薄互層火成巖地震響應(yīng)特征及厚度預(yù)測(cè)

劉恭利，韓自軍，段新意，甄宗玉

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300459）

0 引言

火成巖的發(fā)育可以促進(jìn)深部烴源巖的成熟，還可以改善儲(chǔ)集層的物性和含油氣性，在有些儲(chǔ)層發(fā)育地層內(nèi)還能夠起到側(cè)向封堵的作用?；鸪蓭r較為發(fā)育的地區(qū)其構(gòu)造往往十分復(fù)雜，再加上火山通道對(duì)地層的改造作用，使得資料的采集與處理都存在很大的困難［1-2］。渤海海域南部B油田是近幾年新發(fā)現(xiàn)的大型油田，地處郯廬斷裂與張蓬斷裂交接處。由于渤海灣盆地古近系的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是多旋回與多成因機(jī)制疊置的幕式演化過(guò)程，東營(yíng)組沉積時(shí)期經(jīng)歷了裂陷Ⅲ字幕，構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響使得該油田在東營(yíng)組沉積時(shí)期有多期巖漿活動(dòng)，廣泛發(fā)育火成巖［3-6］。該區(qū)域內(nèi)的火成巖地震波速度以高速為主，對(duì)目的層構(gòu)造成圖及后續(xù)井位部署及油田開發(fā)都有很大影響，因此準(zhǔn)確刻畫火成巖發(fā)育厚度及橫向范圍十分關(guān)鍵。同時(shí)，渤海南部東營(yíng)組火成巖是以多期噴發(fā)的溢流相為主，單層厚度較薄（厚度＜5 m），多以薄互層形式存在，橫向變化大。預(yù)測(cè)這種薄互層形式的火成巖的凈厚度非常困難，主要有2個(gè)原因：①實(shí)際厚度小于1/4波長(zhǎng)，地震視厚度往往大于實(shí)際厚度；②凈毛比在橫向上存在變化。

很多學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域火成巖的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析與探討，涉及火山機(jī)構(gòu)的鑒別、火山機(jī)構(gòu)的形成機(jī)制以及不同火山巖的地震響應(yīng)特征等方面［7］，張玉芬［8］認(rèn)為薄互層的單層厚度和組合結(jié)構(gòu)均是決定反射波和頻譜特性的主要因素。孫淑艷等［9］嘗試預(yù)測(cè)薄互層形式下的砂泥巖的有效厚度，建立不同凈毛比條件下雙層不等厚砂巖模型，分析并突破了模型中2層砂巖厚度必須相等的局限。針對(duì)火成巖厚度的刻畫研究卻相對(duì)較少。

利用實(shí)際井鉆遇的火成巖參數(shù)建立一系列模型，分別分析單層厚度、組合結(jié)構(gòu)以及凈毛比這3種影響薄互層火成巖振幅響應(yīng)特征的因素，確定主控因素，根據(jù)實(shí)際子波正演求取振幅與主控因素之間的線性關(guān)系，并結(jié)合約束稀疏脈沖反演對(duì)渤海B油田薄互層形式的火成巖的凈厚度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期精確研究薄互層火成巖對(duì)下伏地層產(chǎn)狀的影響程度。

1 火成巖巖相特征

火成巖的成因具有多樣性，不同成因類型對(duì)應(yīng)不同巖相的火成巖?；鸪蓭r的巖相劃分有利于識(shí)別不同巖相的發(fā)育規(guī)律，揭示火山的噴發(fā)旋回和多期火成巖的組合關(guān)系。黃玉龍等［10］將火山巖相劃分為噴發(fā)相、次火山巖相和火山通道相，并包含有多種火山亞相；Cas等［11］根據(jù)火成巖的物源及搬運(yùn)方式的不同，將火山巖相劃分為熔巖流相、火山碎屑巖相、火山碎屑沉積相、凝灰?guī)r相和火山灰相等；金伯祿等［12］按火山物質(zhì)搬運(yùn)方式將火山巖分為4種巖相11種亞相，包括爆發(fā)相、噴崩及噴溢相、侵出及潛火山相和噴發(fā)—沉積相；謝家瑩等［13］通過(guò)對(duì)中國(guó)東南大陸中生代火山的研究，將火成巖劃分為13種巖相，包括噴溢相、爆發(fā)空落相、火山碎屑流相、爆溢相、基底涌流相、火山泥石流相、噴發(fā)沉積相、火山頸相、侵出相、潛火山相、隱爆角礫巖相、侵入相、火山湖相；王璞珺等［14］通過(guò)對(duì)松遼盆地火成巖的研究，根據(jù)成因和可識(shí)別性將火成巖劃分為5種巖相及15種亞相。

渤海B油田在多個(gè)斷塊內(nèi)均有鉆井，目前已有11口預(yù)探井，除2口淺層井外，其余井在不同斷塊內(nèi)均不同程度地鉆遇火成巖。該構(gòu)造古近系經(jīng)歷多期火山噴發(fā)，通過(guò)對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化史及已鉆井錄井資料的分析，該油田火成巖巖相可以劃分為爆發(fā)相、溢流相、侵入相、火山沉積相以及火山通道相等5種主要的巖相（圖1）。根據(jù)不同層段火成巖的錄井、地化資料分析，東營(yíng)組發(fā)育的火成巖主要為溢流相玄武巖、爆發(fā)相凝灰?guī)r和火山沉積相的沉凝灰?guī)r，目的層?xùn)|三段內(nèi)部火成巖相對(duì)較少，主要為局部存在的侵入相輝綠巖，火山通道相縱向變化大，通道內(nèi)巖性復(fù)雜，主要沿裂隙分布，剖面直立倒三角特征較明顯。

圖1 溢流相和火山通道相火成巖剖面特征Fig.1 Seismic section of overflow and volcanic vent facies igneous rocks

圖2為目的層段內(nèi)井上鉆遇火成巖的速度-密度交會(huì)圖，爆發(fā)相的凝灰?guī)r和火山沉積相的沉凝灰?guī)r的速度為2 700～3 500 m/s，與砂泥巖的速度2 600～3 800 m/s基本上重疊在一起，密度為2.15～2.55 g/cm3，這類巖性的火成巖在地震剖面上顯示為低頻低振幅的反射特征，與正常砂泥巖的反射特征存在一致性，在剖面上識(shí)別困難［15］，但與正常沉積巖相類似的速度特征，對(duì)后續(xù)的構(gòu)造成圖的校正工作影響不大。溢流相的玄武巖和侵入相的輝綠巖地震波則表現(xiàn)為高速度高密度的特征，與正常沉積巖特征有明顯區(qū)別，速度為4 200～5 800 m/s，密度為2.50～2.85 g/cm3，在剖面上表現(xiàn)為中頻強(qiáng)振幅平行反射，連續(xù)性較好，以玄武巖為主，這一巖相的火成巖速度較高，如果在構(gòu)造成圖的工作中不考慮其影響，將會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

圖2 目的層內(nèi)的火成巖速度與密度交會(huì)圖Fig.2 Crossplot of velocity and density of igneous rocks in the target zone

溢流相的玄武巖有明顯的高阻抗特征，在剖面上具有較好的可識(shí)別性［16］，但其單層厚度往往小于5 m，大多以薄互層形式存在。這種薄互層火成巖是由于火山不同期次的噴發(fā)與溢流導(dǎo)致，在多個(gè)薄層之間往往夾雜有砂泥巖，在零相位地震剖面上對(duì)應(yīng)于一組波峰波谷反射。將其火成巖及沉積巖總體厚度定義為毛厚度，而單層火成巖累計(jì)的厚度與毛厚度的比值定義為火成巖凈毛比。同時(shí)，從已鉆井來(lái)看，薄互層毛厚度大部分在1/4波長(zhǎng)范圍內(nèi)，一個(gè)反射波組往往對(duì)應(yīng)2～3個(gè)單層火成巖，甚至更多，因此在毛厚度和凈毛比相對(duì)穩(wěn)定的情況下，單層火成巖與沉積巖之間的組合關(guān)系定義為火成巖組合結(jié)構(gòu)，也應(yīng)該作為振幅響應(yīng)特征分析的因素之一。不同的毛厚度、組合結(jié)構(gòu)和凈毛比的情況下，火成巖剖面響應(yīng)可能具有較明顯的差異，為了驗(yàn)證這3種因素對(duì)火成巖的地震響應(yīng)的影響，通過(guò)建立多種模型進(jìn)行分析影響薄互層響應(yīng)振幅的主控因素。

2 不同因素對(duì)薄互層火成巖地震反射振幅的影響分析

錄井及測(cè)井資料均顯示，低速度低密度的火山沉積相和爆發(fā)相火成巖通過(guò)地震手段難以刻畫，而高速度高密度的溢流相和侵入相火成巖在地震上能夠識(shí)別［17-18］。頻譜分析認(rèn)為渤海B油田目的層段東營(yíng)組主頻在18 Hz左右，對(duì)于4 200～5 800 m/s的高地震速度火成巖，其可識(shí)別厚度為58～80 m。對(duì)于單層火成巖的振幅響應(yīng)，實(shí)際鉆探的火成巖厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震分辨率，不同厚度間的組合結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，單層主要集中在0～15 m，以5 m以內(nèi)的薄層為主，其中分布最廣泛的玄武巖厚度也多為薄層，火成巖互層形式的毛厚度與凈毛比又有差異，須要分析不同組合結(jié)構(gòu)下的火成巖響應(yīng)機(jī)理。分別考慮薄互層形式下的火成巖互層組合結(jié)構(gòu)、毛厚度與凈毛比3種因素對(duì)其響應(yīng)振幅和響應(yīng)時(shí)間厚度的影響，以下模型中火成巖的速度為5 000 m/s，密度為2.70 g/cm3，背景速度為 3000 m/s，密度為 2.30 g/cm3。

2.1 組合結(jié)構(gòu)的影響

為了研究火成巖薄互層組合結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)振幅的影響，通過(guò)建立5個(gè)不同模型進(jìn)行正演分析［圖3（a）］，這5個(gè)模型的毛厚度均為30 m，火成巖凈毛比均為 0.8，組合厚度分別為（22 m，2 m）、（18 m，6 m）、（12 m，12 m）、（6 m，18 m）和（2 m，22 m），顯示了5種不同組合結(jié)構(gòu)下的火成巖響應(yīng)振幅和時(shí)間厚度，其中組合厚度為（22 m，2 m），是上厚下薄的特征，而組合厚度為（2 m，22 m）時(shí)，正好與之相反，中間3個(gè)模型上下厚度相差逐漸減少，變化趨勢(shì)基本上可以反映從早期到晚期火成巖的噴發(fā)次數(shù)逐漸增多、相當(dāng)和逐漸減少的情況。以響應(yīng)振幅的最大值和相移剖面的時(shí)間厚度作為最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖3（b）所示，組合結(jié)構(gòu)不同，振幅為23 000～31 000，時(shí)間厚度為20～23 ms，變化均較小。因此可知，在1/4波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，當(dāng)毛厚度和凈毛比固定不變時(shí)，薄互層火成巖的組合結(jié)構(gòu)對(duì)振幅響應(yīng)的影響較小。

圖3 不同組合形式下火成巖模型及其振幅響應(yīng)特征Fig.3 Igneous rock model and amplitude response characteristics under different combinations

2.2 毛厚度的影響

對(duì)于毛厚度的影響分析，通過(guò)建立薄互層楔狀體的正演模型，分別選取凈毛比α=1.0，α=0.8，α=0.5，α=0.2 共 4 個(gè)楔狀體進(jìn)行正演分析［圖 4（a）］。

如圖4（b）所示，幾個(gè)薄互層形式下的火成巖楔狀體都有類似響應(yīng)特征。當(dāng)火成巖凈毛比較小的時(shí)候，毛厚度的增加對(duì)振幅的影響較小，隨著火成巖占比的增加，毛厚度的增加對(duì)振幅的影響也相應(yīng)增大。通過(guò)井震對(duì)比統(tǒng)計(jì)可知，已鉆井的互層火成巖的時(shí)間厚度主要為14.4～32.0 ms，當(dāng)凈毛比為0.2～0.8時(shí)，由火成巖毛厚度引起的振幅變化量要小于凈毛比變化所帶來(lái)的振幅變化量，在這種情況下，振幅響應(yīng)的主控因素應(yīng)該是火成巖的凈毛比，因此通過(guò)振幅值的大小推測(cè)凈毛比的變化是可行的。

2.3 凈毛比的影響

圖4 4種凈毛比條件火成巖模型及其振幅響應(yīng)特征Fig.4 Forward modeling under four kinds of igneous rock ratio and their amplitude response characteristics

在渤海B油田火成巖的發(fā)育規(guī)律下，為了分析凈毛比對(duì)振幅的影響，選擇毛厚度保持H=50 m不變，組合結(jié)構(gòu)也相同的5層火成巖互層模型［圖5（a）］，其凈毛比分別為α=0.24，α=0.40，α=0.56，α=0.72，α=0.88，并選取多井標(biāo)定提取的地震子波進(jìn)行正演。如圖5（b）所示，隨著凈毛比的增加，火成巖響應(yīng)振幅從6 000逐漸增大到32 000，振幅變化大，而且隨著凈毛比的增大，響應(yīng)振幅和對(duì)應(yīng)的時(shí)間厚度都隨之增大，凈毛比與振幅呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，當(dāng)凈毛比小于30%時(shí)，其振幅響應(yīng)很弱，利用振幅對(duì)火成巖進(jìn)行剖面的識(shí)別較困難。

圖5 相同毛厚度、不同凈毛比條件下火成巖模型及其振幅響應(yīng)規(guī)律Fig.5 Igneous rock model under same thickness and different igneous rock ratios and amplitude response

通過(guò)精確井震標(biāo)定，利用所有已鉆井提取得到綜合子波，以上所有模型的正演分析均采用井震標(biāo)定所提取的綜合子波，其子波振幅能量與實(shí)際地震振幅能量相當(dāng)。對(duì)振幅與凈毛比的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得到如下公式

式中：A為薄互層火成巖的響應(yīng)振幅；N為火成巖凈毛比。

在明確了振幅與凈毛比之間的關(guān)系后，再提取待預(yù)測(cè)的薄互層火成巖厚度所對(duì)應(yīng)的振幅，利用兩者之間的關(guān)系就可以求取不同振幅響應(yīng)下的火成巖凈毛比，進(jìn)而可以用來(lái)計(jì)算火成巖的凈厚度。

3 薄互層火成巖厚度的預(yù)測(cè)

組合結(jié)構(gòu)對(duì)薄互層火成巖振幅響應(yīng)的影響較小，在1/4波長(zhǎng)內(nèi)，主要的振幅影響因素在于火成巖的凈毛比，區(qū)域范圍內(nèi)的凈毛比可以通過(guò)振幅與凈毛比之間的擬合關(guān)系求得。實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得目的層段不同期次的火成巖凈毛比，通常采用層序地層方法劃分出不同期次的火成巖，采用合適的時(shí)窗來(lái)提取各個(gè)期次火成巖響應(yīng)的最大振幅值屬性，根據(jù)振幅與凈毛比的關(guān)系可以求取各期次火成巖凈毛比的平面分布（圖6）。

圖6 多期噴發(fā)的火成巖最大振幅屬性分布（紅色代表火成巖分布）Fig.6 Distribution of maximum amplitude attributes of igneous rocks of multi-stage eruption

常規(guī)求取火成巖厚度時(shí)，通常是借用區(qū)域時(shí)深關(guān)系進(jìn)行估算，得到的厚度受區(qū)域時(shí)深關(guān)系的精度影響較大，而且沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈毛比的約束，預(yù)測(cè)厚度往往比實(shí)際厚度大。

為了得到各個(gè)期次火成巖的厚度，采用約束稀疏脈沖反演對(duì)目的層段內(nèi)的火成巖進(jìn)行描述，得到各期火成巖的時(shí)間厚度［圖7（a）］?；鸪蓭r速度可以利用井上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到，利用該速度求取各期火成巖的毛厚度，將火成巖凈毛比與毛厚度相乘可得各個(gè)時(shí)期火成巖的凈厚度。圖7（b）為渤海B油田范圍內(nèi)目的層段內(nèi)的火成巖凈厚度的平面分布圖，紅色區(qū)域代表了火成巖發(fā)育程度。

圖7 火成巖反演剖面（火成巖阻抗閾值黃色顯示）及厚度平面分布Fig.7 Inversion section and thickness prediction of igneous rocks

將研究區(qū)內(nèi)5口已鉆井鉆遇火成巖（溢流相玄武巖）厚度的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行對(duì)比（表1），利用凈毛比約束下的火成巖凈厚度預(yù)測(cè)精度得到不同程度提高。已知Well_1和Well_2鉆遇同一套玄武巖，鉆井資料顯示W(wǎng)ell_1實(shí)際鉆遇的這套玄武巖厚度是26.7 m，采用常規(guī)方式求取的厚度為36.3 m，而用約束稀疏脈沖反演方法預(yù)測(cè)的厚度是25.1 m，在該井附近的Well_2實(shí)際鉆遇厚度為29.1 m，常規(guī)方式求取的厚度為33.2 m，采用約束稀疏脈沖反演方法預(yù)測(cè)的厚度是28.2 m，預(yù)測(cè)精度有較大的提高（圖8）。

從對(duì)比結(jié)果可看出，利用地震視厚度計(jì)算薄互層火成巖的厚度會(huì)使得計(jì)算結(jié)果偏大，利用凈毛比與響應(yīng)振幅之間的關(guān)系作為控制條件可提高薄互層厚度預(yù)測(cè)的精度。精確的火成巖厚度對(duì)后續(xù)構(gòu)造成圖工作和開發(fā)階段的井位設(shè)計(jì)都有較大的支持。

表1 已鉆井鉆遇玄武巖火成巖厚度預(yù)測(cè)精度Table 1 Predicted thickness of igneous rock with drilled basalt

圖8 不同方式預(yù)測(cè)的火成巖厚度Fig.8 Thickness of igneous rocks predicted by two methods

4 結(jié)論

（1）渤海B油田在古近系目的層段內(nèi)廣泛發(fā)育火成巖，其中溢流相玄武巖和侵入相輝綠巖具有高速度高密度的特征。

（2）通過(guò)分析3種影響薄互層火成巖振幅響應(yīng)的因素，認(rèn)為在毛厚度一定的情況下，火成巖凈毛比對(duì)薄互層地震響應(yīng)有較大影響，是振幅響應(yīng)的主控因素。

（3）通過(guò)實(shí)際子波的正演分析，擬合出凈毛比和火成巖響應(yīng)振幅的線性關(guān)系，利用兩者之間的關(guān)系作為約束條件，結(jié)合稀疏脈沖反演對(duì)渤海B油田火成巖厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。實(shí)際應(yīng)用效果表明，相對(duì)傳統(tǒng)估算火成巖厚度的方式，該方法能有效提高火成巖厚度的預(yù)測(cè)精度。