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热带海洋学报 >

2020 , Vol. 39 >Issue 1: 120 - 129

DOI: https://doi.org/10.11978/2019011

海洋地球物理学

裂隙识别技术及其在油气和水合物勘探中的应用

  • 宋瑞有 , 1 ,
  • 于俊峰 2 ,
  • 晁彩霞 1 ,
  • 宋鹏 1 ,
  • 潘光超 1
展开
  • 1. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司, 广东 湛江524057
  • 2. 广东石油化工学院, 广东 茂名 525000

宋瑞有(1980—), 男, 山东诸城人, 高级工程师, 主要从事石油天然气勘探研究。E-mail: 12938315@qq.com

Copy editor: 孙淑杰

收稿日期: 2019-01-21

  要求修回日期: 2019-05-13

  网络出版日期: 2020-01-09

基金资助

国家科技重大专项(2016ZX05024-002)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Fracture identification technique and its application in gas and hydrate exploration

  • SONG Ruiyou , 1 ,
  • YU Junfeng 2 ,
  • CHAO Caixia 1 ,
  • SONG Peng 1 ,
  • PAN Guangchao 1
Expand
  • 1. Zhanjiang Branch of China National Offshore Oil Corporation Limited, Zhanjiang 524057, China
  • 2. Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China
SONG Ruiyou. E-mail:

Received date: 2019-01-21

  Request revised date: 2019-05-13

  Online published: 2020-01-09

Supported by

Major National R & D Project(2016ZX05024-002)

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

摘要

裂隙是油气藏和天然气水合物成藏成矿的有利疏导体系, 但是受地震分辨率的影响, 微裂隙不易用常规手段识别。为研发一套实用的裂隙识别技术, 文章分析了裂隙的地震波运动学和动力学特征, 结合相关技术功能原理, 融合三维可视化技术、相干技术等方法, 在莺歌海盆地的底辟构造中成功刻画出裂隙通道, 并据此技术发现大气田。经实践及分析, 该技术亦可应用于琼东南盆地天然气水合物的疏导体系研究, 是一套行之有效的裂隙识别技术。

关键词： 裂隙识别技术; 底辟; 天然气水合物; 运移通道

本文引用格式

宋瑞有 , 于俊峰 , 晁彩霞 , 宋鹏 , 潘光超 . 裂隙识别技术及其在油气和水合物勘探中的应用[J]. 热带海洋学报, 2020 , 39(1) : 120 -129 . DOI: 10.11978/2019011

Abstract

Fractures are favorable transport systems for forming of hydrocarbon reservoirs and gas hydrate deposits. However, it is difficult to identify micro-fractures by conventional means due to limited seismic resolution. For the development of practical fracture identification technique, we analyze seismic wave kinematic and dynamic characteristics of fractures, combine functions and principles of relevant techniques, and fuse 3-D visualization technique and coherent technique. Fissure channels were successfully characterized in diapiric structures of the Yinggehai Basin, and gas fields were discovered using this technique. Through practice and analysis, this technique can also be applied to the study of gas hydrate migration system of the Qiongdongnan Basin. It is an effective fracture identification technique.

Key words： fracture identification technique; diapir; gas hydrate; transport channel

南海是西太平洋最大的边缘海之一, 油气资源丰富, 陆架地形复杂, 地质现象多样。南海北部陆坡同时具有被动大陆边缘和活动大陆边缘的特点(吴能友 等, 2009; 解习农 等, 2015; 孙珍 等, 2016), 地层深部流体活动异常活跃, 构造裂隙发育, 在南海北部的莺-琼盆地已发现多个气田。莺歌海盆地中央底辟带(图1)是天然气富集的有利区带(宋瑞有 等, 2016), 然而底辟在地震剖面上成像不清, 底辟模糊区的边界是一种渐变, 底辟范围不易用常规方法刻画出来。底辟构造翼部的小断距断层和裂隙也是油气的有效运移通道, 但因为地震分辨率太低, 常规方法也无法识别。紧邻莺歌海盆地的琼东南盆地存在天然气水合物矿藏, 但是从东沙群岛、神狐暗沙、西沙海槽到琼东南海域, 南海海域与天然气水合物存在相关的地震反射特征自东向西逐步减弱(张光学 等, 2014), 琼东南盆地的似海底反射层(bottom simulating reflectors, BSR)特征不明显, 水合物矿藏的裂隙运移通道剖面上更是难以识别。目前人类对于天然气水合物成藏系统的研究尚不够深入和系统, 尤其在天然气水合物成矿动力学和烃源供给系统及输导运聚条件等方面的研究尚欠深入, 较突出的问题是缺乏对烃源供给及运聚输导系统类型与高压低温稳定带聚集成藏系统相互间的时空耦合配置方面的深入研究(苏丕波 等, 2017)。近些年来, 国内外学者均应用系统论的思想方法, 深入分析研究天然气水合物气体来源、气体运移输导与聚集成藏之间的内在联系与时空耦合配置关系, 即天然气水合物成藏系统(何家雄 等, 2015; Merey et al, 2016; 梁金强 等, 2017; 杨胜雄 等, 2017)。本文旨在研究南海的地质裂隙结构, 以期为我国海域天然气水合物的输导体系识别及远景预测提供有效手段。
图1 莺歌海盆地中央底辟带位置图

Fig. 1 Location map of central diapir zone in Yinggehai Basin

鉴于地震波的运动学和动力学特征, 裂隙的存在必然会改变地层的声学属性; 但受地震分辨率所限, 小断层及裂隙无法直接用常规地震技术识别。常规的地震振幅数据体不论是剖面、切片还是三维数据体, 均反映的是单点、单层、单面的信息; 而相干体通过地震道的空间组合运算, 可反映原数据体的多线道点的信息(张军华 等, 2004), 可以突出数据的不连续性, 非常有利于识别断层及裂隙。作者融合相干技术与三维可视化技术分析研究裂隙, 并应用于油气藏及天然气水合物矿藏的成藏成矿疏导体系的研究中效果理想。

1 三维地震识别裂隙技术

目前国内外研究裂隙的手段主要有裂隙地面调查、岩心裂隙分析、构造应力分析、试井技术、测井技术和地震技术(尹志军 等, 1999; 王京 等, 2012)。本文结合地震波的相关知识, 试图以三维地震资料分析为手段, 探讨裂隙在地震响应上的特征, 从纵波资料中直接提取反映裂隙性质的信息, 从而研究裂隙在空间上的分布规律, 并在此基础上用三维可视化技术雕刻裂隙。

1.1 裂隙的地震波运动学和动力学特征

地震波是一种在岩层中传播的弹性波, 其传播速度主要与岩层性质有关, 如岩石的成分、密度、埋深、地质年代、孔隙度等(陆基孟 等, 2009)。在裂隙发育地层中, 正常沉积地层的同一层段介质的多数性质基本是一致的, 层内引起地震波速度变化的一个主要原因就是裂隙的发育和孔隙流体的存在。介质的不均匀性和各向异性都是弹性介质随位置坐标而变化的特性, 裂隙的分布密度及发育方向和规模等均可能改变原地层介质的不均匀性或各向异性, 也会改变地层的声学属性而导致地震波速度的异常。
裂隙一般发育在致密岩层中。裂隙形成前, 地层的孔隙度和渗透率都很低, 岩性较均一, 地震波传播速度大、频率高。裂隙形成后, 裂隙被地下流体充填, 流体与致密岩层的物理性质差异巨大, 引起裂隙发育带地层地震波反射特征的改变, 成为地震上反映裂隙存在的重要信息。地震波在致密岩石中传播时, 波长是一定的; 由于其传播速度大, 故频率高。如果地层中发育裂隙, 尤其是当裂隙中充满天然气时, 地震波速度降低, 频率会明显下降。

1.2 裂隙识别技术原理及方法

相干技术和三维可视化技术均是目前常用的地球物理方法, 相干技术能更尖锐清晰地反映断层和地层的突变现象。裂隙的存在会导致地震波反射特征的改变, 而这些改变会破坏地震资料的连续性, 在相干体上会产生一个明显的异常值区。相干体技术通过三维数据体来运算局部地震波形的相似性, 相干值异常点与反射波波形不连续性相关, 相干数据体可揭示断层、裂隙、岩性体边缘、不整合等地质现象(张军华 等, 2004)。三维可视化技术不仅能观察数据体的表面特征, 而且能透视数据体的内部结构, 通过融合三维可视化的立体显示和透视功能与相干技术, 将相干数据体进行可视化研究, 则能更方便、快捷地识别出微小断层和裂隙, 可清晰地显示裂隙发育带的空间形态与空间展布规律, 并分析裂隙发育带与油气藏及水合物矿床的接触关系, 为研究裂隙疏导体系提供有效快捷的工具。
对相干体做三维可视化研究来识别裂隙有很好的精确度和时效性。地震相干体技术揭示了波场的空间变化情况, 利用地震信号相干值的变化来描述地层、岩性等的非均匀性, 可以突出那些相邻地震道资料的不连续性, 使特殊的地质现象更加清晰, 其直接从3D地震数据体中定量地得到断层裂隙和地层特征, 其结果只受算法、时间孔径、空间孔径、倾角扫描间隔等参数的影响, 不受任何解释误差的影响, 极大地提高了解释精度。三维可视化技术将复杂抽象的大量数据转换成图形图像等视觉信息, 使人在短时间内能充分地接受和理解数据中所蕴含的有用信息, 可以更直观地理解剖面和平面上看见的地质特征(Chopra, 2009)。
裂隙识别技术的具体方法是: 研究人员先对三维地震数据体经过相干处理运算而得到一个新的数据体, 在三维数据体中求每一道每一样点处小时窗内分析点所在道与相邻道地震属性(如波形、振幅、频率、相位等)相似程度, 形成一个表征相干性的三维数据体, 即计算时窗内的数据相干性, 把这一结果赋予时窗中心样点; 然后对该相干体做三维可视化研究, 相干体被规则采样成上百万个组成数据块的称为Voxel的小立方体, 也就是体素或体元。每一个数据样点都被转化为一个体元, 每个体元具有特定的相干属性值和地震反射时间T0值, 载有用户定义的颜色值, 代表一个属性范围。每个体元都载有用户定义的能控制体元透明度的变量, 通过调整体元的透明度变量,可对地震数据体进行快速浏览和透视。通过交互调整滤波曲线来控制滤掉或保留哪些颜色值的体元, 并调整所保留体元的透明度, 突出裂隙在空间上的特征。在交互调整滤波曲线时, 应注意结合实际地质背景、参照地震剖面等取合理值。合理滤波参数的标准: 1)剖面反射连续、地震相均质性好的区域应无裂隙显示或裂隙少且短; 2)剖面反射有明显断层或同相轴错断处要有裂隙显示。另外, 三维空间显示具有裂隙叠置性, 密度太大影响观察时应将相干体切块分别研究或变换方位多角度研究。
经在莺歌海盆地油气勘探中实践, 本文的裂隙识别技术很有实际应用价值, 可有效识别裂隙发育带及观察裂隙空间分布特征, 能指示裂隙发育的密度、方向、宽度和深度等。影响裂隙发育的因素较多, 如构造、岩性、地应力等, 该技术亦可以辅助研究裂隙与应力场、储层、烃源分布规律的关系。

2 在油气勘探研究中的成功应用

作者等近年在研究超压盆地天然气成藏过程中裂隙的主导作用获得实质性进展(裴健翔 等, 2011; 王振峰 等, 2011; 谢玉洪 等, 2012; 于俊峰 等, 2014), 发现快速沉降超压盆地在沉积过程中受超压或者差异沉降影响仍会形成密集型裂隙束, 该进展存在标记天然气水合物易于成藏的关键作用 (陈芳 等, 2016)。研究表明, 在地质尺度上, 这些裂隙规模相比1~100km的断层小的多, 仅0.1~10m不等, 地震剖面上肉眼无法识别, 更无法采用人机交互式解释, 暂称之为“微裂隙”。 微裂隙目前仅在南海的超压层有大量研究, 有较好的技术积累, 这一结果应用在超压气田发现中获得成功。

2.1 刻画底辟

底辟构造即底辟作用下形成的相关构造, 指在一定地质条件下, 盐、泥、膏岩等低密度物质发生塑性流动挤入或刺穿上部地层形成的构造(宋瑞有 等, 2017)。莺歌海盆地存在大量的底辟构造, 底辟体通过复杂的侵入过程, 不断改造围岩, 使围岩破碎化或产生裂隙, 破坏围岩的均质性, 形成地震剖面上的成像模糊带(图2)。底辟深部的泥页岩是很好的烃源, 底辟活动为天然气纵向运移开辟了通道。但这些通道为小断距断层和裂隙, 地震分辨率太低, 无法用常规手段进行人机交互解释。
图2 莺歌海盆地底辟地震剖面反射特征

测线位置见图1中L1

Fig. 2 Seismic section of diapir in Yinggehai basin.

See Fig.1 for the location of Line L1

作者通过量化处理地震数据体的相干属性, 突出和强调地震数据的不相关性, 生成新的相干数据体。实践证明这种不相关性在断层或者裂隙发育区表现得异常突出。结合三维可视化的镂空技术, 即利用高通、低通或带通等滤波手段, 压制无用信息, 使有用信息更加突出。结合剖面特征, 通过调整可视化参数——透明度、颜色、光源等, 即可清晰刻画出底辟形态及其内部裂隙的空间展布特征(图3)。
图3 莺歌海盆地底辟构造三维可视化图

研究区位置见图1中Z1

Fig. 3 Distribution of diapir structure in Yinggehai basin.

See Fig.1 for the location of Zone Z1

2.2 识别雕刻裂隙

底辟构造的成藏以垂向运移为主, 但有的气藏, 既不在底辟正上方, 剖面上也看不到断层, 同时又不在构造脊上, 其通道在哪儿?经分析研究, 在莺歌海盆地的底辟构造外, 裂隙通道还分布于中央底辟构造带的其他区域, 其规模较小且分布无规律, 地震反射剖面特征较底辟模糊区反射特征层序要清晰。尽管底辟外裂隙通道一般规模较小, 但其垂向输运流体的能力丝毫不逊色于底辟通道和断裂通道。应用裂隙识别技术对莺歌海盆地东方区的底辟构造及围区裂隙分布规律做研究(图4), 结合地震剖面分析, 可得出中央裂隙异常集中区为底辟发育区, 周边零星的异常解释为裂隙, 这些裂隙可以作为油气的有效疏导体系。研究认为, 莺歌海盆地近年发现的两个高温高压中深层大气田(东方13-1和东方13-2气田)都是由这类裂隙通道来连通烃源与有效储层的(韩光明 等, 2013)。
图4 莺歌海盆地底辟裂隙三维可视化图

研究区位置见图1中Z2

Fig. 4 Distribution of diapir fractures in Yinggehai basin.

See Fig.1 for the location of Zone Z2

本文的裂隙识别技术应用于莺歌海盆地的中央底辟带油气勘探研究, 所预测的裂隙发育带已被钻井所证实, 发现了大气田。用该技术预测裂隙具有广阔的应用前景。裂隙可以改善储层的渗透性, 该技术亦可识别储层中的裂隙情况, 应用于油气藏开发中。

3 天然气水合物疏导体系识别

天然气水合物是固体矿藏, 其不需要油气藏所必需的圈闭条件。水合物形成的条件: 沉积物中有充足的气体分子存在; 有足够的水分子以形成水合物的腔洞; 温度和压力处于水合物的稳定区间内(姚伯初, 2001)。天然气水合物通常赋存于高压和相对低温的海底之下和永久冻土带区域, 固态的天然气水合物之下的游离气体被捕获形成了地震剖面上的BSR, 海洋环境下的水合物存在于BSR之上的沉积物中或近海底处。琼东南盆地的南部深水区的水合物BSR标志层主要分布在深水海底以下150~230m的第四系中, 南海北部盆地浅层气藏普遍具有混合成因的特征。该区水合物的气源不仅与生物气有关, 也与热成因气生物降解气有关, 而混合气中的热成因气源来自深部地层(傅宁 等, 2011)。发育早的沟源大断层往往不会断至浅层, 底辟、气烟囱、浅层小断层、裂隙等能作为通道将热解气源从深部输送至浅层深水海底的水合物高压低温稳定带, 其疏导作用将会对水合物的成藏起到重要作用, 弄清气源供给和水合物特定的高压低温稳定带的时空耦合配置对水合物的成藏研究至关重要。

3.1 天然气水合物研究现状

天然气水合物作为一种潜在而重要的新型清洁能源, 自东太平洋的水合物脊(hydrate ridge)被发现以来, 相继在全球海域如墨西哥湾(Macdonald, 1990; Sassen et al, 1998, 2004; Pohlman et al, 2008)、加利福尼亚蒙特里海湾(Stakes et al, 1999; Lorenson et al, 2002; Gieskes et al, 2005)、布莱克海岭(Peckmann et al, 2001)、西伯利亚鄂霍次克海(Greinert et al, 2004)、西班牙加的斯湾(Stadnitskaia et al, 2008)、 琉球岛弧黑岛海(Takeuchi et al, 2007)以及我国南海(陈多福 等, 2005; 陆红锋 等, 2006; 苏新 等, 2007; Han et al, 2008; 杨涛 等, 2009)等诸多地区获得发现。据预测, 海底水合物分布的范围约4000万km2, 其资源总量是全球所有已知常规能源(煤、石油和天然气)总和的2倍(MacDonald, 1990; Harvey et al, 1995; Dickens et al, 1997)。近20年来, 水合物研究的相关沉积物和地球物理等勘探技术得到了广泛的研究和应用(赵省民 等, 2000; Tréhu et al, 2004; Lee et al, 2017)。随着我国天然气水合物勘查从远景区探测发现进入成矿区带及有利目标优选, 在国家863计划资助下, 研发天然气水合物成矿区带目标的高精度地震检测技术, 为圈定天然气水合物成矿区带、目标靶区及天然气水合物矿田开发后备基地提供高技术支撑。
我国已研发了一套适合我国海洋天然气水合物的地震检测技术(梁金强 等, 2017; 杨胜雄 等, 2017), 包括水合物地震识别处理技术(保幅处理、子波零相位化、精细速度分析等)和地震属性提取技术(叠前反演及定量模拟检测、波阻抗反演、相干体检测、稳定带顶底面检测等)。运用上述技术已发现南海北部陆坡天然气水合物存在似海底反射层BSR、空白带(blank zone, BZ)、速度倒转和极性反转(reversal polarity, RP)等地震异常标志, 并依提取的地震属性优选目标, 成功钻获天然气水合物实物样品(张光学 等, 2011; Yang et al, 2015; 景建恩 等, 2016)。特别是利用地震检测技术, 开展南海北部海域天然气水合物地震异常特征研究, 发现存在BSR、BZ、速度倒转及极性反转等地震异常特征, 其中BSR异常特征明显, 是天然气水合物地震识别的主要标志(Ashi et al, 2002; Lu et al, 2017; 徐华宁 等, 2017)。
近年天然气水合物矿藏的勘探大有进展, 但是地震检测技术预测水合物矿床的准确率有待提高, 单纯靠地震振幅属性、振幅随偏移距的变化(amplitude variation with offset, AVO)技术及声波技术确定的水合物发现成功率仅30%~60%。科学钻探证实, 天然气水合物和BSR之间并不具有严格对应关系(杨睿 等, 2013), 有BSR的地方未必就有水合物。受控于水合物预测的复杂性, BSR影响因素除了受该区水合物层的厚度和复杂的海底地形影响以外, 还包括矿床岩性、储层密度、孔隙度、稳定带之下的游离气以及天然气水合物的成因类型等(龚建明 等, 2011; 卢振权 等, 2013; Le et al, 2015; 张辉 等, 2016; Auguy et al, 2017)。而对于复杂结构水合物矿床则仍缺乏健全配套技术, 尤其是水合物的成矿富集机制问题, 主要原因是至今仍没形成有效的输导体系识别方法, 多数水合物矿床在地震资料识别不出疏导裂隙的情况下仍然成藏。裂隙识别困难主要因为裂隙规模太小, 而地震资料分辨率不足导致水合物裂隙疏导体系的识别缺乏有效的手段, 阻碍了水合物气源、运移输导与聚集成藏之间的内在联系与时空耦合配置关系的分析研究。作者结合自己多年油气勘探研究的经验, 将实践中用来研究裂隙通道发现底辟大气田的技术应用到BSR区, 发现该技术对水合物输导体系的具体研究也有适用空间。

3.2 水合物成藏成矿疏导体系识别

天然气水合物输导主要依靠两种形式: 1)断层裂隙、泥底辟、泥火山及气烟囱、高角度断裂等在不同类型盆地特定区带及局部地区的水合物成藏的主要流体运移体系 (吴能友 等, 2009; 吴时国 等, 2009; 何家雄 等, 2016), 这些特殊地质体构成了深水油气及天然气水合物气源供给的主要纵向运聚通道网络系统, 能够为深水油气运聚成藏及天然气水合物成矿成藏等提供较好的烃源供给及运聚通道条件(Xu et al, 2016)。但这些特殊地质体构成的油气运聚供给网络通道系统并非在盆地中广泛分布, 且往往仅局限于某些特殊的构造强烈活动区域, 如构造断裂活动发育区、泥底辟、泥火山上侵活动区及气烟囱发育区等。2)那些缺少断层裂隙及底辟通道等运聚系统的区带, 其油气运聚成藏及天然气水合物成矿成藏主要靠扩散作用在原地近距离成藏, 如浅层生物气。
浅层天然气水合物成藏疏导体系是刻画的难点。受地震分辨率影响, 原始地层或者弱构造活动状态下地质体产生的天然微裂隙不易利用常规手段识别, 进而形成评价天然气水合物浅层运聚成藏和无断层活动影响下裂后快速沉降区超压层输导成藏的瓶颈。因此, 长久以来, 没有相关技术做水合物输导的具体研究。故“原地生物气扩散成藏”和“异地热解气运聚渗漏成藏”的前者只是理想模式。而本文的裂隙识别技术可以突破这个瓶颈, 将该技术应用于BSR分布区可以清晰地观察到裂隙的分布情况, 透视矿床下伏层微裂隙的尺度和密集程度(图5)。不同尺度密集程度的裂隙群输导能力差异较大, 而在有限的生烃地质年代内或者生物分解期限内, 输导程度决定着水合物矿床的富集程度, 这也就是为什么在钻探的矿床中存在不饱和或低丰度水合物的现象。
图5 琼东南盆地BSR及裂隙三维可视化图

测线位置见图1中L2

Fig. 5 Three-dimensioanl visualization of BSR and fractures in Qiongdongnan Basin.

See Fig.1 for the location of Line L2

融合相干技术和三维可视化的镂空技术、子体雕刻技术、波形追踪技术等多种技术, 可以进一步地研究潜在水合物矿床BSR与输导体系的空间匹配关系(图6), 甚至可以将已发现油气田和已落实烃源岩加入其中一起分析研究, 减少多解性。
图6 琼东南盆地BSR与裂隙空间展布图

研究区位置见图1中Z3

Fig. 6 BSR and fractures spatial distribution in Qiongdongnan basin.

See Fig.1 for the location of Zone Z3

满足温度压力条件下, 底辟构造、海底滑坡、活动断层和挤压脊等特殊地质体发育区是天然气水合物成藏的有利区域(王秀娟 等, 2009)。神狐海域水合物的钻探结果表明, 水合物的分布与底辟的分布范围具有良好的空间匹配关系(刘杰 等, 2016)。分析认为, 这些地区地层活动剧烈, 导致地层中发育裂隙带成为水合物的输导通道, 研究这些裂隙带对天然气水合物矿藏的疏导体系研究具有重要意义。

4 结论

本文通过以上理论分析和研究应用, 获得了基于三维地震资料的裂隙识别技术。应用该技术在莺歌海盆地的底辟构造中成功刻画出裂隙通道, 该技术亦可应用于天然气水合物的疏导体系研究。
1) 融合三维可视化技术与相干体技术可以精细地揭示断层和裂隙,有效识别底辟边缘以及研究底辟中裂隙发育情况, 此方法在油气勘探中预测裂隙发育带、识别运移通道是切实可行的。
2) 对天然气水合物的成藏成矿研究, 三维地震资料裂隙识别技术也具有广阔的应用前景, 该技术可以作为水合物输导体系的具体研究手段。

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