梁勁1　王宏斌1，2　梁金強(qiáng)1

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510760；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）北京 100083）

第一作者簡(jiǎn)介：梁勁，男，1971年生，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于成都理工學(xué)院信息工程與地球物理系應(yīng)用地球物理專(zhuān)業(yè)，主要從事天然氣水合物調(diào)查與研究工作。

摘要 本文采用Jason 反演技術(shù)對(duì)南海北部陸坡A 測(cè)線(xiàn)縱波速度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合BSR、振幅空白帶以及波形極性反轉(zhuǎn)等多種水合物賦存信息的分析，對(duì)水合物成礦帶的速度特征進(jìn)行了綜合研究，結(jié)果表明：低速背景中的高速異常，是天然氣水合物賦存的重要特征；高速異常體一般呈平行于海底的帶狀分布；在高速異常的內(nèi)部，速度也是不斷變化的。一般在異常體的中心速度最高，由中心到邊緣速度逐漸降低，反映在水合物礦帶內(nèi)部，水合物飽和度由礦體中心向邊緣逐漸降低的特征。本文的研究成果進(jìn)一步表明高精度速度分析不僅可以幫助尋找水合物礦點(diǎn)，還可以進(jìn)一步判定水合物的富集層位。

關(guān)鍵詞 Jason 反演技術(shù) 天然氣水合物 速度分析

1 前言

天然氣水合物是在低溫、高壓環(huán)境下，由水的冰晶格架及其間吸附的天然氣分子組成的籠狀結(jié)構(gòu)化合物，廣泛分布于海底和永久凍土帶。溫度和壓力是天然氣水合物形成和保存最重要的因素（王宏斌等，2004）。針對(duì)天然氣水合物的野外調(diào)查及研究表明：高分辨率的地震勘探方法是天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)中行之有效的方法。地震反演技術(shù)一直是地震勘探中的一項(xiàng)核心技術(shù)，其目的是用地震反射資料反推地下的波阻抗、速度、孔隙度等參數(shù)的分布，從而估算含天然氣水合物層參數(shù)，預(yù)測(cè)天然氣水合物分布狀況，為天然氣水合物勘探提供可靠的基礎(chǔ)資料。常用的地震反演技術(shù)有Jason、Strata、Seislog和ISIS等，其中Jason反演技術(shù)在含天然氣水合物層預(yù)測(cè)中因其分辨率高而得到廣泛推崇，它主要由有井約束和無(wú)井約束兩種方法組成（廖曦等，2002）。

速度異常是判斷天然氣水合物是否賦存的重要條件之一。結(jié)合BSR（Bottom Simulating ReflECtor）特征、波形極性特征、振幅特征以及AVO特征等目前已成為判斷是否存在天然氣水合物層主要手段（史斗等，1999）。大量的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：水合物的速度與冰的速度較為接近，而比水高。與含水或含游離氣沉積層相比，含水合物沉積層的密度降低，聲波速率增大，含水合物層的地層速度往往比一般的地層速度高，含水合物沉積層的下部由于充填了水或氣，而使水合物底界面出現(xiàn)聲波分析速度負(fù)異常。因此，地層中速度反轉(zhuǎn)是水合物賦存的一個(gè)地球物理標(biāo)志。含水合物地層的聲波速度與水合物的含量有關(guān)，水合物含量越高，其聲波速度越高。從速度方面看，BSR是上覆高速的含水合物地層與下伏較低速的含水層或含氣層之間的分界面。通常，海洋中淺層沉積層的地震縱波速度為1600～1800m/s，如果存在水合物，地震波速度將大幅提高，可達(dá)1850～2500m/s，如果水合物層下面為游離氣層，則地震波速度可以驟減200～500m/s。因此，在速度剖面上，水合物層的層速度變化趨勢(shì)呈典型的三段式，即上下小、中間大的異常特征（張光學(xué)等，2000）。西伯利亞麥索雅哈氣田的資料表明，在原為含水砂層內(nèi)形成水合物之后，其縱波的傳播速度會(huì)從1850m/s提高到2700m/s；而在膠結(jié)砂巖層，這種速度會(huì)從3000m/s提高到3500m/s。深海鉆探計(jì)劃的570站位的測(cè)井結(jié)果表明，由含水砂巖層進(jìn)入含水合物砂巖層時(shí)，密度由1.79g/cm3降低到1.19g/cm3，聲波傳播速度從1700m/s提高到3600m/s，且電導(dǎo)率劇烈下降。

Cascadia海域ODP889站位的VSP測(cè)井資料反映水合物底界為強(qiáng)烈的負(fù)速度界面，速度從水合物沉積物層的1900m/s陡降到含游離氣層的1580m/s，由于VSP測(cè)井為地震測(cè)井，受鉆井因素的影響較少，因此認(rèn)為VSP測(cè)井真實(shí)地反映了水合物沉積層底界的速度變化（陳建文等，2004）。

國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在2001～2004年在南海北部陸坡進(jìn)行10000多公里的天然氣水合物高分辨地震調(diào)查。本研究利用Jason反演技術(shù)，通過(guò)對(duì)南海北部陸坡區(qū)的地震速度資料的精細(xì)分析，在已圈定BSR分布范圍的基礎(chǔ)上研究陸坡區(qū)各沉積層的速度特征，最后對(duì)速度值與水合物的關(guān)系進(jìn)行了分析和探討。

2 方法原理

純天然氣水合物的密度（0.9g/cm3）和海水密度相近，而游離氣的含量又十分有限，這就決定了產(chǎn)生BSR的波阻抗差主要由速度造成。速度反演技術(shù)的特點(diǎn)是在無(wú)井約束時(shí)，以地震解釋的層位為控制，對(duì)所有的地震同相軸來(lái)進(jìn)行外推內(nèi)插來(lái)完成波阻抗反演，這樣就克服了地震分辨率的限制，最佳的逼近了測(cè)井分辨率，同時(shí)又使反演結(jié)果保持了較好的橫向連續(xù)性。速度反演技術(shù)的主要原理是：①通過(guò)最大的似然反褶積求得一個(gè)具有稀疏特性的反射系數(shù)系列；②通過(guò)最大的似然反演導(dǎo)出波阻抗；③通過(guò)波阻抗計(jì)算速度。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能獲得寬頻帶的反射系數(shù)，是一種基于模型的反演，具有多種建模方法，對(duì)所建模型進(jìn)行比較分析，并使地質(zhì)模型更趨合理，反演結(jié)果更加真實(shí)可靠（郝銀全等，2004）。

波阻抗反演方法的出發(fā)點(diǎn)是認(rèn)為地下的反射系數(shù)是稀疏分布的，即地層反射系數(shù)由一系列疊加于高斯背景上的強(qiáng)軸組成。具體反演是從地震道中，根據(jù)稀疏的原則抽取反射系數(shù)，與子波褶積生成合成地震記錄，利用合成地震記錄與原始地震道的殘差修改反射系數(shù)，得到新的反射系數(shù)序列，然后再求得波阻抗。其具體步驟是：

假設(shè)地層的反射系數(shù)是較大的反射界面的反射和具有高斯背景的小反射疊加組合而成的，根據(jù)這種假設(shè)導(dǎo)出一個(gè)最小的目標(biāo)函數(shù)（安鴻偉等，2002）：

南海地質(zhì)研究.2006

式中：R（K）為第一個(gè)采樣點(diǎn)的反射系數(shù)，M為反射層數(shù)，L為采樣總數(shù)，N為噪音變量的平方根，λ為給定反射系數(shù)的似然值。

最大的似然反演就是通過(guò)轉(zhuǎn)換反射系數(shù)導(dǎo)出寬帶波阻抗的過(guò)程。如果從最大的似然反褶積中求得的反射系數(shù)式R（t），則波阻抗：

Z（i）=z（i-1）×（1+R（i））/R（1-i） （2）

利用波阻抗和速度的關(guān)系式：

v=Z（i）/ρ （3）

即可得到速度值。其中，ρ為地層密度，可從區(qū)域測(cè)井資料結(jié)合該測(cè)線(xiàn)重力資料反演求取。

在上述過(guò)程中為了得到可靠的反射系數(shù)估算值，可以單獨(dú)輸入波阻抗信息作為約束條件，以求得最合理的速度模型。一方面，速度反演結(jié)果是一個(gè)寬頻帶的反射序列和波阻抗及速度數(shù)據(jù)，同時(shí)加入了低頻分量，使反演結(jié)果更能正確反映速度變化規(guī)律；另一方面，它有多種質(zhì)量控制方法，具體表現(xiàn)為監(jiān)控子波的選取、同相軸的連續(xù)追蹤、反演結(jié)果準(zhǔn)確性的判斷和提供多種交匯顯示的相關(guān)性分析。所以利用速度反演可對(duì)地震剖面上任一相位進(jìn)行速度反演，在每一個(gè)CDP點(diǎn)都可得到任一個(gè)同相軸速度數(shù)據(jù)，并利用二維的反射波的速度層析成像反演方法得到高度連續(xù)的速度剖面，如果地震測(cè)線(xiàn)足夠密，還可利用三維速度反演得到速度體圖像。

3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 初始模型的確立

在地質(zhì)規(guī)律的指導(dǎo)下，利用地震和測(cè)井資料開(kāi)展沉積特征分析和沉積旋回劃分；建立巖石-電性關(guān)系，進(jìn)行砂層組和單砂層對(duì)比；在地震剖面上提取各含油砂層組反射波屬性，建立地震屬與礦體的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)地震-測(cè)井綜合預(yù)測(cè)礦體平面分布厚度，開(kāi)展層間礦體組外推預(yù)測(cè)；建立初始速度場(chǎng)；在地震屬性約束下開(kāi)展地震反演，反演層間小層礦體厚度。細(xì)分層反演層位的標(biāo)定正確與否直接影響反演結(jié)果的精度。因此，在反演過(guò)程中對(duì)子波提取、能譜特點(diǎn)、信噪比、頻譜及反射系數(shù)的研究至關(guān)重要（閆奎邦等，2004）。技術(shù)路線(xiàn)流程如圖1所示：

3.2 初始速度場(chǎng)的獲得

初始速度場(chǎng)的獲得首先要對(duì)速度譜進(jìn)行解釋?zhuān)俣茸V的解釋和取值是否合理，將直接影響均方根速度的計(jì)算精度。具體步驟如下：

1）速度譜的解釋先從地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、反射層質(zhì)量好、能量團(tuán)強(qiáng)、干擾少的剖面段開(kāi)始，繪制疊加速度-反射時(shí)間曲線(xiàn)，并逐漸向外擴(kuò)展；

2）結(jié)合地震剖面的反射特征，判斷速度極值點(diǎn)是否正確，并選擇讀取能量團(tuán)最大的極值點(diǎn)。排除干擾波能量團(tuán)，從而求得有效波的疊加速度；

3）對(duì)相鄰速度譜進(jìn)行比較，通過(guò)比較速度譜曲線(xiàn)的形狀、相同反射層的速度極值等方法予以檢查和修改。

4）每隔40個(gè)CDP拾取一組數(shù)據(jù)，利用地震剖面上的反射傾角數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行校正，便可得到均方根速度（梁勁等，2006）。

圖1 速度反演技術(shù)線(xiàn)路流程圖

Fig.1 The flow chart of the velocity inversion of technical route

3.3 子波的提取

子波提取時(shí)，要使能量集中于子波的主瓣，與地震子波形態(tài)吻合。如果所提子波近于零相位，則從波峰向兩側(cè)能量衰減較快，波峰兩側(cè)波形對(duì)稱(chēng)；在子波的能譜特征分析，要使能量都集中在地震波的主頻范圍內(nèi)；有井資料時(shí)，要對(duì)井資料都作了子波與地震波自動(dòng)關(guān)聯(lián)質(zhì)量控制。保證子波能譜與地震波能譜相吻合，是反演中較為重要的一方面，子波能譜的峰值與地震波主頻的能譜峰值相吻合。首先了解合成記錄與地震記錄之間的偏差。通過(guò)合成記錄與地震記錄之間的偏差分析，對(duì)Jason反射系數(shù)偏差、能譜偏差進(jìn)行進(jìn)一步的校正，使合成記錄與地震記錄之間的偏差減小。然后通過(guò)反射系數(shù)與地震資料之間偏差分析，采取相應(yīng)的手段校正，使地層與合成記錄反射系數(shù)相吻合。再進(jìn)行信噪比分析，使反演處理后的信噪比得到最大限度的提高。通過(guò)一系列質(zhì)量控制手段，使各油層合成記錄與地震記錄的標(biāo)定精度得到了較大的提高。

關(guān)于速度反演可信程度，不能完全由反演方法確定，關(guān)鍵在于獲取地震記錄的質(zhì)量和反演前處理流程的振幅保真度。另一個(gè)影響因素是數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)當(dāng)是比較準(zhǔn)確的，這與計(jì)算方法有關(guān)，也與子波拾取和地質(zhì)構(gòu)造模型有關(guān)。至于反演結(jié)果的靈敏度，主要由擬合誤差值和收斂速度來(lái)判斷。如果給定的初始模型正確，即與實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)一致，則擬合的誤差較小且收斂速度快。本文工作由于受實(shí)際情況限制，沒(méi)有實(shí)際的測(cè)井資料驗(yàn)證，因此反演所得速度的準(zhǔn)確性和精度會(huì)受到一定程度的影響。

4 速度剖面特征

運(yùn)用多種特殊地震成像綜合分析，是天然氣水合物地震資料解釋的關(guān)鍵技術(shù)。目前一般采用識(shí)別BSR、振幅空白帶、波形極性反轉(zhuǎn)、速度異常、波阻抗面貌和AVO等天然氣水合物地震相應(yīng)特征來(lái)綜合分析沉積物中是否含有水合物。高精度的層速度分析可幫助判定水合物的富集層位，速度及振幅異常結(jié)構(gòu)是水合物與下伏游離氣共同作用形成的特殊影像，剖面上表現(xiàn)為“上隆下坳”結(jié)構(gòu)，多層疊合構(gòu)成一明顯的垂向“亮斑”這一特殊成像結(jié)構(gòu)在未變形的水合物盆地內(nèi)較適用于尋找水合物礦點(diǎn)，并可據(jù)此定量估算水合物盆地內(nèi)水合物的數(shù)量，分析BSR上下的詳細(xì)速度結(jié)構(gòu)，是水合物地震資料綜合解釋的重要手段（張光學(xué)等，2003）。

圖2 南海北部陸坡測(cè)線(xiàn)A道積分剖面

Fig.2 Trace integration profile of the line A in north slope of the South China Sea

圖2是南海北部陸坡測(cè)線(xiàn)A的地震反射道積分剖面，從圖中可以看出，該剖面中部及右下角距海底大約350ms處出現(xiàn)一強(qiáng)振幅反射波，大致與海底反射波平行，與地層斜交，BSR特征明顯。在波形極性方面，海底反射波和BSR都表現(xiàn)為成對(duì)出現(xiàn)的強(qiáng)振幅雙峰波形特征，海底反射波表現(xiàn)為藍(lán)紅藍(lán)特征，而B(niǎo)SR表現(xiàn)為紅藍(lán)紅特征，這表明相對(duì)于海底，BSR顯示出負(fù)極性反射同相軸，即所謂的極性反轉(zhuǎn)（與海底反射相反）。反射波的極性是由反射界面的反射系數(shù)決定的，而反射系數(shù)則與界面兩側(cè)的波阻抗差有關(guān)。實(shí)際上，海底和BSR都是一個(gè)強(qiáng)波阻抗面，海底是海水和表層沉積物的分界面，上部為低速層，下部為相對(duì)高速層，反射系數(shù)為正值；BSR是含水合物層與下部地層（或含氣層）的分界面，上部為高速層（水合物成礦帶是相對(duì)高速體），下部為相對(duì)低速層（如含游離氣，則速度更低），反射系數(shù)為負(fù)值，因此造成了BSR和海底反射波的極性相反現(xiàn)象（沙志彬等，2003）。圖3是用速度反演法反演出來(lái)的縱波速度剖面，該速度剖面明顯顯示出一近似平行于海底的相對(duì)高速地質(zhì)體，其位置恰好在BSR上方。高速地質(zhì)體的縱波速度大約在2000～2400m/s，其上面的低速層的縱波速度大約在1500～1800m/s，而下面的低速層的縱波速度大約在1500～1900m/s，沒(méi)有明顯的游離氣存在特征，但根據(jù)其高速地質(zhì)體特征、BSR以及波形極性反轉(zhuǎn)分析，可以認(rèn)為南海北部陸坡測(cè)線(xiàn)A的相對(duì)高速地質(zhì)體極可能是水合物成礦帶。

圖3 用速度反演法計(jì)算的南海北部陸坡測(cè)線(xiàn)A縱波速度剖面

Fig.3 P velocity profile of the line A in north slope of the South China Sea computed by velocity inversion

由圖3可見(jiàn)，水合物成礦帶內(nèi)部速度是變化的，表明水合物分布不均勻，呈平行于海底的帶狀分布，中心速度最高，由中心到邊緣速度逐漸降低。海底以下有3個(gè)近似平行海底的低速和高速帶：①海底與高速體之間的相對(duì)低速帶，為水飽和帶；②水合物成礦帶；③水合物成礦帶下的低速帶。水合物成礦帶下面的低速帶在速度剖面上沒(méi)有明顯的低速特征，由此推斷水合物成礦帶下可能不含游離氣，或者是氣體的飽和度很低。

5 結(jié)論

水合物的生成除了需要一定的溫度和壓力條件外，還需要大量的碳?xì)錃怏w和充足的水。這就需要地層具有較高的孔隙度和滲透率。未固結(jié)沉積巖的孔隙度很高，滲透率大，具備水合物生成的物理?xiàng)l件。具備這種特征的未固結(jié)沉積巖的地震波速度較低，而含水合物地層的地震波速度增大。這就形成了水合物成礦帶作為低速背景中的高速地質(zhì)體特征。另外，水合物的生成受溫度和壓力控制，一般情況，等溫面和等壓面近似平行于海底環(huán)境噪聲，因此低速背景中近似平行于海底的相對(duì)高速地質(zhì)體是水合物成礦帶的特征（劉學(xué)偉等，2003）。

通過(guò)對(duì)南海北部陸坡A測(cè)線(xiàn)縱波速度的計(jì)算，并且結(jié)合BSR和振幅空白帶識(shí)別以及波形極性反轉(zhuǎn)等多種特殊地震成像進(jìn)行綜合分析，我們可以進(jìn)一步了解水合物成礦帶的速度特征：揭示水合物成礦帶的高速異常一般呈平行于海底的帶狀分布，在高速異常的內(nèi)部，速度也是不斷變化的，一般在異常體的中心速度最高，由中心到邊緣速度逐漸降低，該現(xiàn)象反映在水合物礦帶內(nèi)部，水合物分布并不均勻，水合物飽和度由礦體中心向邊緣逐漸降低。分析BSR上下的詳細(xì)速度結(jié)構(gòu)，是水合物地震資料綜合解釋的重要手段。高精度速度分析可幫助判定水合物的富集層位，較適用于尋找水合物礦點(diǎn)，并可據(jù)此估算水合物資源量。

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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