南中国海具有天然气水合物成藏的充足物源、良好的运移通道和合适的温压条件，是天然气水合物聚集的有利场所^[1].自1999年国内开展天然气水合物调查以来，南海陆坡区发现大量与天然气水合物存在相关的地球物理、地球化学及生物异常特征.天然气水合物的高速特性改变了沉积地层的声学特征，使得多道地震反射剖面上形成似海底反射（Bottom Simulating Reflector，简称BSR）、振幅空白带、极性反转以及BSR与地层斜交等独特的地震反射特征，因此多道地震是天然气水合物勘探的主要手段^[2~6].从整体看，南海北部陆坡区各种与水合物存在相关的地球物理反射特征在东部海域表现最为典型，向西逐步减弱甚至消失.

南海陆坡区具有充足的气源，多数学者认为此区域天然气水合物普遍存在于反射振幅空白带，BSR是天然气水合物稳定带的底界，其下存在大量游离气^[7~12].然而，2007年神狐海域钻井取芯结果表明：含天然气水合物沉积层位于海底之下153~225 m的深度，分布于BSR的上覆沉积地层中，厚度在10~25 m之间，BSR之下并没有存在大量的游离气，振幅空白是由于岩性比较均一造成的^[13~15].本文研究以钻井资料为约束条件，综合利用了南中国海神狐海域多种地球物理信息，分析不同地球物理方法对天然气水合物识别的适用性.最后将地震属性聚类结果与区域地质背景结合，分析研究区天然气水合物的形成和聚集模式.

天然气水合物地震识别的关键技术包括三维地震成像、波阻抗反演、以及各种聚类分析方法，其中地震成像是识别的基础^[16~18].一方面，精确的成像可以突出可能含天然气水合物地层独特的地震反射特征，另一方面，速度场异常也可以用来初步推断天然气水合物的存在.反演与聚类分析方法可以确定并精细刻画天然气水合物的空间分布特征，根据其结果与井数据的吻合程度进行综合分析，进而确定最佳的地球物理识别方法.

神狐海域重点研究区地震数据采集采用高分辨率单源单缆三维方式，其实质是在一定的定位精度前提下，利用海流对电缆的影响，使密集的二维测线形成一个覆盖面，从而达到三维地震数据采集和成像的目的.这一方式采集的地震数据的典型特点是方位角很窄，并且由于目标层很浅，因此为了获得高精度成像，地震数据处理方法与常规三维地震数据处理方法有一定差异.除保幅去噪、反褶积等关键处理以突出含水合物地层反射特征外，三维方位角定义、面元大小参数确定等方面将是决定三维成像质量的关键.

针对油气的海洋三维地震勘探一般主要考虑中深部目的层，处理过程中方位角参数与航向是一致的.而针对天然气水合物的地震调查，在数据采集过程中由于海流的影响导致电缆漂移，使接收点（电缆）方向与航向并不一致，导致实际反射点的方向与航向有一定偏差.如图 1所示，激发点方向（等价于航向）与电缆方向（接收点方向）有一定的夹角（通常约1°~3°），那么实际的反射散点就位于图中的灰色区域，显然只有对角线方向（图中粗黑线）能最完整描述反射数据，它与航向是不一致的.因此为了保证浅部目的层成像的精确性和分辨率，定义方位角时必须根据实际的散点分布状况来确定最佳参数，不适当的方位角参数将导致成像后的海底不连续以及浅层反射失真.方位角度定义的准则是使沿方位角方向的反射数据来自尽可能少的测线，从而保证整体成像效果.这一准则是由采集数据的窄方位角、水合物存在区域海底地形特征和目标层较浅等因素综合决定的^[16].

图 1

Fig. 1

图 1 源检方向偏移示意图， 黑点为激发点 Fig. 1 Sketch map showing the offset between source and receiver. Black points show the direct of shot line

由于天然气水合物富集区海底地形及浅部地层变化剧烈，面元参数也是影响三维地震数据成像质量的一个关键因素.对于单源单缆采集的高分辨率地震数据，在面元参数过小时会明显影响速度场分析的稳定性和成像质量，图 2显示了产生这一结果的原因.假定海流的影响一定，激发线间距为50 m，接收点间隔为12.5 m，当采用25 m×12.5 m的面元参数时，深灰色区域的反射数据来自近偏移距地震道，而浅色区域的反射数据来自远偏移距地震道.尤其是在研究目标地层很浅的情况下，这一面元划分方式造成速度场极不稳定，使整个三维成像数据体的分辨率将在INLINE方向表现为高-低-高-低间隔的模式.研究表明，对于单源单缆方式采集的地震数据，INLINE的线间距离参数与炮线间距一致是比较合理的，因为这样可保证每一INLINE线的地震反射数据的偏移距是均匀分布的.

图 2

Fig. 2

图 2 面元参数对地震数据偏移距分布的影响示意图 Fig. 2 Sketch map shows correlativity between bin parameters and offset division

为了刻画天然气水合物及游离气的三维空间分布，选择穿过SH1、SH2、SH3、SH4、SH7井的地震数据（图 3）进行有井约束的波阻抗反演，将反演与钻井结果对比，分析反演的可靠性和适用性.

图 3

Fig. 3

图 3 神狐海域连井地震剖面，灰色曲线为井位置的波阻抗 Fig. 3 Cross-well seismic protile of Shenhu Area. Grey curves are impedances on well sites

在完成地质模型建立、子波提取及井震标定后，对地震数据进行有井约束波阻抗反演得到波阻抗剖面（图 4）.可以看出BSR表现为一个强-弱阻抗的分界面，但在天然气水合物存在的位置（SH7、SH2和SH3井）和天然气水合物并不存在的位置（SH1和SH4井）反演的阻抗差异并不明显.这一方面说明天然气水合物的分布比较分散，另一方面也说明以井约束的阻抗反演方法对天然气水合物的识别存在缺陷.首先，波阻抗反演依赖沉积层位划分和低频地质模型，而天然气水合物分布受温度压力控制，不完全受沉积层序控制，与地层层序并不一致，因此反演约束层位的解释难以精确，造成地质模型的建立也不可能精确；此外，浅层沉积层序横向变化大，地层为非弹性的未固结砂泥沉积物，而波阻抗反演的对象是成岩地层.因此，利用井约束的波阻抗反演技术来识别天然气水合物的前提条件并不充分.

图 4

Fig. 4

图 4 连井地震波阻抗剖面 Fig. 4 Impedance section of cross-well seismic data

地震属性是指将地震数据经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征和统计特征.由于含天然气水合物地层的层序横向变化频繁，储层呈明显的非均质性，波阻抗反演结果难以确定水合物的分布特征，而地震属性综合分析方法受地层和地质模型约束较少，因此适于形态不规则、非构造控制的天然气水合物矿体的识别^[18]，其结果可以直观刻画天然气水合物和游离气带的三维空间分布.

为了获得对天然气水合物敏感的地震属性，分别从三维地震数据体提取振幅统计类、瞬时参数类、频谱统计类、层序统计类和相关统计类等多种地震属性，从不同地震属性中寻找共性特征，以提高识别的有效性和可信度.结合钻井资料以及不同地震属性的表现，采用专家经验方法确定优选与振幅相关的地震属性作为识别的基本属性.图 5为以BSR为目标层位，±5 ms时窗提取的4种振幅类地震属性，分别为均方根振幅、平均绝对振幅、最大峰值振幅和平均峰值振幅，每一种振幅属性都能够反映天然气水合物的强振幅特征.很明显，SH1和SH4井位于强振幅异常的边缘，钻井也没有发现天然气水合物，而SH2、SH3和SH7井位于振幅异常中间部位，空间上也具有一定的连续性，与钻井结果一致.其中最大峰值振幅和平均峰值振幅属性的分辨率更高，对水合物的存在更为敏感，这可能与天然气水合物的离散分布有关.

图 5

Fig. 5

图 5 振幅属性 （a）均方根振幅；（b）平均绝对振幅；（c）最大峰值振幅；（d）平均峰值振幅. Fig. 5 Amplitude attribute (a) RMS amplitude; (b) Average absolute amplitude; (c) Maximal peak amplitude; (d) Average peak amplitude.

为了进一步刻画天然气水合物的分布，将4种振幅类地震属性数据作为神经网络的输入向量和测试样本进行属性聚类分析.将属性聚类结果以一定的阈值划分，使聚类结果与井数据匹配，从而得到天然气水合物的三维空间分布（图 6）.很明显，SH1和SH4井位于强振幅异常区域之外，且天然气水合物的分布极不规则，与钻井结果是相符合的.

图 6

Fig. 6

图 6 天然气水合物三维分布 Fig. 6 3-D distribution of gas hydrate

钻井结果还表明天然气水合物的分布与BSR具有很高的关联性，因此利用BSR界面的强振幅特性来识别天然气水合物是可行的，但游离气与地层层位的相关性很差，且分布更加不规则.因此为了刻画游离气的分布，必须从整个三维数据体上获取地震属性以减少地层层位及地质模型对识别结果的影响.基于含游离气带的振幅属性特征表现为低值，与含水合物地层的振幅异常特征相反；因此可利用强、弱振幅属性异常分别描述天然气水合物与游离气的三维空间分布.首先对地震数据进行0、1编码分类：1代表振幅异常，0代表正常振幅，对高振幅异常和低振幅异常分别给定不同的门槛值；然后沿不同方向判断获得的振幅异常体是否连通，属于同一连通体给予相同的编号，不同的连通体赋以不同的编号，重复此过程就可得到用不同数字编号表示的振幅异常连通体；最后分别对高低振幅编码便可得到反映天然气水合物和游离气带分布的振幅异常连通体. 图 7为天然气水合物与游离气的三维空间分布，游离气分布于水合物下方，但并不是紧靠水合物稳定带底，而且部分水合物分布区域的正下方并没有游离气.

图 7

Fig. 7

图 7 天然气水合物与游离气三维空间分布 浅层红色对应水合物，蓝色对应游离气. Fig. 7 3-D distribution of free gas and gas hydrate. The upper fawn extent represents the gas hydrate, the blue extent represents free gas.

地震属性聚类分析结果表明，南中国海神狐海域的天然气水合物分布是不均匀的，空间上不连续（图 6），形成天然气水合物所必需的游离气并不是分布于紧靠水合物的下覆地层（图 7）.结合钻井资料可以推断，形成天然气水合物所需的气体是深部（相对BSR深度）生物成因游离气向上运移或侧移的结果，图 8a所示的典型地震剖面反射特征可以进一步证实.BSR强振幅反射区对应天然气水合物的分布，低频的反射模糊区对应游离气的分布，在含天然气水合物地层和游离气聚集区之间，存在大量的断层和裂缝，形成了游离气运移通道，图 8b反映了研究区水合物与游离气的分布模式.此外，研究区横波地震反射数据的速度扫描分析也可以证实含水合物地层之下存在速度反转，但横波速度反转最明显的位置并不紧靠含水合物地层，而是位于其下方更深的地层，与游离气的运移相关，因此研究区地层速度的整体结构符合游离气带速度模型（图 9）.

图 8

Fig. 8

图 8 （a）典型地震反射剖面；（b）据（a）解释的水合物与游离气分布模式 Fig. 8 (a) Typical seismic reflecting section; (b) Distribution model of free gas and gas hydrate interpreted from (a).

图 9

Fig. 9

图 9 PS转换波速度扫描 Fig. 9 Velocity scan of PS wave

神狐海域是典型的被动大陆边缘，以连续沉积与沉积盆地的形成为特征.渗透率是控制天然气水合物出现、聚集与分布的关键参数，它控制流体（包括气体）的供给以及流体在气体水合物稳定带的运移.垂向可渗透通道的形成需要边缘断层、盆地沉降、不稳定斜坡、泥底辟或者盐底辟等构造.由于被动大陆边缘盆地的细粒沉积物经常充当封堵作用，只有进入水合物稳定带的有效运移通道、天然气水合物稳定带内或下部孔隙水的气体达到饱和、以及形成块状水合物所需的足够的水等条件同时存在时，才可能在被动大陆边缘形成较大型的水合物储层^[19~21].由于渗透率的限制，被动大陆边缘气体水合物的分布相对更局限，世界范围内已知的气体水合物储层以及气体水合物的BSR分布都表明了这一点.

研究区的取芯结果表明天然气水合物主要以均匀颗粒形式分布于沉积物中，这一结果说明甲烷游离气更可能是以扩散形式而不是沿通道运移至水合物稳定带.图 8的地震反射特征表明，深部的甲烷游离气通过断层和裂隙向上运移，然后以扩散的形式进入水合物稳定带底部并形成水合物.如果游离气是沿通道（断层）向上运移，那么形成的水合物将堵塞通道并形成水合物块的边界，此时岩芯将表现为一个完全的水合物胶结或者块状的水合物.而神狐海域的钻井取芯可能由于取芯深度并没有达到天然气水合物刚形成的位置，或者钻井取芯位置并不是正好位于断层和裂隙所形成的通道，导致没有发现块状水合物.因为地震剖面所展示的特征说明游离气向水合物稳定带底部运移的通道是存在的，这也是渗漏型块状水合物形成的必要条件之一.

以单源单缆方式采集的高分辨率采集地震数据为基础，分析了南中国海神狐海域三维地震数据成像以及针对天然气水合物识别的关键技术.研究结果表明，以井为约束的地震波阻抗反演虽然可以反映含天然气水合物地层的高阻抗特征，但结果并不能很好描述天然气水合物的分布特征.这是由于水合物在区域地层中的分布不均、沉积地层为未固结沉积物使层序划分和地质模型难以精确等因素决定的.为了弱化地层层位和地质模型对识别结果的影响，以BSR为目标层位提取多种地震属性并对属性进行敏感性分析，确定以振幅类地震属性作为属性聚类分析的基础，并以钻井结果为约束条件，获得天然气水合物的三维空间分布.为了进一步研究天然气水合物与游离气的分布模式，直接从地震成像数据体获得三维地震属性体，利用振幅类属性对水合物与游离气的存在敏感的特点，采用属性聚类后形成连通体的技术确定研究区天然气水合物与游离气的分布模式---天然气水合物的分布与BSR相关联，形成天然气水合物所需的甲烷气体来自BSR之下一定深度的地层.

根据研究区天然气水合物与游离气的分布模式，结合钻井取样结果可以推测研究区天然气水合物的形成机制.断层和裂缝为富含甲烷的流体从深部沉积层向浅部沉积层运移提供了通道，而甲烷气体主要以扩散的方式进入水合物稳定带底部，形成稳定、不均匀分布的天然气水合物聚集区，而大块状的水合物更可能分布于水合物稳定带底部的断层和裂缝处，即水合物刚形成的位置.