宽频地震无井反演技术在神狐海域天然气水合物矿体描述中的应用*

李元平 颜承志 李 杰 史文英 陈 利

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518054； 2.中海油田服务股份有限公司物探事业部特普公司 广东湛江 524057)

天然气水合物是由水分子和碳氢气体在低温、高压环境下生成的固态化合物，具有能量密度高、无污染等特点,被认为是21世纪最具潜力的能源之一。由于石油、煤炭等能源的日益短缺,人们对水合物的研究越来越多，主要体现在其形成环境、保存条件、赋存范围和资源量等方面[1]。

我国在南海北部珠江口盆地不同区域先后进行过3次水合物钻探，揭示高饱和度砂质水合物储层在当下最具商业开发价值。2015年广州海洋地质调查局GMGS-3航次在南海北部神狐海域23个站位进行了随钻测井，测井资料表明在每个站位都发现了水合物，饱和度最高达64%。与2007年GMGS-1航次首次钻探结果不同，GMGS-3航次钻遇的水合物层饱和度和厚度都远大于GMGS-1航次发现的水合物层，因两次钻探位于峡谷不同的结构单元，水合物储层沉积相带空间变化较大，致使神狐地区水合物层饱和度和厚度在垂向和横向上都具有明显的不均匀性和不连续性。此外，GMGS-3航次钻探的不同站位水合物厚度和饱和度也存在较大差异，其中站位A井水合物层位于海底以下116.5～192.5 m，呈分散状充填在孔隙空间中，垂向上发育多套水合物层，水合物总厚度达70 m以上，饱和度最高达53%；而距离A井东南方向约2 km的站位B井，其钻遇的水合物层总厚度则只有30多米，饱合度最高只有37%左右[2-4]。

对水合物矿藏识别及矿体精细描述，目前常见的做法是利用高分辨率的二维地震开展研究[5-10]，如2007年杨文达 等[11]总结并整理出了高分辨率地震勘探中需要重视的技术问题,并介绍了一些运用高分辨率地震勘探获得的地质成果；2012年徐华宁 等[12]利用多道高分辨地震资料开展了神狐海域水合物的探测研究，该采集方式获得的地震资料分辨率较高，但低频缺失，无法准确描述水合物的空间分布;2015年褚宏宪 等[13]对小道距高分辨多道地震对水合物的勘查适用性进行了探讨。另外，在利用常规三维地震数据开展研究方面，前人也取得了大量应用研究成果[14-20]，如2010年沙志彬 等[21]基于常规三维地震资料开展了针对天然气水合物的波阻抗反演技术探索；2011年吕琳 等[22]利用常规处理地震属性识别天然气水合物；2016年刘洁 等[23]基于地震谱反演层速度方法开展水合物分布研究。但受常规地震中深层采集处理的影响，地震频带窄且分辨率低，常规地震无井反演结果中低频和高频信息缺失，达不到精细刻画水合物的目的。

针对常规地震资料及常规反演存在的诸多问题，本文提出以宽频处理的高保真地震资料为基础，以叠前深度偏移处理获得的高精度网格层析速度场为背景，构建反演所需的低频模型，开展宽频地震无井反演，利用反演获得的波阻抗属性对研究区水合物矿体进行描述。

1 宽频地震无井反演技术

研究区内水合物层非均质性较强，相对于非水合物地层背景具有高纵波速度、高纵波阻抗、高电阻率的特点，因此可以利用宽频地震无井反演技术获得纵波速度或者纵波阻抗属性，进而描述水合物矿体的空间展布。

1.1 技术流程

宽频地震无井反演技术以宽频处理地震资料为基础，以高精度网格层析速度场为反演初始背景，以稀疏脉冲算法为核心算法，获得高分辨宽频波阻抗属性。宽频地震无井反演技术流程如图1所示，其中核心环节是宽频地震处理和无井反演低频模型构建。

图1 宽频地震无井反演技术流程Fig.1 Technical flowchart of well-free broadband seismic inversion

1.2 宽频地震处理

受海上地震鬼波陷波影响，研究区常规处理地震资料往往表现为频带窄、低频段能量弱的特征：频谱分析按振幅能量归一化后的50%为界限进行，低频端频率为22 Hz，高频端频率为64 Hz，频带宽度只有42 Hz(图2a、c)。为避免鬼波陷波影响，本文从偏移前炮集开始进行鬼波压制，经过反Q滤波、拓频等一系列处理，获得频带更宽的地震资料，低频端频率可达5.5 Hz，高频端频率可达75 Hz，频带宽度达到69.5 Hz(图2b、d)，低频信号明显增强。在研究区目的层水合物层段分别从常规地震和宽频地震资料上提取地震子波，可以看出，从常规地震中提取的子波旁瓣个数多，旁瓣振幅较大，波形延续范围广(图2e)；而从宽频地震中提取的子波旁瓣个数少，旁瓣振幅较小，波形延续范围窄(图2f)，有利于后续宽频无井阻抗反演。

从研究区目的层水合物层段附近提取子波，分别对常规地震和宽频地震进行井震标定，常规地震资料与井合成记录的相关系数为0.742，宽频地震资料与井合成记录的相关系数为0.818，宽频地震资料与井合成记录吻合得更好(图3)，这表明宽频地震资料分辨率得到了有效提高，且保真性较好。

图2 研究区常规处理与宽频处理地震数据对比Fig.2 Comparison of seismic data processed by conventional and broadband processing methods in study area

1.3 无井反演低频模型构建

由于海上地震资料采集原因，常规处理地震资料的低频信息有所缺失，反演所需的低频成分大多依靠井和解释层位控制插值补充，这种建模方式对沉积环境变化不大的地层比较适用。但对于天然气水合物藏而言，采取常规的层控井插值建模方式的反演结果无法体现水合物藏空间变化快的特点，而采取以地震速度约束建模方式的反演结果则可以很好地体现水合物藏空间变化快的特点(图4、5)，目前比较流行的做法是以地震层速度场作为输入，构建低频模型开展反演，关键在于获得高精度的速度场和低频丰富的地震资料。

在研究区，常规处理中地震资料低频信息比较缺失，10 Hz以内几乎无信息，常规地震速度场精度不高，速度在频率域信息多在2 Hz以内，难以识别水合物矿体的边界(图6左)，而且2～10 Hz内的地层信息很难体现在反演结果上(图7左)。为了拓展地震低频端信息，开展了鬼波压制处理，通过高精度网格层析更新，地震速度场精度得到进一步提高，速度场频率可达4～5 Hz，可以反映出几十米厚的水合物矿体速度异常(图6右)，基本可以实现频率成分的全覆盖(图7右)。研究区A井位置反演阻抗与合成阻抗曲线频谱特征相似(图8)，进一步证实了前期拓展的低频信息合理可信。

图4 研究区层控井插值建模(左)与地震速度约束建模(右)Fig.4 Layers control well interpolation modeling (left)and seismic velocity constraint modeling (right) in study area

图5 研究区层控井插值建模反演阻抗(左)与地震速度约束建模反演阻抗(右)Fig.5 Layers control well interpolation modeling inversion impedance (left)and seismic velocity constraint modeling inversion impedance (right) in study area

图6 研究区常规速度场(左)与高精度网格层析速度场(右)Fig.6 Conventional (left)and high precision grid tomography (right)velocity field information in study area

图7 常规地震反演(左)与宽频地震反演(右)频率信息构成Fig.7 Frequency information composition of conventional seismic (left)and broadband seismic (right)inversion

图8 研究区A井位置反演阻抗(左)与合成阻抗曲线(右)频谱信息Fig.8 Inversion impedance (left)and composed impedance curve (right)spectrum information of A well location in study area

2 在神狐海域天然气水含物矿体描述中的应用

首先，以研究区A、B、C等3口探井作为盲井，对宽频地震无井反演结果进行检验(图9)。从图9可以看出，这3口井点位置的反演阻抗与合成阻抗曲线吻合较好，特别是在水合物层段，如A井钻遇的4层薄厚不均的水合物矿体，总厚度70 m左右，最薄的只有6 m；C井钻遇的厚度20 m左右的单层水合物在反演结果上也有较好的对应关系。这表明，宽频地震无井反演结果精度较高，可应用于对水合物矿体的识别描述。

然后，利用宽频地震无井反演出的阻抗属性结果对神狐海域天然气水合物矿体进行描述，并与常规地震无井反演结果进行对比(图10、11)，从图10、11可以看出，常规地震资料的无井反演结果对水合物矿体内幕刻画不清晰，顶界空间展布描述模糊，而宽频地震无井反演结果很好地描述了水合物矿体的空间展布特征，水合物矿体的顶界、底界以及内部变化特征刻画清楚，水合物矿体的底界是由多套水合物地层与下方游离气的顶界相接触而成，并非是常规反演结果展示的一套连续高阻抗条带。分别追踪水合物矿体顶界，提取对应的平面切片(图12)，可以看出，水合物矿体顶界面在常规地震无井反演阻抗上有一定反映，但其边界的准确识别比较困难；而在宽频地震无井反演阻抗上，水合物矿体顶界平面展布特征非常清晰，边界识别比较容易。因此，在宽频地震无井反演结果上可以更精细地描述神狐海域水合物矿体空间展布形态，更准确地认识水合物矿体的非均质性，寻找潜在的甜点区域，有利于该地区后续水合物矿体的评价开发。

图9 研究区宽频地震无井反演结果盲井检验Fig.9 Blind well inspection for broad band seisimic without well inversion results in study area

图10 研究区常规地震数据(左)及基于常规地震的无井反演结果(右)Fig.10 Conventional seismic data (a)and its well-free inversion result(b) in study area

图11 研究区宽频地震数据(左)及基于宽频地震的无井反演结果(右)Fig.11 Broadband seismic data(a) and its well-free inversion result(b) in study area

图12 研究区常规地震无井反演(左)与宽频地震无井反演(右)水合物顶界平面展布Fig.12 Hydrate top boundary plane distribution of conventional seismic(a) and broadband seismic(b) well-free inversion in study area

3 结论

1) 利用鬼波压制、反Q滤波等技术获得频带更宽的地震资料，利用叠前深度偏移获得高精度网格层析速度场，构建反演所需的低频模型，开展宽频地震无井反演，获得高精度的波阻抗体，可以对神狐地区天然气水合物矿体进行描述。

2) 实践表明，与基于常规地震数据的无井反演相比，宽频地震无井反演结果刻画的水合物矿体空间展布特征准确且清晰，在水合物矿体边界识别、内部细节刻画等方面都更具优势。