井震結合古地貌恢復方法及應用
——以遼河灘海西部地區(qū)沙一段為例

馮 磊，吳 偉

（河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南焦作 454000）

井震結合古地貌恢復方法及應用
——以遼河灘海西部地區(qū)沙一段為例

馮 磊，吳 偉

（河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南焦作 454000）

古地貌恢復研究是油氣儲層預測的重要內(nèi)容，古地貌恢復的準確性直接影響物源、古水流等沉積特征的判斷。針對遼河灘海西部地區(qū)鉆井分布不均的特點，在鉆井資料地層厚度壓實校正基礎之上，提出利用地震資料進行井間古地貌趨勢補償，將鉆井資料和地震資料有機地融合。通過在遼河灘海西部沙一段應用表明，該方法效果良好，能夠較真實地反映古地貌分布特征。

古地貌；壓實校正；趨勢補償；遼河灘海

0 前言

古地貌是控制盆地內(nèi)沉積發(fā)育的重要因素之一，而且是準確預測中深部油氣儲層的關鍵和基礎［1］。真實準確地恢復沉積時期的古地貌，對于探索沉積規(guī)律具有重要的指導意義。同時還可為油田勘探提供重要的分析依據(jù)，擴大巖性油氣藏勘探成果［2、3］。

遼河灘海探區(qū)位于渤海灣盆地東北部，是遼河盆地陸域地區(qū)與遼東灣地區(qū)構造單元的過渡區(qū)帶，屬于遼河坳陷向海域的自然延伸部份，其形成于中～新生代的陸相斷陷型盆地。古近系基地形態(tài)總體上表現(xiàn)為“二凹三凸”的基本構造格局［4］，即西部凸起、西部凹陷、中央低凸起、東部凹陷和東部凸起。其中，研究區(qū)西部凹陷基底受海南斷層和葫蘆島斷層的控制，形成了西抬東降的單斷式半地塹，沿主干斷層發(fā)育了呈右行排列的眾多次級洼陷。由于葫蘆島凸起的插入，使西部凹陷在灘海地區(qū)分為兩支（見下頁圖1）。研究區(qū)地形地貌變化復雜，亟需能夠真實有效恢復古地貌的方法和手段。

1 方法原理及步驟

目前，古地貌恢復的方法主要從構造恢復和地層恢復兩方面入手，作者本次研究是基于地層的恢復。

現(xiàn)今保留的地層厚度是在漫長的歷史過程中沉積物經(jīng)過埋藏、成巖、剝蝕等作用后的殘余厚度已經(jīng)不能反映原始沉積時的真實地層厚度。古地貌恢復就是對現(xiàn)存的地層厚度進行一系列的校正處理，逐步回剝恢復到原始沉積的厚度。在回剝時，可視為剔除上覆地層，并將不同時期古水準面恢復到原位的過程。國內(nèi)、外學者分別從構造分析、沉積分析以及層序地層等方面的分析入手，但其依賴的基礎都是利用地層厚度圖、砂巖厚度圖構造圖等，來定性地分析當時的地貌形態(tài)［3、4］。隨著勘探工作的不斷深入，對古地貌恢復的要求逐漸從定性分析到定量分析，急需新的技術手段來恢復沉積時期的地層厚度。這就要求盡可能地綜合地質(zhì)、測井和地震資料，將有效信息提取、融合，以減小古地貌恢復的多解性。目前，主要的地層厚度恢復手段有：壓實校正、剝蝕校正、古水深校正等。由于遼河灘海地區(qū)沙河街組時期剝蝕量相對較小，且缺乏進行古水深校正的古生物資料，所以作者在本次古地貌恢復中，主要進行壓實校正，并在鉆井壓實校正的基礎之上，通過井間趨勢補償技術，將地震資料信息彌補到井間，以提高古地貌恢復的精度。

圖1 遼河灘海西部地區(qū)斷裂綱要Fig.1 Fault map of western beach area of Liaohe

1.1 地層厚度恢復

1.1.1 建立壓實方程

壓實校正主要基于沉積壓實原理，即隨著埋藏深度的增加，地層上覆蓋負載也增加，導致孔隙度變小，體積變小。假定地層的橫向位置在沉降過程中不變，僅是縱向位置發(fā)生變化。因此，地層體積變小就歸結為地層厚度變小［5］。不同巖性壓實作用有較大的差異，Athy（1930）對美國賓夕法尼亞和俄克拉荷馬南部二疊系研究過程中，得出在一定深度范圍內(nèi)，沉積地層的孔隙度值隨深度呈指數(shù)減小，密度隨深度呈指數(shù)增大的關系曲線。即滿足以下關系［5］：

式中 Φ（h）是深度h處的巖石孔隙度；Φ0為深度h＝0時的孔隙度；C為壓實常數(shù)。

Φ0和C值對不同的巖性和地區(qū)是不同的，可以根據(jù)不同深度的鉆井孔隙度值，建立孔隙度～深度關系曲線圖，并用最小二乘法按指數(shù)函數(shù)擬合求得不同巖性的Φ0和C值。作者結合遼河灘海西部鉆井資料，制作了研究區(qū)砂巖和泥巖的孔隙度隨深度變換的關系曲線（見圖2及圖3），分別獲得了砂巖、泥巖的壓實方程：

（1）泥巖壓實方程。

（2）砂巖壓實方程。

1.1.2 壓實校正

建立了壓實方程后，就可以依據(jù)地層骨架厚度不變壓實模型對地層進行壓實校正，求出不同地質(zhì)時期的地層古厚度或古埋深，具體采用回剝法技術［2］。按照地層骨架厚度不變的假設，有：

式中 h2和h1是已知地層頂?shù)茁裆?；Φ（h）是建立的壓實方程；h′1是給定的地層在地質(zhì)時期的頂面埋深。

當?shù)貙映练e剛完成時，可假設頂面埋深為0當?shù)貙咏?jīng)過一段時期的壓實后，頂面埋深等于上覆地層底面的埋深，將h′1值代入式（4），就可求出地質(zhì)時期的地層底面理深h′2及古厚度（h′2－h(huán)′1）。

研究區(qū)主要由砂巖和泥巖組成，則地層的綜合壓實曲線為：

其中 Ps是砂巖含量；Pm是泥巖含量。

因此，在計算構造沉降量時，要逐層對泥巖和砂巖分別求出各自的原始孔隙度Φ0m和Φ0s，以及壓實系數(shù)Cm和Cs，然后統(tǒng)計地層中泥巖、砂巖的百分比，并分段計算。將公式（5）和公式（1）代入到公式（4）中，即可得到最終迭代公式（6）。

根據(jù)公式（6）即可逐層回剝迭代，求出不同時期各地層厚度。通過對遼河灘海西部研究區(qū)所有鉆井進行古厚度恢復，獲得沙一段時期沉積古厚度（見圖4）。在圖4中，紅色柱代表恢復后的古厚度，藍色柱代表現(xiàn)今地層厚度。由于不同井中的砂巖、泥巖含量不同，其恢復厚度也不盡相同?？梢钥闯?，泥巖含量較高的井，由于泥巖壓實系數(shù)較大，其恢復后的原始地層厚度也較大。如雙203井，泥巖含量高達73.9%，恢復原始地層厚度達624m，比現(xiàn)今殘余的地層厚度增加了278m，幾乎是現(xiàn)今地層厚度的二倍。由此可以看出，由于壓實作用影響，在進行古地貌分析的時候，利用鉆井上現(xiàn)存的地層厚度進行古地貌分析，存在較大的誤差，不能反映出原始沉積時的地貌，必須進行壓實校正，才能真實地還原沉積時期的古地貌特征。

圖4 沙一段鉆井原始厚度與現(xiàn)今殘余厚度對比圖Fig.4 Contrast chart of original drilling thickness and current residual thickness of Sha 1member

1.2 井間古地貌趨勢補償

為得到古地貌的平面分布，通常利用鉆井資料獲得的古厚度數(shù)據(jù)，進行簡單的網(wǎng)格化后得到等值線平面圖（見圖5）。但對于鉆井較少或者分布不均勻的區(qū)域而言，井間插值得到的數(shù)據(jù)缺乏空間橫向約束，難以反映真實古地貌的趨勢。由于地震資料具有較高的橫向分辨率，如果將地震資料的有效信息彌補到井間網(wǎng)格數(shù)據(jù)中，使測井資料與地震資料有效融合，就更能發(fā)揮出兩種資料的優(yōu)勢。

因此，作者在本文提出一種利用地震資料進行井間古地貌的趨勢補償?shù)姆椒?。該方法將井中的?shù)據(jù)作為控制點，利用地震資料對井間趨勢進行彌補，主要有四步：

（1）做多井合成記錄，利用地震資料解釋目的層層位，通過時深轉換，得到地層厚度數(shù)據(jù)。

（2）將地震解釋得到的地層厚度數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，擴展網(wǎng)格節(jié)點范圍使其包含鉆井數(shù)據(jù)區(qū)域，在鉆井處提取網(wǎng)格節(jié)點數(shù)據(jù)值，并與井中處理得到的古厚度數(shù)據(jù)求差值。

（3）對得到的差值數(shù)據(jù)，利用自適應擬合算法進行處理。

（4）將差值數(shù)據(jù)網(wǎng)格與地震地層厚度網(wǎng)格合并，重新生成平面等值線圖。

由于鉆井資料和地震資料總會或多或少地存在異常數(shù)據(jù)，因此，合理的網(wǎng)格化算法是關鍵。傳統(tǒng)的網(wǎng)格化技術，多采用局部控制點來計算網(wǎng)格中每個節(jié)點的數(shù)值，如常用的克里金法、最小曲率法等。當存在局部異常的時候，得到的都是局部網(wǎng)格疊加，不能反映區(qū)域數(shù)據(jù)整體的趨勢。作者在研究中采用自適應擬合算法進行網(wǎng)格化，不同于傳統(tǒng)的局部網(wǎng)格化技術，自適應擬合算法考慮區(qū)域中所有數(shù)據(jù)趨勢，利用空間約束調(diào)和方程平衡所有數(shù)據(jù)點。該方法主要基于Hardy（1990）提出的多重曲面函數(shù)插值法，其基本思想是任何一個不規(guī)則的復雜曲面，均可由一系列規(guī)則的，以任意精度數(shù)學表面總和逼近［7～9］。當將小尺度的局部變化看作隨機和非結構的噪聲，局部地貌起伏比較明顯時，常規(guī)的最小二乘法難以抵制局部地貌異常的影響，導致趨勢分析出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，這就需要通過抗差估計，調(diào)整節(jié)點數(shù)據(jù)的權值來消弱異常值對插值結果的影響［10］。

圖5 利用鉆井資料得到的古厚度圖Fig.5 Ancient thickness map obtained by well data

考慮到任何區(qū)域的地貌總可以分成趨勢性成分和隨機性局部變化兩部份，建立自適應擬合方程的核函數(shù)如式（7）所示：

將公式（7）展開成矩陣形勢：

Z＝CA（8）其中 M表示步長（最小搜索半徑）；i、j表示網(wǎng)絡節(jié)點角標；Cj代表在XY平面未知圓錐斜率系數(shù)的列矢量，可以通過列選主元高斯消去法求解。

一旦求出Cj，則可計算出研究區(qū)域內(nèi)任意給定插值點擬合不規(guī)則曲面的Zi值。研究區(qū)域單元面積內(nèi)樣點數(shù)越多，越逼近真實的連續(xù)曲面。

為了得到更好的結果，作者將算法首先從區(qū)域中間網(wǎng)格數(shù)據(jù)點間距大于步長的節(jié)點開始計算，然后按照同樣的規(guī)則計算下一個節(jié)點。起始步長設置為研究區(qū)沉積地質(zhì)體最大半徑，截至步長設置為最小的地質(zhì)體半徑。將該算法從最粗略的網(wǎng)格開始計算，然后將網(wǎng)格單元寬度設置為原來的一半，再經(jīng)過多次迭代計算，直到網(wǎng)格單元寬度小于最小的沉積體分布半徑或者達到最大迭代次數(shù)后停止。

2 遼河灘海西部古地貌特征

作者在對研究區(qū)遼河灘海西部探井井斜校正及壓實校正的基礎之上，得到鉆井位置在沉積時期的古厚度。由于灘海地區(qū)鉆井分布不均，依靠地震資料進行井間古地貌趨勢補償，把結果利用三維可視化軟件顯示，最終得到研究區(qū)沙一段古地貌圖（見下頁圖6）。在圖6中，紅色區(qū)域代表隆起區(qū)，分別為西部凸起、葫蘆島凸起和中央低凸起；藍色區(qū)域代表深洼區(qū)，為海南洼陷。古隆起為主要正向地形，在基準面下降時，凸起較高的部份會出露地表，遭受剝蝕，并提供物源，沉積物逐漸向海南洼陷運移。在西部緩坡由西部凸起提供物源，發(fā)育辮狀河三角洲，并在海南洼陷形成湖底扇沉積。中央低凸起陡坡帶發(fā)育扇三角洲沉積。筆架嶺地區(qū)為水下低隆起，離葫蘆島凸起物源區(qū)較近，發(fā)育扇三角洲沉積，巖性以礫巖、粗砂為主。由此，從古地貌圖中可將遼河灘海西部地區(qū)分為幾個構造帶：①西部緩坡帶；②中央低凸起陡坡帶；③海南洼陷；④葫東次洼；⑤筆架嶺水下低隆起。

3 結論

作者通過對遼河灘海西部沙一段的古地貌恢復，采用了壓實校正、井間趨勢補償?shù)燃夹g，應用效果較好，主要取得如下認識：

（1）遼河灘海西部沙河街組，沉積壓實影響較大，恢復后的古沉積厚度比現(xiàn)存的地層厚度存在較大差異。在進行古地貌恢復時，必須考慮壓實的影響。

（2）由于遼河灘海地區(qū)鉆井分布不均勻，常規(guī)利用鉆井數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的方法，不能真實反映該地區(qū)古地貌形態(tài)，而利用地震資料進行井間古地貌趨勢補償后，可以精細地展現(xiàn)古地貌的平面分布特征該方法能有效地將測井數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)包含的信息進行融合，效果明顯。

（3）從恢復得到的遼河灘海西部沙一段古地貌圖中，可以分為五個構造帶：①西部緩坡帶；②中央低凸起陡坡帶；③海南洼陷；④葫東次洼；⑤筆架嶺水下低隆起。

（4）構造運動對古地貌恢復也有一定的影響如果地區(qū)構造運動較強烈，則保留下來的地貌與沉積前原始地貌變化較大，這時可考慮增加構造平衡剖面技術來校正古地貌形態(tài)。

［1］ 鄧宏文，王紅亮，王敦則.古地貌對陸相裂谷盆地層序充填特征的控制——以渤中凹陷西斜坡區(qū)下第三系為例［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2001，22（4）：293.

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圖6 遼河灘海西部沙一段古地貌圖Fig.6 Paleotopography map of Sha 1member of western beach area in Liaohe basin

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1001—1749（2012）03—0326—05

TE 121.3＋2

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.15

馮磊（1978－），男，博士，講師，主要從事油氣儲層預測技術研究。

中國地質(zhì)大學構造與油氣資源教育部重點實驗室基金資助項目（TPR－2010－21）

2011－10－19