沙誌彬1，2 張光學2 張明2 梁金強2
（1.中國地質大學（武漢）武漢 430074 2.廣州海洋地質調查局 廣州 510760）
基金項目：國家高技術研究發展計劃課題（編號：2005AA611050）資助。
第壹作者簡介：沙誌彬（1972.4—），男，高級工程師，主要從事石油地質和天然氣水合物的研究。
摘要 在天然氣水合物的地震資料解釋過程中，常規（疊加和偏移）地震剖面上難以識別天然氣水合物賦存區域。通過近年的實踐，認為相幹體數據及切片能夠較好地揭示天然氣水合物的地球物理異常特征，從而給識別天然氣水合物和劃分其賦存區域提供有力的證據，增加了壹種可用於天然氣水合物的檢測技術。
關鍵詞 天然氣水合物 相幹體 應用 研究
1 前言
相幹體處理解釋技術在油氣勘探與開發項目的研究中已經得到廣泛的應用，為解決復雜地區地質情況和日益增多的地震數據量等問題起到了重要作用［1］。它不僅提高了地震資料解釋的效率和精度，使三維地震資料得到充分應用，同時能夠很好地突出數據的不連續性，快速準確的識別斷層、特殊巖性體及地層沈積特征，直接對目標體和沈積層進行直觀和精細的描述。相幹體處理解釋技術已經成為三維地震資料解釋中不可缺少的技術方法［2］。
2 相幹性的基本原理
由震源激發產生的地震子波，在向下傳播的過程中，遇到波阻抗分界面，發生反射和透射，形成地震波。地震波到達測線接收點，視速度不變，或者只沿測線方向有緩慢變化。而測線布置的觀測點相距不遠，滿足空間采樣定理，因此同壹個相位在相鄰地震道上的到達時間也是相近的，每壹道記錄下來的振動圖是相近的，並且會壹個個套在壹起，形成壹條平滑的有壹定長度的同相軸，這個特點叫做相幹性。相幹技術就是從相鄰地震道相互之間的相幹性出發，給出壹定量描述。對於三維地震數據體，通過對主測線和聯絡測線方向計算某壹時間域內波的相似性，可獲得三維地震相幹體，因此相幹體是指三維數據相幹性的壹種三維數據體［3］。
當地下目的層存在斷層和地層不連續性變化時，在局部壹些地震道上會表現出與相鄰地震道不同的反射特征，因而導致道與道之間相關性方面的極不連續性，即斷層所產生的地震錯動，會在相應道的相關曲線中出現極高的不相關特性［4］（圖1）。利用這壹原理，通過對三維數據體的不連續性進行分析，便可識別構造和斷層的分布，使解釋人員在解釋之前就能獲得研究區概略的構造幾何形態及斷層分布情況。充分利用三維地震數據體原已存在的空間分布信息，能夠減少復雜情況人為因素造成的誤差及由此而產生的多解性。
圖1 斷層引起的波形變化示意圖
Fig.1 Sketch map of wavelet movement by the fault
3 相幹性的計算方法
自相幹性的概念及應用方法提出以來相幹算法本身在不斷發展。大致分為三種類型：第壹代算法C1，即歸壹化互相關，采用三道相幹處理，對於高品質的資料具有很好的檢測效果，分辨率也最高；第二代算法C2，即任意多道相似性算法，采用多道相幹處理，其分析結果分辨率稍低，但抗噪能力較強；第三代算法C3，亦稱作特征構造，它把多道地震數據組成協方差矩陣，應用多道特征分解技術求得多道數據之間的相關性［5～7］。
目前常用軟件中相幹性算法是能量歸壹化後的互相關計算，屬於第壹代算法C1。
首先定義縱測線上t時刻、道位置在（xi+yi）和（”i+l，yi）與地震道u之間延遲為l的互相關系數
南海地質研究.2007
式中2ω為相關時窗的時間長度。
再定義橫測線上t時刻、道位置在（xi，yi）和（xi+l，yi）與數據道延遲為m的互相關系數為
南海地質研究.2007
把上面縱測線（l延遲）和橫測線（m延遲）的相關系數組合起來就得到相關系數ρxy的三維估計：
南海地質研究.2007
式中：masρx（t，l，xi，yi）和maxρy（t，m，xi，yi）分別表示時移為l和m時，ρx和ρy為最大值。對於高質量的地震數據，時移l和m可分別近似計算出每道在”和y方向上的視時間傾角。第壹代算法是先計算主測線、聯絡測線方向的相關系數，最後合成主聯方向相關系數。其優點是計算量小，易於實現。缺點是受資料限制較大，時窗大，抗噪性差。
第二代算法，即C2算法，可對任意道數進行相似分析，估計其相幹性。先定義壹個以τ時刻為中心的j道橢圓或矩形分析時窗，在時窗內取j道相鄰地震數據u，如果分析點坐標軸為（”，y）則定義相似系數為δ（τ，p，q）：
南海地質研究.2007
式中：p和q分別表示”，y方向上的視傾角，上標H表示希爾伯特變換或地震道u的正交分量。若時窗取［-K，K］，則平均相似系數為
南海地質研究.2007
式中：Δt為采樣時間間隔。第二代算法對任意多道地震數據計算相幹，基於水平切片或層位上壹定時窗內計算。其優點是對地震資料的質量限制不嚴，抗噪性強。利用可變時窗，即用壹個適當大小的分析窗口，能夠較好地解決提高分辨率和提高信噪比之間的矛盾。因此，該算法具有較好的適用性和分辨率，而且具有相當快的計算速度，缺點是不能正確反映地層傾角變化。
第三代算法，即C3相幹算法是用基於相似的相幹算法對任意多道地震數據進行相幹計算。該方法是借助協方差矩陣C來實現的。設λj（j=1，2，L，J）是協方差矩陣C的第j個特征值，其中λ1是其最大的特征值。C3相幹算法的計算公式為
南海地質研究.2007
第三代算法以多道或多個子體為對象進行道比較和相似性計算，同時進行基於層位的傾角和方位角估計，從常規數據的縱測線地震顯示上估計真傾角最大值來定義離散視傾角範圍。通常當地層具有走向和傾向多邊特征時，如鹽底辟、前積三角洲，火山巖地層等，計算出獨立的相幹數據體、傾角數據體、方位角數據體，利用HLS（色調、光亮度、飽和度）彩色模型顯示相幹、傾角、方位角多個地震屬性［6］。
4 相幹體參數的選擇
圖2 相幹道數示意圖
Fig.2 Sketch map of the number of coherent channel
相幹模式的選擇有兩個問題要解決，壹是選取多少道參與相幹計算最為合適，壹是相幹時窗大小的選擇。針對第壹個問題，選用不同的數據做了相關試驗，分析認為：選取的道數多少應與地質異常體的大小有密切關系。如果選取道數太多，就無法發現小的地質異常體，且定位不準確；如果選取的道數太少，受地震數據體噪聲的影響就很大，以至於影響正常解釋工作。壹般的，相幹道數選擇包括線性3道、正交3道、正交5道、正交9道（圖2）。通過試算可知，參與計算的道數越多，平均效應越大，對斷層的分辨率反而會降低；相反，相幹道數少，就會提高斷層、特別是對小斷層的分辨率。因而在計算地震相幹數據體時應根據不同研究目標來選擇計算的道數［1～3］。
相幹時窗的大小由解釋員根據地震反射波的視周期T而定，通常取T/2～3T/2。當計算的相幹時窗小於T/2時，由於相幹時窗小、視野窄，看不到壹個完整的波峰或波谷，據此計算出的不相幹數據帶反映噪聲的幾率比反映小斷層的幾率大；當計算的相幹時窗大於3T/2時，由於相幹時窗大，可以看到多個地震反射同相軸，據此計算出的不相幹數據帶反映同相軸連續的幾率比反映斷層的幾率大［3，4］。可見相幹時窗取得太大與太小都會降低對斷層的分辨能力。通過多次對比試驗，認為采用線性3道、時窗32ms計算得到的地震相幹數據體有利於開展天然氣水合物的解釋工作［6，7］。
5 相幹算法的試驗與結論
2005和2006年我局先後在南海北部陸坡區神狐海域研究區進行準三維采集，地震數據質量較以前有較大提高，定位精確，具有較高的信噪比和分辨率。結合該研究區的構造背景，分別應用三代相幹算法對神狐研究區地震數據進行相幹計算，結果見圖3。圖3a，圖3b，圖3c分別是用C1，C2，C3三代算法計算出的相幹體水平切片，白色代表相幹性高，黑色代表相幹性低。水平切片上黑色窄帶反映相幹性很低的斷層。從圖3a，圖3b，圖3c三幅圖中都可以看出本區域斷層比較發育，斷層走向以東西向為主。比較三幅圖，圖3a中，不僅上部和下部的大斷層清晰可見，中部還可以分辨出南北方向的細小斷層，而在圖3b和圖3c中此處的細小斷層均不可識別。因此，對於該研究區的地震資料，采用第壹代相幹算法計算得到的相幹數據體分辨率較高［6，7］。
通過試驗分析得出如下結論：相幹算法的選擇綜合考慮參與計算的研究區地震資料的質量及研究區內的構造特征。若研究區地震數據信噪比較高，應用第壹代相幹算法得到的相幹數據體分辨率最高，利於識別小斷層；若地震資料信噪比稍低則應用第二代算法可得到分辨率較高相幹數據體；對於構造變化復雜、地層傾角較大的研究區要選用第三代算法才能正確反映地層傾角的變化［3，4］。
6 天然氣水合物的相幹性分析
通過對三維數據體的各種邏輯關系和物理屬性的分析研究，認為地震三維數據體的不相關性主要反應斷層及巖性變化；相關性主要反映巖性的均壹性和地層的連續性。據此進行相幹體解釋時，高連續性數據對應均壹巖性體和連續的地層；中等連續性數據對應層序特征；窄條帶低連續對應斷層、巖性的變化或特殊巖性的邊界；寬條帶低連續對應數據質量不好或無反射層位［3］。
由於特殊地質體和周圍地層的地震反射有著不同的相幹性，所以特殊巖性體在相幹切片上能清楚地反映出來。應用相幹數據可以確定某些巖性異常體的邊界，為這些異常體的圈定提供輔助手段。目前，三維相幹技術的發展比較成熟，壹些學者［3，4］利用相幹技術，預測了火成巖、碳酸鹽巖等特殊巖性體的分布範圍，實現特殊巖性體的準確成像，取得了良好的效果。但現在還很少應用相幹性分析天然氣水合物這種特殊巖性體［3～5］。
圖3 三代相幹算法效果比較圖
Fig.3 The map of the effect of three kinds of coherent calculation methods
在充分研究前人工作的基礎上，依據天然氣水合物的地球物理特征，對疊前偏移數據體進行相幹處理，得到相幹體數據，分析總結水合物在相幹數據體上的響應［1～3］。研究發現：排除構造因素，通過用其他地震檢測手段識別出的含水合物的地層在相幹體上表現出很高的相幹性，與周圍地層相幹性差異明顯；同樣，含水合物地層在相幹體切片上表現出高相幹性的屬性特征。分析認為這種現象可能是因為地層填充水合物導致地層巖性相對均壹，相鄰地震道反射相似性高［8～10］。
以神狐海域研究區為例，250線地震剖面上（圖4（a）），可以看到同壹沈積地層（A區域和B區域）同相軸連續性好，兩者之間沒有明顯的差異；在相幹剖面上（圖4（b））卻表現出相幹性差異，沒有水合物充填區域為中相幹性（B區域），而有水合物充填區域為強相幹性（A區域）。因此，利用相幹體技術可以圈定天然氣水合物的分布範圍［6，7］。
圖4 神狐海域研究區250線地震剖面（a）與相幹剖面（b）
Fig.4 The Seismic and coherent profi1e of Line 250 in the study of Shenhu offshore
此外，對神狐海域研究區的整個相幹數據體進行分析，自海底以下間隔固定時窗（時窗小於識別礦體厚度）分別對兩個BSR區域提取相幹切片。分析發現在東南BSR區塊的2000ms相幹體切片上（圖5（a）），230-320線，400-600道範圍內，有壹亮白色團塊（在相幹體切片中白色代表高相幹性，黑色代表低相幹性）；在相同區域，2050ms和2100ms相幹切片上仍可以清楚地分辨出兩塊高相幹性團塊（圖5（b），5（c））。通過與BSR分布圖對比發現，該區域與BSR的分布範圍基本吻合，處於BSR上的空白帶內，由此推測高相幹性可能是含天然氣水合物所致；同樣，在西北BSR區塊的1700ms到1900ms相幹體切片上亦表現出高相幹性。因此，可以利用相幹體技術推測水合物在此區域是否賦存，並且可以大致圈定水合物的分布範圍［6，7］。
在相幹體數據的應用中，相幹性是對地震道進行去同存異，突出斷層、特殊巖性體等地質現象，而影響地震道相幹性因素復雜，地震道間相似程度往往受多種因素影響。因此，在水合物礦體的預測中，必須綜合利用相幹體與其他分析檢測技術（AVO反演、波阻抗反演、瞬時屬性剖面、能量半衰時剖面等），去偽存真，***同確定水合物礦體的展布［11～15］。
圖5 神狐海域研究區東南BSR區塊相幹體切片
Fig.5 The slice of coherent profile of southeastern BSR area in the study of Shenhu offshore
7 認識與討論
總結本文得出以下幾點認識與討論：
1）本文嘗試運用相幹體技術來識別天然氣水合物的地球物理特征，形成了壹項可用於天然氣水合物的檢測技術；
2）實踐證明可以利用相幹體技術推測水合物在此區域是否賦存，並且可以大致圈定水合物的分布範圍；
3）針對天然氣水合物進行的相幹體研究尚處於初級階段，需要進壹步的研究及完善；
4）相幹性數據受多種因素影響，在天然氣水合物礦體的預測中，必須聯合利用其他分析檢測技術（AVO反演、波阻抗反演、瞬時屬性剖面、能量半衰時剖面等），去偽存真，才能綜合確定水合物礦體的展布。
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Recognizing GaS HydrateS SeiSmic Character by Application and Study of the Body of Coherent Data
Sha Zhibin1，2 Zhang GuangXue2 Zhang Min2 Liang Jinqiang2
（1.China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan，430074；2.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：During interpretation of the profile of natural gas hydrates，it’s very difficult to distinguish zone of gas hydrates from the profile of stack and migration.Through our practice in these several years，We think that the body of coherent data and the slice of them in Which abnormal physical geography character of gas hydrates can be shown preferably.So that We can use this kind of data to judge seismic character of gas hydrates，and the area of them that exist.By this means we can recognize gas hydrates.
Key Words：Gas hydrates The body of coherent data Application and study