純縱波地震資料在高石梯地區燈四段儲層研究中的應用

丁博釗 孫贊東 蔡加銘 王亞靜 朱興卉 徐麗軍

（①東方地球物理公司研究院，河北涿州072750；②東方地球物理公司海洋物探處，天津300457；③東方地球物理公司采集技術研究中心，河北涿州072750）

0 引言

髙石梯地區震旦系燈影組四段（簡稱“燈四段”）白云巖儲集層溶蝕孔、洞發育，上覆蓋層為寒武系筇竹寺組碎屑巖，橫向速度變化大，導致儲集層地震響應特征多解性強，內部層序難以準確刻畫。常規疊加資料由于受AVO效應以及動校拉伸的影響，振幅信息的準確性不夠高，且分辨率較低，難以滿足研究需求。

在二十世紀八十年代，俞壽朋等［1］通過多項式擬合、Radon變換等處理手段提取零入射角道信息，克服了常規疊加地震資料缺陷。但這些擬合方法在提高資料分辨率的同時又降低了信噪比，并且多次波干擾嚴重。二十世紀九十年代，李慶忠［2］通過剔除擬合法，擬合出不含動校拉伸、不含多次波的縱波剖面，但需要對剔除量、擬合方次等參數進行試驗，計算周期較長，在實際生產中并未大范圍推廣。隨著AVO反演技術的推廣，純縱波資料更多的是作為求取波阻抗的過程產物，其本身在實際勘探中的應用并未受到足夠重視，特別是在復雜碳酸鹽巖油氣藏勘探開發中的應用鮮有文獻提及。

為了提高髙石梯地區燈四段地震資料反射品質，消除上覆層速度變化帶來的影響，落實層序界面和儲層厚度，本文基于疊前彈性反演方法，開展了純縱波資料的提取及應用，取得了很好的效果。

1 研究區概況

髙石梯地區位于四川盆地中部（簡稱“川中”）古隆起的東高點，是震旦紀以來的疊隆區［3］。震旦系白云巖巖溶儲層為臺地邊緣丘灘相沉積，經歷了復雜的沉積及改造過程。

桐灣運動和加里東運動在髙石梯地區形成多組北西向及北東向直立斷層，為大氣淡水下滲及深層熱液上移提供了良好通道，也使髙石梯地區在震旦紀─二疊紀處于古地貌高部位［3］。在燈影組沉積時期，高石梯地區經歷了桐灣一幕、二幕構造活動（分別對應燈影組二段、四段沉積末期），先后遭受抬升、剝蝕和淡水淋濾作用［4-7］，形成大面積風化殼巖溶儲層。此外，在燈四段沉積過程中出現短期沉降事件，將燈四段分為上、下亞段兩個四級層序。其中，燈四段上亞段受到短期同生/準同生成巖─巖溶作用、長期的風化淋濾作用以及多期的熱液溶蝕作用的多重改造［6，8］，是優質儲層發育層段。

燈四段埋深超過5000m，巖性為灰色藻疊層、藻凝塊白云巖。燈影組上覆寒武系筇竹寺組碎屑巖蓋層厚度為30～100m。蓋層泥質含量橫向變化大，相變頻繁。

由于高石梯地區燈四段特有的儲、蓋層形成條件，在儲層研究過程中主要面臨下述三個問題。

（1）常規疊加地震資料難以準確反映儲、蓋層之間阻抗差異。致密白云巖具有較高的速度和密度，若溶蝕孔、洞發育，則其波阻抗值下降，從而與上覆蓋層之間的波阻抗差減小，導致反射波能量相對變弱。從理論上講，根據燈四段上亞段頂面地震反射振幅的強弱即可預測其物性，但實際上：①該區為典型的白云巖巖溶儲層，優質儲層多發育溶洞、溶蝕孔及晶間孔，并依靠裂縫溝通形成溶蝕縫洞體，溶蝕縫洞體的規模遠小于灰巖巖溶儲層，其地震響應特征并不明顯，難以形成類似于塔里木盆地奧陶系灰巖巖溶的“串珠”狀地震強反射［9-10］；②大面積的風化淋濾作用使白云巖巖溶儲層在研究區內普遍發育，但優質儲層與一般儲層的物性差異并不明顯。因此，現有的疊加資料由于受AVO效應的影響而振幅失真，不能很好地反映儲層物性之間的細微差異，難以滿足研究區儲層精細研究的需要。

（2）蓋層巖性的橫向變化增加了儲層預測的難度。由于構造變動頻繁，研究區內筇竹寺組碎屑巖蓋層泥質含量橫向差異較大，速度橫向變化大，導致儲層與蓋層之間存在不同的波阻抗差異，即形成不同的振幅反射（圖1）。如果按照統一的地震反射特征判斷儲層物性，則容易誤判。因此，蓋層的準確分區對其下伏儲層的準確預測至關重要。

圖1 蓋層速度變化導致下伏儲層頂界面不同反射特征

（3）常規地震資料不能滿足該區燈四段層序劃分需求。由于高石梯地區燈影組為臺地邊緣丘灘相沉積，層序研究對認識儲層的宏觀發育規律至關重要。受資料條件的限制，前期未對燈四段內部層序開展深入研究，特別是不清楚燈四段上亞段的展布特征，直接影響了高產井地震—地質模式的建立以及開發鉆井工藝的選擇。如何開展高精度層序研究，特別是在全區準確識別燈四段上、下亞段層序界面顯得尤為重要。疊加資料受動校拉伸的影響，分辨率低，難以滿足這一需求。

王靖等［11］、孫秀華等［12］的研究 表明，相對 于常規疊加地震資料，純縱波地震資料具有分辨率高、保幅性好等優勢。為此，本文利用純縱波地震資料解決上述問題，以期為高石梯地區復雜碳酸鹽巖儲層研究提供了新的思路，獲得新的認識。

2 純縱波的提取

2.1 方法原理

Zoeppritz方程解近似為

式中：RPP代表不同入射角θ對應的縱波反射系數；VP、VS和ρ分別為平均縱波速度、橫波速度和密度；ΔVP、ΔVS和Δρ分別為界面上、下的縱波速度、橫波速度和密度的差值。

假定VP1、VS1和ρ1為第一層介質的縱波速度、橫波速度和密度，VP2、VS2和ρ2為第二層介質的縱波速度、橫波速度和密度，則

式（1）描述了地震波反射系數與入射角、彈性參數（密度、速度等）的關系。當入射角小于30°且ΔVP/VP也較小時，可省略式（1）等號右邊第三項，改寫成關于sin2θ的線性方程，即

工業界通常使用式（3）求取純縱波信息。將地震數據每個采樣點振幅與sin2θ擬合，即可獲得AVO截距P，可近似為純縱波RP。但是由于式（3）省略了式（1）等號右邊的第三項，因此只適合θ小于30°的情況。隨著θ增加，RP求解精度降低。

本文采用的純縱波提取方法是將式（1）進行重組、調整后形成新的方程［13-14］，再通過奇異值分解法求解新方程，得到純縱波信息。具體求解過程如下。

新方程為

式中RP、RS和RD分別代表零入射角縱波、橫波和密度信息。

將保幅偏移后的共成像點道集分角度疊加，分別得到RPP1、RPP2、RPP3三個地震數據體（分別包含近、中、遠道信息）。將其作為輸入數據，可得到矩陣方程

為了得到一個線性矩陣以便于求解，需要給定該地區巖石縱橫波速度比值。目前已知地下常見巖石的縱橫波速度比大多為1.8～2.2［15-16］，因此假設VS/VP＝0.5。在已知入射角θ以及RPP1、RPP2、RPP3（由地震記錄得到）的條件下，即可通過奇異值分解法求解該矩陣，求得RP。

純縱波RP數據為近似于零入射角（自激自收）的縱波信息，因而消除了AVO效應，避免了由于疊加造成的振幅失真及分辨率降低的影響。用它代替原有的疊加資料應用于地震資料解釋，不僅具有更高的地震視分辨率，同時具有更好的相對保幅性，因此在求取純縱波信息過程中，對反演道集的保幅性有更高要求。本文采用的純縱波反演道集，均以高分辨率、高保真地震資料處理以及高精度地震偏移為前提［17］，同時以準確的巖石物理分析為保障，因此求取的純縱波數據能夠準確表征縱波零角度入射時的反射特征，更好地應用于實際地震資料解釋。

2.2 純縱波地震資料效果

在原有常規疊加地震剖面（圖2a左）上，鉆井位置存在地震反射特征與實際速度資料相矛盾的現象。GS6井與GS7井間距離為8km，兩口井的儲層段縱波速度差異不大，分別為6773m/s和6705m/s；但蓋層段由于泥質含量差別大，縱波速度差異明顯，分別為4064m/s和5541m/s。因此，GS6井的儲、蓋層之間波阻抗差值比GS7井大。從理論上講，GS6井反射波振幅應該更強，但實際上，GS6井的振幅略弱于GS7井。而純縱波地震剖面（圖2b左）能正確地反映這種關系。

相較于常規疊加地震資料，純縱波資料燈四段頂面反射波峰的能量橫向變化更為明顯，更加真實地反映出蓋層巖性的橫向變化，可更好地用于儲層預測。

另外，純縱波資料避免了動校拉伸對分辨率造成的影響，能夠恢復地震數據原有的分辨率。純縱波資料燈四段主頻達到43Hz（圖2b右），較常規資料分辨率（主頻為35 Hz，圖2a右）明顯提高；同相軸增多且連續性更好，所反映的地質細節更豐富（圖2藍色矩形框所示）。

圖2 過井地震剖面（左）及燈影組燈四段主頻（右）對比

3 純縱波資料的應用

3.1 蓋層分區及儲層預測

研究區蓋層泥質含量的橫向變化對下伏儲層地震反射特征影響明顯，因此儲層預測需要準確劃分高、低速蓋層區。

蓋層筇竹寺組埋藏深度超過4000m，地震波在傳播過程中，高頻部分因地層吸收而衰減較多，而低頻信號具有更強的穿透力，在反映深層大套地層間接觸關系時更具優勢［18］。由圖2可知純縱波資料可以更好地反映儲、蓋層之間的阻抗差異，因此本文將純縱波資料作為研究的基礎資料。

通過頻譜分析，可以確定蓋層段頻譜范圍為5～80Hz。采用8～30Hz的帶通濾波器可得到低—中頻數據體。從圖3可以看出，低—中頻體剖面能夠清晰反映筇竹寺組蓋層的橫向變化，并可見地層呈明顯的雙向交錯、疊置現象，更加符合該地區雙向物源供給的沉積背景［19-20］。

通過地震地質層位標定發現，筇竹寺組蓋層的振幅越強，對應的儲、蓋層阻抗差異越大，蓋層速度越低。因此，可通過提取中—低頻體中蓋層段均方根振幅以劃分高、低速區。從圖4a可見，蓋層低速區（強振幅）與高速區（弱振幅）均呈片狀分布，反映出物源差異造成的蓋層泥質含量的不同［19-20］。

統計工區內現有11口井的蓋層段伽馬（GR）平均值（圖4b）發現，自北向南，GR平均值呈遞增趨勢，與振幅屬性所反映的變化規律相吻合。

結合蓋層沉積環境分析，最終可以確定低速蓋層區的大致范圍（圖4b）。在這些區域內，地震屬性特別是振幅類屬性，可以作為儲層預測、評價的依據。

圖3 過GS6井低—中頻體純縱波地震剖面

圖4 筇竹寺組蓋層區劃分結果

以GS6井、GS10井兩口生產井所在的Ⅰ區為例（圖4b），采用相同時窗（燈四段頂～下移5ms），從純縱波資料和常規疊加資料分別提取代表儲層物性的均方根振幅屬性（圖5）。在純縱波資料（圖5b）中顯示為能量團塊的部分區域，在常規資料（圖5a）上未見顯示或僅見微弱顯示，特別是GS10井所在位置，在常規資料（圖5a橢圓框內）上未顯示出強能量團塊，與實鉆揭示的GS10井的儲層較發育特征明顯不符。可見在筇竹寺組蓋層巖性變化劇烈的地質背景下，利用純縱波資料研究不同蓋層條件（分區）下的儲層發育特征，結果更為合理、可靠。

3.2 燈四段內部層序界面識別

圖6為過GS2井的一條斜交臺緣的任意線剖面。常規疊前時間偏移剖面燈四段內部的同相軸為近平行結構。前人根據GS2井的標定結果，將燈四段頂之下第一個波峰確定為燈四段上、下亞段之間的分界面（圖6a）。純縱波剖面（圖6b）分辨率明顯高于常規疊前時間偏移剖面（圖6a），能夠更清晰地呈現上超、削截等地層接觸關系，層序界面更加清晰、易于解釋。

圖5 低速蓋層區（Ⅰ區）儲層均方根振幅屬性對比

圖6 燈四段上、下亞段層序界面不同解釋方案對比

根據純縱波地震資料的波組特征，本文認為燈四段上、下亞段之間的分界面并非平行于燈四段頂、底的同相軸，而是一個在燈四段內部、傾向盆地方向的、略具階梯狀特征的傾斜界面，對應一組斜交于燈四段頂、底的弱波峰，這與前人劃分方案差異較大。

為了驗證本文劃分方案的合理性，利用兩套資料、兩種劃分方案對研究區燈四段上、下亞段之間分界面精細解釋，得到兩張形態迥異的燈四段上亞段時間域厚度圖（圖7）。通過對比可見，前人劃分方案求得的厚度規律與臺緣帶的沉積環境不吻合（圖7a），而本文劃分方案得到的厚度則具有明顯的由臺緣向臺內逐漸變薄的特征（圖7b）。

首先，從區域沉積特征上看，髙石梯地區燈影組地層為典型的臺地邊緣相沉積。在燈四段沉積初期，也就是碳酸鹽巖臺地形成期，碳酸鹽生長速率與海平面上升速率一致，表現為海侵體系域，形成加積型臺地邊緣。這個時期沉積環境相對不穩定，易形成晶粒白云巖、凝塊狀白云巖及砂屑白云巖等貧藻類巖石。而在燈四段沉積后期，海平面持續上升，碳酸鹽生長速率大于可容納空間增長速率，地層為向海進積沉積，表現為高位體系域特征［21-22］。此時，沉積環境相對穩定，易形成層紋狀白云巖、疊層狀白云巖、泡沫狀白云巖等富藻類巖石。海侵體系域與高位體系域巖性及物性上的差異，形成了地震剖面上的燈四段上、下亞段之間的反射界面。純縱波資料的剖面解釋模式（圖6b）與Emery等［23］提出的碳酸鹽臺地模式形態（圖8）相吻合。

其次，從已鉆井成果看，位于臺緣附近的GS3井、GS9井以及GS6井燈四段上亞段厚度明顯較大，而臺內的GS8井、GS10井以及GS2井燈四段上亞段厚度則較小（圖7b）。

再次，可以根據6口井的測井曲線（圖9）分析合理性。考慮GR曲線對巖性的敏感性以及層序分析的需要，本文首先對GR曲線進行低通濾波處理，并將各井曲線沿燈影組頂部拉平、對齊（圖9）。可以看出，位于臺地內的三口井（GS8井、GS10井、GS2井）GR曲線形態較為相似，具代表加積特征的箱型—鐘型，對應為海侵體系域。分布在臺緣附近的三口井（GS3井、GS9井、GS6井）GR曲線特征更為相似，具代表前積特征的漏斗型，對應為高位體系域。將各井GR較高值位置作為海侵體系域與高位體系域之間的界面，即為燈四段上、下亞段之間的分界面。

圖7 不同劃分方案求取的燈四段上亞段時間厚度對比

圖8 碳酸鹽巖臺地邊緣沉積模式（據Emery等［23］修改）

圖9 部分鉆井自然伽馬曲線連井對比

從層序界面劃分結果可以看出，在燈四段地層整體厚度變化不大的前提下，海侵體系域地層厚度由臺緣向臺內呈明顯增大趨勢，而高位體系域地層厚度則明顯減小，最大海泛面逐漸抬升，這也與經典的碳酸鹽臺地邊緣沉積模式（圖8）相吻合。

由上述可見，無論沉積特征分析，還是測井曲線對比，都可以證明層序新劃分方案的合理性。

資料品質直接影響地質認識，純縱波資料的應用，對重新認識燈四段上、下亞段的沉積與儲層特征具有重要意義，并為該區開發方案的優化提供參考。根據本文研究成果，建議在臺緣帶燈四段上亞段沉積厚度較大地區，可實施大斜度鉆井，以較低的成本鉆遇更多的儲層；在臺內燈四段上亞段較薄區，可在儲層優選的基礎上采用水平井工藝，以提高單井產量［24］。

4 結論

（1）純縱波資料能夠消除AVO效應、有效避免疊加造成的振幅失真，正確反映儲、蓋層的阻抗差異，儲層預測更加準確。

（2）純縱波資料揭示了高石梯地區筇竹寺組蓋層雙向交錯沉積特征以及蓋層巖性的橫向變化。利用純縱波資料分區研究不同蓋層條件下的儲層發育特征是更為合理、可靠的方案。

（3）純縱波資料能夠減小動校拉伸造成的影響，恢復地震資料本身固有的分辨率，清晰反映了燈四段上、下亞段之間分界面及燈四段內部沉積層序，本文新的界面劃分方案可為開發井部署提供參考。