四川盆地火成巖發育區地震波傳播規律及成像方法

陳 康, 冉 崎， 韓 嵩， 龍 隆， 何青林， 陳 驍， 彭 達

(中石油 西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都 610041)

0 引言

火成巖巖性和地層結構復雜、非均質性強，火成巖下伏地層地震反射同相軸連續性差、能量弱，導致火成巖區目的層構造及儲層識別困難[1]。近年來，火成巖逐步成為勘探的熱點，國內松遼盆地、準噶爾盆地、濟陽洼陷、黃驊坳陷、克拉美麗氣田、黃驊坳陷等地區都針對火成巖勘探開展了工作[2-8]。四川盆地火成巖主要發育在川西地區，多口井均證實區內龍潭組內部火成巖發育，其中南充2井龍潭組鉆遇幾套高速凝灰巖地層，地層速度比圍巖高2 500 m/s ～3 000 m/s。龍潭組泥頁巖與茅口組灰巖測井速度差異較大，地震資料表現為雜亂弱反射特征，井震吻合度低(圖1)。

研究地震波在火成巖發育區的傳播規律，是分析區內地震反射特征的基礎。褶積模型模擬由于未考慮地層的反射透射能量衰減作用，無法模擬實際地震波在地下介質的傳播過程，難以深入解釋火成巖對下伏地層的屏蔽機理和不同火成巖分布特征的屏蔽作用。作者從地震波反射透射基本原理出發，闡述了火成巖地層的反射透射能量及對下伏地層的屏蔽機理，利用波動方程地震模擬及偏移方法分析了不同火成巖分布模型對下伏地層地震信號的屏蔽作用，提出了巖下地震成像改善方法。研究結果較好地解釋了四川盆地川西及龍潭組底界的弱反射現象，為盆地內火成巖及下部茅口組儲層勘探提供了借鑒。

圖1 四川盆地上二疊統底界弱反射特征剖面Fig.1 Weak reflection profile of upper permian bottom boundary in sichuan basin

圖2 火成巖高速層屏蔽機理Fig.2 High speed layer shielding mechanism of igneous rocks

1 火成巖屏蔽機理分析

1.1 單井界面上反射與透射系數

地震波在層狀介質中傳播會引起以下幾類波：反射縱波(Rp波)、反射橫波(Psv波)、透射縱波(Tp波)、透射橫波(Tsv波)。利用基于反射率法的層狀介質地震模擬方法[9]，考慮了地震波傳播過程中的衰減作用，可以求取各層界面的反射透射系數，獲取地震道集，道集包括了界面一次反射波和層間多次反射波信息，波場信息豐富。

南充2井火成巖發育段地質模型如圖2所示，P波入射會產生Rp波、反射Psv波、透射P波和透射Tsv波，入射波能量被分配到四種波上。地層界面反射、透射系數與界面上下層介質的縱橫波速度、密度有關，當界面上下地層的波阻抗差異越大，界面反射系數越大、透射系數越小。

當低速地層中存在多套高速地層時，地震波由高速地層傳播到低速地層過程中產生強反射后透射能量變弱，依據能量守恒定律，經過多次強反射后，地震波能量衰減較快[10]。以南充2井為例，龍潭組內部火成巖地層與龍潭組泥頁巖地層波阻抗差異大，地震波傳播至火成巖高速層中Rp4能量強、Tp5能量變弱，火成巖下伏地層Rp5能量變弱，當多套高低速互層時會形成頻率較高的多次波干擾。

圖3 主頻35 Hz、15 Hz單井反射率法縱波地震道集Fig.3 Primary frequency 35 Hz, 15 Hzsingle-well reflectivity method p-wave seismic trace set(a)35 Hz；(b)15 Hz

圖4 主頻35 Hz、15 Hz單井反射率法橫波地震道集Fig.4 Shear wave seismic trace set of single-well reflectivity method with 35 Hz main frequency and 15 Hz single well reflectivity method(a)35 Hz；(b)15 Hz

1.2 火成巖屏蔽效應分析

利用反射率地震模擬方法對圖2地質模型開展地震道集模擬，時間采樣率為2 ms?？v波模擬道集結果如圖3所示，當主頻為35 Hz時，地震波在經過多次反射透射后，龍潭組底界振幅能量較弱，在龍潭組內部及茅口組內部均出現了多次反射波，隨著入射角(偏移距) 增大 龍潭組底界波峰能量逐漸減弱；當主頻為15 Hz時，龍潭組底界振幅能量相比35 Hz主頻模擬結果明顯增強，多次波能量得到壓制。

橫波模擬道集結果如圖4所示，當主頻為35 Hz時，橫波多次反射透射后到達龍潭組底界振幅能量仍較強，龍潭組頂界出現多次波，隨著入射角(偏移距)增大龍潭組底界波峰能量逐漸增強；當主頻為15 Hz時，龍潭組底界振幅能量相比35 Hz主頻模擬結果略有增強，龍潭組頂界多次波壓制明顯。

模擬結果分析可得出：①多套高速火層巖地層會導致下伏地層反射縱波能量衰減嚴重，多次波發育，大偏移距信息變弱；②多套高速火層巖下伏地層反射橫波能量衰減程度較小，大偏移距能量較強；③低頻地震波穿透薄互地層能力強，多套高速火層巖下伏地層地震波能量衰減較弱，多次波不發育。

2 火成巖地震波場模擬及特征識別

2.1 火成巖地震縱波正演模擬

為了深入分析不同火成巖分布厚度和組合方式的下伏地層地震響應特征，設計了如圖5所示的三個模型，包括兩套薄火成巖(單套厚度20 m)、單套厚火成巖(厚度60 m)、單套薄火成巖(厚度20 m)。模型大小均為201道×500 m，道間距20 m，采用主頻為35 Hz的雷克子波激發，開展彈性波動方程地震正演模擬[11-12]，共40炮激發，接收道101道，時間采樣率為2 ms。圖6為圖5三種模型對應的第20炮和21炮的炮記錄，可見不同分布的火成巖發育區龍潭組底界反射能量存在差異，其中兩套薄火層巖發育區炮記錄中的龍潭組底界反射能量最弱、屏蔽作用最強、下部多次波最發育。

圖5 不同火成巖規模模型Fig.5 Different igneous rock scale models(a)兩套薄火層巖;(b)單套厚火成巖;(c)單套薄火成巖

圖6 不同模型的炮記錄Fig.6 Gun records for different models(a)兩套薄火層巖;(b)單套厚火成巖;(c)單套薄火成巖

圖7 不同模型的疊前時間偏移成像結果Fig.7 Pre-stack time migration imaging results of different models(a)兩套薄火層巖;(b)單套厚火成巖;(c)單套薄火成巖

2.2 火成巖地震成像及反射特征識別

對上述模擬結果進行克?；舴虔B前時間偏移成像[13]，結果如圖7所示，發育兩套薄火成巖時，巖下地層畫弧現象嚴重，整體表現為類似生物礁形態明顯的隆起特征，內部反射為弱雜亂反射，同相軸錯斷，多次波發育；發育單套厚火成巖時，龍潭組底界也存在畫弧現象，但反射同相軸稍連續，下部仍存在多次波干擾；發育單套薄火成巖時，龍潭組底界無明顯畫弧現象，同相軸較連續，反射能量較強，多次波不太發育。

圖8 疊加偏移剖面低頻補償前后結果Fig.8 Results before and after low-frequency compensation of migration profile superposition(a)低頻補償前; (b)低頻補償后

圖9 大川中火成巖區低頻補償前后剖面Fig.9 Before and after low-frequency compensation profiles of the central sichuan igneous area(a)低頻補償前; (b)低頻補償后

3 成像改善方法

3.1 低頻保護處理

有文獻提到采用低頻信號補償應用于火成巖發育區深層成像效果較好[14]，筆者針對火成巖屏蔽作用產生的地震同相軸能量和相位的變化，采用對疊加偏移剖面低頻補償的方式改善成像效果。圖9(b)為圖8(a)剖面低頻補償結果，低頻補償后龍潭組底界面同相軸連續性變好，多次波能量得到明顯壓制，茅口組內部儲層特征清晰。分析其原因：低頻的數據橫向采樣均勻，但是在補償前能量較弱，因此能量強但不均勻的中高頻數據表現出了畫弧現象，通過提高低頻能量后中高頻的能量減弱，成像效果得到了改善。將該方法運用到南充2井火成巖發育區(圖9)，實際資料補償后龍潭組底界同相軸連續性變好，地震可識別性更強。

3.2 偏移算法

火成巖對巖下成像屏蔽作用與鹽丘、膏巖屏蔽類似，均是由于地震波傳播中能量的衰減導致巖下波場信息不豐富造成的，因此采用波動方程偏移成像(散射波動方程、逆時偏移[15]、全波形反演成像對成像)結果會有所改善。如圖10所示，在理論模型中，采用逆時偏移相比采用克?；舴虔B前深度偏移對火成巖下成像效果更好，龍潭組底界面同相軸振幅相位連續，茅口組內部儲層特征清晰。

圖10 不同偏移算法的偏移成像結果Fig.10 Migration imaging results of different migration algorithms(a) 克?；舴虔B前深度偏移；(b)逆時偏移

圖11 實際數據不同偏移算法的偏移成像結果Fig.11 Migration imaging results of different migration algorithms for actual data(a) 克?；舴虔B前深度偏移；(b)逆時偏移

4 結論

針對四川盆地火成巖發育區存在的地震成像屏蔽機理不清、巖下地震反射井震標定能量相位差異大等問題，開展地震波傳播規律研究及巖下地震成像改善方法研究，可得到以下結論和認識：

1)多套高速火層巖地層會導致下伏地層反射縱波能量衰減嚴重，屏蔽效應明顯，火成巖非均質體的層數、火成巖與下伏地層的相對位置關系是影響屏蔽程度的重要因素。多套火層巖發育時，發育區地震表現為類似生物礁的外形隆起、內部雜亂反射特征，下部多次反射較多且能量較強。

2)大偏移距勘探不利于火成巖發育區下伏地層縱波信息接收，但是有利于橫波的接收。針對火成巖分布較廣區，應采用小偏移距進行激發接收；針對小規?；鸪蓭r分布區，增大偏移距可以使反射波避開火成巖，提高火成巖下伏地層地震能量。

3)低頻信號越過不均質體的能力較強，在資料處理過程中要充分保護低頻信息、加強優勢頻帶處理，同時充分利用豐富波場信息進行偏移成像，有利于改善巖下地震成像質量。

通過對實際數據進行疊前深度偏移(圖11)同樣證實，在采用同樣深度域偏移速度場以及偏移孔徑等參數時，逆時偏移較克?；舴虔B前深度偏移針對火成巖下成像有較為明顯地改善。