田玉昆，李桂林，劉暉*，祝有海，馬彥彥，李娟，周惠，王德潤，王林

1 中國地質調查局非常規(guī)油氣地質重點實驗室，北京 1000292 中國石油集團東方地球物理公司吐哈物探處，新疆哈密 8390093 中國石油集團東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部，河北涿州 072750

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哈拉湖地區(qū)低頻可控震源天然氣水合物地球物理響應特征研究

田玉昆1，李桂林1，劉暉1*，祝有海1，馬彥彥1，李娟1，周惠1，王德潤2，王林3

1 中國地質調查局非常規(guī)油氣地質重點實驗室，北京 1000292 中國石油集團東方地球物理公司吐哈物探處，新疆哈密 8390093 中國石油集團東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部，河北涿州 072750

我國陸域天然氣水合物主要分布于青藏高原和漠河地區(qū).由于永久凍土層的存在，地震勘探很難獲得高品質的資料，給天然氣水合物勘探帶來了諸多困難.為解決凍土層對地震信號的衰減問題，在哈拉湖地區(qū)采用低頻可控震源進行地震資料采集試驗，通過提高覆蓋次數(shù)，獲得了較高信噪比的地震資料.在高質量地震資料基礎上，進行精細速度分析，獲得了較準確的疊加速度譜資料；然后以層速度剖面為基礎建立正演模型，開展天然氣水合物地震正演模擬研究；最后利用疊后偏移地震數(shù)據(jù)進行地震屬性分析.通過正演模擬和地震屬性綜合研究，總結了天然氣水合物的地球物理響應特征，速度突變和空白反射帶可作為哈拉湖地區(qū)陸域天然氣水合物識別的敏感因素.

天然氣水合物；低頻可控震源；凍土區(qū)；縱波速度；地震屬性;哈拉湖地區(qū)

1 引言

1965年，蘇聯(lián)在西伯利亞Messoyakha油氣田區(qū)首次發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)出的水合物(張洪濤等，2007).自此以后，各國科學家對凍土區(qū)水合物的類型、物理化學性質、地質成因、勘探手段、識別方法、資源評價等進行了一系列的研究.目前，國外凍土區(qū)水合物研究區(qū)塊主要集中在環(huán)北極地區(qū)的美國阿拉斯加北部斜坡、加拿大Mackenzie三角洲以及俄羅斯Messoyakha油氣田等(郭星旺,2011).

1972年，美國在阿拉斯加北坡普拉德霍見西北部Eileen State-2井中首次從永久凍土層中取到包含水合物的巖心(Collett,1993).同年，加拿大西北地區(qū)的Mackenzie三角洲凍土區(qū)的Mallik L-38井的測井資料也顯示有水合物的存在.此后，各國科學家對水合物進行了多學科多領域的研究(Moridis et al.,2004;Dallimore et al.,2005;Pratt et al.,2005;Craven et al.,2012).

國內的陸域天然氣水合物研究起步較晚.2002年以來，中國地質調查局先后設立4個調查研究項目，包括“青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物地球化學勘查預研究”、“青藏鐵路沿線天然氣水合物遙感識別標志研究”、“我國陸域永久凍土帶天然氣水合物資源遠景調查”和“陸地永久凍土天然氣水合物鉆探技術研究”(郭星旺,2011)，初步圈定了青藏高原羌塘盆地、祁連山木里地區(qū)和東北漠河盆地等為水合物成礦條件和找礦前景較好的地區(qū).2008年，在祁連山凍土區(qū)成功獲得水合物樣品.

天然氣水合物與常規(guī)油氣一樣，均存儲在具有連通孔隙、裂縫等的巖石或沉積物中，因此水合物儲層必然會與周圍圍巖存在一定的差異.地震勘探是一種有效的探明地下異常巖層的方法，能夠獲得地下地質體的各種信息(Yilmaz,2001;Yuan et al.,2015).但由于極地和高原地區(qū)特殊的自然環(huán)境，很難在陸域水合物遠景區(qū)開展地震勘探工作.目前，在發(fā)現(xiàn)陸域水合物的地區(qū)中，僅在加拿大的Mackenzie三角洲Mallik地區(qū)和我國的青海木里地區(qū)開展過地震勘探工作(徐明才等,2012).但是由于凍土層的影響，常規(guī)炸藥震源激發(fā)采集的地震數(shù)據(jù)信噪比較低，地震波能量被屏蔽和吸收衰減(Yuan et al.,2016)，嚴重影響地震勘探的效果.

為了解決凍土區(qū)二維地震勘探資料不理想的問題，查明青海哈拉湖水合物研究區(qū)地層、構造特征，探測與天然氣水合物有關的地震異常響應，在青海哈拉湖地區(qū)部署了低頻可控震源二維地震采集工程，地震資料采集觀測系統(tǒng)為3000-10-10-10-3000，低頻可控震源掃描頻率為1.5～96 Hz.研究區(qū)位于哈拉湖坳陷的北部，在大地構造上處于南祁連地槽褶皺帶，海拔在4150～4600 m之間，地形整體上較為平坦，適合部署可控震源.哈拉湖坳陷是祁連山西部的一個山間盆地，位于南祁連盆地中心，屬高山內陸湖泊.湖面海拔高度4077 m，最大水深65 m，平均27.4 m.湖泊呈北西西—南東東延伸，長32 km，平均寬度13 km，面積為580 km2.哈拉湖盆地北部有疏勒南山，海拔在5000 m以上，南部為哈拉湖南山，平均海拔不到5000 m，盆地東西兩側的分水嶺均為低平的丘陵地帶.南北二山由上泥盆統(tǒng)、石炭系和三疊系地層組成，盆地內部除零星出露第三紀地層外，大部分被第四系洪積、冰水沖積物覆蓋.

通過地震采集工作展開的實驗攻關，獲得了較高品質的地震資料，并對其進行了精細的處理解釋，重點研究了水合物可能分布區(qū)域內地震資料的速度、振幅與頻率特點.對整個研究區(qū)的地震數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，并提取了頻率和振幅屬性.歸納參數(shù)異常，為預測天然氣水合物提供參考依據(jù).

2 天然氣水合物地球物理特征分析

明確天然氣水合物的物理性質是估算自然界中天然氣水合物含量的必要條件.從組成上來說，天然氣容納于由水分子構成的固體晶格中.同為固體，這就意味著天然氣水合物與冰在物理性質上必然會存在著一定的相似性.兩者僅在縱波速度上存在一定差異，冰的縱波速度為3.8 km·s-1，結構I型天然氣水合物為3.3 km·s-1(李新和肖立志,2013).

自然界中，天然氣水合物所在地層多為未固化或者半固化的沉積層.在測井上具有典型的響應特征，例如固態(tài)水合物的電阻率較高(蔣國盛,2002)，聲波時差低也是識別水合物的有效標志(Murrayet al.,2005;郭星旺和祝有海,2011).相較于巖層，天然氣水合物的密度較低，接近于冰.對于半固化的沉積層，天然氣水合物的縱波速度相對較高.因此，對于由天然氣水合物粘結碎屑顆?；旌习牍袒练e巖而成的天然氣水合物儲層，具有低密度和高縱波速度的特點，這一特點在多數(shù)的天然氣水合物勘探中得到了驗證.

天然氣水合物儲層底部以下的地層巖石孔隙中常含有較多的游離天然氣，例如在青藏高原DK-1科學鉆探試驗井中，在鉆遇天然氣水合物樣品后繼續(xù)鉆進的過程中遭遇異常高壓氣體.這種上覆地層含有高縱波速度的天然氣水合物，下伏地層含有游離氣的地層結構形成一個負波阻抗界面，在海域天然氣水合物的地震剖面上表現(xiàn)為BSR(Bottom Simulating Reflector)(王秀娟等,2010).而陸域天然氣水合物由于凍土層的存在，這種阻抗上的差異表現(xiàn)得不如海域天然氣水合物明顯，因此在陸地永久凍土區(qū)的天然氣水合物勘探中，很少有清晰可辨的BSR出現(xiàn).由于天然氣水合物與沉積物膠結，會使得其儲層在聲學上呈現(xiàn)更好的均一響應，在剖面上會表現(xiàn)為空白或者均勻反射.當然，對于陸域凍土地區(qū)，冰的膠結也可以產(chǎn)生類似的效果，但是由于凍土層一般分布于天然氣水合物層之上或者與之混合，所以該特征還是可以作為預測天然氣水合物儲層底界面的一個標志.

盡管阻抗上的差異不是有效識別陸域天然氣水合物的有效標志，但是如果沉積地層中含有天然氣水合物，不論含量多少，其縱波速度均會呈現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象.因此，在水合物穩(wěn)定帶內，只要存在高速異常，就可以認為有天然氣水合物分布的可能.由于鉆井資料的匱乏，利用地震數(shù)據(jù)獲取速度場信息便成為一種行之有效的手段，關鍵是需要在地震資料處理階段開展針對性的精細速度分析工作.

綜上，天然氣水合物是一種碳氫化合物，儲層下面存在游離氣層，具有高縱波速度和低密度的特點，因此其必然具有一定規(guī)律的地震屬性特征.研究頻率、振幅等地震屬性對天然氣水合物儲層的識別具有一定的指導意義.

哈拉湖研究區(qū)缺少鉆井、測井等直接資料，因此首先選取臨區(qū)鉆測資料開展天然氣水合物的特征分析和研究.

南祁連地區(qū)目前只有木里坳陷探測到天然氣水合物.綜合木里坳陷的鉆探結果和解釋成果，可以得出如下幾點認識：(1) 木里坳陷凍土層厚度在80～120 m；(2) 天然氣水合物儲層分布深度范圍為150～300 m；(3) 地質層位為侏羅系，巖性以泥巖為主，含少量粉砂巖、細砂巖；(4) 儲集空間類型為裂隙型(泥巖)和孔隙型(砂巖).

木里坳陷DK8、DK9井發(fā)現(xiàn)水合物，如圖1所示.DK9井發(fā)現(xiàn)水合物層段為188～200 m，厚度12 m；井位置處插入的聲波測井曲線顯示水合物層段具有相對高速的特征，其下伏地層顯示明顯低速；在過兩口井的地震剖面上，水合物層段地震反射為弱反射特征；此外，淺層有一套較穩(wěn)定的水平狀低頻反射(圖1文本框所示)，推測其為凍土層的地震反映.

3 速度異常分析

在對哈拉湖研究區(qū)地震資料處理過程中發(fā)現(xiàn)了地下存在高速異常的情況.圖2展示了SN2測線上CMP號分別為2950和3000的兩個地震道的速度譜，可以看到明顯速度反轉的現(xiàn)象.圖3展示了同一條測線上與之相鄰的CMP號分別為3050和3100的兩個地震道的速度譜，可以看到并未出現(xiàn)速度反轉異常.對比圖2和圖3，表明工區(qū)局部區(qū)域在淺層存在高速異常導致速度反轉.圖4為四道速度譜值的疊合顯示，更加直觀地反映了上述速度反轉異常.

經(jīng)過進一步逐道分析統(tǒng)計，繪制了速度反轉異常區(qū)域的平面分布范圍(如圖5中粉紅色線段標示).其中，EW1測線，未見明顯反轉；EW2測線，出現(xiàn)速度反轉的CMP范圍為980～4000；SN1測線，出現(xiàn)速度反轉的CMP范圍為900～2100；SN2測線，出現(xiàn)速度反轉的CMP范圍為1800～3000.總體看，速度反轉異常區(qū)域基本分布在圖5所示構造圖的南部凹陷及其周邊，圖中用黑色虛線勾繪了其平面范圍.

圖1 DK8、DK9鉆井及過井地震剖面反射特征分析Fig.1 DK8 and DK9drilling and reflection characteristics analysis of seismic profile across wells

圖2 SN2線CMP2950、CMP3000道集和速度譜Fig.2 Trace gathers of CMP2950 and CMP3000 on Line SN2 and the velocity spectrum

圖3 SN2線CMP3050、CMP3100道集和速度譜Fig.3 Trace gathers of CMP3050 and CMP3100 on Line SN2and the velocity spectrum

圖4 SN2線CMP2950至CMP3100速度譜疊合對比Fig.4 Comparison of velocity spectrum of CMP2950 to CMP3100on Line SN2

將EW2、SN1、SN2三條測線速度分析得到的速度譜經(jīng)DIX公式轉化為層速度剖面(圖6)，三條速度剖面的淺部(圖中500ms附近)均分布有一個相對高速層，即速度反轉區(qū)域.從地表起算深度在200 ms，按2500 m·s-1層速度計算，埋深應在250 m左右，與水合物的形成深度一致.

4 模型正演研究

地質建模正演模擬是地質體識別的基礎分析方法.地層中的水合物儲層屬于地質異常體，它的地震反射特征以及不同厚度的水合物藏地震反射特征的差異，都可以通過模型正演分析來總結規(guī)律、尋找答案.

為了更加接近真實情況，選取速度反轉異常最為明顯的EW2線作為實驗線，將其速度譜轉化為層速度剖面，參考該層速度剖面建立水合物儲層地質模型，如圖7所示.模型中部的不規(guī)則團塊模擬的是厚層水合物，層速度2800 m·s-1.合成記錄如圖8.由記錄可見，厚層水合物具有明顯的弱振幅空白反射或均勻反射特征.

地震反射的強弱特征是波阻抗差異的體現(xiàn).地質模型中頂部松散沉積物層(藍色地層)與下伏高速凍土層(青色地層)就是一個強波阻抗界面，在合成記錄上表現(xiàn)為一個正極性強振幅同相軸(圖8藍色箭頭所示).青色地層底界面與下伏地層又構成一個稍弱的同相軸，兩個同相軸之間是凍土與水合物形成的空白帶.水合物儲層(黃色)雖然是相對高速層，但因其密度屬中低密度，導致其與圍巖的波阻抗差異較小，因而在合成記錄上表現(xiàn)為弱振幅甚至是空白反射.水合物越厚，剖面上“空白”區(qū)域越大、越明顯.由此推論，實際地震剖面上的弱振幅、均勻或空白反射可能具有與此相似的成因，是水合物儲層的一種直觀反映.

圖5 速度反轉區(qū)域平面位置及平面范圍預測Fig.5 Plane position and plane range prediction of velocity inversion region

圖7 EW2線層速度剖面(a)及根據(jù)該剖面建立的水合物儲層地質模型 (單位：m·s-1)(b)Fig.7 Velocity profile of Line EW2 and gas hydrate reservoir geological model based on this profile

圖8 EW2線模型正演記錄Fig.8 Seismic forward records of EW2 line model

圖9 EW2線偏移地震剖面上速度異常區(qū)的地震相特征Fig.9 Seismic facies characteristics of velocity anomaly area in EW2 line migration seismic profile

圖10 EW2線振幅譜梯度屬性剖面Fig.10 EW2 line amplitude spectrum gradient attribute profile

圖11 速度異常區(qū)底界沿層25Hz單頻振幅屬性Fig.11 25 Hz single frequency amplitude attribute of the bottom boundary along the velocity anomaly area

從EW2測線的地震剖面(圖9)看，速度異常區(qū)在地震剖面上表現(xiàn)為一致的地震相特征，即表層為近水平低頻反射，其下為雜亂弱反射(圖中紅色標示位置)，再向下又顯示為清晰的反射.該均勻弱反射區(qū)即為本次預測的天然氣水合物可能的賦存層位.

5 地震屬性分析

地震屬性分析技術能夠提取隱藏在地震資料中的有用信息，廣泛運用于油藏特征描述等方面，能夠用來定性地討論地層巖性、物性、流體成分等，在一定程度上提高了對儲層有利區(qū)預測的準確度.

目前，廣泛應用于油氣檢測的地震屬性有上百種，但是尚無應用地震屬性進行陸域天然氣水合物的預測研究.主要原因有二：第一，針對陸域水合物的地震勘探工作非常少，資料匱乏；第二，由于凍土區(qū)的影響，獲得的地震資料大多品質較低，即使開展屬性分析也無法得到有價值的信息.本次哈拉湖地區(qū)低頻可控震源獲得地震資料信噪比較高，具備開展地震屬性分析預測天然氣水合物儲層的研究條件.

現(xiàn)有關于天然氣水合物地震屬性的分析，都針對海域天然氣水合物(Andreassen et al.,1995;牛濱華等,2006;Petersen et al.,2007;徐華寧等,2010).通過海域天然氣水合物的地球物理特征研究可知，天然氣水合物出現(xiàn)的層位大都存在地震反射振幅與頻率異常.因此，本文主要利用振幅和頻率屬性進行預測研究，并與前述速度異常區(qū)進行對比分析.

提取EW2線的振幅譜梯度屬性(圖10)，與圖9進行對比，振幅梯度變化較快的位置(白色線框內區(qū)域)與圖9中所示的均勻弱反射(白色線框內紅色區(qū)域)有很好的對應關系，與正演研究高速異常的位置也能夠很好地吻合.該區(qū)域內紅色表示振幅快速衰減，在地震剖面上表現(xiàn)為空白帶.

將圖5的速度反轉位置作為預測的水合物儲層底界，并沿該層位提取25 Hz單頻振幅屬性，如圖11所示，速度反轉區(qū)域(圖中紫色線段所示)與振幅低值區(qū)域吻合良好，這也印證了水合物層位顯示空白帶及弱振幅反射地震相的推斷.

6 結論

針對陸域天然氣水合物所開展的地震研究很少，由于永久凍土層的存在，能夠獲得高品質地震資料非常困難.本次研究對哈拉湖地區(qū)低頻可控震源獲得的高品質地震資料進行了精細處理解釋，以鄰區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的測井資料為指導，分析該地區(qū)天然氣水合物賦存區(qū)的地球物理特征，獲得如下結論：

(1) 開展天然氣水合物的地震特征分析對地震資料的質量提出了更高要求，1.5 Hz低頻可控震源寬頻激發(fā)和高覆蓋觀測系統(tǒng)的采集方法在哈拉湖地區(qū)見到了明顯效果，得到了較高品質的地震資料，特別是針對淺層天然氣水合物勘探，成像效果明顯.

(2) 速度反轉和空白反射特征可能為凍土區(qū)水合物在地震剖面上的反映，二者同時出現(xiàn)的異常區(qū)可作為天然氣水合物勘探的重要有利目標區(qū).

(3) 哈拉湖坳陷淺部地層具備天然氣水合物成藏條件，且在該區(qū)南部凹陷淺部地層發(fā)現(xiàn)了速度反轉異常這一重要特征，推測這是厚層水合物賦存的反映，地震相和振幅屬性分析均印證了這一推測.

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(本文編輯 汪海英)

Geophysical response characteristics of gas hydrate in Har Hu region based on low-frequency vibroseis data

TIAN Yu-Kun1,LI Gui-Lin1,LIU Hui1*,ZHU You-Hai1,MA Yan-Yan1,LI Juan1,ZHOU Hui1,WANG De-Run2,WANG Lin3

1 The Key Laboratory of Unconventional Petroleum Geology,CGS,Beijing 100029,China2 Tuha Division,BGP Inc.,CNPC,Hami Xinjiang 839009,China3 BGP International，CNPC,Zhuozhou Hebei 072750,China

In China,terrestrial gas hydrate is mainly distributed in Qinghai-Tibet Plateau and Mohe County regions.Because of the existence of permafrost,it is difficult to obtain high quality data by seismic exploration,which brings many difficulties to the gas hydrate exploration.In order to solve the problem of attenuation of seismic signal by frozen soil,we used the low-frequency vibroseis as the means to do seismic data acquisition test,and obtained higher signal to noise ratio seismic data by increasing the folds.Based on the high quality seismic data,fine velocity analysis is carried out to obtain the accurate stack velocity spectrum data.And then forward modeling is established on the basis of interval velocity,seismic forward research of gas hydrate is developed.Finally,seismic attribute analysis is carried out on the post stack migration profile.The geophysical response characteristics of natural gas hydrate are summarized through the comprehensive study of the forward and the post stack seismic attributes.The mutational speed and the blank reflection zone can be used as the sensitive factors to identify the terrestrial gas hydrate in Har Hu region.

Gas hydrate；Low frequency vibroseis；Frozen soil region；P-wave velocity；Seismic attribute;Har Hu region

田玉昆，李桂林，劉暉等.2016.哈拉湖地區(qū)低頻可控震源天然氣水合物地球物理響應特征研究.地球物理學報，59(11):4287-4296,

10.6038/cjg20161129.

Tian Y K,Li G L,Liu H,et al.2016.Geophysical response characteristics of gas hydrate in Har Hu region based on low-frequency vibroseis data.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):4287-4296,doi:10.6038/cjg20161129.

地質礦產(chǎn)調查評價專項(DD20160181，12120115006601)，天然氣水合物資源勘查與試采工程(GZH201400302)和國家自然科學基金(41202076)聯(lián)合資助．

田玉昆，男，1984年生，博士，工程師，主要研究方向為地球物理資料處理反演和儲層預測．E-mail：tyksango@gmail.com

*通訊作者 劉暉，男，1981年生，副研究員，2011年獲得中國地質大學(北京)博士學位，研究方向為天然氣水合物與油氣地質．E-mail：lhpplu@aliyun.com

10.6038/cjg20161129

P631

2016-08-02，2016-09-13收修定稿