三维地震技术在泌阳凹陷碱矿勘查中的应用

2021-04-08陈英男陈建立陈金铎李文涛魏从玲

能源与环保 2021年3期

陈英男，陈建立，陈金铎，李文涛，郭鹏，魏从玲

(1.武汉工程科技学院，湖北武汉 430200； 2.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南郑州 450001)

0 引言

地震勘查技术手段在我国油气勘查中作用十分重要，能够全面、精确地对盆地地层层序分析、底面构造解译[1-2]等。近年来，在泌阳凹陷进行天然碱矿的勘查，充分借鉴和利用石油勘查进行高分辨率的三维地震资料，将三维地震技术应用于碱矿勘探。通过盆地底面构造的建立，结合地质、地球物理测井等技术，进行地层切片确定含碱层位的分布区域取得了满意的效果，获得了地震技术在天然碱矿勘查应用的经验。

1 地质背景

泌阳凹陷是北西向抬升、沉积沉降中心位于东南部边界断裂交汇处的安棚—安店一带的中新生代箕状凹陷[3]。北西西向的唐河—栗园和北东向泌阳—栗园边界基底大断裂控制着断陷的形成和发展演化。晚白垩世是凹陷的初始断陷期，地层为玉皇顶—大仓房组的砂砾岩、砾岩、膏岩等；古近系是凹陷形成的主凹期，构成了凹陷的沉积主体，地层为核桃园组—廖庄组的泥岩、粉砂岩、白云岩、碱层，上部绿色含膏泥岩、膏岩等；新近纪—第四纪时期是凹陷的萎缩期，上部为沉积盖层[1-2]。

泌阳凹陷的碱层主要赋存于核桃园组下部碳酸盐岩如白云岩等中，由于碱层相对厚度较薄，与围岩地层的岩性特征接近[3-4]，在泌阳凹陷开展地震资料解释和研究，确定了沉积地层顶底面、含碱层位地震反应特征，建立了凹陷不同沉积时代地层的底面构造，研究凹陷以及赋存碱层的次级凹陷的沉积相，并通过其他地质技术手段如地层层序对比、标志层对比从而推断含碱层位主要为白云岩层的分布区域，大体推断碱层可能的分布，指导勘查工作。

2 凹陷底面构造的建立

2.1 地震解释

2.1.1 原始资料的使用

(1)资料来源与利用。前人在泌阳凹陷施工了100余个探采工程(勘查钻孔和生产钻井)，进行了岩屑录井、地球物理测井、井斜轨迹测量，并加以地质分析、综合解释，对其中的32口井的VSP，全井段的AC、GR、RT、SP等常规曲线进行分段连接。要注意剔除或修正其中明显的奇异值。

(2)地震参数。地震的主频40 Hz，频宽10～120 Hz。采用较大的频谱范围，对开展属性、频谱分解、反演等工作有利。

(3)地质地震相结合。在深湖相沉积中，凹陷中心是相对稳定的，是形成白云岩和含碱层的良好场所。该区域断裂不发育，地震反射同向轴展布稳定，易于追踪；而凹陷或盆地的边部物源多、多期次的沉积混杂，影响地层的连接对比。要通过地质背景加密解释，使点、线、面、体相结合，提高三维地震资料精细解释的准确性。

2.1.2 层位地震信息的合成

沉积地层的沉积特征是有一定差异或明显的差异的，与之相对应的地震信息相应产生差异。分析地震合成信息的差异，就可达到地层标定的目的。

(1)地震信息的合成。一般来说，从井旁地震道提取的子波信息的合成记录与井旁地震道具有较好的相关性，通过在泌阳凹陷的试验，证明了其正确性。以理论雷克子波作为合成记录的子波，对VSP速度进行地震反射层位的标定，当其与实际地震记录基本一致时，提取地震子波，精细标定相应的目的层并提取子波。通过对研究区大量钻井的合成记录，使研究精度得以提高，分层信息准确无误(图1)。

(2)时差曲线的处理。首先确定区内标准层地震反射特征(H33)，对复杂的时差曲线要进行拉伸、压缩以及删减，处理过程中考虑井眼、泥浆滤液对声波、密度测井资料的影响，邻井、标准井的时深关系。

(3)单井与连井标定。单一的钻井的地震和地质信息相对简单，是连井标定的基础，然后将位于同一剖面的多个钻井的地震地质信息特别是层位相对应，并作为编辑时差曲线的依据(图2)。

图2 泌77—泌94—泌205—泌202连井标定剖面Fig.2 Calibration of Bi77-Bi94-Bi205-Bi202 drilling

(4)时深曲线对比分析。相似或相同层位的速度基本相同，形成的时深关系应该是相似的。如果发现速度变化剧烈(异常)的井，对其单独进行分析，查明原因，保证全区时深关系的准确性和层位标定的精度。

(5)注意的问题。由于VSP资料能有效地避免声波时差曲线受到井径、岩层变化、泥浆侵入、测量误差等影响，要尽量使用VSP资料校正声波时差时深；地震信息是地质情况的反映，因此要对地震井的信息通过地层对比进行处理修正。

2.1.3 层位的解释

开展地震信息的分析解译，其目的是为了获取研究区的构造、地层岩性和厚度、矿层特别是标志层信息。通过加密解释、层位标定，仔细研究确定层位信息特征。要利用调整色标的分辨率来调整层位的闭合精度，缩小闭合误差，以保证后期属性提取、频谱分解等地层预测的精确性，准确地进行泌阳凹陷沉积主体廖庄组、核桃园组、大仓房组顶底面解释，获得了底面构造图。

2.1.4 构造精细解释

(1)依据的原则。依据“切片定走向，剖面定倾向，共同定产状”的原则，首先确定出断裂系统，然后填充地质层位。

(2)剖面上的断层特征。反射波同相轴错断、反射同相轴突然增减或消失、波组间隔突变、反射同相轴形状突变、反射零乱或出现空白带、标准反射同相轴发生分叉、合并、扭曲、强相位转换以及异常波的出现等。

运用Coherence Cube第3代算法C3把多道地震数据组成协方差矩阵，应用多道特征分解技术，避免了人为解释的随意性，可清楚地分辨出断层的规模、走向、组合方式等空间展布特征，大大提高断层解释精度，为该区整体构造研究和圈闭识别奠定了基础。

断层组合的基本原则是同一条断层其性质、断面产状、断开层位、断距相同或有规律的变化。为了使断层组合更趋合理，在上述原则的指导下，结合区域地质规律，在断层组合中利用相干体切片，结合三维可视化技术，建立断层三维显示模型，弄清断层发育规律，理清断层切割关系，落实断层的平面组合规律和展布特征。

(3)断层水平切片特征。主要表现为同相轴明显错断、同相轴突然中断、同相轴宽度发生突变、同相轴走向不一致等因素(图3)。

图3 断层的水平切片解释Fig.3 Fault explanation of horizontal stratal slice

(4)断层的剖面解释。采用剖面—平面相互对照的原则，并结合断层体解释的空间结构来完成断层的准确识别。①彩色剖面的断层解释。前人的地震解译主要在黑白波形显示的剖面上解释，剖面信息较单一，规模较大的断层因其波组被错断明显，容易识别，但规模较小的断层在黑白波形剖面上不太明显而很容易被忽略。变密度剖面，细节信息较丰富，加之人的眼睛对彩色线条差异的敏感度较高，能较方便地发现和解释一系列断层。应用对比多边形，方便断层两侧的地层对比，大大提高解释的精度(图4)。②断层的多剖面识别对比。为解决在单独的地震剖面判别断层易于出现的多解性，要利用连续的多线对比判断这种扭曲、分叉或合并是否为断层得出的结论趋于准确(图5)。③相干切片与地震剖面对比解释。在垂直剖面上对地震相干数据体时间切片的解释结果进行验证。在地震相干数据体时间切片解释工作的基础上，再回到地震剖面上，验证断层解释是否合理(图6)。④地震解释与钻井标定的断点相结合解释断层。在对地震剖面的解释中，首先对凹陷内的已完钻井标定的断点，通过合成记录标定在剖面上，保证了井震解释断层的一致性。

图6 地震剖面的时间切片对比Fig.6 Figure of time slice seismic profile

图4 Trace断层多边形对比剖面Fig.4 Profile of Trace fault polygon comparison

利用相干切片、时间切片等技术手段对泌阳凹陷的6个顶底界面进行解释，确定20多条断层。泌阳凹陷控盆断裂为盆地东缘的北东向Ⅰ级断层栗园—泌阳断层、南部的北西向唐河—栗园2组大断裂。栗园—泌阳断层北东走向，北西倾，倾角60°～70°，贯穿盆地，平面上呈弧形延伸达30 km，断距随层位变化而变化，最大断距达8 km，呈上陡下缓的犁式断层。

完成上述解释后，最终要进行凹陷各个底面构造图的制作。由于工作区域比较大，沉积地层有较大变化，必然会导致同一层段不同区域的速度有所差异。通过对所有井的合成记录时深关系及VSP 测井时深关系进行了分析，以了解速度的横向变化。泌阳凹陷多数井的时深关系差异不大，浅部速度没有明显变化，但在1 100 m以深不同井之间的速度有较大差异，部分钻井速度明显高于周围的其他井，如泌354、泌159、泌364、程1井，需要采用变速成图技术对速度的横向变化进行处理。

2.2 高精度速度场建立

采用井震二次约束速度模型，利用地震叠加速度谱资料建立初始速度模型，并以单井标定的时深关系(或VSP)进行校正，以地震解释层位进行横向约束[3-4]，从而建立高精度速度场。首先利用DIX公式将地震叠加速度转换为层速度，然后将层速度转化为平均速度，即为初始速度模型，利用单井的时深关系对初始速度模型进行校正[5]。

2.2.1 速度变化规律

凹陷的反射层平均层速度平面图具有平均速度沿层总体上具有东南高、北西低的变化规律；在靠近边界大断裂附近存在明显的速度异常区；明显的速度增大带和高速区呈东西向，为碱层赋矿地层白云岩发育区。

2.2.2 速度变化规律

(1)纵向上，速度随地层深度的增加而增大。浅层速度变化较小(T3反射层的平均速度从2 700 m/s到4 000 m/s变化，幅度1 300 m/s)，深层速度变化较大(T54反射层平均速度从3 500 m/s到5 100 m/s变化，幅度1 600 m/s)，这种特征与浅层岩石压实和胶结程度轻、地层倾角相对较小，而深层岩石压实和胶结程度相应增加、地层倾角相对较大的岩石特性相一致。

(2)横向上，由北西向南东凹陷低洼变化速度逐渐增大，存在明显的速度增大异常带。这种速度变化特征与构造形态、岩相、差异压实及含流体等多因素有关。

根据泌阳凹陷地层速度变化研究表明：高速度异常区与含碱地层白云岩分布区相一致，与含碱的次凹沉积中心向南东变深相吻合。

2.2.3 构造图成图

利用OW5000中的Zmap-Plus专业绘图模块，对泌阳凹陷主体沉积地层顶底界面T41、T42、T4、T52、T53、T54共6个地震反射层进行了构造成图，并利用时深转换后并经过校正的深度层位进行绘制。比例尺1∶20 000，等值线间距20 m，深度值以地震基准面(海拔+100 m)。

(1)凹陷底面构造特征。呈北西高南东低的构造格局，断层不发育，构造总体形态简单。地层的沉积主要受湖平面升降变化、基底构造起伏控制，沿着中央深凹区向外至北部斜坡带及南部陡坡带发育鼻状构造，对凹陷中的石油和碱层等沉积矿产起到控制作用；深凹区东部发育一系列断层，且深部断层多于浅层，部分断层延伸距离远，直至东部边界断裂，对沉积矿产起破坏作用。

(2)泌阳凹陷制作的底面构造图反映。自核一段至廖庄组安棚次凹一直发育，安店次凹仅发育于核一段、核二段，到核三段上部次凹逐渐消失，从图7中可直观的发现次凹的深度、起伏及圈闭情况。

图7 反射层底面构造Fig.7 Underside structural map of reflector

2.3 利用地震剖面建立层序地层

基于高分辨率层序地层学理论[6]，陈建立、侯艳萍等在泌阳凹陷天然碱矿勘查和石油勘查时利用赋矿层位核桃园组的野外剖面、钻井、测井所反应的层序界面特征进行高分辨率层序地层划分与对比，从而建立相关的沉积—层序地层模式[7]。本文主要阐述地震剖面确立层序界面从而建立层序地层。

2.3.1 地震剖面中的层序界面特征

泌阳凹陷在核一段—核三上段地层中可见到上超、下超、顶超和削截等反射特征(图8)。这些反射特征是长期或中期层序界面的识别标志。在地震剖面上，高连续反射特征或下超面[7]是最大洪泛面特征。

图8 地震剖面层序界面识别标志Fig.8 Identification marking of Sequence stratigraphic interfaces in the seismic section

2.3.2 建立井震统一的层序地层

(1)首先选取岩芯、录井和测井资料齐全的重点钻井，在单井剖面中识别可供区域性等时对比的长期基准面旋回和最大湖泛面作为层序界面。

(2)制作合成地震记录，对地震剖面进行层位标定，在地震剖面上对标定的层位进行横向追踪，以地震资料的横向连续性作为约束条件，通过井震结合的手段对单井和地震剖面进行相互标定，建立井震统一的长期基准面旋回层序地层格架(图9)。

图9 泌阳凹陷核二—核三段泌216-69-112-365-267井地震层序剖面Fig.9 Seismic stratigraphic sequence profile of Bi216-69-112-365-267 drilling in the He-2 sequence-He-3 sequence of Biyang Depression

3 地层切片确定含碱区域

3.1 地层切片的应用依据

3.1.1 地层切片原理

地层切片是指从沉积界面(地质时代界面)上所提取的地震振幅，能表示整个地震探区中某沉积体系的总体特征的地震界面(Stratal Slice，Zeng，1994)。它采用线性内插提取基准同相轴间的地震振幅数据(或其他属性)的方法，用以减少由于横向上沉积速率不同以及厚度变化带来的影响。泌阳凹陷沉积地层基本呈近水平层状展布，地层切片技术易于获取振幅型或结构异常型沉积体系，识别和追踪盆底扇、嵌入厚层页岩的河道、天然堤体系、硅质碎屑岩系内的薄灰岩层等处的等时地震异常。

3.1.2 地质依据

泌阳凹陷沉积主体各个地层界面的地震剖面所拥有的资料品质好、信噪比高、波组特征清晰、断层少，因此非常适合开展地震沉积学研究。通过对地震属性的解释来获得沉积地层演化的动态过程，尤其是对滑塌浊积扇砂体的时空分布特征进行描述，有效地提供沉积地层的形成过程和几何形态的信息。