川西北地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組凝灰?guī)r分布地震預(yù)測

徐敏，臧殿光，江娜，徐寶亮，鄭虹，龔立，楊晉蓉

中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探研究院，四川 成都 610213

隨著川西北地區(qū)天然氣勘探的不斷深入，勘探地層逐漸由中淺層擴展到深層。2018年12月16日，中石油在四川盆地西南地區(qū)龍泉山構(gòu)造鉆探的永探1井首次在二疊系鉆遇火山碎屑熔巖，測試日產(chǎn)氣量22.5×104m3，使二疊系火山巖研究得到越來越多的關(guān)注和重視?；鹕綆r是火山噴出地表后冷凝而成的巖石，分布規(guī)律極其復(fù)雜[1，2]。以往資料顯示，專家學(xué)者對四川盆地吳家坪組做了大量的研究工作，認(rèn)為吳家坪組在川北地區(qū)為海陸相沉積的碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖沉積，巖性主要為生物灰?guī)r、生屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、燧石層、白云質(zhì)硅巖、硅質(zhì)頁巖、泥頁巖灰層等[3]。但是，近期通過對川西北地區(qū)大量的老井進行復(fù)查發(fā)現(xiàn)，多口井在上二疊統(tǒng)吳家坪組存在大量凝灰?guī)r，與前期研究有明顯差異。目前，川西北雙魚石地區(qū)的ST101井在吳家坪組鉆遇了52m的凝灰?guī)r，平均孔隙度為4.3%，通過對其測試獲得工業(yè)氣流2.9×104m3/d，揭示了凝灰?guī)r在四川盆地的產(chǎn)氣能力及勘探潛力。

結(jié)合前人地質(zhì)、測井、地震資料的研究成果，筆者針對川西北地區(qū)雙魚石構(gòu)造、劍閣區(qū)塊及九龍山構(gòu)造鉆遇凝灰?guī)r的井，開展了精細(xì)的井震標(biāo)定，采用模型正演分析技術(shù)研究其地震響應(yīng)特征，利用波阻抗反演技術(shù)，刻畫出了凝灰?guī)r的平面分布規(guī)律，為下一步勘探目標(biāo)的確定提供了有利依據(jù)。

1 研究區(qū)位置

研究區(qū)位于四川省西北部的廣元市青川縣、劍閣縣和江油市境內(nèi)(見圖1)。區(qū)域構(gòu)造位置處于四川盆地西北角，跨龍門山-米倉山臺緣凹陷南緣及川北古中凹陷低緩構(gòu)造區(qū)九龍山至中壩構(gòu)造群；西部為雙魚石構(gòu)造，東部為河灣場構(gòu)造，中部為劍閣區(qū)塊，南部為元壩地區(qū)，東南鄰九龍山構(gòu)造，北部為米倉山隆起南緣山前斷褶帶構(gòu)造。整個研究區(qū)構(gòu)造幅度低，雙魚石構(gòu)造目的層多發(fā)育小斷壘構(gòu)造，中部劍閣區(qū)塊至南部元壩地區(qū)構(gòu)造平緩，地震資料整體上品質(zhì)較好，信噪比高。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of the study area

2 吳家坪組地質(zhì)特征

2.1 構(gòu)造演化特征

川西北地區(qū)吳家坪組構(gòu)造演化較為簡單，主要經(jīng)歷了2次構(gòu)造運動，即中、上二疊統(tǒng)之間的東吳運動以及峨眉地裂運動。中二疊世東吳運動導(dǎo)致四川盆地整體處于拉張背景，盆地內(nèi)火山活動強烈，局部區(qū)域地幔柱上拱導(dǎo)致地層差異升降，火山運動為大型古裂陷的形成提供了構(gòu)造背景。受地殼均衡作用影響，四川盆地局部周緣發(fā)生臺槽-臺塊大型的拉張分異，也致使川西北部廣元地區(qū)茅口組發(fā)育為近EW向的深水硅-泥質(zhì)臺槽與淺水碳酸鹽臺塊，該構(gòu)造背景促使臺緣帶發(fā)育大量的高能礁灘體[4，5]，也形成了四川盆地特殊的優(yōu)質(zhì)氣藏。羅志立于1981年提出峨眉地裂運動，它代表了晚古生代上揚子地臺西南部地區(qū)一次強烈的拉張運動。峨眉地裂運動到晚二疊世最為活躍，整個四川盆地呈區(qū)域性隆升，盆地西南緣的裂谷帶發(fā)生大規(guī)模巖漿噴溢，產(chǎn)生了大量NS向或NE向分布的張性斷裂，稱作峨眉山玄武巖噴發(fā)事件。峨眉地裂運動在一定程度上控制了四川盆地整個中-上二疊統(tǒng)古地理格局[6]。從地理位置上看，川西北地區(qū)距離峨眉山玄武巖噴發(fā)中心約350km，峨眉地裂運動為川西北地區(qū)凝灰?guī)r的沉積提供了背景，且吳家坪組的構(gòu)造演化也主要發(fā)生在中、上二疊統(tǒng)，由于峨眉山玄武巖的噴發(fā)，吳家坪期在川西南地區(qū)沉積了大量的火山巖，而川西北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的凝灰?guī)r，推測為峨眉地裂運動玄武巖噴發(fā)飄過來的火山灰沉積。

2.2 地層特征

吳家坪組下伏地層為中二疊統(tǒng)茅口組，吳家坪組上覆地層為中二疊統(tǒng)長興組。四川盆地中、上二疊統(tǒng)東吳運動時期，整個地層抬升，下伏茅口組碳酸鹽巖地層暴露并遭受剝蝕，沉積發(fā)生間斷，上、下地層間形成不整合界面。吳家坪期地層存在明顯的同期異相分布特征，致使四川盆地上表現(xiàn)為不同巖性組合[7]。在川西南地區(qū)雅安-峨眉一帶的火山巖集中地層稱為峨眉山玄武巖組；川中-川南地區(qū)的吳家坪期海陸交互相含煤地層稱為龍?zhí)督M，川北-川西北地區(qū)以碳酸鹽巖沉積伴隨深海相泥頁巖為主的地層稱為吳家坪組。吳家坪組由下向上依次發(fā)育為底部濱岸沼澤烴源層、中部淺緩坡灘相儲層、上部深緩坡硅質(zhì)灰?guī)r烴源層、封蓋層，構(gòu)成良好的生儲蓋組合[8]。

2.3 巖性特征

在川西北地區(qū)吳家坪早期，廣元-旺蒼地區(qū)沉積了一套由灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層組成的濱岸沼澤沉積，生物豐富。吳家坪中、晚期，廣元-旺蒼地區(qū)于深緩坡沉積環(huán)境中，形成了一套厚20m左右的富含硅質(zhì)條帶的泥晶灰?guī)r沉積[9-12]。從目前已鉆井的老井復(fù)查中發(fā)現(xiàn)，吳家坪組巖性主要為泥晶生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r以及凝灰?guī)r，生屑可見介殼、棘屑，介殼發(fā)育微裂縫，被方解石充填，凝灰?guī)r中有凝灰質(zhì)粉砂巖，含少量泥質(zhì)，夾生屑泥晶灰?guī)r。單層厚度在2～20m之間，吳家坪組累計地層厚度在36～254m之間。

3 凝灰?guī)r特征

3.1 地質(zhì)特征

凝灰?guī)r是一種由火山碎屑巖向正常沉積巖過渡的巖石類型，這種巖石中火山碎屑物的含量大于正常沉積物，多形成于離火山噴發(fā)中心有一定距離的地方，特別是在有水下火山活動的海湖盆地主要通過風(fēng)的搬運、水流或拍岸浪的搬運、水底滑動等多種形式與正常的火山碎屑物相摻雜，再由壓結(jié)與水化學(xué)沉淀膠結(jié)成巖。在自然界中常與正?；鹕剿樾紟r、正常沉積巖等共生，成層比較明顯，粒徑小于2mm[13，14]。四川盆地上二疊統(tǒng)吳家坪組凝灰?guī)r屬于火山陸上或海底噴發(fā)后降落形成，凝灰?guī)r分布廣泛，多呈灰綠、灰白色、紫紅色，風(fēng)化后呈葉片狀。

川西北地區(qū)吳家坪組凝灰?guī)r巖性以凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)白云巖為主(見圖2)，見骨針、浮游有孔蟲，原生孔隙和次生溶蝕孔均發(fā)育，面孔率約15%。野外剖面的凝灰?guī)r孔隙更為發(fā)育，以生屑粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔為主，大部分為風(fēng)化成因。

圖2 川西北地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組凝灰?guī)r薄片F(xiàn)ig.2 Tuff slice of Wujiaping Formation of Upper Permian in Northwest Sichuan

3.2 測井及地震響應(yīng)特征

凝灰?guī)r主要發(fā)育在吳家坪沉積早-中期，受多期次火山噴發(fā)影響，縱向上為多套凝灰?guī)r發(fā)育特征。從目前的鉆井資料分析，較厚的凝灰?guī)r發(fā)育在吳家坪組中部，物性較好的凝灰?guī)r在測井曲線上表現(xiàn)為明顯的低縱波速度、高自然伽馬特征。

在地震響應(yīng)特征上，雙魚石構(gòu)造凝灰?guī)r底界表現(xiàn)為強波峰；劍閣區(qū)塊凝灰?guī)r發(fā)育較厚，底界為復(fù)波(2個波峰)；九龍山構(gòu)造凝灰?guī)r底界為一弱峰?？傮w上看，凝灰?guī)r發(fā)育時底界均表現(xiàn)為波峰反射特征，具有隨凝灰?guī)r厚度減薄、反射能量減弱的特征。ST101井凝灰?guī)r厚度為52m，縱波速度為低值、自然伽馬為高值，合成記錄上凝灰?guī)r底界為強同相軸反射特征，內(nèi)部有弱復(fù)波反射；LG70井凝灰?guī)r厚度為85.11m，縱波速度為低值、自然伽馬為高值，合成記錄上凝灰?guī)r底界為強同相軸反射特征，內(nèi)部多一套同相軸反射，呈現(xiàn)雙同相軸特征；L16井凝灰?guī)r厚度為21m，縱波速度為低值、自然伽馬為高值，合成記錄上凝灰?guī)r底界為強同相軸反射特征(見圖3)。

圖3 川西北地區(qū)不同凝灰?guī)r厚度對應(yīng)的地震響應(yīng)特征對比Fig.3 Comparison of seismic response characteristics of tuff with different thicknesses in Northwest Sichuan

4 模型正演分析

模型正演是依據(jù)波動方程正演的原理，利用聲學(xué)波動方程進行有限差分?jǐn)?shù)值模擬的方法[15]。其總體思路是用差分代替微分，把計算區(qū)域離散化，求取計算區(qū)域每個網(wǎng)格點在不同時刻的波場值，再記錄下來。模型正演可以將地質(zhì)模型和地震響應(yīng)聯(lián)系起來，賦予地震反射特征明確的地質(zhì)含義。在一些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、巖性組合地區(qū)，地震反射波場復(fù)雜，地震響應(yīng)特征通常是多種因素的綜合響應(yīng)，給研究人員帶來了很大的困惑。采用模型正演分析技術(shù)，通過對不同巖性和巖相組合地震響應(yīng)模型的基礎(chǔ)性研究，可以減少地震預(yù)測的多解性，從而更好地指導(dǎo)和校正地震解釋和儲層預(yù)測結(jié)果。

為了驗證研究區(qū)凝灰?guī)r的發(fā)育特征，筆者開展了模型正演分析。通常提到的模型正演為數(shù)值模擬的模型正演，地震勘探中常采用的模擬方法為波動方程數(shù)值解法和射線追蹤法。波動方程數(shù)值解法合成的地震記錄是通過求解波動方程的數(shù)值解來模擬地震波場，在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中經(jīng)常使用該方法?；谏渚€原理的射線追蹤法主要反映地震波的運動學(xué)特征，是在合成記錄時用地震子波和界面或地質(zhì)體的反射系數(shù)進行反褶積運算，其優(yōu)點為概念明確，顯示直觀，運算方便，適應(yīng)性強。研究區(qū)凝灰?guī)r段的厚度大于20m，波阻抗差相對于圍巖比較大，凝灰?guī)r底界在合成記錄上具有明顯的反射特征，地質(zhì)構(gòu)造相對比較簡單，因此該次研究采用射線追蹤法進行模擬。

依據(jù)實際測井資料結(jié)果，凝灰?guī)r速度相對于圍巖(灰?guī)r)為低速特征，速度3800～4200m/s，取模型參數(shù)為：凝灰?guī)r平均速度4000m/s，密度2.68g/cm3；圍巖速度6000m/s，密度2.7g/cm3。模型正演結(jié)果表明，當(dāng)吳家坪組凝灰?guī)r不發(fā)育或厚度較薄時，出現(xiàn)弱峰反射；隨著吳家坪組凝灰?guī)r厚度的增加，波峰反射增強；當(dāng)凝灰?guī)r厚度超過50m時，出現(xiàn)復(fù)波；隨著凝灰?guī)r厚度的繼續(xù)增加，復(fù)波變?yōu)殡p峰反射(見圖4)。

圖4 川西北地區(qū)凝灰?guī)r發(fā)育地質(zhì)模型(a)及模型正演結(jié)果(b)Fig.4 Geological model of tuff development(a)and model forward result(b)in Northwest Sichuan

5 凝灰?guī)r分布預(yù)測

為定量預(yù)測凝灰?guī)r的分布特征，開展了基于模型正演的地震反演研究，該次反演利用波阻抗反演技術(shù)。根據(jù)模型正演分析結(jié)果，地震數(shù)據(jù)同相軸強弱變化可以反映地層巖性厚度的變化，地震資料可以間接表達(dá)地下地層的地質(zhì)特征，但是如果需要定量預(yù)測厚薄變化，則需要地震反演技術(shù)將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成波阻抗數(shù)據(jù)。由于波阻抗與地下巖石的密度、速度等信息緊密相關(guān)，將地震、地質(zhì)、測井資料聯(lián)合反演，求取反映地下介質(zhì)的巖性、物性信息，可以有效預(yù)測凝灰?guī)r在研究區(qū)的縱向及橫向分布規(guī)律。

研究區(qū)凝灰?guī)r在測井曲線上表現(xiàn)為明顯的高自然伽馬、高聲波時差、低電阻率特征。凝灰?guī)r與圍巖在縱波阻抗上有明顯差異，疊后波阻抗反演可以較好地區(qū)分凝灰?guī)r與圍巖。

從縱波阻抗反演剖面(見圖5)上可以看出，大套地層速度結(jié)構(gòu)合理，縱向分辨率較高，井與井旁道相似性較好，凝灰?guī)r表現(xiàn)為相對低波阻抗(黃紅色條帶)。該反演結(jié)果與時間偏移剖面上凝灰?guī)r的反射特征對應(yīng)性較好(見圖6)，在凝灰?guī)r厚度較薄的區(qū)域，地震反射能量減弱；在凝灰?guī)r厚度較厚的區(qū)域，地震反射能量增強，說明波阻抗反演結(jié)果可靠。

圖5 過ST101井縱波阻抗反演剖面Fig.5 P-wave impedance inversion section through well ST101

圖6 過ST101井時間偏移剖面Fig 6 Migration section through well ST101

從川西北地區(qū)凝灰?guī)r厚度分布圖(見圖7)上看，研究區(qū)北部凝灰?guī)r發(fā)育較好，局部厚度達(dá)到50m以上，雙魚石構(gòu)造-劍閣區(qū)塊(沿ST101井～LG70井一線)凝灰?guī)r分布厚度較大(20～90m)，呈NW-SE向條帶型展布，與鉆井資料相符。

圖7 川西北地區(qū)凝灰?guī)r厚度分布圖Fig.7 Tuff thickness distribution in Northwest Sichuan

6 結(jié)論

1)川西北地區(qū)吳家坪組凝灰?guī)r主要發(fā)育在早-中期，受多期次火山噴發(fā)影響，縱向上為多套發(fā)育特征。在測井曲線上，凝灰?guī)r表現(xiàn)為明顯的高自然伽馬、低縱波速度、低電阻率特征，與圍巖有較大區(qū)別，疊后波阻抗反演技術(shù)可以很好地進行定量識別。

2)模型正演技術(shù)結(jié)果顯示：雙魚石構(gòu)造凝灰?guī)r較厚，底界表現(xiàn)為強波峰；劍閣區(qū)塊凝灰?guī)r厚，底界為復(fù)波(2個波峰)；九龍山構(gòu)造凝灰?guī)r較薄，底界為一弱峰?？傮w上看，凝灰?guī)r發(fā)育時底界均表現(xiàn)為波峰反射特征，具有隨凝灰?guī)r厚度減薄、反射能量減弱的特征。

3)川西北地區(qū)雙魚石構(gòu)造-劍閣區(qū)塊凝灰?guī)r分布厚度較大(20～90m)，呈北西-南東向條帶狀分布，其他區(qū)塊呈零星散狀分布。

4)該次研究首次對川西北地區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組凝灰?guī)r的分布規(guī)律進行了研究，為四川盆地火山巖氣藏的勘探展示了全新的后備領(lǐng)域。