三維地震技術(shù)在泌陽凹陷堿礦勘查中的應(yīng)用

陳英男，陳建立，陳金鐸，李文濤，郭 鵬，魏從玲

(1.武漢工程科技學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

0 引言

地震勘查技術(shù)手段在我國油氣勘查中作用十分重要，能夠全面、精確地對盆地地層層序分析、底面構(gòu)造解譯[1-2]等。近年來，在泌陽凹陷進(jìn)行天然堿礦的勘查，充分借鑒和利用石油勘查進(jìn)行高分辨率的三維地震資料，將三維地震技術(shù)應(yīng)用于堿礦勘探。通過盆地底面構(gòu)造的建立，結(jié)合地質(zhì)、地球物理測井等技術(shù)，進(jìn)行地層切片確定含堿層位的分布區(qū)域取得了滿意的效果，獲得了地震技術(shù)在天然堿礦勘查應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

1 地質(zhì)背景

泌陽凹陷是北西向抬升、沉積沉降中心位于東南部邊界斷裂交匯處的安棚—安店一帶的中新生代箕狀凹陷[3]。北西西向的唐河—栗園和北東向泌陽—栗園邊界基底大斷裂控制著斷陷的形成和發(fā)展演化。晚白堊世是凹陷的初始斷陷期，地層為玉皇頂—大倉房組的砂礫巖、礫巖、膏巖等；古近系是凹陷形成的主凹期，構(gòu)成了凹陷的沉積主體，地層為核桃園組—廖莊組的泥巖、粉砂巖、白云巖、堿層，上部綠色含膏泥巖、膏巖等；新近紀(jì)—第四紀(jì)時(shí)期是凹陷的萎縮期，上部為沉積蓋層[1-2]。

泌陽凹陷的堿層主要賦存于核桃園組下部碳酸鹽巖如白云巖等中，由于堿層相對厚度較薄，與圍巖地層的巖性特征接近[3-4]，在泌陽凹陷開展地震資料解釋和研究，確定了沉積地層頂?shù)酌?、含堿層位地震反應(yīng)特征，建立了凹陷不同沉積時(shí)代地層的底面構(gòu)造，研究凹陷以及賦存堿層的次級凹陷的沉積相，并通過其他地質(zhì)技術(shù)手段如地層層序?qū)Ρ?、?biāo)志層對比從而推斷含堿層位主要為白云巖層的分布區(qū)域，大體推斷堿層可能的分布，指導(dǎo)勘查工作。

2 凹陷底面構(gòu)造的建立

2.1 地震解釋

2.1.1 原始資料的使用

(1)資料來源與利用。前人在泌陽凹陷施工了100余個(gè)探采工程(勘查鉆孔和生產(chǎn)鉆井)，進(jìn)行了巖屑錄井、地球物理測井、井斜軌跡測量，并加以地質(zhì)分析、綜合解釋，對其中的32口井的VSP，全井段的AC、GR、RT、SP等常規(guī)曲線進(jìn)行分段連接。要注意剔除或修正其中明顯的奇異值。

(2)地震參數(shù)。地震的主頻40 Hz，頻寬10～120 Hz。采用較大的頻譜范圍，對開展屬性、頻譜分解、反演等工作有利。

(3)地質(zhì)地震相結(jié)合。在深湖相沉積中，凹陷中心是相對穩(wěn)定的，是形成白云巖和含堿層的良好場所。該區(qū)域斷裂不發(fā)育，地震反射同向軸展布穩(wěn)定，易于追蹤；而凹陷或盆地的邊部物源多、多期次的沉積混雜，影響地層的連接對比。要通過地質(zhì)背景加密解釋，使點(diǎn)、線、面、體相結(jié)合，提高三維地震資料精細(xì)解釋的準(zhǔn)確性。

2.1.2 層位地震信息的合成

沉積地層的沉積特征是有一定差異或明顯的差異的，與之相對應(yīng)的地震信息相應(yīng)產(chǎn)生差異。分析地震合成信息的差異，就可達(dá)到地層標(biāo)定的目的。

(1)地震信息的合成。一般來說，從井旁地震道提取的子波信息的合成記錄與井旁地震道具有較好的相關(guān)性，通過在泌陽凹陷的試驗(yàn)，證明了其正確性。以理論雷克子波作為合成記錄的子波，對VSP速度進(jìn)行地震反射層位的標(biāo)定，當(dāng)其與實(shí)際地震記錄基本一致時(shí)，提取地震子波，精細(xì)標(biāo)定相應(yīng)的目的層并提取子波。通過對研究區(qū)大量鉆井的合成記錄，使研究精度得以提高，分層信息準(zhǔn)確無誤(圖1)。

(2)時(shí)差曲線的處理。首先確定區(qū)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)層地震反射特征(H33)，對復(fù)雜的時(shí)差曲線要進(jìn)行拉伸、壓縮以及刪減，處理過程中考慮井眼、泥漿濾液對聲波、密度測井資料的影響，鄰井、標(biāo)準(zhǔn)井的時(shí)深關(guān)系。

(3)單井與連井標(biāo)定。單一的鉆井的地震和地質(zhì)信息相對簡單，是連井標(biāo)定的基礎(chǔ)，然后將位于同一剖面的多個(gè)鉆井的地震地質(zhì)信息特別是層位相對應(yīng)，并作為編輯時(shí)差曲線的依據(jù)(圖2)。

圖2 泌77—泌94—泌205—泌202連井標(biāo)定剖面Fig.2 Calibration of Bi77-Bi94-Bi205-Bi202 drilling

(4)時(shí)深曲線對比分析。相似或相同層位的速度基本相同，形成的時(shí)深關(guān)系應(yīng)該是相似的。如果發(fā)現(xiàn)速度變化劇烈(異常)的井，對其單獨(dú)進(jìn)行分析，查明原因，保證全區(qū)時(shí)深關(guān)系的準(zhǔn)確性和層位標(biāo)定的精度。

(5)注意的問題。由于VSP資料能有效地避免聲波時(shí)差曲線受到井徑、巖層變化、泥漿侵入、測量誤差等影響，要盡量使用VSP資料校正聲波時(shí)差時(shí)深；地震信息是地質(zhì)情況的反映，因此要對地震井的信息通過地層對比進(jìn)行處理修正。

2.1.3 層位的解釋

開展地震信息的分析解譯，其目的是為了獲取研究區(qū)的構(gòu)造、地層巖性和厚度、礦層特別是標(biāo)志層信息。通過加密解釋、層位標(biāo)定，仔細(xì)研究確定層位信息特征。要利用調(diào)整色標(biāo)的分辨率來調(diào)整層位的閉合精度，縮小閉合誤差，以保證后期屬性提取、頻譜分解等地層預(yù)測的精確性，準(zhǔn)確地進(jìn)行泌陽凹陷沉積主體廖莊組、核桃園組、大倉房組頂?shù)酌娼忉?，獲得了底面構(gòu)造圖。

2.1.4 構(gòu)造精細(xì)解釋

(1)依據(jù)的原則。依據(jù)“切片定走向，剖面定傾向，共同定產(chǎn)狀”的原則，首先確定出斷裂系統(tǒng)，然后填充地質(zhì)層位。

(2)剖面上的斷層特征。反射波同相軸錯(cuò)斷、反射同相軸突然增減或消失、波組間隔突變、反射同相軸形狀突變、反射零亂或出現(xiàn)空白帶、標(biāo)準(zhǔn)反射同相軸發(fā)生分叉、合并、扭曲、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換以及異常波的出現(xiàn)等。

運(yùn)用Coherence Cube第3代算法C3把多道地震數(shù)據(jù)組成協(xié)方差矩陣，應(yīng)用多道特征分解技術(shù)，避免了人為解釋的隨意性，可清楚地分辨出斷層的規(guī)模、走向、組合方式等空間展布特征，大大提高斷層解釋精度，為該區(qū)整體構(gòu)造研究和圈閉識別奠定了基礎(chǔ)。

斷層組合的基本原則是同一條斷層其性質(zhì)、斷面產(chǎn)狀、斷開層位、斷距相同或有規(guī)律的變化。為了使斷層組合更趨合理，在上述原則的指導(dǎo)下，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)規(guī)律，在斷層組合中利用相干體切片，結(jié)合三維可視化技術(shù)，建立斷層三維顯示模型，弄清斷層發(fā)育規(guī)律，理清斷層切割關(guān)系，落實(shí)斷層的平面組合規(guī)律和展布特征。

(3)斷層水平切片特征。主要表現(xiàn)為同相軸明顯錯(cuò)斷、同相軸突然中斷、同相軸寬度發(fā)生突變、同相軸走向不一致等因素(圖3)。

圖3 斷層的水平切片解釋Fig.3 Fault explanation of horizontal stratal slice

(4)斷層的剖面解釋。采用剖面—平面相互對照的原則，并結(jié)合斷層體解釋的空間結(jié)構(gòu)來完成斷層的準(zhǔn)確識別。①彩色剖面的斷層解釋。前人的地震解譯主要在黑白波形顯示的剖面上解釋，剖面信息較單一，規(guī)模較大的斷層因其波組被錯(cuò)斷明顯，容易識別，但規(guī)模較小的斷層在黑白波形剖面上不太明顯而很容易被忽略。變密度剖面，細(xì)節(jié)信息較豐富，加之人的眼睛對彩色線條差異的敏感度較高，能較方便地發(fā)現(xiàn)和解釋一系列斷層。應(yīng)用對比多邊形，方便斷層兩側(cè)的地層對比，大大提高解釋的精度(圖4)。②斷層的多剖面識別對比。為解決在單獨(dú)的地震剖面判別斷層易于出現(xiàn)的多解性，要利用連續(xù)的多線對比判斷這種扭曲、分叉或合并是否為斷層得出的結(jié)論趨于準(zhǔn)確(圖5)。③相干切片與地震剖面對比解釋。在垂直剖面上對地震相干數(shù)據(jù)體時(shí)間切片的解釋結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在地震相干數(shù)據(jù)體時(shí)間切片解釋工作的基礎(chǔ)上，再回到地震剖面上，驗(yàn)證斷層解釋是否合理(圖6)。④地震解釋與鉆井標(biāo)定的斷點(diǎn)相結(jié)合解釋斷層。在對地震剖面的解釋中，首先對凹陷內(nèi)的已完鉆井標(biāo)定的斷點(diǎn)，通過合成記錄標(biāo)定在剖面上，保證了井震解釋斷層的一致性。

圖6 地震剖面的時(shí)間切片對比Fig.6 Figure of time slice seismic profile

圖4 Trace斷層多邊形對比剖面Fig.4 Profile of Trace fault polygon comparison

利用相干切片、時(shí)間切片等技術(shù)手段對泌陽凹陷的6個(gè)頂?shù)捉缑孢M(jìn)行解釋，確定20多條斷層。泌陽凹陷控盆斷裂為盆地東緣的北東向Ⅰ級斷層栗園—泌陽斷層、南部的北西向唐河—栗園2組大斷裂。栗園—泌陽斷層北東走向，北西傾，傾角60°～70°，貫穿盆地，平面上呈弧形延伸達(dá)30 km，斷距隨層位變化而變化，最大斷距達(dá)8 km，呈上陡下緩的犁式斷層。

完成上述解釋后，最終要進(jìn)行凹陷各個(gè)底面構(gòu)造圖的制作。由于工作區(qū)域比較大，沉積地層有較大變化，必然會(huì)導(dǎo)致同一層段不同區(qū)域的速度有所差異。通過對所有井的合成記錄時(shí)深關(guān)系及VSP 測井時(shí)深關(guān)系進(jìn)行了分析，以了解速度的橫向變化。泌陽凹陷多數(shù)井的時(shí)深關(guān)系差異不大，淺部速度沒有明顯變化，但在1 100 m以深不同井之間的速度有較大差異，部分鉆井速度明顯高于周圍的其他井，如泌354、泌159、泌364、程1井，需要采用變速成圖技術(shù)對速度的橫向變化進(jìn)行處理。

2.2 高精度速度場建立

采用井震二次約束速度模型，利用地震疊加速度譜資料建立初始速度模型，并以單井標(biāo)定的時(shí)深關(guān)系(或VSP)進(jìn)行校正，以地震解釋層位進(jìn)行橫向約束[3-4]，從而建立高精度速度場。首先利用DIX公式將地震疊加速度轉(zhuǎn)換為層速度，然后將層速度轉(zhuǎn)化為平均速度，即為初始速度模型，利用單井的時(shí)深關(guān)系對初始速度模型進(jìn)行校正[5]。

2.2.1 速度變化規(guī)律

凹陷的反射層平均層速度平面圖具有平均速度沿層總體上具有東南高、北西低的變化規(guī)律；在靠近邊界大斷裂附近存在明顯的速度異常區(qū)；明顯的速度增大帶和高速區(qū)呈東西向，為堿層賦礦地層白云巖發(fā)育區(qū)。

2.2.2 速度變化規(guī)律

(1)縱向上，速度隨地層深度的增加而增大。淺層速度變化較小(T3反射層的平均速度從2 700 m/s到4 000 m/s變化，幅度1 300 m/s)，深層速度變化較大(T54反射層平均速度從3 500 m/s到5 100 m/s變化，幅度1 600 m/s)，這種特征與淺層巖石壓實(shí)和膠結(jié)程度輕、地層傾角相對較小，而深層巖石壓實(shí)和膠結(jié)程度相應(yīng)增加、地層傾角相對較大的巖石特性相一致。

(2)橫向上，由北西向南東凹陷低洼變化速度逐漸增大，存在明顯的速度增大異常帶。這種速度變化特征與構(gòu)造形態(tài)、巖相、差異壓實(shí)及含流體等多因素有關(guān)。

根據(jù)泌陽凹陷地層速度變化研究表明：高速度異常區(qū)與含堿地層白云巖分布區(qū)相一致，與含堿的次凹沉積中心向南東變深相吻合。

2.2.3 構(gòu)造圖成圖

利用OW5000中的Zmap-Plus專業(yè)繪圖模塊，對泌陽凹陷主體沉積地層頂?shù)捉缑鎀41、T42、T4、T52、T53、T54共6個(gè)地震反射層進(jìn)行了構(gòu)造成圖，并利用時(shí)深轉(zhuǎn)換后并經(jīng)過校正的深度層位進(jìn)行繪制。比例尺1∶20 000，等值線間距20 m，深度值以地震基準(zhǔn)面(海拔+100 m)。

(1)凹陷底面構(gòu)造特征。呈北西高南東低的構(gòu)造格局，斷層不發(fā)育，構(gòu)造總體形態(tài)簡單。地層的沉積主要受湖平面升降變化、基底構(gòu)造起伏控制，沿著中央深凹區(qū)向外至北部斜坡帶及南部陡坡帶發(fā)育鼻狀構(gòu)造，對凹陷中的石油和堿層等沉積礦產(chǎn)起到控制作用；深凹區(qū)東部發(fā)育一系列斷層，且深部斷層多于淺層，部分?jǐn)鄬友由炀嚯x遠(yuǎn)，直至東部邊界斷裂，對沉積礦產(chǎn)起破壞作用。

(2)泌陽凹陷制作的底面構(gòu)造圖反映。自核一段至廖莊組安棚次凹一直發(fā)育，安店次凹僅發(fā)育于核一段、核二段，到核三段上部次凹逐漸消失，從圖7中可直觀的發(fā)現(xiàn)次凹的深度、起伏及圈閉情況。

圖7 反射層底面構(gòu)造Fig.7 Underside structural map of reflector

2.3 利用地震剖面建立層序地層

基于高分辨率層序地層學(xué)理論[6]，陳建立、侯艷萍等在泌陽凹陷天然堿礦勘查和石油勘查時(shí)利用賦礦層位核桃園組的野外剖面、鉆井、測井所反應(yīng)的層序界面特征進(jìn)行高分辨率層序地層劃分與對比，從而建立相關(guān)的沉積—層序地層模式[7]。本文主要闡述地震剖面確立層序界面從而建立層序地層。

2.3.1 地震剖面中的層序界面特征

泌陽凹陷在核一段—核三上段地層中可見到上超、下超、頂超和削截等反射特征(圖8)。這些反射特征是長期或中期層序界面的識別標(biāo)志。在地震剖面上，高連續(xù)反射特征或下超面[7]是最大洪泛面特征。

圖8 地震剖面層序界面識別標(biāo)志Fig.8 Identification marking of Sequence stratigraphic interfaces in the seismic section

2.3.2 建立井震統(tǒng)一的層序地層

(1)首先選取巖芯、錄井和測井資料齊全的重點(diǎn)鉆井，在單井剖面中識別可供區(qū)域性等時(shí)對比的長期基準(zhǔn)面旋回和最大湖泛面作為層序界面。

(2)制作合成地震記錄，對地震剖面進(jìn)行層位標(biāo)定，在地震剖面上對標(biāo)定的層位進(jìn)行橫向追蹤，以地震資料的橫向連續(xù)性作為約束條件，通過井震結(jié)合的手段對單井和地震剖面進(jìn)行相互標(biāo)定，建立井震統(tǒng)一的長期基準(zhǔn)面旋回層序地層格架(圖9)。

圖9 泌陽凹陷核二—核三段泌216-69-112-365-267井地震層序剖面Fig.9 Seismic stratigraphic sequence profile of Bi216-69-112-365-267 drilling in the He-2 sequence-He-3 sequence of Biyang Depression

3 地層切片確定含堿區(qū)域

3.1 地層切片的應(yīng)用依據(jù)

3.1.1 地層切片原理

地層切片是指從沉積界面(地質(zhì)時(shí)代界面)上所提取的地震振幅，能表示整個(gè)地震探區(qū)中某沉積體系的總體特征的地震界面(Stratal Slice，Zeng，1994)。它采用線性內(nèi)插提取基準(zhǔn)同相軸間的地震振幅數(shù)據(jù)(或其他屬性)的方法，用以減少由于橫向上沉積速率不同以及厚度變化帶來的影響。泌陽凹陷沉積地層基本呈近水平層狀展布，地層切片技術(shù)易于獲取振幅型或結(jié)構(gòu)異常型沉積體系，識別和追蹤盆底扇、嵌入厚層頁巖的河道、天然堤體系、硅質(zhì)碎屑巖系內(nèi)的薄灰?guī)r層等處的等時(shí)地震異常。

3.1.2 地質(zhì)依據(jù)

泌陽凹陷沉積主體各個(gè)地層界面的地震剖面所擁有的資料品質(zhì)好、信噪比高、波組特征清晰、斷層少，因此非常適合開展地震沉積學(xué)研究。通過對地震屬性的解釋來獲得沉積地層演化的動(dòng)態(tài)過程，尤其是對滑塌濁積扇砂體的時(shí)空分布特征進(jìn)行描述，有效地提供沉積地層的形成過程和幾何形態(tài)的信息。

3.2 地層切片的制作

3.2.1 使用的地層切片軟件

使用美國ReconTM軟件，按照電測井?dāng)?shù)據(jù)在地震波旅行時(shí)間域和相對地質(zhì)時(shí)間域?qū)Χ鄠€(gè)地震切片進(jìn)行復(fù)原、提煉。根據(jù)地震沉積學(xué)的原理，在頂?shù)捉缑骈g按厚度等比例內(nèi)插出各層位，并逐一生成切片。

3.2.2 巖性反應(yīng)特征

根據(jù)地震剖面反射同相軸代表的巖性，進(jìn)行沉積微相的解釋。

(1)剖面選取。通過對泥頁巖—白云巖剖面的分析可知，泌100沉積環(huán)境穩(wěn)定，白云巖較為發(fā)育，SQ1—SQ3上部地層適合作為參考層進(jìn)行合成地震記錄標(biāo)定。

(2)巖性特征。地震剖面中正的振幅值表示泥頁巖，強(qiáng)的負(fù)振幅區(qū)代表白云巖。與之相對應(yīng)，在地層切片中正的振幅值解釋為泥頁巖，強(qiáng)的負(fù)振幅區(qū)解釋成白云巖。

4 結(jié)論

(1)通過三維地震解譯，制作了泌陽凹陷主體沉積層的底面構(gòu)造圖，得出了泌陽凹陷中的次級凹陷安棚次凹分布面積約20 km2，發(fā)育于核桃園組，至廖莊組逐漸消失，安店次凹僅發(fā)育于核一段、核二段，分布面積約6 km2。

(2)通過對核桃園組自SQ1至SQ4地層切片，關(guān)鍵井巖芯序列特征和巖性標(biāo)定工作，確定地震反射同相軸代表的巖性進(jìn)行沉積微相的解釋，圈定不同沉積地層包括含堿巖系分布范圍，指導(dǎo)了泌陽凹陷沉積礦產(chǎn)特別是天然堿礦的勘查部署。