(廣州海洋地質調查局廣州510760)
基金項目:國土資源部公益行業專項科研項目(編號:200811014)、國家高技術研究發展計劃項目(編號:2009AA09A202)、國家重點基礎研究發展(973)項目(編號:2009B219502)
第壹作者簡介:沙智斌(1972.4—)，男，教授級高級工程師，主要從事石油地質和天然氣水合物研究。
天然氣水合物是壹種新型能源，形成水合物的天然氣主要來自下部烴源巖。當天然氣向上溢出時，遇到溫度、壓力和地層物性適宜的區域，形成天然氣水合物礦床。但是天然氣是通過什麽途徑運移到儲層的呢？通過研究得出，研究區天然氣主要通過氣煙囪輸送。氣煙囪識別分析技術是利用研究區三維地震信息描述天然氣運移形式，分析地震剖面並計算神經網絡，直觀顯示天然氣運移通道和產狀，通過縱向和橫向氣疊效應預測水合物發育帶，初步評價水合物富集所需的天然氣源巖。然後在平面上顯示天然氣的運移分布範圍和天然氣水合物沈積物的聚集範圍，為進壹步研究水合物的形成和儲存提供依據，並可為水合物勘探井位部署提供參考。
天然氣煙囪；天然氣水合物；研究與應用
1氣煙囪的概念
在石油地質學中，“氣丘”是壹個全新的概念。“氣煙囪”壹旦形成，就可以作為油氣或熱流體後期不可忽視的通道，揭示油氣向壹個油藏的發育位置和運移，以及如何從油藏溢出產出淺層油氣。可見，“氣煙囪”將對油氣運聚產生重要影響，是大中型油氣田存在的重要標誌之壹[1 ~ 2]。
從地質成因來看，氣煙囪是由活躍的熱流體形成的特殊伴生構造。這個關聯結構曾經是熱流體(氣體和液體)的泄壓通道，不僅像煙囪，還有煙囪效應。其靜態形態似裂縫、裂隙，但其動態變化表現為加壓破裂-減壓閉合-加壓破裂的周期性“幕式”開合特征[2]。從抗震性能來看，氣煙囪可定義為部分部位反射波突然出現混沌反射且振幅大幅降低(偶有強振幅)的柱狀、橢圓形或錐形地震模糊帶，核心為低速，因此可識別氣體泄漏的位置和分布[3]。
地震剖面上揭示的氣煙囪是流體垂向運動的直接證據。地震剖面上造成反射模糊帶甚至空白區，這是由於氣層低速異常和反射屏蔽的影響，大大降低了反射波的信噪比。對於地震剖面上弱振幅、低連續性的特點，其原因可能是天然氣從儲層沿構造薄弱帶向上運移，運移劇烈時可能破壞地層的原始沈積，地層中含有的天然氣會吸收大量地震能量[4]。
氣煙囪與天然氣水合物聚集的關系
天然氣水合物是壹種新型能源，其成藏條件相當特殊。主要形成於海底以下100 ~ 400 m之間的地層中，深度300m，呈層狀、塊狀、塊狀富集，主要填充海底沈積物的空隙和裂縫。形成水合物的天然氣主要來源於下部烴源巖的生烴，然後運移到合適的地層聚集[5 ~ 6]。但是天然氣是通過什麽途徑運移到儲層的呢？通過地震剖面分析和神經網絡計算，得出研究區天然氣主要通過氣煙囪運移(圖1)。天然氣水合物礦床是天然氣在向上溢流過程中遇到溫度、壓力和地層物性適宜的區域而形成的[7 ~ 8]。因此，氣煙囪識別技術可用於預測天然氣水合物的分布範圍[9]。同時，氣煙囪在形成過程中向上攜帶大量富甲烷流體至天然氣水合物穩定帶，後期仍可作為油氣向上運移的特殊通道[10]。另外，利用地震識別的海底狀反射(BSR)來識別氣煙囪結構，通過速度、泥巖含量、流體勢、鉆井資料等屬性參數可以判斷煙囪結構的類型[11 ~ 12]。
圖1油氣運聚特征示意圖。
關於水合物形成的地質模型，目前主要有兩種觀點:壹種是由於溫度或孔隙壓力的變化而轉化為水合物；另壹種是微生物氣體或熱氣體從下部運移到水合物穩定帶形成水合物。在前壹種情況下，水合物形成的重要原因不是外來物質的供給，而是原始天然氣儲層系統的變化。水合物以分散的形式存在於巖石中，或由現有的氣藏生成[3]。在後壹種情況下，由於天然氣的豐度越來越大，當天然氣在向上溢流的過程中遇到溫度、壓力和地層物性適宜的區域時，就會生成水合物並聚集。當沈積層中的水合物充填程度越來越高時，沈積層變得不透水、不透氣，在水合物穩定帶下形成常規氣藏[4]。
深部形成的烴類氣體壹旦形成，就出現在運移和聚集的動態過程中。在粘土、粉質粘土等低滲透沈積物中，壹般發生垂直向上運移；在高滲透率的砂質沈積物或裂縫發育的巖層中，來自深部的烴類氣體大多沿地層向上方向運移[2 ~ 3]。在深層構造發育的區塊，對於熱解氣和深層運移氣形成的水合物，有利於氣體進入水合物穩定區的運移通道是控制水合物形成和分布的關鍵因素[13 ~ 14]。
因此，認為氣煙囪與天然氣水合物聚集的關系如下:
1)氣煙囪以流體運移為特征；
2)氣煙囪是天然氣垂向運移的有效途徑；
3)氣煙囪構造為天然氣聚集形成水合物提供了有利的圈閉條件[15 ~ 16]。
3 .氣煙囪識別與分析技術的開發與應用
3.1地質模擬和工作流程
氣煙囪地震響應的垂向擾動加強，這往往與油氣的垂向運移路徑有關。通過對世界各地許多處理過的地震氣煙囪的推斷[2，4]，已經證明氣煙囪在油源評價、運移、儲存、(斷層)封閉和溢出點方面非常有用，其成因機制模型見圖2、圖3和圖4。從以上三圖可以看出，圖2中的氣煙囪較弱，油藏以含氣較少的油層為主，斷層與油藏不直接連通，油氣封閉條件較好，因此油氣逸散較小，上覆油氣藏的地層氣疊加效應較弱，因此該類油氣藏整體保存條件較好；圖3氣煙囪明顯發育，油氣藏豐富，封閉條件好，但下氣層厚，含氣層流體壓力大，上蓋層封閉壓力不足以完全封閉氣層，具有明顯的氣疊效應，因此該類油氣藏整體保存條件壹般；圖4氣煙囪明顯發育。由於上、下油氣藏直接連通，斷層封閉性差，油氣儲存條件被破壞，導致油氣大量逸出，因而具有明顯的氣疊效應，因此該類油氣藏整體保存條件較差。
在技術上，對氣煙囪預測的研究主要是所謂的“地震氣煙囪處理技術”，即利用多層非線性神經網絡技術對未知地震區塊進行預測。為了實現地震資料的自動地質解釋，中心環節就是所謂的模式識別，即建立地震資料的特征參數(如相似性)與氣煙囪地質目標之間的關系[3]。
圖2良好的地質布置，良好的地質發育和配置關系。
圖3地質開發總體布局。
圖4不良地質布置，地質發育和配置關系差。
為了實現氣煙囪的計算，采用了荷蘭DGB地球科技公司和挪威國家石油公司開發的地震屬性處理和模式識別軟件Opend-Tect。OPENT-TECT在強化細微地震特征信息的基礎上，分析這些反映不同地質沈積的信息的空間分布，綜合各種地震數據體的信息，得到目標體的最佳圖像。而OPENDT-TECT利用神經網絡和數理邏輯運算處理多屬性體，得到直接反映地下地質特征的新屬性。導向是OPENDT-TECT的核心步驟，在它的所有運算和處理中起著重要的作用，是後續神經網絡運算的前提和基礎。下面是用OPENT-TECT計算氣煙囪的工作流程(圖5)。
圖5氣煙囪預測流程圖。
3.2氣煙囪計算的數據準備
為了更準確地識別氣煙囪，需要對原始地震數據進行中值傾角濾波，以減少處理過程中的隨機幹擾，使預測結果更加真實可靠。
OPENDT-TECT的核心技術之壹是在提取屬性和過濾數據時考慮被探測地質體的方向和空間分布。當地質體的方向已知時，方向性原理很容易應用。比如在地震氣煙囪或直接碳烴探測中，很多目標沒有固定的方向，而是向各個方向傾斜。在這種情況下，在壹定範圍的傾斜時間窗內提取屬性比在固定時間窗內提取屬性更有利。因此，需要知道每個采樣點的局部傾角和方位角。
O pend-Tect提供了三種計算傾角和方位角的方法，計算結果稱為“定向體”，即每個采樣點上帶有傾角和方位角信息的數據體。地震資料經過傾角定向濾波，提高了同相軸的橫向連續性，減少了隨機幹擾。這種濾波器的主要特點是沒有濾波器尾部。
中值傾角濾波器是壹種數據驅動工具，可生成分類數據量。在這個數據量中，連續相位被增強，隨機分布的噪聲被抑制。濾波增加了地震數據輸出的可解釋性，提高了水平層自動追蹤的可實施性。過濾基本上收集了我們定義的圓中的所有屬性，並用中心的中值振幅替換原始值。搜索區域取決於控制體的傾斜角度(圖6)。
圖6中值傾角濾波原理圖6
集成控制體的過濾工作流程如下:
1)定義搜索半徑；
2)從起始位置提取第壹振幅；
3)沿著傾角和方位角通向下壹條路徑；
4)提取此時的內插幅度；
5)對搜索半徑內的所有軌跡重復步驟3和4；
6)用所有提取振幅的中值替換初始位置振幅；
7)對所有體內樣品重復步驟2-6。
半徑為4個通道的過濾器輸入包含57個點。註意，圓不是平的或水平的，但它符合從壹條線到另壹條線的地震相位。
中值應定義為與中心點位置相關的壹系列值。因此，如果從最小到最大列出N個振幅，則可以將(N+1)/2處的位置值作為中值，其中N是奇數。為了理解中值濾波器的效果，可以假設地震相位已經被三個點的中值濾波器繞過。過濾過程由下式給出:
……0,0,1,0,0,1,1,3,0,1,1……
3點中值濾波響應由下式給出:
……0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1……
為了檢查這壹點，取三個相鄰的輸入數字，排列並輸出中間值，然後改變輸入組的位置並重復該練習。
請註意:
1)短於濾波器壹半的相位清零(例如左側1，右側0)；
2)噪聲也被清除(值3)；
3)邊界保留(主帶0和主帶1的間隙完全在同壹位置，即沒有濾波器引入)。
3.3提取樣品位置
在圖形窗口中提取煙囪和非煙囪。我們建議在開始的時候做壹些不同時間的相似切片，這樣可以初步判斷不同時間尺度上瓦斯煙囪的分布和趨勢特征。
在壹個可能的煙囪位置顯示壹個或多個屬性，以檢查煙囪在單個屬性下是如何出現的，並通過比較不同的屬性來突出顯示氣煙囪，以便於後續的訓練點。
做完這些工作，我們就準備接煙囪和非煙囪了。第壹步需要生成兩個不同的揀選組:壹個是煙囪體，壹個是非煙囪體，可以通過右鍵單擊子目錄中的菜單，輸入妳要創建的揀選組的名稱，例如“煙囪體…是”並開始提取來實現。單擊子目錄中的數據元素，將該元素移動到另壹個位置，並重復該過程。重復這個練習，直到所有需要的采樣點都被取出。
現在選擇非煙囪點，並將它們保存到不同的選擇組中(圖7)。在這個過程中，拾取樣品位置是壹個關鍵步驟。應為煙囪或非煙囪創建最具代表性的揀選組。如果數據中有多個煙囪，不要只取壹個，盡量在盡可能寬的時間域內把它們都取來。
圖7神經網絡訓練組(綠點表示氣體煙囪，藍點表示非氣體煙囪)圖7神經網絡訓練(綠點:氣體煙囪，藍點:非氣體煙囪)。
3.4神經網絡及其算法
1)人工神經網絡(ANN)是壹種模擬生物神經信息處理方法的新型計算機系統。它可以模擬人腦的壹些基本特性(如適應性、自組織性和容錯性)。它是壹種並行分布式處理結構，由處理單元及其相連的無向信號通道組成。人工神經網絡試圖模仿生物神經系統，通過接受外界輸入的刺激，不斷獲取和積累知識，進而具有壹定的判斷和預測能力。
2)BP神經網絡算法
BP網絡算法的思想是將壹組樣本的I/O問題轉化為壹個非線性優化問題，利用優化中最常見的梯度下降法，利用叠代運算求解學習記憶問題對應的權值，並加入隱層節點增加優化問題的可調參數，從而得到更精確的解。BP網絡模型設計的最大特點是利用網絡模型的輸出值與已知樣本值的誤差平方和不斷調整網絡權值以達到期望值，而BP神經網絡評價模型的確定涉及隱層節點數、傳遞函數、學習參數和網絡模型的最終選擇。
3.5神經網絡訓練
首先，在OPENDT-TECT中創建壹個新的神經網絡，並選擇要使用的屬性(通常是所有屬性)以及包含煙囪和非煙囪的選取組。壹般來說，不是所有的位置都用來訓練網絡，而是用壹定比例的(10，10，20)樣本來避免對網絡的過度適應。神經網絡將提取我們聲明位置的屬性。It培訓執行在培訓期間被跟蹤(圖8 ),並由兩個指標表示。均方根誤差值曲線表示訓練組和測試組的總誤差。從1(最大誤差)到0(最小誤差)的兩條曲線在訓練時都應該是向下的，當測試曲線再次向上時，說明網絡過度適應。在這種情況發生之前，訓練應該是足夠的。典型的RMS值在0.8的範圍內被認為是合理的，0.8 ~ 0.6是好的，0.6 ~ 0.4是非常好的，低於0.4是優秀的。
圖8神經網絡訓練監控窗口圖8神經網絡訓練的監控窗口
最後會發現網絡節點在訓練時會變色。顏色暗示了分類中每個節點(每個輸入屬性)的重要性，顏色從紅色(最重要)過度訓練到黃色(最不重要)。當網絡從訓練組中識別出單個樣本時，就會發生過度擬合。網絡在訓練組中表現更好，但在測試組中表現更差。當訓練組中的性能達到最大(最小誤差)優化結果時，網絡訓練將停止，停止點可從神經網絡訓練窗口中的執行圖表中查看。滿意後，將訓練好的網絡擴展到整個數據體。這在“生成器”模塊中完成。如果不想處理整個數據量，也可以限制輸出範圍，生成較小的數據量。為了加快工作速度，您可以在多臺機器上以在線處理模式運行工作。O pend-Tect將在聲明的機器上分發數據，並在處理結束時合成輸出結果。
3.6氣煙囪技術在研究區的應用
根據研究區氣煙囪的治理效果分析，研究區氣煙囪較為發育，作為油氣運移的通道，控制了整個研究區天然氣水合物的分布和儲量。從研究區LineA線的氣煙囪效應圖(圖9)可以看出，煙囪現象主要發育在BSR下部，在BSR發育的背斜下部有明顯的氣煙囪現象，為天然氣水合物的聚集提供了充足的氣源，證明這裏的儲層主要以氣煙囪為運移方式富集天然氣；從圖中還可以看出，氣煙囪發育在1650ms以下地層中，說明神狐地區烴源巖生成的天然氣在地層中保存完好，聚集在有利位置。對比分析沿BSR 50ms-s時間窗提取的氣煙囪平面效果圖(圖10)，氣煙囪在BSR以下充分發育，但在BSR以上無明顯顯示，表明研究區天然氣沿下部烴源巖向上運移，疊加效應從下部向上部逐漸減小。由此可以初步認為，流體在運移過程中富集於有利區域，即在BSR附近存在並富集。
圖9線A氣煙囪顯示了圖9線A中氣煙囪的顯示
圖10沿BSR 50m-s時間窗抽取氣煙囪平面效果圖圖10利用氣煙囪識別技術得到的BSR 50m-s平面切片。
在形成過程中，氣煙囪攜帶大量富含天然氣的流體，向上移動到天然氣水合物的穩定帶。形成後仍可作為後期油氣向上運移的特殊通道。通過平面和剖面的聯合分析，可以檢測天然氣的運移和分布範圍，圈定水合物的成藏範圍。
4理解和討論
利用DG B公司Opend-Tect軟件的氣煙囪技術，通過地震剖面的分析和神經網絡的計算，預測天然氣的運移形式，直觀顯示天然氣的運移通道和產狀，通過縱向和橫向氣疊效應預測水合物發育帶，初步預測水合物富集所需的天然氣源巖。然後在平面上顯示天然氣的運移分布範圍和天然氣水合物沈積物的聚集範圍，為進壹步研究天然氣水合物的形成和儲存提供依據，為天然氣水合物勘探井位部署提供參考。因此，氣煙囪識別與分析技術可應用於天然氣水合物礦床的勘探與評價。總結這篇文章，我們可以得到以下認識和討論:
1)研究區氣煙囪較為發育，作為油氣運移的通道控制了整個研究區天然氣水合物的分布和儲量；
2)氣煙囪現象主要發育在BSR下部，為天然氣水合物的聚集提供了充足的氣源，同時天然氣在地層中保存完好，聚集在有利位置；
3)BSR以下氣煙囪發育充分，BSR以上氣煙囪不明顯，表明煙囪效應從下部向上部逐漸減弱。認為流體在運移過程中富集在有利區域，即在BSR附近存在並富集。
4)通過平面和剖面的聯合分析，可以檢測天然氣的運移和分布範圍，圈定天然氣水合物的成藏範圍，為井位部署提供參考。
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天然氣化學識別技術在天然氣水合物研究中的應用
沙智斌，梁金強，王立峰，鄺增貴(廣州海洋地質調查局，廣州，510760)
文摘:天然氣水合物有望成為未來的壹種新型能源。來自下方烴源巖的生成氣可以沿上升路徑轉化為天然氣水合物，在上升路徑上，溫度、壓力和地質性質等環境參數有利於天然氣水合物的形成。那麽，提升的道路是怎樣的呢？我們認為氣體煙囪對上升的原因貢獻最大。天然氣地震識別技術是通過地震剖面分析和神經網絡計算，利用三維地震信息數據和屬性描述天然氣運移模式，顯示上升通道，預測天然氣水合物的聚集，並初步評價三維空間顯示的烴源巖。處理結果還可以顯示在底圖上，分別圈出氣體範圍和天然氣水合物範圍，作為天然氣水合物形成和聚集的證據，進而為天然氣水合物勘探的鉆孔部署提供有意義的參考。
關鍵詞:氣體化學；氣體水合物；學習；應用