賴生華,梁全勝,袁通路

(1.西安石油大學,陜西西安710065;2.陜西延長石油(集團)有限責任公司,陜西延安716000)

自Widess[1]基于砂巖楔狀模型研究砂巖頂、底面地震反射波疊加干涉特征以來,如何利用地震反射信息預測薄層砂巖分布一直是學者們關注的研究課題。基于砂巖頂、底面反射系數(shù)相等且符號相反的假設條件,Widess[1]通過砂巖楔狀模型的正演研究提出了薄層地震反射波疊加干涉理論,并給出了薄層(厚度小于λ/4,λ為地震波長)地震反射振幅與地層厚度關系的線性表達式。因此,利用薄層地震反射振幅與厚度基本具有線性關系的規(guī)律,可以預測薄層砂巖的厚度[1-2]。Kallweit等[3]總結了零相位子波特征后也認為,砂體厚度等于λ/4時,復合波的反射振幅達到最大值;隨著砂體厚度減小,振幅也隨之減弱。有的學者通過研究薄互層地震調諧作用,認為子波干涉后形成的單個復合波反射振幅與砂層累計厚度成正相關關系,而多個復合波反射振幅與砂層厚度不一定具有正相關性[4-6]。

由Widess[1]的理論可知,不同相位地震子波具有不同的疊加干涉特征,因而具有不同的地震反射特征。長期以來,零相位子波被認為是適用于地震解釋的最佳子波。早在1961年,Sengbush等[7]就指出零相位子波的分辨率極限大約是主波長λ的1/4。Wood[8]總結了零相位子波的特征,討論了用零相位子波代替震源子波的基本原理。Brown[9]則總結了零相位子波的許多優(yōu)點,但是他同時也指出零相位子波優(yōu)于其它子波的假設是建立在地震反射必須來自于單一界面,或者地震數(shù)據(jù)具有足夠高的分辨率,可以分辨來自地層頂和底的單個反射的基礎之上的。Yilmaz[10]進一步討論了用零相位子波代替震源子波而不改變其振幅譜的子波處理方法的基本原理。黃軍斌等[11]則研究了零相位地震子波旁瓣對薄砂巖識別的影響。

現(xiàn)今的地震巖性學解釋研究多是基于Widess模型,提出了一系列的認識、技術和方法。但Widess提出的薄層地震反射波疊加干涉理論只適用于砂巖頂、底面反射系數(shù)相等且符號相反的理想假設情況,與實際地質情況相差甚遠。在實際地下環(huán)境中,砂巖儲層頂、底面反射系數(shù)有著明顯的差異,研究來自薄儲層的地震反射特征不僅要考慮薄層本身,而且要考慮上覆、下伏地層阻抗不同所產(chǎn)生的地震響應特征[1,12]。特別是在含煤巖系中,煤層對下伏砂巖地震干涉作用強,這對砂巖地震反射振幅、頻率及極性都會產(chǎn)生強烈的影響,導致砂巖地震響應與地層巖性的對應關系更為復雜。但從已發(fā)表的研究資料來看,目前開展這方面研究的文獻尚不多見。

我們針對鄂爾多斯盆地二疊系山西組二段(山2段)含煤巖系中煤層對下伏砂巖地震響應的強烈干涉作用,建立地質模型開展正演模擬分析,從理論上研究煤層的厚度和位置對下伏砂巖地震反射特征的影響,對Widess理論進行修正,得出含煤巖系中砂巖地震響應與地層巖性對應關系的規(guī)律性認識,為含煤巖系或相似地球物理環(huán)境的地震巖性解釋提供理論基礎。

1 正演模型建立與模擬分析方法

1.1 建模靶區(qū)地震地質概況

鄂爾多斯盆地二疊系山2段為淺水型三角洲下三角洲平原沉積環(huán)境[13-15],煤層發(fā)育,常形成“泥巖—煤層—砂巖—泥巖”或“泥巖—煤層—泥巖—砂巖—泥巖”沉積序列,砂巖中天然氣儲量豐富,為天然氣主力產(chǎn)層。由于煤層聲波傳播速度低,與上、下砂巖或泥巖地層阻抗差異明顯,常形成強振幅、高連續(xù)的地震反射同相軸。

早二疊世山西期,受滿蒙洋殼向華北克拉通板塊俯沖作用加劇的影響,鄂爾多斯盆地山西組發(fā)育了一套淺海陸棚基礎上的三角洲沉積[14-17]。其下部主要為灰色、淺灰色薄層狀砂巖與深灰、灰黑色泥巖不等厚互層,夾薄層狀煤層;上部為灰色、深灰色泥巖與灰色砂巖、含礫粗砂巖以及少量細礫巖不等厚互層,偶夾炭質泥巖或煤層[17]。通過觀察煤層在野外露頭上的分布及井下煤層橫向對比,山2段煤層雖然具有不同的空間分布樣式,但總的說來可以歸納如下：煤層直接上覆于砂巖或煤層與砂巖相距一定距離,分別呈現(xiàn)為“泥巖—煤層—砂巖—泥巖”、“泥巖—煤層—泥巖—砂巖—泥巖”沉積序列(圖1)。根據(jù)聲波和密度測井資料統(tǒng)計分析,鄂爾多斯盆地二疊系山2段砂巖、泥巖及煤層的平均縱波傳播速度分別為4347,4000,3100m/s。由于鄂爾多斯盆地山2段壓實作用強烈,砂巖、泥巖的平均密度相近,為2.44g/cm3;煤層平均密度為1.66g/cm3。

含煤巖系中煤層對下伏砂巖地震干涉作用強,這對砂巖地震反射振幅、頻率及極性都會產(chǎn)生強烈影響,地震反射同相軸的極性與地層巖性的對應關系更為復雜。山2段含煤巖系中的地震響應-地層巖性關系與基于Widess理論得出的認識有很大的區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)今的認識,尚不能精確預測該地區(qū)厚度小于λ/4的薄層砂巖的空間展布。

1.2 正演地質模型設計與建立

根據(jù)鄂爾多斯盆地二疊系山2段煤層分布特征構建了兩個地質模型,分別用于研究上覆煤層厚度變化和位置變化對下伏砂巖地震反射特征的影響。模型一共4層,楔狀煤層(厚度0～10m)直接上覆于厚度30m的層狀砂巖(圖2a),第1層和第4層均為泥巖層,用于表征“泥巖—煤層—砂巖—泥巖”巖性結構。模型二共5層,穩(wěn)定煤層與30m厚度的層狀砂巖之間夾0～100m厚度漸變的泥巖層(圖2b),第1層和第5層均為泥巖層,用于表征“泥巖—煤層—泥巖—砂巖—泥巖”巖性結構。模型中砂巖、泥巖及煤層的縱波速度和密度的取值見上節(jié)所述。

圖1 鄂爾多斯盆地二疊系山2段煤層分布特征

1.3 正演模擬及分析方法

正演數(shù)值模擬選取主頻為5～120Hz(頻率變化步長為5Hz)的零相位Ricker子波,采用子波與反射系數(shù)褶積的理論模型,采樣間隔為1ms,生成不同主頻激發(fā)子波的模型一和模型二的二維合成地震剖面。

圖2 正演地質模型一(a)和模型二(b)

Widess[1]采用基于砂巖頂、底面反射系數(shù)相等且符號相反假設條件的砂巖楔狀模型,通過正演研究提出了薄層地震反射波疊加干涉理論：當?shù)貙雍穸却笥诘卣鸩ㄩLλ時,來自砂巖頂、底界面的反射子波在時間域內完全分離,這種記錄反映了兩個界面的最大可能信息。當?shù)貙雍穸葴p薄至小于λ時,來自頂、底界面的地震反射子波逐漸產(chǎn)生疊加;當?shù)貙雍穸葹棣? 4或更薄時,實際上留下的都是頂、底地震反射子波疊加產(chǎn)生的信息,即分辨不出單個頂、底界面反射的信息?；诘卣鸱瓷涮卣?Widess定義地震意義上的薄層厚度d(雙程時間厚度td)小于λ/4時,來自薄層的地震反射振幅為

(1)

式中：A為頂、底無干涉時的反射振幅。

我們通過提取模型一和模型二對應的合成地震記錄中砂巖頂、底界面反射波振幅進行詳細分析,并與Widess的理論認識進行比較,以分析不同厚度及不同位置的煤層對下伏層狀砂巖地震反射極性及反射振幅的影響。

2 煤層厚度對砂巖地震反射特征的影響

利用模型一(圖2a)可以分析煤層厚度變化對下伏砂巖地震反射特征的影響。圖3是基于20Hz零相位Ricker子波得到的模型一的正演地震剖面。圖4a給出了模型一中上覆煤層厚度穩(wěn)定情況下,子波頻率變化對砂巖頂、底界面反射振幅的影響;圖4b則給出了子波頻率穩(wěn)定情況下,上覆煤層厚度變化對砂巖頂、底界面反射振幅的影響。模型一中自上而下3個界面反射系數(shù)分別為-0.326,0.363,-0.042;煤層尖滅處反射系數(shù)為0.042。煤/砂巖界面反射系數(shù)高于砂巖/泥巖界面反射系數(shù),因此,煤/砂巖界面(砂巖頂面)地震反射強度較砂巖/泥巖界面(砂巖底面)地震反射強度大(圖4)。

2.1 煤層厚度及子波頻率對下伏砂巖頂面地震反射特征的影響

建模靶區(qū)山2段煤層平均厚度d約為1.2m(雙程時間厚度為0.8ms),理論調諧頻率為323Hz。若地震子波主頻為5Hz,則主波長λ=620m(煤層縱波速度為3100m/s),d/λ=1/517;若地震子波主頻增高至120Hz,則主波長降低至26m,d/λ=1/22。根據(jù)公式(1),1.2m厚煤層在5Hz主頻零相位Ricker子波作用下產(chǎn)生的地震反射振幅大致為0.02A,而在120Hz主頻零相位Ricker作用下產(chǎn)生的振幅大致為0.57A。這說明即使煤層很薄,在高頻子波作用下,其所產(chǎn)生的振幅也較強。若煤層厚度為10m(雙程時間厚度為6.6ms),則理論調諧頻率為39Hz,在5Hz主頻的零相位Ricker作用下產(chǎn)生的地震反射振幅約為0.2A。這說明厚煤層在低頻子波作用下,也會產(chǎn)生一定程度的地震反射能量。

圖3 模型一的20Hz零相位Ricker子波正演地震剖面

圖4 子波頻率f變化(a)和上覆煤層厚度(雙程時間厚度td)變化(b)對模型一中砂巖頂、底界面反射振幅的影響

根據(jù)上述分析可以認為,在煤層較薄、地震子波頻率較低的情況下,煤層頂、底面地震反射波形成相消干涉,煤層產(chǎn)生很弱的地震反射,對下伏砂巖頂面地震反射基本沒有什么影響;但在子波頻率較高時,薄煤層也會產(chǎn)生一定的地震反射強度,導致下伏砂巖頂面地震反射振幅增加。在煤層較厚、地震子波頻率較高的情況下,煤層將會產(chǎn)生強烈的地震反射,這將會極大地增強砂巖頂面地震反射振幅;但在子波頻率較低情況下,煤層也會產(chǎn)生一定的地震反射,在一定程度上增強下伏砂巖頂面地震反射(圖4)。

當煤層厚度穩(wěn)定時,砂巖頂面地震反射振幅隨子波頻率增加而增加,直至達到調諧頻率(即調諧振幅對應的頻率)(圖4a)。而對于相同厚度的下伏砂巖來說,即使在相同子波頻率條件下,其頂面地震反射振幅也會隨煤層厚度增加而增加,直至達到砂層的調諧振幅(圖4b)。但不論頻率怎么變化,砂巖頂面反射始終位于波峰,不會產(chǎn)生極性反轉。這說明在上覆煤層厚度發(fā)生變化時,不能用下伏砂巖頂面地震反射振幅來預測薄層砂巖厚度(圖4b)。

2.2 煤層厚度及子波頻率對下伏砂巖底面地震反射特征的影響

模型一中砂巖底面為砂巖/泥巖接觸界面,由圖4可以看出,煤層對砂巖底面地震反射特征的影響主要是由地震干涉作用導致的。相對砂巖頂面而言,上覆煤層對砂巖底面地震反射影響較弱。當子波頻率高于55Hz時,不論上覆煤層厚度怎么變化,地震波能夠分開砂巖頂、底面,煤層對砂巖底面地震反射基本沒有影響(圖4a)。

當煤層厚度薄于1.5m(雙程時間厚度1.0ms)時,上覆煤層地震反射能量弱,煤層對砂巖底面地震反射基本不會產(chǎn)生影響。對于厚度大于3m(雙程時間厚度2.0ms)的上覆煤層,低于55Hz的地震子波頻率將會對砂巖底面地震反射產(chǎn)生強烈影響。特別是子波頻率低于20Hz時,泥巖/煤、煤/砂巖及砂巖/泥巖界面地震反射產(chǎn)生相強干涉,并使砂巖底面形成波峰地震反射同相軸(極性發(fā)生反轉)(圖3)。當子波頻率為20～55Hz時,雖然來自模型一的幾個界面的地震反射波仍然產(chǎn)生強烈的干涉作用,對砂巖底面地震反射有較大影響,但振幅仍然為負值,不會導致極性反轉(圖4a)。

對于相同厚度的下伏砂巖,即使在相同子波頻率條件下,砂巖底面地震反射振幅也會隨煤層厚度增加而增加(絕對值),直至達到調諧振幅。這反映了在上覆煤層厚度發(fā)生變化時,也不能用下伏砂巖底面地震反射振幅來預測薄層砂巖厚度(圖4),這與砂巖頂面情況一致。

綜上所述,在煤層上覆于砂巖的情況下,煤層對砂巖頂面地震反射影響更強。不論煤層厚度和地震子波頻率怎樣變化,砂巖頂面始終位于地震波峰反射同相軸,這與前人的研究成果一致[12,18-20]。但是,當?shù)卣鹱硬ㄖ黝l低于20Hz時,砂巖底面地震反射同相軸的極性可能發(fā)生反轉(與上覆煤層厚度有關)。當上覆煤層厚度不穩(wěn)定時,砂巖頂、底面地震反射振幅既不能反映薄層(小于λ/4)也不能反映厚層(大于λ/4)砂巖的厚度,即不能利用砂巖頂面地震反射振幅預測薄層(小于λ/4)砂巖厚度,這比基于Widess模型得出的認識更復雜。上覆煤層厚度不變時,利用砂巖頂、底面地震反射最佳頻率(最厚砂巖的調諧頻率)的振幅信息可以預測薄層砂巖的厚度。當上覆煤層厚度大于3m(雙程時間厚度2.0ms)時,只能利用砂巖頂面地震反射振幅來預測砂巖厚度,但當煤層厚度薄于3m時,也可以利用砂巖底面地震反射振幅信息來預測薄層砂巖的厚度(圖4)。

3 煤層位置對砂巖地震反射特征的影響

利用模型二可以分析煤層位置對砂巖反射特征的影響。模型二(圖2b)中,10m厚度煤層上覆于30m厚度的砂巖之上;煤層與砂巖之間夾0～100m厚度漸變的泥巖,表征煤層距砂巖的位置逐漸變化。模型中自上而下4個界面反射系數(shù)分別為-0.326,0.326,0.042,-0.042;泥巖尖滅處反射系數(shù)為0.363。圖5a是45Hz零相位Ricker子波得到的模型二的正演地震剖面;圖5b是10Hz零相位Ricker子波得到的模型二的正演地震剖面。圖6a給出了上覆煤層與層狀砂巖間距離穩(wěn)定(泥巖夾層厚度不變化)情況下,子波頻率變化對砂巖頂、底界面反射振幅的影響;圖6b則給出了子波頻率穩(wěn)定情況下,上覆煤層與層狀砂巖間距離變化對砂巖頂、底界面反射振幅的影響。

圖5 模型二的45Hz(a)和10Hz(b)零相位Ricker子波正演地震剖面

圖6 子波頻率變化(a)和上覆煤層與層狀砂巖間距離變化(b)對模型二中砂巖頂、底界面反射振幅的影響

當穩(wěn)定煤層與下伏砂巖之間的距離逐漸變化時(煤層與砂巖間夾楔狀泥巖),實際上就反應了煤層相對于下伏砂巖的位置不斷發(fā)生變化。由于煤層對砂巖頂、底面地震反射特征的影響不一致,砂巖頂、底面地震反射振幅曲線出現(xiàn)嚴重的不對稱(圖6)。與不含煤層的情況及Zeng等[21-22]的研究成果比較,該模型揭示了地層巖性與地震反射同相軸極性之間具有更復雜的關系。

3.1 煤層位置及子波頻率對下伏砂巖頂面地震反射特征的影響

當煤層向砂巖靠近,與砂巖之間的間距小于20m(雙程時間厚度10.0ms)時,煤層主要使砂巖頂面地震反射振幅增強(絕對值)。但當煤層遠離砂巖,與砂巖之間的間距大于50m(雙程時間厚度25.0ms),并且地震子波頻率高于40Hz時,泥巖頂、底面地震反射波不會產(chǎn)生干涉作用,煤層對砂巖頂面地震反射沒有影響(圖6a)。

隨著煤層越來越靠近砂巖(煤層與砂巖之間的泥巖夾層變薄),地震波在泥巖夾層中的旅行時間逐漸縮短,下伏砂巖的調諧頻率逐漸升高(圖6)。在該模型中,要使煤層頂、底面地震反射波不疊加產(chǎn)生干涉作用,地震子波頻率必須高于155Hz,即在模擬頻率區(qū)間內(低于120Hz),煤層頂、底面地震反射波始終存在干涉現(xiàn)象。根據(jù)模型二估算不同調諧頻率下薄砂層的地震反射振幅(表1),可見砂巖調諧頻率均低于對應上覆泥巖調諧頻率。在砂巖達到調諧頻率時,泥巖頂、底面地震反射波仍會產(chǎn)生疊加干涉,即相對于砂巖的調諧頻率(即砂巖調諧振幅對應的頻率),上覆煤層和泥巖都是地震意義上的薄層。這說明,在低于砂巖調諧頻率時,地震波不能有效分辨煤層、泥巖夾層和砂巖頂、底面,即在達到砂巖調諧頻率時,砂巖頂面振幅也包含有上覆煤層及泥巖的振幅信息。根據(jù)Widess公式,可以近似估算達到砂巖調諧頻率時,薄砂層的地震反射振幅。結果表明,隨著煤層距砂巖頂面越近,砂巖調諧振幅越來越強(表1,圖6)。

在相同的地震子波頻率條件下,當上覆煤層距砂巖的位置發(fā)生變化時,砂巖頂面地震反射同相軸可能會發(fā)生極性反轉(圖6)。比如在地震子波頻率為35～65Hz的情況下,當煤層與砂巖相距20m(雙程時間厚度10.0ms)左右時,泥巖頂、底面地震反射波波谷旁瓣發(fā)生疊加,形成一個復合波谷,表現(xiàn)為砂巖頂面地震反射同相軸極性發(fā)生反轉(圖5a)。隨著地震子波頻率增高,在煤層越靠近砂巖(上覆泥巖越薄)的地方的砂巖頂面發(fā)生地震同相軸極性反轉。如當子波頻率為10Hz時,在上覆泥巖厚度約為60m(雙程時間厚度30.0ms)的砂巖頂面產(chǎn)生地震同相軸極性反轉(圖5b);而當子波頻率增加到95Hz時,則在煤層更加靠近砂巖,上覆泥巖厚度薄于6m(雙程時間厚度3.0ms)的砂巖頂面產(chǎn)生地震同相軸極性反轉。

表1 依據(jù)模型二估算的不同調諧頻率下薄砂層的地震反射振幅

注：A為地層頂、底面無干涉時的反射振幅。

3.2 煤層位置及子波頻率對下伏砂巖底面地震反射特征的影響

與砂巖頂面比較,模型二中上覆煤層對砂巖底面地震反射影響相對較弱。當子波頻率超過55Hz時,不論煤層位置(泥巖夾層厚度)怎么變化,上覆煤層對砂巖底面地震反射基本沒有影響(圖6)。地震子波頻率為20～55Hz時,砂巖底面地震反射增強,但不會導致地震反射同相軸極性發(fā)生反轉(圖5b)。當?shù)卣鹱硬l率低于20Hz,由于煤層位置(泥巖夾層厚度)的變化,上覆煤層可能使砂巖底面地震反射減弱、增強或導致砂巖底面反射同相軸發(fā)生極性反轉(圖6)。如在地震子波頻率為14Hz時,當泥巖夾層厚度約為20m(雙程時間厚度10.0ms)時,該模型中砂巖底面地震反射振幅比Widess模型中砂巖底面地震反射振幅降低了30%(絕對值);但當煤層向砂巖靠近,上覆泥巖厚度薄于10m(雙程時間厚度5.0ms)時,則砂巖底面位于地震反射波峰同相軸,發(fā)生極性反轉。模擬結果表明,當煤層遠離砂巖,與砂巖之間的距離超過80m(雙程時間厚度40.0ms)時,上覆煤層對砂巖底面地震反射基本不會產(chǎn)生影響(圖6)。

綜上所述,當煤層距砂巖的位置發(fā)生變化時,砂巖頂、底面地震反射振幅不能反映砂巖厚度變化。在上覆泥巖夾層厚度不變的情況下,當上覆煤層與砂巖之間的距離小于20m(雙程時間厚度10.0ms)時,應利用砂巖頂面地震反射最佳頻率的振幅信息來預測薄層砂巖厚度;當上覆煤層與砂巖之間的距離大于80m(雙程時間厚度40.0ms)時,應利用砂巖底面地震反射最佳頻率的振幅信息來預測薄層砂巖厚度(圖5,圖6)。

4 結論與認識

基于鄂爾多斯盆地二疊系山2段含煤巖系實際地質情況所建立的地質模型的正演模擬分析,從理論上研究了上覆煤層的厚度和位置對下伏砂巖地震反射特征的影響,得出了含煤巖系中砂巖地震響應與地層巖性對應關系的規(guī)律性認識。

1) 不論煤層厚度和地震子波頻率怎樣變化,砂巖頂面始終位于地震波峰反射同相軸,不會使得地震反射同相軸極性發(fā)生反轉。但是,當?shù)卣鹱硬l率低于20Hz時,砂巖底面地震反射同相軸的極性可能發(fā)生反轉(與上覆煤層厚度有關)。

2) 當煤層靠近砂巖,與砂巖之間的間距小于20m(雙程時間厚度10.0ms)時,煤層使砂巖頂面地震反射增強。但當煤層遠離砂巖,與砂巖之間的間距大于50m(雙程時間厚度25.0ms),在地震子波頻率高于40Hz時,煤層對砂巖頂面地震反射沒有影響。煤層位置變化可以使砂巖頂面地震反射同相軸可能會發(fā)生極性反轉。隨著地震子波頻率增高,則在上覆泥巖越薄的地方(煤層距砂巖越近的地方)的砂巖頂面發(fā)生地震反射同相軸極性反轉。

3) 當?shù)卣鹱硬l率超過55Hz左右時,不論煤層位置怎么變化,煤層對砂巖底面地震反射基本沒有影響;地震子波頻率為20～55Hz時,煤層使砂巖底面地震反射增強,但不會導致地震反射同相軸產(chǎn)生極性反轉;當?shù)卣鹱硬l率低于20Hz時,隨著煤層距砂巖的位置發(fā)生變化,上覆煤層可能使砂巖底面地震反射減弱、增強或導致砂巖底面地震反射同相軸發(fā)生極性反轉。當煤層遠離砂巖,與砂巖之間的距離超過80m(雙程時間厚度40.0ms)時,上覆煤層對砂巖底面地震反射不會產(chǎn)生影響。

4) 當上覆煤層厚度及位置發(fā)生變化時,砂巖頂、底面地震反射振幅不能反映砂巖厚度變化,不能利用砂巖頂、底面地震反射振幅預測薄層(d<λ/4)砂巖厚度。但當上覆煤層厚度及位置保持不變時,利用砂巖頂、底面地震反射最佳頻率(最厚砂巖的調諧頻率)的振幅信息可以預測薄層砂巖的厚度。

參 考 文 獻

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