楊肖迪,淳明浩,羅小橋,姚志廣
(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司,天津 300450;2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300450)
海底淺層氣通常指海床以下1 000 m 以淺聚集的氣體。淺層氣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密度小、吸附能力小和擴(kuò)散能力強(qiáng)等特點(diǎn),容易在地層中遷移、聚集。當(dāng)淺層氣在地層中聚集時(shí)會(huì)改變地層的物理力學(xué)性質(zhì),孔隙度增加,地層壓實(shí)程度低,強(qiáng)度降低[1-4]。在外部荷載作用下,含淺層氣地層可能會(huì)發(fā)生變形,導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降或滑動(dòng)。此外,具有良好蓋層的淺層氣,會(huì)形成具有一定壓力的氣囊,如果石油平臺(tái)建設(shè)、鉆井等海洋工程活動(dòng)刺穿蓋層,在內(nèi)部壓力作用下,淺層氣會(huì)噴涌而出,可能會(huì)導(dǎo)致井噴事故。因此,查明工區(qū)內(nèi)淺層氣的分布特征對(duì)于海洋工程建設(shè)選址、評(píng)估等具有重要意義。
地層中含淺層氣時(shí)改變了地層的物理性質(zhì),從而與周圍正常地層存在差異,當(dāng)聲波經(jīng)過(guò)含淺層氣地層時(shí)會(huì)受到地層影響,其屬性均會(huì)發(fā)生變化。目前通常使用聲學(xué)探測(cè)的方法進(jìn)行淺層氣的識(shí)別,根據(jù)聲學(xué)地層剖面上的聲學(xué)空白、聲學(xué)擾動(dòng)、聲學(xué)幕、不規(guī)則強(qiáng)反射頂界面、兩側(cè)相位下拉和同相軸速度下拉等特征識(shí)別淺層氣[5-11],主要是利用聲波的振幅特征。但是這些特征對(duì)于淺層氣識(shí)別來(lái)說(shuō)是充分條件,可能存在多解性。因此本研究使用多種地震屬性進(jìn)行淺層氣的識(shí)別,以期提高淺層氣識(shí)別的準(zhǔn)確率。
地震屬性是一種描述和量化地震資料的特性,是原始地震資料中所包含的全部信息的子集,而地震屬性的求取是對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,每一個(gè)地震屬性都是地震數(shù)據(jù)的一個(gè)子集。從應(yīng)用地球物理學(xué)的角度來(lái)看,地震屬性是刻畫(huà)、描述地層結(jié)構(gòu)、巖性以及物性等地質(zhì)信息的地震特征量。
振幅是最常使用的地震屬性,聲波反射的振幅是聲波與地層反射系數(shù)的褶積,反映地層性質(zhì)的變化特征。地層對(duì)聲波的改變稱為波阻抗,為介質(zhì)的密度ρ與聲速v的乘積,聲波在穿透相鄰不同介質(zhì)的界面時(shí),會(huì)發(fā)生反射和透射。地層的反射系數(shù)(R)為:
式中,ρ1、c1、ρ2、c2分別為界面上層介質(zhì)的密度、聲速和界面下層介質(zhì)的密度、聲速。不同性質(zhì)的地層往往具有不同的密度和聲速,其界面處的反射系數(shù)不為零,并且地層性質(zhì)差異越大,反射系數(shù)絕對(duì)值越大,反射波的振幅也越大。
可根據(jù)聲波穿越不同地質(zhì)體引起的相位變化來(lái)識(shí)別不同地質(zhì)體間的邊界。瞬時(shí)相位Ph(t)是信號(hào)的子集:
式中,t為時(shí)間或深度,g(t)和f(t)分別為信號(hào)道的實(shí)部和虛部。
相位信息與振幅無(wú)關(guān),與聲波波前的傳播相位有關(guān),是聲波的一種物理屬性,不受波形振幅影響,對(duì)弱振幅的反射區(qū)域也具有較好的顯示,可用于識(shí)別地層連續(xù)性和地層層序邊界[12]。
瞬時(shí)頻率的計(jì)算方法為瞬時(shí)相位的時(shí)間導(dǎo)數(shù),與聲波的頻譜有關(guān)。瞬時(shí)頻率φ(t)是相位隨時(shí)間的變化率,計(jì)算公式為:
式中,Ph(t)為瞬時(shí)相位。
瞬時(shí)頻率與聲波經(jīng)過(guò)的地層性質(zhì)有關(guān),是聲波信號(hào)的一種物理屬性,與地層的疏密程度有關(guān),通常可作為油氣區(qū)、裂隙區(qū)以及地層厚度的指示器。當(dāng)?shù)貙又写嬖谟蜌鈺r(shí)往往會(huì)造成聲波中的高頻成分被吸收衰減[13-16]。
地層對(duì)聲波的吸收衰減可用品質(zhì)因子Q表示,其意義為聲波在地層中傳播一個(gè)波長(zhǎng)λ距離后,原來(lái)儲(chǔ)存的能量E與所消耗的能量ΔE之比[17]。品質(zhì)因子Q可以定義為:
式中,f為聲波頻率,t為聲波旅行時(shí),c為聲波波速,α為介質(zhì)的吸收系數(shù)。品質(zhì)因子指示地層對(duì)聲波的吸收衰減,品質(zhì)因子越大,地層對(duì)聲波的吸收衰減越小;反之,地層對(duì)聲波的吸收衰減則越大。品質(zhì)因子與聲波頻率正相關(guān),即當(dāng)?shù)貙訉?duì)聲波吸收衰減較小時(shí),會(huì)保留較高的頻率成分;地層對(duì)聲波吸收衰減較大時(shí),聲波的頻率會(huì)降低。由于淺層氣的存在會(huì)導(dǎo)致聲波中的高頻成分衰減,因此在含淺層氣地層中聲波的衰減較大,品質(zhì)因子較小。
聲波在地層的傳播過(guò)程中其能量的衰減可以分為2部分:非固有衰減和固有衰減。非固有衰減主要由聲波的幾何擴(kuò)散和介質(zhì)的幾何構(gòu)造引起;固有衰減與巖石黏彈性質(zhì)有關(guān),其會(huì)使聲波的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。在充滿流體的孔隙介質(zhì)中,固有衰減起主導(dǎo)作用??紫督橘|(zhì)中固體與流體(氣或者水)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都是造成聲波能量衰減的主要因素[18]。
地層中聚集淺層氣后,氣體飽和度增加,對(duì)聲波的吸收衰減增強(qiáng),會(huì)影響地層中聲波的傳播速度。地層聲速與孔隙度和含水量有關(guān),具有以下經(jīng)驗(yàn)公式[19-21]:
式中,c為聲波波速,n為地層孔隙度(%),w為含水量(%)。
地層聲速隨孔隙度和含水量的變化如圖1 所示。由圖1可以看出,孔隙度對(duì)地層聲速的影響要大于含水量對(duì)地層聲速的影響。當(dāng)?shù)貙又匈x存淺層氣時(shí),由于蓋層的作用,會(huì)形成局部高壓,擠占沉積物顆粒之間的孔隙水的空間,促使孔隙水被排出,地層的孔隙度增加,導(dǎo)致地層聲速降低。
圖1 不同含水量下地層聲速與地層孔隙度的關(guān)系Fig.1 Relationship between the sound velocity and the porosity in the strata under different water content
地層中含淺層氣時(shí),地層的物理屬性和聲學(xué)反射特征均會(huì)發(fā)生變化。正常層序中同一套地層內(nèi)部的性質(zhì)往往較均勻,波阻抗相近,反射系數(shù)近乎為零。當(dāng)?shù)貙又泻袦\層氣時(shí),地層的密度和聲速均會(huì)降低,波阻抗也會(huì)隨之降低,與周圍地層界面處的反射系數(shù)為負(fù),形成強(qiáng)反射界面,對(duì)下部形成一定的屏蔽效應(yīng)。聲波在經(jīng)過(guò)含淺層氣地層時(shí),高頻成分衰減增加,聲速降低,旅行時(shí)將增加。由地震屬性分析可知,聲學(xué)地層剖面中淺層氣反射波具有如下特征:①頂界面為強(qiáng)反射,下部為弱反射;②水平連續(xù)同相軸局部向下凹陷;③相對(duì)低頻;④品質(zhì)因子相對(duì)較差。
在渤海灣黃驊海域海底存在較多淺層氣。近5 年在該海域?qū)Ч芗苁推脚_(tái)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),平臺(tái)周圍200 m內(nèi)海底會(huì)冒出油花、氣泡。為全面評(píng)估平臺(tái)安全性,在某石油平臺(tái)周圍區(qū)域進(jìn)行了聲學(xué)地層剖面測(cè)量,采用電火花震源,激發(fā)能量為1 000 J,記錄時(shí)長(zhǎng)為300 ms。在聲學(xué)地層剖面上發(fā)現(xiàn)了疑似淺層氣反射,對(duì)聲學(xué)地層剖面進(jìn)行振幅、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率、品質(zhì)因子四種地震屬性分析,同時(shí)結(jié)合本區(qū)域的工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù),識(shí)別淺層氣。
研究區(qū)域的工程地質(zhì)鉆孔為全取芯鉆孔,深度為120 m。其鉆孔數(shù)據(jù)如表1所示。研究區(qū)域海底以下120 m 主要為軟黏土、粉細(xì)砂、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土等,地層含水量和孔隙度隨深度增加而逐漸降低,地層密度和地層聲速隨深度增加而逐漸增大,地層為正常沉積層序。
表1 鉆孔地層物理屬性和聲速數(shù)據(jù)匯總表Table 1 Physical properties and sound velocities in the strata of the borehole
續(xù)表1
調(diào)查區(qū)域內(nèi)2條典型振幅剖面(圖2中的測(cè)線1和測(cè)線2)中淺層氣的反射特征如圖3、圖4所示。由圖3可以看出,在剖面左側(cè)和右下側(cè)各存在一個(gè)異常區(qū)域,呈弱反射特征,同時(shí)存在數(shù)個(gè)空白弱反射區(qū)域,在剖面中分散分布。異常區(qū)域內(nèi)反射波能量較弱,同相軸不連續(xù),波形不穩(wěn)定,呈雜亂反射。無(wú)明顯層狀結(jié)構(gòu),與周圍正常同相軸存在明顯的間斷,邊緣處同相軸明顯變粗,并向下彎曲。左側(cè)弱反射區(qū)域呈柱狀縱向延伸,寬度約130 m,頂部距海底約15 m;右下側(cè)弱反射區(qū)域呈團(tuán)狀,寬度約140 m,縱向延伸約50 m。
圖2 調(diào)查范圍內(nèi)測(cè)線布設(shè)及選取的測(cè)線Fig.2 The layout of surveying lines and the lines selected for the analysis
由圖4可以看出,在剖面左側(cè)存在1條正斷層。在海底以下15~35 m 的剖面能量相對(duì)較弱,疑似古河道。在剖面中部存在一個(gè)垂向異常區(qū)域,同相軸向下凹陷,近乎貫穿整個(gè)剖面,而兩側(cè)同相軸無(wú)錯(cuò)斷,仍然平齊,疑似為地層中含淺層氣造成的聲速降低導(dǎo)致的同相軸向下凹陷。異常區(qū)域內(nèi)上部反射波能量較穩(wěn)定,同相軸較連續(xù);下部反射波能量較弱,同相軸不再連續(xù),波形不穩(wěn)定。異常域內(nèi)呈柱狀縱向延伸,寬度約40 m,頂部距海底約15 m。
在圖3、圖4中聲學(xué)地層剖面異常的區(qū)域,聲波呈弱反射特征,波形雜亂、同相軸不連續(xù),同相軸向下凹陷,與淺層氣的聲學(xué)反射特征相似。同時(shí),調(diào)查區(qū)域內(nèi)無(wú)任何人工構(gòu)筑物、海底平滑,雜亂反射并非接收系統(tǒng)異?;蛉斯?gòu)筑物造成的,故推測(cè)其為淺層氣反射特征。
圖3 振幅剖面(測(cè)線1)上疑似淺層氣雜亂反射Fig.3 The chaotic reflections in the amplitude profile(surveying line 1),which are suspected as the shallow gas
分別對(duì)圖3和圖4的2條振幅剖面進(jìn)行瞬時(shí)相位屬性計(jì)算,其瞬時(shí)相位剖面如圖5、圖6所示。由圖5可以看出,在剖面的左側(cè)和右下側(cè)分別存在1個(gè)異常區(qū)域,相位雜亂,無(wú)明顯層狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)在剖面中存在數(shù)個(gè)同相軸擾動(dòng)區(qū)域,與振幅剖面中的空白弱反射相近,在剖面中分散分布,其余區(qū)域同相軸則穩(wěn)定、連續(xù)。左側(cè)異常區(qū)域呈柱狀,寬約130 m,與振幅剖面上的雜亂反射區(qū)域相近。頂部距海底約15 m,在此區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯層狀結(jié)構(gòu),同相軸明顯變粗并向下凹陷;右下側(cè)異常區(qū)域呈團(tuán)狀,與振幅剖面(圖3)中右下側(cè)的雜亂反射區(qū)域相近,寬約140 m,縱向延伸約50 m。
圖5 瞬時(shí)相位剖面(測(cè)線1)上的相位雜亂區(qū)域Fig.5 Phase chaotic region in the instantaneous phase profile(surveying line 1)
由圖6可以看出,在海底以下5~30 m 同相軸雜亂。剖面底部、海底下140 m 以深同相軸雜亂。在剖面中部存在一個(gè)同相軸下凹區(qū)域,其余區(qū)域同相軸穩(wěn)定、連續(xù)。此區(qū)域呈柱狀,寬約40 m,與振幅剖面(圖4)上同相軸下凹區(qū)域相近,頂部距海底約15 m。在此區(qū)域內(nèi)的頂部,同相軸發(fā)生錯(cuò)斷、反轉(zhuǎn);上部同相軸雖然下凹,但仍然連續(xù);下部同相軸逐漸變得不連續(xù),層狀結(jié)構(gòu)逐漸不明顯。此區(qū)域疑似淺層氣反射,并且從下至上,淺層氣含量逐漸減少。
圖6 瞬時(shí)相位剖面(測(cè)線2)上同相軸下拉區(qū)域Fig.6 Lineups pulling-down region in the instantaneous phase profile(surveying line 2)
瞬時(shí)相位剖面上大部分區(qū)域同相軸連續(xù),表明研究區(qū)域地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而剖面上的異常區(qū)域呈現(xiàn)出相位雜亂、同相軸不連續(xù)和同相軸下凹的特征,推測(cè)其為地層中含淺層氣所致。
分別對(duì)圖3和圖4的2條振幅剖面進(jìn)行瞬時(shí)頻率屬性計(jì)算,其瞬時(shí)頻率剖面如圖7、圖8所示。由圖7可以看出,整個(gè)剖面的瞬時(shí)頻率在50~500 Hz,整體上呈現(xiàn)出上部高、下部低的趨勢(shì)。在剖面左側(cè)和右下側(cè)分別存在1個(gè)低頻區(qū)域,同時(shí)在海底以下50~55 m 存在1處橫向低頻區(qū)域。左側(cè)區(qū)域呈柱狀,寬約130 m,頂部距海底約15 m;右下側(cè)區(qū)域呈團(tuán)狀,與振幅剖面(圖3)上的雜亂反射區(qū)域、瞬時(shí)相位剖面(圖5)上的相位雜亂區(qū)域相似。低頻區(qū)域內(nèi)高頻成分缺失,呈現(xiàn)低頻特征,瞬時(shí)頻率約90~150 Hz,周圍區(qū)域的瞬時(shí)頻率普遍大于250 Hz。
由圖8可以看出,整個(gè)剖面的瞬時(shí)頻率在50~500 Hz,整體上呈現(xiàn)出上部高、下部低的趨勢(shì)。海底以下40 m 內(nèi)瞬時(shí)頻率約350~500 Hz,海底以下140 m 區(qū)域瞬時(shí)頻率約90~150 Hz。在剖面中部存在一個(gè)低頻區(qū)域,呈柱狀從底部凸出,寬約40 m,與振幅剖面(圖4)和瞬時(shí)相位剖面(圖6)上的同相軸下凹區(qū)域相似,頂部距海底約15 m。此區(qū)域內(nèi)高頻成分缺失,呈現(xiàn)出低頻特征,瞬時(shí)頻率約100~180 Hz,周圍區(qū)域的瞬時(shí)頻率普遍大于200 Hz。
在圖7中存在2處主要的縱向低頻區(qū)域和1處橫向低頻區(qū)域,橫向低頻區(qū)域?qū)?yīng)鉆孔中的密實(shí)粉土層,由于聲波中高頻成分在含氣地層中有較大衰減,因此推測(cè)縱向低頻區(qū)域?yàn)闇\層氣區(qū)域,橫向低頻區(qū)域是由淺層氣在粉土層中橫向遷移擴(kuò)散造成的。圖8的剖面底部為低頻區(qū),剖面中部存在1處縱向延伸的低頻區(qū),呈倒V 形,在0~140 m 呈尖脈沖狀,向上突出,在140 m 以下變寬。因此推測(cè)140 m 以下為含氣地層,并且隨著氣體壓力增加,從中部突破地層壓力向上遷移至淺部地層直至與地層壓力平衡。
圖7 瞬時(shí)頻率剖面(測(cè)線1)中的異常低頻區(qū)域Fig.7 Abnormal low frequency region in the instantaneous frequency profile(surveying line 1)
圖8 瞬時(shí)頻率剖面(測(cè)線2)中部的異常低頻區(qū)域Fig.8 Abnormal low frequency region in the middle part of the instantaneous frequency profile(surveying line 2)
分別對(duì)圖3和圖4中的2條振幅剖面進(jìn)行品質(zhì)因子屬性計(jì)算,其品質(zhì)因子剖面如圖9和圖10所示。從圖9中可以看出,整個(gè)剖面的品質(zhì)因子在4~18,在左側(cè)和右下側(cè)各存在1個(gè)品質(zhì)因子較差的區(qū)域,同時(shí)在海底以下50~55 m 存在一個(gè)橫向品質(zhì)因子較差的區(qū)域。左側(cè)區(qū)域呈柱狀,寬約140 m,頂部距海底約15 m;右下側(cè)區(qū)域呈團(tuán)狀,與瞬時(shí)頻率剖面(圖7)中的低頻區(qū)域相近。此區(qū)域內(nèi)品質(zhì)因子在5~8,明顯低于周圍地層的品質(zhì)因子。
圖9 品質(zhì)因子剖面(測(cè)線1)上品質(zhì)因子相對(duì)較差的區(qū)域Fig.9 The relatively poor quality factor region in the quality factor profile(surveying line 1)
從圖10中可以看出,整個(gè)剖面的品質(zhì)因子在4~18,在中部存在1個(gè)品質(zhì)因子較差的區(qū)域。此區(qū)域呈柱狀,寬約50 m,頂部距海底約15 m,與瞬時(shí)頻率剖面(圖8)中的低頻區(qū)域相近,此區(qū)域內(nèi)品質(zhì)因子在5~7,明顯低于周圍地層的品質(zhì)因子。
圖10 品質(zhì)因子剖面(測(cè)線2)上品質(zhì)因子相對(duì)較差的區(qū)域Fig.10 The relatively poor quality factor region in the quality factor profile(surveying line 2)
由品質(zhì)因子的定義可知,品質(zhì)因子較差的區(qū)域即為地層對(duì)聲波的吸收衰減嚴(yán)重的區(qū)域,由于含淺層氣地層對(duì)聲波有較大的吸收衰減,并結(jié)合雜亂反射、同相軸變粗、速度下拉、高頻缺失等特征,推測(cè)其為地層中含有淺層氣造成的對(duì)聲波的吸收衰減,即品質(zhì)因子較差的區(qū)域?yàn)楹瑴\層氣區(qū)域。
由鉆孔資料和地層剖面資料可知,研究區(qū)域地層連續(xù),剖面上的異常來(lái)自于地層內(nèi)部。在振幅剖面上出現(xiàn)柱狀區(qū)域的弱反射、雜亂反射、同相軸下拉以及分散的空白弱反射,在瞬時(shí)相位剖面上出現(xiàn)柱狀區(qū)域的相位擾動(dòng)、同相軸向下凹陷,在瞬時(shí)頻率剖面上出現(xiàn)柱狀區(qū)域和橫向?qū)訝畹南鄬?duì)低頻區(qū)域,在品質(zhì)因子剖面上出現(xiàn)柱狀區(qū)域和橫向?qū)訝畹钠焚|(zhì)因子相對(duì)較差區(qū)域,并且這些區(qū)域基本重合,符合淺層氣的特征,因此推測(cè)其為淺層氣。利用聲學(xué)剖面識(shí)別淺層氣的過(guò)程如圖11所示。
圖11 利用聲學(xué)剖面識(shí)別淺層氣Fig.11 The Identification of shallow gas by using acoustic profiles
研究區(qū)域內(nèi)淺層氣和斷層的分布特征如圖12所示。由圖12可以看出,淺層氣位于一條正斷層的末端,斷層頂端埋深31~57 m,由工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)可知海底以下15 m 主要是淤泥質(zhì)黏土層,是較好的蓋層。依據(jù)平臺(tái)場(chǎng)址往年調(diào)查資料,平臺(tái)周圍60 m 地層內(nèi)淺層氣是最近10 a內(nèi)才出現(xiàn)的,并且平臺(tái)位于埕北斷階區(qū)羊二莊-趙家堡斷裂帶,斷層發(fā)育,長(zhǎng)期發(fā)育的趙北斷層、羊二莊斷層既是分界斷層,同時(shí)又和不整合面形成了油氣運(yùn)移通道,在斷層兩側(cè)和不整合區(qū)形成油氣藏,油層埋深990~1 985 m,孔隙度大于30%,滲透率為1 200×10-3~1 700×10-3μm2,油氣運(yùn)移較快。
圖12 淺層氣和斷層的分布特征Fig.12 Distribution characteristics of the shallow gas and the faults
因此,可推斷剖面中的異常區(qū)域?yàn)闇\層氣反射,而大規(guī)模的聲學(xué)空白需要相對(duì)較多的氣體持續(xù)補(bǔ)充才能維持其形態(tài)[22]。淺層氣有可能來(lái)源于深部地層,沿著斷層向上遷移,近年來(lái)隨著氣體壓力增大而呈柱狀突破地層阻力向上運(yùn)移至海底以下15 m,遇到海底表層淤泥質(zhì)黏土層,氣體壓力與地層阻力平衡,在淺部地層中形成柱狀淺層氣,同時(shí)淺層氣沿地層橫向遷移,由于氣體壓力較小未能連片,形成分散分布的空白弱反射。
通過(guò)分析含氣地層的物理性質(zhì)以及淺層氣在不同地震屬性剖面上的特征,提出了利用多種地震屬性綜合識(shí)別淺層氣的方法,并結(jié)合具體工程識(shí)別圈定了淺層氣的分布特征,得到如下結(jié)論:
1)地層中含有淺層氣時(shí),氣體飽和度增加,地層的密度和聲波速度均會(huì)降低。
2)從振幅、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)品質(zhì)因子四種屬性方面分析了聲學(xué)剖面上的異常區(qū)域:在振幅剖面上表現(xiàn)為弱反射、波形反射、同相軸下拉,在瞬時(shí)相位剖面上表現(xiàn)為相位擾動(dòng),在瞬時(shí)頻率剖面上表現(xiàn)為相對(duì)低頻,在品質(zhì)因子剖面上表現(xiàn)為品質(zhì)因子相對(duì)較差。
3)通過(guò)工程地質(zhì)鉆孔資料、前期地質(zhì)調(diào)查資料、斷層等特征推測(cè)聲學(xué)地層剖面上異常區(qū)域?yàn)闇\層氣,淺層氣來(lái)源于深部地層,沿?cái)鄬酉蛏线w移至海底表層聚集成淺層氣。