南海含天然气水合物地层地震反射特征及可能分布研究

天然气水合物是当前能源与环境领域的研究热点之一,南中国海是天然气水合物赋存的有利区域。天然气水合物的存在改变了沉积地层的声学特征,这一性质使多道地震勘探成为发现海洋天然气水合物的主要手段。本文首先根据地震成像结果定性分析南海可能含天然气水合物沉积地层的地震反射特征,初步确定天然气水合物存在的可能性并指出地震成像关键技术。在无井条件下,构建虚拟井进行波阻抗反演得到定量的地层速度参数进一步证实这一可能性,最后将反演获得的速度场与ODP184 航次在此区域获得的地球物理、地球化学信息综合分析,可以确定此区域天然气水合物的存在及其空间展布。     

三角网格剖分下速度与反射界面的同时反演

为了解决复杂速度模型中的走时正、反演问题,例如:含不规则起伏地表、不规则地下波阻抗界面、以及不规则速度异常体的复杂地学模型,本文采用三角网格单元模型参数化下的分区多步改进型最短路径算法,实现了多震相地震射线的追踪计算,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘反演问题,实现了多震相走时联合同时反演成像的方法技术.当界面起伏较大时出现散射,从而造成散射点所在区域射线密度过密,导致该区域内速度和界面的过度更新.为了克服上述问题,我们在同时反演中引入了射线密度的概念,从而有效地解决了上述过度更新问题.数值模拟实验表明:采用三角网格单元进行模型参数化,可保证在复杂模型中的正演计算具有较高的计算精度;同时反演中可以准确地刻画不规则异常体和不规则反射界面.因此,本文提出的走时成像方法技术具有较广的实用价值.     

天然气水合物似海底反射层的全波形反演

建立了天然气水合物似海底反射层(BSR)研究的全波形反演方法. 这是一种将 水平层状弹性介质的反射共中心点道集转换为截距时间-水平慢度域的反演方法. 反演过程 中采用了全局搜索方法与非线性局部搜索方法. 分两步进行. 第一步是根据走时数据应用非 常快速模拟算法求得速度结构的长波长分量. 第二步，利用波形资料用共轭梯度法求得速度 的短波长扰动分量. 这样，最后反演得到的速度结构模型包含了长波长与短波长分量. 反演 中利用了多网格参数化技术. 日本东南海海槽双BSR的速度结构的反演表明，全波形反演是 天然气水合物BSR研究的重要手段之一.     

多震相菲涅耳体射线走时同时反演成像

高频假设下的地震射线理论以及相应的地震成像理论表明,在射线稀疏条件下,不可能得到较高分辨率的构造成像;而有限频射线理论更符合实际地震的传播规律,即地震波的走时不仅与中心射线(传统的几何射线)上的速度分布有关,而且与中心射线附近一定范围(称其为第一菲涅耳体)内的速度异常分布有关.鉴于此,本文提出了计算多震相地震波菲涅耳体有限频射线的方法,并定义了走时敏感核函数,同时给出了利用多震相菲涅耳体有限频射线进行速度模型和反射界面同时反演成像的公式.利用多震相走时资料,使用传统射线层析成像方法与有限频射线层析成像方法进行了速度和界面的同时反演成像.结果表明,当射线密度较小时,无论是对速度模型的重建还是对反射界面几何形状的更新,有限频射线层析成像方法均优于传统射线层析成像方法, 而变频有限频射线层析成像则是实际地震层析成像的首选反演算法.      

三维地震与OBS联合勘探揭示的神狐海域含水合物地层声波速度特征

以三维高分辨地震与海底高频地震仪（OBS）联合勘探数据为基础,获得海底之下沉积层的地震反射成像剖面及多波信息,并以此确定研究区含天然气水合物沉积层的纵、横波速度的变化特征.根据走时反演获得的横波速度与纵波速度对比分析发现,研究区海底之下500 m深度范围内的某些沉积层具有较高的纵横波速度,这一纵波速度升高区域与水合物稳定带对应,而纵波速度下降并且横波速度变化较小的区域,可能与游离气的存在相关.游离气的可能存在与基于这一区域2007年钻探测井结果的普遍认识不完全相符.     

浅层结构不确定性对广角地震走时正演模拟结果的影响——以西沙地块OBS2011-1测线为例

海洋地球物理勘探中常使用多道地震数据建立浅部地层模型,结合海底地震仪广角地震数据进行射线追踪和走时反演求取地层速度特征.受采集环境和成本限制,部分海底地震仪测线缺少同步采集的多道地震数据,建立的初始模型其浅层结构有较大不确定性,可能会对正演模拟结果造成严重影响.本研究针对海底地震仪广角地震走时模拟中浅部结构的不确定性因素,使用RayInvr软件构建了理论模型和走时数据体,分析讨论了初始模型沉积层厚度与速度变化对正演模拟结果的影响.之后进行实测数据处理,在MCS2019-3测线数据的约束下建立初始模型,对OBS2011-1测线震相重新进行了走时拟合,将得到的模型结果与先前结果进行对比,得到以下结论:沉积层厚度及速度不确定性对走时模拟结果的浅部结构影响较大,深部结构影响较小;使用错误的速度与基底深度组合来拟合沉积层反射震相PsP,会使台站下方的地壳和地幔折射震相Pg和Pn,以及莫霍面反射震相PmP都出现走时小起伏,走时提前对应沉积层速度与厚度偏大,走时延后对应沉积层速度与厚度偏小;PsP震相缺失时,不同的速度-深度组合都可以很好地拟合震相,但会增加结果的不确定性.     

变阻尼约束层析成像及其在VSP资料中的应用(英文)

初至波走时层析成像已经取得了广泛的应用,然而,由于观测系统的限制,射线在模型中分布不均匀,导致层析结果的分辨能力不足。变阻尼约束方法应用不均匀的先验信息来匹配不均匀的数据分布,可以减小速度模型校正量与射线覆盖程度的相关性。本文将变阻尼约束方法应用于初至波旅行时层析成像中,并将平滑约束方法加入正则化方程组中来避免单独使用变阻尼约束带来的不稳定性,利用阿尔法滤波器对反演中间迭代结果进行平滑和去噪,采用LSQR算法求解线性方程组来提高收敛速度和压制误差传递。本文应用上述层析成像算法对VSP观测系统进行速度反演,分别应用于检测板速度模型数据和实际VSP资料速度反演中,结果表咀变阻尼约束层析成像可以改善射线不均匀覆盖带来的影响,从而提高速度反演结果的质量;VSP资料检波点附近的速度反演结果可靠性高。     

海域天然气水合物全波形反演研究进展

在海域天然气水合物勘探过程中,全波形反演可以在缺少井资料情况下提供水合物及游离气区域精细速度结构,与AVO分析相比,全波形反演可以有效降低薄层效应影响.概述了全波形反演的研究进展及其在海域天然气水合物参数结构分析中的应用现状;讨论了天然气水合物全波形反演策略,包括基于层状介质假设的全局优化与局部优化相结合反演策略和基于有限差分、有限元正演模拟的多参数结构直接反演策略等;探讨了天然气水合物全波形反演中一些具有代表性的技术特点,包括地震子波估计方式、海底多分量地震数据的应用、多参数同时反演;最后给出天然气水合物全波形反演发展趋势和可能改进建议.随着三维全波形反演算法的不断改进,海域天然气水合物勘探精度将进一步提高,为水合物商业开发提供依据.     

结构混凝土三角网声波层析成像检测技术

针对矩形网格模型的声波层析成像检测结构混凝土存在的主要问题:1)矩形网格无法充分模拟结构混凝土的速度间断面、2)射线追踪面临穿到凹多边形检测区域之外或穿越内部预留空洞的风险,本文研究了三角网声波层析成像检测技术.依据Delaunay三角剖分的优化准则,结合波前法对模型进行三角剖分;采用"基于波前最小走时单元的三角网射线追踪全局算法"计算声波初至时、追踪射线路径;应用代数重构技术求解层析成像反演控制方程,得到模型的速度分布.数值模拟及应用实例表明,三角网声波层析成像,模型参数化灵活、速度间断面描述准确,射线追踪可靠性强、精度高,反演成像分辨率高、更接近实际结构形态,适应具有复杂几何边界和内部结构的结构混凝土的质量检测.     

近地表地震层析成像方法综述

近地表地层与人类生产生活密切相关,利用地震层析成像方法准确重建浅部地壳速度结构有助于开展高精度地震勘探、探查浅部矿产资源、规避潜在自然灾害,并利于城市地下空间建设.中国大陆地表条件复杂,尤其中西部盆岭结合带地形起伏剧烈,对浅部地壳精确速度建模构成严重挑战.本文系统论述了地震层析成像领域基于高频近似理论的走时成像方法和有限频层析成像方法,阐明两类方法的基本原理、存在问题和发展方向等.依据正演走时有无显式射线追踪,基于高频近似理论的走时成像方法分为传统走时层析成像方法和无射线路径的走时层析成像方法.基于射线追踪的传统走时层析成像方法,在浅层速度强烈变化时,因存在阴影区或多路径现象引起成像失真,严重影响成像效率;而无射线路径的层析成像方法通过程函方程走时场的正传和逆传直接计算敏感核,并利用伴随状态法获得目标函数的梯度,具有快速、稳健的优点.以上两种基于地震射线高频近似理论的走时成像方法由于未考虑地震波频率的带限性,存在波散射、波前愈合及反演约束差等问题.有限频层析成像方法克服了射线理论"无限高频"假设所带来的弊端,已成为重要的研究方向之一.该类方法主要分为射线有限频层析成像方法和基于波动方程的有限频层析成像方法.射线有限频层析成像方法能够提高成像的分辨率,但在方法本质上仍依赖于射线理论,较难处理较复杂的波现象问题;基于波动方程的有限频层析成像方法能准确处理复杂地质问题,提高成像可靠性并能以图像形式直观展示地球内部地震波的速度结构分布,但是该方法在实际应用中强烈依赖于数据中的低频信息及较精确的初始速度模型,其推广应用仍需进一步探索.     

海洋天然气水合物的地球物理研究(III):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论 ,以推动天然气水合物地震研究的认识 .30年的似海底反射研究表明 ,似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一 .有似海底反射 ,是可以认为存在天然气水合物的 .虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型” ,但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起 .BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关 .由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素 ,似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系 .需从动态的观点考虑天然气水合物 天然气体系及其与似海底反射的关系 .     

琼东南盆地天然气水合物及其成藏模式的海洋可控源电磁研究

南海琼东南盆地是天然气水合物重要远景区之一.由于盆地大部分地区海底地形平缓、地层近于水平,增加了利用地震反射剖面识别似海底反射（BSR,bottom simulating reflector）的难度,从而影响了对水合物的评价.为了进一步开展琼东南盆地水合物调查研究,本文在研究海域进行了海洋可控源电磁探测试验,将自主研发的10台接收机以500 m的间距,投放至水深约为1360 m的海底,完成了一条4.5 km剖面的电磁数据采集.通过对采集的数据进行处理与二维（2D）反演,获得了研究剖面海底的电阻率断面图.反演结果显示,研究区海底60~330 mbsf（meter bottom of seafloor）的地层中,存在多个横向不连续分布的高阻异常体,电阻率介于2~10 Ωm之间;在海底330 mbsf之下,横向上发育了电阻率为2~4 Ωm的3个高阻体.根据研究区热力学条件,本文估算了生物成因气与热成因天然气的水合物稳定带（GHSZ,gas hydrate stability zone）厚度,结合高阻体的分布特征推断了地震剖面上BSR的位置.在此基础上,对反演的电阻率断面进行解释,推断了研究区水合物的分布及游离气运移通道.研究表明,勘探区具有形成天然气水合物矿藏的地质与地球物理条件,其成藏模式可能属于"断层、裂隙输导的下生上储型",水合物的气源为生物成因气.     

南海北部无明显BSR地区天然气水合物识别研究

似海底反射(BSR)作为海域天然气水合物的重要地震识别标志之一,已得到广泛认同.然而,科学钻探证实,天然气水合物和BSR之间并不具有严格对应关系,即存在水合物的地区却并不一定存在BSR.本文在分析BSR与天然气水合物非充分必要对应关系及其原因的基础上,着重对无明显BSR地区天然气水合物的地震识别方法和应用进行研究.对经钻探证实的存在天然气水合物的神狐海域地震资料进行处理分析后发现,含水合物沉积层具有层速度相对较高、高波阻抗、瞬时高频等特征,且层速度反演、波阻抗反演和瞬时属性分析等方法能有效识别无明显BSR区域的天然气水合物.最后,综合利用这些识别方法,应用于琼东南盆地无明显BSR地区的天然气水合物地震识别,取得了较好的效果.     

井震联合分析预测神狐海域天然气水合物可能的垂向分布

已有的地质与地球物理信息表明南中国海北部陆坡神狐海域存在天然气水合物,2007年钻井和取样结果证实其以细颗粒均匀存在于水合物稳定带内,但区域分布范围极不规则.由于测井记录长度和取样深度的范围有限,天然气水合物垂向分布特征难以确定.为了深入了解此区域天然气水合物深度上的分布规律,对SH7井的多种测井数据进行综合分析并与地震反射特征建立联系,得到三个主要的沉积物性变化层位并以此为基础进行叠后数据的伪井约束反演,结果表明在已证实的含水合物层之下还存在高速层.而AVO叠前正演模拟分析结果与实际地震数据对比表明,研究区的天然气水合物稳定带可能由含水合物沉积物与饱水沉积物的薄互层组成,这就意味着在取样获得天然气水合物样品的深度之下,很可能存在另一个含水合物层.     

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.     

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法,但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多,其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时,地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低,利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法,它可以对任意强度的TI介质模型进行反演,文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演,由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同,所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数,不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果,与各向同性介质走时反演结果相比较,各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.     

海洋短排列高分辨率多道地震高精度成像关键技术

基于高频震源的海洋短排列、高分辨率多道地震探测方法,具有主频高、频带宽的特点,是海底浅层地质研究,特别是海洋天然气水合物调查等方面的重要手段.针对这种地震探测方法不能有效控制电缆沉放深度、虚反射干扰严重且规律性差以及速度分析精度低带来的成像效果差等问题,研究了基于虚反射走时识别与模拟计算的电缆沉放深度计算方法,获得了检波点的准确沉放深度,为虚反射的有效压制提供了保障;采用基于相似性原理的排列长度放大技术,有效地解决了排列长度较短引起的速度谱能量团不聚焦的问题,提高了速度分析灵敏度,确保了地震资料成像处理精度.实际资料的最终成像处理结果表明,地震波组的信噪比和分辨率高,速度结构合理,BSR特征清晰,为海洋天然气水合物的识别和研究提供了高品质资料.     

远震反演中新的地壳异常体改正方法

近年来，远震走时层析成像方法有了长足的发展，在地下结构反演的研究中获得了众多成果。针对射线在台站下方覆盖率较差而导致远震反演方法对地壳速度约束不足的问题，本文提出了一种新的地壳异常体改正方法——对同一台站的相对走时残差进行求和平均去均值，消除了地壳中复杂的速度异常体对上地幔速度结构反演的干扰，反演结果具有更优的相对走时残差分布，同时反演得到的速度模型具有更小的数据方差。     

高渗水合物储层的孔隙可压缩性反演

孔隙可压缩性与水合物储层物性相关.由于海域天然气水合物埋藏较浅,沉积物尚未成岩,海底水合物储层处于固结和完全未固结之间的状态,通过岩石物理推导证明,这两种状态下体积模量之差仅与孔隙可压缩性相关,因此孔隙可压缩性反应了岩石颗粒从悬浮态到正常压实的成岩进程,它可能与储层束缚水饱和度及渗透率密切相关.本文利用多口典型井数据分析了孔隙可压缩性与渗透率的关系,结果表明在海底浅层沉积物中渗透率越高,孔隙可压缩性越小,孔隙可压缩性对高渗储层的判识能力明显强于其他参数.然后,本文建立了两种状态下叠前地震反射特征的差异与岩石孔隙可压缩性的联系,提出双状态叠前反演方法,综合利用叠前地震数据以及测井资料反演得到了岩石孔隙可压缩性.实际应用效果表明,孔隙可压缩性较好的预测了高渗透率地层,气烟囱、粗粒的高含砂层等含气流体疏导通道渗透率较高,同时为水合物形成提供有利条件.     

厄瓜多尔西海岸天然气水合物地震识别方法及其分布规律

天然气水合物是一种潜在的巨大新型能源,目前成为科学家们关注的焦点,并积极开展这方面的研究工作.天然气水合物可通过地质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等方法来直接识别,也可通过似海底反射层(BSR)、速度和振幅异常结构、地球化学异象、多波速探测和海底电视摄像等间接手段来识别.由于深海钻探十分昂贵并且有限,地震方法是大面积识别海洋天然气水合物的可靠手段.厄瓜多尔西海岸盆地是在板块作用下形成的沿海岸线状排列的弧前盆地,蕴含着丰富的石油和天然气资源,但整个地区勘探程度相对较低.通过在该地区开展地震地质综合研究,发现厄瓜多尔西海岸地区海上地震剖面上存在明显的BSR特征,本文采用平行海底反射、空白地震反射带、极性反转、AVO分析等方法和手段对该地区的天然气水合物进行识别,首次在厄瓜多尔西海岸地区确定了天然气水合物的分布范围及面积;同时通过成藏条件分析,采用Gornitz容积法公式计算出了该地区天然气水合物的资源量,揭示了其平面展布规律;因其巨大的资源量,表明了该地区广阔的勘探前景.