沈章洪

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院)

鏡面反射
——大套泥巖地震強(qiáng)反射的一種成因

沈章洪

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院)

勘探實(shí)踐中時(shí)有在鉆前被作為存在儲(chǔ)層重要論據(jù)的地震強(qiáng)反射卻在鉆后被證實(shí)它來自大套泥巖之中，根本沒有儲(chǔ)層與之對應(yīng)。研究認(rèn)為，在一定沉積條件下，泥巖層間可以形成非常光滑的界面，這種界面雖然反射系數(shù)不大，但與砂泥巖層間比較粗糙的界面相比卻具有極好的反射定向性，導(dǎo)致其反射的地震波能量基本不出現(xiàn)漫反射而可以集中地被檢波器接收到，從而形成可與砂泥巖層間界面反射的強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牡卣鹩涗?，因此在褶積公式中引入鏡面系數(shù)就可以描述這種現(xiàn)象?？碧綄?shí)踐中認(rèn)識(shí)大套泥巖中的這種反射，對于避免鉆前儲(chǔ)層預(yù)測的失誤具有現(xiàn)實(shí)意義。

鏡面反射地震強(qiáng)反射鏡面系數(shù)大套泥巖儲(chǔ)層預(yù)測褶積公式

海上油氣勘探中面對埋藏深度較大、勘探程度較低的目的層，在鉆前論證時(shí)經(jīng)常把地震強(qiáng)反射作為存在儲(chǔ)層的論據(jù)，其理論依據(jù)是:砂巖和泥巖的波阻抗差異大，其界面的反射系數(shù)大，所以反射強(qiáng)。但是，這樣的預(yù)測時(shí)有被鉆井證偽的案例——強(qiáng)反射出現(xiàn)在數(shù)百米厚的大套泥巖層段中，根本沒有儲(chǔ)層。圖1顯示的是JZ25-1-9井GR和SP曲線及過井地震剖面。圖中下方黃色方框中的最強(qiáng)反射鉆前被認(rèn)為是砂巖存在的反映而作為目的層之一，要求探井打穿它，但鉆井最終揭示該層段為大套泥巖。

泥巖中的強(qiáng)反射一直困惑著勘探工作者們，現(xiàn)有理論似乎不能解釋這種現(xiàn)象，它們的成因機(jī)理是什么?筆者認(rèn)為要認(rèn)清該現(xiàn)象的背后原因，必須回答以下2個(gè)問題:

(1)同樣的泥巖碎屑物是在什么條件下可以形成明顯的分層結(jié)構(gòu)，并且分層界面的反射系數(shù)大于零?

(2)這樣的界面在什么條件下可以產(chǎn)生地震強(qiáng)反射?

1沉積物供給的間歇可以形成大套泥巖中的分層界面

圖1 JZ25-1-9井GR和SP曲線及過井地震剖面

這是從民間蒸千層糕獲得的啟示。每年農(nóng)歷七月十五，南方民間多有蒸千層糕的習(xí)俗。四四方方的糕塊，可一層一層地揭開，多冷食，也可熱食、煮炒等，黃荊柴(一種灌木)香味撲鼻，風(fēng)味特別。千層糕的制作方法是:把黃荊柴置于水中浸泡或煮成金黃色湯水;用此湯水浸泡大米;然后連湯帶米磨成米漿;在蒸籠中鋪上屜布;舀一勺米漿均勻澆入蒸籠、蓋上蓋蒸十來秒;開蓋，再舀一勺米漿均勻澆入蒸籠、蓋上蓋蒸十來秒。如此循環(huán)下去，待有三寸厚時(shí)，蒸熟出籠即可。千層糕的制作過程說明，完全相同的碎屑物，只要供給過程出現(xiàn)間斷，就可以形成分層結(jié)構(gòu)，形成界面。這種現(xiàn)象也會(huì)在大套泥巖中出現(xiàn)，厚達(dá)數(shù)百米的泥巖段是由一層層厚度小得多、容易分離開的單層泥巖重疊而成。那么，這樣的界面具有反射地震波的能力嗎?經(jīng)典反射理論似乎給出了否定回答。因?yàn)閺姆瓷湎禂?shù)定義公式(1)［1］表面上看，由于碎屑物完全相同，它們的波阻抗也完全相同，所以反射系數(shù)為零，應(yīng)該不會(huì)反射地震波。

式(1)中:r是反射界面的波阻抗;z2、z1分別是反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗。

筆者起初猜想:當(dāng)碎屑物供給過程出現(xiàn)間歇時(shí)，會(huì)在已堆積的沉積物的自由表面產(chǎn)生不同于連續(xù)堆積層內(nèi)部的某種結(jié)構(gòu)，正是這種結(jié)構(gòu)使得千層糕可以一層一層被揭開，也使得大套泥巖可以分成一個(gè)個(gè)小層。也正是這種自由表面的特殊結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致泥巖層間出現(xiàn)不為零的微小反射系數(shù)。

這個(gè)猜想能夠得到物理實(shí)驗(yàn)的支持嗎?2010年，中海油研究總院在國家973項(xiàng)目的課題“南海深水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)地震采集基礎(chǔ)理論研究”(2009CB219403)中，開展了針對南海某油田的一個(gè)三維物理模型研究(圖2)，所設(shè)計(jì)的物理模型包括海底、T20、T40、T41、T50、T60、T70、T80共8個(gè)界面。

圖3 物理模擬的反射界面與模擬記錄剖面對比圖

物理模擬采集的地震資料經(jīng)過處理，上述8個(gè)界面的反射均可以清晰辨識(shí)(圖3)。此外，最下方的2個(gè)反射分別來自于模型底界和容納模型的大水槽的底面，因而也是合理的。但是，在海底和T20之間出現(xiàn)的一個(gè)接近于水平的反射，物理模型并無此類界面，反射因何形成?經(jīng)過反向核查物理模擬的每一個(gè)步驟，發(fā)現(xiàn)在制作從海底到T20之間的這個(gè)層的過程中，用同樣的高分子材料和比例、分兩次調(diào)配并澆筑而成，即不是一次連續(xù)澆筑而成，中間存在一個(gè)時(shí)間間隔。分析認(rèn)為，這個(gè)反射就是由此產(chǎn)生的。

雖然這個(gè)物理模擬不是針對筆者的猜想開展的，但是其制作過程中的一個(gè)不經(jīng)意的操作間歇，卻真真切切地證明了筆者的猜想具有物理真實(shí)性。因此，沉積物供給的間歇可以在大套泥巖中形成對地震波具有一定反射能力的分界面。

2弱反射系數(shù)界面在具備鏡面特征的條件下可以造成強(qiáng)地震記錄

按照上述假設(shè)和物理模擬的旁證可以相信:當(dāng)泥巖沉積過程中的間歇達(dá)到一定程度時(shí)，就可以產(chǎn)生具有一定反射能力的界面。這種界面的反射系數(shù)，在不顛覆反射系數(shù)定義公式(1)的前提下，應(yīng)該比常規(guī)砂巖和泥巖接觸面的反射系數(shù)小很多。那么，在實(shí)際地震剖面上經(jīng)?？梢姷降拇筇啄鄮r中的強(qiáng)地震記錄又是如何產(chǎn)生的呢?

褶積公式(2)是用于描述地層的一系列波阻抗界面對入射地震脈沖的反射行為的經(jīng)典模型。

S=r?w(2)式(2)中:S是反射波序列;r是反射系數(shù)序列;w是地震子波序列。

換句話說，褶積公式是站在波阻抗界面的立場，描述了每個(gè)界面可以把入射地震脈沖能量的多大份額反射回去，而反射能量有多少能夠被檢波器接收到則是另一回事。

這些反射回去的能量有多大份額能夠被地面檢波器接收到，取決于檢波器的敏感半徑以及反射到地面的能量分布在多大的面積范圍內(nèi)。如果對于同樣的反射系數(shù)和同樣的檢波器，地震記錄的強(qiáng)弱就取決于反射能量落在檢波器敏感半徑范圍內(nèi)的份額是多少，而且份額越大，地震記錄越強(qiáng)，份額越小，地震記錄越弱。

通過一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)可以很清楚地看到這一現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置如下:一塊平整的鋁板(其一面拋光成鏡面，另一面做成磨砂面。按照反射系數(shù)公式，顯然這兩個(gè)面相對于空氣來說反射系數(shù)是一樣的)，先將鏡面朝上平放于地面。一支激光筆，它以接近垂直的角度固定在鋁板上方，用以向鋁板發(fā)射激光。一張白卡紙板，水平固定在鋁板上方激光筆附近，在其上畫一個(gè)小圓圈代表檢波器的敏感范圍。調(diào)整激光筆和白卡紙板的角度和位置，使得反射激光的光斑完全落在紙板的圓圈內(nèi)，此時(shí)認(rèn)為反射能量全部被檢波器捕獲(拍下紙板上光斑的照片，圖4a);然后，保持激光筆和紙板不動(dòng)，把鋁板翻過來使磨砂面朝上，再看反射的激光光斑(也拍下照片，圖4b)，其分布范圍大大增加，有相當(dāng)一部分跑到了小圈之外，此時(shí)反射能量只有一部分被檢波器捕獲。

圖4 鏡面反射(a)和磨砂面反射(b)激光斑點(diǎn)的照片

這種差異是由鏡面反射與漫反射的特性決定的。用鏡面系數(shù)m來表征反射界面所反射能量的分散程度，如果反射能量完全不分散，則定義m等于1;如果反射能量越分散，則m越接近于0。也就是說，用鏡面系數(shù)m描述反射能量能夠被檢波器捕獲的比例系數(shù)。

借助鏡面系數(shù)的概念，可以把描述反射界面的反射行為的褶積公式(2)改寫成描述檢波器接收到的地震記錄的公式(3)，即

S=(m·r)?W(3)

式(3)中:S為地震記錄;m為界面的鏡面系數(shù);r是界面的反射系數(shù);W為地震子波。

因此，地震記錄中，一個(gè)界面的反射波的強(qiáng)度是由這個(gè)界面的反射系數(shù)r和這個(gè)界面的鏡面系數(shù)m的乘積決定的。由于泥巖碎屑物的顆粒微小、水動(dòng)力環(huán)境很平靜，形成鏡面界面的機(jī)會(huì)較大，而砂巖碎屑物顆粒粗、水動(dòng)力環(huán)境比較之下很不平靜，形成鏡面的機(jī)會(huì)不大。這樣，大套泥巖中發(fā)育的鏡面界面的反射系數(shù)雖然不大，但具有較大的鏡面系數(shù)，而砂巖和泥巖的接觸界面雖然反射系數(shù)大，但鏡面系數(shù)不大，從而使得這兩種界面的反射系數(shù)與鏡面系數(shù)的乘積達(dá)到相同的水平，所以在地震記錄中它們的反射波強(qiáng)度看起來就相似了。

3結(jié)束語

傳統(tǒng)的褶積模型只描述反射界面對入射波的反射行為，不能很好描述檢波器接收到的地震記錄的行為;通過在其中引入鏡面系數(shù)后就可以描述界面的光滑程度對地震記錄的影響。

大套泥巖發(fā)育的沉積環(huán)境水動(dòng)力條件微弱，存在形成鏡面界面的可能性，這種界面雖然反射系數(shù)不大，但鏡面系數(shù)大;而砂巖發(fā)育的沉積環(huán)境水動(dòng)力條件較強(qiáng)，加上碎屑物顆粒粗，基本不能形成鏡面，所以砂巖與泥巖的接觸面雖然反射系數(shù)一般較大，但其鏡面系數(shù)基本很小。綜合反射系數(shù)和鏡面系數(shù)，泥巖中的鏡面反射波記錄就可以與砂巖界面反射波記錄的強(qiáng)度達(dá)到相當(dāng)?shù)乃健?/p>

雖然地震記錄中反射波的強(qiáng)弱還會(huì)受到界面的彎曲形態(tài)、資料處理中的振幅控制以及泥巖中的含鈣薄層等因素的影響，但本文的價(jià)值在于揭示了這樣一個(gè)事實(shí):即便這些因素被逐一排除，仍然不能保證在一個(gè)區(qū)域以發(fā)育泥巖為主的地層段中出現(xiàn)強(qiáng)地震記錄就意味著存在砂巖。如果把這一點(diǎn)牢記于心，則可以使勘探工作者面對這類目標(biāo)時(shí)多一分沉思，從而可能減少勘探失誤。

如何發(fā)現(xiàn)鏡面反射的特征并從地震資料中識(shí)別它們，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在鉆前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，這是一個(gè)非常有價(jià)值的研究方向。

致謝:感謝中海油研究總院王建花博士提供了有關(guān)物理模擬的材料。

［1］R．E．謝里夫等著．勘探地震學(xué)［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1999:104-105，195-197，352-359．

(編輯:崔護(hù)社)

Mirror reflection:a cause of the strong seismic record from massive mudrocks

Shen Zhanghong
(Bohai Oilfield Exploration and Development Research Institute，Tianjin Branch of CNOOC Ltd．，Tianjin，300452)

In petroleum exploration，the strong seismic reflections that are considered as an important evidence of reservoirs before drilling may prove to be from massive mudrocks after drilling，with no reservoir corresponding to them．According to some researches，very smooth interfaces may occur between the beds of mudrock under a certain sedimentary condition．With a not great reflectivity，these interfaces can generate excellent directional reflections in comparison with the rougher interfaces between sandstone beds and mudrock beds，and there is largely no diffuse reflection in the seismic energy refelcted by them，so that this seismic energy can be totally picked by the geophones，resulting in the strong seismic records comparable to those generated by the interfaces between sandstone beds and mudrock beds．Therefore，this phenomenon can described by introducing a mirror coefficient in the convolution formula．Identifying this type of seismic reflection caused by massive mudrocks in exploration is acturally helpful to avoiding the errors in reservoir prediction before drilling．

mirror reflection;seismic strong reflection;mirror coefficient;massive mudrock;reservoir prediction;convolution formula

沈章洪，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國海洋石油總公司勘探專家，1982年畢業(yè)于原華東石油學(xué)院地球物理勘探專業(yè)，從事過陸上和海上地震資料采集、地震資料現(xiàn)場處理、物探方法及軟件研發(fā)等專業(yè)工作，最近20年專注于儲(chǔ)層地球物理預(yù)測與描述研究。地址:天津市塘沽區(qū)609信箱(郵編:300452)。E-mail:shenzhh@cnooc．com．cn。

2012-07-17