楊肖迪，淳明浩，羅小橋，姚志廣

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300450;2.中國石油集團(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發(fā)生變形，導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降或滑動。此外，具有良好蓋層的淺層氣，會形成具有一定壓力的氣囊，如果石油平臺建設(shè)、鉆井等海洋工程活動刺穿蓋層，在內(nèi)部壓力作用下，淺層氣會噴涌而出，可能會導(dǎo)致井噴事故。因此，查明工區(qū)內(nèi)淺層氣的分布特征對于海洋工程建設(shè)選址、評估等具有重要意義。

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)過含淺層氣地層時(shí)會受到地層影響，其屬性均會發(fā)生變化。目前通常使用聲學(xué)探測的方法進(jìn)行淺層氣的識別，根據(jù)聲學(xué)地層剖面上的聲學(xué)空白、聲學(xué)擾動、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。但是這些特征對于淺層氣識別來說是充分條件，可能存在多解性。因此本研究使用多種地震屬性進(jìn)行淺層氣的識別，以期提高淺層氣識別的準(zhǔn)確率。

1 地震屬性

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地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，每一個地震屬性都是地震數(shù)據(jù)的一個子集。從應(yīng)用地球物理學(xué)的角度來看，地震屬性是刻畫、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。

1.1 振 幅

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)絕對值越大，反射波的振幅也越大。

1.2 瞬時(shí)相位

可根據(jù)聲波穿越不同地質(zhì)體引起的相位變化來識別不同地質(zhì)體間的邊界。瞬時(shí)相位Ph(t)是信號的子集:

式中，t為時(shí)間或深度，g(t)和f(t)分別為信號道的實(shí)部和虛部。

相位信息與振幅無關(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，對弱振幅的反射區(qū)域也具有較好的顯示，可用于識別地層連續(xù)性和地層層序邊界[12]。

1.3 瞬時(shí)頻率

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)過的地層性質(zhì)有關(guān)，是聲波信號的一種物理屬性，與地層的疏密程度有關(guān)，通?？勺鳛橛蜌鈪^(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)往往會造成聲波中的高頻成分被吸收衰減[13-16]。

1.4 品質(zhì)因子

地層對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波長λ距離后，原來儲存的能量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)因子指示地層對聲波的吸收衰減，品質(zhì)因子越大，地層對聲波的吸收衰減越小;反之，地層對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β暡ㄎ账p較小時(shí)，會保留較高的頻率成分;地層對聲波吸收衰減較大時(shí)，聲波的頻率會降低。由于淺層氣的存在會導(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。

2 含淺層氣地層特征

聲波在地層的傳播過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)，其會使聲波的振動能量轉(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。孔隙介質(zhì)中固體與流體(氣或者水)的相對運(yùn)動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，對聲波的吸收衰減增強(qiáng)，會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，孔隙度對地層聲速的影響要大于含水量對地層聲速的影響。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降低，波阻抗也會隨之降低，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，對下部形成一定的屏蔽效應(yīng)。聲波在經(jīng)過含淺層氣地層時(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相對低頻;④品質(zhì)因子相對較差。

3 工程案例

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_檢測中發(fā)現(xiàn)，平臺周圍200 m內(nèi)海底會冒出油花、氣泡。為全面評估平臺安全性，在某石油平臺周圍區(qū)域進(jìn)行了聲學(xué)地層剖面測量，采用電火花震源，激發(fā)能量為1 000 J，記錄時(shí)長為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)，識別淺層氣。

3.1 鉆孔數(shù)據(jù)

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

3.2 振幅特征

調(diào)查區(qū)域內(nèi)2條典型振幅剖面(圖2中的測線1和測線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)各存在一個異常區(qū)域，呈弱反射特征，同時(shí)存在數(shù)個空白弱反射區(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)測線布設(shè)及選取的測線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 的剖面能量相對較弱，疑似古河道。在剖面中部存在一個垂向異常區(qū)域，同相軸向下凹陷，近乎貫穿整個剖面，而兩側(cè)同相軸無錯斷，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，故推測其為淺層氣反射特征。

圖3 振幅剖面(測線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

3.2 瞬時(shí)相位特征

分別對圖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個異常區(qū)域，相位雜亂，無明顯層狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)在剖面中存在數(shù)個同相軸擾動區(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，推測其為地層中含淺層氣所致。

3.3 瞬時(shí)頻率

分別對圖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。在剖面左側(cè)和右下側(cè)分別存在1個低頻區(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。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)

3.5 瞬時(shí)品質(zhì)因子

分別對圖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(測線1)上品質(zhì)因子相對較差的區(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，整個剖面的品質(zhì)因子在4～18，在中部存在1個品質(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(測線2)上品質(zhì)因子相對較差的區(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)域即為地層對聲波的吸收衰減嚴(yán)重的區(qū)域，由于含淺層氣地層對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，推測其為地層中含有淺層氣造成的對聲波的吸收衰減，即品質(zhì)因子較差的區(qū)域?yàn)楹瑴\層氣區(qū)域。

3.6 綜合分析

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、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Φ皖l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，因此推測其為淺層氣。利用聲學(xué)剖面識別淺層氣的過程如圖11所示。

圖11 利用聲學(xué)剖面識別淺層氣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)平臺場址往年調(diào)查資料，平臺周圍60 m 地層內(nèi)淺層氣是最近10 a內(nèi)才出現(xiàn)的，并且平臺位于埕北斷階區(qū)羊二莊-趙家堡斷裂帶，斷層發(fā)育，長期發(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]。淺層氣有可能來源于深部地層，沿著斷層向上遷移，近年來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。

4 結(jié) 論

通過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別淺層氣的方法，并結(jié)合具體工程識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，在瞬時(shí)頻率剖面上表現(xiàn)為相對低頻，在品質(zhì)因子剖面上表現(xiàn)為品質(zhì)因子相對較差。

3)通過工程地質(zhì)鉆孔資料、前期地質(zhì)調(diào)查資料、斷層等特征推測聲學(xué)地層剖面上異常區(qū)域?yàn)闇\層氣，淺層氣來源于深部地層，沿?cái)鄬酉蛏线w移至海底表層聚集成淺層氣。