利用地震正演及属性预测碳酸盐古沟槽、裂缝和孔溶洞——以鄂尔多斯盆地甘泉地区马家沟组为例

高 飞.

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

鄂尔多斯盆地甘泉地区下古生界马家沟组有着巨大的天然气勘探潜力，近年来通过不断深化地质综合研究及勘探技术攻关，天然气勘探取得了较大的突破[1-2]。由于地表巨厚的黄土层，其含水性较差，表层结构复杂，低降速度厚度大，造成原始地震资料信噪比、分辨率低，品质较差[3-5]，通过叠前保幅去噪、综合静校正、高精度速度分析、共反射面元叠加等一系列关键处理技术，获取叠后地震资料可以满足地质勘探需要[6-10]。因此，充分利用地震资料，地震正演及属性等技术上手段，开展了鄂尔多斯盆地甘泉地区马家沟组碳酸盐古沟槽、裂缝和孔溶洞等预测工作，优选勘探开发有利区带，指导勘探开发部署工作。

1 工区地质概况

甘泉地区地理位置处于鄂尔多斯盆地南部，在伊陕斜坡的西南部，构造相对平缓，断裂不发育。下古生界马家沟组为海相碳酸盐岩，有6个岩性段组成，其中一、三、五段为膏云岩与盐岩发育段，二、四、六段为灰岩发育段。马五段自上而下划分为10个亚段，其中上部的马五1+2亚段为主力气层段。马五1+2储层主要为含膏白云岩，硬石膏结核、膏盐矿物晶体等易溶矿物发育，在风化壳期的大气淡水淋溶作用下，易溶膏盐矿物溶解形成溶孔型储集体，储集空间主要为膏模孔、盐模孔。研究区已有钻探井位部分在马五1+2获得高产工业气流，证实了甘泉地区马五1+2有着巨大的天然气勘探潜力。

2 利用地震正演预测古沟槽及裂缝和孔溶洞

鄂尔多斯盆地马家沟组上组合岩溶斜坡是风化壳储层最有利的发育部位，其岩溶水通过垂直、垂直水平以及水平的渗流方式作用于储层，排泄畅通，对储层改造作用明显，易于形成孔、洞、缝和岩溶管道[11-12]。古沟槽的侧翼在裸露风化岩溶期水动力能量高，岩溶作用强，孔洞发育，裂缝充填程度低，同时古沟槽下切深度较大，是天然气高产富集区[13-16]，因此识别古沟槽对油气勘探有着重要的意义。

2.1 地震正演模拟古沟槽

地震正演模拟古沟槽分为两步完成：第一步建立地质模型，第二步正演模拟。

(1)建立地震地质模型：利用研究区测井声波时差以及密度曲线，分析研究区各层系岩心特征，建立地震地质模型。通过测井声波时差以及密度曲线统计本地区山西组、太原组、本溪组、马六、马五1等地层砂泥岩、煤层、碳酸盐岩中石灰岩、白云岩的声波速度以及密度(表1)，建立地震地质模型。考虑到地震资料分辨率的影响，本次研究根据沟槽侵蚀深度的不同建立三种模型，即侵蚀深度为15 m情况下地震地质模型(图1A)，侵蚀深度为25 m情况下的地震地质模型(图2A)，侵蚀深度为35 m情况下的地震地质模型(图3A)。

表1 沟槽地震地质模型物性参数Table 1 Property parameters of erosion flutes seismogeology model

(2)正演模拟：本次利用褶积模型进行正演模拟，褶积模型是地震资料处理和解释的基础，是地震正演模拟方法中较为简单而又适用的方法。

s(t)=w(t)*r(t)

(1)

褶积模型(式1)就是将地震反射信号s(t)看作是地震子波w(t)与地下反射系数r(t)的褶积。通过对已有地震资料的频谱分析，本次正演模拟选择子波主频为35 Hz的雷克子波作为褶积模型的地震子波，三种地质模型与雷克子波褶积后得到理论地震资料(图1B，图2B，图3B)。

图1中地震地质模型沟槽侵蚀深度为15 m(图1A)，沟槽内被上腹本溪组砂泥岩填充，沟槽以砂泥岩与碳酸盐岩为分界，密度与速度相差较大，波阻抗差异大，反射强烈，通过褶积模型，得到正演结果(图1B)，其同相轴有加粗现象，实际地震资料由于分辨率有限，并不十分明显，很难识别沟槽(图1c)；图2中地质模型沟槽侵蚀深度为25 m(图1A)，地质模型各层速度与密度同模型1相同，通过褶积模型得到正演结果(图2B)，其同相轴显著加粗，但还没有达到分叉的情况, 实际地震资料中同相轴也显著加粗，出现复波，能够识别出沟槽(图2C)；图3中地质模型沟槽侵蚀深度为35 m，地质模型各层速度与密度同模型1相同，通过褶积模型得到正演结果，其同相轴分叉现象明显, 实际地震资料中沟槽处同相轴分叉，出现双同相轴，根据沟槽尺度能够划分出分叉延展尺度，沟槽在地震资料中特征明显(图3C)。因此，正演模拟表明，随着沟槽侵蚀深度的增加，地震同相轴分叉明显，利用地震正演模型可以精细模拟不同深度的侵蚀沟槽的地震响应特征，据此可在地震剖面中识别古沟槽。

图1 侵蚀深度为15 m地震地质模型、地震正演以及实际地震资料Fig.1 Seismogeology model, forward modeling and real seismic data for 15 m Erosion depth

图2 侵蚀深度为25 m地震地质模型、地震正演以及实际地震资料Fig.2 Seismogeology model, forward modeling and real seismic data for 25 m Erosion depth

图3 侵蚀深度为35 m地震地质模型、地震正演以及实际地震资料Fig.3 Seismogeology model, forward modeling and real seismic data for 35 m Erosion depth

依据沟槽正演模拟反射特征，对研究区二维地震资料进行解释，识别出研究区北部三条主沟槽，三条主沟槽都发育有次一级沟槽；与单纯利用印模法恢复古地貌相比，减少沟槽覆盖范围，提高沟槽识别的准确性。

2.2 地震正演模拟裂缝和孔溶洞

地震正演模拟裂缝和孔溶洞分为两步完成：第一步建立地质模型，第二步正演模拟。

(1)建立地质模型：本次研究建立双层模型(表2)，模型建立依据测井以及录井中存在孔溶洞情况下上腹地层与下腹地层速度密度等物性数据，下腹地层中有不规则裂缝以及溶洞，模型1设计少量孔溶洞以及裂缝现象(图4A)，模型2增加裂缝、溶洞数量，并使得裂缝溶洞间距变小(图5A)。

表2 裂缝地震地质模型参数Table 2 Property parameters of cave seismogeology model

(2)正演模拟：本次正演模拟使用公式1中的褶积模型进行正演，褶积模型中的子波选取主频为35 Hz的雷克子波，地质模型与子波褶积后得到理论地震资料(图4B，图5B)。

图4中地质模型A孔溶洞个数较少，且间距较大，通过褶积模型得到正演模拟结果，其反射多为复波且振幅较弱(图4B)；图5中地质模型A增加孔溶洞数量，并缩小间距，通过褶积模型得到正演结果(图5B)，其反射结构杂乱，振幅相对变强，多为复波反射。因此，正演模拟表明，裂缝、溶洞的存在使得地震反射变得杂乱，振幅强弱变化大，多为复波反射，利用 地震正演模型可以模拟孔洞缝下的地震响应特征，据此可在地震剖面中识别孔溶洞以及裂缝。

依据裂缝、孔溶洞正演模拟反射特征，对研究区二维地震资料进行孔溶洞以及裂缝区进行解释，初步识别出研究区西北部、南部以及中部地区发育孔溶洞以及裂缝；东部区域相对不发育。

图4 含有少数裂缝溶洞地震地质模型以及地震正演Fig.4 Seismogeology model, forward modeling for few fracture and cavity

图5 裂缝溶洞数量增加地震地质模型以及地震正演Fig.5 Seismogeology model, forward modeling for a lot of fracture and cavity

3 利用地震资料修正岩溶古地貌

前人研究表明奥陶系马家沟组碳酸盐岩优质储层受岩溶古地貌的控制[17-20]，因此编制岩溶古地貌图显得尤为重要。本次选取印模法作为岩溶古地貌图的基础手段[21-22]，并通过研究区二维地震资料结合正演模拟识别出沟槽，对印模法编制的古地貌图进行修正。

(1)印模法恢复古地貌。本次印模法选取本溪组8号煤层顶为基准面，累计标志层至风化壳顶部的厚度，以此来镜像反映古地貌形态，即本溪组越薄古地貌地形越高，反之古地貌地形越低。通过对比研究区内102口井的钻井、录井、测井资料，逐一确定标志层，计算残余厚度(图6)。

图6 印模法恢复古地貌与地震修正古地貌图Fig.6 paleo-geomorphology recovery by impression method and paleo-geomorphology recovery by seismic correction

(2)地震修正古地貌。利用地震资料横向的高分辨率进行古地貌古沟槽识别，能够提高古地貌恢复的精确度。具体实现步骤如下：首先，太原组底部煤层在研究区分布稳定，对太原组底部煤层进行全区追踪解释，作为填平补齐的标志层位；其次，奥陶系马家沟组顶部反映下古风化剥蚀后的残余地层，且与上覆本溪组铝土岩波阻抗差异较大，其地震反射同相轴连续性强，对其进行全区追踪解释；对沟槽发育的同相轴，结合钻井、测井以及录井资料，确保解释到沟槽部位；第三，对两次解释的层位进行相差，再进行时深转换，便得到印模厚度；最后，用此次得出的印模厚度对单纯利用井资料编制的古地貌图进行修正。

通过印模法恢复古地貌特征表明，研究区沟槽覆盖范围大，研究区的东北部都有沟槽发育，只有西南部小部分范围发育台地。通过地震修正古地貌表明，研究区沟槽主要发育于东北部，中部南部发育台地以及斜坡。

通过此次地震修正古地貌对比印模法恢复古地貌，认为：(a)研究区中部南部沟槽不发育，主要发育台地，(b)研究区东北部、西北部沟槽发育，(c)用井资料进行古地貌恢复时，认为井中地层被剥蚀的越多，其为沟槽发育区域，但是通过对地震资料解释认为是古地貌单中洼地以及洼地与台地转换部位。

4 利用地震属性预测孔缝洞型储层发育区

地震属性是地下地质结构、岩性和所含流体等多种因素在地震资料上的综合反映，地震属性分析技术就是提取地震资料中所反映的地层岩性信息、构造信息、储层特征信息以及油藏流体动态检测等方面的信息，综合解释沉积储层特征，其在油气勘探开发中发挥着重要作用。在碳酸盐岩储层地震振幅属性以及地震能量属性中，较致密岩性发育区由于内部界面波阻抗差异小，其反射相对较弱，振幅属性以及能量属性也相应较弱；孔缝洞型储层发育区由于强烈的非均质性和各向异性，地震反射相对较强，振幅属性以及能量属性相应也较强[23-25]。该成果前人在实际现场进行过充分应用和验证，例如：张军林、田世澄等在塔北地区碳酸盐岩储层进行过应用，赵裕辉,胡建中等在塔河油田碳酸盐岩储层也进行过应用，裴都等在鄂尔多斯盆地天池井区碳酸盐岩储层中进行过充分验证。本次提取马家沟组顶部层位地震振幅属性以及能量属性，分析地震属性与储层的相关性。

奥陶系马家沟组为碳酸盐岩，石炭系本溪组为铝土岩，两者波阻抗差距较大，容易形成较强的地震反射同相轴，研究区地震分辨率较低，马五1+2地层厚度一般为30 m左右，以马家沟组顶面为顶，向下40 ms为底面提取地震振幅属性[26](图7A)；用同样的方法提取地震能量属性(图7B)。

图7中红色曲线圈出的部分为属性较强区域，从振幅属性中可以看出，在研究区中南部振幅属性较强；中部发育西北走向的条带状强振幅区。从能量属性图可以看出，西北部以及中部区域有强能量属性区，其他区域相对较弱。通过提取的地震振幅以及能量属性表明，沟槽发育区以及台地与洼地转换区地震属性以及能量较强，利用地震振幅属性以及能量属性，预测研究区中部、中南部以及西北部风化淋滤强烈，孔溶洞发育，视为储层发育有利部位。

图7 地震振幅以及能量属性Fig.7 seismic amplitude attribute and energy attributes

5 有利区优选

奥陶系马家沟组顶面受到风化剥蚀和大气淡水淋滤，形成风化壳溶孔型储层，研究区整体处于岩溶斜坡二级古地貌单元，在二级古地貌单位中发育台地、沟槽以及残丘等次级古地貌单元，台地边缘、台地与洼地转换部位以及沟槽两侧风化溶蚀强度大、孔洞发育，为储层发育有利部位，是天然气高产富集区。

本次有利区具体优选原则为：①首先参考试气井资料，分析产气井的主要分布层位及分布区域；②充分考虑岩溶古地貌发育特征，在区带上优选出古岩溶斜坡、古台地边缘、台地洼地转换区域以及古沟槽两侧；③参考地震属性所显示的振幅、能量强的区域；④结合室内测井曲线含气性识别，分析出有利层段；⑤考虑地层分布规律，马五1+2段在全区有较好的试气成果。

利用本文研究成果优选出以下有利区：延843-延844-延266井区、延115-延1063-延267井区为沟槽两翼区，岩溶水淋滤强烈，储层物性好，且上覆铝土岩封盖条件足；延111井-延556井区、延619井区为台地洼地转换区，转换区受岩溶水垂直以及水平流动影响，岩溶储层物性发育好；延313-延818井区、延112-延819井区为属性显示有利区，振幅以及能量属性较强，溶孔溶洞发育，储层物性好，为有利区带(图8)。

图8 马五1+2有利区Fig.8 Favorable Area of Mawu1+2 sub-member

6 结论

(1)通过正演模拟研究表明，古沟槽的存在导致地震同相轴出现分叉，地震裂缝、溶洞的出现导致地震同相轴杂乱、错断，利用研究区地震资料可以识别古沟槽，提高古地貌研究的准确性。

(2)地震属性能够正确反映研究区马五1+2地层的孔溶洞，在古地貌单元中沟槽发育区、台地边缘以及台地洼地转换区地震能量以及振幅属性较强。

(3)通过研究成果优选有利区与已有钻井成果吻合度较高，能够为勘探提供指导。