馬　智,郭同翠,李昊宸,郭　偉,張興陽(yáng),田　雨,張良杰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院,北京100083;3.中國(guó)華油集團(tuán)公司,北京100011;4.中石油中亞天然氣管道有限公司,北京100011)

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阿姆河右岸復(fù)雜膏鹽巖地震響應(yīng)特征研究

馬智1,郭同翠2,李昊宸3,郭偉4,張興陽(yáng)2,田雨2,張良杰2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院,北京100083;3.中國(guó)華油集團(tuán)公司,北京100011;4.中石油中亞天然氣管道有限公司,北京100011)

摘要:復(fù)雜結(jié)構(gòu)膏鹽巖對(duì)下伏碳酸鹽巖地震成像的影響一直是地震勘探研究的熱點(diǎn)之一。首先,分析了阿姆河右岸“三膏兩鹽”結(jié)構(gòu)膏鹽巖的地震反射特征:上鹽層表現(xiàn)為一套弱振幅反射,同相軸平緩;中石膏層、下鹽層、下石膏層的地震反射能量強(qiáng),同相軸起伏變化強(qiáng)烈、連續(xù)性差。其次,針對(duì)強(qiáng)烈變形膏鹽巖構(gòu)造,設(shè)計(jì)了3個(gè)理論模型(“眼球狀”鹽丘模型、厚層鹽層模型、兩層薄鹽層模型)和兩個(gè)實(shí)際復(fù)雜膏鹽巖模型。最后,應(yīng)用非均勻介質(zhì)聲波方程交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分方法,對(duì)理論模型和實(shí)際模型進(jìn)行了地震響應(yīng)正演模擬和照明分析。結(jié)果表明:膏鹽層引起的強(qiáng)能量多次波、廣角導(dǎo)波、散射波和回轉(zhuǎn)波等干擾波降低了下伏層反射波信噪比和連續(xù)性;復(fù)雜構(gòu)造膏鹽體形成的回轉(zhuǎn)波一般會(huì)引起下伏層反射振幅的假亮點(diǎn);膏鹽層層數(shù)對(duì)下伏層能量的屏蔽作用比厚度更加顯著;膏鹽體的復(fù)雜構(gòu)造導(dǎo)致了地震波向下傳播能量的非均勻性和照明陰影。

關(guān)鍵詞：膏鹽巖;地震相;地震波反射特征;地震波照明;聲波模擬

阿姆河盆地是中亞地區(qū)一個(gè)大型富氣含鹽盆地,其主體位于土庫(kù)曼斯坦東部和烏茲別克斯坦西南部。阿姆河右岸是中石油和土庫(kù)曼斯坦合作勘探區(qū)塊,構(gòu)造上位于阿姆河盆地北部斷階帶,從西至東橫跨3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,走向北西—南東向。為東西兩端高、中間低和北高南低構(gòu)造格局[1]。

阿姆河右岸上侏羅統(tǒng)膏鹽巖廣泛沉積,是區(qū)域性蓋層。其完整的膏鹽巖沉積剖面自下而上分為:下石膏層、下鹽層、中石膏層、上鹽層和上石膏層5個(gè)巖性段,組成“三膏兩鹽”地層,厚度為100～1800m。“三膏兩鹽”地層總體上具有西薄東厚、東西分帶的特征，縱向上具有多旋回、多韻律的特點(diǎn)。膏鹽層內(nèi)強(qiáng)烈擠壓變形,構(gòu)造樣式復(fù)雜,厚度變化大,平面上呈現(xiàn)凹凸不平的非均勻性特征。由于膏鹽巖引起的能量屏蔽和干擾波的影響,使得下伏碳酸鹽巖目的層在時(shí)間域地震剖面上,反射波信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變、同相軸不連續(xù)、成像質(zhì)量差,因而碳酸鹽巖構(gòu)造落實(shí)和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度大。

本文在分析研究區(qū)膏鹽巖地震反射特征的基礎(chǔ)上,采用非均勻介質(zhì)聲波方程的交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分方法[2-3],對(duì)復(fù)雜變形膏鹽巖構(gòu)造的理論模型和實(shí)際模型進(jìn)行了正演模擬和照明分析。通過(guò)地震波正演模擬,分析復(fù)雜鹽丘構(gòu)造的地震波場(chǎng)特征、地震波型及其傳播規(guī)律、復(fù)雜鹽丘對(duì)鹽下反射波場(chǎng)的影響。通過(guò)地震波照明分析[4-6],從能量的角度,認(rèn)識(shí)膏鹽巖的地震波場(chǎng)能量特征及其對(duì)下伏地層地震波能量的屏蔽作用。進(jìn)而分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)膏鹽巖對(duì)下伏碳酸鹽巖地震成像的影響,其結(jié)果對(duì)于鹽下碳酸鹽巖構(gòu)造落實(shí)和礁體識(shí)別以及提高該區(qū)地震勘探水平具有重要意義。

1膏鹽巖地震反射特征

阿姆河右岸膏鹽巖地震反射結(jié)構(gòu)分為上、下兩部分,上部分由上石膏層和上鹽層組成,下部分由中石膏層、下鹽層和下石膏層組成。膏鹽巖上部分結(jié)構(gòu)變形微弱,下部分結(jié)構(gòu)變形強(qiáng)烈，如圖1所示。

上部分膏鹽巖的地震反射特征是:①上石膏層頂面地震反射是下白堊統(tǒng)碎屑巖和上侏羅統(tǒng)膏鹽巖之間的反射,為一明顯的巖性界面,是一反射振幅強(qiáng)、連續(xù)性好的波峰反射,橫向特征穩(wěn)定,全區(qū)易于追蹤,上石膏層厚為7～15m;②上鹽層表現(xiàn)為一套白茫茫的弱振幅反射特征,內(nèi)部呈空白至不連續(xù)的中、低頻弱平行反射軸,局部夾泥質(zhì)條帶或石膏夾層時(shí),呈平行反射軸,上鹽層厚為50～800m,從西至東基本呈現(xiàn)緩慢增厚的特征。

對(duì)于膏鹽巖下部分結(jié)構(gòu)的地震反射,從西至東,根據(jù)下鹽層和下石膏層的變形程度,將全區(qū)膏鹽巖剖面組合劃分為3種類型:未變形、強(qiáng)烈揉皺變形和流變特征。其中右岸中、東部大部分地區(qū)發(fā)育強(qiáng)烈揉皺變形特征的膏鹽巖,僅西部發(fā)育未變形的膏鹽巖,未變形膏鹽巖表現(xiàn)為一組連續(xù)性強(qiáng)的平行反射波組特征。流變膏鹽巖地震反射呈密集不連續(xù)的強(qiáng)反射波組特征,下鹽層較薄,中、下石膏層較破碎。本文主要描述強(qiáng)烈揉皺變形膏鹽巖的地震反射特征。

強(qiáng)烈揉皺變形膏鹽巖構(gòu)造的地震反射特征是:①中石膏層呈強(qiáng)波峰反射,反射能量較強(qiáng),但由于受下鹽層塑性變形影響,褶皺強(qiáng)烈,變形扭曲嚴(yán)重;②下鹽層呈典型的“眼球”狀反射波組特征,“鹽眼球”核部為弱振幅空白反射,上、下“鹽眼皮”中部均呈強(qiáng)振幅、相對(duì)連續(xù)和低頻的反射特征,下“鹽眼皮”側(cè)翼振幅強(qiáng)弱不均、同相軸雜亂;③下石膏層在兩“鹽眼球”之間“鼻梁”位置處增厚,在下伏碳酸鹽巖礁體上方呈“石膏帽”狀,石膏帽與下伏礁體均呈雜亂反射特征;④下鹽層與下石膏層間界面難以連續(xù)追蹤,鹽眼球下地層呈相對(duì)連續(xù)的強(qiáng)反射特征,鹽眼球之間下鹽層、下石膏層界面難以識(shí)別,地震反射振幅能量時(shí)強(qiáng)時(shí)弱,連續(xù)性差,同時(shí)受下部礁體影響,局部褶皺起伏較大。

圖1　強(qiáng)烈揉皺變形膏鹽巖地震剖面(a)和地質(zhì)剖面(b)

2膏鹽巖地震響應(yīng)正演模擬

通過(guò)復(fù)雜膏鹽巖理論模型和實(shí)際模型正演模擬,重點(diǎn)研究強(qiáng)烈揉皺變形膏鹽巖構(gòu)造對(duì)于鹽下碳酸鹽巖地震響應(yīng)的影響。

2.1理論模型

針對(duì)阿姆河右岸“三膏兩鹽”地質(zhì)結(jié)構(gòu)及典型的“眼球狀”地震相特征,設(shè)計(jì)了“眼球狀”鹽丘地質(zhì)模型(圖2)。通過(guò)理論模型正演模擬,分析膏鹽巖構(gòu)造的地震波場(chǎng)特征、地震波傳播規(guī)律及鹽丘對(duì)鹽下反射波場(chǎng)的影響。理論模型大小為6km×2km,數(shù)值模擬的網(wǎng)格大小為5m×5m,時(shí)間采樣間隔為0.5ms。爆炸震源位于(3.0km,0)處,震源子波主頻為30Hz,采用非均勻介質(zhì)聲波方程進(jìn)行全波場(chǎng)正演模擬。

圖2　“眼球狀”鹽丘地質(zhì)模型

圖3是“眼球狀”鹽丘模型聲波方程模擬的單炮記錄和波場(chǎng)快照。圖3a的炮點(diǎn)位于兩鹽丘中間(3.0km,0)處,圖3b炮點(diǎn)位于左鹽丘上方(2.5km,0)處。從圖3可以看出:①丘形膏鹽體引起反射波、散射波場(chǎng)具有明顯的能量聚焦效應(yīng),對(duì)透射波、反射波波前面調(diào)制作用很大。膏鹽層內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)能量快速導(dǎo)波的干擾作用也很大;②丘形膏鹽體產(chǎn)生的多次散射波、回轉(zhuǎn)波、多次波等干擾波,均影響了下伏地層反射波信號(hào),降低了信噪比;③鹽丘頂面反射層較清晰,鹽丘不規(guī)則形狀及厚度的強(qiáng)烈變化是導(dǎo)致下伏地層反射波能量不均勻的主要原因。不規(guī)則形狀會(huì)嚴(yán)重改變地震波的傳播路徑,產(chǎn)生各種繞射及散射,形成強(qiáng)干擾波與有效信號(hào)疊加、干涉,在剖面上表現(xiàn)為波形不規(guī)則的能量強(qiáng)弱變化、雜亂;在鹽丘不規(guī)則拐點(diǎn)位置,產(chǎn)生強(qiáng)能量快速導(dǎo)波聚焦[7-8]。在兩鹽丘之間,在鹽層下目的層頂面產(chǎn)生能量不均勻的地震波,與阿姆河右岸實(shí)際地震剖面所表現(xiàn)的地震反射特征一致。“鹽眼球”之間的不均勻雜亂反射,正是下膏鹽層下伏目的層礁體發(fā)育的地方,該位置下鹽層薄,下石膏層厚,實(shí)際地震剖面上表現(xiàn)為雜亂的地震相特征。膏鹽層不規(guī)則形狀和不均勻厚度加劇了膏鹽下礁體頂面地震波反射凌亂、能量不均勻的反射特征[9-10]。

圖3　“眼球狀”鹽丘模型聲波模擬單炮記錄(上)和波場(chǎng)快照(下)(t=600ms)a 震源位于兩鹽丘中間(3.0km,0);b 震源位于左鹽丘上方(2.5km,0)

2.2復(fù)雜膏鹽構(gòu)造實(shí)際模型

圖4　實(shí)際復(fù)雜膏鹽構(gòu)造速度模型

圖4所示為實(shí)際復(fù)雜膏鹽構(gòu)造速度模型,模型大小為36km×4km,模型網(wǎng)格為10m×5m。該模型是采用地震層位約束,井震標(biāo)定后的7口井聲波速度曲線內(nèi)插外推所建立的,其中表層速度分別為2.0km/s,2.3km/s。采用聲波方程交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法對(duì)其進(jìn)行正演模擬。模擬參數(shù)為:雙邊放炮,炮間距為100m,共360炮,爆炸震源,子波主頻為30Hz;每炮接收道數(shù)為200道,道間距為25m。圖5所示為震源位置在(15km,0)處,實(shí)際復(fù)雜膏鹽構(gòu)造模型聲波模擬單炮記錄;圖6 為實(shí)際模型聲波模擬零偏移距剖面。在單炮記錄和零偏移距剖面上,上石膏—下石膏4層膏鹽層反射波組特征明顯,尤其可見凹陷下鹽丘拐點(diǎn)位置出現(xiàn)反射波能量聚焦特征(圖中橢圓標(biāo)出),這種非均勻膏鹽層對(duì)地震波場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)的畸變以及散射、能量屏蔽作用,導(dǎo)致透射波能量弱以及膏鹽層下目的層反射波信號(hào)一致性差,振幅強(qiáng)弱的非均勻變化和連續(xù)性變差等[2-3]。圖7a和圖7b分別給出了實(shí)際地震疊前時(shí)間偏移剖面和正演模擬圖4復(fù)雜膏鹽模型的疊前時(shí)間偏移剖面。圖7a和圖7b的主要特征相同,但細(xì)節(jié)存在差異。在圖4實(shí)際復(fù)雜膏鹽構(gòu)造模型剖面上,5井位置存在一個(gè)大的下鹽丘,鉆井揭示下鹽層厚258m,下石膏層厚203m,下伏碳酸鹽巖頂面海拔深度-3244m;在2井位置下鹽層非常薄,僅9m,下石膏層厚302m,碳酸鹽巖頂面海拔深度-3261m,兩口井碳酸鹽巖頂面埋深僅差17m。在圖7a實(shí)際時(shí)間域地震剖面上表現(xiàn)為:5井碳酸鹽巖頂面(圖7a中橢圓標(biāo)注的黃色層)明顯比2井地震反射時(shí)間低近100ms,出現(xiàn)了嚴(yán)重的時(shí)間剖面和深度剖面“反轉(zhuǎn)”的假象。從圖7b正演模擬疊前時(shí)間偏移剖面看,5井和2井碳酸鹽巖頂面反射時(shí)間接近,與鉆井深度符合。這主要是由于通過(guò)準(zhǔn)確的速度模型模擬的地震反射時(shí)間,與其地質(zhì)模型深度是一致的,否則,會(huì)出現(xiàn)由于復(fù)雜膏鹽層厚度和速度不均勻引起時(shí)間剖面和深度剖面不相符的現(xiàn)象。上部發(fā)育有復(fù)雜膏鹽層的地層成像應(yīng)該采用疊前深度偏移方法,這樣不會(huì)出現(xiàn)下部目的層“上提下拉”的假象[11]。

圖5　實(shí)際膏鹽模型聲波模擬單炮記錄(震源位置(15km,0))

圖6　實(shí)際膏鹽模型聲波模擬零偏移距剖面

圖7　實(shí)際膏鹽模型疊前時(shí)間偏移剖面(a)和正演模擬疊前時(shí)間偏移剖面(增益)(b)

3膏鹽巖地震波能量傳播特征

研究區(qū)膏鹽巖縱向上具有多旋回、多韻律的特點(diǎn)。為了研究膏鹽巖層數(shù)和厚度哪個(gè)因素對(duì)地震波能量屏蔽影響更為明顯,設(shè)計(jì)了不同層數(shù)和不同厚度層狀膏鹽層的理論模型和實(shí)際地質(zhì)模型。圖8a 給出了含有400m厚層鹽(膏)層的層狀地質(zhì)模型,圖8b給出了含有50m和200m兩層的薄層鹽(膏)層狀地質(zhì)模型,圖8c給出了“三膏兩鹽”復(fù)雜膏鹽組成的實(shí)際地質(zhì)模型。對(duì)上述3個(gè)模型進(jìn)行波動(dòng)方程地震照明,分析地震波在不同結(jié)構(gòu)膏鹽巖傳播過(guò)程中的能量分布和傳播特征[12-13]。

圖9為不同厚度膏鹽層和不同層數(shù)膏鹽層的聲波單炮照明度圖。經(jīng)過(guò)地震波照明分析可以得出以下認(rèn)識(shí):①膏鹽層厚度增加,對(duì)鹽下能量的屏蔽作用增強(qiáng);②膏鹽層的層數(shù)增加,對(duì)鹽下能量的屏蔽作用增強(qiáng)。膏鹽層層數(shù)的影響大于其厚度的影響。

圖8　厚層鹽(膏)層(a)、兩層薄層鹽(膏)層(b)和復(fù)雜膏鹽層(c)地質(zhì)模型

圖9　400m厚層鹽(膏)層(a)和兩層鹽(膏)層(b)聲波全波場(chǎng)單炮照明度

圖10為復(fù)雜膏鹽層地質(zhì)模型的聲波波場(chǎng)單炮照明圖,炮點(diǎn)位置在(5km,0)處。能量透過(guò)上石膏層、上鹽層已產(chǎn)生不均勻的透射能量。在中石膏高速層內(nèi),照明度呈紫紅色,能量在中石膏層聚集,透過(guò)中石膏層到達(dá)下鹽層內(nèi)能量不均勻,至下石膏層內(nèi),能量呈現(xiàn)更加不均勻團(tuán)塊狀聚集,透過(guò)下石膏層的能量更低,照明度更弱且不均勻。這說(shuō)明多層不規(guī)則形狀的3層石膏層內(nèi)能量屏蔽比鹽層更強(qiáng),石膏層內(nèi)能量聚集,對(duì)下伏碳酸鹽巖目的層能量屏蔽的影響大。復(fù)雜膏鹽構(gòu)造引起地震波能量向下傳播具有非均勻性,即上覆復(fù)雜構(gòu)造膏鹽層引起下部目標(biāo)層疊加能量的非一致性,進(jìn)而對(duì)下伏地層成像質(zhì)量及地震解釋產(chǎn)生明顯影響,鹽(膏)丘邊界形狀對(duì)成像的影響比其頂部更大。通過(guò)照明補(bǔ)償偏移成像可以有效降低其影響[5,14-15]。

圖10　“三膏兩鹽”地層聲波全波場(chǎng)單炮照明度(炮點(diǎn)位置(5km,0))

4結(jié)束語(yǔ)

阿姆河右岸由“三膏兩鹽”組成的復(fù)雜膏鹽巖,在地震剖面上表現(xiàn)為:上石膏層、上鹽層反射同相軸變化平緩,上石膏層的反射振幅強(qiáng)、連續(xù)性好,上鹽層為一套白茫茫的弱振幅反射波組。中石膏層、下鹽層、下石膏層反射同相軸變形強(qiáng)烈,地震反射波表現(xiàn)為強(qiáng)能量波組,在不規(guī)則下“鹽眼球”和下“石膏帽”邊界位置,地震反射凌亂、連續(xù)性差。

復(fù)雜膏鹽層內(nèi)易產(chǎn)生強(qiáng)能量多次波、廣角導(dǎo)波、散射波、回轉(zhuǎn)波,它們均干擾了下地碳酸鹽巖地層反射波信號(hào),尤其在鹽丘拐點(diǎn)位置,產(chǎn)生快速導(dǎo)波的能量聚焦效應(yīng),降低了信噪比。

膏鹽層厚度增加,對(duì)鹽下地層能量的屏蔽作用增大;膏鹽層層數(shù)增加,對(duì)下伏地層能量的屏蔽作用也增大;層數(shù)的影響大于厚度的影響。

鹽(膏)丘邊界形狀對(duì)下伏地層成像的影響比鹽丘頂部的影響更大,厚度和外形不規(guī)則膏鹽層對(duì)地震波場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)的畸變以及散射、能量屏蔽作用,導(dǎo)致透射波能量向下傳播具有非均勻性,對(duì)下伏碳酸鹽巖地層成像質(zhì)量和礁體解釋產(chǎn)生明顯的影響。

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(編輯:陳杰)

Seismic response characteristics of complex halo-anhydrite in Amu Darya right bank

MA Zhi1,GUO Tongcui2,LI Haochen3,GUO Wei4,ZHANG Xingyang2,TIAN Yu2,ZHANG Liangjie2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,CNPC,Beijing100083,China;3.HuayouCorporation,Beijing100011,China;4.Trans-AsiaGasPipelineLimitedCo.，Beijing100011,China)

Abstract:The research on the impact of complex halo-anhydrite on seismic imaging of underlying carbonate is always one of the hotspots for seismic exploration .Firstly,we analyzed the seismic reflection characteristics of halo-anhydrites,which are featured by the structural combination of three layers of anhydrites and two layers of halites in Amu Darya right bank.The reflections from upper halites display a set of weak amplitude and gentle events;reflections from middle anhydrites,lower halites and lower anhydrites show strong energy and distortional events.Secondly,some models have been designed including three theoretical models (“eyeball-shaped” halite dome model,thick halite model and two-layer thin halite model) and two actual complex halo-anhydrite models.Finally,we performed seismic forward modeling and illumination analysis to the theoretical and actual models using the staggered-grid high-order finite difference method of acoustic equation in inhomogeneous media.The result indicates that:①the strong energy multiples,wide-angle guided waves,scattered waves and reverse waves generated by halo-anhydrites are interference waves,which reduce the SNR and continuity of reflections from underlying strata;②the reverse waves form halo-anhydrites with complex structure cause false bright spots of reflection amplitude from the underlying formation;③the number of halo-anhydrite layers has more remarkable shielding effect on the energy from underlying strata than their thickness;④the complex halo-anhydrite bodies leads to the heterogeneity of the downward seismic energy and forms illumination shadows.

Keywords:halo-anhydrite,seismic facies,seismic reflection features,seismic wave illumination,acoustic simulation

文章編號(hào)：1000-1441(2016)01-0100-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.01.013

中圖分類號(hào)：P631

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海外重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目勘探綜合配套技術(shù)”二期(2011ZX05029-003)項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：馬智(1967—),男,高級(jí)工程師,博士,主要從事地震資料解釋、正演、反演及地質(zhì)綜合研究工作。

收稿日期：2015-07-15;改回日期：2015-08-31。

馬智,郭同翠,李昊宸,等.阿姆河右岸復(fù)雜膏鹽巖地震響應(yīng)特征研究[J].石油物探,2016,55(1):-106

MA Zhi,GUO Tongcui,LI Haochen,et al.Seismic response characteristics of complex halo-anhydrite in Amu Darya right bank[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(1):-106

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05029-003).