摘 要：2007年在南海北部神狐海域对天然气水合物(以下简称水合物)的钻探结果表明，仅依靠似海底反射(BSR)和振幅空白不能揭示沉积层内水合物的赋存状态，不能准确地圈定水合物的分布面积和储层厚度。为准确判定水合物储层情况，对南海北部神狐海域声波测井及地震资料进行了精细分析，研究了含水合物沉积层的声波速度、地震速度的分布特征和变化规律。结果认为：①地震反射剖面上，由于水合物饱和度、厚度增大，引起含水合物沉积层的速度增大而产生上拉构造，其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造，即“眼球状”的速度振幅异常结构；②含水合物层的层速度大小与沉积物孔隙度和水合物饱和度密切相关，水合物饱和度随声波速度升高而上下波动，总体趋势上随声波速度的升高而增高；③在含水合物带内部，高速层呈平行于海底的带状分布，底部速度最高，从底部往上速度逐渐降低；④利用上述特征，结合其他地质和地球物理资料，依据层速度可识别地层中水合物的存在，计算水合物的饱和度，确定含水合物层的厚度、分布范围，并可进一步计算水合物的资源量。
关键词：南海北部 神狐海域 声波测井速度 地震速度 天然气水合物 饱和度 速度振幅异常 地震反射特征 资源量
Characteristics of sonic and seismic velocities of gas hydrate bearing sediments in the Shenhu area,northern South China Sea
Abstract：According to the drilling resuits of natural gas hydrate reservoirs in the Shenhu area，northern South China Sea，in 2007，both bottom simularing reflections(BSR)and blank reflections failed to reveal the storage of gas hydrate in sedimentary bcds and were also incapable of accurately delineating the distribution area and reservoir thickness of gas hydrate. In view of this，we analyzed in detail the logging and seismic data from this study area，and studied the distribution characteristics and vanatlons of sonic and seismic velocities in gas hydrate bearing formations．The following conclusions were obtained．(1)On the seismic reflection profile,theincreases of gas hydrate saturation and reservoir thickness causes the increase of deposition rate of hydrate beds，thus a push-up structure is formed，below which a push-down structure occurs correspondingly due to the gas-bearing layers with a low deposition rate，which resulted in an augen like amplitude anomaly．(2)The interval velocity of gas hydrate beds is closely related to the porosity and saturation of hydrate．The saturation of gas hydrate fluctuates with the increase of sonic velocity，but the overall trend is in creasing with the increase of sonic velocity．(3)Within the gas hydrate bearing zone，the high velocity layers are featured by zonation distribution in parallel with the sea floor．The highest velocity occurs at the bottom of the gas hydrate bearing zone and the Velocty decreases gradually upwards．(4)Based on the above characteristics，the interval velocity can be used to identity the existence of gas hydrate and to compute the saturation of gas hydrate．Combined with the other geological and geophysical data,the omterval velocity can also be used to determine the thickness and distribution area of gas hydrate reservoirs，and to calculate the resource Volume of natural gas hydrate．
Key words：northern South China Sea，Shenhu area，sonic velocity，seismic velocity，natural gas hydrate，saturation,Velocity and amplitude anomaly，seismic reflectance，resource volume
2007年，国土资源部广州海洋地质调查局在神狐海域进行了天然气水合物(以下简称水合物)钻探取样，得到水合物实物样品，取得了系列重大发现和成果[1]。神狐海域的水合物调查在未取得测井和钻井资料之前，主要是通过对地震剖面上似海底反射(BSR)识别和振幅空白带的分布来判别水合物的存在以及水合物储层厚度的变化。然而2007年的水合物钻探岩心和测井资料表明，神狐海域的水合物仅分布在地震剖面BSR上方10～43m的范围内，而其上振幅空白带相对应的沉积层(比较均匀的粉砂质泥)并无水合物赋存，这表明依靠BSR和振幅空白不能揭示沉积层内水合物的赋存状态，不能准确地圈定水合物的分布面积和储层厚度。
为此，笔者通过对神狐海域声波测井速度与地震速度资料的精细分析，结合区域地质条件研究陆坡区各沉积地层的速度特征，根据沉积层的速度变化来确定水合物的储层厚度，并对声波和地震波速度与水合物的关系进行了分析和探讨。
1 地质概况
研究区位于南海北部陆坡中部神狐暗沙东南海域珠江口盆地珠二坳陷南翼，水深500～1500m，水深线走向大体平行于海岸线。该区海底地形比较复杂，地形坡度变化较大，从北向南倾斜下降，上陆坡相对较陡，海底坡降平均约为3.2×10-2，下陆坡相对较缓，海底坡降平均约为2.0×10-2该区断裂非常发育，在陆坡上发育有海底高原、海底陡坡、海底陡崖、海谷海丘、深海海槽、冲刷槽沟和陆坡台地等各种特殊构造地貌单元。区内发育的褶皱、滑塌体、增生楔等特殊构造易于捕获甲烷气体，有利于水合物形成，是水合物发育的重点区域；各类扇体、浊积岩以及扇体底部与下部正常沉积相接触的地方是水合物富集有利区。扇体通常具有由滨线向海进积的特征，从而导致整个地质时期中沉积相的横向迁移，使得富集有机质的较老的深水泥岩(生物成因气烃源岩)与新沉积未压实的沉积物(具有较高孔隙度的储层)呈侧变式接触，因此生物成因气不需要作长距离运移，在合适的温压条件下就可聚集成藏形成水合物。晚中新世以来重力流比较发育，沉积速率最高达120cm／ka，发育几千米厚的中、新生代沉积物，累积了大量有机质，为水合物的形成提供了物源[2-3]。
2 含水合物层声波测井曲线、地震反射特征
2．1 含水合物层声波测井曲线特征
地球物理测井技术是了解海底沉积层中水合物与游离气之间关系的重要方法，正确识别水合物储层必须要了解水合物的测井响应特征，不同的水合物储层在测井曲线上有不同程度的反映。含水合物层具有高速异常特征，分析声波测井曲线是识别水合物的有效手段，可用以确定地震数据与水合物和游离气的关系[4-5]。
2007年，我国在神狐海域实施了水合物钻探，在SH3、SH2和SH7站位成功钻获水合物实物样品，笔者利用这3个站位的声波测井曲线来分析含水合物层的特征。
2．1．1含水合物层声波测井曲线特征
图1为神狐海域SH3、SH2和SH7站化先导孔的声波测井曲线。由图l可见，SH3站位声波速度值为l200～2050m／s。在100～185m深度段，声波速度缓慢增大，其中在110～130m深度段声波速度骤然下降到l200m／s，分析可能是该段含有气体的缘故，但并没有水合物存在；在185～200m深度段，声波速度随深度增加而起伏，其中在185～195m，深度段声波速度小幅增高，该段声波速度平均值为l899m／s，并在该段采集到水合物样品；l95～200m深度段声波速度快速下降到l450 m／s，是水合物之下有游离气层的缘故。
SH2站位声波测井曲线是一条典型的含水合物层的速度异常曲线(图1)，其速度范围为1600～2250m／s。在100～195m深度段，声波速度缓慢升高，范围在1600～1900 m／s，是普通沉积物特征；l95～215m深度段，声波速度随地层深度的增加而起伏不定，速度值递增快，之后快速递减，整段曲线旱典型的三段式含水合物异常特征。其中在195～215m深度段声波速度明显增高，该厚度范围内声波速度平均值为2105m／s，并在该段成功采集到水合物样品。215～220m深度段声波速度快速下降到l750 m／s，是水合物之下存在游离气层的缘故。
SH7站位声波测井速度数据不完整(图1)。该站位声波测井曲线与SH-2站位相似，也出现高速、速度倒转等含天然气水合物沉积层的特征。在100～123m深度段，此段曲线呈渐增式，声波速度值为1500～1600m／s，此层段无明显声波速度变化界面；l23～150m深度段声波速度均值在1800m／s，整体声波速度较高；l50～175m深度段速度明显增高，最高达2500m／s，平均为2143m／s，并在该段成功采集到水合物样品。
2．1．2天然气水合物饱和度特征
神狐海域含水合物层的水合物饱和度值是提取岩心沉积物孔隙水现场测试氯离子浓度，并依据其稀释程度计算获得的。水合物的饱和度与沉积物孔隙水的稀释程度之间存在着一定的相关性，即自上而下氯离子浓度逐渐减小，这是岩心中水合物分解释放出来的低盐度自由水稀释而形成的。依据这种方法计算的水合物饱和度，虽然只是某一井口位置垂向的饱和度数据，但可以扩展到整个研究区域，并且体现了各种复杂影响因素，是沉积层水合物饱和度的真实体现[6-8]。
利用岩心中孔隙水测试氯离子的稀释程度来计算水合物的饱和度首先要求确立水合物分解前原地孔隙水氯离子浓度的背景剖面，控制水合物分解的稀释程度。假定岩．b#L隙水氯离子浓度剖面上小于原地孔隙水氯离子剖面浓度的部分是水合物分解造成的，则水合物饱和度可以用如下经验公式进行估算[9-11]：
Sh=1/rh(1-Clpw/Clsw)
式中Sh为水合物饱和度；rh为纯水合物密度，取0.9g／cm3；Clpw为实测的岩心孔隙水中氯离子浓度；Clsw为原地孔隙水中氯离子的浓度。
图2是神狐海域SH3、SH2和SH7站位现场测试的水合物饱和度散点图。SH3站位含水合物层较薄，水合物集中分布在192～196m段，最高饱和度值出现在196m处，饱和度值为25.5％，与声波曲线高值段相对应，含水合物层的最高声速值为205lm／s。SH2站位含水合物层大约有30m厚，水合物集中分布在海底l90～220m，该站位水合物饱和度相对较高，超过l5％高饱和度水合物主要集中在197～220m段，饱和度值为15％～47％，平均为29％。该深度段的声波速度值相对较高，含水合物层的最高声速为2279m／s。SH 7站位水合物层大约有22m厚，水合物集中分布在海底l55～177m。与SH2站位相似，该站位水合物饱和度较高，水合物的分布主要分为2段，l55～164m为高饱和度值段，水合物的饱和度为25％～44％，平均为34％，该深度段的声波速度值整体较高，最高声速为2578m／s；而l66～177m深度段的水合物饱和度相对较低，饱和度值为3％～23％，平均为l4％，该深度段的声波速度值有下降的趋势，最高声速为2256m／s。
含水合物层速度的大小与水合物的饱和度及地层的孔隙度有关。研究区的钻探结果表明，含水合物层的岩性主要为粉砂质泥，水合物蕴藏于未固结的沉积物中，水合物的饱和度较高，含水合物层的速度与饱和度的对应关系相当明显。由于研究区海底地质构造和沉积因素复杂，海底沉积层存在着较多的不确定因素，导致水合物饱和度随声波速度升高而上下波动，但总体趋势上是随声波速度的升高而增高[12-13]。
2．2 含水合物层地震反射特征
2．2．1地震剖面特征
含水合物层在地震反射剖面上常常会出现一强振幅的连续反射波，大致与海底反射波平行，被称为似海底反射(BSR)，一般代表天然气水合物稳定域的底界。BSR与地层产状无关，当地层产状与海底不一致时，BSR往往与地层斜交[14-15]。另外，由于水合物浓度和厚度的增大，引起含水合物层速度增加，产生上拉构造，其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造，即“眼球状”的速度振幅异常结构。地震剖面上通常利用BSR和“眼球状”构造来判别水合物层的存在[16]。含水合物层由于孔隙空间被水合物充填胶结，地层变得“均匀”，地震剖面上通常呈现振幅空白带或弱振幅带。研究表明，BSR的子波波形通常呈现负极性，即极性反转，并具有较大的反射系数[17]。
图3是神狐海域过SH2站位的地震反射剖面，从图3中可看出，沉积物波表现为席状波状相，整体呈长条形或伸长状席状外形，厚度较为均一，内部同相轴呈不对称波状反射结构，向上坡方向迁移攀升；在横切大陆坡的剖面上，呈连续的波状或丘状；其底部有明显的滑脱面，这是由于底流发育时具有较强的侵蚀能力，对早期的沉积物进行了簸选改造和再沉积，频繁的侵蚀界面可能反映r底流的脉动性。剖面上TRACE900～TRACEl 000，BSR之上有一明显的因速度振幅异常而形成的眼球状结构，是一条比较典型的含水合物层特征的地震剖面。另外，BSR上面有明显的、连续性较好的振幅空白带，极性与海底极性相反。
2．2．2速度谱特狂
速度是识别水合物的重要物性数据，速度异常是水合物地震响应特征之一，是判断沉积地层中是否含水合物的重要条件[18-22]。在神狐海域速度谱特征中，与水合物有关的速度异常一般可分为两种类型：①水合物之下的地层含有游离气型，其特点是含水合物层的速度高于上、下地层的速度，水合物之下游离气地层的速度低于水合物之上的地层速度，且层速度下降较大；②另一种是水合物之下的地层不含游离气型，其特点是与水合物位置相对应地层的速度高于上、下地层的速度，水合物之下的地层速度高于水合物之上的地层速度，且层速度下降较小。
图4为神狐海域含水合物层的速度谱。速度谱中红线代表拾取的叠加速度。图4左边为含游离气型谱特征，在1.90～1.98s段，叠加速度增加明显，速度值从1520m／s增加到1550m／s，至l.98～2.02s段，叠加速度突然下降到1500 m／s，下降幅度较大，即水合物下地层比水合物上地层叠加速度要低。图4右边为不含游离气型谱特征，在1.43～1.46s的水合物段叠加速度有一明显的增加过程，到l.46～1.48s段，叠加速度有所下降，但下降幅度较小，即水合物下地层比水合物上地层叠加速度要高，无明显的游离气存在特征。
2．2．3层速度剖面特征
层速度特征可以在其剖面上直观显示，水合物的赋存层位可以用层速度剖面来帮助判定。速度异常是含水合物层与下伏含游离气层共同作用形成的结果，地震剖面上通常表现为“上隆下坳”结构，即眼球状结构，在未被破坏的水合物稳定域内可根据这种特殊结构来探查水合物层。在具备高精度速度数据的条件下，可结合其他有效信息的分布来估算稳定域内赋存的水合物资源量[23-24]。
图5为神狐海域l30测线用Dix公式计算的层速度剖面。在距海底大约250ms上方附近(地震剖面上解释为BSR位置)，明显显示出一段近似平行于海底的相对高速层，高速层上、下都是明显的低速层。高速层的层速度在1800～2500m／s，其上面低速层的层涑度为1500～1700m／s，而下面的低速层的层速度在l100～l500m／s，有明显的游离气存在的低速特征，可以认为该测线的相对高速层速度是水合物层的反映。
2．2．4速度反演剖面特征
对地震速度剖面进行综合分析，是水合物地震资料解释的关键技术。高精度的速度分析可帮助判定水合物储层及其厚度和游离气的分布情况。通常利用测井、钻井及地质资料，可以较准确地获得井孔及其周围小范围内某一层段的岩性及含水合物信息，但却难以描述井间以及井孔周围的储层、水合物情况。而高分辨率地震资料在一定程度上可以反映储层物性信息，在横向上具有钻井资料无可比拟的连续性。因此通过高精度的反演对地震资料进行岩性识别和物性预测，是目前行之有效的手段之一[25-27]。
图6是神狐海域HS622A测线速度反演剖面。距海底大约200ms的沉积层中有一与海底平行高速带，厚度约为25m，速度值在2050m／s左右，是沉积层中有水合物存在的体现。高速之下有一速度值约为1800m／s的低速带，是水合物层之下存在游离气层的缘故。与层速度剖面相比，有井约束速度反演剖面具有更高的分辨率，能更准确地判定水合物的富集层位，矿体厚度和游离气的分布情况，对水合物的速度精细解释起到关键的作用。
运用多种特殊地震成像技术进行综合分析，是水合物地震资料解释的有效手段。与层速度剖面相比，反演速度剖面的分辨率有了很大的提高，能够精细刻画地层内部速度变化。有井约束速度反演采用声波测井速度、伽马和电阻率等测井曲线来做合成记录，既克服了反演过程中可能出现的多解性，又补偿了地震记录中缺失的高频与低频成分，剖面分辨率比常规速度剖面和其他层速度剖面有很大的提高，能完全满足高分辨地震剖面的分辨率(采样率为lms)需要。
3 讨论
3．1 神狐海域BSR上方振幅空白带与水合物的关系
当沉积层中含有水合物时，由于水合物地震波速较高，导致该地层与下伏地层间的反射系数增大，地震剖面上二就会出现相应的强反射界面，含水合物层由于孔隙空间被水合物充填胶结，地层变得“均匀”，地震剖面上通常呈现振幅空白带或弱振幅带。一般情况下BSR之上的振幅空白带是水合物存在的地震响应，是水合探测物的重要地震证据。同时，由于振幅减弱程度与水合物含量直接相关，因此可以利用地震反射振幅信息，间接地估计水合物的含量及储量大小[28]。然而2007年水合物钻探的岩心和测井资料表明，神狐海区的地震剖面上弱振幅带和振幅空白带相对应的沉积层为比较均匀的粉砂质泥，水合物储层只有ll～25m厚，大大低于预测的水合物储层厚度。这表明振幅空白带与其他地质因素也有一定的关系，如沉积环境、沉积物岩性等，神狐海域水合物的沉积层只是位于BSR之上较浅的深度范同内，这可能是因为形成水合物的甲烷气体很可能来源于原位微生物成因甲烷，分散状地赋存于沉积物深部[29]。所以要判断地震剖面上出现的振幅空白带是否与水合物有关，必须结合地层速度特征进行综合分析。
3．2 神狐海域地层速度与水合物饱和度的关系
神狐海域水合物赋存于海底l00～200m的沉积层中。纯水合物的声波速度在3600m／s左右[30]，理论上水合物的饱和度与地层速度呈线性的正比例关系，水合物的饱和度越高，地层速度越高。但由于海底地层的构造和沉积因素比较复杂，水合物饱和度的理论计算，是假设沉积物均匀变化，忽略了复杂地质因素对水合物的影响，是一种理想化的计算结果，误差的存在是不可避免的。而现场测试的水合物饱和度，是利用岩心中孔隙水测试氯离子的淡化程度来计算，是沉积地层中水合物饱和度的真实体现。在海底复杂的地质因素作用下，水合物的饱和度与声波速度并不是单一的比例关系，而是饱和度随声波速度的升高而上下波动，波动幅度在20％以内，但总体趋势上随声波速度的升高而升高，并集中分布在理论曲线附近[31]。这表明水合物饱和度是影响地层速度的重要因素。
4 结论
1)地震反射剖面上，由于水合物饱和度、厚度增大，引起含水合物层速度增大产生上拉构造，其下方同时显示出因低速含气层引起的速度下拉构造，即“眼球状”的速度振幅异常结构。
2)含水合物层速度的大小与沉积物孔隙度和水合物饱和度密切相关，水合物饱和度随声波速度升高而上下波动，总体趋势上随声波速度的升高而增高。
3)利用高精度的速度反演对地震资料进行岩性识别和物性预测，可得到具有更高分辨率的速度剖而，能更准确地判定水合物储层及其厚度和游离气的分布情况，对水合物的速度精细解释起到关键作用。
4)水合物层内部高速层呈平行于海底的带状分布，底部速度最高，由底部往上速度逐渐降低。若水合物层下伏地层有明显的低速特征，则水合物层下含有游离气体。
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本文作者：梁劲 王明君 陆敬安 梁金强王宏斌 匡增桂
作者单位：广州海洋地质调查局
国土资源部海底矿产资源实验室
中国地质科学院矿产资源研究所
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