陳 康, 冉 崎， 韓 嵩， 龍 隆， 何青林， 陳 驍， 彭 達(dá)

(中石油 西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，成都 610041)

0 引言

火成巖巖性和地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)，火成巖下伏地層地震反射同相軸連續(xù)性差、能量弱，導(dǎo)致火成巖區(qū)目的層構(gòu)造及儲(chǔ)層識(shí)別困難[1]。近年來(lái)，火成巖逐步成為勘探的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)松遼盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、濟(jì)陽(yáng)洼陷、黃驊坳陷、克拉美麗氣田、黃驊坳陷等地區(qū)都針對(duì)火成巖勘探開展了工作[2-8]。四川盆地火成巖主要發(fā)育在川西地區(qū)，多口井均證實(shí)區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M內(nèi)部火成巖發(fā)育，其中南充2井龍?zhí)督M鉆遇幾套高速凝灰?guī)r地層，地層速度比圍巖高2 500 m/s ～3 000 m/s。龍?zhí)督M泥頁(yè)巖與茅口組灰?guī)r測(cè)井速度差異較大，地震資料表現(xiàn)為雜亂弱反射特征，井震吻合度低(圖1)。

研究地震波在火成巖發(fā)育區(qū)的傳播規(guī)律，是分析區(qū)內(nèi)地震反射特征的基礎(chǔ)。褶積模型模擬由于未考慮地層的反射透射能量衰減作用，無(wú)法模擬實(shí)際地震波在地下介質(zhì)的傳播過(guò)程，難以深入解釋火成巖對(duì)下伏地層的屏蔽機(jī)理和不同火成巖分布特征的屏蔽作用。作者從地震波反射透射基本原理出發(fā)，闡述了火成巖地層的反射透射能量及對(duì)下伏地層的屏蔽機(jī)理，利用波動(dòng)方程地震模擬及偏移方法分析了不同火成巖分布模型對(duì)下伏地層地震信號(hào)的屏蔽作用，提出了巖下地震成像改善方法。研究結(jié)果較好地解釋了四川盆地川西及龍?zhí)督M底界的弱反射現(xiàn)象，為盆地內(nèi)火成巖及下部茅口組儲(chǔ)層勘探提供了借鑒。

圖1 四川盆地上二疊統(tǒng)底界弱反射特征剖面Fig.1 Weak reflection profile of upper permian bottom boundary in sichuan basin

圖2 火成巖高速層屏蔽機(jī)理Fig.2 High speed layer shielding mechanism of igneous rocks

1 火成巖屏蔽機(jī)理分析

1.1 單井界面上反射與透射系數(shù)

地震波在層狀介質(zhì)中傳播會(huì)引起以下幾類波：反射縱波(Rp波)、反射橫波(Psv波)、透射縱波(Tp波)、透射橫波(Tsv波)。利用基于反射率法的層狀介質(zhì)地震模擬方法[9]，考慮了地震波傳播過(guò)程中的衰減作用，可以求取各層界面的反射透射系數(shù)，獲取地震道集，道集包括了界面一次反射波和層間多次反射波信息，波場(chǎng)信息豐富。

南充2井火成巖發(fā)育段地質(zhì)模型如圖2所示，P波入射會(huì)產(chǎn)生Rp波、反射Psv波、透射P波和透射Tsv波，入射波能量被分配到四種波上。地層界面反射、透射系數(shù)與界面上下層介質(zhì)的縱橫波速度、密度有關(guān)，當(dāng)界面上下地層的波阻抗差異越大，界面反射系數(shù)越大、透射系數(shù)越小。

當(dāng)?shù)退俚貙又写嬖诙嗵赘咚俚貙訒r(shí)，地震波由高速地層傳播到低速地層過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)反射后透射能量變?nèi)?，依?jù)能量守恒定律，經(jīng)過(guò)多次強(qiáng)反射后，地震波能量衰減較快[10]。以南充2井為例，龍?zhí)督M內(nèi)部火成巖地層與龍?zhí)督M泥頁(yè)巖地層波阻抗差異大，地震波傳播至火成巖高速層中Rp4能量強(qiáng)、Tp5能量變?nèi)?，火成巖下伏地層Rp5能量變?nèi)?，?dāng)多套高低速互層時(shí)會(huì)形成頻率較高的多次波干擾。

圖3 主頻35 Hz、15 Hz單井反射率法縱波地震道集Fig.3 Primary frequency 35 Hz, 15 Hzsingle-well reflectivity method p-wave seismic trace set(a)35 Hz；(b)15 Hz

圖4 主頻35 Hz、15 Hz單井反射率法橫波地震道集Fig.4 Shear wave seismic trace set of single-well reflectivity method with 35 Hz main frequency and 15 Hz single well reflectivity method(a)35 Hz；(b)15 Hz

1.2 火成巖屏蔽效應(yīng)分析

利用反射率地震模擬方法對(duì)圖2地質(zhì)模型開展地震道集模擬，時(shí)間采樣率為2 ms?？v波模擬道集結(jié)果如圖3所示，當(dāng)主頻為35 Hz時(shí)，地震波在經(jīng)過(guò)多次反射透射后，龍?zhí)督M底界振幅能量較弱，在龍?zhí)督M內(nèi)部及茅口組內(nèi)部均出現(xiàn)了多次反射波，隨著入射角(偏移距) 增大 龍?zhí)督M底界波峰能量逐漸減弱；當(dāng)主頻為15 Hz時(shí)，龍?zhí)督M底界振幅能量相比35 Hz主頻模擬結(jié)果明顯增強(qiáng)，多次波能量得到壓制。

橫波模擬道集結(jié)果如圖4所示，當(dāng)主頻為35 Hz時(shí)，橫波多次反射透射后到達(dá)龍?zhí)督M底界振幅能量仍較強(qiáng)，龍?zhí)督M頂界出現(xiàn)多次波，隨著入射角(偏移距)增大龍?zhí)督M底界波峰能量逐漸增強(qiáng)；當(dāng)主頻為15 Hz時(shí)，龍?zhí)督M底界振幅能量相比35 Hz主頻模擬結(jié)果略有增強(qiáng)，龍?zhí)督M頂界多次波壓制明顯。

模擬結(jié)果分析可得出：①多套高速火層巖地層會(huì)導(dǎo)致下伏地層反射縱波能量衰減嚴(yán)重，多次波發(fā)育，大偏移距信息變?nèi)?；②多套高速火層巖下伏地層反射橫波能量衰減程度較小，大偏移距能量較強(qiáng)；③低頻地震波穿透薄互地層能力強(qiáng)，多套高速火層巖下伏地層地震波能量衰減較弱，多次波不發(fā)育。

2 火成巖地震波場(chǎng)模擬及特征識(shí)別

2.1 火成巖地震縱波正演模擬

為了深入分析不同火成巖分布厚度和組合方式的下伏地層地震響應(yīng)特征，設(shè)計(jì)了如圖5所示的三個(gè)模型，包括兩套薄火成巖(單套厚度20 m)、單套厚火成巖(厚度60 m)、單套薄火成巖(厚度20 m)。模型大小均為201道×500 m，道間距20 m，采用主頻為35 Hz的雷克子波激發(fā)，開展彈性波動(dòng)方程地震正演模擬[11-12]，共40炮激發(fā)，接收道101道，時(shí)間采樣率為2 ms。圖6為圖5三種模型對(duì)應(yīng)的第20炮和21炮的炮記錄，可見不同分布的火成巖發(fā)育區(qū)龍?zhí)督M底界反射能量存在差異，其中兩套薄火層巖發(fā)育區(qū)炮記錄中的龍?zhí)督M底界反射能量最弱、屏蔽作用最強(qiáng)、下部多次波最發(fā)育。

圖5 不同火成巖規(guī)模模型Fig.5 Different igneous rock scale models(a)兩套薄火層巖;(b)單套厚火成巖;(c)單套薄火成巖

圖6 不同模型的炮記錄Fig.6 Gun records for different models(a)兩套薄火層巖;(b)單套厚火成巖;(c)單套薄火成巖

圖7 不同模型的疊前時(shí)間偏移成像結(jié)果Fig.7 Pre-stack time migration imaging results of different models(a)兩套薄火層巖;(b)單套厚火成巖;(c)單套薄火成巖

2.2 火成巖地震成像及反射特征識(shí)別

對(duì)上述模擬結(jié)果進(jìn)行克?；舴虔B前時(shí)間偏移成像[13]，結(jié)果如圖7所示，發(fā)育兩套薄火成巖時(shí)，巖下地層畫弧現(xiàn)象嚴(yán)重，整體表現(xiàn)為類似生物礁形態(tài)明顯的隆起特征，內(nèi)部反射為弱雜亂反射，同相軸錯(cuò)斷，多次波發(fā)育；發(fā)育單套厚火成巖時(shí)，龍?zhí)督M底界也存在畫弧現(xiàn)象，但反射同相軸稍連續(xù)，下部仍存在多次波干擾；發(fā)育單套薄火成巖時(shí)，龍?zhí)督M底界無(wú)明顯畫弧現(xiàn)象，同相軸較連續(xù)，反射能量較強(qiáng)，多次波不太發(fā)育。

圖8 疊加偏移剖面低頻補(bǔ)償前后結(jié)果Fig.8 Results before and after low-frequency compensation of migration profile superposition(a)低頻補(bǔ)償前; (b)低頻補(bǔ)償后

圖9 大川中火成巖區(qū)低頻補(bǔ)償前后剖面Fig.9 Before and after low-frequency compensation profiles of the central sichuan igneous area(a)低頻補(bǔ)償前; (b)低頻補(bǔ)償后

3 成像改善方法

3.1 低頻保護(hù)處理

有文獻(xiàn)提到采用低頻信號(hào)補(bǔ)償應(yīng)用于火成巖發(fā)育區(qū)深層成像效果較好[14]，筆者針對(duì)火成巖屏蔽作用產(chǎn)生的地震同相軸能量和相位的變化，采用對(duì)疊加偏移剖面低頻補(bǔ)償?shù)姆绞礁纳瞥上裥Ч?。圖9(b)為圖8(a)剖面低頻補(bǔ)償結(jié)果，低頻補(bǔ)償后龍?zhí)督M底界面同相軸連續(xù)性變好，多次波能量得到明顯壓制，茅口組內(nèi)部?jī)?chǔ)層特征清晰。分析其原因：低頻的數(shù)據(jù)橫向采樣均勻，但是在補(bǔ)償前能量較弱，因此能量強(qiáng)但不均勻的中高頻數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了畫弧現(xiàn)象，通過(guò)提高低頻能量后中高頻的能量減弱，成像效果得到了改善。將該方法運(yùn)用到南充2井火成巖發(fā)育區(qū)(圖9)，實(shí)際資料補(bǔ)償后龍?zhí)督M底界同相軸連續(xù)性變好，地震可識(shí)別性更強(qiáng)。

3.2 偏移算法

火成巖對(duì)巖下成像屏蔽作用與鹽丘、膏巖屏蔽類似，均是由于地震波傳播中能量的衰減導(dǎo)致巖下波場(chǎng)信息不豐富造成的，因此采用波動(dòng)方程偏移成像(散射波動(dòng)方程、逆時(shí)偏移[15]、全波形反演成像對(duì)成像)結(jié)果會(huì)有所改善。如圖10所示，在理論模型中，采用逆時(shí)偏移相比采用克希霍夫疊前深度偏移對(duì)火成巖下成像效果更好，龍?zhí)督M底界面同相軸振幅相位連續(xù)，茅口組內(nèi)部?jī)?chǔ)層特征清晰。

圖10 不同偏移算法的偏移成像結(jié)果Fig.10 Migration imaging results of different migration algorithms(a) 克希霍夫疊前深度偏移；(b)逆時(shí)偏移

圖11 實(shí)際數(shù)據(jù)不同偏移算法的偏移成像結(jié)果Fig.11 Migration imaging results of different migration algorithms for actual data(a) 克?；舴虔B前深度偏移；(b)逆時(shí)偏移

4 結(jié)論

針對(duì)四川盆地火成巖發(fā)育區(qū)存在的地震成像屏蔽機(jī)理不清、巖下地震反射井震標(biāo)定能量相位差異大等問(wèn)題，開展地震波傳播規(guī)律研究及巖下地震成像改善方法研究，可得到以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

1)多套高速火層巖地層會(huì)導(dǎo)致下伏地層反射縱波能量衰減嚴(yán)重，屏蔽效應(yīng)明顯，火成巖非均質(zhì)體的層數(shù)、火成巖與下伏地層的相對(duì)位置關(guān)系是影響屏蔽程度的重要因素。多套火層巖發(fā)育時(shí)，發(fā)育區(qū)地震表現(xiàn)為類似生物礁的外形隆起、內(nèi)部雜亂反射特征，下部多次反射較多且能量較強(qiáng)。

2)大偏移距勘探不利于火成巖發(fā)育區(qū)下伏地層縱波信息接收，但是有利于橫波的接收。針對(duì)火成巖分布較廣區(qū)，應(yīng)采用小偏移距進(jìn)行激發(fā)接收；針對(duì)小規(guī)?；鸪蓭r分布區(qū)，增大偏移距可以使反射波避開火成巖，提高火成巖下伏地層地震能量。

3)低頻信號(hào)越過(guò)不均質(zhì)體的能力較強(qiáng)，在資料處理過(guò)程中要充分保護(hù)低頻信息、加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)頻帶處理，同時(shí)充分利用豐富波場(chǎng)信息進(jìn)行偏移成像，有利于改善巖下地震成像質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前深度偏移(圖11)同樣證實(shí)，在采用同樣深度域偏移速度場(chǎng)以及偏移孔徑等參數(shù)時(shí)，逆時(shí)偏移較克?；舴虔B前深度偏移針對(duì)火成巖下成像有較為明顯地改善。