基于波動(dòng)方程正演對(duì)九龍山地區(qū)茅口組地震響應(yīng)特征識(shí)別研究

聞星宇，袁炳強(qiáng)，徐寶亮，張志誠，羅 強(qiáng)

(1.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000；2.東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北涿州 072750；3.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065)

0 引言

九龍山區(qū)域構(gòu)造屬于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)北部邊緣的龍門山山前斷褶構(gòu)造帶、米倉山前緣斷褶帶和川北平緩構(gòu)造帶三個(gè)次級(jí)構(gòu)造帶之間的過渡區(qū)域(圖1)(鄧瑛等，2011；霍飛等，2018)。地面構(gòu)造為一大型北東向穹隆狀短軸背斜，為繼承性構(gòu)造隆起，從地表第四系至地腹震旦系均有構(gòu)造圈閉存在(鞏磊等，2012；齊中山，2018)。

前人對(duì)深部位碳酸鹽巖儲(chǔ)層的研究程度較低，已鉆遇深部位儲(chǔ)層的井較少，但多口井見到較好的油氣顯示。九龍山地區(qū)茅口組埋深大，都在5500 m以下，基質(zhì)基本無儲(chǔ)集性，儲(chǔ)集空間以裂縫、溶蝕孔洞、縫洞、小型孤立落水洞為主。波動(dòng)方程正演數(shù)值模擬最接近于實(shí)際地震波傳導(dǎo)特征，能很好地反應(yīng)地下復(fù)雜的構(gòu)造，更好地研究地下復(fù)雜介質(zhì)的規(guī)律。本次研究在九龍山三維區(qū)利用新處理連片地震資料分析茅口組縫洞體的地震響應(yīng)特征，為深化本區(qū)海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)認(rèn)識(shí)、指導(dǎo)勘探部署擴(kuò)大儲(chǔ)量范圍及提高產(chǎn)能等提供了重要的理論依據(jù)(李戰(zhàn)業(yè)等，2009；吳成，2014；薛江龍等，2016)。

1 方法原理

波動(dòng)方程正演的基本步驟是：①依據(jù)實(shí)際井參數(shù)，基于非均質(zhì)層狀技術(shù)原理在顯示界面繪制模型；②定義震源參數(shù)，首先設(shè)置放炮方式，然后定義炮數(shù)、炮間距和要計(jì)算的炮數(shù)，接著定義檢波點(diǎn)排列參數(shù)，確定采樣間隔、采樣點(diǎn)、初始條件(趙虎等，2011；盧浩等，2018)；③建立波動(dòng)方程，可以是聲波、彈性波或粘彈性波，細(xì)節(jié)設(shè)置直接影響部分輸出結(jié)果，包括是否使用高階算法、網(wǎng)格化參數(shù)、邊界條件；④對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行求解(李青陽等，2019；Jia et al.，2005；李萬萬，2008)。

圖1 九龍山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of the Jiulongshan area1-地點(diǎn)及地名；2-井位及井名；3-褶皺皺跡；4-地面構(gòu)造；5-礦區(qū)邊界1-place and name；2-well location and name；3-fold trace；4-surface structure；5-mining area boundary

彈性介質(zhì)波動(dòng)方程：

(1)

其中，λ、μ為拉梅常數(shù)；ρ為密度，單位：kg/m3；為拉普拉斯算子；f為震源項(xiàng)；P為應(yīng)力，單位：MPa；t為時(shí)間，單位：s。

彈性波動(dòng)方程模型包含了轉(zhuǎn)換波和橫波效應(yīng)(汪勇等，2019)。它不僅考慮密度和縱波的分布，也要求知道對(duì)應(yīng)橫波的速度，當(dāng)入射到分界面時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射波、透射波、散射波、繞射波等，但是計(jì)算時(shí)間很長(馬德堂等，2003；陳可洋等，2009)。彈性波動(dòng)方程需要縱波、橫波、密度等，由于本文所涉及的橫波速度與密度可以根據(jù)軟件用縱波估算算出，所以只需得到縱波速度即可(曹新文等，2017；劉中憲等，2017；楊敬雅等，2019)。

綜上所述，為了更接近儲(chǔ)層的實(shí)際條件，本文以彈性波動(dòng)方程方法為主，由于褶積法計(jì)算速度快，可以以褶積法為輔互相對(duì)比參考開展下二疊統(tǒng)茅口組儲(chǔ)層正演模擬，最大程度地發(fā)揮軟件和各方法模型的功能和優(yōu)勢(陳宗清，2009；黃東等，2011；羅靜等，2013)。

2 測井響應(yīng)特征

茅口組儲(chǔ)集空間以晶間孔、晶間溶孔及微裂縫為主，屬于裂縫-孔洞型儲(chǔ)層(馮明友等，2015;張本健等，2019)。儲(chǔ)層巖石類型主要以亮晶生屑灰?guī)r為主，夾薄層白云巖；從Y3與Y1井可見茅口組儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為相對(duì)低速、低伽馬(圖2)。

九龍山地區(qū)茅口組地層厚度變化大，從鉆穿茅口組鉆井?dāng)?shù)據(jù)來看，其厚度變化在110～185 m，橫向變化明顯，尤其在茅二段地層，由東北向西南方向地層剝蝕強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)(圖3)(胡明毅等，2012；舒曉輝，2012；李延鈞等，2013)。茅口組儲(chǔ)層主要發(fā)育在茅二段頂部，儲(chǔ)層厚度沿南西北東向減薄，且整體儲(chǔ)層厚度較小。

圖3 九龍山地區(qū)茅口組茅二段地層劃分與對(duì)比圖Fig.3 Stratigraphic division and comparison of the second member of the Maokou Formation in Jiulongshan area

3 地震響應(yīng)特征

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性很大程度上取決于對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析。本次研究以川西北氣礦提供的九龍山地區(qū)最新的鉆、測井資料為依據(jù)，利用高密度樣點(diǎn)采樣統(tǒng)計(jì)方法，確定了Y1、Y2、Y4、Y3、Y5井和Y6井各目的層段的地層厚度(表1)、儲(chǔ)層厚度(表2)和地層平均速度(表3)，為本次下二疊統(tǒng)儲(chǔ)層正演提供了數(shù)學(xué)建模的理論參數(shù)。從鉆井資料來看，目前，下二疊統(tǒng)茅口組完鉆程度高，而僅有Y5井和Y6井鉆穿棲霞組，因而在建立儲(chǔ)層地球物理響應(yīng)特征時(shí)，可供茅口組儲(chǔ)層正演結(jié)果參考驗(yàn)證的過井地震剖面較多(剖面見后文)，更具一般性。

表1 單井各目的層段地層厚度統(tǒng)計(jì)一覽表

3.2 茅口組地質(zhì)模型及正演結(jié)果

本次研究基于非均質(zhì)層狀介質(zhì)建模技術(shù)，采用波動(dòng)方程、垂直入射等地震正演模擬方法開展不同地質(zhì)模式的縫洞地震響應(yīng)特征分析，建立了孤立溶洞和縫洞系統(tǒng)2種茅口組儲(chǔ)層地震響應(yīng)模式(李世中等，2018)(圖4)。

圖4 茅口組儲(chǔ)層地質(zhì)模型Fig.4 Geological model of the reservoir of Maokou Formation

3.2.1 孤立溶洞

從常規(guī)地震剖面上可以看出茅口組頂端振幅減弱、同相軸向上凸起斷續(xù)的特點(diǎn)，首先我們從地貌入手考慮是否為喀斯特地貌與古潛山的影響(圖5)。

考慮喀斯特古地貌，圖6模擬受該地形控制儲(chǔ)集體地震響應(yīng)特征。該儲(chǔ)集體在50～300 m尺寸均有振幅減弱特征，且大于150 m尺寸儲(chǔ)集體同相軸多呈鋸齒狀，與實(shí)際地震儲(chǔ)集體呈串珠狀上拉、振幅減弱特征不符。考慮古潛山古地貌(圖7)，模擬受該地形控制儲(chǔ)集體地震響應(yīng)特征。該儲(chǔ)集體受地貌影響明顯，儲(chǔ)集體底部均為弱峰反射特征，同相軸基本沿地貌尺寸、彎曲程度等特征上拱，僅在大于150 m尺寸儲(chǔ)集體處縱向上有振幅連續(xù)減弱特征，與實(shí)際地震儲(chǔ)集體呈串珠狀上拉、振幅減弱特征不符。

圖5 茅口組常規(guī)地震剖面Fig.5 Conventional seismic profile in Maokou Formation

圖6 茅口組喀斯特地貌模型及其正演結(jié)果Fig.6 Karst landform model of Maokou Formation and its forward modeling result

圖7 茅口組古潛山地貌模型及其正演結(jié)果Fig.7 Landform model of ancient buried hills in Maokou Formation and its forward modeling result

排除其他地貌，考慮孤立溶洞是否為造成地震常規(guī)剖面上響應(yīng)特征的原因?；诜蔷|(zhì)層狀介質(zhì)建模技術(shù)和實(shí)際探井參數(shù)，綜合考慮了孤立溶洞物性差異和尺度變化兩種影響，排列長度1500 m、寬600 m，縫洞尺寸為5 m×5 m、10 m×10 m、20 m×20 m，充填速度從左到右分別為6000 m/s、5500 m/s、5000 m/s，長興組速度5000 m/s、龍?zhí)督M4900 m/s、茅二段6253 m/s、茅一段5869 m/s，炮間距30 m，道間距15 m，主頻30 Hz，網(wǎng)格5 m×5 m，采樣間隔2 ms，建立了茅口組孤立溶洞地質(zhì)模型(圖8)。觀測系統(tǒng)采用中間放炮兩邊接收，采用波動(dòng)方程地震正演模擬方法和疊前時(shí)間偏移等處理流程開展孤立縫洞地震響應(yīng)特征分析。圖7結(jié)果為該模型的深度域偏移剖面，從正演結(jié)果不難看出，總體上孤立溶洞地震響應(yīng)呈同相軸上拉、振幅減弱的特征；在當(dāng)儲(chǔ)層物性發(fā)生變化而其他屬性不變時(shí)，物性差異越大，茅口組頂部的同相軸上拉和振幅減弱響應(yīng)特征越明顯；而對(duì)于不同尺度的孤立溶洞，從橫向上不難發(fā)現(xiàn)，識(shí)別10 m以上尺度溶洞的地震響應(yīng)特征較為清晰，且尺度越大，效果越明顯；在縱向上，呈串珠狀展布，且向下振幅驟變減弱直至消失(侯宇等，2019)。

圖8 茅口組孤立溶洞模型及正演結(jié)果Fig.8 Isolated karst cave model and forward modeling results of Maokou Formation

考慮孤立溶洞尺寸變化對(duì)地震響應(yīng)的影響，200 m以上尺寸儲(chǔ)集體同向軸振幅減弱，但縱向上同向軸上拉效果向上減弱至消失，與實(shí)際地震儲(chǔ)集體呈串珠狀上拉、振幅減弱特征不符(圖9)。

圖9 茅口組大尺寸孤立溶洞模型及正演結(jié)果Fig.9 Large-scale isolated karst cave model and forward modeling result of Maokou Formation

上述茅口組孤立溶洞正演模擬地震響應(yīng)特征在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，無論是常規(guī)地震剖面(圖5)，還是過探井疊前時(shí)間偏移剖面(圖10)，在儲(chǔ)層發(fā)育層段均呈現(xiàn)良好的匹配效果。因而，證實(shí)了研究區(qū)茅口組溶蝕孔洞類型是有利儲(chǔ)層發(fā)育的地震響應(yīng)模式：在溶蝕孔洞儲(chǔ)層發(fā)育層段，地震響應(yīng)特征為同相軸上拉、振幅減弱的特征。

圖10 過Y1井疊前時(shí)間偏移剖面Fig.10 Pre-stack time migration profile of Y1 well

3.2.2 縫洞系統(tǒng)

在曲率屬性平面圖顯示深色的異常溶洞與溶蝕溝特征，表現(xiàn)為一系列“圓形”異常體線性展布的特征(圖11a)。剖面上主干斷裂以“Y 字形”和雁列式展布為主，受“Y 字形”斷裂控制的圈閉，其剖面形態(tài)多為虎牙狀；受雁列式斷裂控制的圈閉，其剖面形態(tài)多為漏斗狀(圖11b、c、d)；在空間上多表現(xiàn)為條帶狀縫洞體圈閉。

圖11 九龍山地區(qū)縫洞體Fig.11 Crack-cavity in the Jiulongshan areaa-茅口組頂界曲率平面圖；b-A-A′地震剖面特征；c-L16井成像測井照片；d-B-B′ 地震剖面特征a-curvature plane of the top boundary of the Maokou Formation；b-A-A ′seismic profile characteristics；c-L16 imaging log image；d-B-B′ seismic profile characteristics

這些深大斷裂向下消失于志留-寒武系泥頁巖塑性地層，向上消失于嘉陵江組膏鹽巖地層，是連通優(yōu)質(zhì)烴源巖的有效通道。縫洞體在成像測井上表現(xiàn)為明顯的黑色條帶沿垂向和橫向展布，垂向條帶延伸較遠(yuǎn)，寬度較??；橫向條帶呈斷續(xù)狀，寬度較大；結(jié)合曲率屬性可以較好地刻畫縫洞體儲(chǔ)層發(fā)育有利區(qū)帶，茅口組曲率平面展布圖顯示出，條帶狀縫洞體與孤立溶洞同時(shí)發(fā)育。目前，九龍山地區(qū)高產(chǎn)井均鉆遇縫洞體圈閉，不同類型縫洞體氣藏產(chǎn)能差異較大，條帶狀縫洞體圈閉開發(fā)效果最好。

受加里東運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)茅口組主要發(fā)育近東西向斷層，并在二疊系得到繼承，在早二疊紀(jì)末期，盆地抬升，茅口組大面積遭受暴露溶蝕，沿?cái)嗔汛瓜蚝蛡?cè)向溶蝕，形成儲(chǔ)層(杜夕慶，2014)。因而，研究區(qū)縫洞系統(tǒng)是依托斷層發(fā)育而成。基于以上認(rèn)識(shí)，結(jié)合實(shí)際鉆井參數(shù)，建立了下二疊統(tǒng)茅口組斷裂與溶蝕孔洞伴生的縫洞系統(tǒng)地質(zhì)模型(圖12)。

采用褶積地震正演模擬方法開展縫洞系統(tǒng)地震響應(yīng)特征分析，正演模擬結(jié)果顯示，在茅口組縫洞系統(tǒng)發(fā)育層段，同相軸明顯呈扭曲斷續(xù)、下拉、錯(cuò)斷等反射特征(圖12)。這一正演結(jié)果同樣在研究區(qū)內(nèi)過井地震剖面上有較好的匹配效果(圖13)。因而，證實(shí)了研究區(qū)茅口組發(fā)育縫洞系統(tǒng)有利儲(chǔ)層的地震響應(yīng)模式：在茅口組縫洞系統(tǒng)發(fā)育層段，地震響應(yīng)特征為同相軸扭曲錯(cuò)斷、下拉的特征。

圖12 茅口組縫洞系統(tǒng)模型及正演結(jié)果Fig.12 Crack-cavity system model and forward modeling result of the Maokou Formation

圖13 過Y2井疊前時(shí)間偏移剖面Fig.13 Pre-stack time migration profile of Y2 well

4 實(shí)驗(yàn)的不足與改進(jìn)

由于軟件的限制，在正演模擬縫洞系統(tǒng)時(shí)若采用波動(dòng)方程的方法在計(jì)算速度圖，得到的是平均速度，會(huì)對(duì)斷裂的效果產(chǎn)生影響，使最終的偏移效果不好，所以在正演模擬縫洞系統(tǒng)時(shí)采用褶積地震正演模擬方法。針對(duì)正演模擬速度模擬和偏移成像問題，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化方案：

(1)根據(jù)所要模擬的地質(zhì)模型的不同特點(diǎn)，了解各個(gè)軟件優(yōu)缺點(diǎn)的差異，選取合適的軟件；

(2)針對(duì)研究區(qū)構(gòu)造的復(fù)雜程度，制作多種地質(zhì)模型并進(jìn)行分類；

(3)按照實(shí)際地震資料對(duì)觀測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，在復(fù)雜微小構(gòu)造的情況下，設(shè)置多套觀測系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比；

(4)實(shí)際模型計(jì)算時(shí)會(huì)占用大量計(jì)算資源，所以對(duì)構(gòu)造簡單地區(qū)使用褶積法，復(fù)雜構(gòu)造使用相應(yīng)的波動(dòng)方程計(jì)算，并充分發(fā)揮多核 CPU 的性能(楊尚琴，2017)；

(5)優(yōu)選出偏移方法后，根據(jù)地層傾角總結(jié)出合理的偏移孔徑與反射系數(shù)。

通過優(yōu)化改進(jìn)可以提高效率，節(jié)約成本。

5 結(jié)論

(1)茅口組儲(chǔ)集空間以晶間孔、晶間溶孔及微裂縫為主，為裂縫-孔隙型儲(chǔ)層；從Y3與Y1井茅口組儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為相對(duì)低速、低伽馬；茅口組儲(chǔ)層主要發(fā)育在茅二段頂部，儲(chǔ)層厚度沿南西北東向減薄，且整體儲(chǔ)層厚度較小。

(2)茅口組儲(chǔ)層地震識(shí)別模式分為孤立溶洞與縫洞系統(tǒng)兩種。正演結(jié)果表明茅口組孤立溶洞地震響應(yīng)特征為串珠狀上拉、振幅減弱特；茅口組縫洞系統(tǒng)儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征為茅口組頂界同相軸“扭曲斷續(xù)、下拉”的特征。