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高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用

王威 徐华源 孙波 李阳

王威, 徐华源, 孙波, 李阳. 高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
引用本文: 王威, 徐华源, 孙波, 李阳. 高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
WANG Wei, XU Huayuan, SUN Bo, LI Yan. APPLICATION OF HIGH RESOLUTION MULTICHANNEL SEISMIC SURVEY TECHNIQUE TO THE INVESTIGATION OF NATURAL GAS HYDRATE RESOURCES IN THE SOUTH CHINA SEA[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
Citation: WANG Wei, XU Huayuan, SUN Bo, LI Yan. APPLICATION OF HIGH RESOLUTION MULTICHANNEL SEISMIC SURVEY TECHNIQUE TO THE INVESTIGATION OF NATURAL GAS HYDRATE RESOURCES IN THE SOUTH CHINA SEA[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004

高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
基金项目: 

中国地质调查局地质调查项目 DD20191003

详细信息
    作者简介:

    王威(1987-),男,硕士,工程师,主要从事海洋物探方面的调查研究工作.E-mail:303618189@qq.com

  • 中图分类号: TE1;P631.4

APPLICATION OF HIGH RESOLUTION MULTICHANNEL SEISMIC SURVEY TECHNIQUE TO THE INVESTIGATION OF NATURAL GAS HYDRATE RESOURCES IN THE SOUTH CHINA SEA

图(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-24
  • 刊出日期:  2019-09-28

高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用

doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
    基金项目:

    中国地质调查局地质调查项目 DD20191003

    作者简介:

    王威(1987-),男,硕士,工程师,主要从事海洋物探方面的调查研究工作.E-mail:303618189@qq.com

  • 中图分类号: TE1;P631.4

摘要: 天然气水合物资源作为人类未来可以利用的一种清洁能源越来越受到各界的关注。根据天然气水合物矿藏的分布特点,提出用高分辨率多道地震勘探的技术方法对天然气水合物资源进行探查的可行性,并以南海某陆坡天然气水合物资源勘察为例,详细论述了应用该方法的具体步骤和参数选择的重要性。通过分析获得的地震剖面评判该方法在天然气水合物勘探领域的应用前景和实际价值。

English Abstract

王威, 徐华源, 孙波, 李阳. 高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
引用本文: 王威, 徐华源, 孙波, 李阳. 高分辨率多道地震勘探技术在南海天然气水合物调查中的应用[J]. 海洋地质前沿, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
WANG Wei, XU Huayuan, SUN Bo, LI Yan. APPLICATION OF HIGH RESOLUTION MULTICHANNEL SEISMIC SURVEY TECHNIQUE TO THE INVESTIGATION OF NATURAL GAS HYDRATE RESOURCES IN THE SOUTH CHINA SEA[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
Citation: WANG Wei, XU Huayuan, SUN Bo, LI Yan. APPLICATION OF HIGH RESOLUTION MULTICHANNEL SEISMIC SURVEY TECHNIQUE TO THE INVESTIGATION OF NATURAL GAS HYDRATE RESOURCES IN THE SOUTH CHINA SEA[J]. Marine Geology Frontiers, 2019, 35(9): 19-24. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.09004
    • 天然气水合物又称"可燃冰",是一种由甲烷分子和水分子在低温、高压的环境下形成的具有笼状结构的类似自然冰的结晶矿物[1]。研究表明,天然气水合物具有能量高、储量规模大、对环境污染小等特点。权威机构估计,全球范围内天然气水合物的能量供给量约达到目前全球所有传统化石能源的总供给量的2倍以上。

      高分辨率多道地震勘探技术是一种重要的地球物理勘探手段,通过给地层做CT的方式取得地下0~8 km的地层排列、矿产资源富集判定、油气资源、水合物资源分布等信息,地震数据采集的分辨率主要体现在信号主频和频宽2个方面,高分辨率多道地震勘探技术就是期望获得不同于传统勘探技术的高尖峰主频和宽幅频宽。当前,高分辨率多道地震勘探技术在天然气水合物资源调查中应用较少,其主要原因一方面是由于对水合物资源的研究在最近几年才被世界各国提到战略层次,另一方面是对水合物资源开采、储运、能量分解转换这一系列产业链结构布局不够完善,目前仅存在于试采阶段,因此国际上对水合物资源的勘探热情还不甚高涨。另外,天然气水合物矿藏的成藏特点是底部似海底反射,存在振幅空白带、极性反转、低速异常等特征。高分辨率多道地震勘探技术的特点是利用长排列水下采集电缆作为接收地震回波的媒介,海底地层穿透力较强,反射界面较清晰,速度谱稳定。因此,选择高分辨率多道地震勘探技术进行天然气水合物资源勘查是有利的。

      针对埋藏较浅的水合物资源需要更宽的频谱,这就要求采集电缆的沉放深度尽可能的浅,也就是尽可能的接近海面。众所周知,海水是一个流动的载体,越接近海面,由于其自身流动性所附带的环境噪声对多道地震数据采集的影响就越大,信噪比越差。因此,寻找一个即能取得更宽采集频谱,又能满足较高信噪比的高分辨率多道地震采集参数在海域天然气水合物资源调查中是至关重要的。

    • 高分辨率多道地震勘探系统主要由数据采集记录系统,模拟地震波震源和地震回波接收电缆组成(图 1)。数据采集记录系统负责将采集到的地震反射波数据进行合并、模数转换、存储、输出;模拟地震波震源一般采用组合气枪震源,即由多个不同容量的气枪组成一个气枪震源阵列,各气枪在同一个激发指令下同时激发,瞬间模拟形成一个子波气泡,模拟气泡破裂产生一个人为生成的地震波,目前,大部分气枪激发控制系统都能保证多个气枪在1 ms的误差范围内同时激发,因此,可以认定产生的模拟地震波具有一个确定的发射频谱范围和总能量;地震回波接收电缆一般由多个以道为分隔的部分组成,每道都是独立的数据接收单元,一般包括4~8个模拟地震波检波器,用于接收地层地震反射回波。所有的道连接在一起就构成了整条的地震回波接收电缆,当前,单条电缆最多可以达到1 200道。

      图  1  船载高分辨率多道地震采集系统示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of shipboard high-resolution multichannel seismicac quisition system

      根据震源能量的大小和接收电缆道数的多少不同,可以获得海底不同深度,不同频域的地层反射波信号,一般采用高分辨率多道地震勘探的海底地层穿透深度可以达到0~10 km,频率主要分布在10~800 Hz范围内。

    • 受环境因素影响,如季节性洋流、低压气旋、潮汐流等,在进行海上拖缆作业时,采集电缆会受到一定的影响,与测线方向产生一个夹角,在多道地震作业上被称为电缆羽角,电缆羽角是客观存在的,一般情况下,电缆羽角越大,采集到的地震数据偏移度就越高,对目标层数据的质量评估越差,在后处理时,需要通过校正才能使地震数据更接近于事实。

    • 在进行海上地震勘探时,一般需要将震源和接收器均置于海水面以下一定的深度上。由于海水与空气的接触面是一个良好的反射面,因此,接收器除了接收到通常的反射波外,还将接收到与海平面的反射作用相关联的伴随波,这种伴随波称为鬼波,亦称之为虚反射波[2]。鬼波有3个最显著的特点:①因为海水面的反射系数近似等于-1,鬼波和一次反射波极性正好相反;②鬼波比一次反射波晚一段时间,与震源深度或电缆和海水的速度有关,值往往是比较小的,因而会造成鬼波迭加在一次反射波的后部;③鬼波在频谱图上表现为陷波现象。

      目前,针对鬼波的压制方法主要分为设备参数法和后处理法。设备参数法通过减少采集电缆的沉放深度,使鬼波相对于一次波的延迟时间达到或者超过1个周期,抵消鬼波的影响较好;后处理法即通过设定一些辅助算法,整合或筛选鬼波信号,从而达到从一次波中分离过滤鬼波的目的。当前提出的后处理法主要有匹配算子处理法[3],线性最小平方radon变换方程法[4],F-K域交叉鬼波双检合成法[5]等。

    • 多次波效应是海洋多道地震勘探常见的难点之一,多次波为地震波在同一地层反复多次反射的现象,即地震波到达海底地层后产生的反射回波到达海面再次反射回同一地层,如此重复直至能量衰减消退,特别是在海底地形结构较坚实的海域,多次波效应及其明显。在同一个记录周期内,我们往往只关注一次波的反射回波,而上层反射层的多次波往往伴随在更深地层的一次波之上,二者相互结合,难以区分,往往会对地震采集资料的中深层部分造成较大的影响,数据失真度加大。

      消除多次波主要通过后处理来实现,当前比较成熟的后处理削弱多次波的方法包括上下行波场反褶积法[6]、预测算子法[7]、匹配相减衰减法[8]等。

    • 高分辨率多道地震勘探系统是一个相对复杂的自主地震波发-收系统,该系统以船舶为载体,主要分为水下设备和室内设备两部分。水下设备包括长排列由多个模拟信号水听器组成的地震回波接收电缆,用于发射模拟地震波的大能量气枪震源;室内设备主要由导航定位系统,气枪震源激发控制系统,地震数据接收存储系统,电缆姿态控制系统,空气压缩机系统组成。

    • 本次利用高分辨率多道地震勘探手段在南海某海域陆坡开展天然气水合物资源调查,由于高分辨率多道地震勘探具备采集数据剖面清晰,通过调节震源排列和容量可以比较容易获得不同目标层的地震回波数据;通过改变采集电缆的沉放深度,可以调节采集数据的频带宽度,从中选取较为感兴趣的频率范围;通过变更采集电缆的总道数和不同的炮间距,获得更多的采集数据覆盖次数。

      参数的选取通过现场试验的方式获得,是整个项目获取数据最至关重要的步骤。

      道数、道间距和震源放炮间隔用于确定高分辨率多道地震勘探同一检波点的覆盖次数,具体计算公式如下:

      $$ n = \frac{{d \bullet p}}{{2m}} $$

      式中:n为覆盖次数;

      d为总道数;

      p为道间距, m;

      m为放炮间隔, m。

      即覆盖次数等于采集电缆总长度的一半除以放炮间隔, 本次勘探项目覆盖次数为80次。

      采集电缆和气枪震源的沉放深度是高分辨率多道地震勘探技术中的重要参数, 因目的层及对象的不同会发生改变, 一般二者的浅沉放能够得到较宽的频带, 数据信噪比更高, 对鬼波去除效果更优, 较适合海底天然气水合物勘探, 浅层构造研究, 浅层矿产资源勘查等;而深沉放往往获得的数据资料频宽较窄, 目标层往往更深, 一般超过海底以下2000~3000 m, 更适合海底地层构造研究及海底油气资源勘探。

      震源总能量一般反映地震波的穿透能力,较大的震源能量低频成分为主,穿透力较强,较低的震源总能量不仅有低频成分,还兼顾中高频分量,频谱更宽,但是穿透力不足。

      偏移距为震源中心到采集电缆第1道之间的距离,较长的偏移距对提高采集数据的信噪比有一定的作用,更长的偏移距也可以变相减少船舶本身产生的噪声对接收的地震回波数据的干扰。

      采样率代表采集记录系统对获得的地震数据进行提取的个数要求,一般采样率的确定需要满足采样频率大于所被提取的目标数据的频率的2倍即可,这样就不会出现数据失真的情况。

      本次参数的确定规则是在作业工区附近已经取得过较清晰的天然气水合物矿藏成像资料的位置选取了一条长16 km的试验测线,在该条试验测线上应用6种不同的参数组合进行重复测试,改变采集电缆沉放深度、气枪震源阵列沉放深度、气枪总容量及单枪分布、采样率的不同组合,然后经过现场进行后处理初叠及速度分析,对比6次试验的测量结果后,选取成像最为清晰,信噪比最高的参数作为本次水合物资源调查项目的实际采集参数(图 2)。

      图  2  参数试验成像剖面

      Figure 2.  Imaging profile byparametric test

      试验中考虑到实际海况影响, 当采集电缆沉放深度浅于4m时, 数据的噪声值呈指数形式增加, 信噪比变的非常差, 而且采集电缆沉放太浅对海况的要求较苛刻, 一般浪高不能超过1.5 m, 否则采集电缆的等深度控制将会变的十分困难,最终确定了采集电缆的沉放深度为4m;气枪震源总容量和气枪震源沉放深度决定采集信号的主频、回波信号强度和频宽,经过试验认为震源总容量530 in3*,震源沉放深度5 m这一组合主频达到120 Hz,频宽超过300 Hz,最符合水合物资源勘查所需的频谱特性;采样率确定值为1ms,满足覆盖频宽达到接收的回波信号的2倍以上;偏移距经过相对GPS观测和后处理计算得出平均值为150 m;最后确定的南海某海域陆坡天然气水合物资源调查的具体参数为:240道采集电缆,12.5 m道间距,气枪震源放炮间隔18.75 m,采集电缆沉放深度4 m,震源沉放深度5 m,震源总容量530,偏移距150 m,采样率1 ms。

      * 1 in=2.54 cm; 1 in3 =16.387 cm3

    • 根据海域天然气水合物的矿藏分布特点,本次高分辨率多道地震勘探的目标层为我国南海某海域大陆坡及其两侧(图 3),水深范围变化较大,地震波最大穿透深度一般超过海底以下1500m,反射回波成像清晰,由于天然气水合物的"冰"状特性,使得其地震波反射成像呈类似自然冰的物理特性,地震波的声速、振幅,能量,频谱在目标层中发生特定的转换,充填使水合物晶体的沉积层密度增大,形成声波传输的高速层,而其下伏地层常因水合物的游离气体影响密度变小,成为低速层,两者间形成波阻抗界面。由于天然气水合物的存在与压力、温度密切相关,所以在地震剖面上反映为一组海底相似的负阻抗强反射界面,称为似海底反射,简称为"BSR",BSR反射波常切穿倾斜的地层反射波,与海底波近平行状,但极性相反[9]。在天然气水合物识别的地震反射特征除"BSR"反射以外还有振幅空白带、极性反转、低速异常等特征。对于渗漏型天然气水合物的识别,高分辨率多道地震反射数据可以分别对水体和地层成像,水体的成像结果可以显示海底气泡流的异常,地震反射剖面显示在海底处出现海底下陷、气体溢出口等与甲烷渗漏相关的地形地貌特征,因此,高分辨率多道地震产生的反射数据具有探测渗漏型天然气水合物的能力[10]

      图  3  高分辨率多道地震采集初叠剖面a

      Figure 3.  The initial stack section from high resolution multichannel seismic acquisition

      高分辨率多道地震勘探有其在天然气水合物勘查领域的较大优势。首先,高分辨率多道地震勘探可以提供较浅的震源和采集电缆排列,使得获得的成像资料信噪比更高,频带更宽,本次勘查设计的震源和采集电缆沉放深度能够有效的覆盖天然气水合物的主要频宽,一般在50~100Hz范围内,本次设计的震源子波模拟特性在4m的沉放深度可以实现10~200Hz的频带宽度,主频在80~100Hz,通过提高频谱的高频成分的比重,有利于实现天然气水合物矿藏的高分辨率成像(图 4)。不过,采用较浅的气枪震源和采集电缆沉放也有一定的局限性,最主要的就是环境噪声对数据质量的影响,在一般情况下,超过1.5m浪高的涌浪就会对采集数据的质量有一定的影响,如果浪高超过2.5m,采集电缆的等深度控制将变的很困难,电缆可能会根据涌浪直接上浮到海面上,一旦发生这种情况,采集数据的信噪比将变的非常差,接收的地震回波数据与涌浪噪音混合在一起,后处理时想要尽量滤除需要加大滤波阈值,这样地震数据会损失很大一部分低频分量,虽然,在天然气水合物资源勘探中人们更关注于地震波资料的高频分量,但是过多的低频损失也是不愿意被接受的,因此,在应用高分辨率多道地震进行天然气水合物资源勘查时,对环境的要求是相对于其他调查项目更加的苛刻。如进行深层油气资源勘查时,往往采集电缆和气枪震源的沉放深度都很深,所以一般的涌浪噪声对采集数据的质量影响十分有限。可以说,应用高分辨率多道地震勘探天然气水合物矿藏的方法相对于其他资源勘查具有一定的特殊性,在实际使用时应着重注意把握采集参数的设置。

      图  4  高分辨率多道地震采集初叠剖面b

      Figure 4.  The initial stack section b from high resolution multichannel seismic acquisition

    • 通过对高分辨率多道地震勘探技术的介绍以及对利用此技术在南海某海域进行天然气水合物资源调查获得的地震数据进行初叠成像分析, 得到下列认识:

      (1)通过对高分辨率多道地震勘探技术特点的分析, 证实将该技术应用在海域天然气水合物资源调查中是可行的;

      (2)针对天然气水合物资源的埋藏特点, 通过多次参数试验对比评价的方式, 确定了最适合天然气水合物资源勘查的高分辨率多道地震勘探采集参数;

      (3)在合适的采集参数下, 获得的地震数据具有清晰的层次分布、明确的BSR分界面、可靠的信噪比, 数据资料质量良好;

      (4)采用高分辨率多道地震勘探方法对浅埋深的天然气水合物矿藏探查具有实际应用意义, 佐证了该方法在海底0~8km范围能够实现全方位调查的能力。

参考文献 (10)

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