CC BY
173
Полетаев А.В.
Кандидат геолого-минералогических наук, Институт Геологии и Геофизики Национальной Академии Наук Азербайджана,
г. Баку, Азербайджан Полетаева Е.В.
Доктор философии по наукам о Земле, Институт Геологии и Геофизики Национальной Академии Наук Азербайджана,
г. Баку, Азербайджан
Г АЗОГИДРАТЫ ЮЖНОГО КАСПИЯ ПО ДАННЫМ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Аннотация: Для выполнения исследований по сейсмическим данным были использованы временные разрезы, полученные методом ОГТ в пределах глубоководной части Каспийского моря. Интерпретация данных производилась по критериям выделения BSR. Анализ временного разреза указывает на значительные объемы газогидратов в пределах профиля. Зоны газогидратов не постоянны по разрезу и варьируют в широких диапазонах от 0,4 до 1 сек.
Ключевые слова: газогидраты, углеводородные газы, сейсмические профиля, Южный Каспий.
Poletayev А.У.
PhD in geosciences, Institute of Geology and Geophysics National Academy of Sciences of Azerbaijan,
Baku, Azerbaijan Poletayeva Е.У.
PhD in geosciences, Institute of Geology and Geophysics National Academy of Sciences of Azerbaijan,
Baku, Azerbaijan
SEISMIC INVESTIGATION OF GAS HYDRATES IN THE SOUTH CASPIAN
Abstract: Gashydrates zones distinguishing as per data of geophysical methods with determination of BSR boundary or other diagnostic features are
considered to be the main diagnostic indicator of gashydrates. Five seismic profiles were used for spatial gashydrates zones analyses. A special attention was paid during seismic profiles interpretation when identifying horizons containing gashydrates. Analyses of temporary sections indicate to considerable volumes of gashydrates within profiles. Gashydrates zones are not constant through the section and vary within wide ranges from от 0,4 to 1 sec. The upper part of the section is complicated by mud volcanic manifestations and faults.
Key words: gas hydrates, hydrocarbon gases, seismic profiles, the South Caspian.
Применение сейсмических методов при изучении газогидратов основано на наличии прямой связи между особенностями геологического строения зон газогидратов и распределением в среде физических параметров. Для сейсмических методов такими параметрами являются: скорость
распространения продольных и поперечных волн, плотность и т.д. [1-11].
Сейсмические методы исследования хорошо себя зарекомендовали при изучении газогидратов [1-11]. Индикаторами газогидрата на временном разрезе могут быть аномальные изменения сейсмических характеристик волн: амплитуда, частота, фаза, скорости продольных и поперечных волн и т.д. Ниже приведены основные критерии выделения газогидратов по сейсмическим данным [1-11]. Наиболее широко применяемым главным сейсморазведочным признаком газогидрата является наличие на сейсмических записях метода отраженных волн отражающего сейсмического горизонта (Bottom Simulation Reflector - BSR) [2, 8-11]. Основными особенностями этого отражающего горизонта, отличающими его от прочих, являются:
- горизонт BSR, который субпараллелен морскому дну и пересекает отражения, обусловленные осадочной слоистостью;
- отражение от горизонта BSR, который имеет обратную полярность по сравнению с отражением от дна (рис.1);
- контрастность отражающих элементов, расположенных на разрезе выше горизонта BSR, меньше, чем расположенных под ним, то есть наблюдается некоторое «осветление» разреза. «Осветление» рассматривается как следствие уменьшения акустической контрастности отложений за счет присутствия гидратов в них;
- VAMP’S-аномалии проявляются на сейсмическом разрезе в виде «яркого пятна» протяженностью 1 -2 км, сопряженного с прогибанием нижележащих горизонтов. Принято считать, что это прогибание обусловлено понижением скорости упругих волн, вызванное присутствием газа в осадках. Усиление прогибания по мере возрастания времени пробега свидетельствует, что газонасыщенность осадков не локализована в каком -то одном слое, а распространяется на достаточно большой интервал глубин. Характерной особенностью этих аномалий является также слабовыраженная куполообразная выпуклость вышележащего отражающего горизонта, что может быть следствием повышения скорости упругих волн в гидратосодержащих осадках. Величина этой выпуклости мала и соответствует увеличению скорости на 1 -2% по сравнению с осадками, расположенными на той же глубине в стороне от VAMP’S -аномалии;
- на сейсмических разрезах поддонная глубина горизонта BSR обычно увеличивается с увеличением глубины моря;
- с расширением частотного диапазона улучшается форма и частотный состав отражения от BSR;
- наблюдается инверсия отраженного сигнала;
- характерным свойством гидратов и гидратонасыщенных пород
-5
является пониженная плотность (порядка 800-1240 кг/м ). Скорость звуковой волны в газогидратах метана составляет 1600-1900 м/с, что объясняется большим сцеплением между гидратными зернами, образующими жесткий каркас. Скорость звуковой волны в песчаных осадках газогидратов достигает 3000 м/с. По экспериментальным данным гидратообразование приводит к
увеличению скорости продольных волн в несцементированных песках от 1850 до 2690 м/с (рис. 2), а в сцементированных гидратами породах - от 3000 до 3500 м/с [9].
Следует отдельно выделить метод амплитудно-вариационного анализа (AVO). В настоящий момент он стал широко использоваться при изучении зон газогидратов. Этот метод может быть использован для прогнозирования литологогических характеристик, а так же как свойств флюидов. Он был применен (рис. 3) при изучении газогидратов площади Абшерон Каспийского моря [6].
Лабораторные исследования образцов горных пород, содержащих гидраты, показали, что гидраты обладают аномальными упругими свойствами по сравнению с вмещающими породами; скорости продольных и поперечных волн в них выше, чем в породах, заключающих в себе жидкость или газ. На этих свойствах основано акустическое эхолотирование и сейсмические исследования. Анализ скоростей является одним из широко используемых методов для диагностики зон газогидратов. Однако, скорости осадочных пород, насыщенных газогидратами, для различных регионов мира имеют в широком интервале (1,700 м/с - 3500 м/с).
BSR может быть связано не только с наличием гидратов, но и с наличием диагенетических переходов в разрезе; на сейсмических данных могут присутствовать множественные BSR, один из которых соответствует текущему положению подошвы зоны стабильности, а остальные являются палео-BSR (рис. 4), что вызывает дополнительные трудности в оценке степени флюидонасыщенности. BSR не всегда хорошо выделяется на сейсмических разрезах, в том числе из за присутствия волн помех и др. [9, 11].
При интерпретации сейсмических данных необходимо различать кратные волны от волн, образованных гидратоносными пластами, и других сейсмических границ (рис. 5).
Depth (m) ^ ^ «---- Time (S)
Рис. 1. Отражение от горизонта BSR, который имеет обратную полярность по сравнению с отражением от дна
Velocity (km/s)
Рис. 2. Скорости в зоне газогидратов
Рис. 3. Применения AVO при изучение зон газогидратов на структуре Абшерон
Рис. 4. Палео-BSR [9]
Depth (m)
Offset (m)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Рис. 5. Отражение волн от сейсмических границ
Рис. 6. Примеры гидроакустических данных
Рис. 7. Фрагмент сейсмических данных до (А) и после (Б) подавления
волн-спустников [1]
Рис. 8. Форма и амплитудный спектр сигнала до (А) и после (Б) подавления волн спутников (красные стрелки указывают время вступления импульса, отраженного от дна,
стрелки других цветов - волн-спутников [1])
Рассмотрим основные способы удаления кратных волн и выделения гидратосодержащих горизонтов. На временных разрезах сейсмические границы разделяются на резкие и нерезкие, сильные и слабые, гладкие и шероховатые, плоские и криволинейные. В геологических средах имеются резкие (скачок скорости и плотности) и нерезкие (переходной слой с плавным изменением скорости и плотности) границы. Резкие границы
отмечаются на контактах пород разного состава. Не резкость границы может быть обусловлена постепенным изменением условий осадконакоплений, процессами выветривания и др. Резкость границы может наблюдаться с изменением частоты колебаний. Так, для волн низкой частоты граница с маломощными переходами слоев может вести себя как резкая, а при высокой частоте - как не резкая. Данное явление четко проявляется при анализе сейсмоакустических и сейсмических данных.
При интерпретации сейсмических данных необходимо иметь в виду, что в зависимости от различных типов сейсмических границ возможно образование различных типов волн, как однократно отраженных, преломленных, так и многократно отраженных волн. Все эти типы волн осложняют возможность выделения зоны газогидратов. При падении на границу раздела продольной и поперечной волн образуются не только соответствующие монотипные головные волны, но и волны обменные. Причем число типов волн возрастает, если под свободной поверхностью находиться не одна, а несколько границ раздела. Наибольшей интенсивностью обладают волны, претерпевшие отражение сверху от земной поверхности или от подошвы зоны малых скоростей. В горизонтальной слоистой среде при постоянной скорости время распространения волн одинаковой контрастности, претерпевших отражения в зонах входа и выхода, совпадает и при этом будет регистрироваться суммарная волна, обладающая амплитудой, увеличенной вдвое. При увеличении кратности отражений в схеме преломлено-отраженных волн число суммарных волн возрастает.
Кровля газогидратного слоя обычно не дает четких отражений [5, 9, 11]. Сама же зона гидратообразования обычно начинается ниже поверхности дна от 0,5 до 10 и более метров. В связи с этим для обнаружения кровли гидратоносных пластов необходимо применение акустических методов (рабочая область частот 0,1-10 кГц) с очень высокой разрешающей способностью (рис. 6). При изучении ЗМС используются сейсмические материалы со значительным частотным диапазоном 5-120 Гц (до 500 - 1000
Гц для малоглубинной сейсмики). При сейсмоакустических исследованиях с частотой 30 кГц возможно прослеживать отложения до 1500 метров, при высокоразрешающей конфигурации (частота 100 кГц) - производить исследования до глубины 500 м., а при профильной интерпретации (частоте 4,5 кГц) - до 60 м.
Обработка сейсмических записей с использованием процедур фильтрации позволяет подавлять помехи. Следует отметить два свойства подавления кратных волн:
1. Средняя скорость кратных отражений обычно меньше, чем однократных, регистрируемых на тех же временах (селекция по скоростям).
2. Временные задержки кратных волн обычно можно предсказывать на основе анализа сейсмической записи.
При обработке сейсмических данных применяются процедуры трансформации и фильтрации сейсмических записей (рис. 7, 8), вычитание регулярных волн помех и др. [1, 5, 9, 11]. Автор [1] предложил способ выделения подошвы газогидратов на участках записи, осложненных волнами-помехами и интерференцией с отражениями от других границ (рис. 7, 8), что позволяет получить более детальную информацию о зонах распространения гидратов и уточнить положение этих зон на картах.
Предложенный спектральный атрибут, рассчитываемый как отношение амплитудных спектров от одного и того же отражения для гидратонасыщенных и газонасыщенных пород, позволяет локализовать и детально изучать эффект гидратонасыщенности и газонасыщенности породы вблизи подошвы зоны стабильности. Предложенная методика картирования на основе использования устойчивого спектрального атрибута позволяет выделять области повышенной концентрации гидратов и свободного газа. Результаты сейсмических исследований
Для выполнения исследований по сейсмическим данным были использованы 5 временных разрезов, полученные методом ОГТ в пределах
глубоководной части Каспийского моря. Расположение сейсмических профилей показано на рис. 9. Сейсмические временные разрезы были представлены SOCAR в формате SEG-Y, в системе координат WGS-84, 2D профили. На рис. 10 приведены данные заголовка сейсмической записи по профилю 1, интерпретация которого приведена ниже. Интерпретация данных производилась с применением программного комплекса Kingdom suite. Следует также отметить, что не было возможности работать со скоростями, а также комплексировать данные с другими геофизическими методами ГИС и гидроакустикой ВЧР.
При интерпретации сейсмического профиля особое внимание было уделено идентификации горизонтов, содержащих газогидраты. Интерпретация производилось в основном по критериям выделения BSR по сейсмическим данным. На сейсмических профилях ВЧР характеризуется сложным волновым полем. Здесь выявляются разломы, грязевые вулканы, зоны с высоким содержанием газа, зоны газогидратов. При анализе сейсмического профиля 1 можно проследить аналогичные аномалии, выделенные при изучении зон газогидратов на площади Апшерон и в разных регионах мира.
На рис. 11 приведен фрагмент сейсмического временного разреза по профилю 1. В интервале времени от 0,2-0,25 секунды выделяются интенсивные аномалии, соответствующие дну моря. Ниже выделяются четкие границы с характерными аномалиями, соответствующими зонам газогидратов. Следует отметить, что газогидраты выделяются в интервале от 0,35 до 1,0 сек. В середине профиля установлена зона с характерными аномалиям для грязевулканических структур. В зоне грязевого вулкана газогидраты сосредотачиваются в основном в прилагающих участках, а также в зоне кратера вулкана. По профилю также наблюдаются отражения, которые представляют собой сложные колебания, являющиеся результатом интерференции сигналов, отраженных от нескольких границ.
На рис. 12 приведено продолжение профиля 1. Здесь морское дно прослеживается на времени от 0,4 до 0,5 сек. Происходит последовательное погружение дна моря. В интервале от 0,6 до 0,75 сек. выделяется зона с характерными аномалиями, соответствующими зонам газогидратов. Ниже по разрезу в интервале от 0,7 до 1,0 сек прослеживаются разломы разного направления и порядка. Ниже этих зон на основании анализа амплитуды записи и теоретических основ устанавливается зона со свободным газом. На рис. 13 представлен фрагмент участка зоны газогидратов. Как видно, четко выделяются зоны газогидратов, а также зоны разломов в нижней части профиля. В ряде случаев по обе стороны от разлома наблюдаются разные углы наклона осей синфазности отражений. Такие изменения связаны с незначительным искривлением разреза за счет изгибаний пластов на крыльях в результате перемещения их вдоль незначительно искривленной поверхности. Некоторое искривление осей синфазности происходит из-за изменения кривизны луча (рефракции) при прохождении через плоскость разлома. Эти изменения связаны с локальными колебаниями скорости на разломе. Характер искривления поверхности разлома различен для разных участков. Искривление вызывает ухудшение качества данных ниже поверхности разлома, иногда очень сильное, поскольку оно может быть большим и изменяться очень быстро. В этом случае отражение отсутствует, и образуется зона тени. Из-за резкого перепада скорости вдоль плоскости разлома сама поверхность разлома образует отражение.
Рис. 9. Расположение сейсмических профилей в зоне исследования
3 SEG Y Text Header
Survey Name: | Browse...
Data Type: |"Amplitudes (Time)
С1 CLIENT COMPANY CREW NO »
C 2 LINE _ Migration AREA MAP ID
C3 REEL NO DAY-START OF REEL YEAR OBSERVER
C 4 INSTRUMENT: MFG MODEL SERIAL NO
C 5 DATA TRACES/RECORD AUXILIARY TRACES/RECORD CDP FOLD
C 6 SAMPLE INTERNAL SAMPLES/TRACE BITS/IN BYTES/SAMPLE
C 7 RECORDING FORMAT FORMAT THIS REEL MEASUREMENT SYSTEM
C 8 SAMPLE CODE: FLOATING PT FIXED PT FIXED PT-GAIN CORRELATED
C 9 GAIN TYPE: FIXED BINARY FLOATINGPOINT OTHER
C10 FILTERS: ALIAS HZ NOTCH HZ BAND - HZ SLOPE • DB/OCT
Cl 1 SOURCE: TYPE NUMBER/POINT POINT INTERVAL _
C12 PATTERN: LENGTH WIDTH
C13 SWEEP: START HZ END HZ LENGTH MS CHANNEL NO TYPE
C14 TAPER: START LENGTH MS END LENGTH MS TYPE
C15SPREAD: OFFSET MAX DISTANCE GROUPINTERVAL
C16 GEOPHONES: PER GROUP SPACING FREQUENCY MFG MODEL
C17 PATTERN: LENGTH WIDTH
C18 TRACES SORTED BY: RECORD CDP OTHER
C19AMPLITUDE RECOVEY: NONE SPHERICALDIV AGC OTHER
C20 MAP PROJECTION: WGS847 ZONE ID: 9 UNITS: METR
C21 X: BYTS 73 - 76 Y: BYTS 77 - 80 FORMAT - INTEGER (IBM)
_____| Cancel | Help |
Рис. 10. Заголовок сейсмического профиля по профилю
Й5 Line 95.1037, Amplitudes [Filter ON 10, 20, «0.00|
* Я £>Н|^ • • | * m н m hi: mi i>|ivd 41 | [ ’Ainp!Ajde*(T«ne) -||| \ (H| ✓ A9<> / ОППОО|Ч P
• a>Q
Рис. 11. Фрагмент сейсмического профиля 1
Рис. 12. Фрагмент сейсмического временного разреза, по профилю 1 (продолжение)
Рис. 13. Фрагмент сейсмического временного разреза, по профилю 1 (продолжение)
Maps * ▼ &
к ж I “ т £*[П» 1 & 0 н 1 ✓ ;■* н | -f в и A -it и ] | & [tvd.,41 | J|\ъ_ i*lilu*s [lime) -HI т» @vAi* / QODOO|l P
^ Н
свободный газ разломы газогидраты
Рис. 14. Фрагмент сейсмического временного разреза, по профилю 1 (продолжение)
На рис. 14. показано продолжение временного разреза по профилю 1. Дно моря фиксируется в интервале времени от 0,97 до 1,1 сек. Зона газогидратов прослеживается в интервале 1,15 до 1,35 сек. В нижней части разреза выделяются серия разломов.
Таким образом, анализ временного разреза по профилю 1 указывает на значительные объемы газогидратов в пределах профиля. Зоны газогидратов не постоянны по разрезу и варьируют в широких диапазонах от 0,4 до 1 сек. ВЧР осложнена грязевулканическими проявлениями и разломами. Разломы выделяются в нижней части разреза, ниже зон газогидратов. Анализ сейсмических профилей 2, 3, 4, 5 указывает на то, что отложения ВЧР в пределах глубоководной части Каспийского моря имеют, аномалии характерные для зон газогидратов. Следует отметить, что проявления кристаллогидратов на этих профилях характеризуются не большими размерами, что позволяет говорить о незначительных объемов газов в этих зонах. На этих профилях также установлены грязевулканические проявления и разрывные нарушения.
В пределах глубоководной части Каспийского моря, исходя из анализа сейсмических и термодинамических данных, можно предполагать наличие значительных объемов газогидратов. Судя по сейсмическим данным зоны газогидратов не постоянны по разрезу, а их мощности варьируют в диапазоне от 0,4 до 1 с.
Выводы
С целью пространственного анализа зон газогидратов были использованы данные 5 сейсмических профилей. Сейсмические временные разрезы были представлены SOCAR в формате SEG-Y в системе координат WGS-84, 2D профили. Интерпретация данных производилась с использованием программного комплекса Kingdom suite, а также по критериям выделения BSR. Таким образом, анализ временного разреза указывает на значительные объемы газогидратов в пределах профиля. Зоны
газогидратов не постоянны по разрезу и варьируют в широких диапазонах от 0,4 до 1 сек.
Список литературы
1. Бочарова, А.А. Разработка методики картирования зон распространения газовых гидратов на основе спектрального анализа морских сейсмических данных: автореф. дис... канд. физ.-мат. наук / А.А. Бочарова. -
M. : МГУ им. М.В. Ломоносова, 2013. - 25 с.
2. Гинсбург, Г.Д., Соловьев, В.А. Субмаринные газовые гидраты / Г.Д. Гинсбург, В.А. Соловьев - СПб: ВНИИ Океангеология, 1994. - 193 с.
3. Макагон, Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы / Ю.Ф. Макагон // Российский химический журнал. 2003. Т. 47. №3. С. 70-79.
4. Полетаева, Е.В. Результаты изучения региональных глубинных разломов Южного Каспия по комплексу сейсмических данных / Е.В. Полетаева // Geophysics «News in Azerbaijan». 2008. №2. С. 25-27.
5. Хаттон, Л., Уэрдингтон, М., Мейкин, Дж. Обработка
сейсмических данных / Л. Хаттон, М. Уэрдингтон, Дж. Мейкин. - М.: Мир, 1989. - 216 с.
6. Diaconescu, C.C., Kieckhefer, R.M., Knapp, J.H. Geophysical Evidence for Gas Hydrates in the Deep Water of the South Caspian Basin, Azerbaijan / C.C. Diaconescu, R.M. Kieckhefer, J.H. Knapp // Marine and Petroleum Geology. 2001. №18. P. 209-221.
7. Sain, K., Gupta, H. Gas Hydrates in India: Potential and Development / K. Sain, H. Gupta // Gondwana Research. 2012. Vol. 22. Issue 2. №9. P. 645-657.
8. Frye, M., Shedd, W., Boswell, R. Gas Hydrate Resource Potential in the Terrebonne Basin, Northern Gulf of Mexico / M. Frye, W. Shedd, R. Boswell // Marine and Petroleum Geology. 2012. №6. P. 150-168.
9. Thakur, N., Rajput, S. Exploration of Gas Hydrates. Geophysical Techniques / N. Thakur, S. Rajput. - Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2011.
10. Bangs, N., Hornbach, M., Berndt, C. The Mechanics of Intermittent Methane Venting at South Hydrate Ridge Inferred From 4D Seismic Surveying /
N. Bangs, M. Hornbach, C. Berndt // Earth and Planetary Science Letters. 2011. Vol. 310. P. 105-112.
11. Sloan, E.D., Koh, A.C. Clathrate Hydrates of Natural Gases / E.D. Sloan, A.C. Koh. - New York: CRC Press, 2007. - 752 p.
