海底地震儀探測天然氣水合物技術

柴 祎 郝小柱

廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760

天然氣水合物是烴類氣體在低溫高壓條件下與水混合形成的籠形化合物，廣泛分布于大陸永久凍土、海洋淺層沉積物中。海洋中的天然氣水合物主要存在于水深大于300米海底以下2000m以淺的沉積層中[1]。海底地震儀是放置于海底的檢波器，其直接與海底接觸，可以采集到縱波和橫波數據，而且其采集的數據是寬方位角，其信息可以有效地接受來自于高阻層之下的地層反射或者折射。前人研究表明橫波速度在天然氣水合物中不論其飽和度如何變化，速度變化始終較小；縱波速度隨著天然氣水合物的飽和度的減小，其速度會越來越小。海底地震儀就是利用這一靶點探測天然氣水合物。

1 海底地震儀觀測系統設計

觀測系統設計的目的是找到最佳的采集參數組合和海底地震儀（OBS）分布間距，使海底沉積層的成像能夠滿足勘探需要。一般采用射線追蹤法和波動方程法正演以及聚焦理論進行分析研究，確定采集參數和OBS的布局方式，從而實現觀測系統的設計[2]。鑒于OBS一般和海面拖纜聯合采集，設計時也應考慮施工因素。觀測系統的設計必須首先根據地質資料對目的層進行地質建模，然后用利用正演優選炮間距、測線間距以及OBS的間距和排列方式。雖然投放于海底的OBS數量有限，但是選取合適的參數通過合理布局，可以獲得較好的縱橫波信息和轉換波信息。廣州海洋地質調查局通過實驗得出了在南海某海域，要取得良好的成像效果，OBS間距分部小于500m的結論[3]。

2 數據處理技術

海底地震數據處理的主要目的就是獲得有效的PP波和PS的速度信息，改善地震剖面的成像質量，進一步弄清天然氣水合物礦體的外部形態和內部速度結構，為綜合識別、預測和評價水合物礦體服務。

OBS數據處理分為預處理和常規處理。

1）數據解編和格式轉換

把野外數據從OBS里導出，再把每個分量的數據轉換成后處理及解釋所需要的格式。

2）二次定位

OBS投放后，受水流的影響一般會漂離投放位置，因此，需要根據采集得到的數據進行二次定位。檢波點位置二次重定位分析是基于限定偏移距范圍內，經過線性動校正后觀測初至時間是否對齊，以此為依據來判斷檢波點位置坐標是否存在偏差。

3）時間校正

由于OBS放置于海底沒有GPS的精確授時，主要依靠內部時鐘計時，由于海底環境的變換會產生的時間偏差。時間校正就是為了消除時間漂移對初至波走時的影響。

4）水平分量旋轉

在投放OBS的過程中，OBS會發生旋轉和水平漂移，造成OBS的沉底位置與設計的方位有差異而導致預定的水平分量接收方位不在最佳的極化方向，因此要對水平分量作旋轉。

5）基準面校正

OBS勘探其放炮點和檢波器點不在同一個基準面上而是上下高差很大，因此需要做基準面校正。選用海水面做基準面可用有限差分法波場延拓技術進行處理，相當于常規處理中的靜校正[4]。

6）常規處理包括濾波、反褶積、增益、傅里葉變換以及頻譜分析、速度分析[5]。其中速度分析是處理的重中之重。

速度分析包含P波速度分析和PS速度分析。P波速度分析與常規的NMO速度分析相同，PS波由于其時距曲線不是雙曲線，需要求取轉換波時距曲線，按照轉換波時距曲線進行振幅疊加求取速度譜，進而進行速度分析[6][7]。

3 資料解釋應用

海底地震儀所采集的數據不僅是廣角數據，而且包含了縱橫波以及轉換波信息。通過分析處理可以得到沉積物中天然氣水合物和游離氣的分布情況以及天然氣水合物沉積層孔隙度、飽和度等物理參數。具體而言主要包括以下幾個方面

3.1 天然氣水合物響應特征

海底地震儀放置于海底，能夠接收到縱波和轉換橫波，綜合利用這些信息，可以更好的為描述海底沉積層構造特點和含油氣屬性服務，這也是其優勢所在。通過前人研究得知縱波在純天然氣水合物中的速度一般很高，因此天然氣水合物含量越高，P波速度相應也越高，若水合物中含有氣體則其速度會大幅降低。而橫波只是在固相介質中傳播，因此沉積層中是否含有非固相介質對于其速度傳播基本沒有影響。由此可以得出如下推論：除開地質因素影響，若P波速度譜在某段降低，而S波速度譜無變化，則此段地下可能存在游離氣；P波速度譜在某段升高，而S波速度譜無變化，預示該區域的該段內可能存在天然氣水合物。所以在通過分析P波，PS波速度曲線判斷是否存在天然氣水合物時，一定要充分考慮工區地質條件，排除地質因素后的速度變化才是真正的異常響應[5]。

3.2 AVO分析與反演

天然氣水合物層所獨有的縱橫波特征使得AVO分析與反演技術在OBS的勘探中發揮著廣泛的作用[8]。OBS采集海底各巖層的彈性波的多波多分量信息，在利用振幅隨偏移距變化（AVO）進行彈性參數反演中，這些分量對反演所作的貢獻是不同的，體現在各反射波的反射系數與彈性參數的信息量及其組合關系的關聯程度是不同的。利用波場正演技術分析研究海底多波地震資料中蘊含彈性參數的信息，有助于充分利用海底多波地震資料提高AVO反演彈性參數的可靠性[9]。

4 結論

近年來，OBS應用于探測天然氣水合物技術取得了很好的進展，在實際應用中也取得了較好的效果。今后OBS的發展取決于本身檢波器的發展和OBS數據的處理。本文簡單介紹了OBS探測天然氣水合物技術，從觀測系統的設置，到處理以及資料的應用都做了概述。在這些流程中OBS數據的處理最關鍵，如何找到一種適用且成熟的處理方法有待于更多的研究。

[1]潘繼平，李思田 ，許紅. 天然氣水合物的重要特征與評價及其在中國海域的勘探前景[J]. 海洋地質與第四季地質，2000，20（1）:63-72.

[2]曾先軍，伍忠良，郝小柱. 天然氣水合物礦體的三維地震與海底高頻地震聯合采集技術一海底地震儀觀測系統研究 [J]. 海洋技術 ，2010，29（1）:124-130.

[3]伍忠良，馬德堂，沙志彬. 海底地震觀測系統設計方法研究[J]. 西安科技大學學報，2011，31（2）:194-197.

[4]楊鍇，徐世勇等. 有限差分法波場延拓海水基準面校正[J].中國海上油氣（地質），1999，13（5）:p342-345.

[5]夏常亮，劉學偉，夏密麗，劉恩華. 應用OBS探測海底天然氣水合物[J]. 勘探地球物理進展 2008，31（4）:259-264.

[6]Jurgen Mienerta. Stefan Bunza. Ocean bottom seismometer investigations in the Ormen Lange area offshore mid-Norway provide evidence for shallow gas layers in subsurface sediments[J]. Marine and Petroleum Geology，2005，（12）:287-297.

[7]Chris LeBlanc，etc. Gas hydrate off Eastern Canada:Velocity models from wide-angle seismic profiles on the scotian Slope[J]. Marine and Petroleum Geology，2007，（24）:321-335.

[8]吳志強，陳建文，龔建明，肖國林，文 麗. AVO技術在水合物勘探中的應用[J]. 海洋地質動態，2004，20（6）:31-35.

[9]顧家明，王家映，江濤，朱光明. 海底多波多分量AVO蘊含彈性參數信息的定量分析[J]. 2000，35（1）:56-63.