层序地层学与局域三维地震解释

凌 云,林鸿梅,张红杰,吴 昊,王云鹤,孙 龙

(中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司地球物理勘探研究院凌云工作室,吉林松原138000)

20世纪70年代,VAIL等[1]发表了“全球地层周期旋回与海平面变化关系”的文章;在此基础上,VAIL[2]基于被动大陆边缘地层沉积模式提出了层序地层学的概念,从而建立了以地震数据、测井数据和地质露头资料为基础的层序地层学理论。该理论从沉积的4个主控因素(海平面升降、构造升降、气候变化、沉积速率)入手,研究不整合或整合面之间地层的沉积环境、沉积模式和接触关系等问题。在VAIL等[1]的研究基础上,GALLOWAY[3-4]提出了成因地层层序的理论,认为最大海泛面是最佳的地层对比标志层,将两个最大海泛面之间的地层单元划分为一个层序。EMBRY[5]提出了海进与海退层序理论,该理论认为海侵面是最明显的标志层,并将一次海进与海退间的沉积旋回划分为一个层序。CROSS[6]提出了高分辨率层序的理论,将基准面上升与下降间的转换点作为层序边界。从国际海相层序地层学理论发展看,对于层序界面的划分,不同方法间存在明显的不同。但这些理论全是基于被动大陆边缘条件下的层序地层学解释方法。这是因为被动大陆边缘条件,可以将构造运动与其它沉积因素的影响分离开来,从而简化和降低沉积地层的解释难度。

在国内,1993年,徐怀大教授[7]将层序地层学理论引入中国;顾家裕[8]提出了陆相层序地层学格架概念与演化理论;纪有亮等[9]提出了陆相断陷湖盆层序地层学理论;李丕龙[10]对陆相断陷盆地层序地层学进行了有益的应用研究;魏魁生[11]对陆相盆地层序地层学理论进行了系统性的总结。文献[12]深入浅出地讨论了陆相层序地层学的理论与应用问题。邓宏文等[13]详述了高分辨率层序地层学原理,并介绍了国内外多个陆相沉积盆地的应用研究实例。陆相层序地层学的研究结果表明,由于陆相沉积盆地的范围远远小于海相沉积盆地,且与海洋不具有联通性等因素,因而陆相层序地层学解释很难将构造运动与其它沉积因素的影响完全分离开,即很难满足被动大陆边缘条件。因此,陆相层序地层学不得不同时考虑构造变化、气候变化、沉积速率和河流注入量等影响因素。与海相沉积相比,陆相沉积不仅需要考虑构造运动影响,同时还需要考虑气候、沉积速率和注入量等微小且频繁变化因素的影响。因而陆相沉积(断陷、凹陷和前陆等)层序地层解释理论差异很大。此外,无论是海相还是陆相层序地层学解释,在确定了层序界面或一个层序后,对层序内部的沉积地层解释主要是依靠一维测井、二维或三维地震剖面,以及盆地边缘露头资料等信息,最终达到认识三维地层的沉积过程、地层沉积相和地层空间展布的目的。然而,当地震分辨率难以满足薄储层解释需求时,高分辨率层序地层学解释将面临较大的挑战。

曾洪流[14]提出了地震沉积学理论。该理论认为地震沉积学与地震地层学、层序地层学存在着内在联系,但在内容上更注重研究沉积岩和沉积作用,同时认为地震沉积学得益于地震资料的水平分辨率。它的两项关键技术是地震数据90°相位化处理和地层切片。该理论从技术角度明显提升了地震数据的地质解释能力与效果。但90°相位化仅是一个数学相对变换,并未改变空间相邻地震道间的振幅、频率和相位的相对关系,既不改变也未提高地震数据的空间分辨率。因此,90°相位化并非地震沉积学的重要和必要的技术。此外,该方法未能给出分辨小于四分之一波长薄储层解释的理论依据。为此,钱荣钧[15]针对地震沉积学的应用提出了若干问题与思考。赵海华等[16]也探讨了关于地震沉积学的有关问题。显然,相关问题聚焦在地震分辨率及一些具体的解释技术上。但从地质理论角度分析,地震沉积学未能给出其与地质沉积学、层序地层学和地震地层学间的理论关系,如等时地质界面、层序界面和相关解释技术等。这使得地质家和地质解释人员很难深化对地震沉积学的理论认知。

凌云等[17-21]提出了空间相对分辨率理论,即:“基于等时地质切片上地质体引起的地震属性空间相对变化和等时地质切片间地质体引起的地震属性垂向连续变化的地质解释,最终达到认识地质体的空间展布能力称为空间相对分辨率”,同时提出并应用了相对保持地震数据振幅的处理、相对等时界面解释与标定、储层构造相对等时界面和储层沉积相对等时界面解释、储层构造和储层沉积演化解释等技术。大量研究结果与应用实践表明,基于空间相对分辨率理论可以获得薄储层的沉积相和薄储层的空间展布结果。但对于局域三维地震资料解释与层序地层学理论以及地质沉积学理论间的关系问题,尚未给出有效的解答。显然,无论理论与实践,还是海相沉积与陆相沉积,层序地层学与局域三维地震解释的关系都是一个值得探讨的关键问题。

1 层序地层与局域三维地震解释的前提条件

被动大陆边缘条件是海相层序地层学解释的重要前提。被动大陆边缘是指具有构造运动长期相对稳定状态的大陆边缘。该条件可以将构造运动与其它沉积因素的影响有效分离,即在两个相邻层序界面间,地层沉积过程不受构造运动的影响,从而简化了地层沉积解释的难度。然而,陆相沉积环境很难满足被动大陆边缘条件,即陆相地层沉积频繁受到构造运动的影响。加上不同类型盆地(凹陷盆地、断陷盆地和前陆盆地)的构造成因不同,使其盆地形态、盆地规模和物源等存在明显差异,从而给陆相层序地层学理论的广泛、有效应用带来一定困难与问题。

此外,由于三维地震工区面积与沉积盆地的面积相比十分有限,且具有明显的局域性(图1)。因此,局域三维地震解释如何正确理解并有效应用层序地层学理论仍是一个值得探讨的实际问题。本文认为,无论海相沉积还是陆相沉积,在局域三维地震资料解释中可否应用层序地层学理论,其首要问题仍是能否分离构造运动与其它沉积因素的影响;其次是解决层序界面、沉积体系域、最大海泛面或湖泛面和可容空间,以及古地貌、古物源、沉积相等问题。

图1 陆相沉积盆地古地貌与三维地震局部层序格架及沉积旋回

松辽盆地三维地震解释实例表明,沿三维地震数据体中的连续反射同相轴通常较容易获得白垩纪顶、底(一级层序)界面,松花江群顶、底(二级层序)界面和青山口组顶、底(三级层序)界面的解释结果。在精细地震解释和严格质控条件下,也可以获得青山口组内各段顶、底(四级层序)界面,甚至可以获得各段内特定砂层组的顶、底(五级层序)界面的解释结果。但是沿局域三维地震数据体中的连续反射同相轴获得的这些解释界面与层序地层学的层序界面间有何关系呢？其中哪些界面间的地层沉积能够满足被动大陆边缘条件呢？这些问题仍是实际局域三维地震解释中亟待回答的问题。

对于上述问题,首先需要对在局域三维地震数据体解释的界面给出必要的定义。本文给出了“储层相对等时界面”的定义。“相对等时界面”是指沿局域三维地震数据体中的连续反射同相轴拾取并解释的相对等时的界面。而“储层相对等时界面”是指与所研究储层直接相关或邻近的相对等时界面。储层相对等时界面又可分为“储层构造相对等时界面”和“储层沉积相对等时界面”。前者是指在其上、下的地层沉积环境受到了构造运动因素的影响。后者是指在其之上和之下的地层沉积环境未受到构造运动因素的影响。

在局域三维地震解释中,根据储层构造相对等时界面的定义,两个相邻的储层构造相对等时界面间的地层沉积环境若未受构造运动因素的影响或其影响可以忽略时,则该地层沉积可满足拟被动大陆边缘条件。“拟被动大陆边缘”是指在局域三维地震解释区内,特定地层的沉积环境没有或可以忽略构造运动的影响。在此条件下,无论是海相沉积,还是陆相沉积,针对该地层的三维地震沉积解释均可以有效应用层序地层学的理论与解释方法。而储层沉积相对等时界面是指在局域三维地震工区内,在相邻两个储层沉积相对等时界面间的地层沉积未受到构造运动因素的影响,即它是满足拟被动大陆边缘条件的。

通常局域三维地震解释获得的储层构造相对等时界面和储层沉积相对等时界面之和会大于或等于宏观层序界面的数量。因为,局域三维地震解释更微观、更精细。通常,局域三维地震储层构造相对等时界面对应的地震反射波属性(振幅、频率和相位)较为稳定,容易识别和解释。而储层沉积相对等时界面对应的地震反射波属性空间变化较大,较难识别和解释。此外,基于两个相邻的储层构造或沉积相对等时界面间的时间厚度,结合沿等时面拉平的地震剖面和测井信息解释,可以获得局域古地貌、局域沉积中心和局域古物源等重要的局域储层沉积信息。它们可以弥补局域三维地震解释缺失的宏观最大海泛面或湖泛面、可容空间和沉积体系域等层序地层学解释信息。

通过以上讨论可知,在局域三维地震解释中,无论沉积环境是海相还是陆相,其首要问题仍是能否有效分离构造运动的影响。若在三维地震解释中能够建立足够精细的储层构造相对等时面(层位),并且当两个相邻的储层构造相对等时面间的地层沉积环境满足拟被动大陆边缘条件时,则两个相邻的储层构造相对等时面就等同于层序界面。由此,便可以建立局域三维地震解释与层序地层学理论间的重要关系,即在此条件下,局域三维地震解释可有效地应用层序地层学理论与解释方法。

2 层序地层学与局域三维地震解释

2.1 研究区的地质背景

三维地震研究区位于松辽盆地南部的中央坳陷内(图2a)。松辽盆地面积约26×104km2,而三维地震研究区面积仅有276km2(23km×12km,图2b),仅占盆地面积的1/900左右。研究区内包含有近千口开发井。图2b中红色虚线框内为开展精细薄储层解释的油田开发区位置,包含有一百余口开发井。显然,无论是三维地震研究区,还是开展精细解释的油田开发区,均具有很小的局域性,无法建立并获取宏观的盆地层序界面、沉积体系和可容空间等重要的层序地层学信息。

图2 三维地震研究区(a)及油田开发区位置(b)

但基于穿越盆地的二维地震剖面解释、探井信息解释和前人相关研究成果,在三维地震资料解释前仍可以获得必要的宏观盆地构造和沉积演化的认识。本研究区主要经历了三叠纪至早侏罗纪的区域隆升期、晚侏罗纪到早白垩纪的断陷期、早白垩纪到晚白垩纪坳陷期三个阶段。主要储层位于白垩纪松花江群上段、青山口组青一段内。根据测井资料解释和储层平均厚度解释结果(图3)可知,本次研究的目标储层青一段砂层主要为薄储层。

图3 研究区储层平均厚度(a)与测井资料沉积解释(b)

另外,从穿越研究区东西向的地震剖面(图4)可见,研究区主要经历了两期构造运动和断层发育。从穿越研究区东部油田开发区局部的地震剖面和沿青一段顶拉平的地震剖面(图5)可知,研究区内还发育有同沉积小断层,由此表明在研究区内目标储层沉积时期存在构造运动的影响。

图4 穿越三维地震研究区的东西向地震剖面

根据测井资料(图3b)和地震剖面解释结果(图4)可知,青一段储层埋深为2300m左右,地震反射时间1750ms左右。青山口组宏观为水退沉积环境,早期气候温暖湿润,晚期转为半干旱。该时期对应的地震剖面(图4)青一段底至青三段顶,地震反射振幅自下而上由强变弱。

在青山口组宏观水退沉积背景下,青一段为次一级水进沉积环境,地震反射振幅自下而上由弱变强。青一段地层厚度约为140m,相应的青一段反射时间约为75ms。青一段内可分为四个砂组,共有15个单砂层(图3a)。其中,Ⅲ砂组和Ⅳ砂组砂层相对发育,对应地震剖面(图5)中红色复合波位置,其波形和振幅空间变化较大。其中最厚的12号砂层平均厚度6m。随着水位逐步升高,青一段Ⅱ砂组沉积的砂层相对减薄,泥质含量增加,对应地震剖面(图5)中黑色同相轴(正)位置,地震反射波的振幅增强,空间上更稳定。其中最厚的7号砂层平均厚度仅有4m。随水位继续升高,青一段Ⅰ砂组发育暗色泥岩,砂层进一步减薄,其平均厚度仅有2m。对应地震剖面(图5)中红色(负)的反射波,其波形横向振幅更强、更稳定。

图5 穿越油田开发区的东西向地震剖面(a)及沿青一段顶拉平的地震剖面(b)

2.2 局域三维地震解释与被动大陆边缘条件

2.2.1 局域青山口组内各段构造演化解释

盆地构造演化解释是研究盆地形成与构造演化过程的重要步骤。主要基于构造地质学、盆地边缘地质露头、探井信息、应力场和穿越盆地的二维地震剖面或平衡剖面等进行综合解释,从而认识盆地形成与构造变迁过程,同时也是确定层序界面的重要依据。

与盆地构造演化解释相比,局域三维地震储层构造演化解释仅基于局域三维地震储层构造相对等时面和拉平的地震剖面以及测井资料解释成果,最终达到认识局部构造运动、局部储层古地貌、局部沉积中心、物源、水流和沉积物性等储层沉积参数的解释步骤与方法。

由三维地震工区青一段古地貌(图6a)和青二段古地貌(图6b)的对比解释可见,在青一段沉积时期,在研究区西北和东北部存在三个地势较低的沉积中心,如图6a中蓝色区域所示。而到青二段沉积时期,仅剩北部一个地势相对较低的沉积中心了,如图6b 中蓝色区域所示。这意味着在青一段至青二段期间曾发生过构造运动。

图6 研究区青一段古地貌(a)和青二段古地貌(b)

另外,从沿青二段底界面(图7a)和沿青三段底界面(图7b)拉平的地震剖面(图6中L1线)可以发现,局域青一段古地貌相对较平坦,南部地势略高于北部(见图7a所示)。而到青二段沉积时期,其北部沉积深度明显增大,并在中部出现一个相对较高部位。这表明,在青一段与青二段间曾发生过构造运动。综合平面和剖面的古地貌解释结果,在青一段与青二段沉积期间发生过构造运动。同时表明,青一段底、青二段底与青三段底界面均为储层构造相对等时界面。但在青一段内是否还存在构造运动？仍需通过进一步细化储层构造等时面解释来加以证明。

图7 穿越研究区沿青二段底(a)和青三段底拉平(b)的南北向地震剖面解释

此外,由古地貌和沿层拉平地震剖面以及测井资料综合解释可知,在青一段沉积时期,研究区存在西南、东南两个主要的沉积物源(见图6a中粉色箭头所示)。并在研究区西北部、东北部形成了两个主要的沉积体系。而到了青二段沉积时期,随着构造运动引起的古地貌变迁,形成了四个主要沉积物源(图6b中粉色箭头所示)。

2.2.2 局域青一段内砂层组构造演化解释

对于海相沉积环境而言,通常青山口组各段地层界面(四级层序)即可满足层序地层学解释的要求。但对于陆相沉积环境,特别是火山较为发育的陆相沉积盆地而言,局部构造运动因素仍可能对各段内砂层组(五级层序)的沉积产生影响。为此,需要根据实际情况和需要进一步细分、细化储层相对等时界面解释。通常,细分砂层组级的储层相对等时界面解释时,需要缩小研究区范围,否则将面临多沉积体系混叠的影响。为此,选择研究区东部的油田开发区(图2b 中红色虚线框)作为青一段砂层组相对等时面解释的研究范围。

由开发区青一段Ⅲ砂组和Ⅳ砂组的古地貌解释结果(图8a)可见,该时期东北部高、西北部低。结合局域古地貌和测井资料解释成果可知,物源主要来自开发区的南部和东南部(图8a黄色箭头所示)。

而随时间推移,通过青一段Ⅰ砂组和Ⅱ砂组古地貌解释结果(图8b)与Ⅲ砂组、Ⅳ砂组古地貌解释结果(图8a)对比可知,在青一段内部仍发生过构造运动。地貌由Ⅲ砂组、Ⅳ砂组时期的东北高—西北低,变迁为Ⅰ砂组、Ⅱ砂组时期的东北低—西北高,并在中部形成了NW-SE走向的凸起带。此外,从沿青一段Ⅱ砂组底拉平的地震剖面解释结果(图9a)可见,Ⅲ砂组、Ⅳ砂组的沉积厚度西南部(剖面左侧)明显厚于东北部(剖面右侧)。而沿青一段顶拉平的地震剖面解释结果(图9b)显示Ⅰ砂组、Ⅱ砂组的沉积厚度东北部(剖面右侧)厚于西南部(剖面左侧)。由此表明青一段早、晚期地层沉积期间发生过构造运动,造成了相应地层沉积厚度的变化。同时表明,青一段Ⅱ砂组底界面仍是储层构造相对等时面。

图8 青一段Ⅲ&Ⅳ砂组(a)和Ⅰ&Ⅱ砂组(b)古地貌解释结果

图9 沿青一段Ⅱ砂组底拉平(a)和青一段顶拉平(b)的地震剖面解释结果

因此,若要对青一段地层进行层序地层学解释,必须首先将青一段分为上、下两段,只有这样才能有效分离构造运动影响,进而使青一段上、下两个时段的沉积各自满足拟被动大陆边缘条件。在此条件下,这两段地层的三维地震资料解释就可以分别有效地应用层序地层学解释理论与方法了。但由于青一段Ⅰ砂组对应的红色地震反射波形在空间上仍存在一定的厚度(时间)变化,为提高层序地层学解释精度,青一段内的储层相对等时面仍可以继续细分为三段进行解释,它们分别为:青一段Ⅰ砂组(上段)、Ⅱ砂组(中段)和Ⅲ砂组、Ⅳ砂组(下段)。这样可以进一步满足层序地层学解释条件并提高解释精度。

此外,基于古地貌和沿层序界面拉平的地震剖面以及测井资料解释,还可以获得研究区的局域古地貌、局域沉积中心、局域沉积物源等重要的沉积信息。它们可以弥补局域三维地震解释中缺失的宏观最大湖泛面、可容空间和沉积体系等层序地层学解释信息的不足。

2.3 层序界面与局域储层沉积演化解释

在保证相邻储层构造相对等时面可作为层序界面的前提下,这些相邻层序界面间的地层沉积环境则在局域上可满足拟被动大陆边缘条件。加上获得的局域古地貌、局域古沉积中心和局域古物源等解释信息,按照层序地层学解释理论,便可以开展层序地层学解释。然而,当地震分辨率不能满足层序内薄储层解释需求时,即地震分辨率无法有效分辨薄储层的接触关系时,即使采用高分辨率层序地层学解释仍将面临巨大的挑战。

因此,在地震分辨率不足的条件下,基于两个相邻的层序界面(储层相对等时界面)进行等时剖分,可获得相应的地震属性切片,并通过等时切片上地震属性的空间相对变化和切片间地震属性的垂向连续变化,最终可以获得薄储层的沉积相和空间展布结果。

显然,储层沉积演化解释的基本条件仍是,要求两个相邻层序界面间的地层沉积环境满足拟被动大陆边缘条件,否则将面临不等时或穿时等问题的影响。

2.3.1 青一段Ⅱ砂组储层沉积演化解释

在青一段水进沉积环境背景下,由测井资料次一级沉积旋回解释成果可知,青一段Ⅱ砂组经历了水退—水进的沉积旋回,对应地震剖面(图9b)上,青一段Ⅰ砂组底与Ⅱ砂组底之间的黑色同相轴(正波瓣)。基于这两个层序界面,将该同相轴等分20份,时间间隔为1ms,则可获得相应的20张地震振幅属性切片。研究选择其中部分切片(图10、图11所示)进行如下储层沉积演化解释。

图11 开发区青一段Ⅱ砂组晚期沉积演化解释a 切片13; b 切片15; c 切片17; d 切片20

2.3.2 青一段Ⅱ砂组早期高水位和水退沉积时期解释

切片1处于高水位沉积期,其解释结果如图10a所示,此时物源2较为发育,它越过中间凸起带(图8b 所示),在东部沉积了一个小型决口扇(图10a中的红色强振幅范围)。此后,该区进入水退沉积期,切片3(图10b)和切片6(图10c)解释结果表明,随着水位下降,来自物源2的沉积不再越过中间凸起带,而仅在凸起带西部沉积。切片1、切片3和切片6的储层沉积演化解释结果表明,从高水位期至水退沉积期,东部低洼区的决口扇沉积逐步萎缩,红色强振幅区范围逐步减小。

图10 开发区青一段Ⅱ砂组早期沉积演化解释a 切片1; b 切片3; c 切片6; d 切片10

2.3.3 青一段Ⅱ砂组晚期低水位和水进沉积时期解释

对比切片10(图10d)与切片6(图10c)的解释结果可见,经历水退后东部低洼区的决口扇沉积基本停止,此时切片10处于低水位沉积期。随后,开发区再次进入水进沉积期,将切片13(图11a)、切片15(图11b)以及切片17(图11c)与切片10(图10d)的解释结果对比可见,来自物源2的沉积再次越过中间凸起带,在东部低洼区形成了第二轮决口扇沉积。随时间推移,决口扇的沉积面积逐步扩大,对应红色强振幅区范围也逐步增大。在地震振幅切片15(图11b)中可以清晰地看到决口扇的扇根、扇中和扇前缘等沉积特征。

此后,开发区进入高水位(最大湖泛面)沉积期,切片20(图11d)显示,大部分区域的地震振幅均增强(红色),对应着拉平的地震剖面中(图9b)靠近红色波瓣的部位。

综上所述,在确定了层序界面后,当地震数据分辨率不满足薄储层的层序地层学解释需求时,基于空间相对分辨率理论和储层沉积演化解释方法仍然可以获得对薄储层沉积相和薄砂体空间展布规律的认识。同时,由此获得的水进—水退的沉积旋回解释结果与测井资料解释结果具有很好的一致性。

3 结论

针对陆相沉积盆地的薄储层,利用局域三维地震数据,开展储层构造相对等时面、储层沉积相对等时面解释,当两个相邻等时面间的地层沉积环境满足拟被动大陆边缘条件时,相应的等时界面就等同于层序界面,这样就可以在局域三维地震资料解释过程中有效地应用层序地层学的理论与方法。同时,基于层序界面、沿层序界面顶部拉平的地震剖面以及测井资料的解释,可以获得局域古地貌、局域沉积中心和局域古物源等沉积要素,从而弥补了局域三维地震数据对最大湖泛面、可容空间和沉积体系等宏观信息的缺失。在此基础上,当地震分辨率不满足层序内薄储层的层序地层学解释需求时,应用空间相对分辨率理论和局域三维地震储层沉积演化解释及测井资料解释结果,可以获得对薄储层的沉积相、薄储层空间展布规律的认识。这些成果十分有益于解决薄储层的地震勘探与油田开发问题。

致谢:感谢中国石油集团勘探与生产公司赵帮六副总经理、吉林油田分公司赵志魁副总经理、吉林油田勘探处王立武经理、吉林油田地球物理勘探研究院赵占银院长和吕耀中书记以及项目组成员在研究环境、资料应用等方面提供的支持！