicates that gas hydrate saturation and exist of free gas and sedimentary deposit' s porosity are the important factor for BSR character.So this paper could provide some conclusions for the depth research of gas hydrate base on the experimentation in this paper.
Key words:gas hydrate; Bottou Simulating Reflector; Auplitude Variation with Angle;petrophysicalp roperties
0 引言
天然氣水合物作為21世紀的新能源，被譽為石油的替代品和清潔環保能源，廣泛受到國內外許多學者的關註[1-2]。我國於2007年5月在南海北部成功鉆獲天然氣水合物的實物樣品，從此我國在天然氣水合物研究上邁開了關鍵和重要的壹步[3]。似海底反射（BSR）特征是利用地震手段研究天然氣水合物的至關證據，目前國內外學者普遍認同：BSR具有與海底大體平行、負極性、高中振幅、與沈積層理斜交等特點，在壹些地區有空白帶特征產生[4]。但BSR的形成背景與其飽和度、下伏遊離氣層的相互關系壹直處於研究中，沒有形成壹定的***識[5]。本文通過研究天然氣水合物的3種沈積模型，並對之進行對比分析，得到了彈性參數隨水合物飽和度變化的規律特征；並以精確zoepprize方程為基礎，擬合出天然氣水合物的AVA特征，從而通過試驗驗證獲取了BSR特征產生的壹些客觀條件；這些客觀條件有利於更加緊密研究BSR特征與天然氣水合物的相互聯系，為後期我國的天然氣水合物勘探打下更加堅實的基礎，為水合物形成背景研究提供相關的科學依據。
1 巖石物理模型
巖石物理性質是對天然氣水合物進行地震識別方法的基礎，全面和準確地得到水合物沈積層的巖石物性就顯得至關重要。但由於水合物在室內條件下極不穩定，因此，目前仍然無法采用實驗手段去檢測水合物的巖石物性[6]，這樣只有通過建立合適的巖石物理方程在理論上討論水合物的壹些特性，這就必然會對水合物的沈積狀態存在壹些不同程度的近似，例如假定水合物飽和度的變化不會影響其巖石孔隙度的改變等等。
圖1 天然氣水合物的3種微觀模式[7]
據Ecker於2001年提出天然氣水合物沈積的3種微觀模式[7]：懸浮模式、顆粒接觸模式與膠結模式（圖1）。本文分別采用了3種水合物沈積的巖石物理方程用於試驗，分別是WOOD方程、Lee加權方程和時間平均方程，運用這3種模型來研究彈性參數與巖石物性之間的理論關系。
1.1 WOOD方程模型
WOOD方程描述的是水合物沈積的懸浮模式，具體表達形式[8]如下：
南海天然氣水合物富集規律與開采基礎研究專集
式中：Vp為水合物沈積的縱波速度（m/s）；ρ為水合物沈積的密度（kg/m3）；φ為巖石孔隙度；S為水合物的飽和度；Vw為孔隙流體（壹般為水）的速度（m/s）; Vh為純水合物的速度（m/s）;Vm為巖石骨架的速度（m/s）；ρw為孔隙流體（壹般為水）的密度（kg/m3）；ρh為純水合物的密度（kg/m3）;pm為巖石骨架的密度（kg/m3）。
1.2 時間平均方程模型
時間平均方程反映的是水合物沈積的膠結模式，簡單的表達形式[9]為：
南海天然氣水合物富集規律與開采基礎研究專集
式中：Vp為水合物沈積的縱波速度（m/s）；φ為巖石孔隙度；S為水合物的飽和度；Vw為孔隙流體（壹般為水）的速度（m/s）; Vh為純水合物的速度（m/s）; Vm為巖石骨架的速度（m/s）。
1.3 Lee加權方程模型
Lee加權方程描述的是水合物沈積的顆粒接觸模型，針對高孔隙非固結的海洋沈積物速度－孔隙度關系，WOOD方程參數估計偏小，時間平均方程參數估計偏大，因此，Lee於1996年提出了壹個無意義的加權方程[10]：
南海天然氣水合物富集規律與開采基礎研究專集
式中：Vp為水合物沈積的縱波速度（m/s）; Vp1為由WOOD方程計算得到的水合物沈積縱波速度（m/s）; Vp2為由時間平均方程計算得到的水合物沈積縱波速度（m/s）；φ為巖石孔隙度；S為水合物的飽和度；w為加權因子；n反映的是水合物在沈積物中的狀態；由於缺乏水合物實際的資料， w，n參數比較難以確定，但有壹定的規律，n增加時，Lee方程會快速地向時間平均方程靠攏；w> 1時向WOOD方程靠攏，w< 1時向時間平均方程靠攏。
對於橫波速度，Lee同時也作了簡單的假設，認為橫波速度與縱波速度壹樣，會隨著水合物飽和度的增加而變大，公式如下：
南海天然氣水合物富集規律與開采基礎研究專集
式中： 。
由於橫波不能在流體中傳播，則上式中最後壹項可以去掉，同時為了獲取巖石骨架的橫波與縱波速度比，根據Castagna等於1985年提出的公式[11]:
南海天然氣水合物富集規律與開采基礎研究專集
式中：C為黏土在骨架中的體積分數（%），通常會取C=65％、Φ＝0％，這樣得到的骨架橫波速度為2.6km/s。
2 彈性參數分析
為了更好研究天然氣水合物的巖石物理特性，設計了表1的理論模型，第三層為天然氣水合物沈積層，各個彈性參數的計算采用前面的3個模擬方程模型；第四層為遊離氣沈積層，各參數采用Biot-Gassmann方程計算得到。
表1 理論模型設計參數
圖2為采用3種模型計算得到的隨水合物飽和度變化時引起的彈性參數變化。3個方程模擬結果均有相同的特點，隨著水合物飽和度的增大，縱波速度也隨著增大，橫波速度與縱波速度有著相同的變化規律，密度基本不變。將3者計算得到的縱波速度進行對比可知，WOOD方程參數估計過小，時間平均方程參數估計過大，Lee加權方程參數估計適中（w=1,n=1）。
圖2 3種模型的3參數變化以及縱波速度對比
a.WOOD方程；b.時間平均方程；c.Lee加權方程；d.縱波速度對比
同時，從Lee加權方程出發，改變巖石的孔隙度參數，再觀察縱波速度的變化規律。圖3為模擬結果，可以看出，隨著孔隙度的增大，縱波速度參數估計值有減少趨勢，橫波速度有著相同的變化特征。
圖3 巖石孔隙度變化引起的彈性參數變化Lee加權方程
在Lee加權方程中，由於至今難以獲取水合物的實際試驗資料，參數w與n壹般會較難確定，但它們影響著縱波速度的變化規律。隨著參數n的增大，Lee加權方程會快速向時間平均方程靠攏（圖4），為了使參數估計平均，文中壹般取n值為1。加權因子w也影響著彈性參數的變化，從圖5可以看出，當加權因子小於1時，該方程向時間平均方程靠攏，大於1時向WOOD方程靠攏。根據南海的部分資料顯示，當水合物飽和度在30％～60％之間時，水合物沈積層的縱波速度為2 000～2 500 m/s，此時若將加權因子w定為5.0，則根據曲線分析得到上類似結論。
圖4 參數n改變引起的縱波速度變化
根據3個巖石物理方程模擬得到的彈性參數變化結果，可知Lee加權方程將WOOD方程與時間平均方程結合起來，有效避免了參數估計過大或者過小的情況，比較符合水合物沈積層的狀態。但參數w與n的確定至關重要，在試驗之前，需要通過相關的實際資料來確定這2個參數。
圖5 參數w改變引起的縱波速度變化
3 BSR的AVA特征
從精確的Zoepprize方程出發，以Lee加權方程來計算水合物變化引起的縱波速度的估計值，然後以Biot-Gassman 方程對水合物沈積層的下伏地層來進行流體替代，這樣可以隨意改變水合物飽和度、下伏地層流體類型和孔隙度，從而可以多方位研究BSR的存在特征與其AVA的變化趨勢。
圖6為水合物飽和度變化後，其反射系數的變化規律特征，下層為遊離氣層，飽和度為10％，孔隙度為20％；隨著水合物飽和的增加，反射系數絕對值增大，並逐漸快速減小，有極性反轉的趨勢。
圖6 水合物飽和度變化後反射系數變化規律
BSR產生的壹般條件為下伏地層含有遊離氣，這樣由於地層壹當含有氣之後，縱波速度會快速下降，就與水合物沈積層就形成了負極性的反射系數，但是BSR現象卻無法判斷下伏地層的含氣飽和度。從圖7可以看出這樣壹個規律（上覆層為含水合物沈積層，飽和度為20％）：當含有2％的遊離氣時，反射系數已經變化為負極性；10％時只是反射系數的絕對值發生了改變，變化趨勢卻沒有任何變化；含氣飽和度再向上增長時，反射系數的絕對值也變化甚微，這就說明通過BSR特征是無法判斷出下伏地層含氣飽和度的。
同時，基於褶積模型，以Zoepprize方程計算的角度反射系數為基礎，進行壹系列地震正演模擬研究。地震子波采用主頻為50 Hz，采樣率為1 ms的標準雷克子波，模擬入射角度為0°到60°之間，主要觀察700 ms左右同相軸的變化（BSR出現位置）。
圖7 水合物下伏遊離氣層飽和度改變時反射系數的變化規律
圖8為遊離氣層含氣飽和度變化時BSR的AVA特征（上覆層為含水合物沈積層，飽和度為30%），圖左含氣飽和度為0％，反射振幅為正極性，隨著入射角度增大，振幅逐漸增大，不符合BSR的特征；圖右含氣飽和度為10％時，比較明顯出現了BSR特征，並伴隨有隨著入射角度增大振幅減小的特征出現，從而也證明了BSR出現的第壹個客觀條件為下伏地層含有遊離氣。
圖8 含氣飽和度變化時的BSR特征
含氣飽和度左為0％，右為10％
圖9 水合物飽和度及孔隙度變化時BSR的AVA特征
圖左水合物飽和度為80％，孔隙度為20％；圖右水合物飽和度為30％，孔隙度為10％
當然含有遊離氣這個條件不壹定是必需的，圖9就給予了充分的論證，試驗驗證時下伏地層的含氣飽和度均為0％，只是改變水合物沈積層的水合物飽和度以及巖石孔隙度。圖左就是將水合物飽和度由30％變化為80％時，就出現了BSR的特征，但振幅能量會比較弱，隨著入射角度增大，振幅逐漸減小，並很快出現極性反轉的特征；圖右的水合物飽和度仍為30％，只是將沈積層的孔隙度由20％改變為10％，這樣也會出現BSR的現象，同樣也是隨著入射角度增大振幅逐漸減小的趨勢，當入射角度達到壹定值時，也會出現極性反轉的效果。
通過圖8與圖9的試驗驗證，可以基本得到如下結論：天然氣水合物沈積層產生BSR特征主要有3個客觀條件，其壹為下伏地層含有遊離氣，遊離飽和度（大於0）基本不影響BSR的變化特征；其二為天然氣水合物的飽和度達到壹定程度，具體的數值需要根據實際情況來分析得到；其三為水合物沈積層的巖石孔隙度比較小（水合物飽和度可能會引起孔隙度的改變），目前由於資料有限，同樣無法做到對實際數據進行定量分析。當然3個條件不需要同時出現，從理論上來說，只需要滿足其中壹個條件即可以產生BSR特征。
圖10 調諧效應對BSR的影響
最後，研究了調諧效應對BSR的影響效果。當地層足夠薄的時候，就會出現調諧效應，這樣會影響對BSR特征的判斷。圖10左兩層的地層時間為10 ms,BSR的負極性特性基本被掩蓋，難以準確給予判斷水合物是否存在；而當兩層的地層時間為30 ms時，可以勉強分辨出。所以調諧效應也會影響最終結果的判斷，提高地震資料的分辨率，能在壹定程度上緩解調諧效應帶來的影響。
4 結論
1）由於目前缺乏足夠的實驗數據，實際的天然氣水合物巖石物理性質尚無準確的定論，只有通過數學方程來模擬其沈積過程。Lee加權方程參數估計比較平均、形式簡單、比較適合理論研究，但對於兩個未知因子的確定，需來源於野外的測井與實驗測試數據。
2）對於天然氣水合物沈積層的下伏地層壹般為含遊離氣地層，但BSR特性無法確定含氣飽和度的大小。
3）是否含有遊離氣、水合物飽和度的多少與地層孔隙度的大小是影響BSR特征出現的3個客觀條件，但不壹定是必須條件，壹般情況下，3個條件有其壹就能夠出現BSR現象。
4）天然氣水合物在巖石中與骨架如何接觸，目前尚無準確的定論，這也就是影響水合物眾多彈性參數難以確定的原因，水合物飽和度與巖石孔隙度的關系有待於以後更深壹步研究。
參考文獻
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