井震結合古地貌恢復方法及應用
——以遼河灘海西部地區沙一段為例

馮 磊，吳 偉

（河南理工大學 資源環境學院，河南焦作 454000）

井震結合古地貌恢復方法及應用
——以遼河灘海西部地區沙一段為例

馮 磊，吳 偉

（河南理工大學 資源環境學院，河南焦作 454000）

古地貌恢復研究是油氣儲層預測的重要內容，古地貌恢復的準確性直接影響物源、古水流等沉積特征的判斷。針對遼河灘海西部地區鉆井分布不均的特點，在鉆井資料地層厚度壓實校正基礎之上，提出利用地震資料進行井間古地貌趨勢補償，將鉆井資料和地震資料有機地融合。通過在遼河灘海西部沙一段應用表明，該方法效果良好，能夠較真實地反映古地貌分布特征。

古地貌；壓實校正；趨勢補償；遼河灘海

0 前言

古地貌是控制盆地內沉積發育的重要因素之一，而且是準確預測中深部油氣儲層的關鍵和基礎［1］。真實準確地恢復沉積時期的古地貌，對于探索沉積規律具有重要的指導意義。同時還可為油田勘探提供重要的分析依據，擴大巖性油氣藏勘探成果［2、3］。

遼河灘海探區位于渤海灣盆地東北部，是遼河盆地陸域地區與遼東灣地區構造單元的過渡區帶，屬于遼河坳陷向海域的自然延伸部份，其形成于中～新生代的陸相斷陷型盆地。古近系基地形態總體上表現為“二凹三凸”的基本構造格局［4］，即西部凸起、西部凹陷、中央低凸起、東部凹陷和東部凸起。其中，研究區西部凹陷基底受海南斷層和葫蘆島斷層的控制，形成了西抬東降的單斷式半地塹，沿主干斷層發育了呈右行排列的眾多次級洼陷。由于葫蘆島凸起的插入，使西部凹陷在灘海地區分為兩支（見下頁圖1）。研究區地形地貌變化復雜，亟需能夠真實有效恢復古地貌的方法和手段。

1 方法原理及步驟

目前，古地貌恢復的方法主要從構造恢復和地層恢復兩方面入手，作者本次研究是基于地層的恢復。

現今保留的地層厚度是在漫長的歷史過程中沉積物經過埋藏、成巖、剝蝕等作用后的殘余厚度已經不能反映原始沉積時的真實地層厚度。古地貌恢復就是對現存的地層厚度進行一系列的校正處理，逐步回剝恢復到原始沉積的厚度。在回剝時，可視為剔除上覆地層，并將不同時期古水準面恢復到原位的過程。國內、外學者分別從構造分析、沉積分析以及層序地層等方面的分析入手，但其依賴的基礎都是利用地層厚度圖、砂巖厚度圖構造圖等，來定性地分析當時的地貌形態［3、4］。隨著勘探工作的不斷深入，對古地貌恢復的要求逐漸從定性分析到定量分析，急需新的技術手段來恢復沉積時期的地層厚度。這就要求盡可能地綜合地質、測井和地震資料，將有效信息提取、融合，以減小古地貌恢復的多解性。目前，主要的地層厚度恢復手段有：壓實校正、剝蝕校正、古水深校正等。由于遼河灘海地區沙河街組時期剝蝕量相對較小，且缺乏進行古水深校正的古生物資料，所以作者在本次古地貌恢復中，主要進行壓實校正，并在鉆井壓實校正的基礎之上，通過井間趨勢補償技術，將地震資料信息彌補到井間，以提高古地貌恢復的精度。

圖1 遼河灘海西部地區斷裂綱要Fig.1 Fault map of western beach area of Liaohe

1.1 地層厚度恢復

1.1.1 建立壓實方程

壓實校正主要基于沉積壓實原理，即隨著埋藏深度的增加，地層上覆蓋負載也增加，導致孔隙度變小，體積變小。假定地層的橫向位置在沉降過程中不變，僅是縱向位置發生變化。因此，地層體積變小就歸結為地層厚度變小［5］。不同巖性壓實作用有較大的差異，Athy（1930）對美國賓夕法尼亞和俄克拉荷馬南部二疊系研究過程中，得出在一定深度范圍內，沉積地層的孔隙度值隨深度呈指數減小，密度隨深度呈指數增大的關系曲線。即滿足以下關系［5］：

式中 Φ（h）是深度h處的巖石孔隙度；Φ0為深度h＝0時的孔隙度；C為壓實常數。

Φ0和C值對不同的巖性和地區是不同的，可以根據不同深度的鉆井孔隙度值，建立孔隙度～深度關系曲線圖，并用最小二乘法按指數函數擬合求得不同巖性的Φ0和C值。作者結合遼河灘海西部鉆井資料，制作了研究區砂巖和泥巖的孔隙度隨深度變換的關系曲線（見圖2及圖3），分別獲得了砂巖、泥巖的壓實方程：

（1）泥巖壓實方程。

（2）砂巖壓實方程。

1.1.2 壓實校正

建立了壓實方程后，就可以依據地層骨架厚度不變壓實模型對地層進行壓實校正，求出不同地質時期的地層古厚度或古埋深，具體采用回剝法技術［2］。按照地層骨架厚度不變的假設，有：

式中 h2和h1是已知地層頂底埋深；Φ（h）是建立的壓實方程；h′1是給定的地層在地質時期的頂面埋深。

當地層沉積剛完成時，可假設頂面埋深為0當地層經過一段時期的壓實后，頂面埋深等于上覆地層底面的埋深，將h′1值代入式（4），就可求出地質時期的地層底面理深h′2及古厚度（h′2－h′1）。

研究區主要由砂巖和泥巖組成，則地層的綜合壓實曲線為：

其中 Ps是砂巖含量；Pm是泥巖含量。

因此，在計算構造沉降量時，要逐層對泥巖和砂巖分別求出各自的原始孔隙度Φ0m和Φ0s，以及壓實系數Cm和Cs，然后統計地層中泥巖、砂巖的百分比，并分段計算。將公式（5）和公式（1）代入到公式（4）中，即可得到最終迭代公式（6）。

根據公式（6）即可逐層回剝迭代，求出不同時期各地層厚度。通過對遼河灘海西部研究區所有鉆井進行古厚度恢復，獲得沙一段時期沉積古厚度（見圖4）。在圖4中，紅色柱代表恢復后的古厚度，藍色柱代表現今地層厚度。由于不同井中的砂巖、泥巖含量不同，其恢復厚度也不盡相同。可以看出，泥巖含量較高的井，由于泥巖壓實系數較大，其恢復后的原始地層厚度也較大。如雙203井，泥巖含量高達73.9%，恢復原始地層厚度達624m，比現今殘余的地層厚度增加了278m，幾乎是現今地層厚度的二倍。由此可以看出，由于壓實作用影響，在進行古地貌分析的時候，利用鉆井上現存的地層厚度進行古地貌分析，存在較大的誤差，不能反映出原始沉積時的地貌，必須進行壓實校正，才能真實地還原沉積時期的古地貌特征。

圖4 沙一段鉆井原始厚度與現今殘余厚度對比圖Fig.4 Contrast chart of original drilling thickness and current residual thickness of Sha 1member

1.2 井間古地貌趨勢補償

為得到古地貌的平面分布，通常利用鉆井資料獲得的古厚度數據，進行簡單的網格化后得到等值線平面圖（見圖5）。但對于鉆井較少或者分布不均勻的區域而言，井間插值得到的數據缺乏空間橫向約束，難以反映真實古地貌的趨勢。由于地震資料具有較高的橫向分辨率，如果將地震資料的有效信息彌補到井間網格數據中，使測井資料與地震資料有效融合，就更能發揮出兩種資料的優勢。

因此，作者在本文提出一種利用地震資料進行井間古地貌的趨勢補償的方法。該方法將井中的數據作為控制點，利用地震資料對井間趨勢進行彌補，主要有四步：

（1）做多井合成記錄，利用地震資料解釋目的層層位，通過時深轉換，得到地層厚度數據。

（2）將地震解釋得到的地層厚度數據進行網格化，擴展網格節點范圍使其包含鉆井數據區域，在鉆井處提取網格節點數據值，并與井中處理得到的古厚度數據求差值。

（3）對得到的差值數據，利用自適應擬合算法進行處理。

（4）將差值數據網格與地震地層厚度網格合并，重新生成平面等值線圖。

由于鉆井資料和地震資料總會或多或少地存在異常數據，因此，合理的網格化算法是關鍵。傳統的網格化技術，多采用局部控制點來計算網格中每個節點的數值，如常用的克里金法、最小曲率法等。當存在局部異常的時候，得到的都是局部網格疊加，不能反映區域數據整體的趨勢。作者在研究中采用自適應擬合算法進行網格化，不同于傳統的局部網格化技術，自適應擬合算法考慮區域中所有數據趨勢，利用空間約束調和方程平衡所有數據點。該方法主要基于Hardy（1990）提出的多重曲面函數插值法，其基本思想是任何一個不規則的復雜曲面，均可由一系列規則的，以任意精度數學表面總和逼近［7～9］。當將小尺度的局部變化看作隨機和非結構的噪聲，局部地貌起伏比較明顯時，常規的最小二乘法難以抵制局部地貌異常的影響，導致趨勢分析出現系統偏差，這就需要通過抗差估計，調整節點數據的權值來消弱異常值對插值結果的影響［10］。

圖5 利用鉆井資料得到的古厚度圖Fig.5 Ancient thickness map obtained by well data

考慮到任何區域的地貌總可以分成趨勢性成分和隨機性局部變化兩部份，建立自適應擬合方程的核函數如式（7）所示：

將公式（7）展開成矩陣形勢：

Z＝CA（8）其中 M表示步長（最小搜索半徑）；i、j表示網絡節點角標；Cj代表在XY平面未知圓錐斜率系數的列矢量，可以通過列選主元高斯消去法求解。

一旦求出Cj，則可計算出研究區域內任意給定插值點擬合不規則曲面的Zi值。研究區域單元面積內樣點數越多，越逼近真實的連續曲面。

為了得到更好的結果，作者將算法首先從區域中間網格數據點間距大于步長的節點開始計算，然后按照同樣的規則計算下一個節點。起始步長設置為研究區沉積地質體最大半徑，截至步長設置為最小的地質體半徑。將該算法從最粗略的網格開始計算，然后將網格單元寬度設置為原來的一半，再經過多次迭代計算，直到網格單元寬度小于最小的沉積體分布半徑或者達到最大迭代次數后停止。

2 遼河灘海西部古地貌特征

作者在對研究區遼河灘海西部探井井斜校正及壓實校正的基礎之上，得到鉆井位置在沉積時期的古厚度。由于灘海地區鉆井分布不均，依靠地震資料進行井間古地貌趨勢補償，把結果利用三維可視化軟件顯示，最終得到研究區沙一段古地貌圖（見下頁圖6）。在圖6中，紅色區域代表隆起區，分別為西部凸起、葫蘆島凸起和中央低凸起；藍色區域代表深洼區，為海南洼陷。古隆起為主要正向地形，在基準面下降時，凸起較高的部份會出露地表，遭受剝蝕，并提供物源，沉積物逐漸向海南洼陷運移。在西部緩坡由西部凸起提供物源，發育辮狀河三角洲，并在海南洼陷形成湖底扇沉積。中央低凸起陡坡帶發育扇三角洲沉積。筆架嶺地區為水下低隆起，離葫蘆島凸起物源區較近，發育扇三角洲沉積，巖性以礫巖、粗砂為主。由此，從古地貌圖中可將遼河灘海西部地區分為幾個構造帶：①西部緩坡帶；②中央低凸起陡坡帶；③海南洼陷；④葫東次洼；⑤筆架嶺水下低隆起。

3 結論

作者通過對遼河灘海西部沙一段的古地貌恢復，采用了壓實校正、井間趨勢補償等技術，應用效果較好，主要取得如下認識：

（1）遼河灘海西部沙河街組，沉積壓實影響較大，恢復后的古沉積厚度比現存的地層厚度存在較大差異。在進行古地貌恢復時，必須考慮壓實的影響。

（2）由于遼河灘海地區鉆井分布不均勻，常規利用鉆井數據網格化的方法，不能真實反映該地區古地貌形態，而利用地震資料進行井間古地貌趨勢補償后，可以精細地展現古地貌的平面分布特征該方法能有效地將測井數據和地震數據包含的信息進行融合，效果明顯。

（3）從恢復得到的遼河灘海西部沙一段古地貌圖中，可以分為五個構造帶：①西部緩坡帶；②中央低凸起陡坡帶；③海南洼陷；④葫東次洼；⑤筆架嶺水下低隆起。

（4）構造運動對古地貌恢復也有一定的影響如果地區構造運動較強烈，則保留下來的地貌與沉積前原始地貌變化較大，這時可考慮增加構造平衡剖面技術來校正古地貌形態。

［1］ 鄧宏文，王紅亮，王敦則.古地貌對陸相裂谷盆地層序充填特征的控制——以渤中凹陷西斜坡區下第三系為例［J］.石油與天然氣地質，2001，22（4）：293.

［2］ 宋國奇.應用層序地層學方法恢復加里東期古地貌——以濟陽坳陷沾化地區為例［J］.石油實驗地質2000，22（4）：350.

圖6 遼河灘海西部沙一段古地貌圖Fig.6 Paleotopography map of Sha 1member of western beach area in Liaohe basin

［3］ 薛良清，李文厚，宋立衍.西北地區侏羅紀原始沉積區恢復［J］.沉積學報，2000，18（4）：539.

［4］ 李曉光.遼東灣北部灘海大型油氣田形成條件與勘探實踐［M］.北京：石油工業出版社，2007.

［5］ 石廣仁.油氣盆地數值模擬方法［M］.北京：石油工業出版社，1999.

［6］ SUN S Q.Dolomite reservoirs porosity evolution and reservoir characteristics［J］.American Association of Petroleum Geologists Bulletin，1995，79（2）：186.

［7］ HARDY R L.Least Squares Prediction［J］.Photogrammetric Engineering，1977，43（4）：475.

［8］ 楊元喜.自適應抗差最小二乘估計［J］.測繪學報，1996，25（3）：206.

［9］ HARDY R L.Theory and applications of the multiquadric－biharmonic method［J］.Computers and Mathematics with Applications，1990，19（8）：163.

［10］芮小平，余志偉，許友志，等.多重二次曲面插值法在地質曲面擬合中的應用［J］.中國礦業大學學報2002，9（4）：377.

book=20,ebook=20

1001—1749（2012）03—0326—05

TE 121.3＋2

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.15

馮磊（1978－），男，博士，講師，主要從事油氣儲層預測技術研究。

中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室基金資助項目（TPR－2010－21）

2011－10－19