用地震AVO方法研究含气体水合物沉积物的内部结构

采用岩石物理合成地震模型，我们解释了弗罗里达近海BSR振幅随炮检距变化，现场地震资料的AVO分析和以往得出的速度结果对比显示：BSR将含游离甲烷的沉积物与含水合物沉积物分隔开来，BSR振幅随偏移跨增大呈负增长，这种特性说明BSR之上的P波速度比BSR之下的P波速度要大，BSR之上的S波速比BSR之下的波速度小。由此可见，用AVO和速度结果可帮助推断水合物沉积物内部结构。为了达到这个目的，建立两种微力学模型，对应于孔隙空间内水合物沉积的两种特殊情况：（1）水合物胶结颗粒接触，并增强了沉积物强度；（2）水合物远离颗粒接触部位，并未影响沉积积物骨架的硬度。仅第二种模型能定量化形成所观察到AVO响应。因此，推断含水合物沉积物内部结构意味着：（1）BSR之上的沉积物未胶结，故机械强度关弱；（2）其渗透率低，因为水合物阻塞了孔隙空间孔道。后者解释了为什么游离气圈闭在BSR之下，地震资料也暗示水合物层顶部缺少强反射，这一事实建议恰恰在BSR之上的沉积物内水合物浓度高，随深度减少逐渐降低，这种影响与BSR之上的低渗透水合物沉积物阻止游离甲烷上运移一致。     

利用海底地震检波器广角反射数据研究日本TOKAI离岸Nankai海槽气体水合物聚集

1996和1997年，在日本TOKAI离岸Nankai海槽采集了四分量的海底地震检波器（OBS）数据。我们将OBS数据与多道地震数据（MCS）联合分析，研究甲烷水合物在沉积中的分布和特征。地震数据揭示了一个非常复杂的动态沉积史，受控于下沉的浊流沉积、活动通道、褶皱以及陡倾角断层。不管这点，表明气体水合物存在的似海底反射（BSR），很容易识别为一个振幅横向变化的反射。 对于OBS反射数据，我们应用一种成像技术，获得的结果与多道地震剖面有很好的吻合。我们还应用模拟和反演程序揭示详尽的速度结构。东Nankai海槽水深在930至1160m之间的区域，OBS数据允许我们构建一个含9个地层的地球物理模型描述其最上部700m的沉积。旅行时反演给出了上升的P波速度，其值达到2100m／s。如此高的P波速度可以解释为部分的水合物饱和度达到孔隙空间部的20％。在海底以下320m处，BSR与P波速度的明显下降相对应，速度值大约降至1580至1750m／s之间。这一低速层厚约80m。S波速度通过广角数据的同相轴相关、时间拾取和正演模拟得到，在水合物稳定带其值达到700—750m。在BSR正下方，我们观测到s波的速度有小的下降。这可能暗示水合物对沉积基质的弱胶结作用。在更深的位置，高P波与S波速度表明沉积过固结，这归因于独特的压缩构造背景。     

地震资料在估计深海沉积物中原生天然气水合物含量中的应用

海洋沉积物中天然气水合物的含量可以根据真振幅处理后的多道地震资料测量含水合物带的层速度的反射振幅来估计。通常,单一运用层速度或振同资料不足以估计天然水合物的含量。本文介绍一种美国大西濂大陆边缘布莱克俏地区运用层速度校准后振同的降低量来估计天然气水合物的含量的方法。整个地区的振幅数据校准工作一旦完成,仅需反射振幅信息就能估计天然气水合物的含量。该方法在某些只有单道地震勘探资料的地区尤其有效,但必须至     

从海洋地震数据估算天然气水合物及游离气的含量

南卡罗莱纳布莱克海台的海洋地震数据和测井表明明显的似每底反射（BSR）是由含天然气水合物的沉积层覆盖在含游离气的沉积上所形成。我们将一个理论的岩石物理模型应用到二维的布莱克海台海洋地震数据上以确定天然气水合物及游离气的饱和状态。高孔隙度海洋沉积作为一个粒状的系统建立模型，在这样的系统中弹性波速度与孔隙度、有效压力、矿物、孔隙充填物的弹性性质地、水、以及孔隙中天然气水合物的饱和度联系在一起。为了将这种模型应用到地震数据上，首先我们使用迭加速度分析得到层，然后通过地质信息估算出孔隙度和饱和度，我们首先假设沉积物中没含天然气水合物或游离气，然后使用岩石物理模型直接从层速度计算孔隙度。这种孔隙度剖面在有天然气水合物及游离气的地方表现出异常（与所期望的典型剖面以及在无天然气水合物或游离气存在的沉积中得出的剖面相比较）。在含天然气水合物的地方孔隙度估算不足而在含游离气存在的沉积度估算过高。从这些异常剖面中，通过与典型孔隙度剖面（不含天然气水合物及游离气）相减计算出孔隙度的剩余值。然后，通过引入天然气水合物或游离气的饱和度，应用岩石物理模型消去这些异常。这样一来就得出了所期望的二维饱和度分布图。我们得出最大的天然气水合饱和度介于孔隙空间的13%到18%（取决于所用模型版本的不同而有所变化）。这些饱和度数值与布莱克海台的测井结果（在地震测线边上）相吻合，测井的结果为12%。游离气的饱和度在1%和2%之间。饱和度的估算对输入的速度值极为敏感，因此精确的速度确定对储量的改正十分关键。     

多分量地震技术在挪威中部边缘气体水合物调查的应用

作为数量巨大的碳来源，天然气水合物可能是未来潜在的能源储备，也可能与全球的气候变化相关联，基于这一事实，在过去二十年中，天然气水合物方面的重要性持续上升是有目共睹的。此外，天然气水合物的分解以及并发的游离气释放造成潜在的海底坡身不稳。多分量地震技术能够拓宽对天然气水合物储层的认识。在海洋条件下，当下行传播的纵波（P波）在一个沉积界面反射时，可以转化而产生横波（S波）。利用水平和垂直的地震检波器可以在海底处记录到上行的S波。除P波数据外，S波数据非常有用，这是由于S波几乎不受多孔岩石中孔隙充填的影响并且速度较P波速度慢。这一性质清楚表明一个明显的优势，因为（1）利用S波可以提高地震分辨率；（2）含气或质量差的P波反射目标体可以较好成像；（3）孑L隙流体与岩性可以辨别；（4）增强估算气体水合物浓度的能力。在挪威中部边缘，多分量地震数据可使我们选择一个含水合物沉积物的可靠岩石物理模型。多分量地震数据能将气体或气体水合物对地震速度的影响与岩性对地震速度的影响进一步区分开。改进后的声成像结果使我们能清楚了解含水合物沉积层的下方区带，由于气体的存在，这一区带在P波数据上反射模糊。挪威中部边缘的天然气水合物研究很大程度上得益于对多分量数据的利用，部分数据由奥斯陆石油地质服务公司向特罗姆瑟大学地质系提供。     

利用海洋地震数据估算气体水合物与游离气资源量

位于南卡罗来纳近海的布莱克海台的海洋地震数据及测井表明：含有气体水合物的沉积层覆盖于含游离气的沉积层之上，造成了明显的地震似海底反射（BSRs)。我们将一个理论的岩石物理模型应用到二维的布莱克海台海洋地震数据，以确定气体水合物与游离气的饱和度。高孔隙度的海洋沉积物可以模拟为一个颗粒状的系统，其弹性波速度与孔隙度、有效压力、矿物成分、孔隙充填物的弹性属性以及孔隙空间中水、气体及气体水合物的饱和度相关。将此模型应用到地震数据时，我们首先通过叠加速度分析获得层速度。其次，除孔隙度，水、气和气体水合物的饱和度等参数外，通过地质信息获得岩石物理模型的其他输入参数。为了从层速度信息中估算孔隙度和饱和度，我们首先假定整个沉积物中不含气体水合物或游离气，然后，根据岩石物理模型由层速度直接计算孔隙度。在气体水合物与游离气出现的区域，这些孔隙度的数据特征出现异常（无气体水合物或游离气的沉积物中期望的标准数据特征与获得的数据特征相比较而言），低估水合物区域中的孔隙度，而高估含游离气区域的孔隙度。我们用带有异常值的孔隙度数据减去标准的孔隙度特征数据（不含气体水合物和气体）来计算剩余孔隙度。然后,我们应用岩石物理模型剔除气体水合物或气体饱和度引起的异常，最终获得理想的二维饱和度图。因此，这样得到的气体水合物最大饱和度占孔隙空间的13－18％之间（取决于所用模式的型式）。在布莱克海台钻井中（不在地震测线上）测量的饱和度大约为12％，这与计算结果一致，游离气体的饱和度在1－2％之间变化。饱和度的估算值对于输入的速度值相当敏感，因此，采用准确的速度对得到合理的储层特性相当关键。     

海底气体水合物BSR的AVO模拟

在世界各地陆架外缘的地震剖面上，出现与海底近似平行的拟海底反射层BSR。BSR与气体水合物稳定域同时发生，并通常用作指示海底天然气水合物。尽管假设BSR标志含气体水合物的沉积物之底界，但位于BSR之下沉积物内低速游离气的产状及重要性仍是长期争论的课题。这篇论文通过对俄勒冈近海和波弗特海面两个地区BSR的反射系数模拟或AVO模拟，调查水合物丰度与BSR伴生的游离气。根据两地的多道地震剖面，地震速度资料和俄勒冈ODP第892站的钻井记录资料模拟，若BSR之上的气体水合物饱和度小于孔隙体积的30％，BSR的AVO研究能确定BSR之下是否存在游离气。根据AVO，能大致估算BSR之上气体水合物饱和度，但仅用地震资料，不能控制BSR之下的游离气饱和度。两个地区的AVO分析暗示出：BSR之下的游离气是导致强振幅BSR的主要原因。对两地区研究，计算BSR之上的水合物浓度不足孔隙体积的10％。     

挪威斯瓦尔巴群岛西部天然气水合物高分辨地震研究

在斯瓦尔巴群岛西部的高分辨率地震剖面上可识别出强似海底反射（BSR）（振幅变化大）。据高频海底水听器（HF－OBH）资料计算，在BSR之上速度达1840m/s，暗示沉积物含气体水合物；BSR之下出现低速层，认为含气沉积物所致，厚度12－25m。另外，在经典的水合物稳定带（HSZ）之内。可识别出含游离气的两个低速层，而理论上这里不存在游离气。     

秘鲁近海似海底反射的速度结构：全波形反演结果

我们对海底以下气体水合物的广泛分布之认识源于似海底反射（BSRs）这一地震观测结果。根据纵波速度研究BSRs精细结构的全波形反演是一种可行技术，我们将非线性的全波形反演技术用于研究秘鲁近海的一处BSR。首先利用一个统计的反演技术确定地震速度变化特征，使旅行曲线的相关能量最大化。这些速度被用作全波形反演的初始模型，并产生BSR附近详尽的速度／深度模型。我们发现数据与一个由薄的低速层形成的BSR的模型吻合最好。在18m的层内，纵波速度由2.15km/s下降至平均速度为1.70km/s，在其中6m在层内，最小速率仅1.62km/s。利用纵波速度反演结果，计算沉积物中的气体含量，结果表明低速层为厚6－18m、孔隙空间含部分游离气的地带。BSR的出现与地层区域垂向抬升相一致。因此，我们认为该BSR处的气体是由于抬升作用造成压力下降，水合物稳定带底部水合物分解而形成的。     

似海底反射的地震速度和AVO效应

我们将浓度和压力作为一个函数得到冰和含气体水合物的地震波速度。同以往以简单的慢度和平均模量及双相模型为基础的理论不同，我们使用了Biot类型的三相理论，这一理论考虑了二种固体（颗粒和冰或笼形物）和一种液体（水）的存在，以及一个含气和水的多孔隙基质。对于固体的Berea砂岩，低于0℃时的纵波理论估计值过低，在含有冰－颗粒相互作用和颗粒胶结时与实验数据产生了好的吻合。严格地讲，水的比例与温度紧密相关。假定已知孔隙的平均半径和标准偏差，那么在一给定温度下的波速拟合就能对整个温度范围的速度进行预测。通过一个粘弹性的单相结构模型来计算反射系数。本文的分析是针对游离气带的顶部（位于含气体水合物的沉积层下）和底部（上履于饱含水的沉积层）进行的。如果似海底反射仅仅是由于胶结气体水合物与含游离气沉积层的分界面造成，我们可以得出结论：（1）在一定的气体饱和度下，很难估算低浓度情况下气体水合物数量。然而，水合物的高、低浓度还是可以区分的，因为它们分别呈现正和负的异常；（2）游离气和饱和度可以从反射振幅中而不是从异常类型中获取；（3）P波转化为S波的反射系数是指示高含量的气体水合物和游离气一个较好指示。另一方面，对于未胶结的沉积物，振幅随偏移距变化曲线总是为正。     

天然气水合物赋存地层的地震波场模拟及对比

通过分析天然气水合物在海洋中的6种主要赋存状态类型,总结了每种赋存状态之间的相互转化关系及其物性参数计算方法,并应用到地震波场的正演模拟中。对比研究了声波模型、弹性波模型和双相介质模型对各种水合物赋存地层的响应特征,结果表明:1)当地层中存在孔隙充填型水合物且下伏地层不含游离气时,双相介质模拟的含水合物层底界表现负极性特征;当充填结核型水合物时,弹性介质和双相介质模拟的水合物底界反射呈负极性;2)当地层充填颗粒包裹型水合物且下伏地层含游离气时,无论是低频(25 Hz)条件还是提高子波主频(40 Hz),3种介质模拟水合物的地震响应特征都很明显,但水合物层底界反射振幅随偏移距变化的关系存在差异;3)当沉积薄层中充填颗粒间胶结型水合物且下伏地层含游离气时,弹性介质和双相介质模拟水合物薄层底界的反射振幅随偏移距的增大而减小;将水合物类型改为颗粒支撑型并提高子波主频,声波介质和弹性介质模拟水合物层底界的反射振幅随偏移距的增大而减小。     

井底测井技术探测气体水合物

用井底测井技术来确定海洋沉积中气体水合物和地震信号与气体水合物下面游离气的联系已衩证明为非常有效。最近在布来克脊的钻探中,大洋钻探计划（ODP）记录到的现场测得速度和电阻率测井提示在温压稳定带内水合物含量深度的加大而增大。对应的剪切刚度（Vp/Vs比率减小）变小,含水合物层声波幅度减小是由于沉积物中的颗粒被水合物胶结,这解释了布来克脊地区采集的地震剖面普遍存在的振幅空白带现象。 将来的钻探活动中,采用安置在钻头正上方的随钻测井（LWD）传感器将改进孔隙度、气体水合物的横向变化和储层潜力现象精度估计。     

南极南设得兰群岛岸外BSR地震层析研究

为了重构没积层序中与气体水合物和游离气层相联系的速度场，地震反射层析已经在南设得兰群岛边缘的增生锲两个多道地震剖面中得到应用。地震资料显示沿着水深1000－4600m的斜坡范围内存在强BSR，在局部地区比一个弱的正极性反射深80ms。分析表明从海底到BSR处速度趋势与海洋沉积在正常条件下的趋势一致，而在BSR和下伏反射层之间速度突然降低，这说明在孔隙空间中存在游离气。计算获得游离气层厚度大约为50ms。局部地层BSR上方速度的增大，就象叠前深度偏移剖面一样，一是由于正常压实沉积层中水合物含量较丰富；二是由于沉积过压实。我们发现南设得兰群岛大陆斜坡水合物和游离气的分布受到增生锲的构造背景控制，断层起到了促使天然气向表层运移的通道作用。文中将简要地描述所采用的层析方法。     

印度西部大陆边缘天然气水合物和游离气的可能模型

我们通过印度西部大陆边缘(WCMI)的多道地震反射资料解释，以建立天然气水合物形成的可能模型。地震剖面上双程走时(TWT)为2950ms的反射界面被解释为甲烷水合物层底界，即似海底反射(BSR)，它出现于海底以下500ms处。相似成因的KSRs在世界范围内广泛存在，不管其下有否游离气，它们通常是含天然气水合物的碎屑沉积物的底界。本文建立了一个天然气水合物/游离气模型，运用不用物性以合成地震记录，并与多道地震反射资料上所观察到的BSR振幅和不同震源一检波器偏移距的波形进行对比。初步结果为研究水合物分布和形成的预测模型提供了重要证据。不同偏移距的振幅恢复也为水合物特性的响应研究提供了依据。     

波弗特海大陆边缘之下与气体水合物相关的BSR地震研究

位于阿拉斯加北部波弗特海上陆坡海底之下300－700m处有一强的似海底反射层（BSR），与上覆的气体水合物和下覆的天然气及孔隙水之间的相界面对应。世界各地BSRs具有类似的成因，这里通常解释为含本水合物碎屑沉积物之底界，下覆沉积物内可能有或没有游离气。令人惊奇的是，对这些强反向起因知之甚少。在这篇论文里，通过对合成的BSR振幅和波形（随震源－检波器偏移距变化）与穿越波弗特海发育较好的BSR多道地震反射资料比较，分析产生BSRs的物性差异。为了区分BSR之下是否有游离气，需要补充近垂直入射资料和叠前偏移资料。对振幅随偏移距变化（AVO）的分析暗示出：BSR的产生主要是由于BSR之下碎屑沉积物内存在游离气。据垂直入射合成地震记录，估计游离气带厚度薄于11－16m。若气体浓度深度而减少，则游离气带厚度可能大于16m。据AVO模拟，初估BSR之上沉积物内气体水合物饱和度不足孔隙体积的10％。     

南海白云凹陷东南部两种不同类型块体搬运沉积体系的地震响应及成因分析

文章利用三维地震数据揭示了南海白云凹陷东南部两种不同类型的块体搬运沉积体系的内部反射特征、外部形态及运动指示标志, 并且探讨了其成因机制。结果表明, 自晚中新世以来研究区共发育4种地震相: 弱振幅水平状连续地震相、强振幅波状连续地震相、弱振幅半透明杂乱反射地震相和中-强振幅丘状连续反射地震相。通过地震相分析可知, 研究区自晚中新世以来共发育两种不同类型的块体搬运沉积体系: 1) 多期块体搬运沉积复合体, 主要由弱振幅半透明杂乱反射地震相组成, 边界模糊; 2) 单期块体搬运沉积体, 主要由弱振幅半透明杂乱反射地震相和中-强振幅丘状连续反射地震相组成, 边界清晰明显。另外, 研究结果发现高沉积速率和地震活动使得研究区的块体搬运沉积体系表现出内部运动指示特征发育程度低的特征, 而东沙构造活动导致该块体搬运沉积体系具有频发性。     

海洋甲烷水合物BSR的地震研究

根据多道地震反射资料分析，温哥华岛近海的北喀斯喀特俯冲带边缘有一清楚的BSR区。海底以下300m处的反射层代表笼形物或甲烷水合物层的底界。1300m水深和3600m长的地震检波器组合允许BSR振幅随炮检距变化，并进行高分辨速度分析和垂直入射资料模拟，所有三种类型分析结果能够较好地解释海底以下大约300m处BSR之上10－30m厚的高速层，并有一明显的底界和过渡顶界。在这层内，大约1／3的沉积物孔隙空间为冰状水合物充填。地震无法探测BSRs之下的游离气，这些结果对水合物BSR的形成与分布的模拟起到重要的控制作用。     

地震反射技术在天然气水合物调查评价中的应用

天然气水合物沉积层与其上下沉积层相比具有高速度、高纵横波速度比（Ｖｐ／Ｖｓ）、且速度差异较大的地球物理特征。地震反射技术在天然气水合物的调查评价中已得到实际应用,并通过利用振幅检测计算技术、ＡＶＯ技术对ＢＳＲ进行综合解释。     

巴基斯坦近海大陆斜坡的天然气水合物：利用地震技术约束反演

1997年10月，在巴基斯坦外海的聚合大陆边缘得到了新的垂直入射、广角反射和折射数据。似海底反射（BSR）是横穿整个大陆边缘至阿曼海湾的最突出的反射特征。一般这一反射同气体水合物稳定带底的期望深度相一致。增生棱柱体上的BSR是一个清晰的反极性反射，且BSR之下的地层表现出反射率增强，这表明地层间存在被捕获的气体。广角反射和折射数据的联合反演在BSR深度处产生约200m厚的低速带。利用Born展开式，可根据反褶积和平衡处理后的单道数据来计算带限阻抗记录，结果表明BSR处的速度下降约200ms^-1。在朝海岸方向的CDP4400处，Minshull和White(1989)等人得到一个约600ms^-1的速度倒置，此结果表明BSR的特征在越过巴基斯坦外海大陆边缘时显著变化。海湾下的BSR出现在相似的海底地层深度，此处的地震反射出现亮点。然而，其反振幅异常小，且BSR下方的反射地层没有表现出反射率增强。广角反射和折射数据的联合走时反演表明：持续上升的速度暗示了有充足的甲烷以形成游离气和气体水合物，且主要受沉积物同化为增生棱柱体的限制。我们认为当沉积物同化为增生棱柱体时，这些变异与构造抬升和正在进行的沉积引起的一个渐进过程有关。沉积和抬升造成等温线向上偏移，并因此导致气体水合物的分解，释放出的甲烷气体造成BSR增强。我们的地质调查反映了深海平原以及第一个倾斜盆地内水深分别为3300m和2490m处的BSR属性。CDP4400位于近岸的一个隐伏、隆起演化的盆地内，水深为1730m。因此我们提出，在加积楔内，区域构造抬升与正进行的沉积引致稳定区域的向上偏移造成水合物循环。此外，通过甲烷的深度平流，构造脱水作用可以在稳定区域底部积聚水合物。     

地震反射技术在水合物调查评价中的应用前景及设想

在研究了天然气水合物沉积层其上下围岩（层）的地球物理特征和模型正演分析的基础上，指出了地震反射技术在天然气水合物调查评价中有着广阔的应用前景，并提出了地震反射技术在天然气水合物调查中的技术设想。