一种利用纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物的方法

本发明属于海洋能源勘探技术领域，涉及一种利用纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物的方法，尤其涉及一种利用纵横波速度增量交汇图定性识别天然气水合物和定量估计天然气水合物饱和度范围的方法。

背景技术：

天然气水合物是由水分子和天然气分子在特定的温度和压强等条件下生成的类似冰状的固体化合物，具有可燃性，燃烧能量高，又称为可燃冰。它主要分布于深海海底以下或永久冻土带之下。由于天然气水合物具有分布范围广泛以及储量巨大等优势，被视为未来化石燃料的替代能源，受到国内外的广泛关注。目前主要以地球物理和地球化学手段探测天然气水合物，随着海洋科技的发展，水下成像技术逐渐被应用，但其成本较高。物探法是目前普遍使用的天然气水合物的勘探方法，有着较高的可信度，尤其是地震勘探技术应用最为广泛(樊栓狮，1999，参见参考文献[1]；李小森，2008，参见参考文献[2]；刘培栋等，2016，参见参考文献[3]；栾锡武等，2008，参见参考文献[5])。

与本发明相关的现有技术一的技术方案简述如下：

利用地震剖面上的似海底反射(bsr)识别天然气水合物：

在天然气水合物存在的地震剖面上，常常会伴随出现一条近似平行于海底的强反射轴，称之为bsr，通常被用来作为天然气水合物识别的标志，bsr具有如下特点：(1)近似平行于海底，与沉积地层斜交；(2)强反射轴，极性与海底反射轴相反；(3)bsr上方呈弱振幅或振幅空白带；(4)bsr上方具有高速特征。假如在地震剖面上出现有上述特征的反射轴，则可以推断其上有天然气水合物的存在(马在田等，2002，参见参考文献[6])。

以上所述现有技术一具有以下缺点：

由于bsr与天然气水合物的存在关系并不明确，因此该方法具有较低的可信度。并非所有的天然气含水合物地层都会出现bsr，对于平缓的海底，即使存在天然气水合物，也可能并不形成bsr，这和天然气水合物与游离气的饱和度以及储存方式等因素相关。bsr通常出现在海域环境的斜坡及海底沉积地层。在没有bsr出现的情况下，如何识别出天然气水合物是天然气水合物勘探面临的一个难点问题。此外，值得注意的是，并非所有bsr出现的地方都会有天然气水合物存在。另外，与常规不同的是，尽管绝大部分天然气水合物层都在bsr上方，但深海钻探资料显示，并非所有的天然气水合物层都位于bsr之上，也可能在其下方，因此，用bsr识别水合物具有一定的难度，且可信度较低(宋海斌等，2001，参见参考文献[7])。

与本发明相关的现有技术二的技术方案简述如下：

利用纵横波速度异常识别天然气水合物：

研究表明，当地层中充填天然气水合物时，地层的纵横波速度升高。因此，有学者提出用纵横波速度升高的特征识别天然气水合物。换言之，如果地层的纵横波速度比其他地层背景速度高，则推断该处存在天然气水合物。

以上所述现有技术二具有以下缺点：

由于当地层中充填其它矿物时，如，黄铁矿地层的纵横波速度也会升高，因此非天然气水合物因素同样会导致纵横波速度异常升高，从而无法指示是否是由于天然气水合物而引起的。因此，利用纵横波速度异常升高识别天然气水合物的方法也存在缺陷。

与本发明相关的现有技术三的技术方案简述如下：

一种利用纵横波波阻抗增量比识别天然气水合物的方法(刘学伟，cn200910089934.6，即参考文献[4])：

该发明针对现有技术二中，地层的纵横波高速度异常识别天然气水合物可信度低的问题，提出用纵横波波阻抗增量比的方法，提高天然气水合物识别的准确性。给出了含天然气水合物地层与非含天然气水合物纵横波波阻抗增量比之间的阈值，当纵横波波阻抗增量比大于阈值，则表示为含天然气水合物地层，反之为非含天然气水合物地层。

以上所述现有技术三具有以下缺点：

由于该方法需要反演地震横波信息，横波信息的准确性对后续计算纵横波波阻抗增量比至关重要，横波波阻抗作为纵横波波阻抗增量比比值中的分母，如果横波信息出现误差，那么会导致计算的比值出现较大误差，影响最终天然气水合物识别的结果。

本发明利用纵横波速度增量交汇图识别判断地层的高速特征是由含天然气水合物地层还是非含天然气水合物地层而引起的，从而提高天然气水合物识别的可信度，并估算天然气水合物饱和度的范围。

关键术语定义列表

(1)纵波速度增量：δvp＝vp-vp0；

其中，vp：地层的实测纵波速度。如果由于某种地质因素(如孔隙空间中充填矿物或天然气水合物)使得地层纵波速度增加，则vp表现为高速特征。

vp0：计算的含水饱和地层(孔隙空间充填水时的地层)的纵波速度。即假设引起地层速度增加的因素不存在，且孔隙空间完全充填水时，地层的纵波速度。

(2)横波速度增量：δvs＝vs-vs0；

其中，vs：地层的实测横波速度。如果由于某种地质因素(如孔隙空间中充填矿物或天然气水合物)使得地层横波速度增加，则vs表现为高速特征。

vs0：计算的含水饱和地层(孔隙空间充填水时的地层)的横波速度。即假设引起地层速度增加的因素不存在，且孔隙空间完全充填水时，地层的横波速度。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷，本申请提供了一种能够提高天然气水合物识别可信度的利用纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物的方法。本发明解决了根据纵横波速度异常升高识别天然气水合物可信度低的问题，明确了纵横波速度增量与天然气水合物之间的内在关系，从而为准确识别天然气水合物提供有力支撑，本发明采取的技术方案是：

一种利用纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物的方法，包括以下步骤：

s1、利用地震数据反演地层实际的纵波速度vp和横波速度vs；

s2、计算出含水饱和地层的纵波速度vp0和横波速度vs0；

s3、利用公式(1)计算出纵波速度增量δvp，利用公式(2)计算出横波速度增量δvs，

δvp＝vp-vp0(1)

δvs＝vs-vs0(2)

s4、经研究发现，当地层孔隙度为30％时，以粘土的弹性参数为参考，设置临界矿物的体积模量为20.9gpa，剪切模量为6.5gpa，密度为2.5g/cm³，计算临界矿物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线，可以作为阈值曲线；

s5、画出地层纵横波速度增量的交汇图以及阈值曲线；

s6、进行以下判断：

当纵横波速度增量交点在阈值曲线的左侧，则表示为含天然气水合物地层；当纵横波速度增量交点在阈值曲线的右侧，则表示为非含天然气水合物地层；

s7、在地层孔隙度分别为30％、50％和70％时，计算天然气水合物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线，称为孔隙度理论线；

s8、在所述地层纵横波速度增量的交汇图上，将待测天然气水合物地层纵横波速度增量交点的位置与孔隙度理论线上的天然气水合物饱和度位置范围进行对比，估算待测天然气水合物的饱和度范围。

在上述技术方案的基础上，所述纵波速度vp0为：假设引起地层速度增加的因素不存在，且孔隙空间完全充填水时，地层的纵波速度；所述横波速度vs0为：假设引起地层速度增加的因素不存在，且孔隙空间完全充填水时，地层的横波速度。

在上述技术方案的基础上，所述纵波速度vp0和横波速度vs0通过岩石物理模型计算。

在上述技术方案的基础上，步骤s5所述地层纵横波速度增量的交汇图首先是以横波速度增量为横坐标，以纵波速度增量为纵坐标，形成二维坐标平面；

在所述交汇图上，将步骤s3计算的地层的横波速度增量δvs作为纵横波速度增量交点的横坐标；

将步骤s3计算的地层的相应的(即横波速度增量δvs与纵波速度增量δvp为同一点)纵波速度增量δvp作为纵横波速度增量交点的纵坐标；最终形成纵横波速度增量交点，所述交点的横坐标为δvs，所述交点的纵坐标为δvp。

在上述技术方案的基础上，步骤s4-s6所述阈值曲线也位于所述地层纵横波速度增量的交汇图上。

在上述技术方案的基础上，步骤s8的具体步骤为：在所述孔隙度理论线上标出天然气水合物饱和度值对应的纵横波速度增量交点，根据待测天然气水合物地层纵横波速度增量交点所处的位置，将其位置所对应的天然气水合物饱和度值的范围作为估算待测天然气水合物的饱和度范围。

本发明的有益技术效果如下：

本发明针对当前天然气水合物识别方法可信度低的问题，提出了应用纵横波速度增量交汇图的方法区分天然气水合物和非天然气水合物因素引起的地层高速异常，从而提高天然气水合物识别的可信度，简述如下：

(1)海上钻探费用高昂，准确勘探识别天然气水合物的位置，提高天然气水合物识别可信度，减少干井率，可以节省钻井费用；

(2)天然气水合物一般赋存在海底以下较浅位置的地层中，常规深水油气钻探可能会穿过含有天然气水合物的地层；假设地层中含有天然气水合物，如果勘探不当就会破坏天然气水合物稳定的温压(温度和压力)条件，天然气水合物分解，引发海底塌陷；严重情况下，还会导致钻井平台倾斜或倒塌。为了防范海上钻井事故的发生，应该提前勘探海底天然气水合物的分布情况。提高天然气水合物的识别可信度，保障海上钻井安全。

附图说明

本发明有如下附图：

图1(a)是1245e井位计算的与实测的纵波速度示意图；

图1(b)是1245e井位计算的与实测的横波速度示意图；

图2是1245e井位纵横波速度增量交点识别天然气水合物示意图

图3是1245e井位纵横波速度增量交点估算天然气水合物饱和度的示意图；

图4(a)是1247b井位计算的与实测的纵波速度示意图；

图4(b)是1247b井位计算的与实测的横波速度示意图；

图5是1247b井位纵横波速度增量交点识别天然气水合物示意图；

图6是1247b井位纵横波速度增量交点估算天然气水合物饱和度的示意图；

图7(a)是1250f井位计算的与实测的纵波速度示意图；

图7(b)是1250f井位计算的与实测的横波速度示意图；

图8是1250f井位纵横波速度增量交点识别天然气水合物示意图；

图9是1250f井位纵横波速度增量交点估算天然气水合物饱和度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

大洋钻探204航次在俄勒冈水合物海岭1245e井位钻井，发现有天然气水合物存在。本例利用1245e井位已知的纵横波速度测井资料，计算该井位位置处的含水饱和地层的纵横波速度，求出纵横波速度增量，根据已确定的地层参数计算阈值曲线，判断地层是否含有天然气水合物，与实际资料天然气水合物位置进行对比。

利用地层纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物以及估算天然气水合物饱和度范围的方法，包括如下步骤：

(1)用岩石物理模型计算的含水饱和地层纵横波速度(vp0，vs0)，简称计算速度，和实测的地层纵横波速度(vp，vs)，简称实测速度，曲线如图1(a)和图1(b)所示；

(2)根据公式(1)计算出纵波速度增量δvp，根据公式(2)计算出横波速度增量δvs，

δvp＝vp-vp0(1)

δvs＝vs-vs0(2)

(3)当地层孔隙度为30％时，以粘土的弹性参数为参考，设置临界矿物的体积模量为20.9gpa，剪切模量为6.5gpa，密度为2.5g/cm³，计算临界矿物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线作为阈值曲线；

(4)如图2所示，以横波速度增量为横坐标，以纵波速度增量为纵坐标，画出地层的纵横波速度增量交点以及阈值曲线(在图中用实线表示，简称阈值)；根据实际资料，在所述纵横波速度增量交点中，地层中含天然气水合物的点(在图中简称水合物点)用方形表示，非含天然气水合物的点(在图中简称非水合物点)用圆形表示，阈值曲线用实线表示；

(5)判断：

当地层的纵横波速度增量交点位于阈值曲线左侧时，表示为含天然气水合物点；否则为非含天然气水合物点。从图2中可见，在阈值曲线左侧主要分布着含天然气水合物点，右侧为非含天然气水合物点，与实际情况基本保持一致。

(6)在地层孔隙度分别为30％、50％和70％时，计算天然气水合物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线，称为孔隙度理论线，如图3所示，分别用实线、虚线和点划线表示地层孔隙度为30％、50％和70％，其中，星号、加号和叉号分别表示天然气水合物饱和度为10％、20％和30％的点。图3仍为地层纵横波速度增量交点图，其中含天然气水合物点用方形表示，非含天然气水合物点用圆形表示。从图3中可见，大部分的含天然气水合物点分布在饱和度为0-10％范围内，与实际钻探资料中的结果基本一致。

实施例2

大洋钻探204航次在俄勒冈水合物海岭1247b井位钻井，发现有天然气水合物存在。本例利用1247b井位已知的纵横波速度测井资料，计算该井位位置处的含天然气水饱和地层的纵横波速度，求出纵横波速度增量，根据已确定的地层参数计算阈值曲线，判断地层是否含有天然气水合物，与实际资料天然气水合物位置进行对比。

利用地层纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物以及估算天然气水合物饱和度范围的方法，包括如下步骤：

(1)用岩石物理模型计算的含水饱和地层纵横波速度(vp0，vs0)和实测的地层纵横波速度(vp，vs)曲线如图4(a)和图4(b)所示；

(2)根据公式(1)计算出纵波速度增量δvp，根据公式(2)计算出横波速度增量δvs，

δvp＝vp-vp0(1)

δvs＝vs-vs0(2)

(3)当地层孔隙度为30％时，以粘土的弹性参数为参考，设置临界矿物的体积模量为20.9gpa，剪切模量为6.5gpa，密度为2.5g/cm³，计算临界矿物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线作为阈值曲线；

(4)如图5所示，以横波速度增量为横坐标，以纵波速度增量为纵坐标，画出地层的纵横波速度增量交点以及阈值曲线(在图中用实线表示，简称阈值)；根据实际资料，在所述纵横波速度增量交点中，地层中含天然气水合物的点(在图中简称水合物点)用方形表示，非含天然气水合物的点(在图中简称非水合物点)用圆形表示，阈值曲线用实线表示；

(5)判断：

当地层的纵横波速度增量交点位于阈值曲线左侧时，表示为含天然气水合物点；否则为非含天然气水合物点。从图5中可见，在阈值曲线左侧主要分布着含天然气水合物点，右侧为非含天然气水合物点，与实际情况基本保持一致。

(6)在地层孔隙度分别为30％、50％和70％时，计算天然气水合物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线，称为孔隙度理论线，如图6所示，分别用实线、虚线和点划线表示地层孔隙度为30％、50％和70％，其中，星号、加号和叉号分别表示天然气水合物饱和度为10％、20％和30％的点。图6仍为地层纵横波速度增量交点图，其中含天然气水合物点用方形表示，非含天然气水合物点用圆形表示。从图6中可见，大部分的含天然气水合物点分布在饱和度为0-20％范围内，与实际钻探资料中的结果基本一致。

实施例3

大洋钻探204航次在俄勒冈水合物海岭1250f井位钻井，发现有天然气水合物存在。本例利用1250f井位已知的纵横波速度测井资料，计算该井位位置处的含天然气水饱和地层的纵横波速度，求出纵横波速度增量，根据已确定的地层参数计算阈值曲线，判断地层是否含有天然气水合物，与实际资料天然气水合物位置进行对比。

利用地层纵横波速度增量交汇图识别天然气水合物以及估算天然气水合物饱和度范围的方法，包括如下步骤：

(1)用岩石物理模型计算的含水饱和地层纵横波速度(vp0，vs0)和实测的地层纵横波速度(vp，vs)曲线如图7(a)和图7(b)所示；

(2)根据公式(1)计算出纵波速度增量δvp，根据公式(2)计算出横波速度增量δvs，

δvp＝vp-vp0(1)

δvs＝vs-vs0(2)

(3)当地层孔隙度为30％时，以粘土的弹性参数为参考，设置临界矿物的体积模量为20.9gpa，剪切模量为6.5gpa，密度为2.5g/cm³，计算临界矿物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线作为阈值曲线；

(4)如图8所示，以横波速度增量为横坐标，以纵波速度增量为纵坐标，画出地层的纵横波速度增量交点以及阈值曲线(在图中用实线表示，简称阈值)；根据实际资料，在所述纵横波速度增量交点中，地层中含天然气水合物的点(在图中简称水合物点)用方形表示，非含天然气水合物的点(在图中简称非水合物点)用圆形表示，阈值曲线用实线表示；

(5)判断：

当地层的纵横波速度增量交点位于阈值曲线左侧时，表示为含天然气水合物点；否则为非含天然气水合物点。从图8中可见，在阈值曲线左侧主要分布着含天然气水合物点，右侧为非含天然气水合物点，与实际情况基本保持一致。

(6)在地层孔隙度分别为30％、50％和70％时，计算天然气水合物饱和度从0到50％变化的纵横波速度增量交点曲线，称为孔隙度理论线，如图9所示，分别用实线、虚线和点划线表示地层孔隙度为30％、50％和70％，其中，星号、加号和叉号分别表示天然气水合物饱和度为10％、20％和30％的点。图9仍为地层纵横波速度增量交点图，其中含天然气水合物点用方形表示，非含天然气水合物点用圆形表示。从图9中可见，大部分的含天然气水合物点分布在饱和度为0-20％范围内，与实际钻探资料中的结果基本一致。

本发明的技术关键点和欲保护点如下所述：

技术关键点如下：

1、发现了含天然气水合物地层的纵波速度增量与横波速度增量与非含天然气水合物地层的纵横波速度增量之间的差异。基于这种差异创建了识别天然气水合物的构架；

2、创建了区分含天然气水合物地层与非含天然气水合物地层的纵横波速度增量的阈值方法；

3、发明了基于纵波速度增量与横波速度增量识别天然气水合物的交汇图法；

4、发明了估计天然气水合物饱和度分布范围的方法。

欲保护点如下：

1.利用含天然气水合物地层与非含天然气水合物地层的纵横波速度增量差异识别天然气水合物；

2.提出利用地层纵横波速度增量交汇图方法识别天然气水合物；

3.提出区分含天然气水合物地层与不含天然气水合物地层的纵横波速度增量阈值方法；

4.利用含天然气水合物地层纵横波速度增量估计天然气水合物饱和度的分布范围。

参考文献(如专利/论文/标准)如下所列：

[1]樊栓狮.笼型水合物研究进展[j].化工进展,1999,18(1):5-7.

[2]李小森.天然气水合物能源的勘探与开发[j].现代化工，2008，28(6)：1-13.

[3]刘培栋，王锡文，袁洪仁，邓国振，王勇，薛超.厄瓜多尔西海岸天然气水合物地震识别方法及其分布规律[j].地球物理学报，2016，31(4),1633-1638.

[4]刘学伟.一种利用纵横波波阻抗增量比识别天然气水合物方法.中国，cn200910089934.6

[5]栾锡武，赵克斌，孙冬胜，等.海域天然气水合物勘测的地球物理方法[j].地球物理学进展，2008，23(1)：210-219.

[6]马在田，耿建华，董良国，宋海斌.海洋天然气水合物的地震识别方法研究[j].海洋地质与第四纪地质，2002，22(i):1-8

[7]宋海斌，松林修，杨胜雄，江为为.海洋天然气水合物的地球物理研究(ⅱ)地震方法[j].地球物理学进展，2001,16(3):110-118.

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。