川東石炭系特殊地震反射成因及勘探前景

魯建隆, 王長城

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室(成都理工大學(xué)), 成都 610059)

四川盆地石炭系自20世紀(jì)70年代在相國寺構(gòu)造發(fā)現(xiàn)第一口氣井以來，至今已勘探開發(fā)50余年。早期勘探主要是根據(jù)地震構(gòu)造研究成果，以背斜圈閉為目標(biāo)進(jìn)行的。自1995年以來，以地層-構(gòu)造復(fù)合圈閉為勘探對象，發(fā)現(xiàn)了一批高產(chǎn)油氣藏，如五百梯、龍門場、門西等氣藏[1-3]。無論是早期構(gòu)造圈閉的勘探，還是晚期地層-構(gòu)造復(fù)合圈閉的勘探，所鉆遇石炭系儲層均為常規(guī)裂縫-孔隙型儲層[4-7]。隨著勘探開發(fā)的深入，進(jìn)一步尋找石炭系地層-構(gòu)造復(fù)合油氣藏的難度日漸增大，在新的理論、方法指導(dǎo)下尋找新的油氣藏類型成為石炭系勘探開發(fā)亟需解決的問題。近年來，鄒才能等[8]從源巖、儲層等方面分析了石炭系大型巖性地層氣藏形成條件，并指出了勘探方向；李偉等[2]從天然氣成藏角度對石炭系潛在有利圈閉類型進(jìn)行了分析，提出構(gòu)造-地層圈閉為增產(chǎn)主要目標(biāo)，但巖性圈閉依然具備潛力，有望成為研究區(qū)未來的勘探目標(biāo)；董才源等[9]通過對實際氣藏參數(shù)的解剖，認(rèn)為向斜懸掛式氣藏可能是川東石炭系下一步勘探的最為有利氣藏類型，向斜低緩微隆型和向斜地層巖性型也是川東石炭系勘探的潛力類型。

筆者在對川東石炭系研究過程中，發(fā)現(xiàn)兩類特殊的地震反射現(xiàn)象，根據(jù)構(gòu)造沉積背景及特殊反射形態(tài)特征，初步判斷是因巖溶作用形成的優(yōu)質(zhì)儲層響應(yīng)，可能形成巖性圈閉或構(gòu)造-巖性圈閉；且該特殊地震反射目前無鉆井鉆達(dá)，對該特殊地震反射的地質(zhì)模型、形成機(jī)制及勘探前景研究均有實際意義。現(xiàn)今對于川東地區(qū)碳酸鹽巖的研究已經(jīng)較為深入[10-13]，如針對石炭系特殊地震反射的研究有所進(jìn)展，將有力提高川東地區(qū)后續(xù)的開發(fā)效率。

1 研究區(qū)概況

出現(xiàn)特殊地震反射現(xiàn)象的區(qū)域位于川東褶皺帶萬州復(fù)向斜，東鄰大池干構(gòu)造，西鄰黃泥堂構(gòu)造，為兩構(gòu)造之間夾持的向斜區(qū)[14](圖1)。四川盆地發(fā)育多套海相碳酸鹽巖和陸相碎屑巖生儲蓋組合，石炭系為四川盆地的傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)層。石炭系主要發(fā)育上統(tǒng)黃龍組碳酸鹽巖沉積，上覆地層為二疊系梁山組泥頁巖與棲霞組灰?guī)r，下伏地層為志留系韓家店組泥巖夾粉砂巖[15](圖2)。黃龍組在川東地區(qū)厚度為0～90 m，沉積相帶為塞卜哈、有障壁海岸、海灣陸棚等[3,16-17]；儲層巖石類型中最重要的是孔隙性溶蝕角礫白云巖、孔隙性顆粒白云巖及晶粒白云巖[16-18]；儲集空間類型以粒(或礫)間溶孔、晶間溶孔為主，次為粒(或礫)內(nèi)溶孔、晶間孔、晶內(nèi)溶孔、生物骨架體腔孔等；儲層類型主要為裂縫-孔隙型[15-16,19]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Geographical location of the research region(據(jù)陳浩如[14]修改)

圖2 四川盆地地層與構(gòu)造運(yùn)動簡圖Fig.2 Histogram showing stratigraphy and tectonic movements in Sichuan Basin(據(jù)李洪奎[15])

四川盆地受到多期構(gòu)造運(yùn)動影響。普遍認(rèn)為四川盆地沉積構(gòu)造具備不均一性，川中地區(qū)相比于川西、川東地區(qū)差異極大，魏國齊等[20-21]對四川盆地構(gòu)造特征與油氣的研究指出，石炭系向斜區(qū)域的巖溶白云巖儲層源儲配置良好，具備形成大氣田的潛力。

2 特殊地震反射的形態(tài)與成因模式

2.1 形態(tài)

研究區(qū)特殊地震反射主要表現(xiàn)為同相軸的中斷或下拉，同時其上、下部同相軸會出現(xiàn)相應(yīng)的振幅增強(qiáng)或減弱(圖3-A)，其平面分布呈條帶狀、團(tuán)塊狀、星點(diǎn)狀，在研究區(qū)西南部的分布面積約為97.02 km2(圖3-B)，在研究區(qū)周邊的大貓坪和高峰場構(gòu)造亦發(fā)現(xiàn)有該類特殊反射。該類特殊反射如果單純是斷層成因，則僅會在斷點(diǎn)附近出現(xiàn)振幅明顯變化的現(xiàn)象，且會迅速減弱，斷點(diǎn)表現(xiàn)為振幅減半的特征；而該特殊反射整體振幅增強(qiáng)的特征保持不變，結(jié)合其平面分布特征，判斷其并非斷層成因。

圖3 涪陵地區(qū)石炭系特殊地震反射特征Fig.3 Special seismic reflection characteristics of Carboniferous stratum in Fuling area

2.2 成因模式

川東石炭系頂面是一個不整合面，晚古生代屬川鄂內(nèi)部克拉通盆地西部主體[22]，晚石炭世中晚期在云南運(yùn)動中由于穩(wěn)定的整體構(gòu)造抬升而發(fā)生廣泛的暴露，石炭系碳酸鹽巖地層持續(xù)暴露時間長達(dá)15～20 Ma。暴露層序不整合界面上的沉積物性質(zhì)有所差異，上揚(yáng)子克拉通盆地內(nèi)這種成因類型界面的特征是發(fā)生暴露溶蝕和弱沖刷充填[23]。川東石炭系溶蝕洞穴的存在是經(jīng)過多口鉆井驗證的：如峰8井溶洞被上覆梁山組泥質(zhì)所充填，形成水成巖墻；池37井水成巖墻幾乎從上到下貫穿整個石炭系[24-25]；另外，池7、池34井的明顯井漏現(xiàn)象也證實地下發(fā)育有未被充填的縫、洞。從N.P.James等[26]對巖溶研究情況來看，按古地勢從高到低形成古水文區(qū)域分帶，即補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)、排泄區(qū)，不同區(qū)的巖溶發(fā)育強(qiáng)度不同。鄭榮才等[27]、文華國等[28]將川東石炭系劃分為巖溶高地、巖溶斜坡以及巖溶盆地，在各分區(qū)單元內(nèi)發(fā)育不同的巖溶類型，這種劃分與N.P.James等人的劃分方案總體基本相同，但對各分區(qū)單元的巖溶類型進(jìn)行了細(xì)化。

以上研究表明，石炭系頂面的暴露及其內(nèi)部的巖溶是存在的，在暴露過程中必然會形成一系列的巖溶產(chǎn)物，可以用巖溶作用的模型解釋石炭系特殊反射的存在。

3 特殊地震反射的正演模擬及地質(zhì)模型

地震波場正演模擬通過假設(shè)地下地質(zhì)體情況為已知，包括地下介質(zhì)的密度、地震波速度及地質(zhì)體的空間分布，應(yīng)用地震波運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)的基本原理，可以給出其地質(zhì)模型的地震響應(yīng)[29]，尤其在復(fù)雜儲層的勘探中有較好的效果[30-32]。筆者根據(jù)特殊反射的剖面和平面特征，結(jié)合巖溶單元發(fā)育的理論及石炭系厚度，建立不同類型的地質(zhì)模型，通過正演剖面與實際剖面比較，對模型進(jìn)行微調(diào)，反復(fù)迭代此過程，最后模擬出與實際剖面近似的正演剖面，同時得到可靠的地質(zhì)模型。

3.1 條帶狀特殊反射

此類特殊反射同相軸有一定程度的下拉，其上部伴隨著波谷反射。該波谷的振幅相比正常反射明顯增強(qiáng)，平面上呈條帶狀分布，沿著該條帶方向振幅強(qiáng)弱不均(圖4-A)，平面上呈條帶狀分布(圖4-B)。正演模型設(shè)計如下：上部為棲霞組灰?guī)r，地震波速度為6 km/s；下部為梁山組泥巖，地震波速度為4.6 km/s；再下部的黃龍組白云巖中地震波速度為6.3 km/s，黃龍組內(nèi)部有低速體存在；最底部為志留系頁巖，地震波速度為4.8 km/s；志留系頁巖內(nèi)部夾有薄層的粉砂巖，地震波速度為5.25 km/s。模型的厚度和速度均取自工區(qū)及周邊鉆井的統(tǒng)計結(jié)果，其密度均根據(jù)加德納公式計算得到。正演模擬采用本區(qū)實際地震資料提取的子波，以確保正演模擬的結(jié)果與實際地震資料具有可對比性。正演模擬結(jié)果顯示，特殊反射處的地質(zhì)體在厚度為10～15 m、地震波速度為4.6 km/s左右時才能正演出與實際地震剖面相類似的結(jié)果(圖5)。

圖4 條帶狀特殊反射剖面及平面振幅特征Fig.4 Striped abnormal reflection profile and plane amplitude characteristics

圖5 條帶狀特殊反射地質(zhì)模型和正演模擬剖面Fig.5 Geological model of striped abnormal reflection and forward modeling section

正演模擬結(jié)果顯示，條帶狀特殊反射為石炭系內(nèi)部發(fā)育低速體所致，且在平面上呈線狀分布特征，為古巖溶高地向巖溶洼地方向延伸的河谷狀地形，由于地勢差異，流水具有側(cè)向侵蝕和下蝕作用，侵蝕和下蝕作用強(qiáng)度的不同及后期充填情況的不同導(dǎo)致地震反射特征有一定的差異。

3.2 團(tuán)塊狀特殊反射

此類特殊反射同相軸明顯下拉，下部反射振幅減弱，同時其上部對應(yīng)的波谷振幅增強(qiáng)，構(gòu)成了強(qiáng)谷與強(qiáng)峰組合的波形特征(圖6-A)，平面上呈團(tuán)塊狀分布(圖6-B)。正演模型設(shè)計如下：石炭系內(nèi)部有較厚的低速體發(fā)育，且后期受到小斷層改造，低速體厚度為26 m，地震波速度為4.6 km/s，其他層的速度取值不變。

圖6 團(tuán)塊狀特殊反射剖面及平面振幅特征Fig.6 Blocky abnormal reflection profile and plane amplitude characteristics

從地震剖面觀察，該類特殊反射顯示出極強(qiáng)波谷向下伴隨著極強(qiáng)波峰的右斜對稱波形特征，根據(jù)M.B.Widess[33]的薄層厚度與波形、振幅關(guān)系原理，該類反射的形成存在兩個反射界面，為高速層夾低速層且低速層的厚度≤波長的地層結(jié)構(gòu)，地層頂?shù)酌娣瓷湎喔莎B加，形成強(qiáng)振幅。該處時差為12 ms，依據(jù)M.B.Widess薄層厚度與波形、振幅關(guān)系原理，夾層的時間厚度最大為波谷至波峰時差的1/2，據(jù)此計算低速度層的厚度約為27.6 m，與正演模擬結(jié)果26 m接近。團(tuán)塊狀特殊反射的形成可能還受到早期小型斷層的影響，因為低速體之下還有一層石炭系的高速層，如無該高速層則無法正演出與實際剖面相同的結(jié)果(圖7)。

圖7 團(tuán)塊狀特殊反射地質(zhì)模型和正演模擬剖面Fig.7 Geological model of blocky abnormal reflection and forward modeling section

結(jié)合正演模擬及地震剖面結(jié)構(gòu)薄層分析，團(tuán)塊狀特殊反射內(nèi)部發(fā)育一套厚約 26 m的低速層。從石炭系的巖性特征來看，在石炭系內(nèi)部具有如此低速度的地質(zhì)體只能是通過巖溶作用形成，地質(zhì)解釋為發(fā)育在巖溶斜坡的溶蝕洼地或溶洞，但該洼地或溶洞有可能后期被泥質(zhì)充填，因為從周邊鉆井速度分析，泥質(zhì)充填后，溶洞速度變化并不明顯。

4 勘探前景

石炭系作為川東的區(qū)域性產(chǎn)層，其烴源巖、區(qū)域性蓋層、運(yùn)移條件均較好，因此，上述特殊反射成藏的關(guān)鍵是能否提供良好的儲層和側(cè)向遮擋條件。

4.1 儲層條件

前述研究明確了兩類特殊反射均反映巖溶斜坡上發(fā)育的低速層，地震波速度最低可達(dá)到4.6 km/s。從周邊石炭系鉆井儲層的研究成果看，儲層的地震波速度主要分布在5.7 km/s以上，如高峰場為5.7～6.3 km/s(14口井)、五百梯為5.7～6.2 km/s(27口井)、大貓坪為5.85～6.25 km/s(12口井)。前人對川東石炭系儲層的研究成果也顯示其地震波速度較高，如沙罐坪17口井統(tǒng)計儲層的地震波速度為5.72～6.3 km/s[34]、沙坪場構(gòu)造含氣儲層的地震波速度較圍巖降低400～500 m/s[35]。就目前儲層發(fā)育情況來看，以上含氣儲層均為孔隙型儲層，地震波速度降低500 m/s左右。但也并非沒有低速儲層，如雷音鋪的雷15井，有18 m氣層，地震波速度平均為4.388 km/s，平均測井解釋孔隙度為9.2%，最大孔隙度接近20%，獲天然氣44.33×104m3/d[36]；另外，實鉆井也鉆遇速度較低的溶洞儲層，峰8井被充填溶洞的地震波速度降低800 m/s，說明川東還是存在較低速度的儲層。通過以上探討我們認(rèn)為：這兩類特殊反射中的低速層有可能為較好的儲層，當(dāng)然也有可能被梁山組泥質(zhì)充填而成為非儲層。

4.2 側(cè)向遮擋條件

石炭系白云巖裂縫、孔隙比較發(fā)育，具有一定厚度的白云巖(>10 m)大部分可成為滲透性儲層。這兩類特殊反射側(cè)向上與石炭系白云巖直接接觸，其側(cè)向封堵條件有可能不可靠。在以下兩種情況下可以形成側(cè)向封堵:①側(cè)向或上傾方向石炭系厚度<10 m，此時多為黃龍組第一段孔、滲極低的去云化灰?guī)r及石膏巖(厚2～10 m)；另外，鉆井巖心證實石炭系頂部孔縫被梁山組泥質(zhì)充填的非滲透層有2～5 m，二者厚度相加正好在10 m左右，故殘厚<10 m可視為儲層尖滅線或遮擋邊界[3,19,37]。②側(cè)向或上傾方向發(fā)育有石炭系的成巖致密帶作為遮擋，這種遮擋類型的存在已在川東明月峽構(gòu)造被鉆井證實[38]。在這兩種情況下是可以形成巖性圈閉或巖性-構(gòu)造圈閉的。

5 結(jié) 論

a.兩類地震特殊反射均為巖溶作用形成的低速層所導(dǎo)致，為發(fā)育在巖溶斜坡上的溶溝或溶洞，從已知鉆井速度分析，該低速層可能是半充填或未充填的巖溶型儲層，也可能完全被梁山組泥質(zhì)充填而成為非儲層。

b.兩類地震特殊反射在有側(cè)向封堵并同時與構(gòu)造條件匹配時可形成巖性圈閉或巖性-構(gòu)造圈閉。在兩種條件下可以形成側(cè)向的封堵：①側(cè)向或上傾方向石炭系厚度<10 m即為非儲層，可作為遮擋；②側(cè)向或上傾方向發(fā)育有石炭系的成巖致密帶作為遮擋。

c.由于鉆井資料的限制，本次研究僅能確定低速層(地震波速度在4.6 km/s左右)的存在。雖然周邊鉆井證實石炭系中發(fā)育有地震波速度<4.6 km/s的儲層，但由于針對特殊反射的實鉆資料缺乏，很難確認(rèn)低速層為高孔隙度的儲層抑或是泥質(zhì)充填物，需要開展進(jìn)一步研究。

d.特殊反射作為石炭系一種新興的現(xiàn)象是值得進(jìn)一步鉆探的，雖然存在一定的風(fēng)險，但其具有形成優(yōu)質(zhì)儲層和有效圈閉的可能，如果該類特殊反射鉆探成功，必將為石炭系提供新的勘探方向。初期可結(jié)合長興組、飛仙關(guān)組或嘉陵江組復(fù)合有利區(qū)帶對其進(jìn)行鉆探。