走滑—伸展应力区高速异常带特征、成因及定量刻画——以渤海湾盆地莱北低凸起明下段为例

孙希家 张中巧 谢 祥 龚 敏

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽 300459)

1 概况

速度研究是地球物理勘探领域的重要内容，在地震资料成像、精细构造成图、地层对比、压力预测等方面发挥着重要作用[1-4]。在勘探初期，由于钻井资料少，地震叠加速度精度较低，对地层结构了解较少，常将速度简化为埋深的单一函数，忽略了速度的横向变化。若地层发育速度异常，往往导致勘探失利。因此速度横向变化研究越来越受到重视。

地震波在地下的传播速度受多种因素控制，如地层岩性、地层厚度、埋藏深度、地质年代、压实程度、储集物性以及流体等[5]。若某个或某些因素发生横向突变，则会产生速度异常现象。根据地层速度的变化趋势，将速度异常分为高速异常和低速异常两类。归纳而言，低速异常的成因主要包括地层超压、地层流体发育异常(主要指含油气性的横向变化)、砂地比(某层段内砂岩厚度与地层厚度的比值)横向变化[6-9]等； 高速异常的成因主要是火成岩、变质岩、砾岩等高速岩体的发育及地层的垂向运动[10-13]。总体来说，目前对低速异常现象的研究较深入，对高速异常现象的研究则相对薄弱，尤其对走滑应力区的高速异常现象尚未开展系统研究。

渤海湾盆地莱北低凸起毗邻黄河口凹陷和莱州湾凹陷(图1)，为油气运聚的有利区带，成藏条件优越。主力储层为明下段五油组顶部的浅水三角洲砂体。郯庐断裂在渤海湾盆地南部表现为由NE向的西支、中支和东支走滑断裂组成的断裂带[14]。莱北低凸起呈北东向菱形展布，东、西两侧分别被郯庐断裂东支、中支夹持，南、北两侧由伸展断层分割。伸展应力和走滑剪切应力共同控制莱北低凸起的形成和演化，导致构造特征复杂[15]。在钻探过程中发现该区横向速度变化较大，如相距仅为600m的L3井和L6井，在钻探之前，利用L3井的时深关系预测L6井的目的层深度，实钻深度较钻前预测深度大22m，即L6井目的层顶面的平均速度(2171m/s)比L3井(2137m/s)大34m/s，严重影响了钻前深度预测和后续滚动勘探。因此了解高速异常现象的成因、分布规律及预测方法具有重要意义。为此，利用测井资料、三维地震资料和地震速度资料研究了莱北低凸起走滑—伸展应力区的高速异常现象。基于区域应力场机制及压实量分析，讨论了构造对地层速度的横向控制作用，探索了高速异常的成因，并定量刻画了高速异常带。研究成果对走滑—伸展应力区的速度预测具有借鉴意义。

图1 研究区位置

2 研究区高速异常特征

在研究区油气评价过程中，发现了高速异常现象。L3与L5井、L3与L6井、L5与L6井的井间距分别为4.5、0.6、5.5km(井位置见图1)。由L3、L5、L6井时深关系(图2)可见：①L3与L5井时深关系基本一致。钻前利用L3井的时深关系预测L5井地层深度，实钻深度与钻前预测深度相差2m。②从明下段二油组底部开始，L6井时深关系与另外两口井出现差异，表现为同一深度下，L6井对应的双程旅行时偏小(即速度偏大)，并且这种差异随着深度增加而增大。如L6井明下段四、五油组顶面的平均速度比L3井相应层段分别大20、34m/s，说明L6井区的明下段地层速度高于L3、L5井区。

由于钻井分布相对稀疏，因此为了清楚地展示研究区速度横向分布特征，本文尝试结合钻井资料与叠加速度谱的方法描述速度分布特征。叠加速度是指对动校正之后的地震道进行叠加处理，叠加后有效波能量最大时对应的地震波速度。叠加速度谱展示了叠加记录的振幅随叠加速度的变化，反映了在时间域速度按一定的CMP间隔的变化情况，采样点稀疏，横向分辨率低，不能精确地反映谱点之间的速度横向变化。考虑到浅层叠加振幅峰值分布明显，具有一定规律，而中、深层反射波能量团发散，因此利用叠加速度谱资料可以大体反映浅层速度的相对横向变化[5]。笔者对叠加速度谱提取了1400ms等时切片，同时统计了18口钻井在1400ms对应的地层深度，计算出地层速度(图3的井点标值)。结果发现，钻井资料和速度谱反映的速度特征较一致：在工区中部发育一条NE走向的高速异常带，其与工区的主断裂带具有较好的空间匹配关系(图3)。如1400ms对应埋深的高速异常带的地层速度比正常速度区平均高0.96%，即高速区比非高速区平均约深15m(图3)。

图2 L3、L5、L6井时深关系

图3 高速异常带分布特征(1400ms叠加速度切片)

3 高速异常成因

研究区明下段五油组由浅水三角洲相的砂泥岩地层组成，不存在火成岩、变质岩、砾岩等高速岩体，平均埋深为1250～1400m。统计工区钻井数据表明：目的层地层厚度横向较稳定，平均为240～260m； 沉积特征变化不大，平均砂地比为12%～18%，泥岩和砂岩速度差异较小(表1)； 气层较少，油层和水层密度、速度相差不大(表1)，平均油砂比(某一储层段内油层厚度与砂岩总厚度的比值)为19%～30%。因此，地层岩性、地层厚度、埋深、地质年代、储集物性以及流体等因素与目的层的高速异常现象相关性较小，不是高速异常的主要成因。

综合分析钻井资料和地震资料发现，高速异常带与断裂带具有较好的空间匹配关系(图3)。由于断裂带是构造应力释放而产生的构造形变，因此初步认为构造应力是本区高速异常的主要成因。下面针对该问题进行重点探讨。

表1 研究区不同岩性的速度、密度统计数据

3.1 研究区应力分析

莱北低凸起夹持于郯庐断裂(渤海南部)东支、中支之间，属于走滑—伸展应力复合区。通过研究断裂性质、产状及组合样式(图4a)，建立了反映莱北低凸起应力场特征的右行走滑应变椭圆模型(图4b)，然后根据应变椭圆推测各种断层的成因。结果发现，按照不同成因将该区断层分为3类：①近EW向伸展断裂； ②NNE向走滑断层(主走滑PDZ)； ③走滑派生断裂，包括NEE向T破裂、NE向R破裂、NW向R′破裂。这些断层构成了浅层的主要断裂体系(图4a)。

统计研究区延伸长度大于1.5km的断层发现，断层走向以NEE向为主(图4c)，与应变椭球模型(图4b)的T破裂对应。这些T破裂以单一断层形式或一定的组合样式存在：①NEE向T破裂呈左阶雁行排列，组成NE向R破裂(图4b)； ②NEE向T破裂呈右阶雁行排列，组成NW向R′破裂(图4b)。T破裂的这两种赋存形式，表现了不同的应力特征。

本文根据弹性力学的变形几何方程和薄板假设理论[16]，基于FRS软件对研究区进行应力数值模拟。首先通过计算构造曲率得到区域应变分布情况； 然后利用叠前反演得到地层弹性参数与区域应变，通过广义胡克定律得到区域应力分布情况(图5a)。

由走滑应变椭圆(图4b)可见，T破裂受同向挤压分量和垂向伸展分量的同时作用。Anderson断裂模式表明，单条正断层是水平伸展作用的结果[17]，由此可以推断由多条呈雁行排列的正断层组成的复杂断裂带的应力特征。前人采用构造物理模拟实验方法系统研究了走滑断裂及派生构造[18-19]。李伟等[19]利用60～80目海滩石英砂开展物理模拟，以考察渤海海域辽中南洼压扭构造带的构造特征，实验几何相似系数为10-5(即1cm代表1km)，断层走向为NNE，断层性质为右旋走滑，走滑量分别为2、4cm，走滑速率为0.01cm/s，断层东侧为主动盘(图5b)。

图4 莱北低凸起浅层断裂特征及受力分析(a)明下段五油组顶面断裂特征； (b)右行走滑应变椭圆； (c)断裂走向玫瑰花图

图5 莱北低凸起浅层应力数值模拟(a)及应力岩石物理模拟(b)

应力数值模拟和岩石物理模拟结果表明，在走滑应力场中，雁列断层发育位置的挤压分量最大，拉张分量并不大。从动力学的角度来看，挤压应力集中于断面，必然会通过一定的应变释放这种聚敛能量。断层两盘受挤压作用，首先形成一系列褶皱，而地层持续挤压、弯曲变形至一定程度，可能产生垂向调节断层，最终达到应力释放、受力平衡状态。这种垂向调节断层是由与挤压应力相关的被动拉张作用产生的。邓辉等[20]也指出，在走滑带内的挤压作用与伸展作用并非“势不两立”，而是可以共存且其强度呈正相关。因此NE向R破裂带与NW向R′破裂带均存在水平挤压作用。

3.2 挤压应力对地层速度的影响及证据

岩石物理实验表明[21-23]，地震波的传播速度与有效应力(外界围压与孔隙压力的差值)的变化规律为：①受力初期，波速呈对数增大，微裂缝、喉道闭合； ②持续受力，波速呈线性增大，孔隙闭合； ③继续受力，波速呈线性减小，直至岩石破碎。基于该实验结果，有人提出了“岩石声波的压实效应”[22]概念，即声波在多孔岩石中的传播速度与岩石所受的上覆有效压力密切相关，随着有效压力增大，岩石被压实，组成岩石骨架的颗粒之间接触紧密，导致岩石总体弹性变大，声速也随之变大。

通过应力分析，可以确定雁列式展布的T破裂应该是NEE向挤压分量的间接产物。同时，雁列断层将地层分成多个小断块，每个断块均受到NEE向挤压作用。在这种挤压作用下，地层必然发生水平构造压实作用，导致地层速度变大(与没有水平构造压实的正常速度区相比)。因此，莱北低凸起浅层NE向高速异常带的成因是水平构造压实作用。

正常速度区的压实程度主要反映上覆地层压力的垂向压实作用，而高速区除了垂向压实之外，还存在水平构造压实。因此只要证明高速区比非高速区压实量大，即可证明高速区存在水平构造压实作用。考虑到泥岩比砂岩的压实敏感性更高，前人常利用泥岩声波时差法分析区域压实特征，进而预测沉积盆地的地层压力及研究油气初次运移[24-28]。本文选取位于高速区和非高速区的9口典型井(井位置见图3)数据制作压实曲线。首先根据岩性录井成果，提取各井明下段的泥岩地层； 然后利用声波时差与井径交会法去除井壁垮塌的影响，利用声波时差与自然伽马交会法去除其他岩性干扰； 最后拟合校正声波时差与深度，得到部分井泥岩压实曲线(图6)。可见，高速区和非高速区的压实曲线斜率基本一致，且高速区压实曲线斜率略低于非高速区。如对应200m埋深变化(1200～1400m)，非高速区、高速区声波时差变化量分别约为12、19 μs/ft，表明高速区的压实量高于非高速区。因此，高速区除了垂向压实之外，还存在水平构造压实作用，也正是水平构造压实产生高速异常。

图6 莱北低凸起部分井泥岩压实曲线

4 高速异常带定量刻画

由于纵向叠加速度谱采样太稀，纵向叠加速度曲线本身精度不高，难以直接精确显示速度横向变化。研究区高速异常发育规律表明，正常速度区仅存在垂向压实作用，高速异常区同时存在垂向压实和水平构造压实作用。因此该区应力特征较复杂，定量刻画水平挤压应力及其压实量难度较大，无法直接识别高速异常体。考虑到垂向压实量是埋深的单一函数，相对容易获取，因此本文通过求取实际速度体与正常压实速度体的差值，间接求取高速异常体[29-31]，进而定量刻画高速异常带。

4.1 高速异常体识别

综合钻井资料、地震解释成果和地震速度资料求取高速异常体，主要过程包括地震速度资料预处理、正常压实速度体的获取和求取实际速度体与正常压实速度体的差值(即去除正常压实作用)等3步(图7)。

图7 高速异常体定量刻画技术路线

地震速度资料预处理是后续工作的基础。首先去除速度异常值点； 然后对多口钻井的声波时差资料与相应井道的地震速度资料进行匹配分析，评估地震速度资料的可靠性； 最后利用钻井资料和地震层位校正原始速度场，使之更符合客观地质规律。获取正常压实速度体的前提是判定正常压实区。首先根据地层趋势和地震速度趋势的一致性判定正常压实区； 然后通过拾取地震速度拟合时间域深度与地震速度的关系曲线。利用该曲线计算正常压实条件的地震速度体，再求取原始速度体与正常压实条件速度体的差值，即得到高速异常体。

4.2 定量刻画高速异常带

定量刻画高速异常带包括确定高速异常范围和高速异常量等两个方面。

(1)确定高速异常范围。通过适当平滑地震速度异常体并提取明下段五油组顶面的属性(波峰振幅和)，即可得到反映目的层高速异常幅度相对变化趋势的平面属性。然后在高速异常分布规律的指导下，结合钻井速度资料，综合确定高速异常带的边界。

(2)确定高速异常量。在高速异常带充分利用钻井数据，同时在井少的区域按照速度变化趋势建立虚拟井，以保证控制井点均匀分布，利用正常速度区的时深关系求取各井明下段五油组顶面深度，并求取该深度与钻井深度的差值。然后通过交会分析上述差值与相应属性值得到拟合关系，将速度异常平面映射为差值平面，即可得到各点的高速异常幅度。

以明下段五油组顶面为例，定量刻画了高速异常带(图8)。结果表明，高速异常带沿着雁列式T破裂展布，其分布范围受断裂活动范围控制，高速异常量与断层的活动强度具有较强的正相关性，与高速异常带的发育规律吻合。

图8 高速异常定量刻画

5 结论

(1)在走滑—伸展应力区，受次级挤压分量产生的水平挤压作用影响，雁列式T破裂带内部地层除了存在垂向正常压实作用之外，还存在水平构造压实作用，因此存在高速异常现象。研究成果对走滑—伸展应力区的速度预测具有借鉴意义。

(2)综合钻井资料、地震解释成果和地震速度资料，利用“去除正常压实作用”的方法，定量刻画了高速异常带的范围及异常幅度，从而为变速成图提供了约束条件，可提高成图精度。