吳其林, 侯志平, 劉存革, 陳國(guó)民, 于俊峰, 周小康, 曾 驛
(1.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院,茂名 525000; 2.廣東石油化工學(xué)院廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心,茂名 525000;3.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,深圳 518000)
地震沉積學(xué)是在沉積學(xué)、地震地層學(xué)、層序地層學(xué)、地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的邊緣交叉學(xué)科[1-9];簡(jiǎn)單來(lái)講,地震沉積學(xué)是應(yīng)用地震信息研究沉積巖及其形成過(guò)程的學(xué)科[10-17]。地震沉積學(xué)自1998年被提出后已經(jīng)近20年,期間在國(guó)內(nèi)外均取得較快發(fā)展,論文的數(shù)量和質(zhì)量均有明顯提高,三維地震切片[13-17]、地震相分析[18-28]、分頻反演[29-31]、多色渲染技術(shù)(RGB、RGBA)[32-34]、地震多屬性[35-37]、波阻抗反演體[38]、速度體[39]等積極推動(dòng)了地震沉積學(xué)的發(fā)展。
目前,地震沉積學(xué)論文中,主要集中在對(duì)碎屑巖地層的研究,而涉及碳酸鹽巖的研究較少。基于此,以已報(bào)道的碳酸鹽巖地震沉積學(xué)相關(guān)論文為研究基礎(chǔ),結(jié)合筆者近幾年的在碳酸鹽巖地震沉積學(xué)方面的探索,總結(jié)碳酸鹽巖地震沉積學(xué)特色和應(yīng)用思路。
據(jù)百度學(xué)術(shù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)地震沉積學(xué)研究論文從1989至今,共發(fā)表339篇,其中高影響因子的論文250篇,多集中在中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院等研究機(jī)構(gòu)或大學(xué),如圖1所示。學(xué)科已經(jīng)發(fā)展深入到地質(zhì)資源與地質(zhì)工程(地層切片、分頻解釋、地震屬性、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、沉積微相等)、地質(zhì)學(xué)、石油天然氣地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。學(xué)者中朱筱敏、陳洪德位居前兩位,林暢松、顧家裕、朱如凱、侯明才等其他學(xué)者也有較多研究成果,其中朱筱敏教授成果數(shù)達(dá)557,引用頻次達(dá)9 158;陳洪德教授成果數(shù)達(dá)432,引用頻次達(dá)9 867(據(jù)百度學(xué)術(shù)數(shù)據(jù))。
圖1 中國(guó)地震沉積學(xué)研究機(jī)構(gòu)高影響因子發(fā)文量統(tǒng)計(jì)
地震沉積學(xué)的應(yīng)用研究在碳酸鹽巖地區(qū)與碎屑巖地區(qū)有較大的不同。首先,碳酸鹽巖是內(nèi)源沉積,碎屑巖為外源沉積,這種物源類(lèi)型的差異決定了兩者的本質(zhì)差別。在測(cè)井參數(shù)上表現(xiàn)在以下方面:一是碎屑巖的自然伽馬(GR)曲線區(qū)分砂泥巖的固有模式不能直接套用到碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育區(qū),因?yàn)镚R區(qū)分碳酸鹽巖礁灘儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層并不明顯;二是碳酸鹽巖地層與碎屑巖地層層速度差異大,碳酸鹽巖地層速度高一般遠(yuǎn)大于相同深度的碎屑巖地層速度,據(jù)巖石物理分析和國(guó)內(nèi)外實(shí)際鉆探巖心測(cè)試表明,沉積巖中正常成巖的碎屑巖儲(chǔ)層速度為1 800~4 000 m/s,而碳酸鹽巖速度范圍在差一般在2 500~6 100 m/s,因此兩者的速度差異一般在900 m/s以上;三是碳酸鹽巖地層在高速低頻的條件下縱向1/4波長(zhǎng)的分辨率也會(huì)變得更低,提高儲(chǔ)層研究的質(zhì)量,更有必要開(kāi)展平面分析為特色的地震沉積學(xué)研究。
碳酸鹽巖地震沉積學(xué)也是以已有地質(zhì)沉積信息(如巖心資料、薄片鑒定、錄井柱狀圖、野外地質(zhì)剖面、確定的沉積相等信息)、測(cè)井信息(電阻率曲線、三孔隙度曲線、鉆時(shí)曲線、測(cè)井沉積相解釋等)、鉆井信息(鉆時(shí)曲線變化信息、井涌井漏信息等)和地震信息(不局限于外形、內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)、連續(xù)性地震相分析、基于波形的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)分析、基于沉積相種子點(diǎn)信息的多屬性融合沉積相識(shí)別、波阻抗反演等)為基礎(chǔ),以沉積學(xué)、層序地層學(xué)和地球物理學(xué)為指導(dǎo),充分利用三維地震資料的空間體屬性優(yōu)勢(shì),開(kāi)展碳酸鹽巖的沉積相、沉積體系、沉積演化研究的邊緣交叉學(xué)科。
以地質(zhì)信息為研究目標(biāo),不限于地球物理技術(shù)方法本身而開(kāi)展的有利于沉積環(huán)境和沉積相的描述都可以納如地震沉積研究的范疇。顯然,碳酸鹽巖地震沉積學(xué)繼承了地層地層學(xué)、層序地層學(xué)和地震沉積學(xué)的理論基礎(chǔ),但又有自身的特殊性,因此發(fā)展具有碳酸鹽巖地質(zhì)沉積研究的特色的方法顯得的尤為重要。如圖2所示,根據(jù)曾洪流等[1-7,10,13-14]、朱筱敏等[17]、吳其林等[38-39]、Catuneanu等[40]提出的學(xué)科發(fā)展歷史和學(xué)科關(guān)系,梳理了碳酸鹽巖地震沉積學(xué)的發(fā)展歷史。
圖2 碳酸鹽巖地震沉積學(xué)學(xué)科發(fā)展歷史[1-17, 38]
碳酸鹽巖地震沉積學(xué)也是發(fā)展中的學(xué)科,依賴于其他學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步?,F(xiàn)代碳酸鹽巖沉積學(xué)研究進(jìn)展較快,對(duì)大巴哈馬灘[41-42]、澳大利亞的大堡礁[43-44]、南海生物礁[45]等的研究都推進(jìn)碳酸鹽巖礁灘沉積相研究的進(jìn)展。其中,大巴哈馬灘是全球研究孤立臺(tái)地灘體沉積演化的重要參照物;澳大利亞的大堡礁是研究現(xiàn)代大規(guī)模珊瑚礁生長(zhǎng)、發(fā)育、演化和消亡重要案例地;南海西沙生物礁灘的研究為打開(kāi)南海生物礁灘油藏寶庫(kù)提供了一把鑰匙。這一系列現(xiàn)代生物礁灘的研究將為古代生物礁灘模式的描述提供更為精確到參考樣式,為正演模擬地下碳酸鹽巖礁灘儲(chǔ)層提供了重要依據(jù)。
目前,中國(guó)關(guān)于碳酸鹽巖地震沉積學(xué)的研究論文相對(duì)較少。吳其林等[38]開(kāi)展了珠江口盆地 H 區(qū)塊碳酸鹽巖儲(chǔ)層地震沉積學(xué)應(yīng)用研究,利用疊前彈性波阻抗體開(kāi)展地層切片識(shí)別生物礁、灘儲(chǔ)層,較早將地震沉積學(xué)引入到碳酸鹽巖地層中。
杜浩坤[46]開(kāi)展了川西孝泉-新場(chǎng)構(gòu)造中三疊統(tǒng)雷口坡組地震沉積學(xué)研究,采用非等厚時(shí)窗的地震沉積切片方法,成像效果顯著,且在基于去燥優(yōu)化地震剖面技術(shù)(EMD)后的波形聚類(lèi)方法基礎(chǔ)上開(kāi)展窄時(shí)窗切片也得到了優(yōu)質(zhì)成果。
地震沉積學(xué)應(yīng)用在碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)進(jìn)行沉積分析已取得較大進(jìn)展[23-24,38-39,44-51]。
Huang等[23]、黃悍東等[24]在研究四川盆地川東褶皺帶建南-龍駒壩地區(qū)碳酸鹽巖礁灘預(yù)測(cè)中運(yùn)用地震沉積學(xué)理論,分析生物礁灘相模式與地震響應(yīng)的關(guān)聯(lián)性,將地震相控非線性隨機(jī)反演引入地震沉積學(xué)識(shí)別全區(qū)生物礁,取得較大進(jìn)展。
姚清洲等[47]研究了塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖縫洞型油氣藏中長(zhǎng)寬均為20 m的正演模擬,結(jié)果表明該區(qū)域的縫洞型油氣藏既可以表現(xiàn)為典型的 “串珠狀”地震反射,也可以出現(xiàn)雜亂弱反射的地震特征,這種剖面特征在很大程度上限制了地震沉積學(xué)平面解釋?zhuān)矠樵搮^(qū)域開(kāi)展地震沉積學(xué)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為此,姚清洲等嘗試應(yīng)用地震趨勢(shì)異常識(shí)別開(kāi)展碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)。
楊平等[48]基于聲波方程數(shù)值模擬,探討了縫洞體的位置、形態(tài)、物性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多種因素對(duì)地震反射特征的影響,明確了縫洞體的反射振幅主要受其寬度、總孔隙度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素的綜合影響,認(rèn)為應(yīng)用現(xiàn)行技術(shù)很難將這些因素的影響區(qū)分開(kāi),直接研究縫洞體的容積是儲(chǔ)層定量描述的現(xiàn)實(shí)途徑。
吳其林等[38]在南海珠江口盆地H區(qū)塊中新世碳酸鹽巖沉積區(qū)開(kāi)展地震沉積學(xué)應(yīng)用研究,利用三維疊前彈性阻抗反演體進(jìn)行地層切片分析,在彈性阻抗切片平面圖上劃分了不同相帶其屬性特征值,并在研究區(qū)碳酸鹽巖臺(tái)地-斜坡-陸棚沉積體系中識(shí)別出臺(tái)地邊緣礁、臺(tái)內(nèi)礁、臺(tái)內(nèi)灘為有利儲(chǔ)集相帶(圖3),這克服了常規(guī)疊后剖面難以在高速、高密、低頻碳酸鹽巖沉積區(qū)儲(chǔ)層精細(xì)描述的困難,是國(guó)內(nèi)較早利用三維疊前地震彈性阻抗反演體開(kāi)展碳酸鹽巖地震沉積分析的文章,也為碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)利用疊前數(shù)據(jù)開(kāi)展地震沉積學(xué)研究提供了一種思路。
圖3 彈性阻抗切片與地層切片轉(zhuǎn)換的沉積相[38]
相1、相2、相3分別代表巖溶區(qū)域;相6、相7分別代表咸化瀉湖;相4、相5代表潮坪
杜浩坤[46]開(kāi)展了放在窄時(shí)窗情況(儲(chǔ)層尺度)下的地震相分析,采用波形聚類(lèi)、多屬性聚類(lèi)、分頻技術(shù)、EMD時(shí)頻分析。特別是提出的基于EMD波形聚類(lèi)方法,克服了單純波形聚類(lèi)在窄時(shí)窗內(nèi)易受噪音干擾的影響。圖4(a)為原始數(shù)據(jù)0~10 ms時(shí)窗的波形聚類(lèi)結(jié)果;圖4(b)為其10~20 ms時(shí)窗的波形聚類(lèi)結(jié)果;圖4(c)為EMD處理后的重構(gòu)數(shù)據(jù)0~10 ms時(shí)窗的波形聚類(lèi)結(jié)果,圖4(d)為10~20 ms時(shí)窗的EMD波形聚類(lèi)結(jié)果。整體而言,圖4(c)、圖4(d)結(jié)果明顯優(yōu)于圖4(a)、圖4(b),表現(xiàn)出基于EMD的波形聚類(lèi)方法對(duì)其進(jìn)行了小時(shí)窗的地震相分析成像優(yōu)勢(shì)。
姜華等[49]提出基于對(duì)哈拉哈塘地區(qū)某三維地震區(qū)的古河道進(jìn)行識(shí)別和刻畫(huà)。精細(xì)刻畫(huà)出志留系底界面與奧陶系吐木休克組底界面2個(gè)重要沉積間斷期發(fā)育的河道體系并總結(jié)其特征。研究結(jié)果表明,志留系底界面發(fā)育高曲度的穩(wěn)定曲流河,而吐木休克組底界面發(fā)育典型的曲流河。兩期河道發(fā)育期哈拉哈塘地區(qū)均處于相對(duì)平緩的地貌背景。通過(guò)古河道的識(shí)別可知,在吐木休克組沉積前該區(qū)域曾發(fā)生短暫暴露性沉積間斷而非傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的直接發(fā)育的淹沒(méi)臺(tái)地型水下沉積間斷,從而為吐木休克組底界面下發(fā)育的古巖溶儲(chǔ)層提供更合理的成因背景解釋。
熊冉等[50]利用地震沉積學(xué)理論利用譜反演處理后的地震資料90°相移后在塔里木盆地英買(mǎi)32區(qū)塊蓬萊壩組識(shí)別白云巖隔夾層,預(yù)測(cè)了該區(qū)隔夾層平面分布。譜反演處理能有效提高地震資料對(duì)薄層的識(shí)別能力,且90°相位化后的地震同相軸與隔夾層有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;野外地質(zhì)建模明確了隔夾層平面分布規(guī)律,且與鉆井資料有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,能有效指導(dǎo)地層切片對(duì)井下隔夾層空間的分布預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,隔夾層呈北西-北東向條帶狀分布于研究區(qū)的東北部,控制著研究區(qū)剩余油的分布。
曾洪流等[51]應(yīng)用地震沉積學(xué)對(duì)中國(guó)西部深層古老海相碳酸鹽巖進(jìn)行分析,將巖心、測(cè)井和三維地震資料的綜合解釋納入地震沉積學(xué)研究流程,定性恢復(fù)碳酸鹽巖沉積古地貌,定量預(yù)測(cè)白云巖儲(chǔ)集層厚度(圖5)。
圖5 分頻振幅主因子分析定量計(jì)算龍王廟組儲(chǔ)集層厚度[51]
筆者及同事在國(guó)家“十二五”期間開(kāi)展南海珠江口盆地中新統(tǒng)碳酸鹽巖地震沉積研究時(shí)就注意到碳酸鹽巖地層速度的特殊性,并進(jìn)行了碳酸鹽巖頂?shù)椎貙蛹s束下的速度加密拾取和基于網(wǎng)格層析的速度迭代進(jìn)行碳酸鹽巖三維體的速度精細(xì)刻畫(huà)和地層切片研究,并刻畫(huà)出研究區(qū)有利的儲(chǔ)層發(fā)育區(qū),展現(xiàn)此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[39]。
圖6為利用碳酸鹽巖地層頂?shù)椎貙咏缑婕右约s束提取層速度切片,西部低于4 200 m/s深藍(lán)色至藍(lán)色低速層為碳酸鹽巖和碎屑巖陸棚混積層,不屬于碳酸鹽巖臺(tái)地;而東部大于4 400 m/s的綠色-黃色-橙色部分為碳酸鹽巖臺(tái)地(以北部HZ28-4A井北西-南東紅色虛線為界)。在碳酸鹽巖臺(tái)地上,大于4 800 m/s的高速層碳酸鹽巖泥微晶灰?guī)r致密層集中在東北部、中部與南部的局部,約占整體圖像的1/3;而在3 800~4 200 m/s以層速度圖中部HZ33-3A井和南部的HZ34-1A井可見(jiàn)綠色圈閉的低速區(qū)為有利油氣勘探目標(biāo)。
在外國(guó),關(guān)于碳酸鹽巖地震沉積學(xué)的研究主要集中在碳酸鹽巖地震地貌學(xué),Handford等[52]、David等[53]、Bachtel等[54]、Posamentier[55]、Zeng等[56]、Saqab等[57]、Rankey[58]、Basso等[59]和Tesch等[60]發(fā)表了較多相關(guān)文章。
西部低于4 200 m/s深藍(lán)色至藍(lán)色低速層為碳酸鹽巖和碎屑巖陸棚混積層;東部大于4 400 m/s的綠色-黃色-橙色部分為碳酸鹽巖臺(tái)地(以北部HZ28-4A井北西-南東紅色虛線為界)
圖7 印尼漸新世-中新世Kujung 1孤立碳酸鹽巖臺(tái)地地震地貌圖[55]
其中,Posamentier[55]采用三維地震成像為手段分析了離散分布的塊礁群合并生長(zhǎng)成為碳酸鹽巖臺(tái)地演化的過(guò)程,在地震切片圖中分析了直徑為 60~120 m 小型塊礁合并成為1~6.5 km直徑為孤立臺(tái)地的演化特征,并立體展示了被晚期Tuban泥巖包圍和覆蓋的Kujung 1號(hào)碳酸鹽巖臺(tái)地(約4 km寬)地震地貌特征(圖7);在縱向上連續(xù)提取地震振幅切片,由臺(tái)地底部向上以28、44、60 ms的間距提取的切片進(jìn)行分析,結(jié)果表明早期的小塊塊礁分散分布-中期逐漸合并為中等規(guī)模塊礁-后期的大規(guī)模合并成碳酸鹽巖臺(tái)地,在頂部切片上可見(jiàn)臺(tái)地頂部礁間潮汐水道。
Zeng等[56]探討了以三維地震資料為基礎(chǔ)的奧陶系頂部不整合面的地震地質(zhì)成像,立體刻畫(huà)了碳酸鹽巖古巖溶區(qū)的喀斯特峰叢、落水洞和地表河位置,并在剖面上圈定了具有垮塌特征的溶洞位置(圖8)。該研究結(jié)合了測(cè)井資料、錄井(巖心)資料、單井沉積相解釋、地震剖面解釋?zhuān)罱K在平面進(jìn)行了綜合解釋。塔里木盆地奧陶系的喀斯特地貌特征可同桂林的喀斯特現(xiàn)象可類(lèi)比,體現(xiàn)了地震地貌學(xué)在研究區(qū)工作的可行性。
圖8 塔里木盆地奧陶系頂巖溶古地貌[56]
Saqab等[57]利用三維地震屬性進(jìn)行了孤立碳酸鹽巖建造體的研究,特別是在表現(xiàn)中新世早期3種光譜分解成分(20、40和60 Hz)的顏色混合成像,將孤立的碳酸鹽巖臺(tái)地建造進(jìn)行了精細(xì)刻畫(huà)。如圖9所示,澳大利亞西北大陸架和現(xiàn)今大堡礁(GBR)的早-中新世古沉積相相似,說(shuō)明地震沉積沉積切片和現(xiàn)代生物礁發(fā)育可進(jìn)行類(lèi)比分析,提升了古碳酸鹽巖生物礁體的可解釋性以及有利儲(chǔ)層分布的確定性。
圖9 澳大利亞西北大陸架早-中新世古沉積生物礁體與現(xiàn)今大堡礁對(duì)比[60]
Tesch等[60]利用地震地貌學(xué)對(duì)澳大利亞西北大陸架地下Browse盆地漸新世至中新世開(kāi)展的碳酸鹽巖斜坡進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出一種基于碳酸鹽巖斜坡-河道系統(tǒng)參數(shù)化及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)新方法,揭示了該系統(tǒng)的基本性質(zhì)沉積物輸送受他源和自源控制的影響,描述了如何重建三維地震資料的構(gòu)造和相對(duì)海平面,并量化了相對(duì)海平面變化對(duì)年進(jìn)積作用的影響系統(tǒng)。
碳酸鹽巖地震沉積學(xué)是一門(mén)綜合的邊緣交叉學(xué)科,其發(fā)展必然受相關(guān)學(xué)科發(fā)展的帶動(dòng),展望其發(fā)展方向具體如下。
(1)現(xiàn)代碳酸鹽巖沉積學(xué)的快速發(fā)展,相類(lèi)型、相模式更加貼合實(shí)際生產(chǎn)的古地層碳酸鹽巖沉積相分布規(guī)律;“將今論古”的碳酸鹽巖沉積發(fā)育類(lèi)比分析是重要的發(fā)展方向。通過(guò)類(lèi)似沉積地區(qū)的沉積相及沉積模式的關(guān)聯(lián)性對(duì)比,有利于預(yù)測(cè)古碳酸鹽巖沉積區(qū)有利儲(chǔ)層發(fā)育的位置和展布,也反向推動(dòng)了碳酸鹽巖現(xiàn)代沉積科學(xué)研究的進(jìn)程。
(2)地球物理學(xué)科的發(fā)展必然推動(dòng)的學(xué)科的發(fā)展,地球物理學(xué)科目前在地震采集、處理和解釋的工具、方法、軟件更新都較為快速,特別是涉及到有利于識(shí)別地震相的技術(shù)得到快速發(fā)展,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波形分析已經(jīng)發(fā)展的第5代,速度研究已經(jīng)由常規(guī)的疊加速度轉(zhuǎn)層速度發(fā)展到全波形速度反演,勢(shì)必提高碳酸鹽巖地層速度識(shí)別精度,進(jìn)而提供了更多識(shí)別碳酸鹽巖沉積相的可能。寬頻處理技術(shù)很大程度上增強(qiáng)了碳酸鹽巖橫向變化識(shí)別的可能性以及平面邊界識(shí)別的可能性。
(3)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,使得碳酸鹽巖生物礁灘的分布及堆砌模式得以恢復(fù),有利于恢復(fù)古地層碳酸鹽巖生物礁灘的堆砌模式。