ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
海域天然气水合物开采的4C-OBC时移地震动态监测模拟
北京大学学报(自然科学版) 第 57 卷 第 1 期 2021 年 1 月Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 57, No. 1 (Jan. 2021) doi: 10.13209/j.0479-8023.2020.091朱贺1,2 何涛1,2,† 梁前勇3 吴学敏3 董一飞3
1. 造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2. 北京天然气水合物国际研究中心,北京 100871; 3. 中国地质调查局广州海洋地质调查局, 广州 510760; † 通信作者, E-mail: taohe@pku.edu.cn
摘要 为了掌控海域天然气水合物开采过程中的地质和环境风险, 采用能够同时采集纵波信号和横波信号,并且满足实时性和长期性要求的四分量海底震缆(4C-OBC)技术, 对天然气水合物储层进行时移地震动态监测。针对未来天然气水合物商业化开发时的水平井环境, 通过射线追踪方法进行正演模拟, 对地层模型进行地震照明分析, 得到合理的4C-OBC布设参数, 以期确保采集的地震数据具有良好的成像效果, 并对不同开发阶段的时移地震数据进行走时与振幅分析。结果显示, 差异走时与差异振幅均能很好地反映天然气水合物的开采程度, 其中转换横波的效果更显著。观测系统的误差分析结果表明, 震源船的定位误差不会对这套时移监测系统有明显的影响。总的来说, 采用4C-OBC时移地震对天然气水合物储层进行动态监测的方案是有效的。关键词 四分量海底震缆(4C-OBC); 动态监测; 时移地震; 天然气水合物; 射线追踪
天然气水合物(俗称“可燃冰”)是在相对低温高压条件下, 由天然气与水形成的具有包接笼状晶格结构的冰状固态物质, 具有储量丰富、分布广泛、可再生性和清洁无污染等特性, 是一种极具潜力的未来能源[1]。据统计, 全球天然气水合物蕴含的有机碳总量约为煤炭、油气等传统资源总和的两倍,极具开采价值[2‒3]。
海域天然气水合物埋藏浅, 并且是地层的构成部分, 因此在开采过程中必须考虑以下方面的环境风险: 1) 天然气水合物的分解可能造成储层弱化,发生垮塌, 诱发海底滑坡、海啸等地质灾害[4]; 2)如果天然气水合物分解产生的甲烷气体大量泄露到海水中, 会导致海水缺氧, 引发生态灾难[5]; 3) 甲烷气体的温室效应相当于同等体积CO2的25倍, 一旦泄露到大气层, 可能对全球气候造成很大的影响[4,6]。因此, 在天然气水合物开采过程中, 有必要对储层进行动态监测。目前尚无成熟的方案对天然气水合物储层进行大范围的动态监测, 广泛应用于常规油气储层监测的时移地震监测是一个可选项。郝召兵等[7]基于传统的水面拖缆, 对天然气水合物开采的时移地震监测进行简要的可行性分析, 结论是肯定的, 但该研究的定量程度远不能满足实用需求。另外, 当前针对天然气水合物开采监测的数值模拟通常假设使用垂直井进行开发[7], 很少有关于水平井的模拟。实际上, 主要的天然气水合物储层都是渗透率较低的粉砂质, 甚至泥质沉积物, 垂直井方案的开采速率以及最终采收率都非常有限, 不能满足商业开采的需求。因此, 使用可以显著提高开采效率的水平井方案[8‒9]是天然气水合物商业化开发的必然选择。天然气水合物赋存区域通常存在游离甲烷气,生产过程中天然气水合物分解也会直接释放出游离甲烷气。传统的水面拖缆地震勘探中, 纵波会受到游离气的严重影响。因此, 能够同时记录横波信息的海底四分量地震仪对海域天然气水合物储层的动态监测非常重要。由于电池和数据回收等功能的限制, 科学研究中常用的海底地震仪(ocean bottom seismometer, OBS)和油气行业常用的的海底采集节点(ocean bottom node, OBN)不能满足天然气水合物商业化开采过程中储层动态监测的实时性和长期性要求。因此, 何涛等[10]提出使用四分量海底地震缆(4-component ocean bottom cable, 4C-OBC)来组建时移监测系统。作为一种可以采集海底全波信号的
新技术, 4C-OBC具有低噪声、长期稳定工作和数据实时传输等优势。一些针对天然气水合物的4COBC实验已取得良好的成果, 最终得到的纵、横波图像均能展示丰富的地层细节[11]。本研究基于水平井减压法开采天然气水合物的背景, 对使用4C-OBC大规模监测天然气水合物储层动态变化的方案开展数值模拟, 评估其有效性,并确定野外作业对系统的最低要求。
1 地层模型与监测方法
南海北部神狐海域存在丰富的天然气水合物矿藏, 是我国2017年第一次天然气水合物试采区。杨胜雄等[12]和郭依群等[13]基于广州海洋地质调查局第 3次海域天然气水合物钻探航次(the third gas hydrate drilling expedition of Guangzhou Marine Geological Survey, GMGS)天然气水合物钻探计划的测井勘察结果, 详细地描述该区域的天然气水合物赋存状态和相应的测井特征。本文根据文献[12]和[13]中的测井声波数据和矿物组分随深度的变化,通过构建岩石物理模型的方式, 生成一套能反映该区域典型地层(包括天然气水合物和游离甲烷气储层)特征的虚拟纵横波测井记录(图1)。为了模拟时移地震监测天然气水合物开采过程中储层的动态变化, 可以逐渐降低模型中天然气水合物和游离甲烷气的含量, 表示开采工作的不断进行。我国开采天然气水合物的工艺流程是先将天然气水合物稳定底界BSR (bottom simulating reflector,似海底反射界面)之下的游离甲烷气抽出, 降低天然气水合物储层的压力, 从而破坏天然气水合物相的稳定条件, 再将天然气水合物分解释放的甲烷气抽出。因此, 可以在生产过程中设置6个关键时间节点: T0对应初始未开采状态; T1对应游离甲烷气恰好被抽空, 但天然气水合物尚未开始分解的状态; T2~T5分别对应天然气水合物储量剩余50%, 30%, 15%和5%的状态。采用相同的岩石物理模型, 计算得出不同时间节点的地层纵、横波速度和泊松比(图1)。需要强调的是, 图1中BSR之上的天然气水合物储层以及BSR之下的含游离甲烷气层都是开采的目标地层, 原因是波速结构显示, 无论是天然气水合物储层还是含游离甲烷气层, 都是既包含天然气水合物, 也包含游离甲烷气, 区别仅在于含量的不同。
图1 中, 虚拟声波测井曲线在深度上是连续的,
过多的高频细节不能被低频的地震信号所反映, 因此用于4C-OBC正演模拟的地层模型通常需要根据曲线变化特征, 在深度轴上进行一定程度的归并和简化。根据对图1中曲线的观察, 可将原始模型简化为5 层, 从上至下依次为海水、非储层、天然气水合物储层、含游离气层和非储层(图2(a))。简化地层模型的横向范围无限制。水平井位于天然气水合物储层内部, 长度设为400 m。因压力影响范围和流体流动性等因素的限制, 一口水平井的开采范围是有限的。假设水平井的最远影响距离为50 m, 由于天然气水合物储层和含气层的厚度很薄(共约60 m), 垂直方向上能够完全开采其横向覆盖范围内的天然气水合物和游离甲烷气, 再在两端分别外延50 m, 因此开采区域的整体宽度为500 m。在该地层模型中, 各层的岩石物理参数可通过对原始模型各层内求平均值获得。为了进行定量计算,假设该地层模型满足理想条件: 在天然气水合物开采过程中, 仅开采区域内地层性质发生变化, 两侧以及上下地层均不受影响。据此计算得出的模型中主要地层的波速结构如图2(b)所示, 天然气水合物储层和含游离甲烷气层的岩石物理参数如见表1。
需要注意的是, 在水平井两端向外延伸的50 m开采范围内, 由于水平井未直接与地层接触, 逐渐减小的压力和流动能力会导致该部分的天然气水合物无法完全开采。本文假设在该范围内天然气水合物的开采程度随延伸距离的增大而线性地降低, 当
延伸到开采范围之外时降为零。这样处理的好处是, 可以让模型的岩石物理性质在横向上保持连续,没有突变, 防止参数跳变导致的计算错误。
我们设计的4C-OBC时移地震系统如图2(a)所示, 用于接收地震信号的4C-OBC海底震缆由专用的放线艇在定位仪的引导下沉放到海底, 其检波器
节点等距地分布, 形成阵列。海底震缆的一端连接到固定的记录船上, 震源船则在四周沿着预设的测线放炮, 激发地震波。地震波穿透海水, 在海底之下的地层界面发生反射, 海底震缆上的四分量检波器同时接收纵波和横波信号, 并通过缆线实时传输到记录船。在实践中, 根据需要, 通常将 4C-OBC
的检波器节点间距设定为25 m, 12.5 m或 6.25 m。由于成本的约束, 4C-OBC的节点数是有限的。本文模型中将4C-OBC节点数目限定为41个。一般情况下, 4C-OBC的节点间距越小, 成像质量越好, 但成像范围越窄。本研究的目标之一就是通过照明分析来权衡这两个因素, 为 4C-OBC的铺设制定合理的参数, 在保证开采区域内数据质量的前提下降低系统的成本。
本文采用RAYINVR程序[14]对上述简化的地层模型进行4C-OBC地震正演模拟, 获得各层的反射地震成像, 并利用不同开采阶段走时和振幅等的差异, 开展时移地震监测的可行性和效果评估。
2 照明分析
在地质模型的基础上, 可以利用地震照明分析技术, 研究地震波在传播过程中受地下介质结构影响的能量分布特征, 用于指导观测系统的设计和调节振幅补偿强度, 提高野外工作效率和地震成像质
[15] [16]量 。地震波照明分析方法主要分为射线追踪和波动方程[17]两类, 在原理上分别与光的粒子学说和波动学说相对应。因具有简单、快速和准确的优点, 基于射线追踪的方法最先获得广泛的应用, 但这种方法有一个明显的缺点, 就是无法处理复杂的地层模型。基于波动方程的方法可以模拟整个波场,因此对地层模型的复杂程度不敏感, 主要缺点是计算量较大。考虑到地层模型的结构比较简单, 本文采用射线追踪方法进行照明分析。
对于本文模型, 天然气水合物的开采仅影响储层和含气层, 因此在照明分析中只需考虑与此相关的 3个反射事件(表2)。照明分析的目标是获取反射点的分布情况(反映照明范围)以及单位面元上的射线覆盖频次(反映照明强度), 这两个指标决定成像的质量。理想的观测系统的照明应尽可能均匀,且保证照明范围和照明强度均足够大。
决定射线覆盖情况的3个主要因素是4C-OBC节点间距、炮点距和测线长度。由于测线长度对铺设 4C-OBC的指导意义不大, 因此在计算过程中保持5 km不变。4C-OBC节点间距或炮点距越大, 射线覆盖范围越广, 但射线密度越小。在实践中, 4COBC节点间距与炮点距通常采用25 m, 12.5 m或6.25 m三档, 并可进行不同档位的搭配组合。关于照明强度的最低标准, 可以参考一般拖缆地震方法中采集共深度道集数据时的要求。通常认为, 一个道集内的射线覆盖次数要达到10次以上, 才能保证叠加后的降噪效果显著, 从而获得良好的成像。本文定义射线密度为单位长度(1 m)内的射线覆盖频次, 并认为射线密度大于10次/m时成像良好。
图3显示纵波的照明分析结果。考虑到T0~T1阶段地层中的游离甲烷气被抽空, T1~T5阶段天然气水合物被逐渐采尽, 仅展示T0, T1和T5这3个关键时间节点的纵波照明分析结果。
图3(a)为油气勘探行业常规配置下的照明分析结果, 对应的 4C-OBC节点间距和炮点距均为25 m。此时, 41个节点的4C-OBC展布范围为 1000 m,在整条测线上, 气枪震源共激发200次。从图 3(a)中可以提取3个方面的重要信息。1) 照明均匀程度: 在 T0时刻, 天然气水合物尚未开采, 3个地层的照明都比较均匀; 而在T1和 T5时刻, 由于储层与含气层不同程度的开采, 导致在水平井开采区(偏移距=−0.25~0.25 km)的边缘产生一定程度的加强效应和影区效应。2) 照明范围: 3个地层的照明范围比较一致, 偏移距大体上在−0.5~0.5 km之间。3) 照明强度: 整体照明强度较弱, 即使在照明相对集中的中央区域(偏移距=−0.3~0.3 km), 射线密度也仅达到 9 次/m 左右, 达不到成像标准。
在图 3(a)的基础上, 图 3(b)中将 4C-OBC 节点间距减小一半, 照明强度明显提升, 开采区域内射线密度接近10 次/m, 但照明强度的增强主要在非储层, 对目标地层(储层和含气层)的贡献不明显。同时, 由于 4C-OBC的展布范围缩小一半至500 m,模型的有效照明范围也相应地减小(偏移距=−0.4~ 0.4 km)。综上所述, 缩小4C-OBC节点间距对照明效果有一定程度的提升, 但仍然不够理想。
在图 3(a)的基础上, 图3(c)中将炮点距缩小一半, 照明范围和照明强度均明显提升。照明范围扩大到偏移距=−0.6~0.6 km, 且在模型中央的主要区域(偏移距=−0.3~0.3 km), 射线密度的平均水平可达
15 次/m。虽然T1和 T5时刻的影区效应仍然存在,但影区内的射线密度也接近10 次/m。总体而言,这种方案的照明效果已经能够满足成像要求。
在图 3(a)的基础上, 图 3(d)中将 4C-OBC 的节点间距和炮点距都减小一半, 照明强度得到很好的加强, 在模型中央的主要区域(偏移距=−0.25~0.25 km), 射线密度超过20次/m。照明范围虽明显减小(偏移距=−0.29~0.29 km), 但仍然能够覆盖水平井0.5 km的开采区域。
图 4显示横波的照明分析结果。与图3(a)~(d)进行对应的比较, 可见横波照明范围与纵波无明显差异, 但照明强度普遍较弱, 图 4(a)~(c)中 3种情况对应的照明强度明显不符合成像标准。此外, 图4显示横波的照明强度具有或强或弱的亮暗相间现象, 亮暗交替的周期数恰好等于4C-OBC节点的个数, 且 4C-OBC节点间距越大就越明显, 反映 4COBC节点间距过大会导致各节点照明空间的相互隔离。图4(d)显示, 4C-OBC节点间距和炮点距均为12.5 m时, 横波照明效果最好, 照明范围(偏移距=−0.26~0.26 km)足够覆盖水平井开采区域, 且照明强度和均匀性比图4(a)~(c)有明显的改善, 射线密度在20次/m 左右, 远高于成像标准。
综上所述, 纵波在4C-OBC节点间距与炮点距分别为25和 12.5 m时即可满足成像标准, 如果间距进一步减小, 可以得到更好的成像质量, 但横波要求两个间距均不超过12.5 m。模型要求采用纵横波联合监测, 因此需要将4C-OBC节点间距和炮点距均设为12.5 m。
此外, 在照明强度满足要求的情况下, 照明范围是容易调控的。在实际监测中, 如果需要进一步增大照明范围, 只需增加 4C-OBC的节点数目即可。下面的走时分析和振幅分析中, 需要包括水平井开采范围和周围地层, 以便合理地容纳射线, 因此假设纵波和横波的有效照明范围均为偏移距=−0.5~0.5 km。
3 走时分析
本文用100 ms的雷克(Richer)子波来合成地震图。如果两个地震事件的间隔达到100 ms, 它们的地震图就不会发生叠加, 从而能够清晰地分辨两个独立的事件。在对时移地震的走时进行分析时, 观测的目标是同一个地震事件在相邻两个时间节点之间的差异走时, 并不要求前后两个事件在时域上完全分离, 只需保证走时之差大于观测误差, 因此分辨率更高, 可识别2 ms以上的差异。
与传统的水面拖缆地震勘探不同, 4C-OBC 系
统的走时分析不仅要考虑纵波事件, 还要重点考虑横波事件。与纵波相比, 转换横波在纵向分辨率方面具有先天优势, 原因是转换横波与纵波频率相同,波速只有纵波的30%~40% (表 1), 故相应的波长小很多, 能够分辨更薄的地层, 差异走时也更明显。
从事件3.2 和 4.2的纵波走时分析结果(偏移距均在有效照明范围内)可以得出以下结论。
1) 从图 5(a1), (a2), (b1)和(b2)可以看出, 两个事件的走时变化规律一致。T0~T1阶段, 由于游离甲烷气被开采, 地层纵波速度增大, 导致走时减小; T1~T5 阶段, 由于天然气水合物被开采, 地层纵波速度减小, 导致走时逐渐增大。
2) 图 5(c1)和(c2)进一步显示, 虽然开采期间两个事件的走时均有一定程度的变化, 但变化幅度很小(约 1~4 ms), 最高累计差异走时(T5−T1)仅6 ms。这样的差异走时从理论上是能够分辨的, 但在实际地震图中, 由于噪音和误差等因素的干扰, 这样的差异走时程度并不理想。
3) 从图 5(c1)和(c2)看出, 随着开采的进行, 差异走时逐渐减小, 表明越到后期, 相邻阶段之间地震图的差异越小, 原因是模型设定天然气水合物的剩余量随时间呈指数递减, 越到后期开采越慢。
4) 对比不同偏移距的曲线可知, 绝对走时与偏移距正相关(图5(b1)和(b2)), 然而差异走时基本上与偏移距无关(图5(c1)和(c2))。事件 4.2 在 T5时刻消失, 是因为T5时刻含气层的天然气水合物被开采殆尽, 与下方地层的波速差异消失。
图 6显示事件 3.2 和 4.2的横波走时分析结果,可以得出与纵波相同的结论, 但需要特别注意以下两点: 1) T0~T1阶段, 横波事件的走时没有明显的增大或减小, 而是基本上保持不变, 原因是游离甲烷气被开采并不影响横波速度; 2) 图 5(c1)和(c2)显示, 横波事件的差异走时(5~15 ms)明显比纵波更高,这种规模的差异走时即使在复杂的真实地震图中也非常容易分辨。
综上所述, 横波的走时分析效果明显优于纵波,表明横波在时移地震监测中具有不可忽视的重要性(尤其是考虑到天然气水合物储层的纵波响应会受到与开发过程紧密伴随的游离气的严重影响)。
4 振幅分析
本文的射线追踪和正演计算采用RAYINVR程序[14]。当追踪一条地震射线时, RAYINVR采用如下方式计算接收点处的振幅[18]:
A=a0q(−1)ε /L,其中, A为复振幅, A0为射线的初始振幅; q描述射线在地层界面处的能量分配效应, 由界面两侧的波阻抗以及界面上的Zoeppritz振幅系数决定; L表示射线传播过程中的几何扩散效应, 与射线的展布范围和传播距离等有关; ε为射线传播过程中位移方向掉转的次数。RAYINVR 将 A0值设为 1, 因此求得的振幅 A为相对振幅。
在时移地震中, 振幅分析的主要目标是研究同一个地震事件的振幅随时间的变化。在天然气水合物开采过程中, 储层和含气层的纵、横波速度发生变化, 进而引起 Zoeppritz 振幅系数的改变, 最终导致接收点处振幅的相应变化。
事件 3.2 和 4.2的纵波振幅分析结果见图7。其中, 相对差异振幅为两相邻时间节点之间的振幅之差与前一振幅的比值, 能够反映后一时刻相对于前一时刻振幅的变化比例。从图7得出如下结论。
1) 从图 7(a1)和(a2)看出, 在有效照明范围内,同一阶段的振幅随偏移距的增大而减小, 符合界面反射系数的振幅‒偏移距效应。
2) 从图 7(b1), (b2), (c1)和(c2)可知, 在同一偏移距下, 事件的振幅随时间节点的变化非常明显。在天然气水合物开采阶段(T1~T5)的相邻时间节点之间, 事件 3.2的振幅每次衰减35%~50%, 事件 4.2的振幅每次衰减 50%左右。
3) 图 7(c1)和(c2)中, 不同偏移距下的相对差异振幅差别极小, 可见差异振幅随时间的变化规律基本上与偏移距无关。
图 8显示横波的振幅分析结果。与纵波相比,横波事件的绝对振幅偏小。主要原因是模型中地层主要由松散沉积物构成, 剪切模量较小, 横波在其中传播时能量损耗非常大。尽管如此, 根据 Dash
[19]等 对 Cascadia 地区的研究, 采用容量大于90 in3的震源空气枪就能确保海底地震仪接收到明显的转换横波信号。关于振幅随时间的变化规律, 横波与纵波基本上一致。最重要的是, 横波的相对差异振幅也非常明显, 甚至略大于纵波。
综上所述, 在模拟时移地震中, 纵波和横波的相对差异振幅都非常明显, 可以很好地反映天然气水合物的开采程度。在实际监测中, 可以将振幅分