海洋天然气水合物高精度勘探技术

**章 海洋天然气水合物勘探技术现状与发展趋势 随着天然气水合物勘查的发展，以及天然气水合物产业化进程的推进，围绕海洋天然气水合物目标靶区勘探及资源评价，对此种矿产资源的勘探技术提出了更高的要求，需要高分辨率的目标探测、高精度的钻测工艺、高科技的试采工程、海底原位监测及环境评估等相关技术及装备支撑。“十五”“十一五”期间，863计划支持开展了“天然气水合物勘探开发关键技术”研究，取得了一批具有自主知识产权的研发成果，并将其应用于天然气水合物调查评价中，为天然气水合物调查取得突破性成果起到了高技术支撑作用。然而，我国许多核心技术与国外相应领域仍存在较大差距，部分新技术在国内仍属空白，特别是试采技术是国家急需突破的核心技术。2004年起，我国逐步启动了天然气水合物开采基础研究工作，建立了小型物性测试装置，室内合成天然气水合物，初步进行了开采技术的模拟试验研究，结合深水油气勘探，海洋天然气水合物目标区勘探工作正逐步启动，但总体处于起步阶段，与国外先进的试采技术差距较大(金庆焕等，2006)。同时，由于海洋天然气水合物绝大多数分布在300～3000m水深的海底沉积物中，储存条件复杂、埋藏深度浅，开发过程中易引发工程地质灾害、温室效应等。因此，寻求经济、绿色、安全的开采技术面临着巨大的挑战。 本章将分别从海洋天然气水合物的地球物理探测、地球化学探测、样品保压转移及处理等技术方面进行论述总结。 **节 海洋天然气水合物地球物理探测技术现状与发展趋势 地震勘探、测井解释是海洋天然气水合物勘探行之有效的地球物理探测技术方法。海洋地震勘探作业效率高，已成为天然气水合物资源勘探技术的发展重点，地震勘探由常规的单道地震(single channel seismic，SCS)、二维多道地震(2-dimensional multi-channel seismic，2D-MCS)、三维多道地震(3-dimensional multi-channel seismic，3D-MCS)勘探，发展为高分辨率地震(high resolution seismic，HRS)、深拖多道地震组合探测(deep tow acoustics/geophysics system，DTAGS)、高频海底地震仪( high frequency ocean bottom seismic，HF-OBS)探测等，其中高分辨率地震是目前天然气水合物的一种主要勘探方法。在勘探早期，通过二维多道地震发现天然气水合物的四大地震异常，即似海底反射(bottom simulation reflection，BSR)、振幅空白带( blank zone，BZ)、速度异常及极性倒转。应用这些地震探测技术在主动、被动大陆边缘的陆坡、岛坡、边缘盆地等海域进行了海洋天然气水合物调查，取得了丰硕成果，如美国、日本、德国、印度、加拿大等(栾锡武等，2008)。 随着天然气水合物勘探程度的深入，在调查中大规模采用三维多道地震探测天然气水合物矿体的产状和空间形态，采用 HF-OBS探测天然气水合物矿体的内部结构，进而实现准确圈定天然气水合物矿体、估算其储量、优选钻探的目标。因此，地震勘探特别是三维多道地震和高频海底地震勘探将成为今后天然气水合物目标勘探的主攻方向和核心技术。 值得注意的是，随着勘探技术的进步和天然气水合物目标评价的需要，围绕预测天然气水合物成矿区带及钻探目标、描述矿体外形、刻画矿体内部结构、分析并检测矿体的含矿性、预测天然气水合物的资源潜力等勘探目标，近年来高分辨率三维多道地震与高频海底地震联合探测技术在天然气水合物勘探中得到快速发展，美国、德国、意大利、挪威、日本等国家在天然气水合物地震调查中广泛使用该项技术(宋海斌等，2001；阮爱国和初凤有，2007)。 一、海洋天然气水合物地震探测技术 针对海洋天然气水合物调查，地震探测技术经历了一个由简单到复杂、由单一到综合的发展过程。天然气水合物调查初期，主要通过常规二维地震调查技术，识别了 BSR、 BZ等地震异常反射特征，通过钻井证实了天然气水合物的存在。但使用常规二维多道地震调查技术进行天然气水合物调查，存在明显的局限性，由于分辨率较低，对于准确刻画天然气水合物矿体较为困难，难以满足天然气水合物精细调查及资源评价需求。 随着地震调查技术的快速发展，高分辨率二维多道地震技术很快在海洋天然气水合物调查中得到应用，该技术的特点是在具有较高的地层分辨率的同时，还具有较强的地层穿透能力。利用高分辨率二维多道地震资料可以进一步突出天然气水合物识别的标志，如 BSR、极性倒转、BZ和速度异常等，此外，通过高分辨率二维多道地震技术获取的高分辨率数据，有利于进一步提取天然气水合物赋存围岩的物性信息。 近年来，三维(或准三维)多道地震技术在天然气水合物矿体精细刻画中得到了较好应用，该技术手段由于能够精确描述天然气水合物矿体的空间展布特征和内部结构信息，而成为天然气水合物矿体钻前井位优选*　有效的技术手段之一。特别是利用三维多道地震与 HF-OBS及地震垂直缆进行立体探测，进一步发展了天然气水合物多波勘探技术，该技术利用纵、横波速度所反映的物性差异为天然气水合物矿体的检测与识别提供了更加丰富的地球物理信息，在提高地层分辨率和突出天然气水合物矿体的内部结构特征方面具有明显优势。此外，针对天然气水合物系统成藏特点，还能够进一步刻画天然气水合物矿体的含气特征。这些技术的明显优势，不仅极大提升了天然气水合物矿体精细刻画水平，还深化了对天然气水合物成藏的理解和认识，同时，更进一步促进了技术本身的发展和进步，特别是随着水下定位技术的日益成熟，三维多道地震与 OBS的地震联合勘探技术必将日益受到关注。 1.高分辨率三维多道地震探测技术及应用 多道地震技术是探测海洋天然气水合物的首选技术，由多道地震电缆采集数据，通过地震数据处理获得地震剖面，进行天然气水合物地震异常的识别和矿体的精细刻画。此外，还可以通过提取包括速度在内的物性参数，开展进一步研究。近30年来，全球范围内大多数海洋天然气水合物地震标志 BSR从常规二维多道地震资料上获得。它是利用强脉冲声源(如气枪组阵)和多道接收器，通过地震激发和信息接收，来获取海底及其以下地质界面，以及天然气水合物矿体的反射信息。该方法的特点：数字记录、分辨率高、探测埋深适中。相对其他方法技术，多道地震技术具有调查速度快、范围广、横向易追踪等优势。但是，由于声传播是以球面方式向各个方向传播，应用二维地震技术采集数据可能使偏离测线处的地质体的反射歪曲畸变，给精确解释带来困难。 三维多道地震能够采集完整的地震波场数字化数据，并形成由不同角度和距离反射数据组成的数据体，依托计算机工作站，可以观察任意切面的地质构造情况。但三维地震施工难度较大，成本较高，资料处理手段复杂。目前，有关国家在开展海洋天然气水合物调查过程中，根据实际情况，借鉴和发挥二维、三维多道地震优势，通过二维加密调查，发展了一种准三维地震调查技术，在我国海洋天然气水合物调查中，发挥了积极有效的作用。 天然气水合物准三维地震调查技术是指在海洋天然气水合物勘探中，采用单源、单缆采集，加密采集线距以保证覆盖次数，经过特定的处理流程实现二维采集的三维处理，*　终获得三维数据体的地震技术。日本于1996年、1999年在西南海槽、东南海槽进行了单缆、线距100m的多条高分辨率二维地震调查，又称“学院式”三维地震调查(宋海斌等，2001)。该系统包含拖曳的多个水听器排列及多条气枪组成的调谐震源，利用所获得的高分辨率二维地震资料，采用伪三维宽角叠加技术对交点位置进行高精度速度分析，获取的速度结构展示了高速层的横向分布特征，有效解决了速度结构问题，与天然气水合物地震标志 BSR进行对比分析，可以得到高分辨率的天然气水合物矿体分布特征，此外，利用波阻抗数据，还可以分析天然气水合物赋存的围岩物性。1999年11月，“野猫”井的钻探证实日本的 Nankai海槽东部存在天然气水合物，选定的钻探井位即为准三维地震调查资料所提供。 天然气水合物准三维地震调查技术在海上地震资料采集阶段，通过“网络三节点法”定位网络配置、缆源沉放深度综合效应分析、调谐组合及采集参数优化，以及对“点震源”结构的改进等一系列技术创新，定位精度由原来的十几米到几十米提高到6～10m，数据保真度进一步提高，为准三维处理奠定了良好的基础。 天然气水合物准三维地震调查技术在处理过程中，通过特殊观测系统的定义，针对天然气水合物地质目标体进行面元划分，选用天然气水合物目的层(即海底浅层)的去噪、反褶积、偏移成像等一系列技术，实现天然气水合物二维采集数据的三维处理，从而获得三维成像数据体，用于精确刻画天然气水合物矿体的三维空间分布特征，定量描述矿体分布范围、空间形态和厚度等。 目前，准三维地震调查技术在天然气水合物勘探中发挥了重要的作用，甚至在天然气水合物目标勘探阶段，也是一种比较普遍的数据采集方式。 2.高频海底地震探测技术 自然界天然气水合物的发现与石油天然气资源调查钻探息息相关。*初，陆地及海洋天然气水合物伴随着油气资源钻探等工作获取的地质岩心样品而被发现，为了进一步研究天然气水合物在陆地及海洋海底地下分布情况，获取天然气水合物物性参数，常规油气勘探的声波地球物理方法—二维多道地震技术被科学家充分利用，特别是在大量前期海洋多道地震剖面上，发现多处 BSR。随着勘探及研究的深入和社会的广泛关注，需要有高精度的速度和高分辨率地震波形资料，要求精确掌握的数据越来越多，如纵、横波速度、地震地层及速度结构、波阻抗等的变化，用于估算天然气水合物的饱和度和资源量，评估这种新型能源资源的开发利用价值和前景。高频海底地震调查可获取多种资料，能满足波形反演、走时反演、非线性全波形走时联合反演等的各种研究需要，高频海底地震仪技术为解决上述问题提供了重要的技术支撑。 通常天然气水合物的纵波速度比海洋正常沉积物的要高，致使含天然气水合物的沉积物的体积模量增加，同时沉积物孔隙内的天然气水合物胶结物也改变了沉积物剪切模量，沉积物内声波阻抗亦呈“谱白化”现象，采用 HF-OBS可精确测量 P波、S波速度等，能更准确地估算天然气水合物厚度。此项技术通常在不同偏移距内记录得到一条 HF-OBS剖面和多条单道、多道地震剖面，从而利用综合信息，开展地层及速度结构联合研究。 P波速度异常与天然气水合物赋存及下伏气体富集密切相关( Andreassen et al.，1995)。为了在现场准确测量海底400m以浅的沉积物的 P波速度在垂向、侧向上的变化，常采用高频海底地震仪或海底地震检波器(ocean bottom hydrophone，OBH)。德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心( GEOMAR)在挪威陆缘研究滑塌与天然气水合物相关性时曾采用这种调查技术，不同之处是在同一位置使用了单频脉冲线性浅地层剖面测量(3.5kHz)、深拖(0.2～3.5kHz)和气枪(50～200Hz)3种不同频率的震源，频率覆盖较宽，提高了地震结构分辨率宽度，从而获得了不同深度的声波穿透记录(100m、250m、500m)，能识辨几米厚的沉积层及 P波速度。实践证明，高频(＜300Hz)或震源子波频率在80～200Hz时，可获得详细的速度资料，低频(＜60Hz)分辨率低、波长太长，以至于很难探测 BSR之下的游离气底界(base of gas reflector，BGR)或天然气水合物顶界。 由于 HF-OBS观测具有震源与检波器间的距离大、利用曳航方式可获得低角度反射波、可较直观地考察 BSR反射波波形等优点， Katzman等(1994)和 Korenaga等(1997)利用该方法得到的单道及近道宽角海底地震反射剖面资料，对布莱克( Blake)洋脊及挪威西部陆缘地区天然气水合物 BSR及其