姜傳金，戴世立，張廣穎，陳鴻安，李本彬，王海嬌

中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，大慶 163712

0 引言

從20世紀80年代中后期以來，基巖油氣藏勘探曾一度陷入低潮。1998年大港探區(qū)發(fā)現(xiàn)千米橋基巖凝析氣藏，再次引起人們對基巖油氣藏勘探的關注[1]。進入21世紀，隨著科學技術的進步，各種新理論、新技術、新方法的提出和應用，使基巖油氣藏的研究提高到了一個新的水平。基巖油氣藏的勘探已由尋找大型的、明顯的、簡單的潛山轉(zhuǎn)移到尋找更隱蔽的、復雜的潛山；勘探目標向深部潛山、基巖內(nèi)幕轉(zhuǎn)變。2005年和2008年，分別在遼河坳陷西部凹陷興隆臺太古宇和霸縣凹陷文安斜坡寒武系基巖內(nèi)幕獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流。2010年，在大民屯凹陷負向構造的基巖塊體中獲得工業(yè)油流。這些新領域的突破也標志著基巖勘探進入了新的勘探階段[2-6]。

中央隆起帶位于松遼盆地北部，位于徐家圍子斷陷和古龍斷陷之間，南北高中部低，南部寬緩、北部狹窄，發(fā)育有永樂、肇州西、昌德、衛(wèi)星、升平及汪家屯等6個三級構造凸起構造單元，基底界面(T5)埋深2700～3500 m。自上世紀70年代開始，中央古隆起帶基巖勘探經(jīng)歷“探索發(fā)現(xiàn)階段、兼探階段、風險勘探突破階段”三個階段。2016年以來，針對基底風化殼勘探見到較好效果，證實中央古隆起帶具有天然氣資源和勘探潛力。但由于儲集層為火成巖，儲層復雜，勘探程度低，對儲層地震響應特征的研究相對較少。開展中央古隆起帶火成巖儲層的地震響應特征的探索，摸索孔隙-裂縫型地質(zhì)模型建立及正演模擬分析[7]，研究儲層的地震響應規(guī)律，對實際儲層預測具有一定的指導作用。

中央古隆起帶基底巖性為花崗巖和變質(zhì)巖，基底頂面為T5反射層。基底地層從上往下可以分為風化淋濾層、裂縫層、基巖內(nèi)幕?；椎貙右蝻L化淋濾程度不同，在縱向上具有一定的成層性。因此，本文針對中央古隆起帶基底花崗巖和變質(zhì)巖地層，利用巖石物理、測井、地震解釋等成果，建立風化殼三層層狀地層模型，利用黏彈性波動方程模擬不同含氣飽和度地層的AVO響應和地震波場，分析其時頻特征，與實際地震資料的AVO響應和時頻譜進行比較，明確風化殼儲層的AVO響應及時頻譜的特征，以揭示風化殼儲層的地震響應規(guī)律，為儲層識別提供線索。

1 AVO特征模擬和分析

AVO(振幅與偏移距)技術始于上個世紀的80年代[8]。由于AVO響應與界面兩側地層的彈性參數(shù)、流體性質(zhì)等因素有關，利用AVO響應，可以識別真假“亮點”，定量地獲得地層的縱橫波速度、密度等參數(shù)，進一步可以預測流體[9]，因此AVO技術在當今的地震資料解釋中起著十分重要的作用。

對于彈性介質(zhì)而言，可以利用Zoeppritz方程或者其近似方程獲得AVO響應[8]，對于黏彈性介質(zhì)，可以利用類似的方法[10]獲得。AVO相應曲線也可以通過波動方程正演模擬的方法得到。通過波動方程模擬的方法獲得AVO曲線的過程是：設置由兩層均勻介質(zhì)構成并具有水平分界面的模型；設定兩層介質(zhì)的速度、密度等參數(shù)；用網(wǎng)格對模擬介質(zhì)進行剖分；用有限差分等方法模擬不同入射角平面波入射波場，根據(jù)入射角分別設置入射波和反射波接收點，接收模擬的入射波和反射波場；通過縱橫波分離，獲得接收點處的縱波波形；計算兩個接收點處入射波和反射波的能量，并求反射波與入射波的能量比值(即反射系數(shù)的大小)，根據(jù)入射和反射信號的極性，確定反射系數(shù)的符號，最終求得該入射角的反射系數(shù)?？紤]到地層含氣后導致地層的吸收衰減效應，故本文的AVO曲線是利用分數(shù)階黏滯波動方程[10]進行空間偽譜法、時間差分法模擬得到的。選用分數(shù)階黏滯波動方程的原因在于，它能較好地刻畫地震頻段常Q模型，即Q與頻率無關[11]。

利用波動方程模擬的方法得到AVO曲線的優(yōu)勢是比較簡單，不需要推導復雜的包含實部和虛部的Zoeppritz方程，比較適用于復雜的黏彈性介質(zhì)的AVO響應的獲取。

根據(jù)工區(qū)的地震剖面和層位解釋結果，結合測井速度和速度譜資料以及巖石物理測試和建模結果，可以將時間域解釋層位轉(zhuǎn)化為深度域?qū)游?，從而建立深度域地質(zhì)模型。由于T5界面之下為裂縫型介質(zhì)，裂縫中可能充填不同比例的流體，因此，將裂縫中流體設為100%水飽和、50%水飽和以及0%水飽和三種情形，0%水飽和意味著100%氣飽和。

根據(jù)測井資料和巖心觀察，裂縫的發(fā)育程度低，因此，本文用各向同性介質(zhì)表示蓋層、風化淋濾層、裂縫層和內(nèi)幕層。根據(jù)巖石物理建模結果，獲得表1～3所示的不同含水飽和度的縱橫波速度和密度值。因篇幅的限制，僅列出LX3井含水飽和度為100%、50%和0%時的縱橫波速度、密度和縱橫波品質(zhì)因子。從表1～3可見，對于三種飽和度情況，密度保持不變，這是因為背景介質(zhì)的孔隙度非常低。橫波速度值有所變化，與通常認為充填流體不會導致橫波速度的變化有所差異。這是因為常規(guī)的Gassmann理論不考慮孔隙結構的復雜性，所以預測不同流體飽和橫波模量不變，速度基本不變。但因為不同尺度裂縫的存在造成橫波模量也會隨著含氣飽和而降低，所以飽和氣儲層橫波速度也會有所降低。Q值主要和含氣飽和度相關，完全飽水或者完全飽氣Q值都偏高，而當水氣混合時，由于流體流動會導致較強衰減，因而Q值變小。

表1 LX3井含水飽和度為100%時的縱橫波速度、密度和縱橫波品質(zhì)因子Table 1 Velocities of P-wave and S-wave、density and P-wave and S-wave quality factors of LX3 well when water saturation is 100%

表2 LX3井含水飽和度為50%時的縱橫波速度、密度和縱橫波品質(zhì)因子Table 2 Velocities of P-wave and S-wave、density and P-wave and S-wave quality factors of LX3 well when water saturation is 50%

圖1至圖3分別為LT1、LT2和LX3井處蓋層-風化淋濾層、風化淋濾層-裂縫層、裂縫層-內(nèi)幕界面3種飽和度AVO曲線，不同顏色表示不同含水飽和度，藍色表示0%含水，紅線表示50%含水，黃線表示100%含水，縱橫波速度比來自于測井資料(蓋層和基底的縱橫波分別為2.00和1.80)。從圖1可見，蓋層-風化淋濾層界面3種飽和度AVO曲線的振幅相對較大，這與蓋層和風化淋濾層的阻抗差較大有關。反射振幅與偏移距成負相關關系。當風化淋濾層含水飽和度為100%時，振幅最大，含氣時，振幅有所減小，但不同含氣飽和度間振幅差異較小。含氣時振幅較100%飽水時小，在某種程度上可以作為含氣性的一個指標。風化淋濾層-裂縫層界面3種飽和度AVO曲線(圖2)的振幅值都偏小，這是由風化淋濾層和裂縫層的波阻抗差異小而導致的。對于LT1井，含水飽和度為100%是振幅最小，含氣時振幅有所增大。對于LT2井，100%含氣時振幅最大，含氣時振幅有所減小。對于LX3井，3種飽和度的AVO曲線幾乎重合。裂縫層-內(nèi)幕界面三種飽和度AVO曲線(圖3)100%飽水和含氣時有差異，但振幅值都很小，區(qū)分度低。

圖1 (a)LT1井、(b)LT2井和(c)LX3井處蓋層-風化淋濾層界面三種飽和度AVO曲線，不同顏色表示不同含水飽和度，藍線-0%含水，紅線-50%含水，黃線-100%含水，縱橫波速度比來自于測井資料Fig. 1 AVO curves of three saturation in caprocks- weathering leaching layer interface of (a) LT1 well, (b) LT2 well and (c)LX3 well, different colours express different water saturation,blue line- water saturation is 0%, red line- water saturation is 50%, yellow line- water saturation is 100%,the speed ratio of P-wave and S-wave comes from logging

圖2 (a)LT1井、(b)LT2井和(c)LX3井處風化淋濾層-裂縫層界面三種飽和度AVO曲線，不同顏色表示不同含水飽和度，藍線-0%含水，紅線-50%含水，黃線-100%含水，縱橫波速度比來自于測井資料Fig. 2 AVO curves of three saturation in the weathering leaching layer - fracture layer interface of (a) LT1 well, (b) LT2 well and (c)LX3 well, different colours express different water saturation,blue line- water saturation is 0%, red line- water saturation is 50%, yellow line- water saturation is 100%,the speed ratio of P-wave and S-wave comes from logging

圖3 (a)LT1井、(b)LT2井和(c)LX3井處裂縫層-內(nèi)幕界面三種飽和度AVO曲線，不同顏色表示不同含水飽和度，藍線-0%含水，紅線-50%含水，黃線-100%含水，縱橫波速度比來自于測井資料Fig. 3 AVO curves of three saturation in the fracture layer – inner layer interface of (a) LT1 well, (b) LT2 well and (c)LX3 well, different colours express different water saturation,blue line- water saturation is 0%, red line- water saturation is 50%, yellow line- water saturation is 100%,the speed ratio of P-wave and S-wave comes from logging

模擬的AVO曲線是否合理，需要用實際資料進行驗證。圖4是LX3井處的共反射點(CRP)道集，T5反射拉平，說明偏移成像的速度模型比較準確。圖中還標示了根據(jù)解釋結果得到的蓋層底界面、風化淋濾層-裂縫層界面和裂縫層-內(nèi)幕界面的位置，用水平實線表示。從實際CRP道集得到的AVO曲線為圖5，在圖中標示了蓋層底界面、風化淋濾層-裂縫層界面和裂縫層-內(nèi)幕界面3條AVO曲線，用黑色虛線對振幅的變化趨勢進行了擬合。比較圖1c～3c和圖5中的3條AVO曲線可知，模擬的基底反射的AVO曲線的變化規(guī)律與圖5中對應的AVO曲線的變化規(guī)律一致，說明模擬獲得的AVO曲線代表了實際AVO曲線的特征，但對于其它兩個界面的AVO曲線，由于反射振幅很小，受噪聲、分辨率等因素的影響，模擬的風化淋濾層-裂縫層界面AVO曲線與實際AVO曲線有所差異。相對T5反射而言，風化淋濾層-裂縫層界面和裂縫層-內(nèi)幕界面都屬于弱反射界面，形成的反射能量很弱，如果信噪比低，在剖面上可能難以連續(xù)追蹤。

圖4 LX3井處的目的層段的CRP道集Fig. 4 CRP gathers of objective interval of LX3 well

圖5 LX3井處從實際CRP道集拾取的蓋層底界面(紅線)、風化淋濾層-裂縫層界面(藍線)和裂縫層-內(nèi)幕界面(淺藍色虛線)反射波振幅隨偏移距的變化，以及從實際振幅曲線擬合的振幅曲線(黑色虛線)Fig. 5 Variation with offset of reflected wave amplitude in caprocks bottom boundary (red line), the weathering leaching layerfracture layer interface (blue line) and the fracture layer-inner layer interface (light blue dashed line) from real CRP gathers of LX3 well

2 地震記錄的時頻分析

地震波的頻譜是一種地震波動力學的屬性。地震波頻譜特性的研究有助于識別巖性，預測地層的含油氣特性。由于地震波頻譜信息包含地下流體、巖性、地質(zhì)結構等特性，如果發(fā)現(xiàn)它們關聯(lián)特性，在一定的條件下，地震信號的頻譜分析可用來預測地層巖性和含油氣性。

采用時頻分析方法(例如短時傅立葉變換或S變換等)[12]，能達到同時在時間域和頻率域?qū)π盘栠M行分析的目的，得到信號在不同時刻的頻譜特性。

圖6是根據(jù)測井分層和地震解釋結果構建的過LT1、LT2和LX3井的地質(zhì)模型，過LX3井的地質(zhì)模型的參數(shù)參見表1～表3。利用分數(shù)階黏滯波動方程[13]進行空間偽譜法、時間差分法模擬得到地震波場，震源子波是雷克子波，主頻為30 Hz。在進行時頻分析時，采用的地震數(shù)據(jù)是井的位置處的深度偏移疊加記錄(如圖7所示，其為LX3井的偏移疊加剖面)經(jīng)深時轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。圖8是LT1、LT2和LX3井處不同含水飽和度(100%、50%、0%)層狀地質(zhì)模型的合成地震記錄及其時頻譜，圖9是3個井處實際地震資料的時頻譜。由于受地震資料分辨率的限制，無法單獨分析蓋層底界面、風化淋濾層-裂縫層界面和裂縫層-內(nèi)幕界面反射波的時頻特性，因此，將3個界面的混疊記錄作為整體加以分析。為了便于對比，將LX3井實際地震數(shù)據(jù)的時頻譜與含水率100%和含氣率100%的合成地震記錄的時頻譜示于圖10，可見，在目的層段實際時頻譜與合成地震記錄的時頻譜相似度高。為了便于與不同含水飽和度的模擬結果的時頻譜進行對比，將其畫在同一個圖中，如圖11所示。比較圖11中的合成記錄的時頻譜知，當?shù)貙雍瑲?00%時，T5強時頻譜之下出現(xiàn)的弱時頻譜相比含水飽和度100%的要強，3個井(圖8)都有此表現(xiàn)，但強弱不同，LT2井和LX3井的異常更明顯一些，LX3井的異常最顯著。

表3 LX3井含水飽和度為0%時的縱橫波速度、密度和縱橫波品質(zhì)因子Table 3 Velocities of P-wave and S-wave、density and P-wave and S-wave quality factors of LX3 well when water saturation is 0%

圖6 (a)LT1、(b)LT2和(c)LX3井層狀地層模型(地層100%含水的情況)Fig. 6 Laminar formation model of (a) LT1 well (b) LT2 well (c)LX3 well, when water saturation of formation is 100%

圖7 過LX3井偏移疊加剖面Fig. 7 Section of migration stack along LX3 well

圖8 (a)LT1、(b)LT2和(c)LX3井處不同含水飽和度層狀模型合成地震記錄及其對數(shù)時頻譜，強振幅為T5Fig. 8 Synthetic record and its logarithmic time-frequency spectrum of laminated model of (a) LT1 well, (b) LT2 well and (c)LX3 well with different water saturation, strong amplitude represents T5

圖9 (a) LT1、(b)LT2和(c)LX3井的對數(shù)時頻譜，LT1井約1.85 s、LT2井約1.8 s、LX3井約2.13s處為T5Fig. 9 Logarithmic time-frequency spectrum of (a) LT1 wel, (b) LT2 well and (c)LX3 well, T5 respectively appears on 1.85 s in LT1 well, 1.8 s in LT2 well and 2.13 s in LX3 well

圖10 LX3井實際地震數(shù)據(jù)的時頻譜與合成記錄的對數(shù)時頻譜對比Fig. 10 Comparison with time-frequency spectrum of seismic data and logarithmic time-frequency spectrum of synthetic record of LX3 well

圖11 LX3井含水飽和度100%、50%和0%的模擬地震數(shù)據(jù)的20 Hz時頻譜Fig. 11 Time-frequency spectrum of simulate seismic data at 20 Hz of LX3 well when water saturation respectively becomes 100%, 50% and 0%

3 結論

中央古隆起帶基底蓋層-風化淋濾層界面、風化淋濾層-裂縫層界面、裂縫層-內(nèi)幕界面的AVO曲線都基本表現(xiàn)為反射振幅與偏移距成負相關關系?；咨w層-風化淋濾層界面形成強反射，但風化淋濾層-裂縫層界面、裂縫層-內(nèi)幕界面的反射弱。對于三個井的蓋層-風化淋濾層界面，含水飽和度為100%時，反射振幅是最大的，當含水飽和度變?yōu)?0%和0%時，振幅明顯下降，說明當風化淋濾層中含氣時，振幅會發(fā)生相對明顯的下降，這在某種程度上可以作為含氣性的一個指標。

通過建立的地質(zhì)模型進行正演模擬得到的地震記錄的時頻分析知，當?shù)貙?00%含氣時，T5強時頻譜之下出現(xiàn)的弱時頻譜相比100%含水的要強，但各井的強弱不同，LT2井和LX3井的異常更明顯一些，LX3井的異常最顯著。這個特征可以作為地層含氣性的可能的判別依據(jù)之一。

總之，基底火成巖由于風化程度的不同，裂縫發(fā)育程度也不同，不同發(fā)育程度的裂縫層可以形成弱反射，裂縫含氣時的反射波的AVO特征、時頻特征與水飽和時的特征有較明顯的差異，能夠反映裂縫中流體的性質(zhì)。