利用反射地震水體處理技術探測東海沖繩海槽天然氣水合物

牛華偉，趙秀蓮，劉 苗

（1. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120；2. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院，上海 200120）

天然氣水合物是天然氣和水在一定的溫度和壓力條件下形成的結晶狀物質。作為21 世紀理想的替代能源，其對于保障國家能源安全、促進能源結構優化等具有重要的戰略意義。20 世紀90 年代以來，世界上許多發達國家和發展中國家都先后將水合物列入國家重點發展戰略，美、日、俄、加、英、德等國均相繼投入巨資進行水合物調查與開采技術研究，目前全球已發現兩百多處水合物礦點，水合物已從資源勘查階段邁入試采和商業化利用階段。

我國于20 世紀90 年代開始水合物的調查研究工作。自1999 年在南海實施第一個針對水合物的高分辨率多道地震調查開始，掀開了我國海域水合物調查的序幕。我國海域天然氣水合物研究起步雖晚，但進展速度很快。2020 年3 月18 日，由自然資源部中國地質調查局組織實施的我國海域天然氣水合物第二輪試采取得成功，創造了“產氣總量86.14×104m3，日均產氣2.87×104m3”兩項世界紀錄[1]，標志著我國天然氣水合物調查研究水平躋身世界前列。

理論和實踐證明，水深大于300 米的海域沉積層存在滿足水合物形成的溫壓條件（Huang et al., 2002），即水合物“穩定域”，是尋找天然氣水合物礦藏的有利地區。但是由于地下熱液活動、大地構造運動、全球氣候變暖等因素的影響，會導致天然氣水合物“穩定域”的溫度或壓力發生變化，保持水合物穩定的條件將不滿足，從而使水合物分解成游離氣和水；如果存在合適的運移通道，游離氣就會運移泄漏到海水中（Lewis and Marshall, 1996;Suess et al., 1999）形成羽狀流，又稱冷泉。而含游離氣的海水（冷泉）與周邊海水在物理特性上也會存在差異。針對這一特性，可以對常規油氣勘探采集的海底以上的反射地震數據，進行針對性的處理與分析，作為尋找滲漏型天然氣水合物的一個佐證。

地震勘探不但廣泛應用于尋找石油和天然氣，同時也是尋找天然氣水合物的主要方法手段之一[2]。但一般情況下，勘探家們關注的重點是海底以下的反射數據，海底以上的數據常常被作為噪聲而切除。上世紀80 年代，Gonella 第一次發表了利用海水中的反射地震數據研究海水的物理海洋學性質[3]，并逐漸衍生出一門新的學科—地震海洋學。徐華寧等2012 年發表了利用多道反射地震水體處理技術，對南海神狐地區滲漏型水合物進行研究，取得了令人滿意的效果[4]。

本文正是基于這一想法，對東海沖繩海槽盆地的常規二維地震資料進行針對海水水體的處理，利用海底深度信息從常規地震數據中分離出水體數據，對水體數據進行信噪分離，對分離后的有效信息進行成像處理，探索針對水體反射數據的處理流程。利用水體成像處理成果對海水中的反射波進行研究，發現非常明顯的氣泡羽狀流反射特征，從而對東海天然氣水合物的賦存研究提供證據。

1 研究區地質背景

東海沖繩海槽盆地位于西太平洋溝-弧-盆系統的盆地構造區域，地貌上可分為西側槽坡（大陸坡）、東側槽坡（島坡）和槽底平原。西側槽坡寬30～40 km，中南部發育地壘式隆塊、裂谷、海山、斷裂溝等地貌，地形起伏變化大；槽底平原南部地形相對平緩，海山、海丘較少。西側槽坡的中南部和槽底平原南部的地貌條件有利于水合物的埋藏與保存（圖1）。

圖1 東海區域水深地形圖

沖繩海槽盆地沉積地層主要為中新統、上新統和第四系, 沉積厚度約1 000～12 000 m。西側槽坡及海槽西南部的沉積速率快、沉積厚度大、有機質含量高。在海槽南部水深大于1 000 m 的柱狀巖心中見多層濁流沉積，其沉積速率（100～400 m/Ma）和有機質含量（1%～1.25%）均高于相鄰的陸架和槽底區, 有利于海底天然氣水合物的形成與聚集。

海槽內發育的NE 向斷裂切割較深，從海底向下切穿中新世地層，有利于深部氣體和流體上移，可為水合物的形成創造流體動力條件。

衛星熱紅外增溫異常顯示海槽西南部海域的熱流值較低，現代熱液活動較弱，推測其增溫異?？赡芘c海底水合物有關。

淺表層沉積物烴類異常調查結果也顯示沖繩海槽海底沉積物中CH4含量異常分布區主要位于熱液活動區以南的槽坡或陸坡區。一方面，表明它們的烴類氣體來源充足；另一方面，這些烴類氣體本身可能就是天然氣水合物分解或深水常規油氣滲漏所致。

研究表明，沖繩海槽盆地具備天然氣水合物形成的基本地質條件，眾多學者（楊文達等，2004；欒錫武等，2008）曾經對東海沖繩海槽二維地震剖面上的BSR 進行了研究，圈定了異常范圍。吳能友等的研究表明，沖繩海槽盆地發育繁盛的熱液-冷泉活動[5]，而冷泉活動正是滲漏型天然氣水合物滲入海底的直接證據。

2 水體處理思路與技術

2.1 資料基礎

本次研究的二維地震數據位于沖繩海槽，資料采集于2004 年，主要采集參數為：道間距，12.5 m；炮間距，37.5 m；電纜長度，6 000 m；道數，480 道；覆蓋次數，80；采樣率，2 ms；氣槍容量，5 080 Psi；氣槍沉放深度，7 m；電纜沉放深度，9 m。

圖（2）是炮集數據，其中時間線1.6 s 以上的信號為水體反射?？梢钥闯雠c地層反射相比，水體反射信號的能量非常弱。

圖2 沖繩海槽盆地常規二維地震炮集數據（1.6 s 以上是被直達波掩蓋的弱水層反射）

2.2 水體處理思路

眾所周知，水體間的阻抗差異要遠遠小于地下地層之間的差異，而這也是水體中地震反射信號微弱的根本原因。但是野外采集中常見的隨機干擾、涌浪干擾、船干擾等噪聲則與水深無關。這就導致水體中有效信號常常會被淹沒在噪聲之中。因此水體處理的關鍵因素包括弱信號的能量恢復以及噪聲消除時盡量保護有效信號。

圖3 是本次水體處理的流程。首先將水體數據和海底以下反射數據進行分離，隨后對水體數據進行直達波與噪聲衰減，并通過濾波與頻率優選，突出水體內的有效反射，最后對去噪后的水體數據運用水速進行成像處理。

圖3 沖繩海槽水體處理流程

概括起來，處理流程可以總結為三項主要處理技術：水體數據分離、水體反射信號增強去噪技術與水體成像技術。

2.2.1 水體數據分離技術

東海沖繩海槽海底地形崎嶇，變化劇烈（圖4），水深從十幾米變化到一千多米，用簡單的切除不能有效獲得精細的水體數據。本次采用了從導航數據里提取水深數據，擬合海底，利用海底信息控制零偏移距的切除時間，再結合偏移距信息擬合雙曲線實施疊前數據切除，實現水體數據的精確分離。

2.2.2 水體反射信號增強去噪技術

水體反射增強主要從兩方面進行，一是水體反射能量的補償，二是消除水體反射以外的其它強能量干擾。

幾何擴散而損失的能量通過常規球面擴散補償等方式恢復，圖5 是球面擴散補償前后的炮集展示，可以看出深層能量得到有效補償，不同深度能量變得均一。

圖4 沖繩海槽盆地地震剖面（可以看出海底起伏劇烈，水深變化大）

圖5 球面擴散前（左）后（右）的炮集記錄

切除后的水體數據中，仍然包含直達波與涌浪兩種強能量干擾。對于直達波不能采取常規地震處理中切除海底以上數據的做法，只能采取信號衰減的方式對直達波進行衰減。另外，為了更好地避免直達波對水層反射的影響，對剩余直達波可以采取區域切除的方式進行進一步衰減。

水體數據中另外一種強能量噪聲是涌浪噪聲，涌浪是海洋地震數據中特有的噪聲，頻率較低。由于水層反射只在水體中傳播與反射，相比于常規地層反射信號，水層反射的高頻能量吸收衰減不明顯，可以采用FX 域投影濾波并結合高通5～8 Hz 以上的濾波進行涌浪噪聲衰減。圖6 是水層反射能量增強前后的炮集記錄，經過處理，水體能量更加凸現出來。

2.2.3 水體成像技術

相對于地下構造而言，海水中的分層或構造并不復雜，波的傳播路徑相對簡單，水體成像采用疊前時間偏移的成像方式即可。地震波在海水中的傳播速度雖然也會隨著海水密度、鹽度等的變化而變化，但總體變化量不大，對成像結果沒有明顯影響。本次研究應用常速（1 500 m/s）Kirchhoff 疊前時間偏移對沖繩海槽的二維水體數據進行成像處理。

圖7 是本次沖繩海槽盆地一條二維測線水體成像結果的部分剖面，可以明顯看出水體中存在分層現象，也存在縱向與橫向變化，并且出現有類似氣體擾動的異常反射。

3 水體處理結果分析

圖6 去干擾后前（左）后（右）的水層反射炮集記錄

圖7 沖繩海槽盆地水體疊前時間偏移成像結果

由圖7 可以看出，與地下地層反射類似，水體中同樣存在很多層狀反射，這些層狀反射是由于不同的溫鹽層所引起的，屬于地震海洋學的范疇[3]，在此不做討論。研究所關注的是天然氣水合物分解后滲流到海水中所形成的噴射羽狀流所形成的反射。經過對水體處理結果進行分析和篩查，在多條地震剖面上發現了類似反射異常。為了便于結合BSR 等天然氣水合物異常反射特征進行綜合分析，可以將水體反射測線數據經過一定增益處理后與地震數據疊合（圖8）。

圖8 沖繩海槽水體與地震成像結果疊合

從圖8 可以看出，在剖面上存在三個反射異常。其中異常1 比較弱，異常2 和異常3 表現出非常典型的噴射狀羽狀流反射特征，相比水體中溫鹽層所引起層狀反射，這類異常顯示出不同的反射特征，呈現出霧狀錐體特征，且從海底向上逐漸發散，并伴隨有同相軸下拉的特征，推測其為氣體溢散反射特征。在異常2 的下方發育典型的BSR 反射特征，并伴有一定的速度異常。而異常1 和異常3 的下方，BSR 特征并不明顯。

BSR 又稱似海底反射，它是水合物成礦帶和之下含游離氣的低速地層之間的界面所形成的反射。BSR 雖然是識別天然氣水合物的重要方法之一，但是在水合物勘查實踐中，發現BSR 和水合物賦存區不存在絕對的對應關系[6]，曾經發現BSR特征微弱或缺失的情況，如大洋鉆探計劃曾在多個鉆獲水合物樣品的地區發現BSR 缺失現象。當地層反射波和海底平行時，BSR 的識別也會比較困難。因此，水體反射上的羽狀流反射異常，結合下方BSR 異常的解釋，降低多解性。如異常2就很可能是滲漏型天然氣存在的證據；而對于下方BSR 不明顯的異常（異常1 和異常3），并不能排除天然氣水合物存在的可能性。

4 結論

利用油氣勘探采集的地震數據對水合物賦存識別研究是一種非常經濟且比較有效的方式。由于水體中的反射能量非常弱且相對于常規油氣勘探而言，水體記錄非常短，常規油氣勘探地震資料處理流程與參數不能適應針對水體數據的處理，本文針對東海沖繩海槽的水體數據特點探索了水體分離、水體信號增強去噪與水體成像處理技術，取得了一定效果。獲得水體中的羽狀流反射特征，推測可能為存在冷泉的異常反射信息，對水合物的賦存確定提供了比較可靠的依據。