鏡面反射
——大套泥巖地震強反射的一種成因

沈章洪

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海油田勘探開發研究院)

鏡面反射
——大套泥巖地震強反射的一種成因

沈章洪

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海油田勘探開發研究院)

勘探實踐中時有在鉆前被作為存在儲層重要論據的地震強反射卻在鉆后被證實它來自大套泥巖之中，根本沒有儲層與之對應。研究認為，在一定沉積條件下，泥巖層間可以形成非常光滑的界面，這種界面雖然反射系數不大，但與砂泥巖層間比較粗糙的界面相比卻具有極好的反射定向性，導致其反射的地震波能量基本不出現漫反射而可以集中地被檢波器接收到，從而形成可與砂泥巖層間界面反射的強度相當的地震記錄，因此在褶積公式中引入鏡面系數就可以描述這種現象。勘探實踐中認識大套泥巖中的這種反射，對于避免鉆前儲層預測的失誤具有現實意義。

鏡面反射地震強反射鏡面系數大套泥巖儲層預測褶積公式

海上油氣勘探中面對埋藏深度較大、勘探程度較低的目的層，在鉆前論證時經常把地震強反射作為存在儲層的論據，其理論依據是:砂巖和泥巖的波阻抗差異大，其界面的反射系數大，所以反射強。但是，這樣的預測時有被鉆井證偽的案例——強反射出現在數百米厚的大套泥巖層段中，根本沒有儲層。圖1顯示的是JZ25-1-9井GR和SP曲線及過井地震剖面。圖中下方黃色方框中的最強反射鉆前被認為是砂巖存在的反映而作為目的層之一，要求探井打穿它，但鉆井最終揭示該層段為大套泥巖。

泥巖中的強反射一直困惑著勘探工作者們，現有理論似乎不能解釋這種現象，它們的成因機理是什么?筆者認為要認清該現象的背后原因，必須回答以下2個問題:

(1)同樣的泥巖碎屑物是在什么條件下可以形成明顯的分層結構，并且分層界面的反射系數大于零?

(2)這樣的界面在什么條件下可以產生地震強反射?

1沉積物供給的間歇可以形成大套泥巖中的分層界面

圖1 JZ25-1-9井GR和SP曲線及過井地震剖面

這是從民間蒸千層糕獲得的啟示。每年農歷七月十五，南方民間多有蒸千層糕的習俗。四四方方的糕塊，可一層一層地揭開，多冷食，也可熱食、煮炒等，黃荊柴(一種灌木)香味撲鼻，風味特別。千層糕的制作方法是:把黃荊柴置于水中浸泡或煮成金黃色湯水;用此湯水浸泡大米;然后連湯帶米磨成米漿;在蒸籠中鋪上屜布;舀一勺米漿均勻澆入蒸籠、蓋上蓋蒸十來秒;開蓋，再舀一勺米漿均勻澆入蒸籠、蓋上蓋蒸十來秒。如此循環下去，待有三寸厚時，蒸熟出籠即可。千層糕的制作過程說明，完全相同的碎屑物，只要供給過程出現間斷，就可以形成分層結構，形成界面。這種現象也會在大套泥巖中出現，厚達數百米的泥巖段是由一層層厚度小得多、容易分離開的單層泥巖重疊而成。那么，這樣的界面具有反射地震波的能力嗎?經典反射理論似乎給出了否定回答。因為從反射系數定義公式(1)［1］表面上看，由于碎屑物完全相同，它們的波阻抗也完全相同，所以反射系數為零，應該不會反射地震波。

式(1)中:r是反射界面的波阻抗;z2、z1分別是反射界面兩側介質的波阻抗。

筆者起初猜想:當碎屑物供給過程出現間歇時，會在已堆積的沉積物的自由表面產生不同于連續堆積層內部的某種結構，正是這種結構使得千層糕可以一層一層被揭開，也使得大套泥巖可以分成一個個小層。也正是這種自由表面的特殊結構的存在，導致泥巖層間出現不為零的微小反射系數。

這個猜想能夠得到物理實驗的支持嗎?2010年，中海油研究總院在國家973項目的課題“南海深水區復雜地質結構地震采集基礎理論研究”(2009CB219403)中，開展了針對南海某油田的一個三維物理模型研究(圖2)，所設計的物理模型包括海底、T20、T40、T41、T50、T60、T70、T80共8個界面。

圖3 物理模擬的反射界面與模擬記錄剖面對比圖

物理模擬采集的地震資料經過處理，上述8個界面的反射均可以清晰辨識(圖3)。此外，最下方的2個反射分別來自于模型底界和容納模型的大水槽的底面，因而也是合理的。但是，在海底和T20之間出現的一個接近于水平的反射，物理模型并無此類界面，反射因何形成?經過反向核查物理模擬的每一個步驟，發現在制作從海底到T20之間的這個層的過程中，用同樣的高分子材料和比例、分兩次調配并澆筑而成，即不是一次連續澆筑而成，中間存在一個時間間隔。分析認為，這個反射就是由此產生的。

雖然這個物理模擬不是針對筆者的猜想開展的，但是其制作過程中的一個不經意的操作間歇，卻真真切切地證明了筆者的猜想具有物理真實性。因此，沉積物供給的間歇可以在大套泥巖中形成對地震波具有一定反射能力的分界面。

2弱反射系數界面在具備鏡面特征的條件下可以造成強地震記錄

按照上述假設和物理模擬的旁證可以相信:當泥巖沉積過程中的間歇達到一定程度時，就可以產生具有一定反射能力的界面。這種界面的反射系數，在不顛覆反射系數定義公式(1)的前提下，應該比常規砂巖和泥巖接觸面的反射系數小很多。那么，在實際地震剖面上經常可見到的大套泥巖中的強地震記錄又是如何產生的呢?

褶積公式(2)是用于描述地層的一系列波阻抗界面對入射地震脈沖的反射行為的經典模型。

S=r?w(2)式(2)中:S是反射波序列;r是反射系數序列;w是地震子波序列。

換句話說，褶積公式是站在波阻抗界面的立場，描述了每個界面可以把入射地震脈沖能量的多大份額反射回去，而反射能量有多少能夠被檢波器接收到則是另一回事。

這些反射回去的能量有多大份額能夠被地面檢波器接收到，取決于檢波器的敏感半徑以及反射到地面的能量分布在多大的面積范圍內。如果對于同樣的反射系數和同樣的檢波器，地震記錄的強弱就取決于反射能量落在檢波器敏感半徑范圍內的份額是多少，而且份額越大，地震記錄越強，份額越小，地震記錄越弱。

通過一個光學實驗可以很清楚地看到這一現象。實驗裝置如下:一塊平整的鋁板(其一面拋光成鏡面，另一面做成磨砂面。按照反射系數公式，顯然這兩個面相對于空氣來說反射系數是一樣的)，先將鏡面朝上平放于地面。一支激光筆，它以接近垂直的角度固定在鋁板上方，用以向鋁板發射激光。一張白卡紙板，水平固定在鋁板上方激光筆附近，在其上畫一個小圓圈代表檢波器的敏感范圍。調整激光筆和白卡紙板的角度和位置，使得反射激光的光斑完全落在紙板的圓圈內，此時認為反射能量全部被檢波器捕獲(拍下紙板上光斑的照片，圖4a);然后，保持激光筆和紙板不動，把鋁板翻過來使磨砂面朝上，再看反射的激光光斑(也拍下照片，圖4b)，其分布范圍大大增加，有相當一部分跑到了小圈之外，此時反射能量只有一部分被檢波器捕獲。

圖4 鏡面反射(a)和磨砂面反射(b)激光斑點的照片

這種差異是由鏡面反射與漫反射的特性決定的。用鏡面系數m來表征反射界面所反射能量的分散程度，如果反射能量完全不分散，則定義m等于1;如果反射能量越分散，則m越接近于0。也就是說，用鏡面系數m描述反射能量能夠被檢波器捕獲的比例系數。

借助鏡面系數的概念，可以把描述反射界面的反射行為的褶積公式(2)改寫成描述檢波器接收到的地震記錄的公式(3)，即

S=(m·r)?W(3)

式(3)中:S為地震記錄;m為界面的鏡面系數;r是界面的反射系數;W為地震子波。

因此，地震記錄中，一個界面的反射波的強度是由這個界面的反射系數r和這個界面的鏡面系數m的乘積決定的。由于泥巖碎屑物的顆粒微小、水動力環境很平靜，形成鏡面界面的機會較大，而砂巖碎屑物顆粒粗、水動力環境比較之下很不平靜，形成鏡面的機會不大。這樣，大套泥巖中發育的鏡面界面的反射系數雖然不大，但具有較大的鏡面系數，而砂巖和泥巖的接觸界面雖然反射系數大，但鏡面系數不大，從而使得這兩種界面的反射系數與鏡面系數的乘積達到相同的水平，所以在地震記錄中它們的反射波強度看起來就相似了。

3結束語

傳統的褶積模型只描述反射界面對入射波的反射行為，不能很好描述檢波器接收到的地震記錄的行為;通過在其中引入鏡面系數后就可以描述界面的光滑程度對地震記錄的影響。

大套泥巖發育的沉積環境水動力條件微弱，存在形成鏡面界面的可能性，這種界面雖然反射系數不大，但鏡面系數大;而砂巖發育的沉積環境水動力條件較強，加上碎屑物顆粒粗，基本不能形成鏡面，所以砂巖與泥巖的接觸面雖然反射系數一般較大，但其鏡面系數基本很小。綜合反射系數和鏡面系數，泥巖中的鏡面反射波記錄就可以與砂巖界面反射波記錄的強度達到相當的水平。

雖然地震記錄中反射波的強弱還會受到界面的彎曲形態、資料處理中的振幅控制以及泥巖中的含鈣薄層等因素的影響，但本文的價值在于揭示了這樣一個事實:即便這些因素被逐一排除，仍然不能保證在一個區域以發育泥巖為主的地層段中出現強地震記錄就意味著存在砂巖。如果把這一點牢記于心，則可以使勘探工作者面對這類目標時多一分沉思，從而可能減少勘探失誤。

如何發現鏡面反射的特征并從地震資料中識別它們，進而實現在鉆前進行風險評估，這是一個非常有價值的研究方向。

致謝:感謝中海油研究總院王建花博士提供了有關物理模擬的材料。

［1］R．E．謝里夫等著．勘探地震學［M］．北京:石油工業出版社，1999:104-105，195-197，352-359．

(編輯:崔護社)

Mirror reflection:a cause of the strong seismic record from massive mudrocks

Shen Zhanghong
(Bohai Oilfield Exploration and Development Research Institute，Tianjin Branch of CNOOC Ltd．，Tianjin，300452)

In petroleum exploration，the strong seismic reflections that are considered as an important evidence of reservoirs before drilling may prove to be from massive mudrocks after drilling，with no reservoir corresponding to them．According to some researches，very smooth interfaces may occur between the beds of mudrock under a certain sedimentary condition．With a not great reflectivity，these interfaces can generate excellent directional reflections in comparison with the rougher interfaces between sandstone beds and mudrock beds，and there is largely no diffuse reflection in the seismic energy refelcted by them，so that this seismic energy can be totally picked by the geophones，resulting in the strong seismic records comparable to those generated by the interfaces between sandstone beds and mudrock beds．Therefore，this phenomenon can described by introducing a mirror coefficient in the convolution formula．Identifying this type of seismic reflection caused by massive mudrocks in exploration is acturally helpful to avoiding the errors in reservoir prediction before drilling．

mirror reflection;seismic strong reflection;mirror coefficient;massive mudrock;reservoir prediction;convolution formula

沈章洪，男，教授級高級工程師，中國海洋石油總公司勘探專家，1982年畢業于原華東石油學院地球物理勘探專業，從事過陸上和海上地震資料采集、地震資料現場處理、物探方法及軟件研發等專業工作，最近20年專注于儲層地球物理預測與描述研究。地址:天津市塘沽區609信箱(郵編:300452)。E-mail:shenzhh@cnooc．com．cn。

2012-07-17