梁勁1 王宏斌1，2 梁金強1
（1.廣州海洋地質調查局 廣州 510760；2.中國地質大學（北京）北京 100083）
第壹作者簡介：梁勁，男，1971年生，高級工程師，1995年畢業於成都理工學院信息工程與地球物理系應用地球物理專業，主要從事天然氣水合物調查與研究工作。
摘要 本文采用Jason 反演技術對南海北部陸坡A 測線縱波速度進行計算，結合BSR、振幅空白帶以及波形極性反轉等多種水合物賦存信息的分析，對水合物成礦帶的速度特征進行了綜合研究，結果表明：低速背景中的高速異常，是天然氣水合物賦存的重要特征；高速異常體壹般呈平行於海底的帶狀分布；在高速異常的內部，速度也是不斷變化的。壹般在異常體的中心速度最高，由中心到邊緣速度逐漸降低，反映在水合物礦帶內部，水合物飽和度由礦體中心向邊緣逐漸降低的特征。本文的研究成果進壹步表明高精度速度分析不僅可以幫助尋找水合物礦點，還可以進壹步判定水合物的富集層位。
關鍵詞 Jason 反演技術 天然氣水合物 速度分析
1 前言
天然氣水合物是在低溫、高壓環境下，由水的冰晶格架及其間吸附的天然氣分子組成的籠狀結構化合物，廣泛分布於海底和永久凍土帶。溫度和壓力是天然氣水合物形成和保存最重要的因素（王宏斌等，2004）。針對天然氣水合物的野外調查及研究表明：高分辨率的地震勘探方法是天然氣水合物調查評價中行之有效的方法。地震反演技術壹直是地震勘探中的壹項核心技術，其目的是用地震反射資料反推地下的波阻抗、速度、孔隙度等參數的分布，從而估算含天然氣水合物層參數，預測天然氣水合物分布狀況，為天然氣水合物勘探提供可靠的基礎資料。常用的地震反演技術有Jason、Strata、Seislog和ISIS等，其中Jason反演技術在含天然氣水合物層預測中因其分辨率高而得到廣泛推崇，它主要由有井約束和無井約束兩種方法組成（廖曦等，2002）。
速度異常是判斷天然氣水合物是否賦存的重要條件之壹。結合BSR（Bottom Simulating Reflector）特征、波形極性特征、振幅特征以及AVO特征等目前已成為判斷是否存在天然氣水合物層主要手段（史鬥等，1999）。大量的測試數據顯示：水合物的速度與冰的速度較為接近，而比水高。與含水或含遊離氣沈積層相比，含水合物沈積層的密度降低，聲波速率增大，含水合物層的地層速度往往比壹般的地層速度高，含水合物沈積層的下部由於充填了水或氣，而使水合物底界面出現速度負異常。因此，地層中速度反轉是水合物賦存的壹個地球物理標誌。含水合物地層的聲波速度與水合物的含量有關，水合物含量越高，其聲波速度越高。從速度方面看，BSR是上覆高速的含水合物地層與下伏較低速的含水層或含氣層之間的分界面。通常，海洋中淺層沈積層的地震縱波速度為1600～1800m/s，如果存在水合物，地震波速度將大幅提高，可達1850～2500m/s，如果水合物層下面為遊離氣層，則地震波速度可以驟減200～500m/s。因此，在速度剖面上，水合物層的層速度變化趨勢呈典型的三段式，即上下小、中間大的異常特征（張光學等，2000）。西伯利亞麥索雅哈氣田的資料表明，在原為含水砂層內形成水合物之後，其縱波的傳播速度會從1850m/s提高到2700m/s；而在膠結砂巖層，這種速度會從3000m/s提高到3500m/s。深海鉆探計劃的570站位的測井結果表明，由含水砂巖層進入含水合物砂巖層時，密度由1.79g/cm3降低到1.19g/cm3，聲波傳播速度從1700m/s提高到3600m/s，且電導率劇烈下降。
Cascadia海域ODP889站位的VSP測井資料反映水合物底界為強烈的負速度界面，速度從水合物沈積物層的1900m/s陡降到含遊離氣層的1580m/s，由於VSP測井為地震測井，受鉆井因素的影響較少，因此認為VSP測井真實地反映了水合物沈積層底界的速度變化（陳建文等，2004）。
國土資源部廣州海洋地質調查局在2001～2004年在南海北部陸坡進行10000多公裏的天然氣水合物高分辨地震調查。本研究利用Jason反演技術，通過對南海北部陸坡區的地震速度資料的精細分析，在已圈定BSR分布範圍的基礎上研究陸坡區各沈積層的速度特征，最後對速度值與水合物的關系進行了分析和探討。
2 方法原理
純天然氣水合物的密度（0.9g/cm3）和海水密度相近，而遊離氣的含量又十分有限，這就決定了產生BSR的波阻抗差主要由速度造成。速度反演技術的特點是在無井約束時，以地震解釋的層位為控制，對所有的地震同相軸來進行外推內插來完成波阻抗反演，這樣就克服了地震分辨率的限制，最佳的逼近了測井分辨率，同時又使反演結果保持了較好的橫向連續性。速度反演技術的主要原理是：①通過最大的似然反褶積求得壹個具有稀疏特性的反射系數系列；②通過最大的似然反演導出波阻抗；③通過波阻抗計算速度。該方法的主要優點是能獲得寬頻帶的反射系數，是壹種基於模型的反演，具有多種建模方法，對所建模型進行比較分析，並使地質模型更趨合理，反演結果更加真實可靠（郝銀全等，2004）。
波阻抗反演方法的出發點是認為地下的反射系數是稀疏分布的，即地層反射系數由壹系列疊加於高斯背景上的強軸組成。具體反演是從地震道中，根據稀疏的原則抽取反射系數，與子波褶積生成合成地震記錄，利用合成地震記錄與原始地震道的殘差修改反射系數，得到新的反射系數序列，然後再求得波阻抗。其具體步驟是：
假設地層的反射系數是較大的反射界面的反射和具有高斯背景的小反射疊加組合而成的，根據這種假設導出壹個最小的目標函數（安鴻偉等，2002）：
南海地質研究.2006
式中：R（K）為第壹個采樣點的反射系數，M為反射層數，L為采樣總數，N為噪音變量的平方根，λ為給定反射系數的似然值。
最大的似然反演就是通過轉換反射系數導出寬帶波阻抗的過程。如果從最大的似然反褶積中求得的反射系數式R（t），則波阻抗：
Z（i）=z（i-1）×（1+R（i））/R（1-i） （2）
利用波阻抗和速度的關系式：
v=Z（i）/ρ （3）
即可得到速度值。其中，ρ為地層密度，可從區域測井資料結合該測線重力資料反演求取。
在上述過程中為了得到可靠的反射系數估算值，可以單獨輸入波阻抗信息作為約束條件，以求得最合理的速度模型。壹方面，速度反演結果是壹個寬頻帶的反射序列和波阻抗及速度數據，同時加入了低頻分量，使反演結果更能正確反映速度變化規律；另壹方面，它有多種質量控制方法，具體表現為監控子波的選取、同相軸的連續追蹤、反演結果準確性的判斷和提供多種交匯顯示的相關性分析。所以利用速度反演可對地震剖面上任壹相位進行速度反演，在每壹個CDP點都可得到任壹個同相軸速度數據，並利用二維的反射波的速度層析成像反演方法得到高度連續的速度剖面，如果地震測線足夠密，還可利用三維速度反演得到速度體圖像。
3 實現過程
3.1 初始模型的確立
在地質規律的指導下，利用地震和測井資料開展沈積特征分析和沈積旋回劃分；建立巖石-電性關系，進行砂層組和單砂層對比；在地震剖面上提取各含油砂層組反射波屬性，建立地震屬與礦體的關系，實現地震-測井綜合預測礦體平面分布厚度，開展層間礦體組外推預測；建立初始速度場；在地震屬性約束下開展地震反演，反演層間小層礦體厚度。細分層反演層位的標定正確與否直接影響反演結果的精度。因此，在反演過程中對子波提取、能譜特點、信噪比、頻譜及反射系數的研究至關重要（閆奎邦等，2004）。技術路線流程如圖1所示：
3.2 初始速度場的獲得
初始速度場的獲得首先要對速度譜進行解釋，速度譜的解釋和取值是否合理，將直接影響均方根速度的計算精度。具體步驟如下：
1）速度譜的解釋先從地質條件簡單、反射層質量好、能量團強、幹擾少的剖面段開始，繪制疊加速度-反射時間曲線，並逐漸向外擴展；
2）結合地震剖面的反射特征，判斷速度極值點是否正確，並選擇讀取能量團最大的極值點。排除幹擾波能量團，從而求得有效波的疊加速度；
3）對相鄰速度譜進行比較，通過比較速度譜曲線的形狀、相同反射層的速度極值等方法予以檢查和修改。
4）每隔40個CDP拾取壹組數據，利用地震剖面上的反射傾角數據對它們進行校正，便可得到均方根速度（梁勁等，2006）。
圖1 速度反演技術線路流程圖
Fig.1 The flow chart of the velocity inversion of technical route
3.3 子波的提取
子波提取時，要使能量集中於子波的主瓣，與地震子波形態吻合。如果所提子波近於零相位，則從波峰向兩側能量衰減較快，波峰兩側波形對稱；在子波的能譜特征分析，要使能量都集中在地震波的主頻範圍內；有井資料時，要對井資料都作了子波與地震波自動關聯質量控制。保證子波能譜與地震波能譜相吻合，是反演中較為重要的壹方面，子波能譜的峰值與地震波主頻的能譜峰值相吻合。首先了解合成記錄與地震記錄之間的偏差。通過合成記錄與地震記錄之間的偏差分析，對Jason反射系數偏差、能譜偏差進行進壹步的校正，使合成記錄與地震記錄之間的偏差減小。然後通過反射系數與地震資料之間偏差分析，采取相應的手段校正，使地層與合成記錄反射系數相吻合。再進行信噪比分析，使反演處理後的信噪比得到最大限度的提高。通過壹系列質量控制手段，使各油層合成記錄與地震記錄的標定精度得到了較大的提高。
關於速度反演可信程度，不能完全由反演方法確定，關鍵在於獲取地震記錄的質量和反演前處理流程的振幅保真度。另壹個影響因素是數值模擬結果應當是比較準確的，這與計算方法有關，也與子波拾取和地質構造模型有關。至於反演結果的靈敏度，主要由擬合誤差值和收斂速度來判斷。如果給定的初始模型正確，即與實際地質結構壹致，則擬合的誤差較小且收斂速度快。本文工作由於受實際情況限制，沒有實際的測井資料驗證，因此反演所得速度的準確性和精度會受到壹定程度的影響。
4 速度剖面特征
運用多種特殊地震成像綜合分析，是天然氣水合物地震資料解釋的關鍵技術。目前壹般采用識別BSR、振幅空白帶、波形極性反轉、速度異常、波阻抗面貌和AVO等天然氣水合物地震相應特征來綜合分析沈積物中是否含有水合物。高精度的層速度分析可幫助判定水合物的富集層位，速度及振幅異常結構是水合物與下伏遊離氣***同作用形成的特殊影像，剖面上表現為“上隆下坳”結構，多層疊合構成壹明顯的垂向“亮斑”這壹特殊成像結構在未變形的水合物盆地內較適用於尋找水合物礦點，並可據此定量估算水合物盆地內水合物的數量，分析BSR上下的詳細速度結構，是水合物地震資料綜合解釋的重要手段（張光學等，2003）。
圖2 南海北部陸坡測線A道積分剖面
Fig.2 Trace integration profile of the line A in north slope of the South China Sea
圖2是南海北部陸坡測線A的地震反射道積分剖面，從圖中可以看出，該剖面中部及右下角距海底大約350ms處出現壹強振幅反射波，大致與海底反射波平行，與地層斜交，BSR特征明顯。在波形極性方面，海底反射波和BSR都表現為成對出現的強振幅雙峰波形特征，海底反射波表現為藍紅藍特征，而BSR表現為紅藍紅特征，這表明相對於海底，BSR顯示出負極性反射同相軸，即所謂的極性反轉（與海底反射相反）。反射波的極性是由反射界面的反射系數決定的，而反射系數則與界面兩側的波阻抗差有關。實際上，海底和BSR都是壹個強波阻抗面，海底是海水和表層沈積物的分界面，上部為低速層，下部為相對高速層，反射系數為正值；BSR是含水合物層與下部地層（或含氣層）的分界面，上部為高速層（水合物成礦帶是相對高速體），下部為相對低速層（如含遊離氣，則速度更低），反射系數為負值，因此造成了BSR和海底反射波的極性相反現象（沙誌彬等，2003）。圖3是用速度反演法反演出來的縱波速度剖面，該速度剖面明顯顯示出壹近似平行於海底的相對高速地質體，其位置恰好在BSR上方。高速地質體的縱波速度大約在2000～2400m/s，其上面的低速層的縱波速度大約在1500～1800m/s，而下面的低速層的縱波速度大約在1500～1900m/s，沒有明顯的遊離氣存在特征，但根據其高速地質體特征、BSR以及波形極性反轉分析，可以認為南海北部陸坡測線A的相對高速地質體極可能是水合物成礦帶。
圖3 用速度反演法計算的南海北部陸坡測線A縱波速度剖面
Fig.3 P velocity profile of the line A in north slope of the South China Sea computed by velocity inversion
由圖3可見，水合物成礦帶內部速度是變化的，表明水合物分布不均勻，呈平行於海底的帶狀分布，中心速度最高，由中心到邊緣速度逐漸降低。海底以下有3個近似平行海底的低速和高速帶：①海底與高速體之間的相對低速帶，為水飽和帶；②水合物成礦帶；③水合物成礦帶下的低速帶。水合物成礦帶下面的低速帶在速度剖面上沒有明顯的低速特征，由此推斷水合物成礦帶下可能不含遊離氣，或者是氣體的飽和度很低。
5 結論
水合物的生成除了需要壹定的溫度和壓力條件外，還需要大量的碳氫氣體和充足的水。這就需要地層具有較高的孔隙度和滲透率。未固結沈積巖的孔隙度很高，滲透率大，具備水合物生成的物理條件。具備這種特征的未固結沈積巖的地震波速度較低，而含水合物地層的地震波速度增大。這就形成了水合物成礦帶作為低速背景中的高速地質體特征。另外，水合物的生成受溫度和壓力控制，壹般情況，等溫面和等壓面近似平行於海底，因此低速背景中近似平行於海底的相對高速地質體是水合物成礦帶的特征（劉學偉等，2003）。
通過對南海北部陸坡A測線縱波速度的計算，並且結合BSR和振幅空白帶識別以及波形極性反轉等多種特殊地震成像進行綜合分析，我們可以進壹步了解水合物成礦帶的速度特征：揭示水合物成礦帶的高速異常壹般呈平行於海底的帶狀分布，在高速異常的內部，速度也是不斷變化的，壹般在異常體的中心速度最高，由中心到邊緣速度逐漸降低，該現象反映在水合物礦帶內部，水合物分布並不均勻，水合物飽和度由礦體中心向邊緣逐漸降低。分析BSR上下的詳細速度結構，是水合物地震資料綜合解釋的重要手段。高精度速度分析可幫助判定水合物的富集層位，較適用於尋找水合物礦點，並可據此估算水合物資源量。
參考文獻
安鴻偉，李正文，李仁甫，等.2002.稀疏脈沖波阻抗反演在XY油田開發中的應用.石油物探，41（1）：56～60
陳建文，閆桂京，吳誌強，等.2004.天然氣水合物的地球物理識別標誌.海洋地質動態，6：9～12
郝銀全，潘懋，李忠權.2004.Jason多井約束反演技術在油氣儲層預測中的應用.成都理工大學學報，31（3）：297～300
梁勁，王宏斌，郭依群.2006.南海北部陸坡天然氣水合物的地震速度研究［J］.現代地質，20（1）：123～129
廖曦，馬波，沈浩，等.2002.應用Jason軟件進行砂體及含氣性預測.天然氣勘探與開發，25（3）：34～42
劉學偉，李敏鋒，張聿文，等.2005.天然氣水合物地震響應研究——中國南海HD152測線應用實例.現代地質，19（1）：33～38
沙誌彬，楊木壯，梁金強，等.2003.BSR的反射波特征及其對天然氣水合物識別的應用.南海地質研究，15（1）：55～61
史鬥，鄭軍衛.1999.世界天然氣水合物研究開發現狀和前景.地球科學進展，14：330～339
王宏斌，梁勁，龔躍華，等.2005.基於天然氣水合物地震數據計算南海北部陸坡海底熱流.現代地質，19（1）：67～73
閆奎邦，李冬梅，吳小泉.2004.Jason反演技術在巖性識別中的應用.石油物探，43（1）：54～58
張光學，黃永樣，陳邦彥，主編.2003.海域天然氣水合物地震學.北京：海洋出版社
張光學，文鵬飛.2000.南海甲烷水合物的地震特征研究，首屆廣東青年科學家論壇論文集，中國科學技術出版社
The Application of Jason Inversion Technology in Velocity Analysis of Gas hydrate
Liang Jin1 Wang Hongbin1，2 Liang Jinqiang1
（1.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，5107602.China University of Geosciences（Beijing），Beijing，100083）
Abstract：The P velocity of A seismic profile in the north slope of the South China Sea were calculated by Jason inversion method.The velocity characterostic of the gas hydrate bed was researched in detail based on the calculated result and the information of gas hydrate existing including BSR，amplitude blanking and polarity reversion of the waveform.Research shows that：The abnormity of higher velocity in the background of lower velocity is an important characteristic of gas hydrate existing；The abnormity of higher velocity which distribute as a belt usually parallel to the seafloor；The velocity changes gradually at the inner of the abnormity of higher velocity with the highest velocity at the center of the abnormity whereas the lowest velocity at the margin of it，which suggests that the saturation of gas hydrate decreases gradually from the center to the margin.The result that mentioned above suggest that high resolution velocity analysis not only help to search the hydrate spot but also help to estimate the rich layer of gas hydrate.
Key Words：Jason Inversion Technology Gas hydrate Velocity Analysis