利用地震正演及屬性預測碳酸鹽古溝槽、裂縫和孔溶洞
——以鄂爾多斯盆地甘泉地區馬家溝組為例

高 飛.

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075)

鄂爾多斯盆地甘泉地區下古生界馬家溝組有著巨大的天然氣勘探潛力，近年來通過不斷深化地質綜合研究及勘探技術攻關，天然氣勘探取得了較大的突破[1-2]。由于地表巨厚的黃土層，其含水性較差，表層結構復雜，低降速度厚度大，造成原始地震資料信噪比、分辨率低，品質較差[3-5]，通過疊前保幅去噪、綜合靜校正、高精度速度分析、共反射面元疊加等一系列關鍵處理技術，獲取疊后地震資料可以滿足地質勘探需要[6-10]。因此，充分利用地震資料，地震正演及屬性等技術上手段，開展了鄂爾多斯盆地甘泉地區馬家溝組碳酸鹽古溝槽、裂縫和孔溶洞等預測工作，優選勘探開發有利區帶，指導勘探開發部署工作。

1 工區地質概況

甘泉地區地理位置處于鄂爾多斯盆地南部，在伊陜斜坡的西南部，構造相對平緩，斷裂不發育。下古生界馬家溝組為海相碳酸鹽巖，有6個巖性段組成，其中一、三、五段為膏云巖與鹽巖發育段，二、四、六段為灰巖發育段。馬五段自上而下劃分為10個亞段，其中上部的馬五1+2亞段為主力氣層段。馬五1+2儲層主要為含膏白云巖，硬石膏結核、膏鹽礦物晶體等易溶礦物發育，在風化殼期的大氣淡水淋溶作用下，易溶膏鹽礦物溶解形成溶孔型儲集體，儲集空間主要為膏模孔、鹽模孔。研究區已有鉆探井位部分在馬五1+2獲得高產工業氣流，證實了甘泉地區馬五1+2有著巨大的天然氣勘探潛力。

2 利用地震正演預測古溝槽及裂縫和孔溶洞

鄂爾多斯盆地馬家溝組上組合巖溶斜坡是風化殼儲層最有利的發育部位，其巖溶水通過垂直、垂直水平以及水平的滲流方式作用于儲層，排泄暢通，對儲層改造作用明顯，易于形成孔、洞、縫和巖溶管道[11-12]。古溝槽的側翼在裸露風化巖溶期水動力能量高，巖溶作用強，孔洞發育，裂縫充填程度低，同時古溝槽下切深度較大，是天然氣高產富集區[13-16]，因此識別古溝槽對油氣勘探有著重要的意義。

2.1 地震正演模擬古溝槽

地震正演模擬古溝槽分為兩步完成：第一步建立地質模型，第二步正演模擬。

(1)建立地震地質模型：利用研究區測井聲波時差以及密度曲線，分析研究區各層系巖心特征，建立地震地質模型。通過測井聲波時差以及密度曲線統計本地區山西組、太原組、本溪組、馬六、馬五1等地層砂泥巖、煤層、碳酸鹽巖中石灰巖、白云巖的聲波速度以及密度(表1)，建立地震地質模型。考慮到地震資料分辨率的影響，本次研究根據溝槽侵蝕深度的不同建立三種模型，即侵蝕深度為15 m情況下地震地質模型(圖1A)，侵蝕深度為25 m情況下的地震地質模型(圖2A)，侵蝕深度為35 m情況下的地震地質模型(圖3A)。

表1 溝槽地震地質模型物性參數Table 1 Property parameters of erosion flutes seismogeology model

(2)正演模擬：本次利用褶積模型進行正演模擬，褶積模型是地震資料處理和解釋的基礎，是地震正演模擬方法中較為簡單而又適用的方法。

s(t)=w(t)*r(t)

(1)

褶積模型(式1)就是將地震反射信號s(t)看作是地震子波w(t)與地下反射系數r(t)的褶積。通過對已有地震資料的頻譜分析，本次正演模擬選擇子波主頻為35 Hz的雷克子波作為褶積模型的地震子波，三種地質模型與雷克子波褶積后得到理論地震資料(圖1B，圖2B，圖3B)。

圖1中地震地質模型溝槽侵蝕深度為15 m(圖1A)，溝槽內被上腹本溪組砂泥巖填充，溝槽以砂泥巖與碳酸鹽巖為分界，密度與速度相差較大，波阻抗差異大，反射強烈，通過褶積模型，得到正演結果(圖1B)，其同相軸有加粗現象，實際地震資料由于分辨率有限，并不十分明顯，很難識別溝槽(圖1c)；圖2中地質模型溝槽侵蝕深度為25 m(圖1A)，地質模型各層速度與密度同模型1相同，通過褶積模型得到正演結果(圖2B)，其同相軸顯著加粗，但還沒有達到分叉的情況, 實際地震資料中同相軸也顯著加粗，出現復波，能夠識別出溝槽(圖2C)；圖3中地質模型溝槽侵蝕深度為35 m，地質模型各層速度與密度同模型1相同，通過褶積模型得到正演結果，其同相軸分叉現象明顯, 實際地震資料中溝槽處同相軸分叉，出現雙同相軸，根據溝槽尺度能夠劃分出分叉延展尺度，溝槽在地震資料中特征明顯(圖3C)。因此，正演模擬表明，隨著溝槽侵蝕深度的增加，地震同相軸分叉明顯，利用地震正演模型可以精細模擬不同深度的侵蝕溝槽的地震響應特征，據此可在地震剖面中識別古溝槽。

圖1 侵蝕深度為15 m地震地質模型、地震正演以及實際地震資料Fig.1 Seismogeology model, forward modeling and real seismic data for 15 m Erosion depth

圖2 侵蝕深度為25 m地震地質模型、地震正演以及實際地震資料Fig.2 Seismogeology model, forward modeling and real seismic data for 25 m Erosion depth

圖3 侵蝕深度為35 m地震地質模型、地震正演以及實際地震資料Fig.3 Seismogeology model, forward modeling and real seismic data for 35 m Erosion depth

依據溝槽正演模擬反射特征，對研究區二維地震資料進行解釋，識別出研究區北部三條主溝槽，三條主溝槽都發育有次一級溝槽；與單純利用印模法恢復古地貌相比，減少溝槽覆蓋范圍，提高溝槽識別的準確性。

2.2 地震正演模擬裂縫和孔溶洞

地震正演模擬裂縫和孔溶洞分為兩步完成：第一步建立地質模型，第二步正演模擬。

(1)建立地質模型：本次研究建立雙層模型(表2)，模型建立依據測井以及錄井中存在孔溶洞情況下上腹地層與下腹地層速度密度等物性數據，下腹地層中有不規則裂縫以及溶洞，模型1設計少量孔溶洞以及裂縫現象(圖4A)，模型2增加裂縫、溶洞數量，并使得裂縫溶洞間距變小(圖5A)。

表2 裂縫地震地質模型參數Table 2 Property parameters of cave seismogeology model

(2)正演模擬：本次正演模擬使用公式1中的褶積模型進行正演，褶積模型中的子波選取主頻為35 Hz的雷克子波，地質模型與子波褶積后得到理論地震資料(圖4B，圖5B)。

圖4中地質模型A孔溶洞個數較少，且間距較大，通過褶積模型得到正演模擬結果，其反射多為復波且振幅較弱(圖4B)；圖5中地質模型A增加孔溶洞數量，并縮小間距，通過褶積模型得到正演結果(圖5B)，其反射結構雜亂，振幅相對變強，多為復波反射。因此，正演模擬表明，裂縫、溶洞的存在使得地震反射變得雜亂，振幅強弱變化大，多為復波反射，利用 地震正演模型可以模擬孔洞縫下的地震響應特征，據此可在地震剖面中識別孔溶洞以及裂縫。

依據裂縫、孔溶洞正演模擬反射特征，對研究區二維地震資料進行孔溶洞以及裂縫區進行解釋，初步識別出研究區西北部、南部以及中部地區發育孔溶洞以及裂縫；東部區域相對不發育。

圖4 含有少數裂縫溶洞地震地質模型以及地震正演Fig.4 Seismogeology model, forward modeling for few fracture and cavity

圖5 裂縫溶洞數量增加地震地質模型以及地震正演Fig.5 Seismogeology model, forward modeling for a lot of fracture and cavity

3 利用地震資料修正巖溶古地貌

前人研究表明奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖優質儲層受巖溶古地貌的控制[17-20]，因此編制巖溶古地貌圖顯得尤為重要。本次選取印模法作為巖溶古地貌圖的基礎手段[21-22]，并通過研究區二維地震資料結合正演模擬識別出溝槽，對印模法編制的古地貌圖進行修正。

(1)印模法恢復古地貌。本次印模法選取本溪組8號煤層頂為基準面，累計標志層至風化殼頂部的厚度，以此來鏡像反映古地貌形態，即本溪組越薄古地貌地形越高，反之古地貌地形越低。通過對比研究區內102口井的鉆井、錄井、測井資料，逐一確定標志層，計算殘余厚度(圖6)。

圖6 印模法恢復古地貌與地震修正古地貌圖Fig.6 paleo-geomorphology recovery by impression method and paleo-geomorphology recovery by seismic correction

(2)地震修正古地貌。利用地震資料橫向的高分辨率進行古地貌古溝槽識別，能夠提高古地貌恢復的精確度。具體實現步驟如下：首先，太原組底部煤層在研究區分布穩定，對太原組底部煤層進行全區追蹤解釋，作為填平補齊的標志層位；其次，奧陶系馬家溝組頂部反映下古風化剝蝕后的殘余地層，且與上覆本溪組鋁土巖波阻抗差異較大，其地震反射同相軸連續性強，對其進行全區追蹤解釋；對溝槽發育的同相軸，結合鉆井、測井以及錄井資料，確保解釋到溝槽部位；第三，對兩次解釋的層位進行相差，再進行時深轉換，便得到印模厚度；最后，用此次得出的印模厚度對單純利用井資料編制的古地貌圖進行修正。

通過印模法恢復古地貌特征表明，研究區溝槽覆蓋范圍大，研究區的東北部都有溝槽發育，只有西南部小部分范圍發育臺地。通過地震修正古地貌表明，研究區溝槽主要發育于東北部，中部南部發育臺地以及斜坡。

通過此次地震修正古地貌對比印模法恢復古地貌，認為：(a)研究區中部南部溝槽不發育，主要發育臺地，(b)研究區東北部、西北部溝槽發育，(c)用井資料進行古地貌恢復時，認為井中地層被剝蝕的越多，其為溝槽發育區域，但是通過對地震資料解釋認為是古地貌單中洼地以及洼地與臺地轉換部位。

4 利用地震屬性預測孔縫洞型儲層發育區

地震屬性是地下地質結構、巖性和所含流體等多種因素在地震資料上的綜合反映，地震屬性分析技術就是提取地震資料中所反映的地層巖性信息、構造信息、儲層特征信息以及油藏流體動態檢測等方面的信息，綜合解釋沉積儲層特征，其在油氣勘探開發中發揮著重要作用。在碳酸鹽巖儲層地震振幅屬性以及地震能量屬性中，較致密巖性發育區由于內部界面波阻抗差異小，其反射相對較弱，振幅屬性以及能量屬性也相應較弱；孔縫洞型儲層發育區由于強烈的非均質性和各向異性，地震反射相對較強，振幅屬性以及能量屬性相應也較強[23-25]。該成果前人在實際現場進行過充分應用和驗證，例如：張軍林、田世澄等在塔北地區碳酸鹽巖儲層進行過應用，趙裕輝,胡建中等在塔河油田碳酸鹽巖儲層也進行過應用，裴都等在鄂爾多斯盆地天池井區碳酸鹽巖儲層中進行過充分驗證。本次提取馬家溝組頂部層位地震振幅屬性以及能量屬性，分析地震屬性與儲層的相關性。

奧陶系馬家溝組為碳酸鹽巖，石炭系本溪組為鋁土巖，兩者波阻抗差距較大，容易形成較強的地震反射同相軸，研究區地震分辨率較低，馬五1+2地層厚度一般為30 m左右，以馬家溝組頂面為頂，向下40 ms為底面提取地震振幅屬性[26](圖7A)；用同樣的方法提取地震能量屬性(圖7B)。

圖7中紅色曲線圈出的部分為屬性較強區域，從振幅屬性中可以看出，在研究區中南部振幅屬性較強；中部發育西北走向的條帶狀強振幅區。從能量屬性圖可以看出，西北部以及中部區域有強能量屬性區，其他區域相對較弱。通過提取的地震振幅以及能量屬性表明，溝槽發育區以及臺地與洼地轉換區地震屬性以及能量較強，利用地震振幅屬性以及能量屬性，預測研究區中部、中南部以及西北部風化淋濾強烈，孔溶洞發育，視為儲層發育有利部位。

圖7 地震振幅以及能量屬性Fig.7 seismic amplitude attribute and energy attributes

5 有利區優選

奧陶系馬家溝組頂面受到風化剝蝕和大氣淡水淋濾，形成風化殼溶孔型儲層，研究區整體處于巖溶斜坡二級古地貌單元，在二級古地貌單位中發育臺地、溝槽以及殘丘等次級古地貌單元，臺地邊緣、臺地與洼地轉換部位以及溝槽兩側風化溶蝕強度大、孔洞發育，為儲層發育有利部位，是天然氣高產富集區。

本次有利區具體優選原則為：①首先參考試氣井資料，分析產氣井的主要分布層位及分布區域；②充分考慮巖溶古地貌發育特征，在區帶上優選出古巖溶斜坡、古臺地邊緣、臺地洼地轉換區域以及古溝槽兩側；③參考地震屬性所顯示的振幅、能量強的區域；④結合室內測井曲線含氣性識別，分析出有利層段；⑤考慮地層分布規律，馬五1+2段在全區有較好的試氣成果。

利用本文研究成果優選出以下有利區：延843-延844-延266井區、延115-延1063-延267井區為溝槽兩翼區，巖溶水淋濾強烈，儲層物性好，且上覆鋁土巖封蓋條件足；延111井-延556井區、延619井區為臺地洼地轉換區，轉換區受巖溶水垂直以及水平流動影響，巖溶儲層物性發育好；延313-延818井區、延112-延819井區為屬性顯示有利區，振幅以及能量屬性較強，溶孔溶洞發育，儲層物性好，為有利區帶(圖8)。

圖8 馬五1+2有利區Fig.8 Favorable Area of Mawu1+2 sub-member

6 結論

(1)通過正演模擬研究表明，古溝槽的存在導致地震同相軸出現分叉，地震裂縫、溶洞的出現導致地震同相軸雜亂、錯斷，利用研究區地震資料可以識別古溝槽，提高古地貌研究的準確性。

(2)地震屬性能夠正確反映研究區馬五1+2地層的孔溶洞，在古地貌單元中溝槽發育區、臺地邊緣以及臺地洼地轉換區地震能量以及振幅屬性較強。

(3)通過研究成果優選有利區與已有鉆井成果吻合度較高，能夠為勘探提供指導。