镜面反射——大套泥岩地震强反射的一种成因

沈章洪

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院)

镜面反射
——大套泥岩地震强反射的一种成因

沈章洪

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院)

勘探实践中时有在钻前被作为存在储层重要论据的地震强反射却在钻后被证实它来自大套泥岩之中，根本没有储层与之对应。研究认为，在一定沉积条件下，泥岩层间可以形成非常光滑的界面，这种界面虽然反射系数不大，但与砂泥岩层间比较粗糙的界面相比却具有极好的反射定向性，导致其反射的地震波能量基本不出现漫反射而可以集中地被检波器接收到，从而形成可与砂泥岩层间界面反射的强度相当的地震记录，因此在褶积公式中引入镜面系数就可以描述这种现象。勘探实践中认识大套泥岩中的这种反射，对于避免钻前储层预测的失误具有现实意义。

镜面反射地震强反射镜面系数大套泥岩储层预测褶积公式

海上油气勘探中面对埋藏深度较大、勘探程度较低的目的层，在钻前论证时经常把地震强反射作为存在储层的论据，其理论依据是:砂岩和泥岩的波阻抗差异大，其界面的反射系数大，所以反射强。但是，这样的预测时有被钻井证伪的案例——强反射出现在数百米厚的大套泥岩层段中，根本没有储层。图1显示的是JZ25-1-9井GR和SP曲线及过井地震剖面。图中下方黄色方框中的最强反射钻前被认为是砂岩存在的反映而作为目的层之一，要求探井打穿它，但钻井最终揭示该层段为大套泥岩。

泥岩中的强反射一直困惑着勘探工作者们，现有理论似乎不能解释这种现象，它们的成因机理是什么?笔者认为要认清该现象的背后原因，必须回答以下2个问题:

(1)同样的泥岩碎屑物是在什么条件下可以形成明显的分层结构，并且分层界面的反射系数大于零?

(2)这样的界面在什么条件下可以产生地震强反射?

1沉积物供给的间歇可以形成大套泥岩中的分层界面

图1 JZ25-1-9井GR和SP曲线及过井地震剖面

这是从民间蒸千层糕获得的启示。每年农历七月十五，南方民间多有蒸千层糕的习俗。四四方方的糕块，可一层一层地揭开，多冷食，也可热食、煮炒等，黄荆柴(一种灌木)香味扑鼻，风味特别。千层糕的制作方法是:把黄荆柴置于水中浸泡或煮成金黄色汤水;用此汤水浸泡大米;然后连汤带米磨成米浆;在蒸笼中铺上屉布;舀一勺米浆均匀浇入蒸笼、盖上盖蒸十来秒;开盖，再舀一勺米浆均匀浇入蒸笼、盖上盖蒸十来秒。如此循环下去，待有三寸厚时，蒸熟出笼即可。千层糕的制作过程说明，完全相同的碎屑物，只要供给过程出现间断，就可以形成分层结构，形成界面。这种现象也会在大套泥岩中出现，厚达数百米的泥岩段是由一层层厚度小得多、容易分离开的单层泥岩重叠而成。那么，这样的界面具有反射地震波的能力吗?经典反射理论似乎给出了否定回答。因为从反射系数定义公式(1)［1］表面上看，由于碎屑物完全相同，它们的波阻抗也完全相同，所以反射系数为零，应该不会反射地震波。

式(1)中:r是反射界面的波阻抗;z2、z1分别是反射界面两侧介质的波阻抗。

笔者起初猜想:当碎屑物供给过程出现间歇时，会在已堆积的沉积物的自由表面产生不同于连续堆积层内部的某种结构，正是这种结构使得千层糕可以一层一层被揭开，也使得大套泥岩可以分成一个个小层。也正是这种自由表面的特殊结构的存在，导致泥岩层间出现不为零的微小反射系数。

这个猜想能够得到物理实验的支持吗?2010年，中海油研究总院在国家973项目的课题“南海深水区复杂地质结构地震采集基础理论研究”(2009CB219403)中，开展了针对南海某油田的一个三维物理模型研究(图2)，所设计的物理模型包括海底、T20、T40、T41、T50、T60、T70、T80共8个界面。

图3 物理模拟的反射界面与模拟记录剖面对比图

物理模拟采集的地震资料经过处理，上述8个界面的反射均可以清晰辨识(图3)。此外，最下方的2个反射分别来自于模型底界和容纳模型的大水槽的底面，因而也是合理的。但是，在海底和T20之间出现的一个接近于水平的反射，物理模型并无此类界面，反射因何形成?经过反向核查物理模拟的每一个步骤，发现在制作从海底到T20之间的这个层的过程中，用同样的高分子材料和比例、分两次调配并浇筑而成，即不是一次连续浇筑而成，中间存在一个时间间隔。分析认为，这个反射就是由此产生的。

虽然这个物理模拟不是针对笔者的猜想开展的，但是其制作过程中的一个不经意的操作间歇，却真真切切地证明了笔者的猜想具有物理真实性。因此，沉积物供给的间歇可以在大套泥岩中形成对地震波具有一定反射能力的分界面。

2弱反射系数界面在具备镜面特征的条件下可以造成强地震记录

按照上述假设和物理模拟的旁证可以相信:当泥岩沉积过程中的间歇达到一定程度时，就可以产生具有一定反射能力的界面。这种界面的反射系数，在不颠覆反射系数定义公式(1)的前提下，应该比常规砂岩和泥岩接触面的反射系数小很多。那么，在实际地震剖面上经常可见到的大套泥岩中的强地震记录又是如何产生的呢?

褶积公式(2)是用于描述地层的一系列波阻抗界面对入射地震脉冲的反射行为的经典模型。

S=r⊗w(2)式(2)中:S是反射波序列;r是反射系数序列;w是地震子波序列。

换句话说，褶积公式是站在波阻抗界面的立场，描述了每个界面可以把入射地震脉冲能量的多大份额反射回去，而反射能量有多少能够被检波器接收到则是另一回事。

这些反射回去的能量有多大份额能够被地面检波器接收到，取决于检波器的敏感半径以及反射到地面的能量分布在多大的面积范围内。如果对于同样的反射系数和同样的检波器，地震记录的强弱就取决于反射能量落在检波器敏感半径范围内的份额是多少，而且份额越大，地震记录越强，份额越小，地震记录越弱。

通过一个光学实验可以很清楚地看到这一现象。实验装置如下:一块平整的铝板(其一面抛光成镜面，另一面做成磨砂面。按照反射系数公式，显然这两个面相对于空气来说反射系数是一样的)，先将镜面朝上平放于地面。一支激光笔，它以接近垂直的角度固定在铝板上方，用以向铝板发射激光。一张白卡纸板，水平固定在铝板上方激光笔附近，在其上画一个小圆圈代表检波器的敏感范围。调整激光笔和白卡纸板的角度和位置，使得反射激光的光斑完全落在纸板的圆圈内，此时认为反射能量全部被检波器捕获(拍下纸板上光斑的照片，图4a);然后，保持激光笔和纸板不动，把铝板翻过来使磨砂面朝上，再看反射的激光光斑(也拍下照片，图4b)，其分布范围大大增加，有相当一部分跑到了小圈之外，此时反射能量只有一部分被检波器捕获。

图4 镜面反射(a)和磨砂面反射(b)激光斑点的照片

这种差异是由镜面反射与漫反射的特性决定的。用镜面系数m来表征反射界面所反射能量的分散程度，如果反射能量完全不分散，则定义m等于1;如果反射能量越分散，则m越接近于0。也就是说，用镜面系数m描述反射能量能够被检波器捕获的比例系数。

借助镜面系数的概念，可以把描述反射界面的反射行为的褶积公式(2)改写成描述检波器接收到的地震记录的公式(3)，即

S=(m·r)⊗W(3)

式(3)中:S为地震记录;m为界面的镜面系数;r是界面的反射系数;W为地震子波。

因此，地震记录中，一个界面的反射波的强度是由这个界面的反射系数r和这个界面的镜面系数m的乘积决定的。由于泥岩碎屑物的颗粒微小、水动力环境很平静，形成镜面界面的机会较大，而砂岩碎屑物颗粒粗、水动力环境比较之下很不平静，形成镜面的机会不大。这样，大套泥岩中发育的镜面界面的反射系数虽然不大，但具有较大的镜面系数，而砂岩和泥岩的接触界面虽然反射系数大，但镜面系数不大，从而使得这两种界面的反射系数与镜面系数的乘积达到相同的水平，所以在地震记录中它们的反射波强度看起来就相似了。

3结束语

传统的褶积模型只描述反射界面对入射波的反射行为，不能很好描述检波器接收到的地震记录的行为;通过在其中引入镜面系数后就可以描述界面的光滑程度对地震记录的影响。

大套泥岩发育的沉积环境水动力条件微弱，存在形成镜面界面的可能性，这种界面虽然反射系数不大，但镜面系数大;而砂岩发育的沉积环境水动力条件较强，加上碎屑物颗粒粗，基本不能形成镜面，所以砂岩与泥岩的接触面虽然反射系数一般较大，但其镜面系数基本很小。综合反射系数和镜面系数，泥岩中的镜面反射波记录就可以与砂岩界面反射波记录的强度达到相当的水平。

虽然地震记录中反射波的强弱还会受到界面的弯曲形态、资料处理中的振幅控制以及泥岩中的含钙薄层等因素的影响，但本文的价值在于揭示了这样一个事实:即便这些因素被逐一排除，仍然不能保证在一个区域以发育泥岩为主的地层段中出现强地震记录就意味着存在砂岩。如果把这一点牢记于心，则可以使勘探工作者面对这类目标时多一分沉思，从而可能减少勘探失误。

如何发现镜面反射的特征并从地震资料中识别它们，进而实现在钻前进行风险评估，这是一个非常有价值的研究方向。

致谢:感谢中海油研究总院王建花博士提供了有关物理模拟的材料。

［1］R．E．谢里夫等著．勘探地震学［M］．北京:石油工业出版社，1999:104-105，195-197，352-359．

(编辑:崔护社)

Mirror reflection:a cause of the strong seismic record from massive mudrocks

Shen Zhanghong
(Bohai Oilfield Exploration and Development Research Institute，Tianjin Branch of CNOOC Ltd．，Tianjin，300452)

In petroleum exploration，the strong seismic reflections that are considered as an important evidence of reservoirs before drilling may prove to be from massive mudrocks after drilling，with no reservoir corresponding to them．According to some researches，very smooth interfaces may occur between the beds of mudrock under a certain sedimentary condition．With a not great reflectivity，these interfaces can generate excellent directional reflections in comparison with the rougher interfaces between sandstone beds and mudrock beds，and there is largely no diffuse reflection in the seismic energy refelcted by them，so that this seismic energy can be totally picked by the geophones，resulting in the strong seismic records comparable to those generated by the interfaces between sandstone beds and mudrock beds．Therefore，this phenomenon can described by introducing a mirror coefficient in the convolution formula．Identifying this type of seismic reflection caused by massive mudrocks in exploration is acturally helpful to avoiding the errors in reservoir prediction before drilling．

mirror reflection;seismic strong reflection;mirror coefficient;massive mudrock;reservoir prediction;convolution formula

沈章洪，男，教授级高级工程师，中国海洋石油总公司勘探专家，1982年毕业于原华东石油学院地球物理勘探专业，从事过陆上和海上地震资料采集、地震资料现场处理、物探方法及软件研发等专业工作，最近20年专注于储层地球物理预测与描述研究。地址:天津市塘沽区609信箱(邮编:300452)。E-mail:shenzhh@cnooc．com．cn。

2012-07-17