黃繼偉，熊曉軍，賀振華

(成都理工大學(xué) 地球探測與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

0 引言

生物礁、灘是油氣等重要礦產(chǎn)資源的有利富集場所。生物礁孔隙與縫洞發(fā)育,是良好的油氣儲集體，礁型油氣藏具有產(chǎn)能高、采收率高及勘探開發(fā)成本低等特點(diǎn)而倍受人們重視，在油氣勘探開發(fā)中占有十分重要的地位[2]。灘和生物礁在沉積環(huán)境方面具有相關(guān)性，主要區(qū)別在于灘沒有生物格架和丘狀外形。灘特別是具有鮞粒結(jié)構(gòu)的白云巖灘，往往具有更大的孔隙度，通常是良好儲層[3]，但因其復(fù)雜性[4-6]，生物礁、灘儲層的地球物理識別和預(yù)測存在較多的困難[7]。

近年來許多學(xué)者[8-9]在將地震波場的數(shù)值模擬引入到礁灘相儲層的地震解釋領(lǐng)域時(shí)，往往采取褶積的方法，無法有效反映出礁灘相儲層地震波場的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，且僅考慮了二維生物礁模型的地震數(shù)值模擬，而實(shí)際地下的生物礁卻是三維的[10]。

熊曉軍等[6]曾提出過三維環(huán)礁的數(shù)值模擬，為三維地質(zhì)建模提供了基本思路與方法，但該模型對復(fù)雜礁體內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫不夠細(xì)致，地震響應(yīng)特征不明確。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，引用了三維塊狀建模的概念[11]，采用積木方式構(gòu)建復(fù)雜三維模型，不僅能夠反映礁灘復(fù)合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為地震地質(zhì)精細(xì)解釋服務(wù)，還可全面反映礁灘體與圍巖的接觸關(guān)系，為地震層序及地震相劃分提供依據(jù)。本次研究根據(jù)實(shí)際地質(zhì)、地震資料，建立了包括塔礁、點(diǎn)礁、生物灘、沉積層、蓋層等地質(zhì)單元的三維礁灘復(fù)合體模型，其示意圖如圖2(a)和圖3(a)所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了地震波場數(shù)值模擬，得到了一系列具有代表性的正演記錄，可以為實(shí)際生物礁灘的地震解釋提供理論支持，并將地震正演與地震偏移結(jié)合起來，用以檢驗(yàn)礁灘模型解釋成果的正確性。

1 方法原理

1.1 三維積木式建模方法

該研究把形狀和大小不同的、具有單一物性特征的封閉地質(zhì)體視為一個(gè)積木塊。一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)模型，可由若干個(gè)或許多個(gè)積木塊搭建而成，每個(gè)積木塊(封閉單元)分別由地層面、斷層面(和/或)巖性分界面封閉而成，塊內(nèi)具有相同速度、密度等物理屬性。三維積木結(jié)構(gòu)模型的拓?fù)潢P(guān)系可定義為：控制點(diǎn)→三角形→空間面→封閉塊→三維模型，也即由地層面、斷層面控制點(diǎn)形成三角形網(wǎng)格，再由三角形網(wǎng)格構(gòu)成地層面、斷層面和邊界面，最后由地層面、斷層面和邊界面圍成封閉的地質(zhì)單元塊。

1.2 頻率-波數(shù)域波動方程數(shù)值模擬

J.Gazdag[12]提出了相位移波動方程偏移方法，該方法是一種頻率-波數(shù)域方法，對無橫向速度變化的層狀界面地質(zhì)模型，偏移結(jié)果是正確的。隨后，J.Gazdag[13]又提出了相位移加插值的波動方程偏移方法[13]，它繼承了F-K法大部分優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能解決地震波速縱、橫向變化的偏移問題。

在頻率-波數(shù)域可以很容易地將二維波場延拓算子推廣到三維空間[14]，實(shí)現(xiàn)三維波動方程疊后數(shù)值模擬。垂向變速的零炮檢距三維地震波場正向和逆向傳播(延拓)公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中kx和ky分別為x和y方向的波數(shù)(1/m)；kzi為深度間隔i內(nèi)z方向的波數(shù)(1/m)；ω為角頻率(1/Hz)；Δz為當(dāng)前深度延拓的深度間隔(m)。公式(1)為三維偏移延拓算法，公式(2)為三維正演延拓公式。

對于速度橫向變化的情況，采用相位移加插值方法[13]，在二維或三維空間選取多個(gè)參考速度進(jìn)行拉格朗日插值計(jì)算，即可有效地實(shí)現(xiàn)地下復(fù)雜地質(zhì)體的地震波場數(shù)值模擬。對于非零炮檢距三維地震波場的正演，可以使用單程波動方程法[15]，該方法與傳統(tǒng)的射線追蹤法相比能保持波的動力學(xué)特征，正演結(jié)果與實(shí)際地震記錄相似性好,并且在計(jì)算過程中，人工干預(yù)的程度低，操作簡便。

2 三維礁灘模型及參數(shù)設(shè)置

圖1是本次研究所建立的三維礁灘復(fù)合體模型的最終成圖，數(shù)字則表示了在三維塊狀結(jié)構(gòu)建模中塊體被建立的先后順序(從1到10)。1-3部分為在原地體上生長的生物礁，由于它在后期生長中呈寶塔狀，故稱之為塔礁,由于重力壓實(shí)原因，最先生長的位于塔礁底部的1部分孔隙度較低，儲油氣能力較低，而位于塔礁頂部的3部分孔隙度高，是良好的油氣儲層。第4部分是塔礁沉入深水后被泥巖覆蓋。5號層面為地質(zhì)時(shí)期的海退作用所形成的披覆層。5號沉積層面的頂部生長了點(diǎn)礁，點(diǎn)礁呈圓錐體形態(tài)，標(biāo)記為區(qū)塊6。由于地質(zhì)時(shí)期持續(xù)的海退作用，又形成了一個(gè)新的沉積層面，將其標(biāo)記為7部分。在7號沉積層面的上方，發(fā)育了一塊生物灘8，生物灘為薄透鏡體，向陸方向尖滅于大陸沉積體上。在接下來的地質(zhì)時(shí)期海平面處于上升階段，在蓋層4、點(diǎn)礁6及生物灘8的上方形成了一個(gè)新的沉積地層9。最后在地層9的上方，點(diǎn)礁的側(cè)后方形成了一塊生物灘10，比生物灘8稍大，且物屬差異較為明顯。

圖1 三維礁灘復(fù)合體模型及其速度參數(shù)示意圖Fig．1 3D reef and bank complex model & its parameter of velocity

根據(jù)實(shí)際測井資料，對此三維礁灘復(fù)合體模型的數(shù)值模擬中速度參數(shù)設(shè)定如圖所示。此外在模型的底部設(shè)置了一套水平參考層，速度為5 700 m/s。本次采用自激自收的觀測系統(tǒng)，共有110條測線，每條測線包含110個(gè)檢波點(diǎn)。

3 三維礁灘模型數(shù)值模擬

本次研究采用以上參數(shù)數(shù)據(jù)，通過F-K域波動方程的方法對本文所建立的三維礁灘復(fù)合體復(fù)雜模型進(jìn)行三維延拓，得到了實(shí)際應(yīng)用所需要的正演記錄以及用以檢驗(yàn)方法正確性的偏移剖面。

在這里選取了具有代表性的第31條和第65條測線下的正演記錄和偏移剖面來與其速度切片進(jìn)行對比分析。

Line31正演記錄(圖2(b))中，出現(xiàn)了典型的生物礁才有的地震響應(yīng)特征，礁體內(nèi)部反射雜亂，能量弱，礁頂上覆地層的厚度小于兩側(cè)的地層厚度，反映地層壓實(shí)程度的差異。因?yàn)樯锝赶蛏下∑穑罄m(xù)沉積可能出現(xiàn)披覆和上超現(xiàn)象。由于灘儲層與圍巖存在較大物屬差異，使其之間形成較強(qiáng)的波阻抗界面，同時(shí)生物灘分布范圍較大，反射同相軸具有一定長度，因而在正演記錄中可以肉眼直接識別出生物灘的存在。此外可以看到在模型切片底部出現(xiàn)了三維正演才會出現(xiàn)的側(cè)反射，側(cè)反射出現(xiàn)的原因是由此切片相鄰的采樣切片在進(jìn)行正演模擬時(shí)對其造成影響而產(chǎn)生的。由于生物灘10和地層9(圖1)的空間距離較為接近，所以在它們的接觸的地方產(chǎn)生了調(diào)諧現(xiàn)象，導(dǎo)致了地質(zhì)體界面的區(qū)分存在一定難度。而這種現(xiàn)象往往是在實(shí)際應(yīng)用中地質(zhì)解釋出現(xiàn)多解性的原因，在實(shí)際應(yīng)用中可以借鑒。

圖2 Line31下的速度切片、正演記錄和偏移剖面Fig．2 Velocity section, forward-modeling record and migration profile in line31(a)速度切片；(b)正演記錄；(c)偏移剖面

圖3 Line65下的速度切片、正演記錄和偏移剖面Fig．3 Velocity section(a), forward-modeling record(b) and migration profile(c) in line65(a)速度切片；(b)正演記錄；(c)偏移剖面

將其偏移剖面(圖2(c))與速度切片(圖2(a))做對比后，可以看出在速度切片中出現(xiàn)的蓋層4、地層5、地層7、地層9以及生物灘10，均在偏移剖面中的對應(yīng)位置得到了體現(xiàn)。由此可以驗(yàn)證本文采用的偏移算法的正確性。

Line65正演記錄(圖3(b))中，明顯可見塔礁的邊緣產(chǎn)生的繞射波，也有三維數(shù)值模擬才會出現(xiàn)的獨(dú)特的側(cè)反射。從正演記錄中可以清晰地分辨出生物礁具有的巖隆、邊緣反射同相軸中斷、內(nèi)部能量弱等特點(diǎn)，而另一個(gè)巖隆假象則是由披覆地層產(chǎn)生的，不能同生物礁混淆。點(diǎn)礁6由于與周圍地質(zhì)體緊密相連，距離辨識度不夠，正演記錄中無法清晰地分辨出點(diǎn)礁的形態(tài)，僅能從調(diào)諧現(xiàn)象推斷出此處有地質(zhì)體的存在，這也能應(yīng)用于實(shí)際地震勘探。

將其偏移剖面(圖3(c))與速度切片(圖3(a))做對比后，可以看出塔礁頂部油氣儲層在偏移剖面中具有較強(qiáng)的地震同相軸，且速度切片中出現(xiàn)的蓋層4、地層5、地層7、地層9均在偏移剖面中的對應(yīng)位置得到了體現(xiàn)。但是速度切片中的點(diǎn)礁6在偏移剖面中十分不明顯，是由體積、形態(tài)、物性參數(shù)等原因造成的，對還原地下地質(zhì)構(gòu)造造成了一定的困擾。

4 結(jié)語

(1)在二維模擬的基礎(chǔ)上，采用三維波動方程延拓方法實(shí)現(xiàn)了三維礁灘模型的地震數(shù)值模擬，得到了生物礁、灘地質(zhì)體的各種地震反射特征，為研究實(shí)際生物礁、灘的地震響應(yīng)特征提供了一種新的思路。

(2)利用正演與偏移相結(jié)合的地震數(shù)值模擬流程來模擬生物礁、灘的地震響應(yīng)特征，檢驗(yàn)解釋成果的正確性，為生物礁灘結(jié)構(gòu)的地震解釋提供了一種有利的檢驗(yàn)工具。

(3)這里僅對理論的三維生物礁灘模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，今后還需加強(qiáng)對于實(shí)際的三維生物礁灘模型的數(shù)值模擬研究。

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