泥砂速度比对小断层分辨率影响特征分析

周 路，刘志敏，廖 伟，王 玉，白 伟，袁 兵

（1．西南石油大学a．油气藏地质及开发工程国家重点实验室，b．西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2．中国石油新疆油田a．新疆油田公司采气一厂，b．新疆油田公司开发处，克拉玛依 834000）

泥砂速度比对小断层分辨率影响特征分析

周 路1a，刘志敏1b＊，廖 伟2a，王 玉2b，白 伟2a，袁 兵1b

（1．西南石油大学a．油气藏地质及开发工程国家重点实验室，b．西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2．中国石油新疆油田a．新疆油田公司采气一厂，b．新疆油田公司开发处，克拉玛依 834000）

准噶尔盆地西北缘车排子地区中浅层受拉张应力作用，多发育小断距断层，与油气运移和聚集有着密切联系。小断距断层地震识别主要受断层上、下盘的反射时间差影响，而时间差又取决于地层速度。不同速度比条件下，小断距断层分辨率反映了岩性特征对分辨率的影响。根据分析不同泥砂速度比、不同子波主频以及不同噪音背景下的断层地震响应，得到泥岩与砂岩间速度比越低，断层分辨率越高。结合实际地震资料，将理论模型得到的结论用于车排子地区小断距断层的识别，取得了良好的应用效果。

泥砂速度比；小断层分辨率；地震分辨率；地震正演

0 引言

断层是指岩体或岩层顺破裂面发生位移的一种地质现象。随着勘探程度的不断提高，断层分辨率逐渐成为一项重要的研究课题［1－3］。目前识别断层的方法有相干、曲率、三维可视化、水平切片以及近反射到几何特征分析等，均可用于大断层的识别［4－9］；针对小断层形态的刻画，主要有井间地震、多尺度（分波数）曲率与连续相位谱曲率研究、沿层剩余振幅分析、优势频带分频相位与优势频带相干技术、属性融合等［10－19］。针对断层的应用性研究［20］有很多，但对其分辨率影响因素的理论研究则相对较少。正演模拟则是一种有效探究断层分辨率影响因素的有效途径。地震资料分辨率是指相当于1／4波长的薄层厚度，但并不能依此来界定小断层分辨率，通过研究某种具体因素探究小断层分辨率，则能更好地分析断层分辨率极限值。目前针对道间距、随机噪音、埋深、储层厚度等对小断层识别的影响已被广泛研究［13，20－22］，而泥砂速度比对断层分辨率的影响从未有人作过系统性研究分析。通常小断层能否准确识别，主要取决于断层上、下盘是否存在足够的旅行时差以及地震波同相轴的分辨率，而时差很大程度取决于速度，泥砂速度比则是与速度紧密相关的一个因素。作者在本文中首次提出并分析泥砂速度比对断层分辨率的影响，从理论上定量给出子波主频为30Hz前提下的小断层分辨率。

新疆西北缘油气探区储层多为砂泥岩，受深层由西向东的冲断隆升构造作用，准噶尔盆地车排子凸起东斜坡区发育了一系列平行分布的东西向小断裂［23］。这些小断层因断距较小，在地震剖面上不易识别，并且常规的技术方法无法预测小断层断距。这里通过正演模拟，构建不同岩性、不同频率、不同噪音比重的小断距断层模型，利用给定不同的泥砂速度比对其进行正演，根据断层模型的地震响应，定性分析不同地质条件下小断层的反射特征，从理论上定量给出小断层的分辨率极限值。结合实际地震资料，制作实际断层模型，对小断层的理论分辨率给予验证，对该区小断层的地震识别以及小断层断距的推测，起到了极其重要的作用。

1 正演模拟原理

二维模拟通常适用于地下为水平层状结构的地层，正演模型分析可以从理论上指导构造解释和储层预测［13］。作者采用基于褶积算法的地震波垂直入射法（相当于叠偏剖面），进行正演研究。

若将岩石弹性区看成均匀的弹性介质，则可认为地震子波在传播过程中波形保持不变，仅由于传播路径不同而使得到达接收器的时间不同。假设地下有一个水平层状介质，地震波从O点激发经地下反射界面反射传播到S点，即S点接收到的地震波是来自地下各界面反射波的叠加（图1）。若S点接收到来自地下界面R1的反射波在t1时刻到达，该层反射系数是ξt1，则这个界面的反射波为ξt1＊bt－t1；类似地，在t2、t3、…、tn时刻分别接收到来自地下R2、R3、…、Rn界面的反射波ξt2＊bt－t2、ξt3＊bt－t3、…、ξtn ＊bt－tn，因此S点接收到的整个地震记录就是这些波的叠加

式（2）就是褶积模型，即地震记录＝地震子波与反射系数序列的褶积。

图1 层状介质地层模型及其反射示意图Fig．1 Model of layered formation and Corresponding reflection characteristics

这里采用P波垂直入射法进行正演，故可求得纵波反射系数（式（3）），υPi为不同介质中地震波传播速度。

对于断层而言，岩石物理存在差异的界面处地层波速发生变化时，断点附近反射特征改变，导致断层分辨率产生变化，影响小断层识别。由于作者主要针对新疆油气探区进行研究，故地层岩性多为碎屑岩。该地区泥岩速度通常小于砂岩速度，泥岩与砂岩速度比必然在（0，1）区间内波动。因此可以利用泥岩速度与砂岩速度之间比值，探讨小断层分辨率。

在本文中，假定ρ1、υP1分别为泥岩密度、泥岩速度；ρ2、υP2分别为砂岩密度、砂岩速度。令泥砂速度比为η，并且η＝υP1／υP2，对式（3）进行化简：

由式（4）可知，反射系数、泥岩与砂岩速度比之间存在一定联系，进而会影响地震记录。研究主要针对泥砂速度比这一影响因素，选取不同的泥砂速度比，对不同的断层模型进行正演，定性分析其地震响应特征，定量分析小断层分辨率，并利用实际地震数据验证小断层分辨极限值的可靠性，同时对该区小断层断距进行预测。

2 理论模型

在不同地层条件下，当断层断距不同时，断点的地震响应各不相同，断层解释难易程度也不一样［24］，通过分析不同地区的测井数据可得各区砂泥岩速度相应的分布范围概况（表1），为理论模型中砂泥岩速度的设置提供一定的实际依据。

表1 准噶尔盆地砂岩油气藏探区不同岩性速度表Tab．1 Velocity of different lithology of reservoir A exploration area in Junggar basin

针对车排子白垩系清水河组地层进行研究，通过统计大量测井数据以及岩性资料可知，目标区的中浅层砂岩速度通常为3 300m／s～3 600m／s，深层砂岩速度约为3 700m／s～4 200m／s，泥岩速度深浅层变化较小，一般为3 200m／s～3 500m／s（图2）。

图2 车排子车峰9清水河组速度曲线Fig．2 Velocity curve of Qing shuihe formation from CF9in Che paizi area

2．1 不同断距不同岩性组合方式的断层模型

由实际资料可知，车排子地区发生位移的断面并不是严格与垂直方向重合，而是存在高陡倾角［25］，因而绘制的模型中断面均有一定倾斜。同时受断面横向分辨率的限制，相邻断点之间距离相对较近，所以正演响应中的断面倾角较大，看似垂直，实际存在一定的倾角。

2．1．1 不同断距断层模型

绘制不同断距的大断层模型，岩性组合方式为上泥下砂型（表2），由于通常情况下泥岩的速度不会小于1 600m／s，因此在试验中对泥砂速度比参数进行选择时，其比值在［0．5，1）的范围内变化。

表2 上泥下砂型大断层模型参数表Table 2 Parameters of major fault withlithology combination of mudstone overlaying sandstone

从正演结果（图3）可知，泥砂速度比一定即砂泥岩速度不变时，断距越大，地震波穿过断面的旅行时差越大，断层两盘错动现象越明显；而断距相同时，泥岩速度越低，泥砂速度比越小，地震波穿过断面的旅行时差增加，故断层两盘错动现象越明显。泥砂速度比为0．7时，断距为20m及其以上的断层两盘地层完全错断；当泥砂速度比大于等于0．8时，断距为25m及其以上的断层两盘同相轴完全错断，而断距为20m左右的断层仅出现明显的阶梯状反射，断点处两盘地层仍存在5m～6m的略微重叠现象。由于断距较大，因而不论泥砂速度比为何值，该类大断层均较易识别，并且可识别的最小断层断距相同。

图3 不同泥砂速度比情况下大断距断层模型地震正演响应Fig．3 Major fault model and corresponding seismic responses of different ratios

2．1．2 不同岩性组合方式小断距断层模型

绘制不同岩性组合方式的小断距断层模型（从左至右断层断距依次为λ／30，λ／20，λ／15，λ／12，λ／10，7λ／60，2λ／15），子波主频为30Hz，分析不同岩性参数情况下，不同岩性组合方式断层的反射特征（图4）。

在SEG反正常极性剖面中，泥砂分界面对应于波峰反射，砂泥分界面对应于波谷反射，泥包砂型断层相当于上泥下砂型断层与上砂下泥型断层的组合，不同的岩性组合方式具有类似的断层反射特征。

1）当砂岩速度一定，改变泥岩速度时，泥岩速度是小断层分辨率的主控因素。泥砂速度比为0．9时，由于断距较大，地震波穿过断层两盘的旅行时相对较大，因此10m～16m的断层附近出现不同程度的同相轴错断现象；断距为8m的断层，因断距较小，相同速度穿过较短距离所用的旅行时差减小，断层两盘的断点分离特征不明显，断层拐点特征与阶梯状反射均较弱，仅能模糊识别。泥砂速度比降低至0．7时，受泥岩速度降低的影响，地震波穿过相同断距的断层旅行时增加，地震波同相轴分辨率不发生改变的条件下，断点两侧的同相轴之间纵向时差增加，使得断距为8m的断层附近有明显的阶梯状反射，6m断距的断层在断点处也开始出现拐点，伴随地震波同相轴轻微扭曲，可以据此指导小断层的识别［14］。但即使泥砂速度比降低至0．5，断距小于6m的断层两侧同相轴的阶梯状反射特征仍不明显，只能模糊识别。

图4 不同岩性组合方式的小断距断层模型及其地震响应Fig．4 Minor fault model and corresponding responses of different lithologic combination

2）固定泥砂速度比与子波主频，改变砂岩速度的情况下，砂岩速度对断层分辨率起主导作用。断距与相应波长比值相同的断层反射特征一致。不同砂岩速度对应于不同波长，固定断距与相应波长比值相同的前提下，不同波长对应于不同断距。如断距与相应波长比值为1／20时，砂岩速度为3 600m／s对应6m断距的断层与砂岩速度为3 000m／s对应5m断距的断层，在泥砂速度比相同时，断点处断层反射特征相同。子波主频一定的前提下，若勘探成熟区与初探地区具有相同的泥砂速度比，则两个地区的小断层反射特征应具有一定的类比性，可以指导小断层的识别。同一泥砂速度比，砂岩速度越小，断层分辨率越高。

3）泥岩速度与子波主频一定，随着砂岩速度的变化，泥砂速度比改变，当泥砂速度比降低至0．7时，地震波穿过同等断距的旅行时差增加，断距为波长1／20的小断层断点处出现同相轴挠曲的现象，利于断层的识别，随着泥砂速度比的进一步降低，仅波形振幅发生改变，断层两盘旅行时差未出现明显变化，断距为波长1／20以下的断层仍无法准确识别。

对于大断层，由于断距较大，地震波穿过大断距断层两盘的旅行时差远远大于地震波穿过小断层两盘地层的时差，因而在泥砂速度比相同的前提下，大断距断层两盘的错动更为明显，甚至出现完全错断的现象，但不论泥砂速度比如何改变，大断层在断点附近都有明显的阶梯状反射，故可识别的最小断距不变，分辨率不受泥砂速度比的影响；对于小断层而言，因断距较小，断点处仅出现同相轴的挠曲，未出现明显的同相轴错断特征，当泥砂速度比降低时，小断距断层的断层分辨率提高。同时对于任一模型，泥砂速度比为某一定值（任意定值），具有极其明显拐点反射的断层断距相对于可识别的最小断层断距均偏大。

归纳不同泥砂速度比情况下断层反射特征进行，总结出小断层理论分辨率（表3）。

2．2 不同子波主频频率的断层模型

表3 地震子波主频为30Hz小断层分辨率理论极限值Tab．3 Minor fault resolution（dominant frequency is 30Hz）

针对上泥下砂型小断距断层模型，采用不同的子波主频对其进行正演，不同频率下的断层模型对应的断距均为λ／30－λ／20－λ／15－λ／12－λ／10－7λ／60－2λ／15，砂泥岩单层厚度均为λ／3，砂岩速度为3 600m／s，泥砂速度比为0．7。

子波频率升高，波长减小，波形变窄，旁瓣对断层分辨率的影响程度降低，一定程度上提高了断层的分辨率。但不同频率下，波长改变时，断距与波长具有相同比例的断层在断点附近波形反射特征近乎相同。断距为波长1／30的断层，不论断距是6m还是2m，断点处的拐点反射特征均不明显；对于断距为相应波长1／20的断层，频率为20Hz时对应的9m断距断层与频率为60Hz时对应的3m断距的断层在断点附近都出现了一定的拐点特征，呈弱阶梯状反射（图5）。通过提取断层附近反射波波形振幅，可得不同频率下断点两侧地层的反射波形振幅与断距之间的关系（图6）。当断距较小时（如断距为1／30波长时），即使频率升高，断点处振幅依然变化较小，图6中两点之间纵向距离较为接近，该类小断层不能准确判定其存在性；针对同一频率，当断距增大时，纵向上断层附近存在振幅变化的两点之间距离增加，表明断层处振幅差异较大，利于断层识别；断距与相应波长比值相同的断层，随着频率的升高，断层两侧振幅差异也有一定幅度的增加，这表明频率的增加提高了断层的分辨率。

图5 不同频率下，上泥下砂型断层模型地震响应Fig．5 Seismic responses of fault model with lithology combination of mudstone overlaying sandstone under different frequency

图6 不同频率下断距与振幅关系图Fig．6 Relation diagram of fault displacement and amplitude under different frequency

当断距在相应波长的1／20以下时，由于断距较小，断面附近同相轴几乎不存在任何扰动现象，无法准确识别，如图4中20Hz下对应的6m断距断层；当断距为相应波长值1／20及其以上时，断层在断点处有较为明显的拐点特征，如子波主频为20Hz时对应的9m断距断层。砂岩速度一定时，频率越高，对应的波长越小，相应的同等比例的断层断距越小；泥砂速度比为0．7时，最小可分辨的断层断距均为相应波长的1／20，但频率为20Hz时，波长1／20为9 m，而频率为60Hz时对应波长的1／20为3m，可识别的小断层分辨率提高。通过统计可得不同频率下可识别的最小断层断距（表4）。

表4 不同主频上泥下砂型断层分辨率Tab．4 Fault resolution under different wavelet frequency

2．3 不同噪音比例的断层模型

新疆沙漠地表起伏大，造成低降速带、表层速度横向变化剧烈，地震资料采集受地面干扰，导致地震记录信噪比较低。针对上泥下砂型小断层模型，砂岩速度为3 600m／s，子波主频为30Hz，模拟不同噪音背景下不同泥砂速度比的断层正演响应特征，分析噪音对断层分辨率的影响。

随着噪音比重的增加，断层断点处的反射特征变得更加杂乱，不仅减弱原本断层处的断点反射，同时出现一些“伪断层”（图6）。真实连续的地层在强噪音的干扰下，同相轴发生扭曲甚至错断，在进行构造解释时容易误解为是断层，降低了地震资料解释的精度。当噪音小于20%时，断层的分辨率极限值几乎不受影响，即当泥砂速度比降低至0．7时，可以识别6m断距断层。而当噪音比重达到20%及其以上时，6m断距的断层无法准确识别，仅能最多解释出断距为8m的断层，断层的分辨率降低（图7）。

通过在不同泥砂速度比的上泥下砂型小断层模型中，添加不同比重的随机噪音，根据正演结果进行归纳可得不同噪音背景下不同泥砂速度比对应的小断层分辨率极限值（图8）。当泥砂速度比一定时，随着地表干扰程度的增加，信噪比降低，断点处的反射特征被淹没在背景噪声之中，能够识别的最小断层断距变大，断层分辨率降低；对应的泥砂速度比越低，曲线纵向增加幅度越大，即断层分辨率提高幅度越明显；当信噪比一定时，随着泥砂速度比的降低，背景干扰中断层附近的拐点反射逐渐增强，利于断层的识别，因而可识别的断层断距增加，断层分辨率提高。

图7 相同泥砂速度比（0．7）不同随机噪音下对应的地震响应Fig．7 Seismic responses with a certainη（0．7）under different noise background

图8 不同噪音背景下不同泥砂速度比对应的小断层极限分辨率Fig．8 Minor fault resolution with differentη under different noise background

3 实际应用分析

3．1 井间小断层模型研究

由于构造运动，准噶尔盆地中浅层发育众多小型正断层，受地震分辨率的限制，小断层识别的难度加大。对车排子地区实际地震资料进行分析，归纳总结出三类小断层反射特征。经频谱分析，目的层白垩系地层地震主频约在40Hz左右。结合测井数据，岩性资料可得三类井间断层模型的实际参数值，即井下目的层断层断距、砂岩速度与砂岩密度、泥岩速度与泥岩密度，进而可以求出各个模型井下地层对应的泥砂速度比以及薄层分辨率。依据实际参数（表5）绘制井间地震模型并进行正演。

表5 清水河组实际井间断层模型参数表Tab．5 Parameters of actual cross-well model

将正演响应结果与实际资料对比，断层反射特征几乎一致（图8）。

1）针对同一模型，深、浅层不同的泥砂速度比对应的断层反射特征不同，深层泥砂速度比偏低，断层阶梯状反射明显，浅层泥砂速度比偏高，断层拐点反射减弱，与前文小断层模型中论述的泥砂速度比越低断层分辨率越高的结论相一致。

图9 实际井间地震剖面、地质模型及其地震响应Fig．9Actual cross－well seismic section、model and corresponding seismic responses

2）针对不同模型，同样具有泥砂速度比越低，断层反射越明显的特征。依据前文归纳出的小断层分辨率表（表3），结合不同主频下的断层分辨率极限值（表4），可分别计算出各井下不同泥砂速度比对应可识别的最小断层断距，将实际井间断距与计算出的小断层理论分辨率相对比，深、浅拐点反射均明显型断层，因具有相对较低的泥砂速度比，断层反射特征极为明显。由前文理论模型可知，泥砂速度比一定时，可识别的最小断层断距对应的断层拐点反射相对较弱，明显拐点反射的断层断距要大于可识别的最小断距，该类断层因具有显著的拐点反射特征，因而推知其实际断层断距相对可识别的最小断层断距偏大，经与实际数据对比，证实该推测正确；对于深、浅拐点反射相对较弱型断层，由于断层断距偏小，加之岩层泥砂速度比相对较大，所以尽管断点处存在拐点反射，但反射特征相对较弱，不如第一种断层类型明显。该类断层的实际断距与理论求得的可识别最小断层断距极为接近，因而实际剖面中小断层附近也同样表现为较弱的拐点特征。但由于实际断层断距大于理论计算的小断层分辨率极限值，因此该类断层在实际资料解释中可以识别，并且其断层断距与理论极限值近乎相同；拐点反射由浅至深逐渐增强型断层，其泥砂速度比由浅至深逐渐减小，阶梯状反射也随之突出，由于实际断层断距大于可识别的最小断层断距，因此即使浅层泥砂速度比略高，但浅层实际断层断距也在可识别的最小断层范围之内，因而断点处仍存在较弱的拐点反射，该类断层的深层实际断层断距相对可识别的最小断层断距偏大，浅层实际断层则与可识别的最小断层断距较为接近。

4 结论

地震勘探中经常出现“层断波不断”的小断裂［22］，通过建立不同岩性断层模型进行正演模拟，探究泥砂速度比对小断层识别的影响，总结出不同频率、不同泥砂速度比情况下小断层的分辨率理论极限值。结合实际地震资料，小断层理论分辨率在新疆车排子地区取得良好的应用效果，基于该地区应用结果，得出以下结论：

1）子波主频与泥砂速度比一定时，砂岩速度（地震分辨率）是影响断层分辨率的主导因素，不同的砂岩速度模型中，断距与相应波长比值相同的断层断点处波形反射特征类似，但对应可识别的最小断层断距并不相同。由于频带宽度一定，地震可识别的最小薄层厚度与砂岩速度紧密相关（波长＝速度／频率），此时小断层分辨率与地震资料分辨率呈正比，地震资料分辨率越高（低速砂岩），断层分辨率越高。

2）子波主频与砂岩速度一定时，即地震波波长与地震分辨率为固定值，泥砂速度比越小，断层附近同相轴阶梯状反射以及拐点特征越明显，可识别断层断距越小，此时，断层分辨率主要受泥砂速度比影响。当泥砂速度比降低至0．7或更小时，可识别断距为相应波长的1／20及其以上断距的断层，此时的断层分辨率为对应地震分辨率的五倍。

3）砂泥岩速度比一定时，子波主频改变，断距与相应波长比值相同的断层反射特征几乎相同。此时断层分辨率主要受子波主频控制，主频增加，可识别的最小断距值减小，但不同频率下可识别的最小断层断距与其相应波长的比值相同。

4）信噪比降低时容易产生“伪断层”反射，降低断层分辨率。

5）新疆车排子探区白垩系主要存在三类小断

层，①拐点反射特征明显型断层对应的泥砂速度比相对较低，阶梯状反射明显，易识别，断层断距大于相应泥砂速度比条件下可识别的最小断层断距，即大于相应波长的1／12；②深、浅层拐点反射特征相对较弱型断层，对应的泥砂速度比相对较高，阶梯状反射特征并不十分明显，可以识别，但有一定难度，其断层断距与相应泥砂速度比条件下可识别的最小断层断距极为接近，约为相应波长的1／15；③拐点特征由浅至深逐渐增强型断层对应着由浅至深逐渐减小的泥砂速度比，深层与拐点反射特征极为明显型断层类似，浅层则与拐点反射相对较弱型断层类似，即深层断距大于波长的1／12，浅层断距接近波长的1／15，略大。以上三类断层断距均在可识别的断层分辨率极限值范围内，因而可以指导该区相同反射特征的断层识别，同时可以预测小断层的最小断距。

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The influence of the ratio of mudstone velocity to sandstone velocity on minor fault resolution

ZHOU Lu1a，LIU Zhi-min1b，LIAO Wei2a，WANG Yu2b，BAI Wei2a，YUAN Bing1b
（1．Southwest Petroleum University a．State Key Laboratory of Oil ＆Gas Reservoir Geology and Exploitation，b．School of Geoscience and Technology，Chengdu，610500 China；2．PetroChina Xinjiang Oilfield Company a．Xinjiang Oilfield Company Gas Production Plant，b．Development Department of Xinjiang Oilfield Company，Karamay，834000 China）

The faults with minor throw developed in the northwest margin of Junggar basin are controlled by the tensile stress accumulated in the mid－shallow formations．Those faults play an important role in hydrocarbon migration and accumulation．Identifying a fault on the seismic section is determined by whether we have enough travel time separation for the hanging and foot wall of fault．The travel time is further influenced by velocity of formation．This paper provides an insight analysis for the influence of velocity ratio of mudstone to sand（VRMD）on identifying faults．We first discuss the effect of different value of VRMD，dominant frequency，and noise－signal ratio on identifying fault．The conclusion is that the lower value of VRMD，the easier identifying faults．We then apply our conclusion on identify the faults with minor throw on the seismic survey acquired over Chepaizi，Junggar bain．

velocity ratio of mudstone to sandstone；resolution of fault with minor throw；seismic resolution；forward modeling

P 631．4＋43

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．11

1001-1749（2015）03-0330-11

2014-09-18 改回日期：2015-01-05

国家科技重大专项课题（2011ZX05001－006）

周路（1962－），男，教授，博士生导师，主要从事地震资料解释、地震岩性与储层预测等方面的科研与教学工作，E-mail：zhoulu9＠126．com。

＊通信作者：刘志敏（1990－），女，硕士，主要从事地震资料解释工作，E-mail：lzm＿fight＠163．com。