层拉平技术在地震解释中的深化应用

郭 雯 刘永涛 赵俊峰 王秀珍 赵红格 丁富峰

（①中国石油勘探开发研究院，北京100083；②西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069；③西北大学地质学系，陕西西安710069；④东方地球物理公司研究院长庆分院，陕西西安710021；⑤中国石油长庆油田公司勘探事业部，陕西西安710018）

0 引言

地震拉平技术是一种展平化地震数据的分析方法，主要依据某种原理或算法，对原始地震数据重新移位或采样，生成全新的数据体，以提高地震数据处理的质量或便于地质分析。目前地震拉平技术主要用于：①在地震资料处理方面，通过改变常规数据叠加方法、Wheeler变换及倾斜地层同相轴校正，提高地震资料信噪比和成像质量［1-3］；②在地震资料解释方面，通过数据体拉平［4-5］、拾取层位拉平［6-7］或平衡剖面［8］提高地震解释效率，挖掘资料中潜在的地质信息，开辟一条新的解释途径。地震层拉平是地震拉平常用的解释技术之一，是指将地震数据体沿某一拾取层位拉平，在全新的拉平数据体上进行解释。自20世纪80年代层拉平技术引入解释工作站以来，地震层拉平技术广泛用于储层预测［9-11］、古构造恢复［12-14］、古 地 貌 恢 复［15-16］、地 质 演 化 分 析［17-19］及油藏动态分析［20-21］等油气勘探领域，呈现出巨大的应用潜力。

随着地震层拉平技术应用领域的拓展，也暴露出一些亟待解决的问题。如：地震层拉平技术的应用条件；地震层拉平在古地表恢复过程中对地震解释精度的影响；地震层拉平与地震切片、地层厚度法、平衡剖面技术的区别和联系。这些问题的解答，有助于地震层拉平技术在油气勘探领域的深化应用。本文从技术原理出发，首先将地震层拉平技术与其他古地表恢复技术进行对比、分析，明确产生恢复误差的原因，然后通过增加地质约束条件或修正原有技术方案，降低误差对恢复结果的影响，从而推动地震层拉平技术在储层预测、古地貌恢复、古构造恢复、构造演化分析等4个方面的深化应用。

1 技术原理与误差分析

从技术角度讲，地震层拉平技术是以某一拾取层位为固定基准面，对地震数据垂直移位，生成全新的解释数据。目前，解释工作站上都有相应的操作模块，操作非常方便。实际上地震层拉平的过程也是一个对数据体重新运算的过程。设原始数据为输入函数f（x，y，t），运算过程即利用某种映射算法（函数）t（x，y，T）对f（x，y，t）重新排序，生成的新数据体为

式中：x 为原始时间域数据体水平方向的坐标；y为原始时间域数据体垂直方向的坐标；t为原始时间域数据体的双程旅行时；T 为拉平时间域数据体双程旅行时。

由于层拉平只是对数据体的样点垂直移位，不考虑样点的真实归位，所以

t（x，y，T）＝T－t0

式中t0为层拉平选取的基准面固定值。则式（1）简化为

在三维空间内，要使每个样点真实归位，必须考虑恢复地层的真实厚度，而地震层拉平只是对数据体的样点垂直移位，势必造成一定恢复误差。

在地质意义上，地震层拉平是一种古地表重建技术，它是将地震数据体沿某一特定地质界面对应的地震反射层位拉平，恢复地史时期的古地貌，进而考查下伏地层的古构造、古沉积特征及地质演化过程，从而在三维空间内进行储层预测、古地貌恢复及含油气预测等。需要注意的是，层拉平技术需要满足两个前提条件：①选取的待拉平地震反射层位的原始产状必须是水平的或近似水平的，且在地震剖面上可连续追踪，否则恢复的古地貌没有明确的地质涵义；②后期构造变形不甚强烈，否则地层变形已发生构造重组，再进行地质恢复必然出现假象。当满足上述条件时，还要进一步考虑恢复精度问题。地质演化过程一般造成地层长度（横向）伸缩和厚度（纵向）变化，而在三维地震数据中，利用层拉平技术恢复古地貌并不会改变剖面的长度和地层的厚度，因此客观事实与技术局限之间的矛盾是造成古地貌恢复误差的根本原因。文中以断陷湖盆的古地貌恢复为例进行说明。

图1展示了层拉平技术恢复古地貌原理。由图可见：①由于构造应力场的变化，湖盆发育在基底褶皱之上，随后进入构造稳定期，断陷湖盆被“填平补齐”（图1a）；②在后期演化过程中，构造应力场再次发生变化，由于受到水平挤压和垂向压实作用，近似水平的层状地层发生变形、弯曲，地层厚度发生变化，而且湖盆基底也被断层复杂化，发生构造重组，基底褶皱高点位置已由原来的a 点迁移到b 点（图1b）；③选取湖盆顶部近似代表古水平面的地震反射层位作为拉平层位，利用地震层拉平技术恢复古地貌，得到下伏湖盆充填地层的形态及基底构造样式（图1c），大致恢复了湖盆充填地层的形态，但湖盆的长度、充填地层的厚度与地史时期的原始状态（图1a）还存在较大差异，而且基底褶皱已发生构造重组，高点c已无法恢复到位置a。

图1 层拉平技术恢复古地貌原理

利用地震层拉平技术恢复古地貌，造成湖盆充填地层的恢复厚度与原始沉积厚度差异的原因为：一是由于层序上、下地层倾角的差异及地层沉积演化过程中的脱水、压实作用导致地层厚度变化，这是主因；二是由于构造演化过程中发生的地层横向伸缩作用，而地震层拉平技术并不改变地层的长度，因此在构造恢复中也造成一定误差。针对地震层拉平技术恢复古地貌产生的误差，结合具体实例，分析这些误差对恢复结果的影响程度，并通过增加地质条件约束或改进技术方案，最大程度地降低误差对恢复结果的影响，使地震层拉平技术能更好地应用于地震资料解释的各个环节。

2 地震层拉平技术在地震解释中的深化应用

2.1 沿层切片分析

地震切片分为水平（或时间）切片、沿层切片和地层切片，其中沿层切片又分为沿顶切片和沿底切片。沿层切片定义为沿某一层序界面进行层拉平，然后向上、向下水平切割拉平数据体而形成的切片。地层切片定义为在层序顶、底界面间按等比例进行插值而形成的切片。一般情况下，由于不同切片所切割层序的位置相近，沿层切片和地层切片会取得相似的储层预测效果［22］。实际上沿层切片和地层切片度量地层厚度的标准不同。下面具体分析两种切片技术的近似定量约束条件。

为了更好地说明这个问题，这里引入Lee［6］的三种厚度概念，即垂直厚度（vertical thickness，VT）、间隔厚度（interval thickness，IT）、恢复厚度（restoration thickness，RT）。VT即视厚度，IT 即真厚度，RT即垂直于拉平层位的地层厚度。在水平层状地层模型情况下，三种厚度相等（图2a）；在楔状倾斜地层模型情况下，三种厚度存在明显差异（图2b）。由切片的制作方法可知，水平切片以VT 为度量标准，地层切片以IT 为度量标准，沿层切片以RT 为度量标准。由几何关系可知，IT 和RT 之间的换算公式为

式中θB、θA分别为层序底界面、顶界面与水平面的夹角，则θB－θA为层序顶、底界面的夹角。由式（3）可知，RT 与IT 之间的差异是由IT 和θB－θA决定的，具体为：

（1）当θB－θA＝0时，即在水平层状地层模型情况下，RT＝IT，这时沿层切片和地层切片所处位置相同，储层预测结果一致。

（2）当θB－θA≠0时，分两种情况：①当楔状层序顶、底界面的IT 相等时，随着θB－θA变大，RT 与IT 的差值逐渐变大，即所处位置的沿层切片与地层切片厚度差值ΔH 越大（图3），可能导致储层预测结果存在差异；②当θB－θA保持不变时，随着IT逐渐增大，ΔH 也逐渐增大（图4），可能导致储层预测结果存在差异。

图2 水平层序模型（a）和楔状层序模型（b）的三种厚度示意图

图3 楔状层序θB－θA 与ΔH 的关系

图4 楔状层序IT 与ΔH 的关系

在实际的储层预测中，RT 与IT 的差值主要体现在地震垂向分辨率上。当地震垂向分辨率很高时，RT与IT之间的细微差别可能被地震切片反映；当地震垂向分辨率较低时，RT与IT之间的细微差别不能被分辨。因此，只有通过限定地震的分辨极限，才能在实际应用中进一步讨论RT 与IT 的差别。这里取地震的垂向分辨极限为10m，当ΔH＞10m 时，沿层切片和地层切片的储层预测结果差异较大；当ΔH＜10m 时，沿层切片与地层切片的储层预测结果基本相似。以此为前提条件，分别取θBθA＝5°～30°，IT＝50～2000m，然后利用式（3）计算ΔH 和相对误差（表1）。可见，当薄储层的最小厚度大于10m、楔状层序的IT＜1000m、θB－θA＜15°时，沿层切片与地层切片的储层预测效果相似，两者可以交替使用。在地震资料解释中，可以根据实际地质条件，利用以上方法快速判断沿层切片和地层切片的储层预测效果，为选取合适的储层预测方法提供依据。另外，厚度相对误差计算结果（表1）可为古构造恢复提供定量参考。

鄂尔多斯盆地延长组长8—长7段为一套完整的三级层序，IT＜80m，一般θB－θA＜5°，长8段的水下分流河道砂体厚度一般大于15m。按照上述认识，利用沿层切片和地层切片均可预测河道砂体厚度。利用三维资料预测长8 段底部的河道砂体厚度，地层切片（图5a上）和沿层切片（图5b上）反映了大致相同的砂体平面展布特征，但在局部细节上有差异，这些差异不仅与切片制作方法有关，也与层位解释精度、提取时窗大小有关，是一种综合响应的结果。因此，由于地层切片与沿层切片切片制作方法不同造成的差异被其他因素的影响掩盖，在一定程度上两者可以相互替代。

2.2 古地貌恢复

古地貌恢复的常规方法有沉积学法、印模法、残余厚度法、层拉平法、高分辨率层序地层学法［23］。其中印模法、残余厚度法、层拉平法都属于地层厚度法，从地震资料解释的角度讲，地层厚度法的本质与地震层拉平技术存在相通之处，即相当于拉平某一沉积标志层对应的地震反射层位，利用下伏地层考查地层的古构造形态以反映某一时期的古地貌。印模法利用古地貌之上充填地层的厚度镜像地反映古地貌，残余厚度法利用古地貌之下残余的地层厚度反映古地貌。当古地貌形成阶段剥蚀地层的厚度较小时，残余厚度法与印模法恢复的古地貌相似，两者都可用于古地貌恢复；当古地貌形成阶段地层剥蚀的厚度较大时，两种方法的恢复结果差异很大。

表1 不同层序模型IT与RT数据分析统计表

图5 鄂尔多斯盆地A 三维区长8段底部河道砂岩地层切片（a上）与沿层切片（b上）及相关地震剖面（a下、b下）

图6为利用残余厚度法和印模法得到的鄂尔多斯盆地A 三维区地层厚度图及相关地震剖面。由图可见，两种方法恢复的古地貌形态差异较大，尤其在工区西部，残余厚度法恢复的古地貌单元为古洼地（图6a上），印模法恢复的古地貌单元为古高地（图6b上），两种方法的恢复结果可谓天壤之别。综合分析认为，印模法恢复的古地貌更合理，而残余厚度法由于没有考虑剥蚀厚度的影响，导致古地貌恢复误差大。通过修正残余厚度法，在恢复剥蚀地层厚度的基础上提高古地貌恢复精度。

这里需要满足两个前提条件：①不整合面上、下地层压实差异作用较小，即不整合面之上剥蚀的地层厚度较小或横向上剥蚀厚度近似相等；②古地貌形成阶段没有发生过强烈的构造变形。如果构造变形强烈，则地层的横向伸缩量在古地貌恢复中不容忽视，而地震层拉平技术并不能有效恢复横向伸缩量。在满足上述前提条件下，恢复古地貌分两步。首先，恢复古地貌形成阶段地层的剥蚀厚度：①在古地貌上、下位置各选取一个等时界面；②选取古地貌上、下位置地层保存最完整的1 口钻井作为标准井，并将两个等时界面之间钻井的垂直厚度作为标准厚度；③利用标准厚度减去两个等时界面之间的现存地层厚度即为剥蚀地层厚度。然后，在三维区内恢复古地貌，即计算古地貌之下等时界面与不整合面之间的地层厚度，然后将该厚度与剥蚀地层厚度相加，即代表了剥蚀作用发生前的古地貌。

鄂尔多斯盆地前侏罗纪古地貌形成之前，并未发生强烈的构造变形，构造运动以垂直抬升为主。在风化剥蚀和河流侵蚀的双重作用下，形成了千沟万壑的古地貌景观，随后逐渐被延安组煤系地层“填平补齐”。在古地貌上、下分别选取延安组延9段煤层底界（TJ9反射层）和延长组长3段泥岩底界（TT3反射层）作为两个等时界面。然后利用两个等时界面之间的最大钻井地层厚度（220m）减去两个等时界面之间的现存地层厚度，得到剥蚀地层厚度（图7a上）。该计算过程相当于同时拉平两个等时界面，中间缺失的部分即为剥蚀地层的厚度。将长3段泥岩底界（TT3反射层）至不整合面之间的地层厚度与剥蚀地层厚度相加，得到前侏罗纪地层厚度图（图7b上）。对比图6与图7可见，修正残余厚度法（图7b上）与印模法（图6b上）恢复的古地貌非常相似。这是由于以两个等时界面为基准面，两种方法恢复的地层厚度是互补的。如果后期差异压实作用强烈，则必须进行压实校正，还要考虑剥蚀地层对不整合面之下的残余地层厚度的影响。因此，压实作用对古地貌恢复精度的影响要引起充分重视。综上所述，印模法与残余厚度法恢复古地貌的原理及结果均存在明显差异。

图6 利用残余厚度法（a上）和印模法（b上）得到的鄂尔多斯盆地A 三维区地层厚度图及相关地震剖面（a下、b下）

图7 利用残余厚度法（a上）和修正残余厚度法（b上）得到的鄂尔多斯盆地A 三维区地层厚度图及相关地震剖面（a下、b下）

2.3 古构造恢复

古构造恢复常用的方法有宝塔图法、地层厚度法和平衡剖面［24］，其中平衡剖面主要针对构造变形强烈的地区。这里着重讨论在构造变形不甚强烈的地区，宝塔图法、地层厚度法与层拉平法的区别和联系。

宝塔图法是将同一区块不同深度的构造图依次相减，利用地层厚度反映古构造形态，其原理与地层厚度法相同。从地震资料解释的角度看，地层厚度法相当于“拉平”地层的顶界面，底界面的起伏即直观地反映了古构造形态。因此，针对构造变形不甚强烈的地区，宝塔图法、地层厚度法与层拉平法的古构造恢复原理相同，都是利用地层厚度反映古构造形态，只是层拉平技术在表现上更为直观。

对于一套连续沉积的地层而言，如果利用地层厚度恢复古构造，必须考虑压实作用对地层厚度的影响，而压实作用校正又涉及剥蚀地层厚度的恢复。其实这是一项系统工作，工作量大，而且去压实作用的结果或然性强，去压实作用校正本身的误差将会进一步增大古构造恢复误差。由于现今地震剖面反映的地层厚度代表压实作用最强阶段的地层厚度，因此如果恢复该阶段的古构造，则不用再进行去压实作用校正的相关工作，在减少工作量的同时也提高了古构造恢复精度［25］。

一般情况下，压实作用最强的时期也是烃源岩大量生烃、排烃、油气大规模运聚的主要时期［25-26］，该时期的古构造形态与油气成藏关系最密切，可作为油气综合评价的重要依据。鄂尔多斯盆地在早白垩世中晚期，地层压实作用最强，长7段源岩埋深最大，有机质开始大量生烃、排烃及运移，形成原生油气藏［27］。后期虽然经历了一定的构造变动，但改造作用不强，次生油气藏规模有限。现今地震剖面的地层厚度大致代表生烃、排烃期的地层厚度，恢复该时期的古构造形态，无需进行去压实作用校正，在提高恢复精度的同时，也增加了古构造恢复的油气地质意义。

在恢复侏罗系直罗组沉积期的古构造形态时，地层厚度法的含义相当于拉平上覆代表该时期的地震等时界面，考查下伏延9段底界的构造形态，并计算这两个地震反射层位之间的地层厚度，利用地层厚度图反映古构造形态（图8a上）。但由于侏罗系直罗组沉积期的古构造形态与成藏关系不密切，也没有进行去压实作用校正，因此恢复的古构造形态与钻井数据的吻合程度不高。

通过恢复早白垩世中期的古构造形态可以增强古构造恢复的油气地质意义。在地震剖面上选取代表该时期的地震标志层，进行层拉平后考查下伏延9段底界反射层的构造形态，并计算这两个地震层位的地层厚度，得到生、排烃期的地层厚度图（图8b上）。该时期的古构造形态与钻井数据吻合度高，油流井几乎都位于古构造高部位，而且无需进行去压实校正，恢复精度高。该时期的古厚度图可作为井位部署的主要依据。

2.4 构造演化分析

平衡剖面是分析复杂构造变形区构造演化的有效方法之一，利用构造变形过程中岩石体积守恒的原理恢复不同时期的古构造，然后明确构造演化过程。平衡剖面能恢复地层的原始长度，进而计算构造伸缩量，而地震层拉平技术在构造恢复中地层长度保持不变，这是两者的最大区别。是否可用地震层拉平技术代替平衡剖面分析构造演化呢？

在构造变形不甚强烈的地区，由于断层数量较少、断距较小、地层的横向伸缩量不大，因此由平衡剖面的“去断层”及“去褶皱”操作得到的构造伸缩量很小，不会引起构造形态发生根本变化，而且“去压实”过程与地震层拉平没有本质区别。另外，构造演化分析的地质目标尺度较大，横向伸缩量和压实作用对恢复结果的影响一般可以忽略。因此在构造变形不甚强烈的地区，可以近似地利用地震层拉平技术代替平衡剖面分析构造演化。

以鄂尔多斯盆地天环坳陷构造演化分析为例。首先，选取侏罗系底部煤层强反射（TJ9）、白垩系底部砾岩强反射（TK）两个区域等时界面作为地震拉平层位。然后，自下而上进行拉平：①拉平TJ9反射层，即恢复侏罗系延9 段的古地貌，考查拉平层至长7段泥岩顶界（TT7）的地层厚度变化。恢复结果表明，当时地层最厚的位置处于剖面东部，即延长组湖盆的沉积中心，剖面两侧的前积反射可作为佐证（图9a），这表明该时期天环坳陷还没有形成。②拉平TK反射层，即恢复早白垩世的古地貌，考查拉平层至侏罗系底界（TJ9）的地层厚度变化。恢复结果表明，当时地层最厚的位置处于剖面西部，表明天环坳陷已经形成，最低位置即为天环坳陷的轴部（图9b）。③在地震剖面上，考查古近系底界（TE）的构造形态，即近似代表现今天环坳陷的形态。可以看出，天环坳陷的轴部位于地震剖面的中部，表明其整体已经向东发生迁移（图9c）。经测量可知，自中生代以来，受西缘逆冲作用的影响，天环坳陷轴部向盆地内（东部）迁移了约34km，与前人计算结果（约为30km）相近［28］。

图8 由地层厚度法得到的鄂尔多斯盆地B二维区TJZ-TJ9（a上）、TK-TJ9（b上）厚度图及相关地震剖面（a下、b下）

图9 鄂尔多斯盆地天环坳陷构造演化剖面

3 结束语

目前，地震层拉平技术已作为一种常规的主流解释技术被用于地震解释的各个环节，彰显出巨大的应用价值。但由于技术本身的局限性，或对应用的前提条件认识模糊、把握不准，在实际应用中还存在一些问题。

本文将地震层拉平技术与地震切片技术、印模法、残余厚度法、宝塔图法及平衡剖面技术进行对比、分析，找出技术原理上的异同点，然后通过增加地质约束条件或修正原有技术方案，合理而科学地将地震层拉平技术应用于储层预测、古地貌恢复、古构造恢复及构造演化分析等四个方面。以鄂尔多斯盆地二维、三维地震区块为例进行分析、验证，证实地震层拉平技术可以在实际应用中取得预期的效果。

地震层拉平作为一种古地表重建技术，仍有许多潜力有待挖掘。处理与解释人员紧密结合，在地震层拉平的基础上，对整个三维数据体实现体拉平，从而更便捷地分析构造、沉积演化及油气成藏史，这将是下一步的努力方向。