利用地震正演模拟方法研究地层结构——以鄂尔多斯盆地合水地区延长组三段为例

王文枫 岳大力* 赵继勇 王武荣 李 伟 王 博

(①中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249； ②油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；③中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710021)

0 引言

地层结构研究是开展地层等时对比的重要组成部分[1]，亦是储层精细表征的前提，因此明确地层结构对于油气田开发具有重要的现实意义[2-4]。针对陆相油田，众多学者已经探索出一套基于井资料的“旋回对比、分级控制、逐级闭合”的地层结构分析与等时对比方法[3,5-7]。在地震资料品质好的地区，采用“井震结合”开展油层对比的方法也得到了广泛认可。但是，受纵向分辨率的限制，地震反射波形具有一定的多解性[8-9]。比如针对前积反射，众多学者依据同相轴尖灭的特点，选取地层尖灭模式开展地层对比。然而，当地层厚度小于地震分辨率时，地震反射同相轴存在穿时的可能[8,10-11]，地层在未尖灭的情况下亦会出现地震同相轴尖灭现象[12-13]。因此，严格按照地震波形开展地层结构研究，可能会导致认知出现偏差，进而导致地层对比穿时、砂体归属混乱[14]。

地震正演模拟方法是降低地震资料多解性的有效方法之一，也是建立地震反射波形与地层结构对应关系的重要桥梁[11,15-19]。因此，本文采用地震正演模拟方法，对鄂尔多斯盆地合水地区延长组三段(简称长三段)的地层结构开展研究，明确地层发育特征，为研究区的储层精细表征提供基础。

1 概况

合水地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡西南部，在长三段沉积期，其处于湖盆边缘的缓坡部位。长三段埋深为1200～1950m，发育特低渗致密砂岩储层，从上至下可分为长4+5、长6和长7油组，各油组又可进一步细分成数个砂组[20](表1)。

地震剖面(图1)上可见两个反射标志层：第一个标志层为长7和长8油组的分界(即长8_1砂组顶面)，为连续的强波峰反射[21]；第二个标志层为长6_3砂组顶界面。

表1 鄂尔多斯盆地合水地区地层划分方案(据文献[20])

研究区二维地震资料揭示在下倾方向可见前积地震反射现象。由于前期对该区地层结构认识不清，地层对比以“平对”为主[22-23]，存在穿时现象，导致油气开发效果不理想。另外也有学者采用“下倾尖灭”方式进行地层对比[13]，如图1a所示，长6_3顶地震反射同相轴由z169井向z40井方向逐渐接近长8_1顶地震反射同相轴，并在z40井之前尖灭，由此可得出z40井不发育长6_3砂组(老地震层位解释方案)，但实际上z40井钻遇长6_3砂组，说明该对比方式仍存在砂体归属不清的问题。因此，本文利用地震正演模拟方法针对前积地层结构展开研究，以解决地层单元细分、对比问题。

2 前积地层结构及地震波形特征

2.1 前积地层结构样式的概念模型

在地震剖面上(图1)可见，长6_1、 长6_3、长7_1及长8_1砂组顶面均为波峰反射。其中，长6_3与长7_1砂组顶面反射同相轴向下倾方向逐渐尖灭在长8_1砂组顶面，形成前积反射结构。以该地震剖面(顺物源方向)前积反射结构为原型，抽象建立三种地层结构样式的概念模型(图2)。概念模型均由相邻三套地层及其上、下围岩组成，其中1号、2号和3号地层分别对应长7_1顶面与长8_1顶、长6_3顶与长7_1顶、长6_1顶与长6_3顶所限定的地层单元。第一种地层结构样式为等厚尖灭式，1～3号地层的初始厚度(均为80m)相等，且各地层顶面基本平行，1号与2号地层依次下倾变薄、尖灭(图2a)； 第二种地层结构样式为底部地层减薄式(图2b)，相邻三套地层初始厚度相等，亦为80m，1号与2号地层在底部快速减薄但未尖灭(厚度减薄至10m)，3号地层厚度略有减薄(减薄至60m)。第三种地层结构样式为地层厚度等比例减薄式(图2c)，相邻三套地层初始厚度相等，均为80m，三套地层厚度整体同比例减薄，最终厚度仍近似相等。

图1 研究区地震剖面层位解释方案

研究区三套地层均以反旋回为主(下部以泥岩为主，上部以砂岩为主)，自下而上纵波速度与密度值整体呈增大的趋势。纵波速度为3900～4100m/s，平均约为4000m/s。因此，设计概念模型中各套地层的纵波速度由底部3900m/s过渡为顶部4100m/s。为了简化模型，将围岩设置为背景相，其纵波速度设为平均速度，即4000m/s(图2)。

图2 三种地层结构样式的概念模型(左)及对应速度模型(右)

2.2 概念模型的地震波形响应特征

采用基于“波前速度扫描”(Wave Front Sweep Velocity)的褶积方法[24]分别对三种地层结构概念模型(图2)进行正演模拟。研究区不同二维地震测线主频略有变化，最低约为25Hz，最高约为35Hz。在模拟过程中考虑地震资料品质，分别采用25、30、35Hz的雷克子波进行正演模拟，并与实际地震剖面进行对比、分析，探讨研究区可能的地层结构样式。

2.2.1 等厚尖灭式模型响应特征

针对等厚尖灭式地层结构模型，由25Hz雷克子波激发得到的模拟结果表明，地层界面表现为强波峰反射，且反射同相轴能够较准确地反映地层界面位置及地层之间接触关系(图3a)。伴随着2号、3号地层厚度的不断减薄，地层底部的反射同相轴逐渐与1号地层底部相交，且反射同相轴连接处无错断现象。值得注意的是，受地震子波分辨率的限制，反射同相轴相交位置略微早于该地层界面尖灭位置(图3a)。

图3 等厚尖灭式结构模型不同频率雷克子波正演结果

采用30、35Hz雷克子波激发得到的结果与25Hz相似(图3b、图3c)，但细节上略有不同。采用30Hz雷克子波激发时，3号层底部与1号层底部反射同相轴相交位置连续性差，呈现明显的间断现象；采用35Hz雷克子波激发时，反射同相轴相交位置的连续性较25Hz的模拟结果略差，但无明显间断现象。

2.2.2 底部地层减薄式模型响应特征

针对底部地层减薄式地层结构模型，由25Hz雷克子波激发得到的模拟结果(图4a)表明，地层界面表现为强波峰反射，剖面左侧反射同相轴能够较为准确地反映地层界面的位置。但是由于剖面右侧地层减薄后的厚度(10m)远远小于地震资料可分辨厚度(25Hz条件下，1/4波长约为33.33m)，1、2号地层顶部的反射同相轴逐渐与1号地层底部相交，且反射同相轴相交处早于地层厚度减至10m的位置。实际上1、2号地层并未尖灭(地层界面未相交)，同相轴反映情况与地层发育情况不符，即当地层厚度小于地震资料可分辨厚度时，地震反射特征无法准确反映地层界面的位置及地层之间接触关系。

采用30Hz与35Hz雷克子波激发得到的结果与前者相似(图4b、图4c)，且随着子波频率增大，同相轴相交位置越来越靠近地层厚度减至最薄之处。

图4 底部地层减薄式结构模型不同频率雷克子波的正演结果

2.2.3 地层厚度等比例减薄式模型响应特征

针对地层厚度等比例减薄式地层结构模型，由25Hz雷克子波激发得到的模拟结果表明，在地层厚度减薄之前，地层界面表现为强波峰反射，同相轴能够较准确反映地层界面位置；地层厚度减至最薄(80/3m，模型右半部分)后，界面的反射振幅明显减弱，且无法准确反映地层界面位置及地层之间接触关系(图5a)。1号地层减至最薄时，1号地层顶、底界面逐渐合并形成复合地震波形； 2号地层与1号地层特征相似，地层减薄后顶、底界面形成复合地震波形； 3号地层减至最薄时，其顶部反射同相轴消失，底部反射同相轴与实际地层界面相比向上偏离，地震波形无法准确反映该地层顶、底界面的位置。总之，在地层厚度等比例减薄至80/3m时，地层厚度小于地震可分辨厚度，地震波形为多个地层界面的综合响应，即地震波形无法准确识别界面的位置及地层之间接触关系。

采用30Hz与35Hz雷克子波激发得到的结果与前者相似(图5b、图5c)。激发频率由25Hz→30Hz→35Hz变化时，调谐厚度相应变化为40.00m→33.33m→28.57m，地震分辨率随之相应提高，模型右侧多个界面的复合地震波形逐渐呈现分离的趋势，但是受相邻界面波形的干扰，反射同相轴与实际地层界面发生偏离，波形仍难以准确反映地层界面的位置及地层之间接触关系。

图5 地层厚度等比例减薄式结构模型不同频率雷克子波的正演结果

与实际地震剖面(图1)对比可见，长7_1顶、长6_3顶与长8_1砂组顶部反射同相轴依次相交，构成前积反射结构，等厚尖灭式、底部地层减薄式地层结构模型的正演模拟结果与该地震反射特征一致，即2号、3号地层底部反射同相轴依次与1号地层底部相交，组成前积反射结构(图3、图4)；地层厚度等比例减薄式地层结构模型的正演模拟结果与实际地震剖面反射特征存在明显差异(图5)。因此，前两种地层结构模型均为本文研究区地震前积反射的可能结构样式。

3 实际应用

在恰当的约束条件下，利用测井资料可以建立一个与地下实际情况较为接近的波阻抗模型，其正演模拟结果可以接近实际地震波形。相反，当地层结构样式选取不恰当时，波阻抗模型可能会与实际情况相差甚远，其正演模拟结果与实际波形就会偏差较大。因此，可以依据地震正演模拟结果检验地层结构样式的准确性。

为进一步评价等厚尖灭式、底部地层减薄式地层结构样式在研究区的适用性，本文根据实际资料建立了与以上两种地层结构样式相对应的正演模型(图6a、图7a)。在等厚尖灭式正演模型中，长7、长6_3与长6_1顶界面由南(剖面左端)向北(剖面右端)逐渐下倾，长7顶界面尖灭在z169井与z18井之间，长6_3顶界面尖灭于z40井与z15井之间(图6a)；在底部地层减薄式正演模型中，长7、长6_3与长6_1顶界面由南向北逐渐下倾，各地层厚度减薄但不发生尖灭，其中长7油组厚度在z169井处减薄至10～15m，长6_3砂组厚度在z40井处同样减薄至10～15m(图7a)。为使正演模拟结果更加合理，实际正演模型保留了长4+5_2砂组。基于声波时差与密度(没有密度资料时用Garden公式计算得到[25])得到波阻抗，在相应地层格架的限定下，由波阻抗插值建立波阻抗模型(图6b、图7b)。由插值结果可知，在倾斜地层中插值得到的波阻抗模型也具有倾斜特征，且每套地层单独插值，插值结果互不影响。为使模拟结果更加接近地下实际情况，采用研究区实际地震子波(目的层统计子波)激发，并加入了少量噪声，得到结果如图6c、图7c所示。

图6 等厚尖灭式地层结构地质模型(a)、波阻抗模型(b)和正演模拟结果(c)

图7 底部减薄式地质模型(a)、波阻抗模型(b)和正演模拟结果(c)

等厚尖灭式模型的正演模拟结果表明，各地层界面以波峰反射为主，但在细节上反射同相轴与地层界面仍存在一定差异(图6c)。长6_3顶部反射同相轴与长8_1顶部反射同相轴相交，相交处振幅明显减弱，且相交位置略早于地层界面尖灭位置。伴随着地层厚度逐渐减薄，在地层趋于尖灭处地层厚度已小于地震可分辨厚度，地震波形为该地层顶、底界面的复合响应。

底部地层减薄式模型的模拟结果与等厚尖灭式相似，但在细节上存在差异(图7c)。长6_3砂组在z40井处地层厚度减薄至10～15m，因此，底部反射同相轴自z40井向北表现为长8_1、长7与长6_3顶界面的复合响应，其波形分辨率变低(相位变宽)、振幅减弱。

尽管两种地层结构样式的正演模拟结果略有区别，但整体较为相似，且均与研究区实际地震剖面的前积反射结构特征相吻合，因此这两种地层结构模型均有可能与研究区地层结构特征相符。前人研究及钻井资料表明[13]，研究区长7油组底部的张家滩页岩与长6_3砂组顶部的碳质泥岩在全区广泛发育，并未尖灭。因此，底部地层减薄式地层结构样式更符合研究区实际情况，采用该样式可以对本区地层进行准确对比，从而得到合理的地震解释方案(图1b)。

4 结论

本文采用地震正演模拟技术，对鄂尔多斯盆地合水地区延长组三段的地层结构特征进行研究，得出以下结论。

(1)基于实际地震剖面的前积反射结构特征，在沉积模式的指导下，抽象建立了三种地层结构样式，即等厚尖灭式、底部地层减薄式和地层厚度等比例减薄式。

(2)等厚尖灭式和底部地层减薄式地层模型的地震正演模拟结果均出现前积反射，表明以上两种模型均可作为前积反射的可能地层结构样式。长7油组在研究区未发生尖灭，因此底部地层减薄式结构样式更符合研究区的地层发育特征。

(3)针对研究区的地层结构特征的认知可为后续地层等时对比、精细储层表征提供地质基础。基于地震正演的地层结构研究方法可为其他相似研究区提供借鉴。