利用地震正演模擬方法研究地層結(jié)構(gòu)
——以鄂爾多斯盆地合水地區(qū)延長組三段為例

王文楓 岳大力* 趙繼勇 王武榮 李 偉 王 博

(①中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； ②油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；③中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710021)

0 引言

地層結(jié)構(gòu)研究是開展地層等時(shí)對(duì)比的重要組成部分[1]，亦是儲(chǔ)層精細(xì)表征的前提，因此明確地層結(jié)構(gòu)對(duì)于油氣田開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。針對(duì)陸相油田，眾多學(xué)者已經(jīng)探索出一套基于井資料的“旋回對(duì)比、分級(jí)控制、逐級(jí)閉合”的地層結(jié)構(gòu)分析與等時(shí)對(duì)比方法[3,5-7]。在地震資料品質(zhì)好的地區(qū)，采用“井震結(jié)合”開展油層對(duì)比的方法也得到了廣泛認(rèn)可。但是，受縱向分辨率的限制，地震反射波形具有一定的多解性[8-9]。比如針對(duì)前積反射，眾多學(xué)者依據(jù)同相軸尖滅的特點(diǎn)，選取地層尖滅模式開展地層對(duì)比。然而，當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮诘卣鸱直媛蕰r(shí)，地震反射同相軸存在穿時(shí)的可能[8,10-11]，地層在未尖滅的情況下亦會(huì)出現(xiàn)地震同相軸尖滅現(xiàn)象[12-13]。因此，嚴(yán)格按照地震波形開展地層結(jié)構(gòu)研究，可能會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致地層對(duì)比穿時(shí)、砂體歸屬混亂[14]。

地震正演模擬方法是降低地震資料多解性的有效方法之一，也是建立地震反射波形與地層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系的重要橋梁[11,15-19]。因此，本文采用地震正演模擬方法，對(duì)鄂爾多斯盆地合水地區(qū)延長組三段(簡稱長三段)的地層結(jié)構(gòu)開展研究，明確地層發(fā)育特征，為研究區(qū)的儲(chǔ)層精細(xì)表征提供基礎(chǔ)。

1 概況

合水地區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡西南部，在長三段沉積期，其處于湖盆邊緣的緩坡部位。長三段埋深為1200～1950m，發(fā)育特低滲致密砂巖儲(chǔ)層，從上至下可分為長4+5、長6和長7油組，各油組又可進(jìn)一步細(xì)分成數(shù)個(gè)砂組[20](表1)。

地震剖面(圖1)上可見兩個(gè)反射標(biāo)志層：第一個(gè)標(biāo)志層為長7和長8油組的分界(即長8_1砂組頂面)，為連續(xù)的強(qiáng)波峰反射[21]；第二個(gè)標(biāo)志層為長6_3砂組頂界面。

表1 鄂爾多斯盆地合水地區(qū)地層劃分方案(據(jù)文獻(xiàn)[20])

研究區(qū)二維地震資料揭示在下傾方向可見前積地震反射現(xiàn)象。由于前期對(duì)該區(qū)地層結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不清，地層對(duì)比以“平對(duì)”為主[22-23]，存在穿時(shí)現(xiàn)象，導(dǎo)致油氣開發(fā)效果不理想。另外也有學(xué)者采用“下傾尖滅”方式進(jìn)行地層對(duì)比[13]，如圖1a所示，長6_3頂?shù)卣鸱瓷渫噍S由z169井向z40井方向逐漸接近長8_1頂?shù)卣鸱瓷渫噍S，并在z40井之前尖滅，由此可得出z40井不發(fā)育長6_3砂組(老地震層位解釋方案)，但實(shí)際上z40井鉆遇長6_3砂組，說明該對(duì)比方式仍存在砂體歸屬不清的問題。因此，本文利用地震正演模擬方法針對(duì)前積地層結(jié)構(gòu)展開研究，以解決地層單元細(xì)分、對(duì)比問題。

2 前積地層結(jié)構(gòu)及地震波形特征

2.1 前積地層結(jié)構(gòu)樣式的概念模型

在地震剖面上(圖1)可見，長6_1、 長6_3、長7_1及長8_1砂組頂面均為波峰反射。其中，長6_3與長7_1砂組頂面反射同相軸向下傾方向逐漸尖滅在長8_1砂組頂面，形成前積反射結(jié)構(gòu)。以該地震剖面(順物源方向)前積反射結(jié)構(gòu)為原型，抽象建立三種地層結(jié)構(gòu)樣式的概念模型(圖2)。概念模型均由相鄰三套地層及其上、下圍巖組成，其中1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)地層分別對(duì)應(yīng)長7_1頂面與長8_1頂、長6_3頂與長7_1頂、長6_1頂與長6_3頂所限定的地層單元。第一種地層結(jié)構(gòu)樣式為等厚尖滅式，1～3號(hào)地層的初始厚度(均為80m)相等，且各地層頂面基本平行，1號(hào)與2號(hào)地層依次下傾變薄、尖滅(圖2a)； 第二種地層結(jié)構(gòu)樣式為底部地層減薄式(圖2b)，相鄰三套地層初始厚度相等，亦為80m，1號(hào)與2號(hào)地層在底部快速減薄但未尖滅(厚度減薄至10m)，3號(hào)地層厚度略有減薄(減薄至60m)。第三種地層結(jié)構(gòu)樣式為地層厚度等比例減薄式(圖2c)，相鄰三套地層初始厚度相等，均為80m，三套地層厚度整體同比例減薄，最終厚度仍近似相等。

圖1 研究區(qū)地震剖面層位解釋方案

研究區(qū)三套地層均以反旋回為主(下部以泥巖為主，上部以砂巖為主)，自下而上縱波速度與密度值整體呈增大的趨勢(shì)?？v波速度為3900～4100m/s，平均約為4000m/s。因此，設(shè)計(jì)概念模型中各套地層的縱波速度由底部3900m/s過渡為頂部4100m/s。為了簡化模型，將圍巖設(shè)置為背景相，其縱波速度設(shè)為平均速度，即4000m/s(圖2)。

圖2 三種地層結(jié)構(gòu)樣式的概念模型(左)及對(duì)應(yīng)速度模型(右)

2.2 概念模型的地震波形響應(yīng)特征

采用基于“波前速度掃描”(Wave Front Sweep Velocity)的褶積方法[24]分別對(duì)三種地層結(jié)構(gòu)概念模型(圖2)進(jìn)行正演模擬。研究區(qū)不同二維地震測(cè)線主頻略有變化，最低約為25Hz，最高約為35Hz。在模擬過程中考慮地震資料品質(zhì)，分別采用25、30、35Hz的雷克子波進(jìn)行正演模擬，并與實(shí)際地震剖面進(jìn)行對(duì)比、分析，探討研究區(qū)可能的地層結(jié)構(gòu)樣式。

2.2.1 等厚尖滅式模型響應(yīng)特征

針對(duì)等厚尖滅式地層結(jié)構(gòu)模型，由25Hz雷克子波激發(fā)得到的模擬結(jié)果表明，地層界面表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射，且反射同相軸能夠較準(zhǔn)確地反映地層界面位置及地層之間接觸關(guān)系(圖3a)。伴隨著2號(hào)、3號(hào)地層厚度的不斷減薄，地層底部的反射同相軸逐漸與1號(hào)地層底部相交，且反射同相軸連接處無錯(cuò)斷現(xiàn)象。值得注意的是，受地震子波分辨率的限制，反射同相軸相交位置略微早于該地層界面尖滅位置(圖3a)。

圖3 等厚尖滅式結(jié)構(gòu)模型不同頻率雷克子波正演結(jié)果

采用30、35Hz雷克子波激發(fā)得到的結(jié)果與25Hz相似(圖3b、圖3c)，但細(xì)節(jié)上略有不同。采用30Hz雷克子波激發(fā)時(shí)，3號(hào)層底部與1號(hào)層底部反射同相軸相交位置連續(xù)性差，呈現(xiàn)明顯的間斷現(xiàn)象；采用35Hz雷克子波激發(fā)時(shí)，反射同相軸相交位置的連續(xù)性較25Hz的模擬結(jié)果略差，但無明顯間斷現(xiàn)象。

2.2.2 底部地層減薄式模型響應(yīng)特征

針對(duì)底部地層減薄式地層結(jié)構(gòu)模型，由25Hz雷克子波激發(fā)得到的模擬結(jié)果(圖4a)表明，地層界面表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射，剖面左側(cè)反射同相軸能夠較為準(zhǔn)確地反映地層界面的位置。但是由于剖面右側(cè)地層減薄后的厚度(10m)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震資料可分辨厚度(25Hz條件下，1/4波長約為33.33m)，1、2號(hào)地層頂部的反射同相軸逐漸與1號(hào)地層底部相交，且反射同相軸相交處早于地層厚度減至10m的位置。實(shí)際上1、2號(hào)地層并未尖滅(地層界面未相交)，同相軸反映情況與地層發(fā)育情況不符，即當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮诘卣鹳Y料可分辨厚度時(shí)，地震反射特征無法準(zhǔn)確反映地層界面的位置及地層之間接觸關(guān)系。

采用30Hz與35Hz雷克子波激發(fā)得到的結(jié)果與前者相似(圖4b、圖4c)，且隨著子波頻率增大，同相軸相交位置越來越靠近地層厚度減至最薄之處。

圖4 底部地層減薄式結(jié)構(gòu)模型不同頻率雷克子波的正演結(jié)果

2.2.3 地層厚度等比例減薄式模型響應(yīng)特征

針對(duì)地層厚度等比例減薄式地層結(jié)構(gòu)模型，由25Hz雷克子波激發(fā)得到的模擬結(jié)果表明，在地層厚度減薄之前，地層界面表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射，同相軸能夠較準(zhǔn)確反映地層界面位置；地層厚度減至最薄(80/3m，模型右半部分)后，界面的反射振幅明顯減弱，且無法準(zhǔn)確反映地層界面位置及地層之間接觸關(guān)系(圖5a)。1號(hào)地層減至最薄時(shí)，1號(hào)地層頂、底界面逐漸合并形成復(fù)合地震波形； 2號(hào)地層與1號(hào)地層特征相似，地層減薄后頂、底界面形成復(fù)合地震波形； 3號(hào)地層減至最薄時(shí)，其頂部反射同相軸消失，底部反射同相軸與實(shí)際地層界面相比向上偏離，地震波形無法準(zhǔn)確反映該地層頂、底界面的位置?？傊诘貙雍穸鹊缺壤郎p薄至80/3m時(shí)，地層厚度小于地震可分辨厚度，地震波形為多個(gè)地層界面的綜合響應(yīng)，即地震波形無法準(zhǔn)確識(shí)別界面的位置及地層之間接觸關(guān)系。

采用30Hz與35Hz雷克子波激發(fā)得到的結(jié)果與前者相似(圖5b、圖5c)。激發(fā)頻率由25Hz→30Hz→35Hz變化時(shí)，調(diào)諧厚度相應(yīng)變化為40.00m→33.33m→28.57m，地震分辨率隨之相應(yīng)提高，模型右側(cè)多個(gè)界面的復(fù)合地震波形逐漸呈現(xiàn)分離的趨勢(shì)，但是受相鄰界面波形的干擾，反射同相軸與實(shí)際地層界面發(fā)生偏離，波形仍難以準(zhǔn)確反映地層界面的位置及地層之間接觸關(guān)系。

圖5 地層厚度等比例減薄式結(jié)構(gòu)模型不同頻率雷克子波的正演結(jié)果

與實(shí)際地震剖面(圖1)對(duì)比可見，長7_1頂、長6_3頂與長8_1砂組頂部反射同相軸依次相交，構(gòu)成前積反射結(jié)構(gòu)，等厚尖滅式、底部地層減薄式地層結(jié)構(gòu)模型的正演模擬結(jié)果與該地震反射特征一致，即2號(hào)、3號(hào)地層底部反射同相軸依次與1號(hào)地層底部相交，組成前積反射結(jié)構(gòu)(圖3、圖4)；地層厚度等比例減薄式地層結(jié)構(gòu)模型的正演模擬結(jié)果與實(shí)際地震剖面反射特征存在明顯差異(圖5)。因此，前兩種地層結(jié)構(gòu)模型均為本文研究區(qū)地震前積反射的可能結(jié)構(gòu)樣式。

3 實(shí)際應(yīng)用

在恰當(dāng)?shù)募s束條件下，利用測(cè)井資料可以建立一個(gè)與地下實(shí)際情況較為接近的波阻抗模型，其正演模擬結(jié)果可以接近實(shí)際地震波形。相反，當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)樣式選取不恰當(dāng)時(shí)，波阻抗模型可能會(huì)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，其正演模擬結(jié)果與實(shí)際波形就會(huì)偏差較大。因此，可以依據(jù)地震正演模擬結(jié)果檢驗(yàn)地層結(jié)構(gòu)樣式的準(zhǔn)確性。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)等厚尖滅式、底部地層減薄式地層結(jié)構(gòu)樣式在研究區(qū)的適用性，本文根據(jù)實(shí)際資料建立了與以上兩種地層結(jié)構(gòu)樣式相對(duì)應(yīng)的正演模型(圖6a、圖7a)。在等厚尖滅式正演模型中，長7、長6_3與長6_1頂界面由南(剖面左端)向北(剖面右端)逐漸下傾，長7頂界面尖滅在z169井與z18井之間，長6_3頂界面尖滅于z40井與z15井之間(圖6a)；在底部地層減薄式正演模型中，長7、長6_3與長6_1頂界面由南向北逐漸下傾，各地層厚度減薄但不發(fā)生尖滅，其中長7油組厚度在z169井處減薄至10～15m，長6_3砂組厚度在z40井處同樣減薄至10～15m(圖7a)。為使正演模擬結(jié)果更加合理，實(shí)際正演模型保留了長4+5_2砂組?；诼暡〞r(shí)差與密度(沒有密度資料時(shí)用Garden公式計(jì)算得到[25])得到波阻抗，在相應(yīng)地層格架的限定下，由波阻抗插值建立波阻抗模型(圖6b、圖7b)。由插值結(jié)果可知，在傾斜地層中插值得到的波阻抗模型也具有傾斜特征，且每套地層單獨(dú)插值，插值結(jié)果互不影響。為使模擬結(jié)果更加接近地下實(shí)際情況，采用研究區(qū)實(shí)際地震子波(目的層統(tǒng)計(jì)子波)激發(fā)，并加入了少量噪聲，得到結(jié)果如圖6c、圖7c所示。

圖6 等厚尖滅式地層結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型(a)、波阻抗模型(b)和正演模擬結(jié)果(c)

圖7 底部減薄式地質(zhì)模型(a)、波阻抗模型(b)和正演模擬結(jié)果(c)

等厚尖滅式模型的正演模擬結(jié)果表明，各地層界面以波峰反射為主，但在細(xì)節(jié)上反射同相軸與地層界面仍存在一定差異(圖6c)。長6_3頂部反射同相軸與長8_1頂部反射同相軸相交，相交處振幅明顯減弱，且相交位置略早于地層界面尖滅位置。伴隨著地層厚度逐漸減薄，在地層趨于尖滅處地層厚度已小于地震可分辨厚度，地震波形為該地層頂、底界面的復(fù)合響應(yīng)。

底部地層減薄式模型的模擬結(jié)果與等厚尖滅式相似，但在細(xì)節(jié)上存在差異(圖7c)。長6_3砂組在z40井處地層厚度減薄至10～15m，因此，底部反射同相軸自z40井向北表現(xiàn)為長8_1、長7與長6_3頂界面的復(fù)合響應(yīng)，其波形分辨率變低(相位變寬)、振幅減弱。

盡管兩種地層結(jié)構(gòu)樣式的正演模擬結(jié)果略有區(qū)別，但整體較為相似，且均與研究區(qū)實(shí)際地震剖面的前積反射結(jié)構(gòu)特征相吻合，因此這兩種地層結(jié)構(gòu)模型均有可能與研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征相符。前人研究及鉆井資料表明[13]，研究區(qū)長7油組底部的張家灘頁巖與長6_3砂組頂部的碳質(zhì)泥巖在全區(qū)廣泛發(fā)育，并未尖滅。因此，底部地層減薄式地層結(jié)構(gòu)樣式更符合研究區(qū)實(shí)際情況，采用該樣式可以對(duì)本區(qū)地層進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比，從而得到合理的地震解釋方案(圖1b)。

4 結(jié)論

本文采用地震正演模擬技術(shù)，對(duì)鄂爾多斯盆地合水地區(qū)延長組三段的地層結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

(1)基于實(shí)際地震剖面的前積反射結(jié)構(gòu)特征，在沉積模式的指導(dǎo)下，抽象建立了三種地層結(jié)構(gòu)樣式，即等厚尖滅式、底部地層減薄式和地層厚度等比例減薄式。

(2)等厚尖滅式和底部地層減薄式地層模型的地震正演模擬結(jié)果均出現(xiàn)前積反射，表明以上兩種模型均可作為前積反射的可能地層結(jié)構(gòu)樣式。長7油組在研究區(qū)未發(fā)生尖滅，因此底部地層減薄式結(jié)構(gòu)樣式更符合研究區(qū)的地層發(fā)育特征。

(3)針對(duì)研究區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知可為后續(xù)地層等時(shí)對(duì)比、精細(xì)儲(chǔ)層表征提供地質(zhì)基礎(chǔ)?；诘卣鹫莸牡貙咏Y(jié)構(gòu)研究方法可為其他相似研究區(qū)提供借鑒。