Jason反演技术在天然气水合物速度分析中的应用
梁劲1，王明君2，王宏斌1，陆敬安1，梁金强1
梁劲（1971－），男，教授级高级工程师，主要从事天然气水合物调查与研究工作，E-mail:Liangjin 1999@163.com。
注：本文曾发表于《现代地质》2009年第2期，本次出版有修改。
1.广州海洋地质调查局，广州 510760
2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037
摘要：利用地震和测井资料，综合分析了南海北部神狐海域含天然气水合物沉积层声波测井速度及水合物饱和度的分布特征和变化规律，对水合物饱和度的理论计算值和实测值进行对比分析，并对水合物稳定带的速度特征与饱和度的关系进行了综合研究。结果表明：神狐海域A站位水合物层厚度约20 m，声波速度在1 873～2 226 m/s变化，水合物饱和度在15％～47％变化，饱和度值相对较高；受海底复杂地质因素的影响，实测的水合物饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系，而是随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在10％～20％变化，总体趋势上随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近；利用热弹性理论的速度模型计算并通过校正的水合物饱和度曲线随速度的增加有规律增加，水合物饱和度理论曲线与实测数据比较吻合，说明所建立岩石物理模型正确，模型参数选取合理；可根据地震速度扩展到整个研究区域来计算水合物饱和度，并为研究区的水合物资源量计算提供基础数据。
关键词：天然气水合物；声波测井；速度；饱和度
Relationship Between The Sonic Logging Velocity and Saturation for Gas Hydrate in Shenhu Region,Northern South China Sea
Liang Jin1,Wang Mingjun2,Wang Hongbin1,Lu Jingan1,Liang Jinqiang1
1.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
2.Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China
Abstract:The distributing feature and regular pattern of sonic logging velocity and gas hydrates saturation in gas hydrate-bearing sediments have been summarized by use of seismic and logging data,furthermore,theoretic calculational and practical values of gas hydrates saturation have also been compared,in Shenhu area,northern slope of South China Sea.The relationship between velocity and gas hydrates saturation in gas hydrate stability zone has been analyzed,too.These evidences show: (1)The thickness,the variety of sonic velocity,and gas hydrates saturation of gas hydrate-bearing zone are separately about 20m,1 873～2 226m/s,15％～47%,and the value of gas hydrates saturation is bigger.(2)The relationship between practical value of gas hydrates saturation and sonic velocity is not only direct proportion under the influence of seafloor geological factor,but practical value of gas hydrates saturation fluctuates according to sonic velocity,which the range is 10％～20%,generally increasing with increasing sonic velocity and the distribution near theoretic curve.(3)The value,which from calculated by velocity model of heat elasticity theory and corrected,of gas hydrates saturation regular raises with velocity increasing.The fit between the theoretic and practical value of gas hydrates saturation indicated that established rock physical model is correctional and selected model parameter is rational.The methods that gas hydrates saturation is calculated by use of seismic velocity may extend total research area,and it also provides basic data for resource volume of gas hydrates in research area.
Key words:gas hydrate; the sonic logging; velocity; saturation
0 引言
天然气水合物是在低温、高压环境下，由水的冰晶格架及其间吸附的天然气分子组成的笼状结构化合物，广泛分布于海底和永久冻土带。据估计，全球天然气水合物中蕴涵的有机碳总量是已探明的所有煤、石油、天然气等化石类燃料中有机碳总量的两倍，因而是一种极有前途的21世纪乃至以后更长时期的潜在能源。这种水合物对温度、压力十分敏感，由温压变化引起的水合物分解可释放出大量温室效应极强的甲烷气体，也会引起海底滑坡，从而破坏钻井平台和海底电缆等基础设施。因此，当今对赋存于海底的水合物研究已在能源、环境和灾害等领域引起了普遍关注。一般认为海底天然气水合物的储量主要取决于水合物的分布面积、水合物稳定带的厚度、沉积层的孔隙度及水合物的饱和度（或充填率）等，所以水合物在沉积物孔隙中的饱和度对其储量的估计具有重要的意义[1-2]。
广州海洋地质调查局于2007年在神狐海区进行了天然气水合物钻探取样工作，其中在3个站位取得了天然气水合物实物样品。本研究通过对神狐海区声波测井速度与现场测试的水合物饱和度关系的精细分析，结合声波测井速度特征，对比速度估算水合物饱和度理论模型，最后对声波测井速度与水合物饱和度的关系进行了分析和探讨。
1 研究区地质概况
研究区位于南海北部陆缘陆坡区的中段，是欧亚、太平洋和印度—澳大利亚三大板块交汇处的一部分，地质发展经历了由板内裂陷演变为边缘坳陷的过程。研究区基底构造复杂，断裂发育、新构造作用活跃，由于受到北东、北东东、东西、北西方向断裂的控制，南海北部陆坡海底地形呈阶梯状逐级下降，在陆坡上发育有深海槽、海底高原、陆坡台地、冲刷槽沟、海底陡崖、海底陡坡和海谷海丘等各种特殊构造地貌或地质体。研究区内张性断层和褶皱构造发育，为下部天然气向浅部地层运移开辟了有利通道，促使气体向上运移到水合物的稳定带上，而褶皱构造更易于对天然气的捕获，进而形成水合物矿藏。区内还发育一系列可能与天然气水合物有关的特殊构造体，如滑塌体、泥底辟、增生楔等，是天然气水合物发育的有利区域。研究区水深在800～2 000 m，东西横跨约20 km，南北纵跨25 km，水深线走向大体与海岸线平行。海底地形比较复杂，坡度变化大，上陆坡陡，下陆坡缓。晚中新世以来深水重力流相当发育，沉积速率达（40～120)cm/ka，高的沉积速率导致发育有巨厚的中、新生代快速沉积物，厚达几千米，有的甚至超过万米，并在沉积中积累大量有机质含量，为细菌将其降解成甲烷气提供物源。经过近几年来的调查，区内已发现多处BSR发育区，并在2007年钻探取得天然气水合物实物样品[3-4]。
2 天然气水合物饱和度的理论计算
天然气水合物饱和度的估算可以利用一些参数反演计算来获得，反演方法有多种分类方法，根据反演的目标不同可分为属性参数反演、岩性参数反演、储层参数反演三类。根据反演方法的不同，可分为迭代正演模拟法、线性反演法与非线性反演法。本文主要应用迭代正演模拟法反演饱和度。基本思想：假定模型的孔隙度、密度、初始饱和度及一些物性参数已知，根据给定模型计算初始饱和度下的速度，与实际反演或测井得到的速度比较，通过不断修改模型饱和度参数，使理论计算的速度值和实际反演或测井得到的记录最佳匹配，反复修正模型来达到反演饱和度参数目的。常用的速度估计天然气水合物饱和度包括2种理论：一是根据双相介质理论推导出纵波速度公式来估计天然气水合物含量和游离气的饱和度[5-6]；二是根据热弹性理论推导出纵波速度公式来估计天然气水合物含量和游离气的饱和度[7]。本文研究的理论计算采用热弹性理论推导的纵波速度公式。
热弹性理论的速度模型为
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式中：vp为纵波速度（m/s）;K为有效体积模量；μ为剪切模量；α为膨胀系数；T0为初始温度（开氏度）；Ce为比热系数；ρm为沉积层有效密度（g/cm3）。
假定地层为均匀的多孔隙岩石且孔隙中流体饱和，孔隙中填充天然气水合物和水，沉积在孔隙空间的天然气水合物包裹着岩石颗粒，类似于成岩胶结物，影响固体岩石的体积模量，称接触胶结型水合物[8]。相邻颗粒间普遍存在机械相互作用，同初始的岩石（因为初期为软胶结）速度相比，天然气水合物沉积处地震速度高，若沉淀于颗粒接触处，则小颗粒物质的硬度较高[9]。
对于有效热膨胀和有效比热系数定义为
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其中：φeff为有效孔隙度；αs为颗粒的热膨胀系数；αw为水的热膨胀系数；αg为游离气的热膨胀系数；Sw为水的饱和度；Sg为游离气的饱和度；Ces为颗粒的比热（J/cm3·K）; Cew为水的比热；Ceg为游离气的比热。
对于体积模量（K）采用Gassmann导出的计算公式[10]：
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其中，Kb为岩石基质固有的体积模量；Km为干燥岩石骨架体积模量，R为泥质体积分数。
假定流体相和固体相的压缩率为
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其中：Ss为颗粒的饱和度；Sh为水合物的饱和度；Cs为颗粒的可压缩率；Ch为水合物的可压缩率；Sw为水的饱和度；Sg为游离气的饱和度；Cw为水的压缩率；Cg为游离气的压缩率；体积模量和压缩率之间满足关系式：K = 1/C。
为了考虑在天然气水合物饱和度较高时，水合物和固体基质胶结情况的影响，采用渗滤模型[11]，即从连续状态（完全胶结）到不连续状态（无胶结）的转变体系。基质的剪切模量定义为
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其中：μsmKT为固体骨架剪切模量（完全胶结）；μsm0为固体骨架剪切模量（无胶结）；φh为水合物的体积分数；φs为颗粒的体积分数。
对于流体相ρf和固体相ρb的密度，则分别采用：
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其中：ρw为水的密度（g/cm3）；ρg为游离气的密度（g/cm3）；ρs为颗粒的密度（g/cm3）；ρh为水合物的密度（g/cm3）。
与固体骨架颗粒接触型胶结的天然气水合物，包裹或沉积在岩石颗粒相，沉积的结果使骨架的孔隙空间变小，用有效孔隙度（φeff）表示。孔隙中充填流体时，并不影响骨架孔隙的变化，孔隙度保持不变。有效孔隙度定义为
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其中：Ch为天然气水合物的浓度；φ为岩石骨架的孔隙度。那么，充填水合物或流体的沉积层有效密度ρm可以表示为
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根据上述天然气水合物饱和度的估算原理，建立速度与孔隙度、饱和度的岩石物理模型，模型参数包括沉积物中岩石矿物组分、海水、游离气和天然气水合物的物性参数。把根据假定模型的初始饱和度，通过热弹性理论计算出含水合物地层的速度作为理论值，根据迭代正演模拟法，通过不断修正模型参数，使理论值和实际值最佳匹配，多次迭代，即可计算出天然气水合物的饱和度[12-15]。
3 研究区天然气水合物声波测井速度和饱和度
3.1 天然气水合物声波测井速度特征
用测井技术来确定海洋沉积物中气体水合物与其下伏地层游离气的联系已被证明非常有效，测井技术能揭示实验室样品难以测量到的气体水合物现场性质，声波速度测井在确定地震信号与气体水合物及游离气关系的作用尤其明显，如果在气体水合物层下存在游离气层，会导致速度的减少和出现强反射。神狐海区中部海区有2007年水合物钻探的几个先导孔的声波测井数据，有部分声波测井曲线呈现明显的高速、速度倒转等天然气水合物存在的特征；根据这些速度异常特征，结合其他地球物理、地质和地温资料，先后在3个站位成功地钻获了天然气水合物实物样品，笔者利用这其中的一个站位（A站位）声波测井资料，结合地震反射剖面，来分析声波测井速度特征。
A站位位于神狐海区中部，水深1 232 m，最大井深248 m。图1为该站位的声波测井曲线，这是一条典型的含天然气水合物的速度异常曲线，声波测井段范围为40～248 m，声波速度值主要在1 600～2 250 m/s的范围内变化。按曲线变化特征可分为4段。40～195 m为第一段，声波速度缓慢增大，范围在1 600～1 900 m/s之间，是普通的沉积物特征。195～215 m为第二段，声波速度随深度增加而起伏，且表现为递增快，递减快，整段呈典型三段式异常特征，即两头小中间大；其中在195～215 m段声波速度明显增高，该厚度范围内声波速度平均值为2 105 m/s，并在该段成功采集到水合物样品，水合物厚度约20 m，水合物饱和度最高为47.3％。215～220 m段声波速度快速下降到1750 m/s，是水合物之下存在游离气层的缘故。220 ～248 m 段，声波速度缓慢增加，为普通的沉积物特征。在地震剖面上， BSR特征明显，BSR之上为眼球状结构，BSR 位置距海底239 ms， （图2），根据时深转换，对应的深度约为210 m，即测井数据与地震解释的BSR位置相差不大。
图1 A站位声波测井速度曲线
图2 通过A站位的地震反射剖面
3.2 天然气水合物饱和度理论数据和现场测试结果
由于海底地层存在许多不确定的因素，利用地震波速度求取的水合物饱和度一般都需要进行校正。天然气水合物一般分布于海底以下未固结的沉积物中，地层岩性主要为粉砂质泥。在利用地震波速度求天然气水合物饱和度时，应首先考虑对地震波速度进行压实校正。在未压实的松软地层中，声波速度降低，而在孔隙度较大且孔隙被流体或气体填充的压实地层中，地震波速度同样降低，因此只有正确地校正地层的压实效应才能求准地层的孔隙度和饱和度参数[16-18]。
表1和图3分别为利用热弹性理论的速度模型计算并通过校正的天然气水合物饱和度数据和随纵波速度变化的饱和度曲线。理论计算的天然气水合物饱和度数据，是一种理想型的饱和度值，图中饱和度曲线随速度的增加有规律增加，其变化规律满足公式：
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式中：V为纵波速度（m/s）,S为水合物饱和度。
含水合物的沉积物中孔隙水的淡化程度与水合物饱和度之间存在着某种相关性，即氯离子浓度自上而下减小，这是岩心中水合物分解所释放的低盐度水淡化所造成的，所以现场实测一般是利用岩心孔隙水氯离子淡化程度来计算水合物的饱和度。
利用岩心孔隙水氯离子淡化程度来计算水合物的饱和度，首先需要建立水合物分解前的原地孔隙水氯离子浓度剖面，从而制约由水合物分解所造成的稀释程度。假定岩心孔隙水氯离子剖面上小于原地孔隙水氯离子剖面的部分都代表了水合物分解的影响，则可以用如下经验公式进行水合物饱和度的估算[19-21]:
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式中：Sh为天然气水合物饱和度；ρh为纯天然气水合物密度，取0.9 g/cm3; Clpw为实测的岩心孔隙水中氯离子浓度；Clsw为原地孔隙水中氯离子的浓度，主要采用水取样温度探针测量获得。
表2和图4分别为神狐海区A站位的现场测试的饱和度数据和饱和度随声波速度变化的散点图。现场测试的饱和度数据，是真实可靠的实测数据，虽然受复杂的地质因素影响较大，饱和度与声波速度的对应并不严整，但总体趋势上与理论计算比较接近。
表1 理论计算的饱和度数据
表2 神狐海区A站位现场测试的饱和度数据
图3 理论计算的水合物饱和度随速度变化曲线
图4 现场测试的水合物饱和度随速度变化散点图
4 结果讨论
海底沉积层的地质因素相当复杂，通过热弹性理论计算的水合物饱和度，是假设海底沉积物均匀变化的计算结果，忽略了海底复杂地质因素带来的影响，大大地简化了复杂的计算程序，是一种简单的计算结果，不可避免地存在一定的误差。利用岩心孔隙水氯离子淡化程度来现场测试的水合物饱和度，虽然只是某一井口位置垂向的饱和度数据，但可以扩展到整个研究区域，并且体现了各种复杂影响因素，是沉积层水合物饱和度的真实体现。
利用理论计算的水合物饱和度与现场测试的水合物饱和度数据的对比分析，可以验证水合物饱和度的准确度和误差程度。图5为神狐海区A站位现场测试和理论计算的水合物饱和度交汇图，从图中可以看出，神狐海区A站位的水合物饱和度值大约在15％～47％之间，受海底复杂地质因素的影响，水合物的饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系，而是随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在10％～20％内变化，但总体趋势上是随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近，这说明理论计算的速度与孔隙度、饱和度等岩石物理模型正确，模型参数选取合理，理论值和实测值的匹配达到最佳效果。
图5 神狐海区A站位现场测试和理论计算的水合物饱和度对比
5 结论
通过对神狐海区现场测试的饱和度数据、声波测井速度以及理论计算的水合物饱和度对比分析，总结出神狐海区水合物饱和度随声波速度变化规律，并得出以下结论：
1)A站位水合物层厚度约20 m，声波速度在1 873～2 226 m/s之间变化，水合物饱和度在15％～47％之间变化，饱和度值相对较高。
2）利用热弹性理论的速度模型计算并通过校正的水合物饱和度值，是简化了复杂地质因素带来的影响，饱和度曲线随速度的增加有规律增加。
3）受海底复杂地质因素的影响，实测的水合物饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系，而是随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在10％～20％内变化，总体趋势上随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近。
4）水合物饱和度理论曲线与实测数据比较吻合，说明所建立岩石物理模型正确，模型参数选取合理，可根据地震速度扩展到整个研究区域来计算水合物饱和度，并为研究区的水合物资源量计算提供基础数据。
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沙志彬 龚跃华 梁金强
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
第一作者简介：沙志彬（1972.4—），男，高级工程师，主要从事石油地质和天然气水合物的研究。
摘要 在天然气水合物的地震资料解释过程中，常规（叠加和偏移）地震剖面上难以识别BSR、水合物成矿带以及游离气带的位置。通过多年的实践，笔者认为AVO（Amplitude Versus Offset）反演、波阻抗反演、地震瞬时属性和能量半衰时剖面，能够较好地揭示水合物的地球物理异常特征，从而给识别水合物和划分水合物的存在区域提供了有力的证据。
关键词 天然气水合物 AVO 反演 波阻抗反演 瞬时剖面 能量半衰时剖面
1 前言
自从1999年我国首次在南海北部陆坡发现了天然气水合物的地震标志——BSR开始，我国就加紧了在水合物资源方面研究工作的步伐。同时，广州海洋地质调查局在南海北部陆坡开展了以寻找水合物资源为目的的地质与地球物理调查，发现了大量特征清晰的BSR、甲烷高含量异常、氯离子和硫酸根浓度异常、碳酸盐结壳和甲烷礁等重要的地球物理与地球化学证据；2004年，通过与德国“太阳号”船的合作，在南海北部陆坡首次发现了与水合物息息相关的自生碳酸盐岩区——“九龙甲烷礁”。以上证据表明，该区赋存有水合物的可能性非常大，并且储量可观。随着对水合物研究的进一步深入，遇到了许多难题，例如，如何判定特征不清晰的BSR，如何判定水合物成矿带，如何判定游离气带的位置，等等。
根据近年对水合物的地震资料解释之经验总结，笔者认为在难以利用常规地震剖面判别水合物的异常特征时，利用AVO反演、波阻抗反演、地震瞬时属性和能量半衰时剖面，能够较好地揭示水合物的地震综合异常特征（李正文等，1988）。在分析各种地震信息检测水合物的过程中，综合利用各种地震剖面可以比较准确地判定水合物的存在特征以及矿藏存在的可能部位（杨木壮，2000）。下面以南海陆坡区测线A为例来说明各种地震属性剖面在天然气水合物识别中的应用。
2 AVO反演
AVO（Amplitude Versus Offset）一种振幅随偏移距变化特征分析和识别岩性及油气藏的地震勘探技术。它的分析方法是在叠前对地震反射振幅随炮检距变化特征进行分析，借此对岩石中孔隙流体性质和岩性作出推断。AVO资料处理的目的是为了给解释人员提供可信的足够的资料去观测和量度振幅随炮检距或入射角的变化（雷怀彦等，2002；宋海斌等，2003；沙志彬等，2004）。对处理质量要求的核心是：尽可能地恢复和保护振幅信息。
试验表明截距属性（AVO1）剖面、梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面、梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面和流体因子属性（AVO9）剖面对BSR、水合物及其游离气的识别有明显效果，它们可以反映了水合物成矿带内水合物的富集程度、分布状态。所以需要重点对这四种AVO属性剖面进行解释。
2.1 截距属性（AVO1）剖面
截距（Intercept）剖面（P波叠加剖面）。与常规的叠加剖面相比，P波剖面更接近于零炮检距剖面，反映地震波在垂直入射时的振幅叠加。I值大表明上下层P波速度差值大，反之则小。图1剖面中可以明显看到BSR与海底极性相反，故可以主要利用该剖面识别BSR。
图1 A测线AVO1剖面特征
Fig.1 AVO1 profile Character of Line A
2.2 梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面
梯度与截距、相关系数乘积剖面（I*G*Correlation Coefficient）。该属性剖面中可以看到强反射为游离气顶的反射（图2），在BSR之下有明显的含气异常，故可以主要利用该剖面来检测游离气带。
2.3 梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面
梯度与截距符号乘积剖面（Sign（I）*G）。图3剖面中波峰代表气顶，BSR之下可以看到明显的含气异常，强反射的发育厚度代表游离气的发育厚度，故可以主要利用该剖面来检测游离气带。
图2 A测线AVO4剖面特征
Fig.2 AVO4 profile Character of Line A
图3 A测线AVO6剖面特征
Fig.3 AVO6 profile Character of Line A
2.4 流体因子属性（AVO9）剖面
AVO9剖面为流体因子（Fluid Factor）剖面。由于大量的气体与少量的水结合生成水合物，沉积层内有大量的水被吸收，与不含水合物的沉积层相比气体的含量很少，而后者气体含量较多。在图4剖面中，含水合物成矿带基本上是零值带，故可以主要利用该剖面来确定水合物成矿带。
图4 A测线AVO9剖面特征
Fig.4 AVO9 profile Character of Line A
3 波阻抗反演
目前国内外运用的波阻抗反演方法主要有两种，一种是稀疏脉冲反演，另一种是模型约束反演。稀疏脉冲反演能够直接从地震信息中提取反射信息，反演的可靠程度完全依赖于地震资料本身的品质，因此用于反演的地震资料应具有较宽的频带、较低的噪声、相对振幅保持和准确成像。该方法的主要优点是能获得宽频带的反射系数，能较好地解决地震记录的标定问题，反演过程中能够忠实于地震资料，从而使反演得到的波阻抗模型更趋于真实，在无井的情况下可利用该方法通过速度信息建立伪井进行无井反演。
由于调查区没有钻井资料，基于水合物的特殊特性，因此在处理中采取稀疏脉冲波阻抗反演方法进行反演。相对波阻抗剖面上所表现的阻抗值是相对的，海底界面表现为强反射，高阻抗；BSR之上的弱反射表明水合物与围岩之间的波阻抗差值小；无反射表明水合物越纯、越富集。由于相对波阻抗对水合物反映明显，所以所得到的结果比较符合地质实际情况。图5剖面中，弱波阻抗与强波阻抗的转换面为BSR位置，弱波阻抗的顶界为水合物成矿带的顶。故可以主要利用该剖面来确定BSR和水合物成矿带。
4 地震瞬时属性剖面
多道叠加数据的属性包括几何学、动力学、运动学和统计学特征。有些属性对岩石储层环境敏感，有些对储层孔隙中流体敏感。在实际应用中，最重要的是抓住对水合物敏感属性的剖面。计算复地震道属性基本上是一种变换，它将振幅和角度信息（频率和相位）分解开来以便独自显示。地震剖面中的这些信息是通过数学计算来产生的一种以忽略其它部分为代价而突出振幅或角度的显示方法。复地震道分析产生的剖面就是众所周知的瞬时属性剖面。
图5 A测线波阻抗剖面特征
Fig.5 Wave impedance profile Character of Line A
4.1 瞬时振幅剖面
瞬时振幅剖面也称反射强度剖面，它的振幅是反映的振幅包络，它使强反射更强而弱反射更弱，反映了地震波能量的瞬时变化情况，因此更突出了BSR面的强反射及水合物发育部位的强反射振幅。图6剖面中，颜色转换的交界处为BSR位置，故可以主要利用该剖面来确定BSR。
图6 A测线瞬时振幅剖面特征
Fig.6 Instantaneous amplitude profile Character of Line A
4.2 瞬时频率剖面
瞬时频率是对应于给定时刻信号的复能量密度函数（即功率）的初始瞬间的中心频率（均值）的一种度量。它能清楚地反映游离气富集区范围，当游离气发育在一定的厚度及范围时，由于游离气的存在，造成反射波高频成分大量吸收，因此，在游离气分布区明显存在低频现象，根据此理我们比较容易划分游离气分布范围。图7剖面中，高频强吸收现象预示游离气的存在，故可以主要利用该剖面来确定游离气带。
图7 A测线瞬时频率剖面特征
Fig.7 Instantaneous frequency profile Character of Line A
4.3 能量半衰时剖面
能量半衰时剖面是对反射波通过地层后能量衰减大小程度的一种度量，该剖面突出了强反射、高频的吸收，对研究BSR和游离气比较直观（图8）。图8剖面中，高频强吸收现象明显预示游离气的存在，颜色转换的交界处为BSR位置，故可以主要利用该剖面来确定BSR和游离气带。
5 地震属性剖面的应用
由于天然气水合物的性质及成矿的特殊性，因此在各种地震剖面上会产生重要的识别标志。通过对调查区常规、截距属性（AVO1）剖面、梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面、梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面和流体因子属性（AVO9）剖面、波阻抗、瞬时频率、瞬时振幅和能量半衰时等属性剖面的对比解释。以南海陆坡区测线A为例，图1～图8说明了各种属性剖面在水合物地震检测中的响应特征。在解释过程中，通过对各种地震属性的综合分析研究，可以比较好地识别出BSR、水合物成矿带和BSR下部的游离气带（张光学等，2003）。
图8 A测线能量半衰时剖面特征
Fig.8 Energy half-time profile Character of Line A
5.1 BSR 的识别
在常规剖面上当BSR产状与地层产状成角度斜交时，BSR反射易于识别；当BSR产状与地层产状平行时，则不易判断。由于截距属性（AVO1）、波阻抗、瞬时振幅和能量半衰时等四种属性剖面对BSR响应比较敏感：截距属性（AVO1）剖面上BSR与海底极性相反明显；波阻抗剖面上弱波阻抗与强波阻抗的转换面为BSR的发育位置；瞬时振幅剖面上BSR位置在两种颜色的明显转换交界处；能量半衰时剖面上颜色转换的交界处亦为BSR位置。故可主要利用这些属性剖面来识别BSR，并且使BSR的识别变得比较容易。
5.2 水合物成矿带的识别
水合物成矿带通常是一个物性相对均匀的地质体，在地震剖面上表现为弱振幅反射带，称为空白带（Blanking Zone）。振幅空白带一般与BSR相伴生，垂向上与海底沉积层逐渐过渡，其下以BSR为界与下伏游离气带呈现突变接触。一般情况下，反射振幅的强弱与水合物含量有关，水合物含量越高，振幅越弱，空白程度越高；反之，若地层中仅含少量水合物，则仅表现为振幅的减弱（Ecker等，2000；Miller等，1991）。
1）由于水合物的弹性参数大于水和气体的弹性参数。当沉积物孔隙被水合物充填后，其物性显然与围岩有明显的不同。因此，对地震技术来说，水合物成矿带是一个地震特征明显的物性带，在各种地震属性剖面中都能在一定程度上揭示这一特征。
2）由于水合物的充填和胶结作用，含水合物带将是一个物性相对均匀的地质体。这种充填和胶结作用降低了成矿带内各地层间的波阻抗差，从而使成矿带内的反射减弱，形成振幅空白带（Blanking）。
3）在含水合物沉积地层中，地震波的反射频率具有相对高频的特点，而在含游离气区高频强烈衰减。
4）在水合物成矿带的波形反射特征中，由于海底面和BSR界面都是强波阻抗面，因此从理论上可以推导水合物层顶界是相对于BSR为弱的波阻抗界面。
通过综合分析，由于流体因子和波阻抗两种属性对水合物响应比较敏感：在流体因子（AVO9）剖面中，含水合物成矿带基本上是零值带，即空白带；在波阻抗剖面中弱波阻抗的顶界为水合物成矿带的顶。故可以主要利用这两种属性剖面来确定水合物成矿带。
5.3 游离气带的识别
由于梯度与截距、相关系数乘积（AVO4）、梯度与截距符号乘积（AVO6）、瞬时频率和能量半衰时等四种属性对游离气响应比较敏感：梯度与截距、相关系数乘积属性（AVO4）剖面上可以看到强反射为游离气顶的反射，在BSR之下有明显的含气异常；梯度与截距符号乘积属性（AVO6）剖面上可以看到波峰代表气顶，BSR之下亦有明显的含气异常，并且强反射的厚度代表游离气的发育厚度；瞬时频率和能量半衰时剖面上都可以看到高频强吸收现象明显。频率信息与地层、沉积、岩性、流体有关，高频信息的强吸收与气藏富存相关，BSR下的高频强吸收往往预示游离气的存在。高频强烈吸收现象明显，估计游离气丰度较高，为水合物的形成提供了充足的气源保证。故可主要利用这四种属性剖面来于检测BSR下部的游离气带。
6 认识
总结本文得出的主要认识有以下几点：
1）要比较准确地判别水合物的异常特征，必须在常规地震资料处理基础上对剖面进行特殊处理，要综合利用其多种属性剖面才能更好地识别BSR、水合物成矿带和游离气带；
2）截距属性（AVO1）、波阻抗、瞬时振幅和能量半衰时等四种属性剖面对BSR响应比较敏感，主要利用这四种属性剖面来识别BSR；
3）流体因子（AVO9）和波阻抗两种属性对水合物响应比较敏感，主要利用这两种属性剖面来确定水合物成矿带；
4）梯度与截距、相关系数乘积（AVO4）、梯度与截距符号乘积（AVO6）、瞬时频率和能量半衰时属性剖面等四种属性对游离气响应比较敏感，主要利用这四种属性剖面来于检测BSR下部的游离气带；
5）水合物的地震属性剖面种类还有很多，如何利用它们来解释水合物的地震特征需要进一步的研究和验证。
参考文献
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How to judge gas hydrates seismic character from the different kinds of attribute profile
Sha Zhibin Gong Yuehua Liang Jinqiang
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：During interpretation of the profile of natural gas hydrates，it’s very difficult to distinguish BSR，gas hydrates zone and free-gas zone from the profile of stack and migration.Through our practice in these several years，we think that the profile of inversions of AVO，inversions of wave impedance，instantaneous profile and half-time energy profile，in which abnormal physical geography character can be shown preferably.So that we can use these kinds of profile to judge seismic character of gas hydrates，and the area of them that exist.
Key Words：natural gas hydrates inversions of AVO inversions of wave impedanceinstantaneous profile energy half-time profile
梁劲1 王宏斌1，2 梁金强1
（1.广州海洋地质调查局 广州 510760；2.中国地质大学（北京）北京 100083）
第一作者简介：梁劲，男，1971年生，高级工程师，1995年毕业于成都理工学院信息工程与地球物理系应用地球物理专业，主要从事天然气水合物调查与研究工作。
摘要 本文采用Jason 反演技术对南海北部陆坡A 测线纵波速度进行计算，结合BSR、振幅空白带以及波形极性反转等多种水合物赋存信息的分析，对水合物成矿带的速度特征进行了综合研究，结果表明：低速背景中的高速异常，是天然气水合物赋存的重要特征；高速异常体一般呈平行于海底的带状分布；在高速异常的内部，速度也是不断变化的。一般在异常体的中心速度最高，由中心到边缘速度逐渐降低，反映在水合物矿带内部，水合物饱和度由矿体中心向边缘逐渐降低的特征。本文的研究成果进一步表明高精度速度分析不仅可以帮助寻找水合物矿点，还可以进一步判定水合物的富集层位。
关键词 Jason 反演技术 天然气水合物 速度分析
1 前言
天然气水合物是在低温、高压环境下，由水的冰晶格架及其间吸附的天然气分子组成的笼状结构化合物，广泛分布于海底和永久冻土带。温度和压力是天然气水合物形成和保存最重要的因素（王宏斌等，2004）。针对天然气水合物的野外调查及研究表明：高分辨率的地震勘探方法是天然气水合物调查评价中行之有效的方法。地震反演技术一直是地震勘探中的一项核心技术，其目的是用地震反射资料反推地下的波阻抗、速度、孔隙度等参数的分布，从而估算含天然气水合物层参数，预测天然气水合物分布状况，为天然气水合物勘探提供可靠的基础资料。常用的地震反演技术有Jason、Strata、Seislog和ISIS等，其中Jason反演技术在含天然气水合物层预测中因其分辨率高而得到广泛推崇，它主要由有井约束和无井约束两种方法组成（廖曦等，2002）。
速度异常是判断天然气水合物是否赋存的重要条件之一。结合BSR（Bottom Simulating Reflector）特征、波形极性特征、振幅特征以及AVO特征等目前已成为判断是否存在天然气水合物层主要手段（史斗等，1999）。大量的测试数据显示：水合物的速度与冰的速度较为接近，而比水高。与含水或含游离气沉积层相比，含水合物沉积层的密度降低，声波速率增大，含水合物层的地层速度往往比一般的地层速度高，含水合物沉积层的下部由于充填了水或气，而使水合物底界面出现速度负异常。因此，地层中速度反转是水合物赋存的一个地球物理标志。含水合物地层的声波速度与水合物的含量有关，水合物含量越高，其声波速度越高。从速度方面看，BSR是上覆高速的含水合物地层与下伏较低速的含水层或含气层之间的分界面。通常，海洋中浅层沉积层的地震纵波速度为1600～1800m/s，如果存在水合物，地震波速度将大幅提高，可达1850～2500m/s，如果水合物层下面为游离气层，则地震波速度可以骤减200～500m/s。因此，在速度剖面上，水合物层的层速度变化趋势呈典型的三段式，即上下小、中间大的异常特征（张光学等，2000）。西伯利亚麦索雅哈气田的资料表明，在原为含水砂层内形成水合物之后，其纵波的传播速度会从1850m/s提高到2700m/s；而在胶结砂岩层，这种速度会从3000m/s提高到3500m/s。深海钻探计划的570站位的测井结果表明，由含水砂岩层进入含水合物砂岩层时，密度由1.79g/cm3降低到1.19g/cm3，声波传播速度从1700m/s提高到3600m/s，且电导率剧烈下降。
Cascadia海域ODP889站位的VSP测井资料反映水合物底界为强烈的负速度界面，速度从水合物沉积物层的1900m/s陡降到含游离气层的1580m/s，由于VSP测井为地震测井，受钻井因素的影响较少，因此认为VSP测井真实地反映了水合物沉积层底界的速度变化（陈建文等，2004）。
国土资源部广州海洋地质调查局在2001～2004年在南海北部陆坡进行10000多公里的天然气水合物高分辨地震调查。本研究利用Jason反演技术，通过对南海北部陆坡区的地震速度资料的精细分析，在已圈定BSR分布范围的基础上研究陆坡区各沉积层的速度特征，最后对速度值与水合物的关系进行了分析和探讨。
2 方法原理
纯天然气水合物的密度（0.9g/cm3）和海水密度相近，而游离气的含量又十分有限，这就决定了产生BSR的波阻抗差主要由速度造成。速度反演技术的特点是在无井约束时，以地震解释的层位为控制，对所有的地震同相轴来进行外推内插来完成波阻抗反演，这样就克服了地震分辨率的限制，最佳的逼近了测井分辨率，同时又使反演结果保持了较好的横向连续性。速度反演技术的主要原理是：①通过最大的似然反褶积求得一个具有稀疏特性的反射系数系列；②通过最大的似然反演导出波阻抗；③通过波阻抗计算速度。该方法的主要优点是能获得宽频带的反射系数，是一种基于模型的反演，具有多种建模方法，对所建模型进行比较分析，并使地质模型更趋合理，反演结果更加真实可靠（郝银全等，2004）。
波阻抗反演方法的出发点是认为地下的反射系数是稀疏分布的，即地层反射系数由一系列叠加于高斯背景上的强轴组成。具体反演是从地震道中，根据稀疏的原则抽取反射系数，与子波褶积生成合成地震记录，利用合成地震记录与原始地震道的残差修改反射系数，得到新的反射系数序列，然后再求得波阻抗。其具体步骤是：
假设地层的反射系数是较大的反射界面的反射和具有高斯背景的小反射叠加组合而成的，根据这种假设导出一个最小的目标函数（安鸿伟等，2002）：
南海地质研究.2006
式中：R（K）为第一个采样点的反射系数，M为反射层数，L为采样总数，N为噪音变量的平方根，λ为给定反射系数的似然值。
最大的似然反演就是通过转换反射系数导出宽带波阻抗的过程。如果从最大的似然反褶积中求得的反射系数式R（t），则波阻抗：
Z（i）=z（i-1）×（1+R（i））/R（1-i） （2）
利用波阻抗和速度的关系式：
v=Z（i）/ρ （3）
即可得到速度值。其中，ρ为地层密度，可从区域测井资料结合该测线重力资料反演求取。
在上述过程中为了得到可靠的反射系数估算值，可以单独输入波阻抗信息作为约束条件，以求得最合理的速度模型。一方面，速度反演结果是一个宽频带的反射序列和波阻抗及速度数据，同时加入了低频分量，使反演结果更能正确反映速度变化规律；另一方面，它有多种质量控制方法，具体表现为监控子波的选取、同相轴的连续追踪、反演结果准确性的判断和提供多种交汇显示的相关性分析。所以利用速度反演可对地震剖面上任一相位进行速度反演，在每一个CDP点都可得到任一个同相轴速度数据，并利用二维的反射波的速度层析成像反演方法得到高度连续的速度剖面，如果地震测线足够密，还可利用三维速度反演得到速度体图像。
3 实现过程
3.1 初始模型的确立
在地质规律的指导下，利用地震和测井资料开展沉积特征分析和沉积旋回划分；建立岩石-电性关系，进行砂层组和单砂层对比；在地震剖面上提取各含油砂层组反射波属性，建立地震属与矿体的关系，实现地震-测井综合预测矿体平面分布厚度，开展层间矿体组外推预测；建立初始速度场；在地震属性约束下开展地震反演，反演层间小层矿体厚度。细分层反演层位的标定正确与否直接影响反演结果的精度。因此，在反演过程中对子波提取、能谱特点、信噪比、频谱及反射系数的研究至关重要（闫奎邦等，2004）。技术路线流程如图1所示：
3.2 初始速度场的获得
初始速度场的获得首先要对速度谱进行解释，速度谱的解释和取值是否合理，将直接影响均方根速度的计算精度。具体步骤如下：
1）速度谱的解释先从地质条件简单、反射层质量好、能量团强、干扰少的剖面段开始，绘制叠加速度-反射时间曲线，并逐渐向外扩展；
2）结合地震剖面的反射特征，判断速度极值点是否正确，并选择读取能量团最大的极值点。排除干扰波能量团，从而求得有效波的叠加速度；
3）对相邻速度谱进行比较，通过比较速度谱曲线的形状、相同反射层的速度极值等方法予以检查和修改。
4）每隔40个CDP拾取一组数据，利用地震剖面上的反射倾角数据对它们进行校正，便可得到均方根速度（梁劲等，2006）。
图1 速度反演技术线路流程图
Fig.1 The flow chart of the velocity inversion of technical route
3.3 子波的提取
子波提取时，要使能量集中于子波的主瓣，与地震子波形态吻合。如果所提子波近于零相位，则从波峰向两侧能量衰减较快，波峰两侧波形对称；在子波的能谱特征分析，要使能量都集中在地震波的主频范围内；有井资料时，要对井资料都作了子波与地震波自动关联质量控制。保证子波能谱与地震波能谱相吻合，是反演中较为重要的一方面，子波能谱的峰值与地震波主频的能谱峰值相吻合。首先了解合成记录与地震记录之间的偏差。通过合成记录与地震记录之间的偏差分析，对Jason反射系数偏差、能谱偏差进行进一步的校正，使合成记录与地震记录之间的偏差减小。然后通过反射系数与地震资料之间偏差分析，采取相应的手段校正，使地层与合成记录反射系数相吻合。再进行信噪比分析，使反演处理后的信噪比得到最大限度的提高。通过一系列质量控制手段，使各油层合成记录与地震记录的标定精度得到了较大的提高。
关于速度反演可信程度，不能完全由反演方法确定，关键在于获取地震记录的质量和反演前处理流程的振幅保真度。另一个影响因素是数值模拟结果应当是比较准确的，这与计算方法有关，也与子波拾取和地质构造模型有关。至于反演结果的灵敏度，主要由拟合误差值和收敛速度来判断。如果给定的初始模型正确，即与实际地质结构一致，则拟合的误差较小且收敛速度快。本文工作由于受实际情况限制，没有实际的测井资料验证，因此反演所得速度的准确性和精度会受到一定程度的影响。
4 速度剖面特征
运用多种特殊地震成像综合分析，是天然气水合物地震资料解释的关键技术。目前一般采用识别BSR、振幅空白带、波形极性反转、速度异常、波阻抗面貌和AVO等天然气水合物地震相应特征来综合分析沉积物中是否含有水合物。高精度的层速度分析可帮助判定水合物的富集层位，速度及振幅异常结构是水合物与下伏游离气共同作用形成的特殊影像，剖面上表现为“上隆下坳”结构，多层叠合构成一明显的垂向“亮斑”这一特殊成像结构在未变形的水合物盆地内较适用于寻找水合物矿点，并可据此定量估算水合物盆地内水合物的数量，分析BSR上下的详细速度结构，是水合物地震资料综合解释的重要手段（张光学等，2003）。
图2 南海北部陆坡测线A道积分剖面
Fig.2 Trace integration profile of the line A in north slope of the South China Sea
图2是南海北部陆坡测线A的地震反射道积分剖面，从图中可以看出，该剖面中部及右下角距海底大约350ms处出现一强振幅反射波，大致与海底反射波平行，与地层斜交，BSR特征明显。在波形极性方面，海底反射波和BSR都表现为成对出现的强振幅双峰波形特征，海底反射波表现为蓝红蓝特征，而BSR表现为红蓝红特征，这表明相对于海底，BSR显示出负极性反射同相轴，即所谓的极性反转（与海底反射相反）。反射波的极性是由反射界面的反射系数决定的，而反射系数则与界面两侧的波阻抗差有关。实际上，海底和BSR都是一个强波阻抗面，海底是海水和表层沉积物的分界面，上部为低速层，下部为相对高速层，反射系数为正值；BSR是含水合物层与下部地层（或含气层）的分界面，上部为高速层（水合物成矿带是相对高速体），下部为相对低速层（如含游离气，则速度更低），反射系数为负值，因此造成了BSR和海底反射波的极性相反现象（沙志彬等，2003）。图3是用速度反演法反演出来的纵波速度剖面，该速度剖面明显显示出一近似平行于海底的相对高速地质体，其位置恰好在BSR上方。高速地质体的纵波速度大约在2000～2400m/s，其上面的低速层的纵波速度大约在1500～1800m/s，而下面的低速层的纵波速度大约在1500～1900m/s，没有明显的游离气存在特征，但根据其高速地质体特征、BSR以及波形极性反转分析，可以认为南海北部陆坡测线A的相对高速地质体极可能是水合物成矿带。
图3 用速度反演法计算的南海北部陆坡测线A纵波速度剖面
Fig.3 P velocity profile of the line A in north slope of the South China Sea computed by velocity inversion
由图3可见，水合物成矿带内部速度是变化的，表明水合物分布不均匀，呈平行于海底的带状分布，中心速度最高，由中心到边缘速度逐渐降低。海底以下有3个近似平行海底的低速和高速带：①海底与高速体之间的相对低速带，为水饱和带；②水合物成矿带；③水合物成矿带下的低速带。水合物成矿带下面的低速带在速度剖面上没有明显的低速特征，由此推断水合物成矿带下可能不含游离气，或者是气体的饱和度很低。
5 结论
水合物的生成除了需要一定的温度和压力条件外，还需要大量的碳氢气体和充足的水。这就需要地层具有较高的孔隙度和渗透率。未固结沉积岩的孔隙度很高，渗透率大，具备水合物生成的物理条件。具备这种特征的未固结沉积岩的地震波速度较低，而含水合物地层的地震波速度增大。这就形成了水合物成矿带作为低速背景中的高速地质体特征。另外，水合物的生成受温度和压力控制，一般情况，等温面和等压面近似平行于海底，因此低速背景中近似平行于海底的相对高速地质体是水合物成矿带的特征（刘学伟等，2003）。
通过对南海北部陆坡A测线纵波速度的计算，并且结合BSR和振幅空白带识别以及波形极性反转等多种特殊地震成像进行综合分析，我们可以进一步了解水合物成矿带的速度特征：揭示水合物成矿带的高速异常一般呈平行于海底的带状分布，在高速异常的内部，速度也是不断变化的，一般在异常体的中心速度最高，由中心到边缘速度逐渐降低，该现象反映在水合物矿带内部，水合物分布并不均匀，水合物饱和度由矿体中心向边缘逐渐降低。分析BSR上下的详细速度结构，是水合物地震资料综合解释的重要手段。高精度速度分析可帮助判定水合物的富集层位，较适用于寻找水合物矿点，并可据此估算水合物资源量。
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The Application of Jason Inversion Technology in Velocity Analysis of Gas hydrate
Liang Jin1 Wang Hongbin1，2 Liang Jinqiang1
（1.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，5107602.China University of Geosciences（Beijing），Beijing，100083）
Abstract：The P velocity of A seismic profile in the north slope of the South China Sea were calculated by Jason inversion method.The velocity characterostic of the gas hydrate bed was researched in detail based on the calculated result and the information of gas hydrate existing including BSR，amplitude blanking and polarity reversion of the waveform.Research shows that：The abnormity of higher velocity in the background of lower velocity is an important characteristic of gas hydrate existing；The abnormity of higher velocity which distribute as a belt usually parallel to the seafloor；The velocity changes gradually at the inner of the abnormity of higher velocity with the highest velocity at the center of the abnormity whereas the lowest velocity at the margin of it，which suggests that the saturation of gas hydrate decreases gradually from the center to the margin.The result that mentioned above suggest that high resolution velocity analysis not only help to search the hydrate spot but also help to estimate the rich layer of gas hydrate.
Key Words：Jason Inversion Technology Gas hydrate Velocity Analysis
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