層拉平技術在地震解釋中的深化應用

郭 雯 劉永濤 趙俊峰 王秀珍 趙紅格 丁富峰

（①中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；②西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安710069；③西北大學地質學系，陜西西安710069；④東方地球物理公司研究院長慶分院，陜西西安710021；⑤中國石油長慶油田公司勘探事業(yè)部，陜西西安710018）

0 引言

地震拉平技術是一種展平化地震數(shù)據(jù)的分析方法，主要依據(jù)某種原理或算法，對原始地震數(shù)據(jù)重新移位或采樣，生成全新的數(shù)據(jù)體，以提高地震數(shù)據(jù)處理的質量或便于地質分析。目前地震拉平技術主要用于：①在地震資料處理方面，通過改變常規(guī)數(shù)據(jù)疊加方法、Wheeler變換及傾斜地層同相軸校正，提高地震資料信噪比和成像質量［1-3］；②在地震資料解釋方面，通過數(shù)據(jù)體拉平［4-5］、拾取層位拉平［6-7］或平衡剖面［8］提高地震解釋效率，挖掘資料中潛在的地質信息，開辟一條新的解釋途徑。地震層拉平是地震拉平常用的解釋技術之一，是指將地震數(shù)據(jù)體沿某一拾取層位拉平，在全新的拉平數(shù)據(jù)體上進行解釋。自20世紀80年代層拉平技術引入解釋工作站以來，地震層拉平技術廣泛用于儲層預測［9-11］、古構造恢復［12-14］、古 地 貌 恢 復［15-16］、地 質 演 化 分 析［17-19］及油藏動態(tài)分析［20-21］等油氣勘探領域，呈現(xiàn)出巨大的應用潛力。

隨著地震層拉平技術應用領域的拓展，也暴露出一些亟待解決的問題。如：地震層拉平技術的應用條件；地震層拉平在古地表恢復過程中對地震解釋精度的影響；地震層拉平與地震切片、地層厚度法、平衡剖面技術的區(qū)別和聯(lián)系。這些問題的解答，有助于地震層拉平技術在油氣勘探領域的深化應用。本文從技術原理出發(fā)，首先將地震層拉平技術與其他古地表恢復技術進行對比、分析，明確產生恢復誤差的原因，然后通過增加地質約束條件或修正原有技術方案，降低誤差對恢復結果的影響，從而推動地震層拉平技術在儲層預測、古地貌恢復、古構造恢復、構造演化分析等4個方面的深化應用。

1 技術原理與誤差分析

從技術角度講，地震層拉平技術是以某一拾取層位為固定基準面，對地震數(shù)據(jù)垂直移位，生成全新的解釋數(shù)據(jù)。目前，解釋工作站上都有相應的操作模塊，操作非常方便。實際上地震層拉平的過程也是一個對數(shù)據(jù)體重新運算的過程。設原始數(shù)據(jù)為輸入函數(shù)f（x，y，t），運算過程即利用某種映射算法（函數(shù)）t（x，y，T）對f（x，y，t）重新排序，生成的新數(shù)據(jù)體為

式中：x 為原始時間域數(shù)據(jù)體水平方向的坐標；y為原始時間域數(shù)據(jù)體垂直方向的坐標；t為原始時間域數(shù)據(jù)體的雙程旅行時；T 為拉平時間域數(shù)據(jù)體雙程旅行時。

由于層拉平只是對數(shù)據(jù)體的樣點垂直移位，不考慮樣點的真實歸位，所以

t（x，y，T）＝T－t0

式中t0為層拉平選取的基準面固定值。則式（1）簡化為

在三維空間內，要使每個樣點真實歸位，必須考慮恢復地層的真實厚度，而地震層拉平只是對數(shù)據(jù)體的樣點垂直移位，勢必造成一定恢復誤差。

在地質意義上，地震層拉平是一種古地表重建技術，它是將地震數(shù)據(jù)體沿某一特定地質界面對應的地震反射層位拉平，恢復地史時期的古地貌，進而考查下伏地層的古構造、古沉積特征及地質演化過程，從而在三維空間內進行儲層預測、古地貌恢復及含油氣預測等。需要注意的是，層拉平技術需要滿足兩個前提條件：①選取的待拉平地震反射層位的原始產狀必須是水平的或近似水平的，且在地震剖面上可連續(xù)追蹤，否則恢復的古地貌沒有明確的地質涵義；②后期構造變形不甚強烈，否則地層變形已發(fā)生構造重組，再進行地質恢復必然出現(xiàn)假象。當滿足上述條件時，還要進一步考慮恢復精度問題。地質演化過程一般造成地層長度（橫向）伸縮和厚度（縱向）變化，而在三維地震數(shù)據(jù)中，利用層拉平技術恢復古地貌并不會改變剖面的長度和地層的厚度，因此客觀事實與技術局限之間的矛盾是造成古地貌恢復誤差的根本原因。文中以斷陷湖盆的古地貌恢復為例進行說明。

圖1展示了層拉平技術恢復古地貌原理。由圖可見：①由于構造應力場的變化，湖盆發(fā)育在基底褶皺之上，隨后進入構造穩(wěn)定期，斷陷湖盆被“填平補齊”（圖1a）；②在后期演化過程中，構造應力場再次發(fā)生變化，由于受到水平擠壓和垂向壓實作用，近似水平的層狀地層發(fā)生變形、彎曲，地層厚度發(fā)生變化，而且湖盆基底也被斷層復雜化，發(fā)生構造重組，基底褶皺高點位置已由原來的a 點遷移到b 點（圖1b）；③選取湖盆頂部近似代表古水平面的地震反射層位作為拉平層位，利用地震層拉平技術恢復古地貌，得到下伏湖盆充填地層的形態(tài)及基底構造樣式（圖1c），大致恢復了湖盆充填地層的形態(tài)，但湖盆的長度、充填地層的厚度與地史時期的原始狀態(tài)（圖1a）還存在較大差異，而且基底褶皺已發(fā)生構造重組，高點c已無法恢復到位置a。

圖1 層拉平技術恢復古地貌原理

利用地震層拉平技術恢復古地貌，造成湖盆充填地層的恢復厚度與原始沉積厚度差異的原因為：一是由于層序上、下地層傾角的差異及地層沉積演化過程中的脫水、壓實作用導致地層厚度變化，這是主因；二是由于構造演化過程中發(fā)生的地層橫向伸縮作用，而地震層拉平技術并不改變地層的長度，因此在構造恢復中也造成一定誤差。針對地震層拉平技術恢復古地貌產生的誤差，結合具體實例，分析這些誤差對恢復結果的影響程度，并通過增加地質條件約束或改進技術方案，最大程度地降低誤差對恢復結果的影響，使地震層拉平技術能更好地應用于地震資料解釋的各個環(huán)節(jié)。

2 地震層拉平技術在地震解釋中的深化應用

2.1 沿層切片分析

地震切片分為水平（或時間）切片、沿層切片和地層切片，其中沿層切片又分為沿頂切片和沿底切片。沿層切片定義為沿某一層序界面進行層拉平，然后向上、向下水平切割拉平數(shù)據(jù)體而形成的切片。地層切片定義為在層序頂、底界面間按等比例進行插值而形成的切片。一般情況下，由于不同切片所切割層序的位置相近，沿層切片和地層切片會取得相似的儲層預測效果［22］。實際上沿層切片和地層切片度量地層厚度的標準不同。下面具體分析兩種切片技術的近似定量約束條件。

為了更好地說明這個問題，這里引入Lee［6］的三種厚度概念，即垂直厚度（vertical thickness，VT）、間隔厚度（interval thickness，IT）、恢復厚度（restoration thickness，RT）。VT即視厚度，IT 即真厚度，RT即垂直于拉平層位的地層厚度。在水平層狀地層模型情況下，三種厚度相等（圖2a）；在楔狀傾斜地層模型情況下，三種厚度存在明顯差異（圖2b）。由切片的制作方法可知，水平切片以VT 為度量標準，地層切片以IT 為度量標準，沿層切片以RT 為度量標準。由幾何關系可知，IT 和RT 之間的換算公式為

式中θB、θA分別為層序底界面、頂界面與水平面的夾角，則θB－θA為層序頂、底界面的夾角。由式（3）可知，RT 與IT 之間的差異是由IT 和θB－θA決定的，具體為：

（1）當θB－θA＝0時，即在水平層狀地層模型情況下，RT＝IT，這時沿層切片和地層切片所處位置相同，儲層預測結果一致。

（2）當θB－θA≠0時，分兩種情況：①當楔狀層序頂、底界面的IT 相等時，隨著θB－θA變大，RT 與IT 的差值逐漸變大，即所處位置的沿層切片與地層切片厚度差值ΔH 越大（圖3），可能導致儲層預測結果存在差異；②當θB－θA保持不變時，隨著IT逐漸增大，ΔH 也逐漸增大（圖4），可能導致儲層預測結果存在差異。

圖2 水平層序模型（a）和楔狀層序模型（b）的三種厚度示意圖

圖3 楔狀層序θB－θA 與ΔH 的關系

圖4 楔狀層序IT 與ΔH 的關系

在實際的儲層預測中，RT 與IT 的差值主要體現(xiàn)在地震垂向分辨率上。當?shù)卣鸫瓜蚍直媛屎芨邥r，RT與IT之間的細微差別可能被地震切片反映；當?shù)卣鸫瓜蚍直媛瘦^低時，RT與IT之間的細微差別不能被分辨。因此，只有通過限定地震的分辨極限，才能在實際應用中進一步討論RT 與IT 的差別。這里取地震的垂向分辨極限為10m，當ΔH＞10m 時，沿層切片和地層切片的儲層預測結果差異較大；當ΔH＜10m 時，沿層切片與地層切片的儲層預測結果基本相似。以此為前提條件，分別取θBθA＝5°～30°，IT＝50～2000m，然后利用式（3）計算ΔH 和相對誤差（表1）?？梢?，當薄儲層的最小厚度大于10m、楔狀層序的IT＜1000m、θB－θA＜15°時，沿層切片與地層切片的儲層預測效果相似，兩者可以交替使用。在地震資料解釋中，可以根據(jù)實際地質條件，利用以上方法快速判斷沿層切片和地層切片的儲層預測效果，為選取合適的儲層預測方法提供依據(jù)。另外，厚度相對誤差計算結果（表1）可為古構造恢復提供定量參考。

鄂爾多斯盆地延長組長8—長7段為一套完整的三級層序，IT＜80m，一般θB－θA＜5°，長8段的水下分流河道砂體厚度一般大于15m。按照上述認識，利用沿層切片和地層切片均可預測河道砂體厚度。利用三維資料預測長8 段底部的河道砂體厚度，地層切片（圖5a上）和沿層切片（圖5b上）反映了大致相同的砂體平面展布特征，但在局部細節(jié)上有差異，這些差異不僅與切片制作方法有關，也與層位解釋精度、提取時窗大小有關，是一種綜合響應的結果。因此，由于地層切片與沿層切片切片制作方法不同造成的差異被其他因素的影響掩蓋，在一定程度上兩者可以相互替代。

2.2 古地貌恢復

古地貌恢復的常規(guī)方法有沉積學法、印模法、殘余厚度法、層拉平法、高分辨率層序地層學法［23］。其中印模法、殘余厚度法、層拉平法都屬于地層厚度法，從地震資料解釋的角度講，地層厚度法的本質與地震層拉平技術存在相通之處，即相當于拉平某一沉積標志層對應的地震反射層位，利用下伏地層考查地層的古構造形態(tài)以反映某一時期的古地貌。印模法利用古地貌之上充填地層的厚度鏡像地反映古地貌，殘余厚度法利用古地貌之下殘余的地層厚度反映古地貌。當古地貌形成階段剝蝕地層的厚度較小時，殘余厚度法與印模法恢復的古地貌相似，兩者都可用于古地貌恢復；當古地貌形成階段地層剝蝕的厚度較大時，兩種方法的恢復結果差異很大。

表1 不同層序模型IT與RT數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計表

圖5 鄂爾多斯盆地A 三維區(qū)長8段底部河道砂巖地層切片（a上）與沿層切片（b上）及相關地震剖面（a下、b下）

圖6為利用殘余厚度法和印模法得到的鄂爾多斯盆地A 三維區(qū)地層厚度圖及相關地震剖面。由圖可見，兩種方法恢復的古地貌形態(tài)差異較大，尤其在工區(qū)西部，殘余厚度法恢復的古地貌單元為古洼地（圖6a上），印模法恢復的古地貌單元為古高地（圖6b上），兩種方法的恢復結果可謂天壤之別。綜合分析認為，印模法恢復的古地貌更合理，而殘余厚度法由于沒有考慮剝蝕厚度的影響，導致古地貌恢復誤差大。通過修正殘余厚度法，在恢復剝蝕地層厚度的基礎上提高古地貌恢復精度。

這里需要滿足兩個前提條件：①不整合面上、下地層壓實差異作用較小，即不整合面之上剝蝕的地層厚度較小或橫向上剝蝕厚度近似相等；②古地貌形成階段沒有發(fā)生過強烈的構造變形。如果構造變形強烈，則地層的橫向伸縮量在古地貌恢復中不容忽視，而地震層拉平技術并不能有效恢復橫向伸縮量。在滿足上述前提條件下，恢復古地貌分兩步。首先，恢復古地貌形成階段地層的剝蝕厚度：①在古地貌上、下位置各選取一個等時界面；②選取古地貌上、下位置地層保存最完整的1 口鉆井作為標準井，并將兩個等時界面之間鉆井的垂直厚度作為標準厚度；③利用標準厚度減去兩個等時界面之間的現(xiàn)存地層厚度即為剝蝕地層厚度。然后，在三維區(qū)內恢復古地貌，即計算古地貌之下等時界面與不整合面之間的地層厚度，然后將該厚度與剝蝕地層厚度相加，即代表了剝蝕作用發(fā)生前的古地貌。

鄂爾多斯盆地前侏羅紀古地貌形成之前，并未發(fā)生強烈的構造變形，構造運動以垂直抬升為主。在風化剝蝕和河流侵蝕的雙重作用下，形成了千溝萬壑的古地貌景觀，隨后逐漸被延安組煤系地層“填平補齊”。在古地貌上、下分別選取延安組延9段煤層底界（TJ9反射層）和延長組長3段泥巖底界（TT3反射層）作為兩個等時界面。然后利用兩個等時界面之間的最大鉆井地層厚度（220m）減去兩個等時界面之間的現(xiàn)存地層厚度，得到剝蝕地層厚度（圖7a上）。該計算過程相當于同時拉平兩個等時界面，中間缺失的部分即為剝蝕地層的厚度。將長3段泥巖底界（TT3反射層）至不整合面之間的地層厚度與剝蝕地層厚度相加，得到前侏羅紀地層厚度圖（圖7b上）。對比圖6與圖7可見，修正殘余厚度法（圖7b上）與印模法（圖6b上）恢復的古地貌非常相似。這是由于以兩個等時界面為基準面，兩種方法恢復的地層厚度是互補的。如果后期差異壓實作用強烈，則必須進行壓實校正，還要考慮剝蝕地層對不整合面之下的殘余地層厚度的影響。因此，壓實作用對古地貌恢復精度的影響要引起充分重視。綜上所述，印模法與殘余厚度法恢復古地貌的原理及結果均存在明顯差異。

圖6 利用殘余厚度法（a上）和印模法（b上）得到的鄂爾多斯盆地A 三維區(qū)地層厚度圖及相關地震剖面（a下、b下）

圖7 利用殘余厚度法（a上）和修正殘余厚度法（b上）得到的鄂爾多斯盆地A 三維區(qū)地層厚度圖及相關地震剖面（a下、b下）

2.3 古構造恢復

古構造恢復常用的方法有寶塔圖法、地層厚度法和平衡剖面［24］，其中平衡剖面主要針對構造變形強烈的地區(qū)。這里著重討論在構造變形不甚強烈的地區(qū)，寶塔圖法、地層厚度法與層拉平法的區(qū)別和聯(lián)系。

寶塔圖法是將同一區(qū)塊不同深度的構造圖依次相減，利用地層厚度反映古構造形態(tài)，其原理與地層厚度法相同。從地震資料解釋的角度看，地層厚度法相當于“拉平”地層的頂界面，底界面的起伏即直觀地反映了古構造形態(tài)。因此，針對構造變形不甚強烈的地區(qū)，寶塔圖法、地層厚度法與層拉平法的古構造恢復原理相同，都是利用地層厚度反映古構造形態(tài)，只是層拉平技術在表現(xiàn)上更為直觀。

對于一套連續(xù)沉積的地層而言，如果利用地層厚度恢復古構造，必須考慮壓實作用對地層厚度的影響，而壓實作用校正又涉及剝蝕地層厚度的恢復。其實這是一項系統(tǒng)工作，工作量大，而且去壓實作用的結果或然性強，去壓實作用校正本身的誤差將會進一步增大古構造恢復誤差。由于現(xiàn)今地震剖面反映的地層厚度代表壓實作用最強階段的地層厚度，因此如果恢復該階段的古構造，則不用再進行去壓實作用校正的相關工作，在減少工作量的同時也提高了古構造恢復精度［25］。

一般情況下，壓實作用最強的時期也是烴源巖大量生烴、排烴、油氣大規(guī)模運聚的主要時期［25-26］，該時期的古構造形態(tài)與油氣成藏關系最密切，可作為油氣綜合評價的重要依據(jù)。鄂爾多斯盆地在早白堊世中晚期，地層壓實作用最強，長7段源巖埋深最大，有機質開始大量生烴、排烴及運移，形成原生油氣藏［27］。后期雖然經(jīng)歷了一定的構造變動，但改造作用不強，次生油氣藏規(guī)模有限。現(xiàn)今地震剖面的地層厚度大致代表生烴、排烴期的地層厚度，恢復該時期的古構造形態(tài)，無需進行去壓實作用校正，在提高恢復精度的同時，也增加了古構造恢復的油氣地質意義。

在恢復侏羅系直羅組沉積期的古構造形態(tài)時，地層厚度法的含義相當于拉平上覆代表該時期的地震等時界面，考查下伏延9段底界的構造形態(tài)，并計算這兩個地震反射層位之間的地層厚度，利用地層厚度圖反映古構造形態(tài)（圖8a上）。但由于侏羅系直羅組沉積期的古構造形態(tài)與成藏關系不密切，也沒有進行去壓實作用校正，因此恢復的古構造形態(tài)與鉆井數(shù)據(jù)的吻合程度不高。

通過恢復早白堊世中期的古構造形態(tài)可以增強古構造恢復的油氣地質意義。在地震剖面上選取代表該時期的地震標志層，進行層拉平后考查下伏延9段底界反射層的構造形態(tài)，并計算這兩個地震層位的地層厚度，得到生、排烴期的地層厚度圖（圖8b上）。該時期的古構造形態(tài)與鉆井數(shù)據(jù)吻合度高，油流井幾乎都位于古構造高部位，而且無需進行去壓實校正，恢復精度高。該時期的古厚度圖可作為井位部署的主要依據(jù)。

2.4 構造演化分析

平衡剖面是分析復雜構造變形區(qū)構造演化的有效方法之一，利用構造變形過程中巖石體積守恒的原理恢復不同時期的古構造，然后明確構造演化過程。平衡剖面能恢復地層的原始長度，進而計算構造伸縮量，而地震層拉平技術在構造恢復中地層長度保持不變，這是兩者的最大區(qū)別。是否可用地震層拉平技術代替平衡剖面分析構造演化呢？

在構造變形不甚強烈的地區(qū)，由于斷層數(shù)量較少、斷距較小、地層的橫向伸縮量不大，因此由平衡剖面的“去斷層”及“去褶皺”操作得到的構造伸縮量很小，不會引起構造形態(tài)發(fā)生根本變化，而且“去壓實”過程與地震層拉平?jīng)]有本質區(qū)別。另外，構造演化分析的地質目標尺度較大，橫向伸縮量和壓實作用對恢復結果的影響一般可以忽略。因此在構造變形不甚強烈的地區(qū)，可以近似地利用地震層拉平技術代替平衡剖面分析構造演化。

以鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷構造演化分析為例。首先，選取侏羅系底部煤層強反射（TJ9）、白堊系底部礫巖強反射（TK）兩個區(qū)域等時界面作為地震拉平層位。然后，自下而上進行拉平：①拉平TJ9反射層，即恢復侏羅系延9 段的古地貌，考查拉平層至長7段泥巖頂界（TT7）的地層厚度變化?；謴徒Y果表明，當時地層最厚的位置處于剖面東部，即延長組湖盆的沉積中心，剖面兩側的前積反射可作為佐證（圖9a），這表明該時期天環(huán)坳陷還沒有形成。②拉平TK反射層，即恢復早白堊世的古地貌，考查拉平層至侏羅系底界（TJ9）的地層厚度變化?；謴徒Y果表明，當時地層最厚的位置處于剖面西部，表明天環(huán)坳陷已經(jīng)形成，最低位置即為天環(huán)坳陷的軸部（圖9b）。③在地震剖面上，考查古近系底界（TE）的構造形態(tài)，即近似代表現(xiàn)今天環(huán)坳陷的形態(tài)?？梢钥闯觯飙h(huán)坳陷的軸部位于地震剖面的中部，表明其整體已經(jīng)向東發(fā)生遷移（圖9c）。經(jīng)測量可知，自中生代以來，受西緣逆沖作用的影響，天環(huán)坳陷軸部向盆地內（東部）遷移了約34km，與前人計算結果（約為30km）相近［28］。

圖8 由地層厚度法得到的鄂爾多斯盆地B二維區(qū)TJZ-TJ9（a上）、TK-TJ9（b上）厚度圖及相關地震剖面（a下、b下）

圖9 鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷構造演化剖面

3 結束語

目前，地震層拉平技術已作為一種常規(guī)的主流解釋技術被用于地震解釋的各個環(huán)節(jié)，彰顯出巨大的應用價值。但由于技術本身的局限性，或對應用的前提條件認識模糊、把握不準，在實際應用中還存在一些問題。

本文將地震層拉平技術與地震切片技術、印模法、殘余厚度法、寶塔圖法及平衡剖面技術進行對比、分析，找出技術原理上的異同點，然后通過增加地質約束條件或修正原有技術方案，合理而科學地將地震層拉平技術應用于儲層預測、古地貌恢復、古構造恢復及構造演化分析等四個方面。以鄂爾多斯盆地二維、三維地震區(qū)塊為例進行分析、驗證，證實地震層拉平技術可以在實際應用中取得預期的效果。

地震層拉平作為一種古地表重建技術，仍有許多潛力有待挖掘。處理與解釋人員緊密結合，在地震層拉平的基礎上，對整個三維數(shù)據(jù)體實現(xiàn)體拉平，從而更便捷地分析構造、沉積演化及油氣成藏史，這將是下一步的努力方向。