鄂尔多斯盆地高家河地区上古生界地震沉积学研究

梁全胜

(陕西延长石油集团研究院,陕西延安716000)



鄂尔多斯盆地高家河地区上古生界地震沉积学研究

梁全胜

(陕西延长石油集团研究院,陕西延安716000)

摘要:综合利用地震岩性学理论、地震反射同相轴非频变特征、地震数值模拟和时频分析等方法对鄂尔多斯盆地高家河三维地震工区上古生界地层进行了地震沉积学研究。研究表明:①基于在上古生界建立的5个参考等时地震反射界面,通过线性内插,在90°相位地震数据体中形成311层具有等时意义的地层切片;②在地震薄层(<λ/4,λ为通过砂岩的地震波波长)的情况下,90°相位地震数据的极性与岩性具有对应关系,零相位和90°相位地震剖面具有相同的纵向分辨率;③利用振幅信息进行岩性(沉积体系)解释时,频率并不是越高越好；最佳频率是使目的层内最厚砂岩达到调谐振幅的频率(调谐频率);④90°相位地震数据的时频谱不能反映由薄砂层到厚砂层的连续变化特征,所以利用90°相位地震资料地层切片预测岩性时,必须将地震主频调整为最厚砂层的调谐频率。将上述认识应用到工区上古生界山西组二段最下部(P1S23)的地层研究,揭示了该时期主要水道的分布特征。

关键词：地震沉积学;鄂尔多斯盆地;参考等时地震反射界面;零相位地震数据;90°相位地震数据;调谐频率

鄂尔多斯盆地高家河地区上古生界地层是天然气主力产层,压实作用强烈,致密砂岩与泥岩纵波传播速度相近。目前研究实践表明,由于该区地震反射品质不高,并且缺乏区分砂泥岩的声波速度基础,导致常规波阻抗反演方法预测的储层精度低,对进一步提高天然气勘探成功率造成了不利影响。地震沉积学研究可以降低对地震反射品质的要求,处理结果更具有地质意义,同时可以进一步提高沉积体系的预测精度。

基于Widess地震反射波叠加干涉理论[1],ZENG等提出了利用90°相位旋转、地层切片和分频技术提高地震信息预测岩性及沉积体系的精度[2-7]，并将适合盆地尺度范围的、厚层的、低分辨的地震地层学发展到适合储层尺度的、薄层的、高分辨的地震沉积学。国内学者在地震沉积学研究方面也提出了自己的观点,并进行了有益的探索[8-12]。特别是在利用地震沉积学方法研究陆相湖盆沉积体系方面取得了丰富的研究成果[13-15]。

本文首先从理论上研究了如何在地震数据体中建立高频层序等时格架、岩性与子波相位的关系、地震子波频率对沉积学解释的影响三个地震沉积学基本问题,然后将研究成果应用到鄂尔多斯盆地高家河地区上古生界山西组二段最下部(P1S23)地层研究,以揭示该时期主要水道的分布特征。

1高频层序(短期旋回)等时格架的建立

利用地震沉积学重建高频层序(短期旋回)框架是三维地震解释策略的一个巨大变化。在地震数据体中建立高频层序(短期旋回)等时格架的基础是参考等时地震反射同相轴的识别。参考等时地震反射同相轴对应于地质上的等时地层界面,具有地质上等时的特征。地质上等时的参考地震反射同相轴代表一个孤立的、有一定厚度的、具有阻抗异常的并能大区域追踪的地质界面或沉积单元。从地质上来说,最明显的等时界面是凝缩层、厚泥页岩中广泛分布的薄砂层及厚砂层中广泛分布的泥岩层、碎屑岩中碳酸盐岩夹层和广泛分布的煤层等特殊岩性及不整合面。在地震反射上,等时参考地震反射同相轴一般是反射最强、最连续的同相轴。在许多情况下,甚至在没有井控制的情况下,这些等时参考同相轴也可以追踪对比。等时地层界面为阻抗差异界面,根据褶积理论,无论子波频率高低,都可以产生地震反射,形成反射同相轴。因此,等时参考地震反射同相轴具有非频变特征。

根据模型正演可知,90°相位地震剖面的极性具有岩性意义,与岩性(薄砂层)具有较好的匹配关系。因此,我们利用90°相位地震剖面来建立高频层序(短期旋回)等时地层格架。

本次研究建立了5个参考等时地震反射界面,分别命名为Reference1到Reference5(图1)。5个参考等时地震反射界面基本与中期旋回最大洪泛面相对应。如Reference2对应于第9个中期旋回最大洪泛面，Reference3对应于第4个中期旋回最大洪泛面，Reference4对应于第2个中期旋回最大洪泛面，Reference5对应于第1个中期旋回最大洪泛面。除第4个参考等时地震反射界面为太原组中部泥岩或泥灰岩响应外,其余参考等时地震反射界面均为凝缩层泥岩响应。这些最大洪泛时期沉积分布稳定,延伸范围广,最具有等时意义。在90°相位地震剖面上,凝缩层表现为中强振幅、高连续、波谷地震反射。通过对Y120井旁地震道进行时频分析,参考等时地震反射在不同频率都具有较强的地震反射能量,说明这些同相轴是由阻抗差异形成的,而不是由于地震干涉作用所致,具有非频变特征,这也证实了这些同相轴在地质上具有等时意义。

图1　过Y120井inline 244测线(90°相位剖面)参考等时界面

目前形成地层切片的方法有参考同相轴之间线性内插、瞬时相位延展、数据驱动和同相轴驱动等。若地层连续沉积,垂向沉积速率保持恒定,横向沉积速率与地层厚度具有线性关系,此外,在参考等时地震反射同相轴之间没有削截或上超、退覆、顶超等不整一反射，则在时间域内,可以对参考等时地震反射界面之间的层段进行线性内插,从而形成具有等时意义的时间地层界面,即地层切片。

图2　目的层高分辨率等时地层格架

本次研究在5个参考等时地震反射界面之间进行线性内插,在90°相位地震数据体中形成311层具有等时意义的地层切片(图2中slice 1—slice 311)。通过时深标定,建立了短期旋回界面与地层切片之间的对应关系。这是地震沉积学研究的关键之一(图2)。

从图2可以看出,短期旋回边界和二分点界面(最大洪泛面)并不沿某个地震反射同相轴分布,而是切穿同相轴,即沿短期旋回和二分点界面地震极性发生变化(波峰和波谷交替出现),与传统地震解释不同。研究表明，这种情况是由地震干涉作用造成的,说明地震反射同相轴不一定代表阻抗差异界面。因此,在钻井资料较少的地区,不能通过时深标定和地震同相轴追踪来建立高频层序(短期旋回)等时地层格架。

在原始振幅数据体中,沿地层切片逐点采样,形成振幅地层切片数据体。振幅地层切片数据体中每一点与原始振幅数据体中对应点具有相同的x坐标和y坐标,但纵坐标则由双程旅行时间变为相对地质时间,每一地层切片具有相同的相对地质时间。因此,在振幅地层切片数据体中,沿每一地层切片拉平就可以消除构造变形的影响,而突出沉积现象。振幅地层切片中的时间切片实际上就是具有年代地层意义的地层切片。同一地层切片是在相同的地质时间形成的,上覆地层切片比其下伏地层切片晚。所以振幅地层切片数据体实际上代表了年代地层体。在具有地质测年资料的情况下,可以标定振幅地层切片数据体的绝对地质时间。

2岩性与子波相位的关系

零相位地震道与单个反射界面对称(如,与砂岩顶、底界面对称等)。对于不整合界面上或厚层中的岩性识别,零相位数据更理想。然而,在零相位地震模型中可以看到,薄层砂岩(<λ/4，λ为通过砂岩的地震波波长)上半部分位于波峰,而下半部分则位于波谷,说明地震极性与岩性没有对应关系,无法利用地震同相轴确定岩性。因此对地震意义上的薄层沉积单元(<λ/4)而言,来自零相位数据的地震道不对称,难以匹配到岩性指示测井曲线上。而且,由于存在更严重的旁瓣干涉作用，零相位数据的地层分辨率(stratigraphic resolution)低。因此,地层切片上观察到的振幅信号和强度并不一定指示岩性[6-7]。改善振幅解释的最简单和最有效方法是将零相位数据进行90°相位旋转,将地震道从反射系数序列(界面信息)转换成相对阻抗序列(层段信息)[6-7,16]。在90°相位地震数据中,最大振幅位于薄层中心。这种处理还可以改善地震数据的地层分辨率。

我们设计了一个地质模型(图3a),然后将90°相位50Hz Ricker子波与反射系数褶积得到90°相位合成地震剖面(图3b)。可以看出,当砂岩厚度大于λ/4时,砂岩顶、底面沿波峰和波谷拐点分布,地震波形与砂岩顶、底面成反对称形态。当砂岩厚度为λ/4—λ之间时,地震波形发生畸变;当砂岩厚度小于λ/4时,砂岩顶、底面偏离波峰、波谷拐点,此时薄砂岩层大致与地震反射波谷同相轴对应。这说明在地震薄层的情况下,90°相位合成记录的地震极性与岩性具有对应关系,即地震波波谷同相轴对应砂岩,此时可以利用地震同相轴预测岩性展布。

拾取90°相位合成地震剖面中砂岩中心线的振幅,制作如图3c所示的砂岩调谐振幅曲线，可以看出，0和90°相位合成地震剖面具有相同的纵向分辨率。比较零相位地震剖面沿砂岩顶面波峰和90°相位剖面沿砂岩中心线的振幅分布,发现在薄砂层区域(<λ/4)两种振幅具有相似的分布特征。

图3　楔状砂岩模型及其90°相位子波地震响应特征a 地质模型; b 90°相位合成地震剖面; c 砂岩调谐振幅曲线

3地震子波频率对沉积学解释的影响

薄层沉积序列(如高频层序)的地震反射特征与地震频率紧密相关[4]。ZENG等认为地震频率极大地控制了地震反射同相轴的地层学性质(等时或穿时)[2-3]。在低频范围,许多地震反射同相轴趋向于穿时;而在高频范围,地震反射同相轴更趋向于等时。相似地,地震频率成分也控制了地层切片上观察到的地震地貌模式。地震频率对地震反射的控制与调谐现象密切相关。接近给定子波调谐厚度的地层其地震反射振幅被加强,而其余厚度的地层地震反射振幅被压制。简言之,地震地貌是子波频率或调谐厚度的函数。

研究区域目的层砂岩厚度变化大,最厚达到35m,最薄小于1m。使不同厚度的砂体达到调谐振幅的频率(调谐频率)是不同的。

本文依据楔状地质模型(图3a),将相应的反射系数与不同主频的零相位Ricker子波褶积,然后沿砂岩顶面提取振幅信息,得到不同频率的调谐厚度(最强振幅对应的砂岩厚度)和不同砂岩层厚度的调谐频率(图4)。可以看出,随着砂岩厚度增加,调谐频率降低;而随着子波频率增加,砂岩调谐厚度也降低。

对零相位50Hz Ricker子波楔状地震模型波峰和波谷之间的砂岩层段进行10～150Hz时频分析,结果见图5,可以看出薄砂层具有高的调谐频率,随着砂岩厚度增加调谐频率降低。图5也反映出利用时频谱特征可以确定砂体的连续性。调谐频率连续变化说明砂体连续分布。进一步的研究表明,虽然调谐频率在宏观上连续分布,但具有突变现象,则说明砂体厚度有变化。若调谐频率成断续或斑状分布则表明砂体不连续。

图4　零相位模型调谐频率(a)及调谐厚度(b)特征

图5　零相位50Hz Ricker子波楔状地震模型时频分析结果

对S232井井旁道实际地震记录进行了时频分析,发现砂岩相对泥岩具有高阻抗特征,厚砂层(>λ/4)位于波谷;薄砂层(<λ/4)为波峰—波谷对;极薄砂层形成复合地震反射,无法单独利用地震信息进行检测,如,上二叠统盒二段(P2H2)顶部夹于泥岩中的薄砂岩厚度1.34m,平均纵波速度4961m/s,调谐频率925Hz,相对于50Hz主频地震资料为地震意义上的极薄层,地震信息不能检测,与泥岩或其它薄砂岩层形成复合地震反射同相轴。P2H2底部砂岩厚度14.20m,平均纵波速度4329m/s,调谐频率69Hz,相对于50Hz主频地震资料为地震意义上的薄层。下部砂岩位于波峰,上部砂岩位于波谷。上二叠统盒八段(P2H8)底部砂岩厚度34.70m,平均纵波速度4219m/s,调谐频率28Hz,相对于50Hz主频地震资料为地震意义上的厚层,因此,该砂岩位于波谷。

在前面的章节中,分别讨论了地震子波相位及频率对地震资料沉积学解释的影响,但在实际工作中,两者会对解释产生综合影响。本文沿90°相位50Hz Ricker子波楔状地震模型砂岩中心线进行5～200Hz时频分析,以此说明子波相位和频率对沉积学解释产生的影响，时频分析结果见图6。可以看出,薄砂层(<λ/4)对应于地震反射波谷同相轴(图6),而厚砂层则对应于地震反射波峰同相轴,显示为明显的两段式。这种情况很容易使人误认为是砂体不连续造成的,因此,90°相位Ricker子波楔状地震模型的时频谱不能反应由薄砂层到厚砂层的连续变化特征。该图的重要性在于,为避免此类解释陷阱,必须将地震主频调整为最厚砂层的调谐频率。所以，当利用90°相位地震资料地层切片预测岩性时,应该特别小心。这与前述的零相位50Hz Ricker子波楔状地震模型的时频谱特征(图5)完全不同。

上述研究说明,不同层序地层中砂岩厚度分布范围不同,沉积体系规模不一。因此,鉴于不同频率有不同的最佳解释范围,那么在解释不同层序中各种规模的沉积体系时,应选用不同的频率组合,即沉积学解释应该采用分频解释。在利用振幅信息进行岩性(沉积体系)解释时并非是频率越高越好。最佳频率是使目的层内最厚砂岩达到调谐振幅的频率(调谐频率)。

图6　90°相位50Hz Ricker子波合成地震剖面砂岩中心线时频分析结果

4应用效果分析

将上述研究结果应用于延长油田高家河三维地震工区内上古生界山西组二段最下部(P1S23)地层研究,以阐明地震沉积学的具体应用成果。

P1S23介于地层切片Slice 273和Slice 282切片之间(图2),该段底部砂岩(北岔沟砂岩)发育,为重要的天然气勘探目的层。在野外露头上,北岔沟砂岩厚度变化较大,由复合水道砂岩组成,底界面为河道强烈下切作用形成的冲刷面。P1S23上部主要发育泥岩。Slice 279切片基本上切过北岔沟砂岩,可以用来解释P1S23的沉积体系的分布特征(图7)。

对S208井旁地震道进行时频分析发现,北岔沟砂岩强地震反射能量集中在60～90Hz。因此,本文选择60,70和85Hz能量数据体的地层切片,来反应不同规模的沉积体系。

60Hz能量地层切片Slice 279主要反应了较大规模的水道及决口扇沉积形态。Slice 279地层切片中,最强地震反射能量呈条带状展布。主要在3个区域:①沿S231—S232—S208—S244呈南北—东西—南北向分布;②沿S212—Y127—S209呈北西—南东向分布;③沿S226边缘呈北东—南西向分布。

上述三个区域,钻遇P1S23砂岩厚度一般在15m以上。S244井和S211井钻遇砂岩厚度超过30m。通过测井资料分析,北岔沟砂岩在自然伽马曲线上多数表现为箱形、锯齿状箱形,少数呈钟形或锯齿状钟形叠置测井相。说明北岔沟砂岩主要为一套拼合砂体。结合岩性、测井及地震反射模式,可以发现,条带状强地震反射形态表征了复合水道砂岩的平面分布特征。

在Y287井两侧,存在两个互不连通的斑状强能量地震反射区域。该区域P1S23岩性组合主要为泥岩夹砂岩或砂泥岩不等厚互层。自北而南,砂岩逐渐减薄,S226井钻遇砂岩厚度15m左右,而在Y287井,仅仅钻遇几个薄砂岩层。在自然伽马曲线上,相对较厚砂岩表现为漏斗状,薄砂层表现为低幅齿状。说明这些斑状强振幅反应了水道决口形成的决口扇沉积(图7)。

与60Hz能量地层切片比较,70Hz能量地层切片Slice 279在S246井到S221井区域出现向西凸出的细条带状强地震反射能量分布模式。

根据钻井资料分析,S246井P1S23共发育3套砂岩,砂岩之间具有较厚的泥岩隔层,累积砂岩厚度达到27m,自然伽马曲线上表现为锯齿状钟形和箱形的叠置组合。S224井P1S23于顶、底各发育一套砂岩,间夹较厚泥岩隔层,砂岩累积厚度13m,自然电位曲线较平直。Y162井和S221井P1S23底部发育一套砂岩,累积厚度15m,其上发育大套泥岩,自然伽马曲线表现为锯齿状钟形。说明该区域相带主要是河道迁移形成。

综上所述,本次研究认为,S246井到S221井区域出现的南北向延伸的、向西凸出的细条带状强地震反射反映了该区域发育多次河道迁移事件。说明自东向西,河道不断迁移的演化过程。

随着地震主频提高,地震分辨率增强,85Hz能量地层切片Slice 279反映出决口扇内部砂体厚薄不均的非均一性特征。如Y218井区域,出现呈蠕虫状中—强地震反射模式,P1S23中下部发育块状砂岩,可能代表决口扇上发育的小水道。

结合地质、测井和地震反射特征认为,P1S23沉积时期,工区主要为浅水型三角洲下三角洲平原沉积环境,水道发育。水道主要有①沿S229—S228—S232—S208—Y124边缘呈南北—东西—南北向分布。沿该河道边缘,于S231附近可能发育一个规模较大的边滩;②沿S212—Y127—S209呈北西—南东向分布;③沿S210—S226发育一迁移河道带,呈近东—西向分布,指明了水道自东向西不断迁移的演化过程。在工区东边及东北可能也发育水道。Y287井两侧主要发育决口扇沉积。此外,工区北部主要为泥岩夹薄砂层区域,局部地区也富集砂岩(图7)。

图7　P1S23沉积沉积体系平面分布

5结束语

本次研究得到如下认识:

1) 建立了5个参考等时地震反射界面,基本与中期旋回最大洪泛面相对应,具有等时意义。在90°相位地震剖面上,参考等时地震反射表现为中强振幅、高连续、波谷地震反射同相轴。参考等时地震反射在不同频率都具有较强的地震反射能量,由阻抗差异形成,具有非频变特征。通过在五个参考等时地震反射界面之间进行线性内插,在90°相位地震数据体中形成311层具有等时意义的地层切片。通过时深标定,说明沿短期旋回和二分点界面,地震极性发生变化。

2) 在地震薄层(<λ/4)的情况下,90°相位地震数据的地震极性与岩性具有对应关系,地震波波谷同相轴对应砂岩。零相位和90°相位地震剖面具有相同的纵向分辨率,在薄砂层区域(<λ/4),两种振幅(零相位和90°相位)具有相似的分布特征。

3) 在解释不同层序中各种规模的沉积体系时,应选用不同的频率组合。在利用振幅信息进行岩性(沉积体系)解释时并非是频率越高越好。最佳频率是使目的层内最厚砂岩达到调谐振幅的频率(调谐频率)。90°相位地震数据的时频谱不能反应由薄砂层到厚砂层的连续变化特征。利用90°相位地震资料地层切片预测岩性时,必须将地震主频调整为最厚砂层的调谐频率。

4) 将地理论研究应用于延长油田高家河三维地震工区内上古生界山西组二段最下部(P1S23)地层研究，结合地质、测井和地震反射特征,表明该时期水道主要分布特征为:①沿S229—S228—S232—S208—Y124边缘呈南北—东西—南北向分布;②沿S212—Y127—S209呈北西—南东向分布;③沿S210—S226发育一迁移河道带,呈近东—西向分布。

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(编辑:朱文杰)

Seismic sedimentology study on Upper Paleozoic in Gaojiahe Area,Erdos Basin

LIANG Quansheng

(ResearchInstituteofYanchangPetroleum(Group)Co.LTD,Yan’an716000,China)

Abstract:Seismic sedimentology study was carried out on the Upper Paleozoic of 3D seismic survey area at Gaojiahe Area in Erdos Basin using the frequency-independent event characteristic,seismic litholgoy theory,seismic numerical simulation and time-frequency analysis.The results indicate:①the five reference isochronous seismic reflection interfaces,established in Upper Paleozoic,have formed 311 strata slices with isochronous meaning in 90° phase seismic data volume by linear interpolation;②when the layer is thin (<λ/4，λ means seismic wavelet length),the polarity of 90° phase seismic data corresponds with lithology,and the seismic sections of zero-phase and 90° phase own the same longitudinal resolution;③when the amplitude is utilized for lithology (sedimentary system) interpretation,the optimal frequency is the tuning frequency which makes the thickest sandstone reaching tuning amplitude;④the time-frequency spectrum of 90° phase seismic data cannot reflect the continuous variation characteristics from thin sandstone to thick sandstone.The above recognitions are applied on P1S23 formation of the Upper Paleozoic at Gaojiahe Area in Erdos Basin,and the distribution of the main channels was revealed.

Keywords:seismic sedimentology,Erdos Basin,reference isochronous seismic reflection interface,zero-phase and 90° phase seismic data,tuning frequency

文章编号：1000-1441(2016)01-0107-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.01.014

中图分类号：P631

文献标识码：A

基金项目：国家自然科学基金(41372118)及陕西省科技计划(2014K10-12)项目资助。

作者简介：梁全胜(1978—),男,高级工程师,主要从事沉积学、地震沉积学及油气成藏地质学等研究。

收稿日期：2015-03-17;改回日期：2015-09-22。

梁全胜.鄂尔多斯盆地高家河地区上古生界地震沉积学研究[J].石油物探,2016,55(1):-114

LIANG Quansheng.Seismic sedimentology study on Upper Paleozoic in Gaojiahe Area,Erdos Basin[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(1):-114

This research is financially supported by the National Science Foundation of China (Grant No.41372118),the Science and Technology Program of Shanxi Province (Grant No.2014K10-12).