鄂爾多斯盆地高家河地區(qū)山西組二段下部地震沉積學(xué)研究

賴生華，白 璞，葉 超，張 磊，遲 靜

(1.西安石油大學(xué)，西安 710065；2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，西安 710000；3.中國石油 長慶油田分公司，西安 710018)

在早二疊世山西組沉積時期，由于滿蒙洋殼向華北克拉通板塊劇烈俯沖，鄂爾多斯盆地此時主要為三角洲沉積環(huán)境[1-3]；山西組二段(以下簡稱山二段)沉積期為淺水型三角洲沉積環(huán)境[2-5]。本次研究范圍高家河三維區(qū)面積為144 km2(圖1)，山西組二段主要為下三角洲平原亞相，發(fā)育分流河道、分流間洼地、沼澤等沉積微相。

山西組二段是研究區(qū)天然氣主要產(chǎn)層之一?？碧奖砻鳎芯繀^(qū)地震反射差，砂泥巖縱波傳播速度比較接近，煤層對地震反射干擾強(qiáng)，而采用傳統(tǒng)的地震研究方法，比如地震地層學(xué)[6-8]、地震屬性提取技術(shù)[9-12]、傳統(tǒng)的地震沉積學(xué)[13-30]等，使得沉積相預(yù)測精度較低，勘探成功率難以提高。因此，本文首先基于該區(qū)三維地震、鉆井和測井資料及部分井的測井解釋孔隙度成果，以及山二段巖石物理特征的研究，提出了可靠的識別巖性的標(biāo)準(zhǔn)。其次，對90°相位地震數(shù)據(jù)體[29-30]進(jìn)行時間—頻率掃描分析，確定煤層地震反射頻率特征及頻帶寬；通過設(shè)計的地震濾波器，盡量消除煤巖對地震反射的干擾；基于對露頭、巖心進(jìn)行的高分辨層序地層學(xué)研究、現(xiàn)代地震沉積學(xué)理論，在三維地震數(shù)據(jù)體中創(chuàng)建高精度等時地層框架，建立等時地層切片與高頻地層旋回之間的對應(yīng)關(guān)系。最后，將地質(zhì)研究方法，測井相分析、地震相識別等理論與技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，將具有不同地震反射主頻的等時地層切片所具有的沉積學(xué)意義進(jìn)行精細(xì)解釋與提取，利用混合頻率顯示方法[31]，確定沉積相平面分布規(guī)律。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)范圍

1 山二段巖石物性特征

研究區(qū)山二段厚度一般為50～60 m，在S207井達(dá)到最大厚度70 m。砂巖厚度分布極不均勻，在Y123井處砂巖最不發(fā)育，累計厚度只有4.88 m，但在S229井，砂巖達(dá)到最大厚度47.38 m；砂巖平均聲波速度為4 695 m/s。泥巖發(fā)育極不均勻，在S229井僅為8.13 m，而在S204井達(dá)52 m，遠(yuǎn)高于其余區(qū)域，為泥巖最發(fā)育地區(qū)；泥巖聲波平均速度為4 329 m/s，稍低于砂巖速度。單井煤層累積厚度小于8 m，平均聲波速度為3 067 m/s。因此，研究區(qū)山二段煤層的聲波速度遠(yuǎn)低于砂巖和泥巖的聲波傳播速度。

山二段煤層密度一般小于2 g/cm3，煤層測井解釋有效孔隙度較高，一般高于5%，據(jù)此可以有效地區(qū)分砂巖、泥巖和煤層。

山二段縱波傳播時差、泥質(zhì)含量、孔隙度的統(tǒng)計表明，砂巖、泥巖和煤層明顯不同。 圖2左上角區(qū)域有效孔隙度高于5%，最高可達(dá)15%，泥質(zhì)含量小于50%，聲波速度低于3 500 m/s，為煤層分布區(qū)域。左下角區(qū)域有效孔隙度變化大，介于1.5%～15%；縱波速度較高，平均可達(dá)4 720 m/s，最高達(dá)到5 000 m/s；泥質(zhì)含量低，最高不超過50%，為砂巖發(fā)育區(qū)域。通過細(xì)分該區(qū)域，可以進(jìn)一步劃分為高孔隙砂巖區(qū)和致密砂巖發(fā)育區(qū)。前者泥質(zhì)含量小于25%，孔隙度大于5%；后者泥質(zhì)含量較高，孔隙度較低；但二者的縱波傳播速度基本相同。右上角區(qū)域巖石致密，有效孔隙度低，泥質(zhì)含量高于50%，縱波速度變化大(4 000～4 700 m/s)，為泥巖分布區(qū)域(圖2)。去掉煤層后，砂、泥巖的縱波速度變化呈近似線性關(guān)系，隨著泥質(zhì)含量增加，速度降低，即砂巖中縱波傳播速度較泥巖中的高。這表明在90°相位地震數(shù)據(jù)中，薄砂巖層應(yīng)對應(yīng)于波谷地震反射同相軸。但是，致密砂巖和高孔隙砂巖具有相似的聲學(xué)特征和相同的地震反射特征，即利用振幅可以區(qū)分開砂、泥巖，但不能區(qū)分致密砂巖和高孔隙砂巖。

2 煤層地震反射頻率及反射特征

山二段含煤豐富，目的層段煤層具有多種多樣的空間分布特征?？偨Y(jié)起來有如下3種分布情形：

圖2 鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河山二段聲波時差—泥質(zhì)含量—孔隙度散點圖

(1)煤、砂互層型；(2)泥、煤、砂、泥四端元型；(3)復(fù)雜型，即泥、煤、泥、砂、巖復(fù)雜韻律型[32]。

煤層縱波速度低于3 500 m/s，與圍巖形成巨大的波阻抗差異，煤層在地震剖面上常常形成明顯的強(qiáng)地震反射同相軸。研究區(qū)山二段煤層的厚度不同，具有不同的調(diào)諧頻率，利用時頻分析可以確定不同煤層的調(diào)諧頻率。煤層地震反射復(fù)雜，有的煤層位于地震波谷反射同相軸，而有的煤層則對應(yīng)于地震波峰反射同相軸。如S222井山二段多數(shù)煤層調(diào)諧頻率介于40～45 Hz；而底部煤層較厚，調(diào)諧頻率降至35 Hz。A、C、D煤層對應(yīng)于地震波谷反射同相軸，而B和E煤層則對應(yīng)于地震波峰反射同相軸(圖3)。

研究表明：(1)山二段發(fā)育2種調(diào)諧頻率，分別為30～35 Hz和40～45 Hz的煤層；(2)山二段煤層地震干涉作用強(qiáng)烈。隨著頻率降低，干涉作用增強(qiáng)，高于60 Hz的頻率成分，煤層干涉作用減弱；隨著遠(yuǎn)離煤層，干涉作用減弱，并且地震干涉偏向低頻端。

因此，利用地震能量特征研究山二段沉積體系時，所選的地層切片應(yīng)盡量遠(yuǎn)離煤層，所采用的能量應(yīng)該高于60 Hz的頻率成分。

為了利用地震信息研究巖性，必須盡量降低煤層的干涉作用，突出研究層段的地震反射信息。因此，本文利用高通濾波器降低低于60 Hz的地震反射能量，減少煤層的影響，突出有效地震信息。研究表明，高通濾波極大地降低了地震低頻部分的能量，煤層地震反射及干涉作用得到有效壓制。

3 地層切片沉積體系解釋

圖3 鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河S222井旁地震道煤層頻譜分析

本文通過對井旁地震道進(jìn)行時間—頻率掃描分析，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣鸱瓷漕l率不低于60 Hz、不高于90 Hz時，山二段底部北岔溝砂巖地震反射能量較強(qiáng)，而其他頻率的地震反射能量較弱。

根據(jù)地震調(diào)諧理論，沉積體厚度不同，地震調(diào)諧頻率也不同，因此，解釋規(guī)模各異的沉積體，理應(yīng)采用不同的地震最佳頻率[34]。本文采用地震分頻技術(shù)，提取不同頻率的能量等時地層切片，以此來更加清晰地反映在不同水動力條件下形成的、大小、形態(tài)、成因不同的沉積體系。

從地震調(diào)諧理論可知，當(dāng)?shù)卣鸱瓷漕l率較低時，如60 Hz地震反射頻率，可以較好地反映水動力能量較強(qiáng)的、厚度較厚的、主水道和決口扇沉積體。在Slice279能量等時地層切片中，60 Hz頻率最強(qiáng)地震反射能量具有3種走向的條帶狀分布樣式。具體的分布樣式如下：先南北、后東西、再南北走向樣式，主要沿S231、S232、S208、S24井一線分布；北西、南東走向樣式，主要沿S212、Y127、S209井一線分布；北東、南西走向樣式，主要沿S226井邊緣分布[34]。

由地震勘探原理可知，隨著地震反射頻率的不斷提高，地震波的分辨能力越來越強(qiáng)。在地震反射能量地層切片Slice279中，70 Hz頻率地震反射識別出一向東凹陷，呈半月形，向上游發(fā)散的包絡(luò)線為細(xì)圓弧狀，內(nèi)部為碎斑狀強(qiáng)地震反射樣式，如S246井至S221井區(qū)域就是這種地震反射樣式(圖4)。

總之，研究區(qū)Slice279等時能量地層切片中，70 Hz地震反射頻率所反映出的走向為南北向、向東凹陷、向上游發(fā)散、砂巖位置及規(guī)模不斷變化的圓弧形碎斑狀強(qiáng)地震反射能量，可能代表了河道不斷遷移、不斷廢棄的復(fù)雜河道事件。從河流沉積上來看，這一帶主要為曲流邊灘、流槽、廢棄河道組成的復(fù)合體，即地貌學(xué)上的鬃崗地形。

將錄井資料、測井資料和地震資料相結(jié)合，Slice279等時能量地層切片內(nèi)高頻(85Hz)地震反射，可能反映了河流洪水導(dǎo)致的決口沉積體中砂巖規(guī)模小、厚薄不均勻、斑塊狀分布的特征。如，短軸—蠕蟲狀中—強(qiáng)地震能量樣式出現(xiàn)在Y218井區(qū)，目的層中下部砂巖橫向分布不穩(wěn)定，變化快，縱向上呈正粒序分布特征，應(yīng)該是反映了決口小水道沉積(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河三維區(qū)Slice279切片沉積體系解釋

4 基于混合頻率顯示沉積體系變化

混合頻率顯示是近年提出的一種地震數(shù)據(jù)顯示方式。這種顯示方式是利用分頻技術(shù)，將地震數(shù)據(jù)分解成離散的低頻、中頻和高頻3個能量數(shù)據(jù)體，然后，將這3個不同頻率的數(shù)據(jù)體進(jìn)行RGB模式混合顯示，以此創(chuàng)建彩色數(shù)據(jù)體[31]。

對于不同頻率段中能量相近的區(qū)域，采用該顯示技術(shù)將會使這些區(qū)域更加明顯可見。從理論上說，該顯示技術(shù)可以增強(qiáng)共性，突出主要矛盾，弱化個性，抑制差異。通過分頻之后，有的沉積體在高、中、低頻數(shù)據(jù)體中都表現(xiàn)為強(qiáng)地震反射，那么在混合頻率形成的彩色數(shù)據(jù)體中，這種沉積體將呈現(xiàn)出近似于白色的特征，這就導(dǎo)致該沉積體與圍巖的色彩差異達(dá)到最大化，使得該沉積體最容易識別。反之，對于在高、中、低頻數(shù)據(jù)體中都表現(xiàn)出弱反射的沉積體，采用任何單個的頻率段都不容易進(jìn)行識別。在這種情況下，如果將高、中、低頻數(shù)據(jù)體進(jìn)行混合頻率顯示，則會使單一頻率的弱地震反射沉積體轉(zhuǎn)換成接近黑色的區(qū)域，這將使得在單頻條件下難以識別的沉積體，在混頻狀況下特別明顯可見。

當(dāng)然，在利用混合頻率進(jìn)行顯示時，首先要研究目的層中沉積體的地質(zhì)特征，了解不同沉積體的規(guī)模、厚薄等，以確定不同沉積體的調(diào)諧頻率；其次，對井旁地震道進(jìn)行頻率—時間掃描，分析不同沉積體在不同頻率狀況下的地震反射能量，以確定地震反射能量達(dá)到最強(qiáng)時的調(diào)諧頻率；最后，利用分頻技術(shù)提取不同頻率數(shù)據(jù)體，結(jié)合時頻分析所得到的調(diào)諧頻率，選擇高、中、低頻數(shù)據(jù)體進(jìn)行混合頻率顯示，這樣就可以在混頻顯示圖中呈現(xiàn)出更加豐富、明顯的沉積現(xiàn)象，有利于更精確地分析沉積體系分布特征。

對通過本文目的層山二段下部的Slice279等時能量地層切片，基于對不同規(guī)模沉積體進(jìn)行調(diào)諧頻率分析，最終選擇用來進(jìn)行混合頻率顯示的3個頻率端元分別是低端頻率為60 Hz(紅)、中端頻率為70 Hz(綠)、高端頻率為80 Hz(蘭)。結(jié)合鉆井資料，與單頻顯示比較(圖4)，河道側(cè)向遷移(鬃崗地形)、邊灘顯示特征更為明顯(圖5)?；祛l顯示表明了部分廢棄河道砂體較河道砂體薄，而側(cè)向遷移形成的邊灘較河道砂體厚；在邊灘中，可見自中心向邊緣變薄的特征(圖5)。

圖5 鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河三維區(qū)山二段

5 山二段沉積體系平面分布

根據(jù)對巖心和野外露頭研究，研究區(qū)山二段下三角洲平原環(huán)境主要發(fā)育分流河道、分流間洼地和平原沼澤等微相，偶見決口扇微相。

分流河道微相是下三角洲平原環(huán)境的主要組成部分。根據(jù)Y120井巖心觀察，分流河道沉積的巖石類型一般由分選不好的含礫粗砂巖、粗砂、中砂、細(xì)砂等組成。砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度都較低。砂巖底部發(fā)育塊狀層理、粒序?qū)永砗推叫袑永恚猩喜堪l(fā)育板狀交錯層理和槽狀交錯層理等；在較細(xì)的沉積物中也常出現(xiàn)各種中—小型交錯層理。砂巖底面具有明顯的底面沖刷構(gòu)造，沖刷面上礫石成層定向分布，構(gòu)成疊瓦狀構(gòu)造，礫石的最大扁平面傾向河流上游。分流河道沉積具有明顯的正旋回剖面結(jié)構(gòu)或均一型剖面結(jié)構(gòu)。分流河道砂體的形態(tài)在平面上為長形，有時分叉；在剖面上呈對稱的透鏡狀。砂體常沉陷于下伏的泥巖層內(nèi)，其中部最厚最粗，向兩端變薄變細(xì)。分流河道砂體的電測曲線特征一般為中—高幅的齒化或微齒化的鐘形組合型或箱形—鐘形組合型，底部多為突變接觸方式，頂部突變或漸變。

分流間洼地是分流河道間的相對低凹地區(qū)，水動力較弱，環(huán)境較為閉塞。根據(jù)對韓城剖面的觀察，沉積物多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，含少量紋層狀粉砂巖；沉積構(gòu)造以水平層理和塊狀層理為主，可見沙紋交錯層理；從微相的共生關(guān)系看，常與分流河道微相、天然堤微相和平原沼澤微相共生。GR曲線明顯偏低，靠近基線，且起伏平緩。

平原沼澤微相在山二段三角洲平原上分布比較廣，巖性以灰黑色、深灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層細(xì)砂巖、粉砂巖，薄層煤層(煤線)發(fā)育，見豐富的植物莖、植物化石碎片及垂直蟲孔，常發(fā)育水平層理、塊狀層理和砂紋交錯層理。GR曲線表現(xiàn)為靠近基線的明顯偏低的不規(guī)則齒狀起伏。

采用混合頻率顯示方式，對山二段下部沉積體系的分布特征進(jìn)行了預(yù)測。山二段下部沉積時期，主要發(fā)育淺水型三角洲下三角洲平原亞相，分流水道發(fā)育。下三角洲平原上的分流水道主要有3種走向：(1)呈先南北、后東西、再南北走向，沿S229、S228、S232、S208、Y124井邊緣分布。在該分流河道中，在S231附近可能發(fā)育一個具有一定規(guī)模的曲流邊灘。(2)呈北西—南東走向，主要沿S212、Y127、S209井一線分布。(3)呈近東西走向，主要體現(xiàn)在沿S210、S226井發(fā)育一規(guī)模較大的河道側(cè)向遷移帶，該帶發(fā)育大規(guī)模河道邊灘、流槽和廢棄河道(圖7)。此外，規(guī)模較小的分流水道可能也分布在研究區(qū)東部、東北部；決口沉積主要分布在Y287井區(qū)。研究區(qū)北部泥巖最為發(fā)育，夾薄層砂巖，但局部富集砂巖(圖7)。

6 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河三維區(qū)山二段砂巖平均縱波傳播速度為4 720 m/s，個別井致密砂巖可達(dá)5 882 m/s；泥巖縱波傳播速度介于4 000～4 700 m/s。在90°相位地震數(shù)據(jù)中，薄砂巖層對應(yīng)于波谷地震反射同相軸。致密砂巖和高孔隙砂巖具有相似的聲學(xué)特征和相同的地震反射特征，利用振幅可以區(qū)分開砂、泥巖，但不能區(qū)分致密砂巖和高孔隙砂巖。

(2)山二段發(fā)育2種調(diào)諧頻率分別為30～35 Hz和40～45 Hz的煤層，地震干涉作用強(qiáng)烈。隨著頻率降低，干涉作用增強(qiáng)；高于60 Hz的頻率成分，煤層干涉作用減弱；隨著遠(yuǎn)離煤層，干涉作用減弱。

圖6 鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河三維區(qū)山二段下部沉積相對比剖面

圖7 鄂爾多斯盆地延長地區(qū)高家河三維區(qū)山二段下部沉積體系平面分布

(3)山二段下部沉積時期，主要發(fā)育淺水型三角洲下三角洲平原亞相，分流水道發(fā)育，主要有3種走向：呈先南北、后東西、再南北走向，沿S229、S228、S232、S208、Y124井邊緣分布；北西—南東走向，主要沿S212、Y127、S209井一線分布；近東西走向，主要沿S210、S226井發(fā)育一規(guī)模較大的河道側(cè)向遷移帶。