利用地震正演模擬方法研究地層結構
——以鄂爾多斯盆地合水地區延長組三段為例

王文楓 岳大力* 趙繼勇 王武榮 李 偉 王 博

(①中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249； ②油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；③中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安 710021)

0 引言

地層結構研究是開展地層等時對比的重要組成部分[1]，亦是儲層精細表征的前提，因此明確地層結構對于油氣田開發具有重要的現實意義[2-4]。針對陸相油田，眾多學者已經探索出一套基于井資料的“旋回對比、分級控制、逐級閉合”的地層結構分析與等時對比方法[3,5-7]。在地震資料品質好的地區，采用“井震結合”開展油層對比的方法也得到了廣泛認可。但是，受縱向分辨率的限制，地震反射波形具有一定的多解性[8-9]。比如針對前積反射，眾多學者依據同相軸尖滅的特點，選取地層尖滅模式開展地層對比。然而，當地層厚度小于地震分辨率時，地震反射同相軸存在穿時的可能[8,10-11]，地層在未尖滅的情況下亦會出現地震同相軸尖滅現象[12-13]。因此，嚴格按照地震波形開展地層結構研究，可能會導致認知出現偏差，進而導致地層對比穿時、砂體歸屬混亂[14]。

地震正演模擬方法是降低地震資料多解性的有效方法之一，也是建立地震反射波形與地層結構對應關系的重要橋梁[11,15-19]。因此，本文采用地震正演模擬方法，對鄂爾多斯盆地合水地區延長組三段(簡稱長三段)的地層結構開展研究，明確地層發育特征，為研究區的儲層精細表征提供基礎。

1 概況

合水地區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡西南部，在長三段沉積期，其處于湖盆邊緣的緩坡部位。長三段埋深為1200～1950m，發育特低滲致密砂巖儲層，從上至下可分為長4+5、長6和長7油組，各油組又可進一步細分成數個砂組[20](表1)。

地震剖面(圖1)上可見兩個反射標志層：第一個標志層為長7和長8油組的分界(即長8_1砂組頂面)，為連續的強波峰反射[21]；第二個標志層為長6_3砂組頂界面。

表1 鄂爾多斯盆地合水地區地層劃分方案(據文獻[20])

研究區二維地震資料揭示在下傾方向可見前積地震反射現象。由于前期對該區地層結構認識不清，地層對比以“平對”為主[22-23]，存在穿時現象，導致油氣開發效果不理想。另外也有學者采用“下傾尖滅”方式進行地層對比[13]，如圖1a所示，長6_3頂地震反射同相軸由z169井向z40井方向逐漸接近長8_1頂地震反射同相軸，并在z40井之前尖滅，由此可得出z40井不發育長6_3砂組(老地震層位解釋方案)，但實際上z40井鉆遇長6_3砂組，說明該對比方式仍存在砂體歸屬不清的問題。因此，本文利用地震正演模擬方法針對前積地層結構展開研究，以解決地層單元細分、對比問題。

2 前積地層結構及地震波形特征

2.1 前積地層結構樣式的概念模型

在地震剖面上(圖1)可見，長6_1、 長6_3、長7_1及長8_1砂組頂面均為波峰反射。其中，長6_3與長7_1砂組頂面反射同相軸向下傾方向逐漸尖滅在長8_1砂組頂面，形成前積反射結構。以該地震剖面(順物源方向)前積反射結構為原型，抽象建立三種地層結構樣式的概念模型(圖2)。概念模型均由相鄰三套地層及其上、下圍巖組成，其中1號、2號和3號地層分別對應長7_1頂面與長8_1頂、長6_3頂與長7_1頂、長6_1頂與長6_3頂所限定的地層單元。第一種地層結構樣式為等厚尖滅式，1～3號地層的初始厚度(均為80m)相等，且各地層頂面基本平行，1號與2號地層依次下傾變薄、尖滅(圖2a)； 第二種地層結構樣式為底部地層減薄式(圖2b)，相鄰三套地層初始厚度相等，亦為80m，1號與2號地層在底部快速減薄但未尖滅(厚度減薄至10m)，3號地層厚度略有減薄(減薄至60m)。第三種地層結構樣式為地層厚度等比例減薄式(圖2c)，相鄰三套地層初始厚度相等，均為80m，三套地層厚度整體同比例減薄，最終厚度仍近似相等。

圖1 研究區地震剖面層位解釋方案

研究區三套地層均以反旋回為主(下部以泥巖為主，上部以砂巖為主)，自下而上縱波速度與密度值整體呈增大的趨勢。縱波速度為3900～4100m/s，平均約為4000m/s。因此，設計概念模型中各套地層的縱波速度由底部3900m/s過渡為頂部4100m/s。為了簡化模型，將圍巖設置為背景相，其縱波速度設為平均速度，即4000m/s(圖2)。

圖2 三種地層結構樣式的概念模型(左)及對應速度模型(右)

2.2 概念模型的地震波形響應特征

采用基于“波前速度掃描”(Wave Front Sweep Velocity)的褶積方法[24]分別對三種地層結構概念模型(圖2)進行正演模擬。研究區不同二維地震測線主頻略有變化，最低約為25Hz，最高約為35Hz。在模擬過程中考慮地震資料品質，分別采用25、30、35Hz的雷克子波進行正演模擬，并與實際地震剖面進行對比、分析，探討研究區可能的地層結構樣式。

2.2.1 等厚尖滅式模型響應特征

針對等厚尖滅式地層結構模型，由25Hz雷克子波激發得到的模擬結果表明，地層界面表現為強波峰反射，且反射同相軸能夠較準確地反映地層界面位置及地層之間接觸關系(圖3a)。伴隨著2號、3號地層厚度的不斷減薄，地層底部的反射同相軸逐漸與1號地層底部相交，且反射同相軸連接處無錯斷現象。值得注意的是，受地震子波分辨率的限制，反射同相軸相交位置略微早于該地層界面尖滅位置(圖3a)。

圖3 等厚尖滅式結構模型不同頻率雷克子波正演結果

采用30、35Hz雷克子波激發得到的結果與25Hz相似(圖3b、圖3c)，但細節上略有不同。采用30Hz雷克子波激發時，3號層底部與1號層底部反射同相軸相交位置連續性差，呈現明顯的間斷現象；采用35Hz雷克子波激發時，反射同相軸相交位置的連續性較25Hz的模擬結果略差，但無明顯間斷現象。

2.2.2 底部地層減薄式模型響應特征

針對底部地層減薄式地層結構模型，由25Hz雷克子波激發得到的模擬結果(圖4a)表明，地層界面表現為強波峰反射，剖面左側反射同相軸能夠較為準確地反映地層界面的位置。但是由于剖面右側地層減薄后的厚度(10m)遠遠小于地震資料可分辨厚度(25Hz條件下，1/4波長約為33.33m)，1、2號地層頂部的反射同相軸逐漸與1號地層底部相交，且反射同相軸相交處早于地層厚度減至10m的位置。實際上1、2號地層并未尖滅(地層界面未相交)，同相軸反映情況與地層發育情況不符，即當地層厚度小于地震資料可分辨厚度時，地震反射特征無法準確反映地層界面的位置及地層之間接觸關系。

采用30Hz與35Hz雷克子波激發得到的結果與前者相似(圖4b、圖4c)，且隨著子波頻率增大，同相軸相交位置越來越靠近地層厚度減至最薄之處。

圖4 底部地層減薄式結構模型不同頻率雷克子波的正演結果

2.2.3 地層厚度等比例減薄式模型響應特征

針對地層厚度等比例減薄式地層結構模型，由25Hz雷克子波激發得到的模擬結果表明，在地層厚度減薄之前，地層界面表現為強波峰反射，同相軸能夠較準確反映地層界面位置；地層厚度減至最薄(80/3m，模型右半部分)后，界面的反射振幅明顯減弱，且無法準確反映地層界面位置及地層之間接觸關系(圖5a)。1號地層減至最薄時，1號地層頂、底界面逐漸合并形成復合地震波形； 2號地層與1號地層特征相似，地層減薄后頂、底界面形成復合地震波形； 3號地層減至最薄時，其頂部反射同相軸消失，底部反射同相軸與實際地層界面相比向上偏離，地震波形無法準確反映該地層頂、底界面的位置。總之，在地層厚度等比例減薄至80/3m時，地層厚度小于地震可分辨厚度，地震波形為多個地層界面的綜合響應，即地震波形無法準確識別界面的位置及地層之間接觸關系。

采用30Hz與35Hz雷克子波激發得到的結果與前者相似(圖5b、圖5c)。激發頻率由25Hz→30Hz→35Hz變化時，調諧厚度相應變化為40.00m→33.33m→28.57m，地震分辨率隨之相應提高，模型右側多個界面的復合地震波形逐漸呈現分離的趨勢，但是受相鄰界面波形的干擾，反射同相軸與實際地層界面發生偏離，波形仍難以準確反映地層界面的位置及地層之間接觸關系。

圖5 地層厚度等比例減薄式結構模型不同頻率雷克子波的正演結果

與實際地震剖面(圖1)對比可見，長7_1頂、長6_3頂與長8_1砂組頂部反射同相軸依次相交，構成前積反射結構，等厚尖滅式、底部地層減薄式地層結構模型的正演模擬結果與該地震反射特征一致，即2號、3號地層底部反射同相軸依次與1號地層底部相交，組成前積反射結構(圖3、圖4)；地層厚度等比例減薄式地層結構模型的正演模擬結果與實際地震剖面反射特征存在明顯差異(圖5)。因此，前兩種地層結構模型均為本文研究區地震前積反射的可能結構樣式。

3 實際應用

在恰當的約束條件下，利用測井資料可以建立一個與地下實際情況較為接近的波阻抗模型，其正演模擬結果可以接近實際地震波形。相反，當地層結構樣式選取不恰當時，波阻抗模型可能會與實際情況相差甚遠，其正演模擬結果與實際波形就會偏差較大。因此，可以依據地震正演模擬結果檢驗地層結構樣式的準確性。

為進一步評價等厚尖滅式、底部地層減薄式地層結構樣式在研究區的適用性，本文根據實際資料建立了與以上兩種地層結構樣式相對應的正演模型(圖6a、圖7a)。在等厚尖滅式正演模型中，長7、長6_3與長6_1頂界面由南(剖面左端)向北(剖面右端)逐漸下傾，長7頂界面尖滅在z169井與z18井之間，長6_3頂界面尖滅于z40井與z15井之間(圖6a)；在底部地層減薄式正演模型中，長7、長6_3與長6_1頂界面由南向北逐漸下傾，各地層厚度減薄但不發生尖滅，其中長7油組厚度在z169井處減薄至10～15m，長6_3砂組厚度在z40井處同樣減薄至10～15m(圖7a)。為使正演模擬結果更加合理，實際正演模型保留了長4+5_2砂組。基于聲波時差與密度(沒有密度資料時用Garden公式計算得到[25])得到波阻抗，在相應地層格架的限定下，由波阻抗插值建立波阻抗模型(圖6b、圖7b)。由插值結果可知，在傾斜地層中插值得到的波阻抗模型也具有傾斜特征，且每套地層單獨插值，插值結果互不影響。為使模擬結果更加接近地下實際情況，采用研究區實際地震子波(目的層統計子波)激發，并加入了少量噪聲，得到結果如圖6c、圖7c所示。

圖6 等厚尖滅式地層結構地質模型(a)、波阻抗模型(b)和正演模擬結果(c)

圖7 底部減薄式地質模型(a)、波阻抗模型(b)和正演模擬結果(c)

等厚尖滅式模型的正演模擬結果表明，各地層界面以波峰反射為主，但在細節上反射同相軸與地層界面仍存在一定差異(圖6c)。長6_3頂部反射同相軸與長8_1頂部反射同相軸相交，相交處振幅明顯減弱，且相交位置略早于地層界面尖滅位置。伴隨著地層厚度逐漸減薄，在地層趨于尖滅處地層厚度已小于地震可分辨厚度，地震波形為該地層頂、底界面的復合響應。

底部地層減薄式模型的模擬結果與等厚尖滅式相似，但在細節上存在差異(圖7c)。長6_3砂組在z40井處地層厚度減薄至10～15m，因此，底部反射同相軸自z40井向北表現為長8_1、長7與長6_3頂界面的復合響應，其波形分辨率變低(相位變寬)、振幅減弱。

盡管兩種地層結構樣式的正演模擬結果略有區別，但整體較為相似，且均與研究區實際地震剖面的前積反射結構特征相吻合，因此這兩種地層結構模型均有可能與研究區地層結構特征相符。前人研究及鉆井資料表明[13]，研究區長7油組底部的張家灘頁巖與長6_3砂組頂部的碳質泥巖在全區廣泛發育，并未尖滅。因此，底部地層減薄式地層結構樣式更符合研究區實際情況，采用該樣式可以對本區地層進行準確對比，從而得到合理的地震解釋方案(圖1b)。

4 結論

本文采用地震正演模擬技術，對鄂爾多斯盆地合水地區延長組三段的地層結構特征進行研究，得出以下結論。

(1)基于實際地震剖面的前積反射結構特征，在沉積模式的指導下，抽象建立了三種地層結構樣式，即等厚尖滅式、底部地層減薄式和地層厚度等比例減薄式。

(2)等厚尖滅式和底部地層減薄式地層模型的地震正演模擬結果均出現前積反射，表明以上兩種模型均可作為前積反射的可能地層結構樣式。長7油組在研究區未發生尖滅，因此底部地層減薄式結構樣式更符合研究區的地層發育特征。

(3)針對研究區的地層結構特征的認知可為后續地層等時對比、精細儲層表征提供地質基礎。基于地震正演的地層結構研究方法可為其他相似研究區提供借鑒。