在浅海陆坡或陆上永久冻土中, 受低温高压的影响, 天然气和水形成类冰状的结晶物质, 这种物质被称为天然气水合物^[1], 因为其外观像冰且遇火可燃烧, 又被称为可燃冰。研究发现, 天然气水合物有较高的能量密度, 在标准情况下, 单位体积的可燃冰可以分解出164倍单位体积的甲烷气体^[2]。天然气水合物分布范围广, 储量丰富且埋深浅, 在我国的高纬度冻土地区和南海浅部地层中均有天然气水合物发现。天然气水合物被普遍认为是21世纪尚未商业化开发的一种巨大的新型清洁能源。南海是我国天然气水合物成矿条件和赋存条件最好的地区, 也是国内研究程度最高且已取得重大突破的地区^[3], 据中国地质调查局估计, 整个南海的天然气水合物的资源量相当于700×10⁸ t石油, 占我国常规油气资源量的一半, 因此我国天然气水合物的开发前景十分光明。

自20世纪80年代起, 我国众多学者开始关注天然气水合物。1999年, 在有关部门的支持下, 启动了天然气水合物资源调查工作, 到2002年, 设立了海域天然气水合物资源调查专项^[4]。我国的海底地震仪(OBS)天然气水合物资源勘查工作起步较晚, 2003年以前, 通过国际和地区合作在南海北部陆缘完成7条测线, 共计74台次的海底地震探测^[5]。2003年, 中国科学院地质与地球物理研究所成功研制了3通道高频OBS, 在南海实测中获取了优质地震记录^[6]。2007年6月, 科研人员在南海神狐海域首次探测到天然气水合物。2013年6月至9月, 在珠江口盆地东部水域, 科研人员首次利用钻探技术得到了高纯度的天然气水合物样品。2015年, 为得到天然气水合物, 在神狐海域先后实施23口钻探井, 最终全都发现天然气水合物。2017年, 广州海洋地质调查局(以下简称广海局)在南海神狐海域进行天然气水合物试采试验, 在一个月内, 试采总产气量达到21.0×10⁴ m³, 至关井作业, 试采连续产气60d, 累计产气量达30.9×10⁴ m³, 在天然气水合物开采方面取得了历史性的突破。本文以中国南海天然气水合物勘探历程和国内OBS技术发展史为背景, 主要介绍了OBS技术勘探天然气水合物的优势以及该技术在南海中的实际应用, 旨在说明OBS技术在天然气水合物勘探和储量估计方面与常规海洋拖缆地震各有优势, 二者相结合, 互为补充, 能够明显提高天然气水合物勘探的精度和储量估计的准确度。

近年来, 随着仪器制造成本的降低和对能源开发的迫切需求, 我国OBS技术发展迅速, 广泛应用于天然地震观测和主动源地震探测, 推动了天然气水合物、海洋油气勘探及海底深部构造的调查。

21世纪初, 我国先后研制出3通道高频OBS和7通道宽频OBS, 在南海、渤海等海域进行了大量的实验及应用, 获取了良好的地震记录, 实际处理结果表明, OBS的共接收点道集尽管偏移距较大, 但仍具有较高的信噪比^[7]。随后, 自主研发的国产OBS在实际勘探以及生产中均获得了良好应用效果, 在海底结构调查与研究中发挥了重要作用^[8], 探查了海洋地壳和地幔的速度结构及板块俯冲带、海沟、海槽的动力学特征^[9]。最近几年, 我国对四分量OBS的研究也较为完善, 广海局在南海北部陆坡进行了一系列四分量的测量, 并且在实际海底地震勘探中成功进行了石油天然气、天然气水合物的探测, 刻画了海底结构及天然气水合物的速度分布, 其可靠性及先进性得到了进一步的检验。

由于天然气水合物具有较高的声波速度, 其充填孔隙空间或胶结沉积颗粒使含天然气水合物的沉积层的声波速度明显上升, 所以速度是识别天然气水合物的重要物性依据, 速度异常是天然气水合物地震响应特征之一, 是判断沉积地层中是否含天然气水合物的重要条件^[10]。在OBS勘探中, 当地层中存在扩散型天然气水合物时, 地震记录具有四大异常特征, 即似海底反射(BSR)、速度异常、极性反转和振幅空白带(BZ), 通常利用反射剖面上的地震响应来确定其赋存区域及分布特征^[9], 提取或反演地震数据中的岩石物理参数, 进而分析天然气水合物的赋存状态和成藏机制。

天然气水合物存在时, 含水合物高速层与饱气或饱水低速沉积层之间的阻抗差使得地震记录上呈现出大致与海底面平行且具有强连续振幅的反射波, 称为BSR^[10]。BSR具有负极性、强振幅、与地层斜交的特点, 其特征明显, 易于识别, 通常作为指示水合物稳定带底界的最主要标志^[11]。由于下伏游离气带与水合物稳定带存在波阻抗差异, 且水合物稳定带波阻抗较高, 因此表现出BSR的反射极性与海底反射极性相反, 这就是极性反转, 此特征是确认BSR真实性的关键所在, 在近水平的沉积层中尤其如此。对于充填有水合物的地层来说, 由于水合物与沉积物之间的胶结作用, 致使地层均匀性增强, 导致波阻抗差减小, 在声学上呈现均一响应的结果, 在地震剖面上造成振幅空白带, BSR、极性反转及振幅空白带这3种识别标志通常相伴而生。

但BSR与水合物层并不是一一对应的, 例如岩性的变化有时也会导致假的BSR, 所以并非所有的BSR都可以用来判断水合物的赋存状态, 而且水合物的存在未必都会引起对应的BSR现象^[12]。2007年广海局在南海神狐海域进行天然气水合物钻探的结果表明, 仅依靠似海底反射和振幅空白不能指示沉积层内水合物的赋存状态^[10], 水合物的识别标志具有一定的局限性, 所以需要通过多学科、多种勘探方法进行联合分析, 综合利用多种识别标志, 进一步提高天然气水合物勘探识别的准确性。

与常规海上反射地震法不同的是, OBS具有可直接放置于海底、自动记录、布设方式灵活等特点, OBS通常搭载四分量的检波器:水听器压力P分量, 垂直速度Z分量, 水平速度X分量和Y分量^[1]。压力P分量只用于表示接收得到的纯纵波信息, 速度Z分量主要为纵波信息, 水平X和Y分量主要为转换横波信息。OBS直接放置于海底, 受海水的噪声和干扰较小, 减少了海水层对地震信号吸收衰减的影响, 因此OBS数据的分辨率以及信噪比较高; 由OBS数据得到的纵、横波速度变化可用于指示水合物和游离气体的存在^[13], 通过分析水合物层速度, 可以将与水合物有关的速度异常分为两种类型:①水合物之下的地层含有游离气型, 其特点是含水合物层的速度高于上、下地层的速度, 水合物之下游离气地层的速度低于水合物之上的地层速度, 且层速度下降较大; ②水合物之下的地层不含游离气型, 其特点是与水合物位置相对应地层的速度高于上、下地层的速度, 水合物之下的地层速度高于水合物之上的地层速度, 且层速度下降较小。随着岩石物理学理论的发展以及地震资料处理技术的日益成熟, 横波资料逐渐得到广泛应用, 推动了水合物的识别, 促进了水合物和游离气饱和度估计的发展。水合物岩石物理模型的研究结果表明, 当沉积层中有水合物赋存时, 纵、横波速度均增大; 当水合物以悬浮状态充填在孔隙中时, 纵波速度增大, 而横波速度变化不明显; 当水合物作为骨架支撑或胶结沉积颗粒时, 储层纵、横波速度均会增大^[14]。因此, 采用OBS获取的纵、横波速度信息联合反演, 不仅提高了识别水合物赋存区域的准确性, 还对判断水合物赋存状态、估算水合物饱和度具有重要意义, 弥补了传统地震勘探方法只能监测到纵波信息的不足, 这一点也是OBS勘探天然气水合物的优势所在^[15]。

在天然气水合物领域, 我国的资源勘查工作起步较晚。

2004年, 广海局与德国基尔大学Leibniz海洋科学研究所合作, 在南海北部布设海底地震仪, 首次发现了面积达4.4×10⁴ km²的可燃冰“冷泉”喷溢形成的巨型碳酸盐岩, 进一步证实了该海域陆坡浅表层存在天然气水合物^[16]。

2006年, 广海局于南海北部陆坡利用海底高频地震仪(HF-OBS)进行了采集试验, 同时对HF-OBS观测系统进行了优化, 并利用纵、横波联合走时反演获得了该区域内含天然气水合物层的纵、横波速度关系, 提高了识别天然气水合物的准确性^[10]。

2007年, 广海局在神狐海域开展了天然气水合物的钻探取样工作, 得到了天然气水合物实物样品, 取得了系列重大发现和成果^[17]。

2009年, 我国在神狐海域首次运用OBS三维地震联合采集技术, 在多道地震数据成像的基础上, 建立相对应的地质模型框架, 使用采集到的纵、横波信息进行联合走时反演, 得到更为准确的速度信息来观察水合物分布区间内的速度变化特征^[18-20]。

2008—2013年, 广海局利用天然气水合物矿体的三维与海底高频地震联合探测、海洋可控源电磁探测、热流探测、海底摄像调查及保真取样等多种技术手段, 在南海珠江口盆地东部海域进行综合探测, 发现了水合物赋存的直接和间接证据, 为我国2013年在该海域钻探获取高纯度的天然气水合物实物样品提供了技术支持。

中海石油(中国)有限公司深圳分公司利用OBS在南海北部珠江口盆地白云深水区开展了多分量海底地震采集试验, 对试验数据进行相应处理后得到了纵、横波阻抗等一系列反映岩性及流体特征的物理属性参数, 进而确定含气储层的范围^[21]。

由此可见, 随着地震探勘技术的发展, OBS技术在我国得到了越来越广泛的应用, 进而地震勘探方法得以丰富, 与传统地震勘探技术的联合应用可以为海洋工程研究提供更丰富的有效信息, 提高了野外工作效率, 提升了海底地质构造勘探的准确性和可靠性, 为石油天然气和水合物等资源的勘探提供了更可靠、更科学的依据。

2011年, 广海局在我国南海利用MicrOBS采集了24站位OBS数据, 赵会兵^[5]对数据进行了预处理、速度分析、叠前时间偏移成像等处理, 提出了一种结合三点定位法、最小平方法、搜索法为一体的OBS混合定位方法, 克服了OBS二次定位不唯一的问题, 提高了定位精度, 取得了良好的成像效果, 为寻找此海域海底下赋存的天然气水合物提供了科学依据。

2011年、2012年, 在南海海域天然气水合物调查中, 王伟巍等^[20]大规模地将陆上三分量横波勘探方法引入深海天然气水合物勘探中, 对原始采集数据进行极性反转, 根据纵、横波速度差异和相位走时差异将纵、横波分离出来, 进行纵、横波联合反演, 处理得到纵、横波匹配剖面和泊松比剖面, 并结合资料的联合处理解释, 实现对BSR区域地下地质结构的顶、底界面刻划, 描绘了断裂发育区及游离气富集区。

SHA等^[21]对广海局在南海北部陆坡利用海底高频地震仪采集的一系列四分量地震数据进行成像处理, 其中包括重定位、重定向、水陆检合并、镜像偏移等。通过检波点下行波的镜像偏移成像, 较传统偏移方法改善了浅部地层的构造照明, 建立了精确的速度模型, 提高了天然气水合物矿体的成像精度, 如图 1和图 2所示, 镜像偏移剖面中海底及浅部地层构造特征清晰、分辨率高, 推测水合物的富集区域主要在海底以下500m左右, 揭示了南海北部陆坡的天然气水合物的分布及其速度特征, BSR与高分辨率剖面和速度特征吻合较好。

图 1(Fig. 1)

图 1 24个OBS观测台站数据的镜像偏移剖面[21]

图 2(Fig. 2)

图 2 均方根速度和地震成像剖面[21]

WANG等^[22]采用分层剥离法(layer stripping approach)对南海北部陆缘的台湾西南部九龙甲烷礁处采集的2条长偏移距反射资料进行叠前深度偏移成像, 其中包括谱分析、带通滤波、增益恢复、多次波压制、速度分析、叠前时间偏移层位提取、反偏移、精细速度建模、叠前深度偏移(PSDM)等处理, 并以25条四分量OBS资料的旅行时反演为基础, 建立了P波和S波速度模型, 推测BSR下方的游离气部分纵波速度范围为1.52~1.58km/s, 纵横波速度比范围为4.5~5.1, 估算了BSR的深度约为50~100m、水合物和游离气沉积层的厚度约为70~100m, 并基于三相有效介质模型得到了伪三维水合物饱和度分布模型, 如图 3所示, BSR界面几乎与海底平行, BSR上方的空白带揭示了水合物的存在, 水合物最大饱和度约为11%, 区域位于BSR下方20m左右, 游离气最大饱和度约为2%, 分布区域位于BSR下方10~70m。

图 3(Fig. 3)

图 3 时间偏移剖面(a)、P波速度界面模型(b)、MCS832-06剖面上含水合物和游离气地层的vP/vS(c)和基于三相有效介质模型由P波、S波速度估算出的水合物和游离气饱和度(d)[22]

徐云霞等^[23]采用2013年广海局在琼东南海域采集的27台OBS纵波资料, 打破常规处理的思路, 利用具有更宽照明范围的OBS下行波场数据进行镜像偏移成像处理。该成像数据频带宽, 具有丰富的低、中、高频信息, 能够获得成像分辨率高、构造清晰、偏移归位准确的OBS纵波剖面数据, 如图 4所示, 可见, 对下行波进行镜像偏移成像后获得了偏移归位准确、海底成像清晰、构造特征清楚、层间信息丰富的偏移成像剖面, 能为后续的水合物无井岩性处理提供具有丰富频率信息的地震叠加资料。

图 4(Fig. 4)

图 4 OBS下行波镜像偏移叠加剖面(a)与偏移叠加剖面(b)[23]

张洁等^[24]以2010年西南次海盆残留扩张中心处获得的OBS数据为例, 概述了转换S波在天然气水合物勘探方面的应用, 通过P波和S波数据的反演获得实际弹性波速度, 并将理论的纵、横波速度与实际值比较, 预测出天然气水合物的饱和度。

刘斌等^[25]在南海北部陆坡水合物勘探区信息的基础上, 建立了与之对应的数值模型, 基于OBS实测数据进行模拟地震, 利用频率域全波形反演方法反演速度(图 5)。该方法能够提供高分辨率的速度结构, 显示出含水合物沉积层的速度异常, 打破了射线理论的高频假设导致走时反演结果分辨率较低的限制。

图 5(Fig. 5)

图 5 全波形反演初始模型(a)以及反演结果(b)[25]

近几年来, 王祥春等^[26-31]针对南海神狐海域OBS数据开展了一系列的研究。2012年针对OBS数据基准面校正的特殊性, 采用Kirchhoff积分法对我国南海实际OBS资料进行了基准面校正处理, 将炮点延拓到OBS所在处的海底面上, 不会对地震波场的分辨率和信噪比造成损失, 相比于传统静校正, 得到的地下地层速度场更加真实、可靠, 为后续的动校正、叠加等常规处理提高了准确度, 有利于分析判断水合物的分布区域^[27]。利用层间多次波富含的丰富地质信息对海底地层成像, 比传统一次波成像获得了更广的照明范围, 尤其在浅层获得了更好的成像效果, 利用海底接收器深度不同, 应用逆时叠前深度偏移对鬼波成像, 有利于判定海底储层情况。对2015年广海局在神狐海域采集的OBS数据进行二次定位, 采用时间切片法对OBS位置进行重定位, 如图 6所示, 可见, 直达波同相轴经过重定位校正成几乎水平形态, 保证了观测系统定义的正确性, 为OBS的后续处理奠定了坚实的基础^[27]。

图 6(Fig. 6)

图 6 重定位中采用的原始OBS数据(a)和采用时间切片法对OBS数据进行重定位后的结果(b)[27]

对OBS地震数据进行纵、横波速度反演研究, 利用单道数据建立地质模型, 利用最小平方二乘法拟合实际旅行时与理论旅行时, 利用广角反射OBS数据确定纵波速度结构, 获取了地层的纵、横波速度-深度信息^[28-29], 研究了沉积层的速度分布规律和变化特征。如图 7所示, 采用OBS数据反演的速度-深度场对常规海洋拖缆数据提取的速度场进行约束, 提高了海洋拖缆数据的信噪比和分辨率^[30-31], 有利于判断海底地层分布状态、圈定可能的储层范围。

图 7(Fig. 7)

图 7 叠前深度偏移剖面[27] a  拖缆资料叠前深度偏移剖面(常规速度分析方法获得的速度作为偏移速度模型); b  叠前深度偏移剖面(OBS反演的速度作为偏移速度模型)

随着天然气水合物资源调查、试采及未来商业化开采技术储备等各项工作的深入开展, 水合物储量的准确估计与开发设计优化迫在眉睫, 而解决储量准确估计和开发方案制订的关键在于饱和度的准确估计。

根据气体的疏导方式, 天然气水合物矿藏被划分为扩散型和渗漏型两类体系。扩散型天然气水合物充填在沉积物孔隙中, 储集介质为富含生物碎屑的粘土和粉砂, 矿藏呈层状分布在稳定域底部, 因此, 也可称之为孔隙充填型天然气水合物, 储层表现为地震各向同性。在深水盆地的细粒沉积物中, 压力取岩心结果显示天然气水合物除了孔隙充填型外, 有时还会以结核状、层状、脉状或块状等裂隙形态发育, 我们称该类型天然气水合物为渗漏型天然气水合物, 也称为裂隙充填型天然气水合物。渗漏型天然气水合物是仅次于极地和海洋砂岩孔隙储层类型水合物的一种主要水合物类型。与孔隙充填型天然气水合物有所不同, 渗漏型天然气水合物地层由于受构造应力的作用, 裂隙倾角一般较陡, 分布与断层主应力有关, 具有定向特性, 类似于裂隙介质, 在测井速度、电阻率和地震反射上均呈现明显的各向异性特征。

对于扩散型天然气水合物, 不同学者提出了多种理论和半经验模型, 利用测井速度、电阻率等资料来估算均匀各向同性的孔隙充填型天然气水合物的饱和度, 包括Biot-Gassmann理论、三相Biot方程、简化三相方程(STPE)和有效介质理论(EMT)等, 各种理论计算出的结果与实际水合物饱和度相差不大。因此, 这些理论模型在扩散型水合物的饱和度计算中得到了较好的应用。由于渗漏型水合物地层存在各向异性, 将这些理论模型应用于渗漏型水合物饱和度估算时出现了较大的偏差。因此发展基于裂隙各向异性假设的渗漏型水合物饱和度估算技术是当务之急。

OBS数据有4个分量, 一个只记录纵波的水听器分量, 一个主要记录纵波的垂直分量和两个主要记录转换横波的水平分量; OBS位于海底, 受海浪等环境噪声干扰小, 信噪比高; 另外OBS勘探时, 炮点在海面呈三维分布, 围绕着OBS点呈360°全方位覆盖, 有利于方位各向异性的研究。OBS资料中的转换横波信息可以用于判别裂隙是否存在、确定裂隙的几何参数和获得纵横波速度信息, 因此OBS资料是海洋地震勘探中最适用于渗漏型天然气水合物各向异性分析及饱和度估计的资料。综上所述, 利用OBS资料开展基于各向异性理论的渗漏型天然气水合物饱和度估计研究具有重要的实用价值及战略意义。

国内在海底地震仪硬件研制方面已取得明显进步, 研发的仪器已能够用于实际工业生产, 但在性能方面与国际还有一定的差距, 有着广阔的提升空间。OBS资料纵波处理方面, 目前主要是在采用常规拖缆资料处理方法的基础上, 针对数据的特殊性所做的一些特殊处理方法技术研究, 尚未形成具有自主知识产权的数据处理平台, 资料处理工作繁琐, 没有标准化流程, 处理结果因人而异, 因此研发OBS纵波处理技术软件平台及形成标准化数据处理流程迫在眉睫。在OBS转换横波资料处理及反演方面更是处于初级阶段, 未来在水合物储层各向异性研究等方面需要加大攻关力度, 使得OBS技术的最大优势能够充分发挥。总之, OBS资料在天然气水合物勘探方面的作用已初见成效, 随着未来数据解译技术的进一步发展, 该技术在水合物储量估计方面将会发挥越来越大的作用。