地震属性在海洋天然气水合物识别中的应用

王伟巍，伍忠良，龚跃华，吴世敏

（1.自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510760；2.中国地质调查局广州海洋地质调查局，广东 广州 510760；3.中山大学，广东 广州 510275）

天然气水合物是一种天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，在我国青藏高原冻土带和南海北部深海海底都有发现，已被我国正式确认为一种新的矿产资源。天然气水合物因其资源密度高，全球分布广泛，并且绿色清洁无污染，商业化开发已被世界多国提上日程。海洋天然气水合物资源勘探，主要采用主动源海洋多道地震探测技术，被公认是水合物资源调查技术的重要研究领域。在水合物资源勘查阶段，研究人员主要应用高分辨二维地震/三维地震调查技术，在成像剖面中寻找海底似反射（Bottom Simulating Reflector, BSR）、极性反转等疑似水合物赋存的标志[1-2]。2007 年与2013 年，南海北部海域钻探获取水合物实物样品，标志着我国海洋天然气水合物资源研究工作进入勘探开发阶段。同时大量研究表明，以BSR 特征识别水合物存在不确定性情况[3]。为此，科研人员从油气藏勘探技术中引入提出了天然气水合物地震属性技术，于南海北部海域开展单源单缆高分辨准三维地震调查，选取BSR 特征剖面进行地震属性提取与分析，探讨地震属性技术在提高水合物矿体识别研究中的效用。

地震属性是指叠前或叠后地震数据，经数学变换而导出的有关地震波几何学、运动学、动力学和统计学的特征值，代表了原始地震资料中所包含全部信息的子集。天然气水合物地震属性分析是根据不同的算法得出多种地震属性，找出对水合物敏感属性，然后利用这些地震属性将差异“放大”，使其能区分判断与水合物有关的微小地震反射特征，从而达到识别预测水合物的目的[4]。

为满足属性提取质量，原始数据采集通过高分辨准三维地震探测技术，数据处理应用高精度纵波速度层析反演及约束改善拖缆准三维地震数据成像技术，为无测井资料（伪井）的天然气水合物矿体的多种敏感属性的分析应用，提供了高精确，高可信度的地质地球物理数据[5]。由于水合物矿体和含游离气带对不同的地震属性有不同的敏感度，水合物矿体对振幅属性比较敏感，BSR 往往呈强振幅特征，水合物赋存地层因其内部成矿程度高在剖面上形成振幅空白带。水合物层下部的游离气不但对振幅属性敏感，而且对频率属性也很敏感，BSR 下部的游离气往往形成振幅增强体（亮点）及低频效应。因此，通过提取地震属性分析，可以提高对水合物矿体及游离气带的识别度。

1 天然气水合物准三维地震数据采集

我国海洋天然气水合物资源勘查与开发，主要通过采用单源单缆高分辨率（准）三维地震拖缆采集，海上实施模式如图1 所示。在设计调查区域内寻找存在BSR 地震反射特征区域，圈定并选取水合物矿体富集并具有较好开发价值的目标区。

图1 单源单缆准三维维地震海上采集原理示意图

在南海北部海域前期的二维地震调查圈出的存在BSR 特征的调查区块内，为进一步研究天然气水合物的识别技术，进一步圈定天然气水合物钻探及试采有利目标区，广州海洋地质调查局“奋斗四号”调查船在此区域开展了准三维地震采集技术试验以及数据采集工作，获得了丰富的准三维地震数据，并采用浅海底层去噪、反褶积、偏移成像等技术，通过海底地震反演层析速度数据约束，处理输出三维叠前（叠后）偏移数据体。

1.1 试验区位置

试验海域位于我国南海北部陆坡海域，海水深度约在400～2 400 m 之间，图2 为天然气水合物准三维地震试验工区位置图。试验区包括了部分陆架、陆坡和深海平原三个地貌单元，地貌形态复杂各异。试验区经过充分的二维高分辨多道地震调查，设计测线基本覆盖区域内BSR 范围（图2 绿色区域），在预测水合物赋存区域（图2 蓝色区域）进行了测线相应的延长和加密测量，有利于获得更高分辨率和精确速度的地震波场资料。

图2 天然气水合物准三维地震采集海上试验工区位置图

1.2 试验船只与设备

试验船只为“奋斗四号”船，配有现代化集控航海、通讯、气象传真等设备。专业调查设备主要有导航定位系统、地震测量系统等。

地震震源系统：由气枪控制器和G.I.枪相干枪阵组成。震源容量为540 Cu.in.，由4 条G.I 枪组成。气枪控制器为GunLink2000 气枪同步控制器。地震接收系统为法国SERCEL 公司的SEAL428XL 海洋拖缆地震采集系统，配备192 道拖曳电缆，道间距为12.5 m。试验参数详见表1.

表1 准三维地震与海底地震联合采集试验参数表

1.3 试验数据获取

海上试验共完成了准三维试验测线29 条，试验工作量447.30 km，形成三维数据体面积12.8 km2。本文选择主测线（图2 中蓝色阴影测线）进行数据处理及属性提取分析，表述方法的应用及取得效果。

2 数据处理

地震数据三维资料处理主要分为数据预处理和面元均化处理等几个部分，数据预处理主要针对涌浪、头标、水鸟所产生的噪音以及多次波进行压制，形成SEGY 格式的道集，三维处理重点在于针对单源单缆的特点，进行观测系统定义、面元均化、三维叠加等处理流程，最终形成三维偏移和叠加剖面，为后续的解释反演提供基础数据。

图3 天然气水合物准三维地震处理流程图

试验中，作者对全区域内拖缆数据进行速度分析，获取高精度层速度信息，用于改善主测线拖缆数据偏移叠加成像质量，实现了精确速度约束下的拖缆多道地震偏移叠加剖面成像处理，为数据反演、地震属性提取做好数据准备。

3 BSR 地震属性检测与提取

3.1 三维地震资料BSR 层位追踪

地震属性分析需要特定层位约束，层位信息是地震属性分析的重要前提。对于天然气水合物探测而言，BSR 特征是地震属性分析必须具备的。然而在三维地震数据体进行人工拾取的BSR 适用性较差，主要存在两点不足：一是人工追踪耗时长；二是人工追踪难以实现BSR 延展至全部三维地震覆盖区域。因此，提出两种方法生成全区覆盖的BSR 参考层位，用于后续的地震属性分析。

首先，在研究区内追踪海底层位（图4-a），计算覆盖全区的BSR 参考层（图4-b）。图4-c 是人工拾取的BSR，计算出的全区BSR 参考层与之相比非常接近（图4-d）。其中，分辨率较高的地震数据体及准确的速度信息为计算追踪BSR 全区域层位提供可信性保证。

图4 BSR 层位追踪效果图

3.2 天然气水合物地震属性综合分析

目前，BSR、振幅空白带、速度倒转和极性反转等地震异常特征，仍是识别水合物的主要标志。但是因为地震信息存在多解性，具备上述特征仍无法确定水合物的存在。例如，地层孔隙度低会造成纵横波速度增大；地层均匀或内部破碎就可以在常规处理地震剖面上形成弱反射带；上下接触的地层波阻抗差都会形成强反射界面；只要存在高速层就会形成与海底反极性等[6]。

实践中，下列情况难以用BSR 来识别水合物：（1）游离气层较薄或者完全没有；（2）存在近似平行于海底的同相轴，但其上的空白带和其下的低速特征不明显，没有切割同相轴的现象；（3）由蛋白石等岩性引起的假BSR 现象。因此，要判断由水合物赋存而形成的BSR，还存在许多技术问题，需要在实践中不断改进和提高采集、处理和解释技术[7]。

综上所述，目前用来在地震剖面上识别天然气水合物的反射特征都存在多解性。为加强水合物的识别，对三维地震数据进行了特殊属性计算，包括叠前反演属性如P 波阻抗反射率、流体因子、法线入射反射率、泊松反射率和弹性波阻抗反射率，以及叠后属性如瞬时振幅、瞬时频率、相对极性、能量半衰时等。通过特殊处理，进一步揭示水合物的地震综合异常特征，取得了可供参考并应用的效果。同时，在利用各种地震信息检测水合物的过程中，应注意各种地震信息的相互印证，才能较准确识别水合物并把握其赋存部位。下面说明各种地震属性在水合物地震检测中的应用[8]。

3.2.1 叠后属性分析 偏移叠加数据体反映的时间构造对应着地下的真实情况，是地质分析和BSR识别的基础。在叠加偏移数据体上开展分析反射强度、瞬时频率、相位余弦和视极性属性剖面，以帮助识别BSR 及水合物可能的赋存状态。为考察地震反射的平面分布特征，沿BSR 层位提取了均方根振幅、弧长、能量半衰时属性和平均瞬时频率属性。为方便计算，对BSR 层位进行了适当的延伸和插值处理[9]。

3.2.2 叠前属性分析 在叠前偏移数据体上提取P波阻抗反射率、流体因子、法线入射反射率、泊松反射率、弹性波阻抗反射率等属性，分析得出其对地层含流体信息比较敏感，能够更直观快速的反映BSR 构造轮廓，快速识别水合物。

P 波阻抗反射率是一个相对数值，主要反映地层P 波阻抗变化情况，可用于进行岩性解释。以高速水合物层为盖层，含气围岩可以产生强反射，有利于识别BSR 和游离气[10]。流体因子可预测地层中流体变化，有利于识别BSR 之下是否含气。法线入射反射率是地震波在岩性界面法向的相对反射强度。泊松反射率反映的是流体的可压缩性。弹性波阻抗是声波阻抗在非法向入射情况下的自然推广，随入射角变化而变化，利用不同入射角的地震叠加数据进行反演，反射系数精度高，能够有效地预测岩性和流体，对岩性的指示能力强。

3.3 试验区BSR 地震属性分析

从取得的资料获知，本研究区内BSR 分布广泛，本文选取了准三维处理三维数据体中心剖面Line80 测线（图5）进行属性提取和分析。从地震剖面上可看到BSR 表现出与水合物相关的典型特征：反射极性与海底相反；反射强度较大并与正常沉积地层反射同相轴相交；上下常伴有空白反射现象。BSR 总体近似平行于海底，在深水区距海底的厚度增大，这与水合物稳定带厚度随水深增加有关[11-12]。

图5 三维地震数据体中心成像剖面

（1）BSR 层的属性提取与分析

针对于剖面上BSR 反射层，提取了P 波阻抗反射率、反射强度、视极性等地震属性，并绘出相应属性剖面进行分析（图6～图8）。分析结果表明：提取的这三种属性剖面可以明显的区分出BSR 反射层，排除近海底多次波反射的影响；利用反射强度及P波波阻抗反射率属性剖面可以进一步确定BSR 层（含水合物矿体层）的分布特点，并总结出与围岩的赋存关系。

如图6 所示，在line80 测线的视极性属性剖面上，与海底正极性反射（白—紫—白色）相比，BSR的反极性特征非常明显（紫—白—紫色），此特性可以将BSR 反射层与海底多次波（鬼波）反射区分开来，进一步确定BSR 反射特征层位位置，明确与天然气水合物赋存存在的关联。

图6 Line80 视极性属性剖面

从反射强度属性剖面上（图7）观察到，BSR 的反射强度（红色区域）相对较高，局部较强反射主要集中于裂隙构造区域上部，且侧向分布有远离断层反射强度降低、连续性减弱的现象，可以确定与水合物层分布的不连续性相匹配，区域内发育的裂隙断层作为主要气体运移通道对本区水合物形成分布起重要的控制作用[13]，两种地质现象同时显著增强，有利支持了此区域水合物矿体赋存的识别与预测。

图7 Line80 线反射强度剖面

提取P 波波阻抗反射率属性剖面（图8）并进行分析，海底界面和BSR 表现为强反射、高阻抗差；海底界面是连续的，而由水合物的赋存性质，BSR 界面呈现点散状、块状及长条状等断续分布，BSR 之上的弱反射表明水合物矿体与围岩之间的波阻抗差值小，体现交互赋存的特征。

图8 Line80 线P 波波阻抗反射率属性剖面

（2）BSR 反射层位上部地震属性提取与分析

为研究BSR 反射层与其上伏地层的关系，识别水合物赋存带，在地震剖面上，提取P 波阻抗法线入射反射率和能量半衰时等地震属性，对BSR 层上反射体进行分析。

对Line80 测线P 波阻抗法线入射反射率属性剖面进行分析（图9），BSR 反射层之上地层可追踪多层相似层位，反射率振幅能量均匀分布，说明上伏地层岩性差异不大，且层状沉积，具有整体性特点，可视为沉积（成矿）稳定带，对水合物矿体形成理想的盖层。

图9 P 波阻抗法线入射反射率剖面

从整体研究，时窗选取海底到BSR 之间，提取能量半衰时属性（图10），也能够刻画BSR 之上地层的地震反射特征。若BSR 上部地层存在反射空白带，那么能量半衰时属性将对应较低的值。从图中可看到，调查区内能量半衰时多小于40%，主要分布于调查区西北部，反映这些区域紧靠BSR 的上部地层反射振幅普遍较弱。这与地震剖面上观察到的广泛发育的反射空白带相对应，说明本区水合物成矿稳定并十分富集。

（3）BSR 反射层位下部地震属性提取与分析

为研究BSR 反射层与其下部地层的关系，研究水合物成矿机制，在地震剖面上，提取流体因子、泊松反射率和弹性波阻抗反射率等地震属性（图11～图13），对下层矿体进行分析。

图10 能量半衰时属性（海底到BSR 层之间）

对Line80 测线剖面提取流体因子属性剖面（图11），我们可以看到，与地震剖面相比，在BSR 层以下原来反射强度较弱的情况在流体因子剖面上表现为强振幅，并且与断层发育区域相关联。在断层发育较多的剖面下侧，强振幅分布密集，说明BSR下地层表现为含流体地层，流体的运移通道为断裂带。结合水合物的成矿模式，我们可以认为BSR 下伏地层为含气地层，为水合物形成提供充足的气源。

图11 Line80 流体因子剖面

提取并分析Line80 泊松反射率剖面（图12），泊松比值同样反映地层的含气属性，其结果与流体因子属性相反，在剖面上可以形成强弱互补特性，即在含气的地方流体因子能量增强，而泊松比能量明显降低，进一步验证BSR 下伏地层的含气属性。

图12 Line80 泊松反射率剖面

对比Line80 弹性波阻抗反射率剖面（图13），相比P 波阻抗反射率剖面，弹性波阻抗反射率受流体影响较小，更多反映地层的岩性变化。对于Line80 线，结合两种波阻抗反射率剖面，可看到高值异常分布范围较大，集中于斜坡中部，在低部位和高部位较少有流体和岩性的异常反应，也佐证识别出了水合物富集的具体位置。

图13 Line80 弹性波阻抗反射率剖面

4 分析讨论与结论

4.1 地震属性综合分析讨论

地震属性技术在常规油气藏勘探构造识别应用非常成熟，提取的地震属性类型繁多。在海洋天然气水合物勘探中，天然气水合物成矿机理特异，能够提高地层中天然气水合物矿体识别精度和预测准确率的地震属性比较集中，通过几类属性的提取及分析，在地层BSR 反射特征区域排除了特殊地质环境的干扰，不仅能够实现天然气水合物矿体的精准识别，对地下地质结构进行定性分析，还可以直观反映地层BSR 反射区域的结构信息，刻画出水合物矿层这种非连续性复杂赋存结构纵向及横向演变。综上分析，本次研究针对水合物BSR 层，分别提取了P 波阻抗、P 波阻抗反射率、P 波阻抗法线入射反射率、弹性波阻抗反射率、反射强度和弧长、泊松反射率、均方根振幅、能量半衰时、视极性、流体因子等属性并对剖面进行了分析，旨在对水合物BSR 区域水合物赋存地层做定性的讨论，对天然气水合物三维矿体精确描述。

（1）检测BSR 之上的矿体的属性包括：P 波阻抗法线入射反射率、均方根振幅和能量半衰时；（2）检测BSR 的属性包括：P 波阻抗反射率、视极性、反射强度和弧长；（3）检测BSR 之下的游离气的属性包括：P 波阻抗、流体因子、泊松反射率和弹性波阻抗反射率。

通过对比分析，叠前偏移地震属性主要揭示了BSR 反射特征地层的边界效应，进一步识别出水合物赋存结构，能够准确地确定出水合物矿体的底界面以及追踪到水合物稳定成矿带和物质能量供给带，为圈定水合物矿体范围及含流体饱和度计算等工作提供指导；偏移叠加后地震属性是研究BSR 反射区域内部结构的主要技术手段，在属性剖面上刻画出水合物成矿带横向断续展开和块状、散点状赋存的特点。总之，本文所述地震属性单独分析针对性较强，指示效果明显；同时多种属性联合分析，能够实现互补及弱势增强的效果，是天然气水合物勘探开发中间重要环节，突出了地震信息特殊处理解释技术的优势。

由于天然气水合物埋藏的高密度和含流体属性，叠前地震剖面上的阻抗属性技术效果突出，在前期资料明确指出水合物在本研究区地层赋存的情况下，此区域内BSR 强反射得以连续追踪，清晰可见。同时对能量衰减属性、流体因子等属性分析，对BSR 反射层的向下延伸印迹能够同时显现出来，穿层断裂、裂隙等也被突出显示，为判断此区域天然气水合物类型及成矿模式的探讨提供有效证据。

4.2 结论

地震属性分析技术在天然气水合物BSR 结构识别中应用中，取得了较为理性的效果。针对天然气水合物准三维地震探测技术，利用精确速度信息，约束和改善三维地震叠前偏移及偏移叠加处理，为实现研究区域内全域BSR 追踪和拾取提供了数据可靠性、可信度支持。多种地震属性提取成像清晰，效果明显，通过不同属性剖面对比分析，可以分辨出水合物BSR 内部结构的差异性，特别是强反射界面的相互验证、位置标定，松散交结与含气变化，BSR 的连续与断续关系等等，实现水合物矿体的精准识别。研究同时也对BSR 反射界面上下一定区域进行了属性分析，基本上描述出了BSR 反射区域水合物成矿带的范围，能够进一步圈定水合物矿体的纵向、横向分布情况，对研究天然气水合物的成藏机制，成矿理论，以及估算BSR 地层中水合物矿体储量，确定钻探井位等有着重要的意义。