海底地震仪在天然气水合物勘探中的应用综述

海底地震仪在天然气水合物勘探中的应用综述
易锋;徐军;刘斌
【摘要】海底地震仪(OBS)直接布设在海底,在地球动力学研究、油气勘探以及地震学研究等众多领域中应用广泛。

随着采集技术的提高,海底地震仪也越来越广泛地应用到水合物的勘探中。

文中从OBS数据采集、数据处理以及速度反演三个方面对OBS在水合物勘探中的应用现状进行综述,重点在于综述目前的应用现状和OBS使用的难点。

数据采集方面主要综述了在OBS水合物勘探中几种常见的观测系统;OBS数据处理方面主要综述OBS数据预处理和OBS数据镜像成像;OBS速度反演方面主要综述常用的反演方法及其优缺点;最后,在以下几个方面对OBS在水合物勘探中的应用进行了展望:(1)优化观测系统的设计;(2)发展更先进的波场分离算法;(3)基于全波形反演以及基于面波的速度反演。

【期刊名称】《海洋技术学报》
【年(卷),期】2019(038)001
【总页数】10页(P92-101)
【关键词】OBS;水合物调查;预处理;镜像偏移;速度反演
【作者】易锋;徐军;刘斌
【作者单位】[1]广州海洋地质调查局,自然资源部海底矿产资源重点实验室,广东广州510075;[1]广州海洋地质调查局,自然资源部海底矿产资源重点实验室,广东广州510075;[1]广州海洋地质调查局,自然资源部海底矿产资源重点实验室,广东广州510075;
【正文语种】中文
【中图分类】P714.6
天然气水合物是水和天然气在低温高压环境下形成的一种可燃固体，广泛存在于大陆边缘的海底沉积物以及冻土带中[1-2]。

水合物得到广泛关注的原因主要有4个：（1）水合物是一种潜在的新能源[3]；（2）水合物可能在全球气候变化中扮演着
重要的角色 [2，4-5]；（3）水合物对海底稳定性有重要的影响[6]；（4）水合物与海底界面过程有密切的关系[7-8]。

由于水合物在上述几个方面的重要影响，许
多国家和地区都开展了大量的水合物调查工作，包括中国、美国、韩国、日本、以及印度等。

海面多道地震是水合物调查最重要的手段，在水合物的调查中发挥了非常重要的作用。

从最初的单道地震，发展至2D以及3D，甚至4D地震，已经形成了一套非
常成熟的勘探技术。

多道地震上的似海底反射（BSR）、空白带、震幅异常以及速度异常等是水合物地震调查最重要的标志。

海面拖缆多道地震存在的主要问题包括：（1）偏移距较小，不利于精细的速度分析；（2）缺乏横波信息。

OBS观测技术不同于海面多道地震采集技术，它将多分量检波器直接布设在海底
来接收海面震源激发产生的波场。

与海面多道地震相比，OBS地震技术主要有4
个方面的优势：（1）不仅能够记录纵波，还能记录转换横波；（2）能够记录大
偏移距的信息；（3）能够记录较低频信息（低于 5 Hz）；（4）海底噪音较低，OBS信噪比较高。

在早期，海底地震仪主要应用于研究地球深部大尺度的壳幔结
构以及地球动力学问题[9-12]。

目前，在这些领域，OBS仍然是最重要的观测手段。

将OBS引进到水合物的调查研究中，主要在于：（1）其记录的转换横波能
够提供含水合物沉积层的横波速度结构，而横波速度结构是含水合物沉积层一个非
常重要的参数；（2）其记录的低频、大偏移距的信息对于高分辨率纵波速度的建立非常有利。

随着采集技术的提高，OBS技术越来越广泛地应用到水合物的调查研究中[13-15]。

在天然气水合物勘探中，OBS技术主要有两方面的应用：（1）通过增加低频的成分来提高含水合物沉积层成像的分辨率；（2）通过反演获得含水合物沉积层的速度结构，尤其是横波速度结构，进而分析水合物的赋存状态，估算水合物的饱和度。

但是与海面拖缆地震相比，OBS的应用还很不成熟，在水合物调查中发挥的作用
还很有限。

由于处理技术的限制，OBS数据低频成分在成像中的优势并没有很好
地体现出来。

另外，由于现有横波速度结构反演技术的限制，难以获得区域上的横波速度结构，无法利用横波速度结构估算区域上水合物的分布和饱和度。

本文通过对国内外应用OBS勘探水合物的实例进行综述，介绍其应用现状和技术难点，并
对下一步开展的工作进行展望。

1 OBS观测系统
观测系统指的是在采集地震数据时检波点和炮点的空间位置关系。

在采集OBS数
据时，OBS布设在海底，震源在海面激发。

具体实施时，OBS的布设形状以及炮点的布设形状都会根据情况设计。

在深部壳幔结构的研究中，OBS一般都是沿着
直线稀疏布设，布设间距一般大于1 km，偏移距可达100 km，甚至更大，炮点
距离大于50 m。

在水合物的勘探中，其目标层是海底以下1 km以内的浅部沉积层，OBS的布设间距较小（200 m左右）。

在应用OBS勘探水合物的早期实践中，所用的OBS数量较少，仅仅布设若干个OBS，甚至是单独一个OBS。

施工船沿着直线进行放炮[16-17]，在采集OBS数
据的同时，一般在海面上同时采集多道地震或者单道地震数据。

随着OBS设备技
术的进步和应用成本的降低，在水合物勘探中，所用OBS的数量越来越多，可多
达几十台。

OBS沿着直线布设，而炮点按照三维的方式来布设，最终对工区形成
一个三维的覆盖[15]。

与此同时，在海面也采集三维的地震数据，形成OBS与多道地震的联合勘探。

OBS与多道地震的联合勘探广泛应用于南海北部陆坡水合物的勘探实践中，取得了一定的效果。

除了这些规则的观测系统外，也存在一些特殊的观测方式。

为研究挪威外海Nyegga麻坑流体逸散通道的三维结构，16个检波器被布设在麻坑周围和中心，炮点沿着一个圆布设[16]。

在观测系统的设计中，震源的主频是一个需要考虑的因素，震源的主频影响地震数据的穿透深度以及地震数据的分辨率。

在油气勘探中，由于目的层一般较深，要求地震数据有较深的穿透，震源的主频一般较低，20～30 Hz左右。

在水合物勘探中，由于目的层较浅，且要求地震数据有较高的分辨率，震源的主频一般较高，可到60～70 Hz。

对于浅部沉积层，按1 500 m/s的速度和1/4波长的准则计算，地震数据的分辨率理论上可到6.25 m。

实际的分辨率还受到OBS布设间距的影响，由于OBS采集数据的成本较高，OBS的布设间距不可能达到海面多道地震检波器的密集程度。

在南海北部的水合物勘探中，OBS布设的间距一般为200～400 m，成像效果较好。

在水合物勘探中GI枪是目前主要的震源，其震源的频带较宽。

组合后的GI枪能够很好地压制气泡效应。

2 OBS数据处理
OBS数据处理主要包括3个方面的内容：OBS数据预处理、OBS成像以及OBS 数据速度反演。

2.1 OBS预处理
OBS的预处理包括时钟漂移校正、重定位、重定向以及噪音衰减等。

利用OBS采集数据时，震源与OBS的计时系统是分离的。

震源采用的是精确的GPS计时系统，OBS采用仪器内部的计时系统。

在OBS布设到海底以前，首先对OBS的计时系统进行校正，但由于海底温度和压力的影响，OBS内部的时钟出现漂移。

当OBS运用于水合物勘探时，由于OBS布设的时间周期较短，一般采用
线性插值的方式进行校正。

具体地，当OBS回收到船上以后，立即读取GPS的时间以及OBS内部时钟记录的时间，得到两者的差，也即时钟漂移的量。

然后，按
线性插值的方式对OBS记录的时间进行校正。

在利用OBS采集地震数据时，虽然技术上可以使用ROV设备投放OBS，但成本
较高。

实际中，大多通过自由下落的方式将OBS布设到海底。

由于海流和海底地形的影响，OBS的位置一般都偏离设定的位置，OBS在海底的实际位置是未知的。

OBS数据利用的第一步是确定OBS在海底的位置，不正确的位置信息将直接影响后续处理的效果。

直达水波包含了 OBS的位置信息，最常用的方法是利用直达水波走时，用最小二乘法的方法来求解 OBS的实际位置[18-20]。

OBS投放到海底以后，其方位角也是不确定的。

事实上，OBS仪器在海底姿态是随机的。

而OBS所记录的三分量波场与OBS站台的姿态有关，这些原始的三分
量波场（X，Y，Z）不能直接应用到后续的处理中。

利用矢量波场的极化旋转理论可将原始任意方位角的（X，Y）分量旋转到（R，T）方向上。

其中，R，T分别表示径向分量和切向分量。

径向(即炮检方向)分量（R分量）主要记录了横波中的
SV波，切向分量（T分量）主要记录了横波中的SH波。

由于OBS记录的横波由纵波转换而来，理论上，OBS数据中的转换横波主要为SV波，而SH波的能量较弱。

首先通过扫描的方式得到旋转的角度α，扫描的准则是让T分量的能量尽可能弱；然后按式（1）进行旋转。

图1显示了南海北部某海域OBS数据极化旋转前后的分量，可以看出旋转之后，
T分量能量减弱，R分量能量增强，转换横波主要集中在R分量上。

图1 南海某海域实际OBS数据旋转前（X,Y）与旋转后（R,T）的结果（源自文献[25]）Fig.1 South China Sea OBS data before(X,Y)and
after(R,T)rotation(from reference[25])
由于海底环境比较安静，而且几乎不受海浪的影响，OBS数据的信噪比一般比较高。

偶尔在数据中会出现随机的异常振幅噪音，可以采用常规多道地震中噪音衰减的方式进行处理。

在OBS数据中，存在一类特殊的噪音，该类噪音由不同分量的数据泄漏到另一分量产生，最常见的就是横波分量泄漏在Z分量上形成的噪音。

这类泄漏的噪音对后续的成像有一定的影响[21]，采用基于小波变换的方法能够有效地衰减这一类噪音[22]。

该方法基于2D小波变换提取局部属性信息并假设水听器分量（P分量）中不包含泄漏的横波能量。

首先，对Z分量和P分量进行2D小波变换，变换成为一个包含有局部倾角，局部相位和局部频率信息的五维数组。

然后，在小波域求取一个匹配滤波器，用于将Z分量数据匹配到P分量数据上。

Z
分量中局部信息与P分量中局部信息一致的成分被认为是信号，其余的则认为是
噪音。

最后，将匹配滤波之后的Z分量数据通过反小波变换变换回到时间-空间域。

2.2 OBS数据成像
偏移成像是地震处理中非常重要的一步，在常规的偏移处理中主要利用一次反射波来进行偏移成像。

对OBS数据进行偏移成像时，存在的主要难题有：（1）OBS
比较稀疏；（2）OBS 的一次反射波照明范围比较窄。

为此，人们提出了OBS的
镜像偏移技术，即使用OBS数据的多次波进行成像[23]。

该技术首先要求对OBS 数据进行波场分离，分离出上行波和下行波。

其中上行波主要包含一次反射波的能量，而下行波则主要包含多次波的能量。

基于PZ合并的分离方法是目前最常用的波场分离方法。

基于镜像偏移理论的成像技术广泛应用于南海北部陆坡的水合物调查中[24-25]，
取得了较好的效果。

利用OBS数据进行成像的优势在于，OBS数据的信噪比较高，低频成分比较足。

但总的来讲，在南海北部陆坡水合物OBS调查中，OBS成像的优势并没有体现出来。

这一方面可能是由于OBS节点比较稀疏，另一方面可能是观测系统设计不够合理。

3 OBS数据处理速度反演
速度分析在多道地震数据处理中起着核心的作用，它不仅为后续的偏移处理提供速度模型，而且速度分析的结果还能用于噪音衰减。

对于水合物OBS调查而言，速度分析的重要性不仅体现在为常规的处理提供速度模型，更重要的是速度分析的结果可直接用于分析水合物的赋存状况。

由于OBS数据记录了转换横波信息，OBS 数据不仅用于纵波速度反演，还用于横波速度反演。

3.1 OBS数据纵波速度反演
纯水合物的纵波速度达到3.3 km/s[26]，而海底浅部沉积层的速度远远低于该速度值，其值大约在1.6 km/s左右。

利用纵波速度信息研究水合物的赋存是常用方法之一。

采集OBS数据的主要目的之一是利用OBS数据来反演含水合物沉积层的速度结构。

与常规海面多道地震相比，OBS数据的偏移距较大，非常适合于描述浅部沉积层的速度结构。

通过旅行时反演获得含水合物沉积层的速度结构是利用OBS数据研究水合物的常用方法，在水合物调查中有非常多成功的应用。

Katzman等[16]在研究南加利福尼海域水合物时，通过OBS旅行时反演获得海底浅部沉积层的速度结构，结果表明BSR上方存在厚度为200~300 m的高速层。

Korenaga等[17]在研究美国东南部大陆边缘的天然气水合物时，通过OBS旅行时反演获得含水合物沉积层的速度结构，结果表明水合物可能分布在稳定带底界附近。

Bunz等 [27]通过OBS旅行时反演得到Storegga滑塌区含水合物沉积层以及含游离气层的速度结构，表明水合物分布在BSR上方50 m的范围内。

Cheng等[28]通过OBS旅行时反演研究了台西南海域含BSR沉积层的速度结构，并通过速度结构与地震剖面的联合解释来分析流体运移特征。

Jaiswal等[29]在研究墨西哥湾密西西比峡谷的水合物时，利用OBS旅行时反演的速度结构约束地震反射数据的解释，并由此分析流体的运移特征。

Le Blanc等 [30]在研究加拿大东部Scotian陆坡水合物时，在OBS旅行
时反演的结果上发现一个高速区域和一个低速区域（图2），认为这指示了水合物和游离气的存在。

为评估多分量OBS地震数据在水合物识别以及定量研究中的作用，欧盟的HYDRATECH项目在挪威外海开展了一次详尽的OBS调查试验。

Weskbrook等 [14]详尽地展示了这次综合调查的结果，表明OBS不仅能够用于
定量估算水合物的储量，还能用于分析水合物系统的流体运移特征。

Madrussani
等[31]利用OBS数据的旅行时，采用3D层析的方法研究了斯瓦尔巴（Svalbard）大陆边缘水合物、游离气的分布特征及其与断层模式的关系。

图3显示了3D层析反演获得的速度结构，BSR上方的高速区域和下方的低速区域都非常明显。

Schlesinger等[32]在研究Nova Scotian边缘的水合物时，通过OBS旅行时反演速度结构，并基于等效介质理论估算水合物的含量。

图2 加拿大东部Scotian陆坡水合物OBS数据旅行时反演的纵波速度结构(源自
文献[30])Fig.2 P wave velocity structure from travel time inversion of OBS data from Scotian slope in the East of Canada(from Reference[31])
图3 斯瓦尔巴大陆边缘水合物区OBS数据3D层析反演获得的速度结构(源自文献[31])Fig.3 Velocity structure derived from 3D tomography of OBS from Svalbard marginal continent gas hydrates province(from reference[31])
3.2 OBS数据横波速度反演
横波速度信息在水合物研究中的重要性，主要体现在3个方面：（1）纯水合物的横波速度达到1.89 km/s，而海底浅部沉积层的横波速度结构仅为0.1~0.6
km/s[33]，横波速度信息本身可用于研究水合物的空间分布；（2）横波速度信息可以很好地反映出水合物的赋存状态（游离或者胶结沉积物颗粒）[38]；（3）由
于游离气对纵波和横波速度的影响不同，综合利用纵横波速度信息是描述游离气分布的有利手段；（4）综合利用纵横波速度能够更准确地估计水合物的饱和度。

由于横波不能在海水中传播，OBS记录的横波均由纵波转换过来，这使得OBS转
换横波的利用比较困难。

目前，主要通过旅行时反演方法来获得横波速度结构，并广泛应用于深部地壳结构探测[9，34-35]和水合物探测[36-39]。

转换横波识别主
要是通过对比同一个OBS上垂直分量和径向分量的走时、视速度以及质点运动轨
迹来实现[40-41]。

而转换界面的确定一般是通过不断的尝试来实现[14，38-39]。

一旦确定了相对应某一界面的PS震相以后，拾取该震相的旅行时，就可以输入到反演程序中进行反演。

Rayinvr程序[42]是最常用的反演工具。

利用OBS数据记录的转换横波反演横波速度结构在水合物调查中也有成功的例子。

Mienert等[13]在研究挪威中部Omen Lange海域的水合物分布情况时，利用OBS接收到的反射波和PS转换波反演出纵波速度和横波速度结构，并估算水合物的饱和度。

Cheng等[37]在研究台西南盆地Yuan-an脊的水合物时，首先利用OBS的纵波分量反演含水合物沉积层的纵波速度结果，然后利用OBS数据上的转换横波反演含水合物沉积层的横波速度结构。

图4显示了印度KG盆地水合物区域OBS数据横波速度反演结果，含水合物沉积层的横波速度介于280～800 m/s。

图4 印度KG盆地水合物区域OBS数据横波速度反演结果(源自文献[39])Fig.4 Shear wave velocity structure from inversion of OBS data from gas hydrates province in the India KG basin(from reference[39])
4 讨论
通过前面几个部分的综述，可以看到，将OBS技术应用于水合物调查，从采集到
处理反演都还远没有多道地震成熟。

这主要体现为：
（1）在OBS观测系统设计方面，已有的例子主要根据经验和实验来设计参数，
较少采用现代的观测系统设计方法来进行设计。

在现代的3D拖缆地震采集时，一般都需要根据地质模型，采用射线照明或者波动方程照明的方法来设计最优的观测系统。

现阶段，OBS数据的镜像成像效果与拖缆地震数据的成像效果相比，还略
逊一筹。

一个主要的原因可能就是观测系统设计不合理。

目前，大部分水合物调查
区域都经过了长期的勘探工作。

对于这些勘探程度较高的区域，在进行OBS勘探时，可以根据已有的成果建立地质模型，采用现代的观测系统设计方法来设计参数，从而获得最佳的观测效果。

（2）在预处理方面，重定位是OBS数据的基础。

深水OBS的精确重定位是一个比较困难的问题。

目前的重定位方法一般都假设海水层是简单的模型，较少考虑深水环境下海洋水体因素对重定位的影响。

但实际上，对于深水环境，海水层的速度也会因为盐度、温度等因素的变化存在较大的非均匀性[43]。

（3）在OBS成像方面，镜像偏移成像是主要的方法，该方法的效果依赖于波场
分离的效果，目前主要基于PZ合并来进行波场分离。

虽然在实际应用中取得了良好的效果，但是基于PZ合并的方法假设海底是水平的，这导致有时候分离效果较差，需要发展更有效的分离方法。

此外，目前OBS镜像的成像与常规拖缆成像相
比并无优势，这需要综合采集和成像环节一起考虑。

（4）在速度反演方面，目前主要通过旅行时反演方法来确定纵波或者横波速度结构，主要包括3种方式：（1）反射波旅行时反演[13-14，16-17，27-32，38]；（2）折射初至旅行时反演[28]；（3）综合利用反射波以及初至的旅行时来反演
沉积层的速度结构。

OBS的观测方式以及水合物沉积层的速度特征决定了从OBS数据中提取速度信息是水合物OBS数据利用的最重要方式。

受限制高频假设，旅行时反演方法仅能提
供低分辨率的速度结构[44]。

通过FWI有望获得高分辨率的速度结构，分辨率可
达成像级别，其反演的速度结构可直接用于地质解释[45]。

FWI最早由Lailly[46]
和Tarantola[47]提出，该方法通过最小化模拟数据与实际接收数据之间的差异来获得高分辨率的速度结构。

经过30多年的发展，声波FWI理论已经趋于成熟。

国际上有一些非常成熟的FWI开源程序，如 KIT （Karlsruher Institut für Technologie）、SEISCOPE 和 SLIM（Seismic Laboratory for Imaging and
Modeling）等小组开发的程序。

油气服务公司（如CGG，Omega）也发展了成熟的商业软件。

声波FWI在实践上也趋于成熟，这体现在利用声波FWI建立高分辨率速度模型的众多实例中。

这些成功的实例主要包括两大类：（1）深部结构OBS调查中的低频折射数据[48-50]；（2）大偏移距的海面拖缆数据[51-52]。

在水合物的研究中，也有一些成功的例子[53-54]。

最近，王吉亮等[55]将FWI应用到水合物OBS数据上，取得了非常好的效果。

图5显示了日本南海海槽俯冲带的实例，OBS数据全波形反演结果清晰地显示了俯冲带的速度结构，这对于研究该区域的断层非常有利。

图6显示了墨西哥湾水合物区域OBS数据速度反演结果，与旅行时反演的结果相比可以看出，全波形反演结果分辨率较高，能够直接用于水合物赋存的解释。

图5 日本南海海槽俯冲带OBS数据速度反演结果(a)旅行时反演结果；(b)全波形反演结果（源自文献[50]）Fig.5 Results of OBS data inversion at the Japan Nankai subduction zone(a)travel time inversion;(b)full waveform inversion(from reference[50])
图6 墨西哥湾水合物区域OBS数据速度反演结果(a)旅行时反演结果；(b)全波形反演结果（源自文献[55]）Fig.6 Inversion results of OBS data acquired in the gas hydrates province in the Gulf of Mexico(a)travel time inversion;(b)full waveform inversion(from reference[55])
（5）转换横波的利用率较低，对转换横波的分析主要集中在单OBS分析，较少反演区域上的横波速度结构。

另一方面，在反演方法上，主要采用旅行时方法。

旅行时反演OBS数据获得横波速度结构的关键是确定与某一个转换界面相关的PS 波震相，包括转换横波识别和转换界面确定两个部分。

对于实际的OBS数据，识别横波和确定转换界面是非常困难的，人为引入的误差较大，尤其是当地层比较复杂时。

此外，转换横波旅行时反演的步骤繁琐、人工参与多、工作量非常大，这限
制了该方法在面向生产工作中的应用。

理论上，三分量OBS的弹性波FWI可以同时反演出纵横波速度结构，但该方法尚处于理论探索阶段[56]。

基于面波反演横波速度结构的方法广泛应用于站位调查，海底浅部沉积物调查（如图7）[57]等领域，但尚未见到在水合物领域的应用。

基于面波反演横波速度结构是利用OBS数据反演含水合物沉积层横波速度结构的一个可行的方向。

图7 利用OBS数据的面波反演的渤海海域浅部沉积层的横波速度结构（源自文献[57]）Fig.7 Shear wave velocity structure of shallow sediments from surface wave inversion in the Bohai Sea(from reference[57])
5 结论
对于水合物调查而言，OBS观测是一种非常有优势的观测方式。

其中最重要的两个优势是包含大偏移距的信息以及转换横波的信息，这对于纵横波速度分析非常重要。

但目前OBS在水合物调查中的应用还很不成熟。

本文从数据采集到数据应用作了综述，得出以下结论：首先，要优化观测系统的设计，尤其是对于勘探程度较高的区域，需要建立地质方模型，采用现代的观测系统设计方法设计OBS与炮点的布设法，实现对目标层的最优观测。

其次，要采用更先进的全波形反演方法来获得更高分辨率的速度结构。

最后，横波速度信息的提取也是急需发展的一项技术，可行的两个方向是基于弹性波的全波形反演和基于面波的反演。

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