CN117408186B - 地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法 - Google Patents

地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明所述的地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法，属于海洋地球物理领域，该方法提出在数值模型中求解二维剖面中天然气水合物似海底反射层位置的技术手段，以期通过两矩阵相减结果的临界数值判断依据提高BSR存在解释结果的准确率和可信度，同时达到缩短计算BSR二维深度步骤与时长的设计目的。包括下述步骤：步骤1、确定模型输入参数；步骤2、建立数值模型；步骤3、设置边界条件；步骤4、计算沉积物节点温度；步骤5、计算第一压力矩阵M1；步骤6、计算第二压力矩阵M2；步骤7、获得单个BSR位置；步骤8、获得多个BSR位置；步骤9、对比实际资料进标记。

Description

地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法
技术领域
本发明涉及一种基于声学地震解释理论判断地震剖面中天然气水合物似海底反射层的新方法，属于海洋地球物理领域。
背景技术
目前地球中存在的天然气水合物（以下简称为水合物），主要是烃类分子（通常是甲烷）和水分子在低温高压下形成的似冰状笼形化合物，其广泛地存在于陆架边缘的海洋环境中。由于外界物理条件的改变容易造成水合物失去稳定性，相应地释放出来大量的甲烷气体，导致其拥有清洁化石能源的属性。研究表明，海洋水合物资源储量是陆地上现有油气总和的两倍，具备巨大的资源潜力。但是另一方面，水合物被认为是海洋大型碳库，释放出来的大量甲烷会造成海洋缺氧和酸化，如果进入到大气当中还会加剧温室效应。因此，水合物长期受到世界各国政府和学术团体的关注。
在海洋中探测水合物的早期勘查阶段，通常在大范围海域中（大于数百平方千米）使用声学多道地震的地球物理技术方法，将地下信息采集、记录、处理、输出为可用于直接解释的可视化剖面图像，其中，水合物似海底反射层（Bottom simulating reflector，简称BSR）被认为是指示水合物大范围存在的最有力信号和证据，该特殊反射层被广泛用于世界海域的水合物研究。BSR的判断工作主要是在油气商业软件中开展，使用标定功能由地震解释人员人工完成。然而，地下情况通常较为复杂，容易对解释和判断造成干扰。
现阶段，人为判断BSR需要依据其特殊的地震响应联系，通常是高于周围背景地震的高振幅强度、与海底反射层呈现相反的极性、以及斜切地层的特征。当下没有能够在地震数据中自动识别、判断及追踪BSR的可靠工具，该工作主要是由地震解释人员完成。因而，现有技术使用常规地震剖面成像软件和人工识别BSR准确度较低、能够辅助解释数值的软件工具很少，解释中经常存在人为因素导致的遗漏和错误问题，而且工作时间通常较长（大于数十小时）。
究其原因，导致上述现有技术问题主要包括以下几个方面：（1）、BSR在实际中通常连续性较差，难以通过大范围结果交差验证解释结果；（2）、BSR在自然界中并位于同一地下深度，随着海水深度和地热通量的改变会发生深度改变；（3）、BSR有时并非为一条反射层，由于烃类气体组分不同以及水合物稳定带迁移，会出现多条BSR的出现，给当前判断有效BSR结果造成了极大的干扰；（4）、BSR识别和判断在很大程度上仍需依靠地震解释工作者的个人经验，实际工作中能够直观参考的依据很少，虽然可以使用CSHMYD软件协助进行判断，但是其计算结果为一维深度，重复进行该计算会极大增加二维剖面工作中判断所用时长，计算量也较大、效率较低。
有鉴于此，特提出本专利申请。
发明内容
本发明所述地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提出在数值模型中求解二维剖面中天然气水合物似海底反射层位置的技术手段，以期通过两矩阵相减结果的临界数值判断依据提高BSR存在解释结果的准确率和可信度，同时达到缩短计算BSR二维深度步骤与时长的设计目的。
为实现上述设计目的，所述地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法包括下述步骤：
步骤1、确定模型输入参数；
依据目标二维剖面情景，沿横向和纵向分别建立x轴和z轴，确定数值模型的总长度L和总高度H，获取当前海底x和z坐标位置；
获取当前海底实测温度、沉积物地温梯度、海水盐度和密度；
步骤2、建立数值模型；
根据模型尺寸确定x轴和z轴方向上的节点数量；
采用二维热传导稳态方程建立数值模型，
，其中，T为温度，kx和kz分别是沉积物在水平和垂直方向上的热导率；
步骤3、设置边界条件；
将步骤2中的数值模型赋予边界条件：
步骤4、计算沉积物节点温度；
将主控方程使用有限差分法进行离散化处理，求解方程；
步骤5、计算第一压力矩阵M1；
根据实验室内水合物相平衡方程，将沉积物节点温度矩阵T1中的各数值转化成压力值，按照节点位置形成二维第一压力矩阵M1，数值单位为兆帕；
步骤6、计算第二压力矩阵M2；
按下述公式计算海底下方沉积物内各节点的静水压力：
，其中，Phy是静水压力，h1和h2分别是具体节点上方的海水深度和沉积物厚度，ρsw(z)是海水密度，g是重力加速度；
步骤7、获得单个BSR位置；
将第一压力矩阵M1和第二压力矩阵M2计算相减，将差值<0.001的位置标记为数值模型节点中天然气水合物底界面的位置；
将上述标记的位置在目标二维剖面中连成一条连续的曲线，将符合标记条件的位置坐标（x0，y0）；
步骤8、获得多个BSR位置；
设置地温梯度数值范围，赋予多个数值，重复以上过程，获得一组BSR位置坐标（x1，y1；x2，y2，……，xn，yn），上述位置坐标范围用以约束BSR出现的空间；
步骤9、对比实际资料进行结果标记；
将上述步骤7和步骤8计算得出的坐标x，y数据导出至二维剖面中，沿导出的坐标数据形成的曲线范围寻找BSR相关特征的反射层；
标出符合上述条件的反射层，该反射层即为天然气水合物似海底反射层BSR，流程结束。
进一步地，所述的步骤3包括以下边界条件：
模型左边界海底下方沉积物节点温度为海底温度加上地温梯度增值；
模型右边界海底下方沉积物节点温度为海底温度加上地温梯度增值；
模型下边界的温度梯度为固定值；
海底温度为初始赋值，数值来自步骤1提供的实测值。
进一步地，所述的步骤4，在求解过程中调整矩阵参数排列位置，使之成为对角线元素矩阵，之后使用spdiags函数命令和MLDIVIDE方程进行求解，获得稳态条件下的沉积物节点温度矩阵T1。
进一步地，所述步骤5采用的相平衡方程为下述多项式拟合公式：
，其中，P、T为水合物相平衡状态的临界压力和温度。
进一步地，所述的步骤9，BSR相关特征包括高振幅强度和与海底极性相反、和/或斜切背景地层。BSR相关特征的反射层包括高振幅强度、与海底极性相反、斜切背景地层反射层。
综上，本申请所述地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法具有以下优点与有益效果。
本申请提出的判断方法能够为地震解释工作中判断BSR提供有效的理论工具，显著减小了地震解释人员需要考虑的深度范围（>20%），为BSR存在的理论位置提供了准确的约束，提高了解释结果准确率和可信度。
本申请使用稳态条件下的二维数值模型，有效地缩短了计算BSR二维深度的步骤与时长，相较于多点一维计算节约了30%以上的计算时间。
本申请提出的判断过程并未干扰常规的地震解释工作流程，在层位追踪步骤前添加该发明中提到的过程即可，生成的结果数据兼容性好，在多种软件中均可以操作，推广前景较好。
附图说明
图1为本申请建立的数值模型示意图；
图2A为现有技术声学地震剖面中观察到的疑似BSR现象；
图2B为本申请所述判断方法计算出的BSR理论位置范围示意图；
图3为本申请所述地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，如图1至图3所示，本申请提出的地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法，包括下述实施步骤：
步骤1、确定模型输入参数；
依据目标二维剖面情景，沿横向和纵向分别建立x轴和z轴，确定数值模型的总长度L和总高度H，获取当前海底x和z坐标位置；
获取当前海底实测温度、沉积物地温梯度、海水盐度和密度（该数值通常为原位实测数据，若无实测数据也可引用世界大洋数据库world-ocean-database）；
步骤2、建立数值模型；
如图1所示，根据模型尺寸确定x轴和z轴方向上的节点数量；通常x轴和z轴均应有不少于数百个节点，z轴方向上节点间隔应在1至5米之间；
采用二维热传导稳态方程建立数值模型，
，其中，T为温度，kx和kz分别是沉积
物在水平（x轴）和垂直（z轴）方向上的热导率；
步骤3、设置边界条件；
将步骤2中的数值模型按如下规则赋予边界条件（如下表1所示）：
①、模型左边界海底下方沉积物节点温度为海底温度加上地温梯度增值，J为地温梯度数值，下同；
②、模型右边界海底下方沉积物节点温度为海底温度加上地温梯度增值；
③、模型下边界的温度梯度为固定值J；
④、海底温度为初始赋值，数值来自步骤1提供的实测值；
表1 数值模型边界条件
T = TSB + J (z-zSB) x = 0 zSB ≤ z ≤ H
T = TSB + J (z-zSB) x = L zSB ≤ z ≤ H
δT/δz = J 0 ≤ x ≤ L z = H
T = TSB(z) 0 ≤ x ≤ L z = zSB(x)
，
步骤4、计算沉积物节点温度；
将主控方程使用有限差分法进行离散化处理，求解方程；
以MATLAB为例，可在求解过程中调整矩阵参数排列位置，使之成为对角线元素矩阵，之后使用spdiags函数命令和MLDIVIDE方程进行求解，获得稳态条件下的沉积物节点温度矩阵T1；
相较于现有技术不使用对角线元素矩阵方法，本申请提出的上述求解过程可以减少运算时间50%以上；
步骤5、计算第一压力矩阵M1；
根据实验室内水合物相平衡方程，将沉积物节点温度矩阵T1中的各数值转化成压力值，按照节点位置形成二维第一压力矩阵M1，数值单位为兆帕（MPa）；
上述相平衡方程可采用如Moridis（2008）在实验室求得的多项式拟合公式：
，其中，P、T为水合物相平衡状态的临界压力和温度；
步骤6、计算第二压力矩阵M2；
按下述公式计算海底下方（即沉积物内各节点）静水压力：
，其中，Phy是静水压力，h1和h2分别是具体节点上方的海水深度和沉积物厚度，ρsw(z)是海水密度，g是重力加速度；
计算后按照节点位置形成二维第二压力矩阵M2，结果单位为兆帕（MPa）；
上述第一压力矩阵M1和第二压力矩阵M2对应的节点位置应该相同、且具有相同的行数和列数；
步骤7、获得单个BSR位置；
将第一压力矩阵M1和第二压力矩阵M2计算相减，将差值<0.001的位置标记为数值模型节点中天然气水合物底界面的位置；
将上述标记的位置在目标二维剖面中连成一条连续的曲线，如图2B所示的海底下方连续的曲线，将符合标记条件的位置坐标（x0，y0）导出；
步骤8、获得多个BSR位置；
设置地温梯度数值范围（通常为步骤3中J取值的正负20%为上下限，原理是实际情况中地温梯度不是均一的，且难以在大空间内准确约束，需要给出浮动值，以防BSR识别遗漏），赋予多个数值，重复以上过程，获得一组BSR位置坐标（x1，y1；x2，y2，……，xn，yn），上述位置坐标范围用以约束BSR出现的空间（如图2B所示）；
步骤9、对比实际资料进行结果标记；
将上述步骤7和步骤8计算得出的坐标x，y数据导出至二维剖面中，沿导出的坐标数据形成的曲线范围寻找BSR相关特征的反射层，包括同时具有高振幅强度、与海底极性相反特性的反射层、以及同时具有高振幅强度、与海底极性相反、斜切背景地层特性的反射层；斜切背景地层反射层等（如图2B所示）；
标出符合上述条件的反射层，该反射层即为天然气水合物似海底反射层BSR，判断流程结束。
如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (3)

1.一种地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法，其特征在于：包括下述步骤，
步骤1、确定模型输入参数；
依据目标二维剖面情景，沿横向和纵向分别建立x轴和z轴，确定数值模型的总长度L和总高度H，获取当前海底x和z坐标位置；
获取当前海底实测温度、沉积物地温梯度、海水盐度和密度；
步骤2、建立数值模型；
根据模型尺寸确定x轴和z轴方向上的节点数量；
采用二维热传导稳态方程建立数值模型，
其中，T为温度，kx和kz分别是沉积物在水平和垂直方向上的热导率；
步骤3、设置边界条件；
将步骤2中的数值模型赋予边界条件：
模型左边界海底下方沉积物节点温度为海底温度加上地温梯度增值；
模型右边界海底下方沉积物节点温度为海底温度加上地温梯度增值；
模型下边界的温度梯度为固定值；
海底温度为初始赋值，数值来自步骤1提供的实测值；
步骤4、计算沉积物节点温度；
将主控方程使用有限差分法进行离散化处理，求解方程；
在求解过程中调整矩阵参数排列位置，使之成为对角线元素矩阵，之后使用spdiags函数命令和MLDIVIDE方程进行求解，获得稳态条件下的沉积物节点温度矩阵T1；
步骤5、计算第一压力矩阵M1；
根据实验室内水合物相平衡方程，将沉积物节点温度矩阵T1中的各数值转化成压力值，按照节点位置形成二维第一压力矩阵M1，数值单位为兆帕；
步骤6、计算第二压力矩阵M2；
按下述公式计算海底下方沉积物内各节点的静水压力：
其中，Phy是静水压力，h1和h2分别是具体节点上方的海水深度和沉积物厚度，ρsw(z)是海水密度，g是重力加速度；
计算后按照节点位置形成二维第二压力矩阵M2，结果单位为兆帕；
步骤7、获得单个BSR位置；
将第一压力矩阵M1和第二压力矩阵M2计算相减，将差值<0.001的位置标记为数值模型节点中天然气水合物底界面的位置；
将上述标记的位置在目标二维剖面中连成一条连续的曲线，将符合标记条件的位置坐标(x0，y0)导出；
步骤8、获得多个BSR位置；
设置地温梯度数值范围，赋予多个数值，重复以上过程，获得一组BSR位置坐标(x1，y1；x2，y2，……，xn，yn)，上述位置坐标范围用以约束BSR出现的空间；
步骤9、对比实际资料进行结果标记；
将上述步骤7和步骤8计算得出的坐标x，y数据导出至二维剖面中，沿导出的坐标数据形成的曲线范围寻找BSR相关特征的反射层；
标出符合上述条件的反射层，该反射层即为天然气水合物似海底反射层BSR，流程结束。
2.根据权利要求1所述的地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法，其特征在于：所述步骤5采用的相平衡方程为下述多项式拟合公式，
ln(P)＝1.94138504464560×105+3.31018213397926×103T-2.25540264493806×101T2+7.67559117787059×10-2T3-1.30465829788791×10-4T4+8.86065316687571×10-8T5
其中，P、T为水合物相平衡状态的临界压力和温度。
3.根据权利要求1所述的地震剖面中天然气水合物似海底反射层的判断方法，其特征在于：所述的步骤9，BSR相关特征包括同时具备高振幅强度、与海底极性相反的特性、以及同时具备高振幅强度、与海底极性相反和斜切背景地层的特性。
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