阿姆河右岸复杂膏盐岩地震响应特征研究

马　智,郭同翠,李昊宸,郭　伟,张兴阳,田　雨,张良杰

(1.中国地质大学(北京),北京100083;2.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院,北京100083;3.中国华油集团公司,北京100011;4.中石油中亚天然气管道有限公司,北京100011)



阿姆河右岸复杂膏盐岩地震响应特征研究

马智1,郭同翠2,李昊宸3,郭伟4,张兴阳2,田雨2,张良杰2

(1.中国地质大学(北京),北京100083;2.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院,北京100083;3.中国华油集团公司,北京100011;4.中石油中亚天然气管道有限公司,北京100011)

摘要:复杂结构膏盐岩对下伏碳酸盐岩地震成像的影响一直是地震勘探研究的热点之一。首先,分析了阿姆河右岸“三膏两盐”结构膏盐岩的地震反射特征:上盐层表现为一套弱振幅反射,同相轴平缓;中石膏层、下盐层、下石膏层的地震反射能量强,同相轴起伏变化强烈、连续性差。其次,针对强烈变形膏盐岩构造,设计了3个理论模型(“眼球状”盐丘模型、厚层盐层模型、两层薄盐层模型)和两个实际复杂膏盐岩模型。最后,应用非均匀介质声波方程交错网格高阶有限差分方法,对理论模型和实际模型进行了地震响应正演模拟和照明分析。结果表明:膏盐层引起的强能量多次波、广角导波、散射波和回转波等干扰波降低了下伏层反射波信噪比和连续性;复杂构造膏盐体形成的回转波一般会引起下伏层反射振幅的假亮点;膏盐层层数对下伏层能量的屏蔽作用比厚度更加显著;膏盐体的复杂构造导致了地震波向下传播能量的非均匀性和照明阴影。

关键词：膏盐岩;地震相;地震波反射特征;地震波照明;声波模拟

阿姆河盆地是中亚地区一个大型富气含盐盆地,其主体位于土库曼斯坦东部和乌兹别克斯坦西南部。阿姆河右岸是中石油和土库曼斯坦合作勘探区块,构造上位于阿姆河盆地北部断阶带,从西至东横跨3个二级构造单元,走向北西—南东向。为东西两端高、中间低和北高南低构造格局[1]。

阿姆河右岸上侏罗统膏盐岩广泛沉积,是区域性盖层。其完整的膏盐岩沉积剖面自下而上分为:下石膏层、下盐层、中石膏层、上盐层和上石膏层5个岩性段,组成“三膏两盐”地层,厚度为100～1800m。“三膏两盐”地层总体上具有西薄东厚、东西分带的特征，纵向上具有多旋回、多韵律的特点。膏盐层内强烈挤压变形,构造样式复杂,厚度变化大,平面上呈现凹凸不平的非均匀性特征。由于膏盐岩引起的能量屏蔽和干扰波的影响,使得下伏碳酸盐岩目的层在时间域地震剖面上,反射波信号产生严重畸变、同相轴不连续、成像质量差,因而碳酸盐岩构造落实和储层预测难度大。

本文在分析研究区膏盐岩地震反射特征的基础上,采用非均匀介质声波方程的交错网格高阶有限差分方法[2-3],对复杂变形膏盐岩构造的理论模型和实际模型进行了正演模拟和照明分析。通过地震波正演模拟,分析复杂盐丘构造的地震波场特征、地震波型及其传播规律、复杂盐丘对盐下反射波场的影响。通过地震波照明分析[4-6],从能量的角度,认识膏盐岩的地震波场能量特征及其对下伏地层地震波能量的屏蔽作用。进而分析复杂结构膏盐岩对下伏碳酸盐岩地震成像的影响,其结果对于盐下碳酸盐岩构造落实和礁体识别以及提高该区地震勘探水平具有重要意义。

1膏盐岩地震反射特征

阿姆河右岸膏盐岩地震反射结构分为上、下两部分,上部分由上石膏层和上盐层组成,下部分由中石膏层、下盐层和下石膏层组成。膏盐岩上部分结构变形微弱,下部分结构变形强烈，如图1所示。

上部分膏盐岩的地震反射特征是:①上石膏层顶面地震反射是下白垩统碎屑岩和上侏罗统膏盐岩之间的反射,为一明显的岩性界面,是一反射振幅强、连续性好的波峰反射,横向特征稳定,全区易于追踪,上石膏层厚为7～15m;②上盐层表现为一套白茫茫的弱振幅反射特征,内部呈空白至不连续的中、低频弱平行反射轴,局部夹泥质条带或石膏夹层时,呈平行反射轴,上盐层厚为50～800m,从西至东基本呈现缓慢增厚的特征。

对于膏盐岩下部分结构的地震反射,从西至东,根据下盐层和下石膏层的变形程度,将全区膏盐岩剖面组合划分为3种类型:未变形、强烈揉皱变形和流变特征。其中右岸中、东部大部分地区发育强烈揉皱变形特征的膏盐岩,仅西部发育未变形的膏盐岩,未变形膏盐岩表现为一组连续性强的平行反射波组特征。流变膏盐岩地震反射呈密集不连续的强反射波组特征,下盐层较薄,中、下石膏层较破碎。本文主要描述强烈揉皱变形膏盐岩的地震反射特征。

强烈揉皱变形膏盐岩构造的地震反射特征是:①中石膏层呈强波峰反射,反射能量较强,但由于受下盐层塑性变形影响,褶皱强烈,变形扭曲严重;②下盐层呈典型的“眼球”状反射波组特征,“盐眼球”核部为弱振幅空白反射,上、下“盐眼皮”中部均呈强振幅、相对连续和低频的反射特征,下“盐眼皮”侧翼振幅强弱不均、同相轴杂乱;③下石膏层在两“盐眼球”之间“鼻梁”位置处增厚,在下伏碳酸盐岩礁体上方呈“石膏帽”状,石膏帽与下伏礁体均呈杂乱反射特征;④下盐层与下石膏层间界面难以连续追踪,盐眼球下地层呈相对连续的强反射特征,盐眼球之间下盐层、下石膏层界面难以识别,地震反射振幅能量时强时弱,连续性差,同时受下部礁体影响,局部褶皱起伏较大。

图1　强烈揉皱变形膏盐岩地震剖面(a)和地质剖面(b)

2膏盐岩地震响应正演模拟

通过复杂膏盐岩理论模型和实际模型正演模拟,重点研究强烈揉皱变形膏盐岩构造对于盐下碳酸盐岩地震响应的影响。

2.1理论模型

针对阿姆河右岸“三膏两盐”地质结构及典型的“眼球状”地震相特征,设计了“眼球状”盐丘地质模型(图2)。通过理论模型正演模拟,分析膏盐岩构造的地震波场特征、地震波传播规律及盐丘对盐下反射波场的影响。理论模型大小为6km×2km,数值模拟的网格大小为5m×5m,时间采样间隔为0.5ms。爆炸震源位于(3.0km,0)处,震源子波主频为30Hz,采用非均匀介质声波方程进行全波场正演模拟。

图2　“眼球状”盐丘地质模型

图3是“眼球状”盐丘模型声波方程模拟的单炮记录和波场快照。图3a的炮点位于两盐丘中间(3.0km,0)处,图3b炮点位于左盐丘上方(2.5km,0)处。从图3可以看出:①丘形膏盐体引起反射波、散射波场具有明显的能量聚焦效应,对透射波、反射波波前面调制作用很大。膏盐层内产生的强能量快速导波的干扰作用也很大;②丘形膏盐体产生的多次散射波、回转波、多次波等干扰波,均影响了下伏地层反射波信号,降低了信噪比;③盐丘顶面反射层较清晰,盐丘不规则形状及厚度的强烈变化是导致下伏地层反射波能量不均匀的主要原因。不规则形状会严重改变地震波的传播路径,产生各种绕射及散射,形成强干扰波与有效信号叠加、干涉,在剖面上表现为波形不规则的能量强弱变化、杂乱;在盐丘不规则拐点位置,产生强能量快速导波聚焦[7-8]。在两盐丘之间,在盐层下目的层顶面产生能量不均匀的地震波,与阿姆河右岸实际地震剖面所表现的地震反射特征一致。“盐眼球”之间的不均匀杂乱反射,正是下膏盐层下伏目的层礁体发育的地方,该位置下盐层薄,下石膏层厚,实际地震剖面上表现为杂乱的地震相特征。膏盐层不规则形状和不均匀厚度加剧了膏盐下礁体顶面地震波反射凌乱、能量不均匀的反射特征[9-10]。

图3　“眼球状”盐丘模型声波模拟单炮记录(上)和波场快照(下)(t=600ms)a 震源位于两盐丘中间(3.0km,0);b 震源位于左盐丘上方(2.5km,0)

2.2复杂膏盐构造实际模型

图4　实际复杂膏盐构造速度模型

图4所示为实际复杂膏盐构造速度模型,模型大小为36km×4km,模型网格为10m×5m。该模型是采用地震层位约束,井震标定后的7口井声波速度曲线内插外推所建立的,其中表层速度分别为2.0km/s,2.3km/s。采用声波方程交错网格高阶有限差分法对其进行正演模拟。模拟参数为:双边放炮,炮间距为100m,共360炮,爆炸震源,子波主频为30Hz;每炮接收道数为200道,道间距为25m。图5所示为震源位置在(15km,0)处,实际复杂膏盐构造模型声波模拟单炮记录;图6 为实际模型声波模拟零偏移距剖面。在单炮记录和零偏移距剖面上,上石膏—下石膏4层膏盐层反射波组特征明显,尤其可见凹陷下盐丘拐点位置出现反射波能量聚焦特征(图中椭圆标出),这种非均匀膏盐层对地震波场产生强的畸变以及散射、能量屏蔽作用,导致透射波能量弱以及膏盐层下目的层反射波信号一致性差,振幅强弱的非均匀变化和连续性变差等[2-3]。图7a和图7b分别给出了实际地震叠前时间偏移剖面和正演模拟图4复杂膏盐模型的叠前时间偏移剖面。图7a和图7b的主要特征相同,但细节存在差异。在图4实际复杂膏盐构造模型剖面上,5井位置存在一个大的下盐丘,钻井揭示下盐层厚258m,下石膏层厚203m,下伏碳酸盐岩顶面海拔深度-3244m;在2井位置下盐层非常薄,仅9m,下石膏层厚302m,碳酸盐岩顶面海拔深度-3261m,两口井碳酸盐岩顶面埋深仅差17m。在图7a实际时间域地震剖面上表现为:5井碳酸盐岩顶面(图7a中椭圆标注的黄色层)明显比2井地震反射时间低近100ms,出现了严重的时间剖面和深度剖面“反转”的假象。从图7b正演模拟叠前时间偏移剖面看,5井和2井碳酸盐岩顶面反射时间接近,与钻井深度符合。这主要是由于通过准确的速度模型模拟的地震反射时间,与其地质模型深度是一致的,否则,会出现由于复杂膏盐层厚度和速度不均匀引起时间剖面和深度剖面不相符的现象。上部发育有复杂膏盐层的地层成像应该采用叠前深度偏移方法,这样不会出现下部目的层“上提下拉”的假象[11]。

图5　实际膏盐模型声波模拟单炮记录(震源位置(15km,0))

图6　实际膏盐模型声波模拟零偏移距剖面

图7　实际膏盐模型叠前时间偏移剖面(a)和正演模拟叠前时间偏移剖面(增益)(b)

3膏盐岩地震波能量传播特征

研究区膏盐岩纵向上具有多旋回、多韵律的特点。为了研究膏盐岩层数和厚度哪个因素对地震波能量屏蔽影响更为明显,设计了不同层数和不同厚度层状膏盐层的理论模型和实际地质模型。图8a 给出了含有400m厚层盐(膏)层的层状地质模型,图8b给出了含有50m和200m两层的薄层盐(膏)层状地质模型,图8c给出了“三膏两盐”复杂膏盐组成的实际地质模型。对上述3个模型进行波动方程地震照明,分析地震波在不同结构膏盐岩传播过程中的能量分布和传播特征[12-13]。

图9为不同厚度膏盐层和不同层数膏盐层的声波单炮照明度图。经过地震波照明分析可以得出以下认识:①膏盐层厚度增加,对盐下能量的屏蔽作用增强;②膏盐层的层数增加,对盐下能量的屏蔽作用增强。膏盐层层数的影响大于其厚度的影响。

图8　厚层盐(膏)层(a)、两层薄层盐(膏)层(b)和复杂膏盐层(c)地质模型

图9　400m厚层盐(膏)层(a)和两层盐(膏)层(b)声波全波场单炮照明度

图10为复杂膏盐层地质模型的声波波场单炮照明图,炮点位置在(5km,0)处。能量透过上石膏层、上盐层已产生不均匀的透射能量。在中石膏高速层内,照明度呈紫红色,能量在中石膏层聚集,透过中石膏层到达下盐层内能量不均匀,至下石膏层内,能量呈现更加不均匀团块状聚集,透过下石膏层的能量更低,照明度更弱且不均匀。这说明多层不规则形状的3层石膏层内能量屏蔽比盐层更强,石膏层内能量聚集,对下伏碳酸盐岩目的层能量屏蔽的影响大。复杂膏盐构造引起地震波能量向下传播具有非均匀性,即上覆复杂构造膏盐层引起下部目标层叠加能量的非一致性,进而对下伏地层成像质量及地震解释产生明显影响,盐(膏)丘边界形状对成像的影响比其顶部更大。通过照明补偿偏移成像可以有效降低其影响[5,14-15]。

图10　“三膏两盐”地层声波全波场单炮照明度(炮点位置(5km,0))

4结束语

阿姆河右岸由“三膏两盐”组成的复杂膏盐岩,在地震剖面上表现为:上石膏层、上盐层反射同相轴变化平缓,上石膏层的反射振幅强、连续性好,上盐层为一套白茫茫的弱振幅反射波组。中石膏层、下盐层、下石膏层反射同相轴变形强烈,地震反射波表现为强能量波组,在不规则下“盐眼球”和下“石膏帽”边界位置,地震反射凌乱、连续性差。

复杂膏盐层内易产生强能量多次波、广角导波、散射波、回转波,它们均干扰了下地碳酸盐岩地层反射波信号,尤其在盐丘拐点位置,产生快速导波的能量聚焦效应,降低了信噪比。

膏盐层厚度增加,对盐下地层能量的屏蔽作用增大;膏盐层层数增加,对下伏地层能量的屏蔽作用也增大;层数的影响大于厚度的影响。

盐(膏)丘边界形状对下伏地层成像的影响比盐丘顶部的影响更大,厚度和外形不规则膏盐层对地震波场产生强的畸变以及散射、能量屏蔽作用,导致透射波能量向下传播具有非均匀性,对下伏碳酸盐岩地层成像质量和礁体解释产生明显的影响。

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(编辑:陈杰)

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

文章编号：1000-1441(2016)01-0100-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.01.013

中图分类号：P631

文献标识码：A

基金项目：国家科技重大专项“海外重点风险项目勘探综合配套技术”二期(2011ZX05029-003)项目资助。

作者简介：马智(1967—),男,高级工程师,博士,主要从事地震资料解释、正演、反演及地质综合研究工作。

收稿日期：2015-07-15;改回日期：2015-08-31。

马智,郭同翠,李昊宸,等.阿姆河右岸复杂膏盐岩地震响应特征研究[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).