淺水三角洲薄砂層地震沉積表征技術(shù)
——以準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組為例

常少英，劉玲利，崔鈺瑤，王 鋒，宋明星，穆曉亮

（1.中國石油杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

隨著鄂爾多斯盆地延長組、松遼盆地白堊系淺水三角洲勘探開發(fā)的成功，開啟了尋找淺水三角洲薄砂層巖性油氣藏勘探的新領(lǐng)域?？碧綄嵺`證明，淺水三角洲具有較好的生儲蓋耦合關(guān)系，有利于大型油氣藏的形成，勘探前景廣闊。前積結(jié)構(gòu)如斜交型、S 型、S 型-斜交型復(fù)合、疊瓦狀等，在可容空間較大的沉積環(huán)境中能夠清晰表征向沉積中心沉積的建造特征。淺水三角洲砂體往往厚度較小，會受到其他地層沉積界面反射特征干擾而使波形混疊在一起，其前積結(jié)構(gòu)在地震剖面上難以直接識別。Zeng 等［1］將無法直接在地震剖面上識別的前積結(jié)構(gòu)稱之為隱性前積結(jié)構(gòu)。因為隱性前積結(jié)構(gòu)難以識別，淺水三角洲沉積結(jié)構(gòu)特征未能得到廣泛關(guān)注［2］。對淺水三角洲前積體系認(rèn)識不清會影響對儲層分布規(guī)律的認(rèn)識，進(jìn)而制約對該類沉積體的勘探開發(fā)。如何利用地震沉積學(xué)手段將淺水環(huán)境下三角洲沉積體系信息進(jìn)行挖掘是解決該類油氣藏精細(xì)勘探的一個重要課題。

在準(zhǔn)噶爾盆地莫索灣凸起的地震沉積學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，芳草湖地區(qū)清水河組清一段（K1q1）沉積中存在與淺水三角洲有關(guān)的隱性前積地震相。結(jié)合鄰區(qū)勘探開發(fā)成果，認(rèn)為該地區(qū)清水河組一段具有較好的勘探開發(fā)前景。利用莫索灣凸起芳草湖地區(qū)鉆井及三維地震資料，依據(jù)本區(qū)構(gòu)造沉積演化及層序特征，應(yīng)用準(zhǔn)層序組內(nèi)高低頻旋回波形分離、淺水三角洲薄砂體地層切片特征提取［3-5］、地震沉積體分頻融合等技術(shù)進(jìn)行淺水三角洲地震沉積學(xué)特征分析，并總結(jié)識別淺水三角洲沉積相模型，以期為今后淺水三角洲前積沉積體系的研究和應(yīng)用提供借鑒和依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

芳草湖地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷腹部莫索灣凸起南部，屬于“凹中凸”構(gòu)造特征，緊鄰生油凹陷，是油氣有利的聚集區(qū)，在該區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個油氣藏，如莫索灣油氣田等（圖1）。整體來看，侏羅系頭屯河組是主要油氣產(chǎn)層。然而，近年在與芳草湖地區(qū)相鄰的其他探區(qū)都發(fā)現(xiàn)了白堊系清水河組一段油氣藏，例如位于莫索灣凸起南部斜坡帶上的永6 井發(fā)現(xiàn)了工業(yè)油流，這表明芳草湖地區(qū)白堊系清水河組一段也具有油氣勘探前景。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組勘探成果綜合圖Fig.1 Exploration results of Qingshuihe Formation in Fangcaohu area，Junggar Basin

2 沉積特征

準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)在經(jīng)歷了晚侏羅世劇烈構(gòu)造活動后，在早白堊世開始穩(wěn)定沉降，湖盆范圍擴大，基準(zhǔn)面旋回的升降變化控制了沉積體系演化［6］，在清水河組一段識別出3 個地層界面：①清一段底面。在白堊系清水河組沉積早期，相當(dāng)于基準(zhǔn)面初始上升期，底部沉積了厚層低位域底礫巖層（底砂巖段），底礫巖與下伏地層呈角度不整合界面，即白堊系與侏羅系的分界面。②清水河組一段中的底礫巖段（K1q12）與上覆泥巖地層（K1q11）的分界面。莫索灣地區(qū)K1q1底部和頂部主要受北部德倫山物源體系影響，主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積。K1q1底部為底礫巖段，K1q1上部主要發(fā)育濱淺湖相泥巖沉積（K1q11）。③濱淺湖相泥巖沉積與上覆砂巖地層接觸面為第3 個地層界面，即清水河組一段與二段的分界面。

準(zhǔn)噶爾盆地腹部下白堊統(tǒng)清水河組為北高南低的單斜緩坡湖盆背景，阜康凹陷為沉降中心，圍繞沉降中心發(fā)育多級東西向展布的坡折。低位域期，受北部物源影響的辮狀河三角洲砂體經(jīng)南北向溝谷輸送至坡折帶之下形成低位扇沉積，預(yù)測面積可達(dá)1 000 km2。低位扇沉積巖性以中—細(xì)砂巖為主，牽引流成因的沉積構(gòu)造較發(fā)育，分選和磨圓較好，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較高，孔隙度大于10%，滲透率大于14 mD，孔隙類型主要為原生粒間孔，埋深接近6 000 m，發(fā)育相對優(yōu)質(zhì)儲層，儲集條件較好；低位扇砂體頂部發(fā)育初始湖侵期泥巖，側(cè)向發(fā)育河漫灘相泥巖，蓋層和側(cè)向遮擋條件較好，巖性圈閉條件優(yōu)越；另外，阜康凹陷為準(zhǔn)噶爾盆地最大的生烴凹陷，發(fā)育二疊系和侏羅系2 套烴源巖，石油資源量11.9 億t，天然氣資源量1.32 萬億m3，該地區(qū)具有較大的勘探潛力。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組連井對比剖面Fig.2 Inter-well correlation diagram of Qingshuihe Formation in Fangcaohu area，Junggar Basin

3 淺水三角洲地震沉積學(xué)分析方法

做好淺水三角洲薄層砂體的精細(xì)刻畫，需要對地震資料進(jìn)行深入分析研究。為了凸顯薄砂層的地震響應(yīng)特征，需要進(jìn)行準(zhǔn)層序內(nèi)高低頻旋回波形分離［7-8］。由于砂體厚度小，淺水三角洲前積結(jié)構(gòu)不明顯，難以識別，且薄砂層的地震反射特征往往存在干涉效應(yīng)，導(dǎo)致砂體展布形態(tài)不清，這是淺水三角洲薄砂層沉積體地震識別的另一個難點。利用地震沉積體融合技術(shù)可以更好地描述沉積體內(nèi)部的展布細(xì)節(jié)［9-10］。

從分析地層反射結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，找到了3 項關(guān)鍵技術(shù)來解決淺水三角洲薄層砂巖儲層識別難的問題。

3.1 準(zhǔn)層序內(nèi)高低頻旋回波形分離

準(zhǔn)層序是指一套以海（湖）水洪泛面或者與其可對比的界面為界、相對整合、彼此有成因聯(lián)系的地層或地層組。陸相沉積的準(zhǔn)層序是以沉積間斷或小的湖侵面為界的一套地層組［11-13］。在一個準(zhǔn)層序組內(nèi)可將其相帶分布與巖性組合視為主要由兩部分地層疊加而成，即由具有區(qū)域性的沉積低頻旋回地層以及與該類地層有成因關(guān)系的高頻旋回地層組成。以準(zhǔn)層狀地層模型為例，低頻旋回地層指較大的地層界面，而高頻旋回地層則是受較大層序界面控制的次一級地層，比如砂體。淺水三角洲往往發(fā)育薄層砂體，而這種薄層砂體的地震響應(yīng)特征又容易被上覆高一級地層界面地震響應(yīng)特征所屏蔽，造成薄砂體難以識別［14-18］。

準(zhǔn)層狀地質(zhì)模型可以轉(zhuǎn)化為1 個地球物理模型，由地層平均速度模型和砂體剩余速度模型兩部分組成，其中地層平均速度模型組分對應(yīng)低頻旋回沉積，砂體剩余速度模型組分對應(yīng)高頻旋回沉積。低頻旋回地層代表著區(qū)域性的地層組合關(guān)系，其地震響應(yīng)特征為：橫向上相位一致、地震頻率低。高頻旋回地層相對于低頻旋回的地層來說，地震反射相位較為雜亂，地震頻率較高。可以利用這些特征差異分離這2 種波場，從而去除低頻旋回地層反射波的影響，凸顯次一級旋回的地震響應(yīng)特征，達(dá)到識別隱性前積砂體的目的。

對于實際地震數(shù)據(jù)體，首先，需要進(jìn)行地層體轉(zhuǎn)換，把實際地震地質(zhì)剖面簡化為準(zhǔn)層狀模型［19］，以消除地震數(shù)據(jù)體或者其他屬性體中由構(gòu)造運動產(chǎn)生的變化，恢復(fù)古沉積環(huán)境，直觀了解同時期沉積環(huán)境下地層的情況，另一重要作用是便于下一步地震道與地震道之間的波形對比分析。其次，選擇基于主成分分析的波形分解方法進(jìn)行地層反射特征分析。準(zhǔn)層序組內(nèi)的低頻旋回地層反映了地質(zhì)時期的主要沉積信息，具有空間連續(xù)、緩變的特點，波形具有一定的相似性，即同一時期沉積的地層界面具有波形相位一致的特征［20］。波形主成分分析就是利用波形相位一致這一特征，通過井-震標(biāo)定，將低頻旋回位置處相位具有一致性的波形作為沉積背景提取出來，用原地震數(shù)據(jù)減去沉積背景地震響應(yīng)，從而突出了高頻旋回沉積特征，達(dá)到高、低頻旋回分離的目的（圖3）。高頻旋回更能表征隱蔽砂體的地震響應(yīng)特征［21-22］。

圖3 去除地層強反射特征原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of principle for removing strong reflection characteristics of formation

利用以上波形分離法去除大的沉積界面地層強反射地震波形，剩余地震波形將原始弱反射地震波儲層特征凸顯出來，即是準(zhǔn)層序內(nèi)部弱反射儲層發(fā)育特征。圖4（a）為原始地震剖面，圖4（b）為去除了強反射后地震剖面，可以看出下切河道反射特征得到凸顯，剖面紅色箭頭指示部位，前積型沉積結(jié)構(gòu)反射特征也有明顯改善。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組準(zhǔn)層序組內(nèi)高低頻旋回波形分離技術(shù)應(yīng)用Fig.4 Application of high and low frequency cycle waveform separation technology in parasequence set of Qingshuihe Formation in Fangcaohu area，Junggar Basin

3.2 消除地層切片干涉效應(yīng)

對淺水三角洲沉積特征刻畫，不僅要找到薄層的發(fā)育位置，也要識別出薄層的分布形態(tài)［23］。限于目前地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)，不必一味地追求地震剖面縱向的分辨率。由于淺水三角洲薄層砂體的橫向發(fā)育尺度往往大于地震數(shù)據(jù)的橫向分辨率，發(fā)育特征在等時地層切片上會有明顯的反映，因此地層切片是識別淺水三角洲薄層砂體的有效工具。然而，在利用地層切片研究淺水三角洲沉積體系過程中，由于大多數(shù)是薄互層，其厚度通常在25 m 之內(nèi)，在地震響應(yīng)中存在薄互層綜合疊加干涉效應(yīng)。因此，在薄層地震解釋中，如何消除薄砂層地層切片中的干涉效應(yīng)，是有效利用地層切片解決薄層問題的關(guān)鍵。

薄砂體地層切片特征提取技術(shù)能夠很好地消除薄互層干涉的影響，進(jìn)而有效識別薄層的分布規(guī)律。將通過設(shè)計薄砂層正演模型［圖5（a）］來論述該方法的有效性。

假設(shè)地質(zhì)模型3 層砂體分別用“3”，“4”，“5”等3 種字樣疊置標(biāo)識，砂體時間厚度分別為2 ms，3 ms和4 ms，縱向間隔均為4 ms。通過地震模型正演，可以獲得正演地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行90° 相位旋轉(zhuǎn)［圖5（b）］，可以看到，由于砂體較薄，在地層切片上發(fā)生干涉現(xiàn)象［圖5（c）］，造成地質(zhì)體平面分布不清。

圖5 多層薄層砂體模型地震正演及地層切片特征Fig.5 Seismic forward modeling and stratigraphic slice characteristics of multilayer thin sand bodies

通過提取連續(xù)地層切片，利用同相法可以分析出砂體的個數(shù)、展布范圍和疊置關(guān)系。在極性相同（同為波峰或同為波谷）的情況下，某一砂體的地震響應(yīng)振幅值會出現(xiàn)由弱變強再變?nèi)醯囊?guī)律，在漸變的過程中，找出所述砂體地震響應(yīng)振幅值最大的切片，如圖6 中的砂體“4”的振幅響應(yīng)幅值最大的是30～34 ms 時的切片，在這些切片上可以初步確定該砂體的展布范圍。在極性相反的情況下，30～36 ms 切片中，30 ms，32 ms 切片上砂體“3”橫向展布范圍及振幅強度和34 ms，36 ms 切片中砂體“3”極性相反，橫向展布范圍、振幅強度相同。因此，可以將30 ms，32 ms 切片與34 ms，36 ms 切片相加，這樣利用極性相反、振幅數(shù)值相同的特點消除砂體“3”的砂體干擾，突出了砂體“4”的展布特征。重復(fù)以上步驟，遍歷整個連續(xù)地層切片，依次統(tǒng)計砂體地震響應(yīng)振幅極性反轉(zhuǎn)情況，找出所有砂體的特征切片位置。在某個確定砂體的展布范圍內(nèi)，利用特征切片加減法確定砂體的特征切片位置（圖7）。依次對切片進(jìn)行處理，可以去除薄層砂體干涉效應(yīng)，準(zhǔn)確識別砂體的發(fā)育特征、展布范圍及疊置關(guān)系。

圖6 薄層砂體模型地層切片特征Fig.6 Stratigraphic slice characteristics of thin sand bodies

圖7 薄層砂體模型地層切片加減運算效果Fig.7 Operation effect of addition and subtraction of stratigraphic slices of thin sand bodies

利用薄砂體地層切片特征提取技術(shù)，對清水河組一段進(jìn)行砂體分布范圍精細(xì)刻畫。為研究該區(qū)砂體分布和自下而上的演化特征，對區(qū)內(nèi)三維地震資料進(jìn)行連續(xù)的地層切片提取，高值區(qū)代表以砂巖為主的碎屑巖沉積體，清晰反映沉積向南西扇形散開，第2 期砂體分布形態(tài)較為清晰（圖8）。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組一段薄層砂體地層切片特征Fig.8 Stratigraphic slice features of thin sand bodies of the first member of Qingshuihe Formation in Fangcaohu area，Junggar Basin

3.3 地震沉積體分頻融合

在碎屑巖沉積體系中，依據(jù)發(fā)育的長寬比值大小，可將沉積體分為面狀、線狀和點狀3 種類型。比如湖底扇、三角洲平原、心灘等屬于面狀沉積體，而線狀、點狀沉積體往往“鑲嵌”在面狀地質(zhì)體之中，比如河道、壩（沿岸壩、河口壩）。不同尺度的沉積地質(zhì)體在三維地震數(shù)據(jù)體上有不同的頻率響應(yīng)特征，低頻反射往往指示著沉積背景，高頻響應(yīng)則更多反映小尺度沉積體的發(fā)育［24-25］。針對不同的地質(zhì)目的，需要使用不同頻段的地震信息。如果要在同一數(shù)據(jù)體上、同一沉積時期內(nèi)，同時刻畫面狀沉積體、線狀和點狀沉積體則需要對不同頻段的數(shù)據(jù)體進(jìn)行融合分析。在面狀背景沉積體刻畫時需要注意時窗尺度的選擇，一般要求滿足地震波形縱向變化能夠包含沉積背景的完整旋回，而線狀、點狀沉積體則可以用小時窗層間信息進(jìn)行橫向差異表征。

目前常用的融合技術(shù)是時頻三原色（RGB）分頻混色技術(shù)，對時間域地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻分析，得到3 個不同時頻的數(shù)據(jù)體，分別依據(jù)沉積體結(jié)構(gòu)特征，按合適的時窗提取較為敏感的時頻屬性體，然后將其中3 個屬性體進(jìn)行RGB 混色顯示。對3 個數(shù)據(jù)體分別賦予紅、綠、藍(lán)三原色對應(yīng)的256 個基色，通過融合重新顯示成一個三維數(shù)據(jù)體，不同的顏色代表高、中、低不同的頻率權(quán)重信息，將等時地層界面上振幅與對應(yīng)的頻段聯(lián)合顯示，通過調(diào)節(jié)融合切片上顏色及亮度突出不同巖性的邊界，并且由顏色區(qū)分出不同的巖性組合。RGB 顯示技術(shù)能更好地反映沉積相邊界，因此，可以用于沉積相帶識別及儲層精細(xì)研究。圖9 為工區(qū)等時地層界面RGB 混合顯示，可見河道下切特征較明顯。

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組一段RGB融合地震地貌圖Fig.9 RGB fusion seismic geomorphological map of the first member of Qingshuihe Formation in Fangcaohu area，Junggar Basin

4 淺水三角洲沉積演化特征

準(zhǔn)噶爾盆地腹部莫索灣凸起芳草湖地區(qū)白堊系清水河組一段沉積期古地貌坡度小，水深通常不超過20 m［26-27］，河道自物源區(qū)進(jìn)入平緩淺水區(qū)后，能量減弱，流速降低，平面上分流河道彎曲分叉，形成淺水曲流河三角洲。淺水曲流河三角洲平原發(fā)育水下分流河道及河道間沉積，水下分流河道間主要發(fā)育大面積的紅色泥巖。河口壩易受湖浪及沿岸流改造，泥巖不太發(fā)育，多見大面積分布的席狀砂。K1q1的沉積表現(xiàn)出典型的由低水位域向高水位體系域的湖平面振蕩的演化過程，第1 期砂體在下切谷呈低位扇體沉積展布，扇體邊界清晰；第2期為湖侵期，芳10 井區(qū)發(fā)育第2 期扇體；第3 期進(jìn)一步湖侵，芳10 井區(qū)發(fā)育淺湖—半深湖沉積，泥巖蓋層發(fā)育；第4 期為湖退期，芳10 井區(qū)發(fā)育第3 期扇體；第5 期為湖侵期，芳10 井區(qū)發(fā)育滑塌體；第6 期為湖泛期，主要發(fā)育大套泥巖。

（1）低位楔前積淺水三角洲前緣扇

通過淺水三角洲地震沉積學(xué)分析方法的應(yīng)用，在低位域，發(fā)現(xiàn)K1q1底部砂層組發(fā)育下切水道，在地震剖面上，其外部形態(tài)具有獨特的“U”字型或“V”字型幾何特征。下切水道的發(fā)現(xiàn)，可以確定層序界面［28］。在研究區(qū)的南部即下切水道的末端出現(xiàn)波折帶，砂體散開形成扇狀沉積［圖10（a）］，地震剖面上呈現(xiàn)楔狀反射特征。相對較強振幅區(qū)與地震剖面上所識別出的各前積朵葉體位置基本對應(yīng)［29］，反映了K1q11前積砂層的發(fā)育與疊置特征，這些前積砂體與西北部K1q1底部厚層砂體不連通，四周被弱振幅的泥質(zhì)巖所分隔，這些特征在地震剖面上也有清晰反映。

圖10 準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)清水河組一段地震沉積演化Fig.10 Seismic sedimentary evolution of the first member of Qingshuihe Formation in Fangcaohu area，Junggar Basin

（2）湖侵期隱性前積淺水三角洲前緣扇

在湖侵期，地震剖面上表現(xiàn)為弱振幅、不連續(xù)的亞平行反射特征，局部可見疊瓦狀前積短反射。其地層切片具有相應(yīng)的特征，能清楚看到振幅異常體在平面上呈扇狀分布，存在明顯的振幅分帶現(xiàn)象，邊界清晰，振幅地層切片中河道狀和垛狀地貌體系反映隱性前積淺水三角洲前緣體系，湖平面位于研究區(qū)坡折帶附近，沉積向南西表現(xiàn)為扇形散開［圖10（b）］。

（3）高位域隱性前積淺水三角洲前緣扇

經(jīng)歷最大湖泛期后，湖平面開始緩慢下降，出現(xiàn)砂進(jìn)湖退的特征，利用三維地震地層切片同樣可以清晰地展示扇狀砂體發(fā)育的平面特征［圖10（c）］。

5 結(jié)論

（1）對于淺水三角洲沉積體系砂泥薄互層，砂體的地震響應(yīng)特征不易識別，在準(zhǔn)層序內(nèi)分離不同地層響應(yīng)，可以突顯砂體的地震響應(yīng)特征，以利于砂體地震信息的挖掘。

（2）在地震響應(yīng)中往往會存在薄互層綜合疊加干涉效應(yīng)，利用正負(fù)能量疊加方法消除薄砂層地層切片中的干涉效應(yīng)，是利用地層切片解決薄層問題的有效手段。

（3）分頻融合技術(shù)能夠更準(zhǔn)確刻畫不同尺度的沉積體邊界。

（4）準(zhǔn)噶爾盆地芳草湖地區(qū)白堊系清水河一段淺水曲流河三角洲沉積體系發(fā)育3 套儲蓋組合，是潛力較大的勘探層系。致謝：感謝晶石軟件技術(shù)公司提供軟件幫助。