孫希家 張中巧 謝 祥 龔 敏

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽 300459)

1 概況

速度研究是地球物理勘探領域的重要內(nèi)容，在地震資料成像、精細構(gòu)造成圖、地層對比、壓力預測等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。在勘探初期，由于鉆井資料少，地震疊加速度精度較低，對地層結(jié)構(gòu)了解較少，常將速度簡化為埋深的單一函數(shù)，忽略了速度的橫向變化。若地層發(fā)育速度異常，往往導致勘探失利。因此速度橫向變化研究越來越受到重視。

地震波在地下的傳播速度受多種因素控制，如地層巖性、地層厚度、埋藏深度、地質(zhì)年代、壓實程度、儲集物性以及流體等[5]。若某個或某些因素發(fā)生橫向突變，則會產(chǎn)生速度異?，F(xiàn)象。根據(jù)地層速度的變化趨勢，將速度異常分為高速異常和低速異常兩類。歸納而言，低速異常的成因主要包括地層超壓、地層流體發(fā)育異常(主要指含油氣性的橫向變化)、砂地比(某層段內(nèi)砂巖厚度與地層厚度的比值)橫向變化[6-9]等； 高速異常的成因主要是火成巖、變質(zhì)巖、礫巖等高速巖體的發(fā)育及地層的垂向運動[10-13]?？傮w來說，目前對低速異?，F(xiàn)象的研究較深入，對高速異?，F(xiàn)象的研究則相對薄弱，尤其對走滑應力區(qū)的高速異常現(xiàn)象尚未開展系統(tǒng)研究。

渤海灣盆地萊北低凸起毗鄰黃河口凹陷和萊州灣凹陷(圖1)，為油氣運聚的有利區(qū)帶，成藏條件優(yōu)越。主力儲層為明下段五油組頂部的淺水三角洲砂體。郯廬斷裂在渤海灣盆地南部表現(xiàn)為由NE向的西支、中支和東支走滑斷裂組成的斷裂帶[14]。萊北低凸起呈北東向菱形展布，東、西兩側(cè)分別被郯廬斷裂東支、中支夾持，南、北兩側(cè)由伸展斷層分割。伸展應力和走滑剪切應力共同控制萊北低凸起的形成和演化，導致構(gòu)造特征復雜[15]。在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)橫向速度變化較大，如相距僅為600m的L3井和L6井，在鉆探之前，利用L3井的時深關系預測L6井的目的層深度，實鉆深度較鉆前預測深度大22m，即L6井目的層頂面的平均速度(2171m/s)比L3井(2137m/s)大34m/s，嚴重影響了鉆前深度預測和后續(xù)滾動勘探。因此了解高速異?，F(xiàn)象的成因、分布規(guī)律及預測方法具有重要意義。為此，利用測井資料、三維地震資料和地震速度資料研究了萊北低凸起走滑—伸展應力區(qū)的高速異常現(xiàn)象?；趨^(qū)域應力場機制及壓實量分析，討論了構(gòu)造對地層速度的橫向控制作用，探索了高速異常的成因，并定量刻畫了高速異常帶。研究成果對走滑—伸展應力區(qū)的速度預測具有借鑒意義。

圖1 研究區(qū)位置

2 研究區(qū)高速異常特征

在研究區(qū)油氣評價過程中，發(fā)現(xiàn)了高速異常現(xiàn)象。L3與L5井、L3與L6井、L5與L6井的井間距分別為4.5、0.6、5.5km(井位置見圖1)。由L3、L5、L6井時深關系(圖2)可見：①L3與L5井時深關系基本一致。鉆前利用L3井的時深關系預測L5井地層深度，實鉆深度與鉆前預測深度相差2m。②從明下段二油組底部開始，L6井時深關系與另外兩口井出現(xiàn)差異，表現(xiàn)為同一深度下，L6井對應的雙程旅行時偏小(即速度偏大)，并且這種差異隨著深度增加而增大。如L6井明下段四、五油組頂面的平均速度比L3井相應層段分別大20、34m/s，說明L6井區(qū)的明下段地層速度高于L3、L5井區(qū)。

由于鉆井分布相對稀疏，因此為了清楚地展示研究區(qū)速度橫向分布特征，本文嘗試結(jié)合鉆井資料與疊加速度譜的方法描述速度分布特征。疊加速度是指對動校正之后的地震道進行疊加處理，疊加后有效波能量最大時對應的地震波速度。疊加速度譜展示了疊加記錄的振幅隨疊加速度的變化，反映了在時間域速度按一定的CMP間隔的變化情況，采樣點稀疏，橫向分辨率低，不能精確地反映譜點之間的速度橫向變化?？紤]到淺層疊加振幅峰值分布明顯，具有一定規(guī)律，而中、深層反射波能量團發(fā)散，因此利用疊加速度譜資料可以大體反映淺層速度的相對橫向變化[5]。筆者對疊加速度譜提取了1400ms等時切片，同時統(tǒng)計了18口鉆井在1400ms對應的地層深度，計算出地層速度(圖3的井點標值)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆井資料和速度譜反映的速度特征較一致：在工區(qū)中部發(fā)育一條NE走向的高速異常帶，其與工區(qū)的主斷裂帶具有較好的空間匹配關系(圖3)。如1400ms對應埋深的高速異常帶的地層速度比正常速度區(qū)平均高0.96%，即高速區(qū)比非高速區(qū)平均約深15m(圖3)。

圖2 L3、L5、L6井時深關系

圖3 高速異常帶分布特征(1400ms疊加速度切片)

3 高速異常成因

研究區(qū)明下段五油組由淺水三角洲相的砂泥巖地層組成，不存在火成巖、變質(zhì)巖、礫巖等高速巖體，平均埋深為1250～1400m。統(tǒng)計工區(qū)鉆井數(shù)據(jù)表明：目的層地層厚度橫向較穩(wěn)定，平均為240～260m； 沉積特征變化不大，平均砂地比為12%～18%，泥巖和砂巖速度差異較小(表1)； 氣層較少，油層和水層密度、速度相差不大(表1)，平均油砂比(某一儲層段內(nèi)油層厚度與砂巖總厚度的比值)為19%～30%。因此，地層巖性、地層厚度、埋深、地質(zhì)年代、儲集物性以及流體等因素與目的層的高速異?，F(xiàn)象相關性較小，不是高速異常的主要成因。

綜合分析鉆井資料和地震資料發(fā)現(xiàn)，高速異常帶與斷裂帶具有較好的空間匹配關系(圖3)。由于斷裂帶是構(gòu)造應力釋放而產(chǎn)生的構(gòu)造形變，因此初步認為構(gòu)造應力是本區(qū)高速異常的主要成因。下面針對該問題進行重點探討。

表1 研究區(qū)不同巖性的速度、密度統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.1 研究區(qū)應力分析

萊北低凸起夾持于郯廬斷裂(渤海南部)東支、中支之間，屬于走滑—伸展應力復合區(qū)。通過研究斷裂性質(zhì)、產(chǎn)狀及組合樣式(圖4a)，建立了反映萊北低凸起應力場特征的右行走滑應變橢圓模型(圖4b)，然后根據(jù)應變橢圓推測各種斷層的成因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，按照不同成因?qū)⒃搮^(qū)斷層分為3類：①近EW向伸展斷裂； ②NNE向走滑斷層(主走滑PDZ)； ③走滑派生斷裂，包括NEE向T破裂、NE向R破裂、NW向R′破裂。這些斷層構(gòu)成了淺層的主要斷裂體系(圖4a)。

統(tǒng)計研究區(qū)延伸長度大于1.5km的斷層發(fā)現(xiàn)，斷層走向以NEE向為主(圖4c)，與應變橢球模型(圖4b)的T破裂對應。這些T破裂以單一斷層形式或一定的組合樣式存在：①NEE向T破裂呈左階雁行排列，組成NE向R破裂(圖4b)； ②NEE向T破裂呈右階雁行排列，組成NW向R′破裂(圖4b)。T破裂的這兩種賦存形式，表現(xiàn)了不同的應力特征。

本文根據(jù)彈性力學的變形幾何方程和薄板假設理論[16]，基于FRS軟件對研究區(qū)進行應力數(shù)值模擬。首先通過計算構(gòu)造曲率得到區(qū)域應變分布情況； 然后利用疊前反演得到地層彈性參數(shù)與區(qū)域應變，通過廣義胡克定律得到區(qū)域應力分布情況(圖5a)。

由走滑應變橢圓(圖4b)可見，T破裂受同向擠壓分量和垂向伸展分量的同時作用。Anderson斷裂模式表明，單條正斷層是水平伸展作用的結(jié)果[17]，由此可以推斷由多條呈雁行排列的正斷層組成的復雜斷裂帶的應力特征。前人采用構(gòu)造物理模擬實驗方法系統(tǒng)研究了走滑斷裂及派生構(gòu)造[18-19]。李偉等[19]利用60～80目海灘石英砂開展物理模擬，以考察渤海海域遼中南洼壓扭構(gòu)造帶的構(gòu)造特征，實驗幾何相似系數(shù)為10-5(即1cm代表1km)，斷層走向為NNE，斷層性質(zhì)為右旋走滑，走滑量分別為2、4cm，走滑速率為0.01cm/s，斷層東側(cè)為主動盤(圖5b)。

圖4 萊北低凸起淺層斷裂特征及受力分析(a)明下段五油組頂面斷裂特征； (b)右行走滑應變橢圓； (c)斷裂走向玫瑰花圖

圖5 萊北低凸起淺層應力數(shù)值模擬(a)及應力巖石物理模擬(b)

應力數(shù)值模擬和巖石物理模擬結(jié)果表明，在走滑應力場中，雁列斷層發(fā)育位置的擠壓分量最大，拉張分量并不大。從動力學的角度來看，擠壓應力集中于斷面，必然會通過一定的應變釋放這種聚斂能量。斷層兩盤受擠壓作用，首先形成一系列褶皺，而地層持續(xù)擠壓、彎曲變形至一定程度，可能產(chǎn)生垂向調(diào)節(jié)斷層，最終達到應力釋放、受力平衡狀態(tài)。這種垂向調(diào)節(jié)斷層是由與擠壓應力相關的被動拉張作用產(chǎn)生的。鄧輝等[20]也指出，在走滑帶內(nèi)的擠壓作用與伸展作用并非“勢不兩立”，而是可以共存且其強度呈正相關。因此NE向R破裂帶與NW向R′破裂帶均存在水平擠壓作用。

3.2 擠壓應力對地層速度的影響及證據(jù)

巖石物理實驗表明[21-23]，地震波的傳播速度與有效應力(外界圍壓與孔隙壓力的差值)的變化規(guī)律為：①受力初期，波速呈對數(shù)增大，微裂縫、喉道閉合； ②持續(xù)受力，波速呈線性增大，孔隙閉合； ③繼續(xù)受力，波速呈線性減小，直至巖石破碎?；谠搶嶒灲Y(jié)果，有人提出了“巖石聲波的壓實效應”[22]概念，即聲波在多孔巖石中的傳播速度與巖石所受的上覆有效壓力密切相關，隨著有效壓力增大，巖石被壓實，組成巖石骨架的顆粒之間接觸緊密，導致巖石總體彈性變大，聲速也隨之變大。

通過應力分析，可以確定雁列式展布的T破裂應該是NEE向擠壓分量的間接產(chǎn)物。同時，雁列斷層將地層分成多個小斷塊，每個斷塊均受到NEE向擠壓作用。在這種擠壓作用下，地層必然發(fā)生水平構(gòu)造壓實作用，導致地層速度變大(與沒有水平構(gòu)造壓實的正常速度區(qū)相比)。因此，萊北低凸起淺層NE向高速異常帶的成因是水平構(gòu)造壓實作用。

正常速度區(qū)的壓實程度主要反映上覆地層壓力的垂向壓實作用，而高速區(qū)除了垂向壓實之外，還存在水平構(gòu)造壓實。因此只要證明高速區(qū)比非高速區(qū)壓實量大，即可證明高速區(qū)存在水平構(gòu)造壓實作用?？紤]到泥巖比砂巖的壓實敏感性更高，前人常利用泥巖聲波時差法分析區(qū)域壓實特征，進而預測沉積盆地的地層壓力及研究油氣初次運移[24-28]。本文選取位于高速區(qū)和非高速區(qū)的9口典型井(井位置見圖3)數(shù)據(jù)制作壓實曲線。首先根據(jù)巖性錄井成果，提取各井明下段的泥巖地層； 然后利用聲波時差與井徑交會法去除井壁垮塌的影響，利用聲波時差與自然伽馬交會法去除其他巖性干擾； 最后擬合校正聲波時差與深度，得到部分井泥巖壓實曲線(圖6)?？梢?，高速區(qū)和非高速區(qū)的壓實曲線斜率基本一致，且高速區(qū)壓實曲線斜率略低于非高速區(qū)。如對應200m埋深變化(1200～1400m)，非高速區(qū)、高速區(qū)聲波時差變化量分別約為12、19 μs/ft，表明高速區(qū)的壓實量高于非高速區(qū)。因此，高速區(qū)除了垂向壓實之外，還存在水平構(gòu)造壓實作用，也正是水平構(gòu)造壓實產(chǎn)生高速異常。

圖6 萊北低凸起部分井泥巖壓實曲線

4 高速異常帶定量刻畫

由于縱向疊加速度譜采樣太稀，縱向疊加速度曲線本身精度不高，難以直接精確顯示速度橫向變化。研究區(qū)高速異常發(fā)育規(guī)律表明，正常速度區(qū)僅存在垂向壓實作用，高速異常區(qū)同時存在垂向壓實和水平構(gòu)造壓實作用。因此該區(qū)應力特征較復雜，定量刻畫水平擠壓應力及其壓實量難度較大，無法直接識別高速異常體?？紤]到垂向壓實量是埋深的單一函數(shù)，相對容易獲取，因此本文通過求取實際速度體與正常壓實速度體的差值，間接求取高速異常體[29-31]，進而定量刻畫高速異常帶。

4.1 高速異常體識別

綜合鉆井資料、地震解釋成果和地震速度資料求取高速異常體，主要過程包括地震速度資料預處理、正常壓實速度體的獲取和求取實際速度體與正常壓實速度體的差值(即去除正常壓實作用)等3步(圖7)。

圖7 高速異常體定量刻畫技術路線

地震速度資料預處理是后續(xù)工作的基礎。首先去除速度異常值點； 然后對多口鉆井的聲波時差資料與相應井道的地震速度資料進行匹配分析，評估地震速度資料的可靠性； 最后利用鉆井資料和地震層位校正原始速度場，使之更符合客觀地質(zhì)規(guī)律。獲取正常壓實速度體的前提是判定正常壓實區(qū)。首先根據(jù)地層趨勢和地震速度趨勢的一致性判定正常壓實區(qū)； 然后通過拾取地震速度擬合時間域深度與地震速度的關系曲線。利用該曲線計算正常壓實條件的地震速度體，再求取原始速度體與正常壓實條件速度體的差值，即得到高速異常體。

4.2 定量刻畫高速異常帶

定量刻畫高速異常帶包括確定高速異常范圍和高速異常量等兩個方面。

(1)確定高速異常范圍。通過適當平滑地震速度異常體并提取明下段五油組頂面的屬性(波峰振幅和)，即可得到反映目的層高速異常幅度相對變化趨勢的平面屬性。然后在高速異常分布規(guī)律的指導下，結(jié)合鉆井速度資料，綜合確定高速異常帶的邊界。

(2)確定高速異常量。在高速異常帶充分利用鉆井數(shù)據(jù)，同時在井少的區(qū)域按照速度變化趨勢建立虛擬井，以保證控制井點均勻分布，利用正常速度區(qū)的時深關系求取各井明下段五油組頂面深度，并求取該深度與鉆井深度的差值。然后通過交會分析上述差值與相應屬性值得到擬合關系，將速度異常平面映射為差值平面，即可得到各點的高速異常幅度。

以明下段五油組頂面為例，定量刻畫了高速異常帶(圖8)。結(jié)果表明，高速異常帶沿著雁列式T破裂展布，其分布范圍受斷裂活動范圍控制，高速異常量與斷層的活動強度具有較強的正相關性，與高速異常帶的發(fā)育規(guī)律吻合。

圖8 高速異常定量刻畫

5 結(jié)論

(1)在走滑—伸展應力區(qū)，受次級擠壓分量產(chǎn)生的水平擠壓作用影響，雁列式T破裂帶內(nèi)部地層除了存在垂向正常壓實作用之外，還存在水平構(gòu)造壓實作用，因此存在高速異常現(xiàn)象。研究成果對走滑—伸展應力區(qū)的速度預測具有借鑒意義。

(2)綜合鉆井資料、地震解釋成果和地震速度資料，利用“去除正常壓實作用”的方法，定量刻畫了高速異常帶的范圍及異常幅度，從而為變速成圖提供了約束條件，可提高成圖精度。