馮 磊，吳 偉

（河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454000）

井震結(jié)合古地貌恢復(fù)方法及應(yīng)用
——以遼河灘海西部地區(qū)沙一段為例

馮 磊，吳 偉

（河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454000）

古地貌恢復(fù)研究是油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容，古地貌恢復(fù)的準(zhǔn)確性直接影響物源、古水流等沉積特征的判斷。針對(duì)遼河灘海西部地區(qū)鉆井分布不均的特點(diǎn)，在鉆井資料地層厚度壓實(shí)校正基礎(chǔ)之上，提出利用地震資料進(jìn)行井間古地貌趨勢(shì)補(bǔ)償，將鉆井資料和地震資料有機(jī)地融合。通過(guò)在遼河灘海西部沙一段應(yīng)用表明，該方法效果良好，能夠較真實(shí)地反映古地貌分布特征。

古地貌；壓實(shí)校正；趨勢(shì)補(bǔ)償；遼河灘海

0 前言

古地貌是控制盆地內(nèi)沉積發(fā)育的重要因素之一，而且是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)中深部油氣儲(chǔ)層的關(guān)鍵和基礎(chǔ)［1］。真實(shí)準(zhǔn)確地恢復(fù)沉積時(shí)期的古地貌，對(duì)于探索沉積規(guī)律具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)還可為油田勘探提供重要的分析依據(jù)，擴(kuò)大巖性油氣藏勘探成果［2、3］。

遼河灘海探區(qū)位于渤海灣盆地東北部，是遼河盆地陸域地區(qū)與遼東灣地區(qū)構(gòu)造單元的過(guò)渡區(qū)帶，屬于遼河坳陷向海域的自然延伸部份，其形成于中～新生代的陸相斷陷型盆地。古近系基地形態(tài)總體上表現(xiàn)為“二凹三凸”的基本構(gòu)造格局［4］，即西部凸起、西部凹陷、中央低凸起、東部凹陷和東部凸起。其中，研究區(qū)西部凹陷基底受海南斷層和葫蘆島斷層的控制，形成了西抬東降的單斷式半地塹，沿主干斷層發(fā)育了呈右行排列的眾多次級(jí)洼陷。由于葫蘆島凸起的插入，使西部凹陷在灘海地區(qū)分為兩支（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。研究區(qū)地形地貌變化復(fù)雜，亟需能夠真實(shí)有效恢復(fù)古地貌的方法和手段。

1 方法原理及步驟

目前，古地貌恢復(fù)的方法主要從構(gòu)造恢復(fù)和地層恢復(fù)兩方面入手，作者本次研究是基于地層的恢復(fù)。

現(xiàn)今保留的地層厚度是在漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程中沉積物經(jīng)過(guò)埋藏、成巖、剝蝕等作用后的殘余厚度已經(jīng)不能反映原始沉積時(shí)的真實(shí)地層厚度。古地貌恢復(fù)就是對(duì)現(xiàn)存的地層厚度進(jìn)行一系列的校正處理，逐步回剝恢復(fù)到原始沉積的厚度。在回剝時(shí)，可視為剔除上覆地層，并將不同時(shí)期古水準(zhǔn)面恢復(fù)到原位的過(guò)程。國(guó)內(nèi)、外學(xué)者分別從構(gòu)造分析、沉積分析以及層序地層等方面的分析入手，但其依賴(lài)的基礎(chǔ)都是利用地層厚度圖、砂巖厚度圖構(gòu)造圖等，來(lái)定性地分析當(dāng)時(shí)的地貌形態(tài)［3、4］。隨著勘探工作的不斷深入，對(duì)古地貌恢復(fù)的要求逐漸從定性分析到定量分析，急需新的技術(shù)手段來(lái)恢復(fù)沉積時(shí)期的地層厚度。這就要求盡可能地綜合地質(zhì)、測(cè)井和地震資料，將有效信息提取、融合，以減小古地貌恢復(fù)的多解性。目前，主要的地層厚度恢復(fù)手段有：壓實(shí)校正、剝蝕校正、古水深校正等。由于遼河灘海地區(qū)沙河街組時(shí)期剝蝕量相對(duì)較小，且缺乏進(jìn)行古水深校正的古生物資料，所以作者在本次古地貌恢復(fù)中，主要進(jìn)行壓實(shí)校正，并在鉆井壓實(shí)校正的基礎(chǔ)之上，通過(guò)井間趨勢(shì)補(bǔ)償技術(shù)，將地震資料信息彌補(bǔ)到井間，以提高古地貌恢復(fù)的精度。

圖1 遼河灘海西部地區(qū)斷裂綱要Fig.1 Fault map of western beach area of Liaohe

1.1 地層厚度恢復(fù)

1.1.1 建立壓實(shí)方程

壓實(shí)校正主要基于沉積壓實(shí)原理，即隨著埋藏深度的增加，地層上覆蓋負(fù)載也增加，導(dǎo)致孔隙度變小，體積變小。假定地層的橫向位置在沉降過(guò)程中不變，僅是縱向位置發(fā)生變化。因此，地層體積變小就歸結(jié)為地層厚度變?。?］。不同巖性壓實(shí)作用有較大的差異，Athy（1930）對(duì)美國(guó)賓夕法尼亞和俄克拉荷馬南部二疊系研究過(guò)程中，得出在一定深度范圍內(nèi)，沉積地層的孔隙度值隨深度呈指數(shù)減小，密度隨深度呈指數(shù)增大的關(guān)系曲線(xiàn)。即滿(mǎn)足以下關(guān)系［5］：

式中 Φ（h）是深度h處的巖石孔隙度；Φ0為深度h＝0時(shí)的孔隙度；C為壓實(shí)常數(shù)。

Φ0和C值對(duì)不同的巖性和地區(qū)是不同的，可以根據(jù)不同深度的鉆井孔隙度值，建立孔隙度～深度關(guān)系曲線(xiàn)圖，并用最小二乘法按指數(shù)函數(shù)擬合求得不同巖性的Φ0和C值。作者結(jié)合遼河灘海西部鉆井資料，制作了研究區(qū)砂巖和泥巖的孔隙度隨深度變換的關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2及圖3），分別獲得了砂巖、泥巖的壓實(shí)方程：

（1）泥巖壓實(shí)方程。

（2）砂巖壓實(shí)方程。

1.1.2 壓實(shí)校正

建立了壓實(shí)方程后，就可以依據(jù)地層骨架厚度不變壓實(shí)模型對(duì)地層進(jìn)行壓實(shí)校正，求出不同地質(zhì)時(shí)期的地層古厚度或古埋深，具體采用回剝法技術(shù)［2］。按照地層骨架厚度不變的假設(shè)，有：

式中 h2和h1是已知地層頂?shù)茁裆睿沪担╤）是建立的壓實(shí)方程；h′1是給定的地層在地質(zhì)時(shí)期的頂面埋深。

當(dāng)?shù)貙映练e剛完成時(shí)，可假設(shè)頂面埋深為0當(dāng)?shù)貙咏?jīng)過(guò)一段時(shí)期的壓實(shí)后，頂面埋深等于上覆地層底面的埋深，將h′1值代入式（4），就可求出地質(zhì)時(shí)期的地層底面理深h′2及古厚度（h′2－h(huán)′1）。

研究區(qū)主要由砂巖和泥巖組成，則地層的綜合壓實(shí)曲線(xiàn)為：

其中 Ps是砂巖含量；Pm是泥巖含量。

因此，在計(jì)算構(gòu)造沉降量時(shí)，要逐層對(duì)泥巖和砂巖分別求出各自的原始孔隙度Φ0m和Φ0s，以及壓實(shí)系數(shù)Cm和Cs，然后統(tǒng)計(jì)地層中泥巖、砂巖的百分比，并分段計(jì)算。將公式（5）和公式（1）代入到公式（4）中，即可得到最終迭代公式（6）。

根據(jù)公式（6）即可逐層回剝迭代，求出不同時(shí)期各地層厚度。通過(guò)對(duì)遼河灘海西部研究區(qū)所有鉆井進(jìn)行古厚度恢復(fù)，獲得沙一段時(shí)期沉積古厚度（見(jiàn)圖4）。在圖4中，紅色柱代表恢復(fù)后的古厚度，藍(lán)色柱代表現(xiàn)今地層厚度。由于不同井中的砂巖、泥巖含量不同，其恢復(fù)厚度也不盡相同?？梢钥闯?，泥巖含量較高的井，由于泥巖壓實(shí)系數(shù)較大，其恢復(fù)后的原始地層厚度也較大。如雙203井，泥巖含量高達(dá)73.9%，恢復(fù)原始地層厚度達(dá)624m，比現(xiàn)今殘余的地層厚度增加了278m，幾乎是現(xiàn)今地層厚度的二倍。由此可以看出，由于壓實(shí)作用影響，在進(jìn)行古地貌分析的時(shí)候，利用鉆井上現(xiàn)存的地層厚度進(jìn)行古地貌分析，存在較大的誤差，不能反映出原始沉積時(shí)的地貌，必須進(jìn)行壓實(shí)校正，才能真實(shí)地還原沉積時(shí)期的古地貌特征。

圖4 沙一段鉆井原始厚度與現(xiàn)今殘余厚度對(duì)比圖Fig.4 Contrast chart of original drilling thickness and current residual thickness of Sha 1member

1.2 井間古地貌趨勢(shì)補(bǔ)償

為得到古地貌的平面分布，通常利用鉆井資料獲得的古厚度數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的網(wǎng)格化后得到等值線(xiàn)平面圖（見(jiàn)圖5）。但對(duì)于鉆井較少或者分布不均勻的區(qū)域而言，井間插值得到的數(shù)據(jù)缺乏空間橫向約束，難以反映真實(shí)古地貌的趨勢(shì)。由于地震資料具有較高的橫向分辨率，如果將地震資料的有效信息彌補(bǔ)到井間網(wǎng)格數(shù)據(jù)中，使測(cè)井資料與地震資料有效融合，就更能發(fā)揮出兩種資料的優(yōu)勢(shì)。

因此，作者在本文提出一種利用地震資料進(jìn)行井間古地貌的趨勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒āＴ摲椒▽⒕械臄?shù)據(jù)作為控制點(diǎn)，利用地震資料對(duì)井間趨勢(shì)進(jìn)行彌補(bǔ)，主要有四步：

（1）做多井合成記錄，利用地震資料解釋目的層層位，通過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換，得到地層厚度數(shù)據(jù)。

（2）將地震解釋得到的地層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，擴(kuò)展網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)范圍使其包含鉆井?dāng)?shù)據(jù)區(qū)域，在鉆井處提取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)值，并與井中處理得到的古厚度數(shù)據(jù)求差值。

（3）對(duì)得到的差值數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)擬合算法進(jìn)行處理。

（4）將差值數(shù)據(jù)網(wǎng)格與地震地層厚度網(wǎng)格合并，重新生成平面等值線(xiàn)圖。

由于鉆井資料和地震資料總會(huì)或多或少地存在異常數(shù)據(jù)，因此，合理的網(wǎng)格化算法是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的網(wǎng)格化技術(shù)，多采用局部控制點(diǎn)來(lái)計(jì)算網(wǎng)格中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，如常用的克里金法、最小曲率法等。當(dāng)存在局部異常的時(shí)候，得到的都是局部網(wǎng)格疊加，不能反映區(qū)域數(shù)據(jù)整體的趨勢(shì)。作者在研究中采用自適應(yīng)擬合算法進(jìn)行網(wǎng)格化，不同于傳統(tǒng)的局部網(wǎng)格化技術(shù)，自適應(yīng)擬合算法考慮區(qū)域中所有數(shù)據(jù)趨勢(shì)，利用空間約束調(diào)和方程平衡所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。該方法主要基于Hardy（1990）提出的多重曲面函數(shù)插值法，其基本思想是任何一個(gè)不規(guī)則的復(fù)雜曲面，均可由一系列規(guī)則的，以任意精度數(shù)學(xué)表面總和逼近［7～9］。當(dāng)將小尺度的局部變化看作隨機(jī)和非結(jié)構(gòu)的噪聲，局部地貌起伏比較明顯時(shí)，常規(guī)的最小二乘法難以抵制局部地貌異常的影響，導(dǎo)致趨勢(shì)分析出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，這就需要通過(guò)抗差估計(jì)，調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的權(quán)值來(lái)消弱異常值對(duì)插值結(jié)果的影響［10］。

圖5 利用鉆井資料得到的古厚度圖Fig.5 Ancient thickness map obtained by well data

考慮到任何區(qū)域的地貌總可以分成趨勢(shì)性成分和隨機(jī)性局部變化兩部份，建立自適應(yīng)擬合方程的核函數(shù)如式（7）所示：

將公式（7）展開(kāi)成矩陣形勢(shì)：

Z＝CA（8）其中 M表示步長(zhǎng)（最小搜索半徑）；i、j表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)角標(biāo)；Cj代表在XY平面未知圓錐斜率系數(shù)的列矢量，可以通過(guò)列選主元高斯消去法求解。

一旦求出Cj，則可計(jì)算出研究區(qū)域內(nèi)任意給定插值點(diǎn)擬合不規(guī)則曲面的Zi值。研究區(qū)域單元面積內(nèi)樣點(diǎn)數(shù)越多，越逼近真實(shí)的連續(xù)曲面。

為了得到更好的結(jié)果，作者將算法首先從區(qū)域中間網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)間距大于步長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算，然后按照同樣的規(guī)則計(jì)算下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。起始步長(zhǎng)設(shè)置為研究區(qū)沉積地質(zhì)體最大半徑，截至步長(zhǎng)設(shè)置為最小的地質(zhì)體半徑。將該算法從最粗略的網(wǎng)格開(kāi)始計(jì)算，然后將網(wǎng)格單元寬度設(shè)置為原來(lái)的一半，再經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，直到網(wǎng)格單元寬度小于最小的沉積體分布半徑或者達(dá)到最大迭代次數(shù)后停止。

2 遼河灘海西部古地貌特征

作者在對(duì)研究區(qū)遼河灘海西部探井井斜校正及壓實(shí)校正的基礎(chǔ)之上，得到鉆井位置在沉積時(shí)期的古厚度。由于灘海地區(qū)鉆井分布不均，依靠地震資料進(jìn)行井間古地貌趨勢(shì)補(bǔ)償，把結(jié)果利用三維可視化軟件顯示，最終得到研究區(qū)沙一段古地貌圖（見(jiàn)下頁(yè)圖6）。在圖6中，紅色區(qū)域代表隆起區(qū)，分別為西部凸起、葫蘆島凸起和中央低凸起；藍(lán)色區(qū)域代表深洼區(qū)，為海南洼陷。古隆起為主要正向地形，在基準(zhǔn)面下降時(shí)，凸起較高的部份會(huì)出露地表，遭受剝蝕，并提供物源，沉積物逐漸向海南洼陷運(yùn)移。在西部緩坡由西部凸起提供物源，發(fā)育辮狀河三角洲，并在海南洼陷形成湖底扇沉積。中央低凸起陡坡帶發(fā)育扇三角洲沉積。筆架嶺地區(qū)為水下低隆起，離葫蘆島凸起物源區(qū)較近，發(fā)育扇三角洲沉積，巖性以礫巖、粗砂為主。由此，從古地貌圖中可將遼河灘海西部地區(qū)分為幾個(gè)構(gòu)造帶：①西部緩坡帶；②中央低凸起陡坡帶；③海南洼陷；④葫東次洼；⑤筆架嶺水下低隆起。

3 結(jié)論

作者通過(guò)對(duì)遼河灘海西部沙一段的古地貌恢復(fù)，采用了壓實(shí)校正、井間趨勢(shì)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，應(yīng)用效果較好，主要取得如下認(rèn)識(shí)：

（1）遼河灘海西部沙河街組，沉積壓實(shí)影響較大，恢復(fù)后的古沉積厚度比現(xiàn)存的地層厚度存在較大差異。在進(jìn)行古地貌恢復(fù)時(shí)，必須考慮壓實(shí)的影響。

（2）由于遼河灘海地區(qū)鉆井分布不均勻，常規(guī)利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)網(wǎng)格化的方法，不能真實(shí)反映該地區(qū)古地貌形態(tài)，而利用地震資料進(jìn)行井間古地貌趨勢(shì)補(bǔ)償后，可以精細(xì)地展現(xiàn)古地貌的平面分布特征該方法能有效地將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)包含的信息進(jìn)行融合，效果明顯。

（3）從恢復(fù)得到的遼河灘海西部沙一段古地貌圖中，可以分為五個(gè)構(gòu)造帶：①西部緩坡帶；②中央低凸起陡坡帶；③海南洼陷；④葫東次洼；⑤筆架嶺水下低隆起。

（4）構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)古地貌恢復(fù)也有一定的影響如果地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈，則保留下來(lái)的地貌與沉積前原始地貌變化較大，這時(shí)可考慮增加構(gòu)造平衡剖面技術(shù)來(lái)校正古地貌形態(tài)。

［1］ 鄧宏文，王紅亮，王敦則.古地貌對(duì)陸相裂谷盆地層序充填特征的控制——以渤中凹陷西斜坡區(qū)下第三系為例［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2001，22（4）：293.

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圖6 遼河灘海西部沙一段古地貌圖Fig.6 Paleotopography map of Sha 1member of western beach area in Liaohe basin

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book=20,ebook=20

1001—1749（2012）03—0326—05

TE 121.3＋2

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.15

馮磊（1978－），男，博士，講師，主要從事油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)研究。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（TPR－2010－21）

2011－10－19