基于波動方程正演對九龍山地區茅口組地震響應特征識別研究

聞星宇，袁炳強，徐寶亮，張志誠，羅 強

(1.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000；2.東方地球物理勘探有限責任公司，河北涿州 072750；3.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065)

0 引言

九龍山區域構造屬于上揚子準地臺北部邊緣的龍門山山前斷褶構造帶、米倉山前緣斷褶帶和川北平緩構造帶三個次級構造帶之間的過渡區域(圖1)(鄧瑛等，2011；霍飛等，2018)。地面構造為一大型北東向穹隆狀短軸背斜，為繼承性構造隆起，從地表第四系至地腹震旦系均有構造圈閉存在(鞏磊等，2012；齊中山，2018)。

前人對深部位碳酸鹽巖儲層的研究程度較低，已鉆遇深部位儲層的井較少，但多口井見到較好的油氣顯示。九龍山地區茅口組埋深大，都在5500 m以下，基質基本無儲集性，儲集空間以裂縫、溶蝕孔洞、縫洞、小型孤立落水洞為主。波動方程正演數值模擬最接近于實際地震波傳導特征，能很好地反應地下復雜的構造，更好地研究地下復雜介質的規律。本次研究在九龍山三維區利用新處理連片地震資料分析茅口組縫洞體的地震響應特征，為深化本區海相碳酸鹽巖儲層地質認識、指導勘探部署擴大儲量范圍及提高產能等提供了重要的理論依據(李戰業等，2009；吳成，2014；薛江龍等，2016)。

1 方法原理

波動方程正演的基本步驟是：①依據實際井參數，基于非均質層狀技術原理在顯示界面繪制模型；②定義震源參數，首先設置放炮方式，然后定義炮數、炮間距和要計算的炮數，接著定義檢波點排列參數，確定采樣間隔、采樣點、初始條件(趙虎等，2011；盧浩等，2018)；③建立波動方程，可以是聲波、彈性波或粘彈性波，細節設置直接影響部分輸出結果，包括是否使用高階算法、網格化參數、邊界條件；④對波動方程進行求解(李青陽等，2019；Jia et al.，2005；李萬萬，2008)。

圖1 九龍山地區區域地質圖Fig.1 Regional geological map of the Jiulongshan area1-地點及地名；2-井位及井名；3-褶皺皺跡；4-地面構造；5-礦區邊界1-place and name；2-well location and name；3-fold trace；4-surface structure；5-mining area boundary

彈性介質波動方程：

(1)

其中，λ、μ為拉梅常數；ρ為密度，單位：kg/m3；為拉普拉斯算子；f為震源項；P為應力，單位：MPa；t為時間，單位：s。

彈性波動方程模型包含了轉換波和橫波效應(汪勇等，2019)。它不僅考慮密度和縱波的分布，也要求知道對應橫波的速度，當入射到分界面時，會同時產生反射波、透射波、散射波、繞射波等，但是計算時間很長(馬德堂等，2003；陳可洋等，2009)。彈性波動方程需要縱波、橫波、密度等，由于本文所涉及的橫波速度與密度可以根據軟件用縱波估算算出，所以只需得到縱波速度即可(曹新文等，2017；劉中憲等，2017；楊敬雅等，2019)。

綜上所述，為了更接近儲層的實際條件，本文以彈性波動方程方法為主，由于褶積法計算速度快，可以以褶積法為輔互相對比參考開展下二疊統茅口組儲層正演模擬，最大程度地發揮軟件和各方法模型的功能和優勢(陳宗清，2009；黃東等，2011；羅靜等，2013)。

2 測井響應特征

茅口組儲集空間以晶間孔、晶間溶孔及微裂縫為主，屬于裂縫-孔洞型儲層(馮明友等，2015;張本健等，2019)。儲層巖石類型主要以亮晶生屑灰巖為主，夾薄層白云巖；從Y3與Y1井可見茅口組儲層測井響應特征表現為相對低速、低伽馬(圖2)。

九龍山地區茅口組地層厚度變化大，從鉆穿茅口組鉆井數據來看，其厚度變化在110～185 m，橫向變化明顯，尤其在茅二段地層，由東北向西南方向地層剝蝕強度逐漸增強(圖3)(胡明毅等，2012；舒曉輝，2012；李延鈞等，2013)。茅口組儲層主要發育在茅二段頂部，儲層厚度沿南西北東向減薄，且整體儲層厚度較小。

圖3 九龍山地區茅口組茅二段地層劃分與對比圖Fig.3 Stratigraphic division and comparison of the second member of the Maokou Formation in Jiulongshan area

3 地震響應特征

3.1 數據準備

地質模型的準確性很大程度上取決于對基礎數據的分析。本次研究以川西北氣礦提供的九龍山地區最新的鉆、測井資料為依據，利用高密度樣點采樣統計方法，確定了Y1、Y2、Y4、Y3、Y5井和Y6井各目的層段的地層厚度(表1)、儲層厚度(表2)和地層平均速度(表3)，為本次下二疊統儲層正演提供了數學建模的理論參數。從鉆井資料來看，目前，下二疊統茅口組完鉆程度高，而僅有Y5井和Y6井鉆穿棲霞組，因而在建立儲層地球物理響應特征時，可供茅口組儲層正演結果參考驗證的過井地震剖面較多(剖面見后文)，更具一般性。

表1 單井各目的層段地層厚度統計一覽表

3.2 茅口組地質模型及正演結果

本次研究基于非均質層狀介質建模技術，采用波動方程、垂直入射等地震正演模擬方法開展不同地質模式的縫洞地震響應特征分析，建立了孤立溶洞和縫洞系統2種茅口組儲層地震響應模式(李世中等，2018)(圖4)。

圖4 茅口組儲層地質模型Fig.4 Geological model of the reservoir of Maokou Formation

3.2.1 孤立溶洞

從常規地震剖面上可以看出茅口組頂端振幅減弱、同相軸向上凸起斷續的特點，首先我們從地貌入手考慮是否為喀斯特地貌與古潛山的影響(圖5)。

考慮喀斯特古地貌，圖6模擬受該地形控制儲集體地震響應特征。該儲集體在50～300 m尺寸均有振幅減弱特征，且大于150 m尺寸儲集體同相軸多呈鋸齒狀，與實際地震儲集體呈串珠狀上拉、振幅減弱特征不符。考慮古潛山古地貌(圖7)，模擬受該地形控制儲集體地震響應特征。該儲集體受地貌影響明顯，儲集體底部均為弱峰反射特征，同相軸基本沿地貌尺寸、彎曲程度等特征上拱，僅在大于150 m尺寸儲集體處縱向上有振幅連續減弱特征，與實際地震儲集體呈串珠狀上拉、振幅減弱特征不符。

圖5 茅口組常規地震剖面Fig.5 Conventional seismic profile in Maokou Formation

圖6 茅口組喀斯特地貌模型及其正演結果Fig.6 Karst landform model of Maokou Formation and its forward modeling result

圖7 茅口組古潛山地貌模型及其正演結果Fig.7 Landform model of ancient buried hills in Maokou Formation and its forward modeling result

排除其他地貌，考慮孤立溶洞是否為造成地震常規剖面上響應特征的原因。基于非均質層狀介質建模技術和實際探井參數，綜合考慮了孤立溶洞物性差異和尺度變化兩種影響，排列長度1500 m、寬600 m，縫洞尺寸為5 m×5 m、10 m×10 m、20 m×20 m，充填速度從左到右分別為6000 m/s、5500 m/s、5000 m/s，長興組速度5000 m/s、龍潭組4900 m/s、茅二段6253 m/s、茅一段5869 m/s，炮間距30 m，道間距15 m，主頻30 Hz，網格5 m×5 m，采樣間隔2 ms，建立了茅口組孤立溶洞地質模型(圖8)。觀測系統采用中間放炮兩邊接收，采用波動方程地震正演模擬方法和疊前時間偏移等處理流程開展孤立縫洞地震響應特征分析。圖7結果為該模型的深度域偏移剖面，從正演結果不難看出，總體上孤立溶洞地震響應呈同相軸上拉、振幅減弱的特征；在當儲層物性發生變化而其他屬性不變時，物性差異越大，茅口組頂部的同相軸上拉和振幅減弱響應特征越明顯；而對于不同尺度的孤立溶洞，從橫向上不難發現，識別10 m以上尺度溶洞的地震響應特征較為清晰，且尺度越大，效果越明顯；在縱向上，呈串珠狀展布，且向下振幅驟變減弱直至消失(侯宇等，2019)。

圖8 茅口組孤立溶洞模型及正演結果Fig.8 Isolated karst cave model and forward modeling results of Maokou Formation

考慮孤立溶洞尺寸變化對地震響應的影響，200 m以上尺寸儲集體同向軸振幅減弱，但縱向上同向軸上拉效果向上減弱至消失，與實際地震儲集體呈串珠狀上拉、振幅減弱特征不符(圖9)。

圖9 茅口組大尺寸孤立溶洞模型及正演結果Fig.9 Large-scale isolated karst cave model and forward modeling result of Maokou Formation

上述茅口組孤立溶洞正演模擬地震響應特征在研究區內廣泛分布，無論是常規地震剖面(圖5)，還是過探井疊前時間偏移剖面(圖10)，在儲層發育層段均呈現良好的匹配效果。因而，證實了研究區茅口組溶蝕孔洞類型是有利儲層發育的地震響應模式：在溶蝕孔洞儲層發育層段，地震響應特征為同相軸上拉、振幅減弱的特征。

圖10 過Y1井疊前時間偏移剖面Fig.10 Pre-stack time migration profile of Y1 well

3.2.2 縫洞系統

在曲率屬性平面圖顯示深色的異常溶洞與溶蝕溝特征，表現為一系列“圓形”異常體線性展布的特征(圖11a)。剖面上主干斷裂以“Y 字形”和雁列式展布為主，受“Y 字形”斷裂控制的圈閉，其剖面形態多為虎牙狀；受雁列式斷裂控制的圈閉，其剖面形態多為漏斗狀(圖11b、c、d)；在空間上多表現為條帶狀縫洞體圈閉。

圖11 九龍山地區縫洞體Fig.11 Crack-cavity in the Jiulongshan areaa-茅口組頂界曲率平面圖；b-A-A′地震剖面特征；c-L16井成像測井照片；d-B-B′ 地震剖面特征a-curvature plane of the top boundary of the Maokou Formation；b-A-A ′seismic profile characteristics；c-L16 imaging log image；d-B-B′ seismic profile characteristics

這些深大斷裂向下消失于志留-寒武系泥頁巖塑性地層，向上消失于嘉陵江組膏鹽巖地層，是連通優質烴源巖的有效通道。縫洞體在成像測井上表現為明顯的黑色條帶沿垂向和橫向展布，垂向條帶延伸較遠，寬度較小；橫向條帶呈斷續狀，寬度較大；結合曲率屬性可以較好地刻畫縫洞體儲層發育有利區帶，茅口組曲率平面展布圖顯示出，條帶狀縫洞體與孤立溶洞同時發育。目前，九龍山地區高產井均鉆遇縫洞體圈閉，不同類型縫洞體氣藏產能差異較大，條帶狀縫洞體圈閉開發效果最好。

受加里東運動影響，研究區茅口組主要發育近東西向斷層，并在二疊系得到繼承，在早二疊紀末期，盆地抬升，茅口組大面積遭受暴露溶蝕，沿斷裂垂向和側向溶蝕，形成儲層(杜夕慶，2014)。因而，研究區縫洞系統是依托斷層發育而成。基于以上認識，結合實際鉆井參數，建立了下二疊統茅口組斷裂與溶蝕孔洞伴生的縫洞系統地質模型(圖12)。

采用褶積地震正演模擬方法開展縫洞系統地震響應特征分析，正演模擬結果顯示，在茅口組縫洞系統發育層段，同相軸明顯呈扭曲斷續、下拉、錯斷等反射特征(圖12)。這一正演結果同樣在研究區內過井地震剖面上有較好的匹配效果(圖13)。因而，證實了研究區茅口組發育縫洞系統有利儲層的地震響應模式：在茅口組縫洞系統發育層段，地震響應特征為同相軸扭曲錯斷、下拉的特征。

圖12 茅口組縫洞系統模型及正演結果Fig.12 Crack-cavity system model and forward modeling result of the Maokou Formation

圖13 過Y2井疊前時間偏移剖面Fig.13 Pre-stack time migration profile of Y2 well

4 實驗的不足與改進

由于軟件的限制，在正演模擬縫洞系統時若采用波動方程的方法在計算速度圖，得到的是平均速度，會對斷裂的效果產生影響，使最終的偏移效果不好，所以在正演模擬縫洞系統時采用褶積地震正演模擬方法。針對正演模擬速度模擬和偏移成像問題，提出以下幾點優化方案：

(1)根據所要模擬的地質模型的不同特點，了解各個軟件優缺點的差異，選取合適的軟件；

(2)針對研究區構造的復雜程度，制作多種地質模型并進行分類；

(3)按照實際地震資料對觀測系統進行設定，在復雜微小構造的情況下，設置多套觀測系統進行對比；

(4)實際模型計算時會占用大量計算資源，所以對構造簡單地區使用褶積法，復雜構造使用相應的波動方程計算，并充分發揮多核 CPU 的性能(楊尚琴，2017)；

(5)優選出偏移方法后，根據地層傾角總結出合理的偏移孔徑與反射系數。

通過優化改進可以提高效率，節約成本。

5 結論

(1)茅口組儲集空間以晶間孔、晶間溶孔及微裂縫為主，為裂縫-孔隙型儲層；從Y3與Y1井茅口組儲層測井響應特征表現為相對低速、低伽馬；茅口組儲層主要發育在茅二段頂部，儲層厚度沿南西北東向減薄，且整體儲層厚度較小。

(2)茅口組儲層地震識別模式分為孤立溶洞與縫洞系統兩種。正演結果表明茅口組孤立溶洞地震響應特征為串珠狀上拉、振幅減弱特；茅口組縫洞系統儲層地震響應特征為茅口組頂界同相軸“扭曲斷續、下拉”的特征。