低序級不整合圈閉描述關鍵技術
——以東營凹陷南部斜坡帶為例

劉書會 才巨宏 管曉燕 陳 濤

(①中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015； ②中國石化勝利油田石油開發(fā)中心，山東東營 257012)

1 概況

地質(zhì)歷史演化過程中的構造運動、風化剝蝕等作用造成了沉積間斷，形成不同類型、不同序級的不整合面[1]。東營凹陷新生界發(fā)育多期不整合面，根據(jù)規(guī)模分為三個序級：Ⅰ級不整合面有兩期，分別發(fā)育在古近系與前新生界之間(Tr)、古近系與新近系之間(T1)，在全凹陷分布；Ⅱ、Ⅲ級不整合面共有十期，發(fā)育在古近系內(nèi)部，如沙四段上、下亞段之間的剝蝕不整合面(T7′)以及沙二段上、下亞段之間的剝蝕不整合面(T3′)，在洼陷區(qū)表現(xiàn)為假整合和整合，在凹陷邊緣斜坡帶表現(xiàn)為微/低角度不整合，本文稱其為低序級不整合面(圖1)。目前，東營凹陷80%以上的地層油藏儲量集中在Ⅰ級不整合面控制的圈閉內(nèi)，低序級不整合油藏發(fā)現(xiàn)少，但這類油藏埋深小，商業(yè)價值較大，已經(jīng)成為精細勘探的重要對象。

圖1 東營凹陷C25-W66井近南北向地震剖面

低序級不整合面經(jīng)歷時間短，不整合面上、下地層差異小，不同產(chǎn)狀地層的交角小，巖性組合相似，均為河湖相砂泥巖，巖石學特征、地球物理特征差異小。因此，預測低序級不整合形成的地層圈閉的難度較大，影響了該類油藏的勘探效果。

識別與描述低序級不整合面、地層上傾尖滅線是地層圈閉預測的難點與技術關鍵。紀學武等[2]針對巖性地層圈閉識別建立了一套完整的工作流程，其核心就是識別各級層序邊界或不整合面；孫志華等[3]系統(tǒng)闡述了層序界面(即不整合面)的測井和地震響應特征；李浩等[4]、余杰等[5]利用測井資料識別不整合面、確定不整合面深度以及劃分殘留地層；蘇朝光等[6，7]、管曉燕等[8]利用夾角外推正演模型及地震相位屬性等方法描述地層尖滅線；馬德波等[9]通過構建薄層檢測因子和優(yōu)化峰值幅頻比等方法描述尖滅線，均收到了很好的效果。

上述方法都是針對Ⅰ級不整合面展開的，對低序級不整合面有較大的不適應性。為此，本文從測井和地震資料出發(fā)，通過測井綜合分層曲線和地震時頻特征識別低序級不整合面；基于地層結(jié)構特征的地震“DNA”檢測技術[10，11]精確地描述了地層尖滅線。文中方法在東營凹陷南部斜坡帶低序級不整合圈閉描述中取得了較好的效果，為評價低序級不整合面上、下地層圈閉奠定了基礎。

2 低序級不整合面識別方法

針對低序級不整合面上、下地層特征差異小及利用測井和地震方法識別難度大的問題，本文應用綜合分層曲線法和時頻特征分析法識別低序級不整合面，首先根據(jù)測井資料識別低序級不整合面深度。

2.1 綜合分層曲線法

2.1.1 方法思路

通常不整合面上、下地層屬性差異大于同一時期地層內(nèi)部的差異，這種差異表現(xiàn)為巖性、孔滲、巖石顆粒密度等變化的測井響應[1]。低序級不整合面上、下地層屬性差異小，常規(guī)測井標志不明顯，很難直接由單條測井曲線和地質(zhì)錄井劃分統(tǒng)一的界面。本文從常規(guī)測井曲線出發(fā)，分析地層屬性的測井響應特征，選取敏感曲線構建一條綜合曲線，突出地層差異，同時壓制巖性影響，識別不整合面。

2.1.2 實現(xiàn)過程

第一，測井數(shù)據(jù)的歸一化處理，消除不同測井參數(shù)之間的數(shù)量級差異。

第二，選取敏感測井曲線。低序級不整合面的測井響應敏感度相對降低，易受巖性影響。考慮使用常規(guī)測井曲線做數(shù)學運算生成新的測井曲線，消除或降低巖性影響[7]。如

(1)

式中：ACCO、AG、CG為新的曲線；AC、GR和COND分別為聲波、伽馬和感應電導測井曲線。

第三，有序數(shù)列最優(yōu)分割法構建綜合分層曲線。將優(yōu)選及運算得到的多條曲線，采用有序數(shù)列最優(yōu)分割法[1，12]構建一條綜合分層曲線。圖2為構建綜合分層曲線示意圖，展示了綜合分層曲線的實現(xiàn)過程。為增強分割的穩(wěn)定可靠性，本文采用多條敏感測井曲線構建一個最優(yōu)分割矩陣，進而得到離差平方和曲線，曲線上的極小點表示其上、下敏感測井屬性離差平方和最小，反映上、下地層差異最大，在消除了巖性等影響時，即為層序界面或不整合面的深度，稱該曲線為綜合分層曲線。

圖2 構建綜合分層曲線示意圖

藍色曲線為測井曲線，滑動計算每個采樣點(紅色點)上、下(在不整合面附近層段)測井值的離差平方和，得到離差平方和曲線(右側(cè)紅色曲線)。曲線上的極小點對應的數(shù)據(jù)點深度即為該曲線的最優(yōu)分割點，即該點上、下兩段地層內(nèi)差異最小，兩段地層間差異最大

2.1.3 實際應用

東營凹陷南部斜坡帶的J3井揭示缺失沙二段(Es2)，沙一段(Es1)與沙三段(Es3)為不整合接觸。綜合地質(zhì)錄井確定的層序界面深度為741.5m； 自然電位曲線不敏感，伽馬、聲波及中子等測井曲線在730.8m、741.0m表現(xiàn)出多解性(圖3中的藍線虛線所示)。利用原始曲線AC、COND、GR和新曲線ACCO、AG、CG分別組合，按上述方法得到綜合分層曲線(圖3的第5、第6列)，四條曲線極小點對應的深度(739.0m)即為Ⅱ級不整合面Es1/Es3的深度。

由于上述低序級不整合面深度的確定缺乏巖心和古生物證據(jù)，可以用已知的Ⅰ級不整合面深度驗證Ⅱ級不整合面Es1/Es3深度結(jié)果的合理性。如J27井Ng/ Es1為Ⅰ級不整合面，錄井、測井和地震標志層(T1)特征明顯，不整合面深度為700.0m。利用上述方法構建綜合分層曲線，極小點的位置對應700.0m(圖4)，說明該方法確定Ⅰ級不整合面可行，也應適用于識別低序級不整合面。

圖3 J3井測井曲線

圖4 J27井測井曲線(左)與井旁地震道(右)

2.2 地震時頻特征分析法

2.2.1 基本思路

由測井方法識別不整合面縱向發(fā)育位置后，常常依據(jù)地震同相軸反射終止方式識別、劃分削截不整合[13]。地震時頻分析技術常用于分析地震旋回，進而識別、劃分地層旋回和等時地層界面[14]。本文嘗試利用高分辨率時頻分析方法識別低序級不整合面(高序級的層序界面)，并取得較好效果。

2.2.2 方法效果

高分辨率時頻分析是基于高階統(tǒng)計量的時頻分析方法[15，16]，能有效地反映時變信號的頻譜特性，分析結(jié)果具有分辨率較高等特點。由T20井井旁道及其高階時頻譜(圖5)可見，在1.000～1.350s垂向范圍內(nèi)時頻譜具有多個旋回特征，表現(xiàn)為：在1.022、1.255s附近，有兩個低頻強能量團，其上、下頻率發(fā)生突變，指示沉積環(huán)境發(fā)生較大變化，存在較高級別的沉積轉(zhuǎn)換面或間斷面，對應T1和 T7′反射標志層，分別為N/E的Ⅰ級不整合面以及Es4上/下亞段的Ⅱ級不整合面；1.085、1.225s處的低頻能量團分別對應Es2上/下亞段(T3′)、Es3/Es4(T6)的Ⅱ級和Ⅲ級不整合面；在上述低頻能量團之間頻率變化較為平緩，變化范圍為20～30Hz，反映沉積環(huán)境變化相對較小，與各組段內(nèi)部旋回對應。此外，從時頻分析結(jié)果上還可以看到，一個地震反射軸中間頻率存在高低變化，說明該時頻分析的分辨率遠遠高于地震資料本身的分辨率。因此，利用高分辨率時頻分析技術可指導低序級不整合及更精細的層序界面識別。

圖5 T20井井旁道(a)及其高階時頻譜(b)

2.3 井震聯(lián)合識別不整合面

將測井綜合分層曲線進行時深轉(zhuǎn)換，利用極小點的位置標定時頻特征曲線上的能量團，確定低序級不整合面對應的反射標志層，為描述不整合面奠定基礎。由C109井多信息識別不整合面(圖6)的結(jié)果可見： ①在綜合分層曲線上深度1042m處的極小值點對應Ng/Ed的Ⅰ級不整合面(圖6a)，極小點處的低頻能量團對應井旁道0.957s處的反射波谷T1(圖6b)； ②在綜合分層曲線上深度1162m處的極小值點對應Es2上/下亞段的Ⅱ級不整合面(圖6a)，極小點處的低頻能量團對應井旁道1.045s處的反射波谷T3′(圖6b)； ③經(jīng)時深轉(zhuǎn)換后時頻譜中能量最強的兩個低頻能量團較好地對應于不整合面(圖6c)。綜上所述，測井綜合分層曲線與高分辨率的時頻分析相結(jié)合能有效地識別不同序級的不整合面，從而描述低序級不整合面及上、下地層尖滅線。

圖6 C109井多信息識別不整合面

3 地層尖滅線描述方法

地層上傾方向尖滅線的描述是地層圈閉描述的一個關鍵內(nèi)容[2]。地震瞬時相位是同相軸連續(xù)性的量度，無論能量強弱，在相位上都能顯示，即使是弱振幅，有效波在瞬時相位圖上也能很好地顯示[17]。因此，利用瞬時相位可較好地識別地層尖滅點。當瞬時相位剖面圖中出現(xiàn)相位不連續(xù)時，就可以判斷該處存在尖滅和異常[18]。文中提取了草橋地區(qū)瞬時相位屬性(圖7)，其中Ⅰ級不整合面(T1)上、下沉積間斷達5Ma以上，地層速度差大于500m/s，不整合面與下伏地層夾角超過3°，沿T1向下20ms的瞬時相位屬性清楚地顯示了相位變化，表現(xiàn)為窄條帶(圖7a)，沿變化線可較準確地描述地層尖滅線；Ⅱ級不整合面(T3′)沉積間斷不到1Ma，上、下地層的速度差為200～400m/s，不整合面與下伏地層夾角為1°～3°，下伏地層瞬時相位變化表現(xiàn)為寬條帶(圖7b)，以此推斷地層尖滅線存在較大誤差，需要更加精細的技術描述尖滅(點)線。為此，本文研究了地震“DNA”檢測技術[10，11]。

圖7 草橋地區(qū)瞬時相位屬性

3.1 地震“DNA”檢測方法原理

地震數(shù)據(jù)是連續(xù)表達的，不整合造成地層分布是不連續(xù)的，連續(xù)表達的地震數(shù)據(jù)在地層尖滅處，由于干涉作用，反射特征變得復雜，難以準確地確定尖滅點位置。蔡涵鵬[19]等提出一種非線性變時窗的算法，從地震數(shù)據(jù)體中提取地層細微不連續(xù)性信息，從其效果看，信噪比受到影響。本文研究的地震“DNA”方法，是把連續(xù)的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為不連續(xù)的字符數(shù)據(jù)(“基因”片段)，創(chuàng)建目標體的字符正則表達式(模式“基因”)，并在字符域搜索相同的“基因”模式組合，實現(xiàn)目標體的自動識別?！盎颉钡耐蛔兎从车卣鸱瓷浣Y(jié)構的突變，代表地層間斷。通過這種突變點的搜索和聚類確定地層尖滅和斷層位置。地震“DNA”是一種全局的特征檢測方法，能夠提取不同深度、不同屬性值的特征[20]。

3.2 地震“DNA”檢測實現(xiàn)過程

地震“DNA”的實現(xiàn)過程主要有三步。

(1)將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符

通過指定每個字符為一個唯一范圍的數(shù)據(jù)值(如振幅值)，將連續(xù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符，如

{a;b;c}→{[min,-0.1);(-0.1,0.1);(0.1,max]}

(1)

式中：字符a、b和c分別為輸入數(shù)據(jù)范圍； min和max分別為輸入數(shù)據(jù)的最小值和最大值。上式把地震數(shù)據(jù)從時間域轉(zhuǎn)化到字符域。

(2)創(chuàng)建模式“基因”，即建立目標體的正則表達式，如

a{nmin,nmax}b{nmin,nmax}c{nmin,nmax}

(2)

式中：a、b、c為字符；n為對應字符重復的次數(shù)；nmin、nmax表示對應字符的最大和最小重復次數(shù)。例如一個簡單的字符基因組合的正則表達式(DNA鏈)：a{2,3}b{1,2}c{4}，表示字符a至少重復2次，至多重復3次，緊接著字符b至少重復1次，至多重復2次，然后字符c重復4次，即它們的組合有aabcccc，aaabcccc，aabbcccc，aaabbccc這四種匹配方式。每一個字符就是一個“基因”片段，字符個數(shù)和重復次數(shù)都反映了目標體的變化。

(3)在字符域搜索和記錄模式“基因”

模式“基因”的搜索過程由兩個參數(shù)控制：一是字符轉(zhuǎn)化參數(shù)(包括字符個數(shù)和字符重復次數(shù))，字符個數(shù)取決于該地區(qū)地層的復雜程度和地震資料的信噪比，要表征的地層特征越復雜，字符個數(shù)設置就越多，“基因”組合就復雜；字符轉(zhuǎn)換范圍或重復次數(shù)要根據(jù)現(xiàn)有資料進行交互式調(diào)節(jié)。二是搜索過程的控制參數(shù)，包括相似度(檢測字符組合的長度)、容忍度(橫向上滿足“基因”突變條件的道數(shù))和匹配度(實際“基因”與模式“基因”對比中字符重復次數(shù)的變化)。

3.3 地震“DNA”檢測方法模型試算

設計包含不同序級不整合面的地震地質(zhì)模型，取主頻為30Hz的震源子波，道間距為10.5m，道數(shù)為200道，褶積形成地震記錄(圖8a)。在相位屬性剖面(圖8b)上較好地指示了5個尖滅點(藍色虛線)附近的相位變化，1、2、3號層相位屬性的變化與實際尖滅點(圖8a)誤差較大。首先，沿不整合面向下30ms拾取地震數(shù)據(jù)，將反射振幅數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3個字符表達式{a;b;c}→{[min,-1500)； [-1500，500)；(500，max]}；第200道(剖面最右側(cè))不整合面下30ms“正?！钡貙拥腄NA域表示為a{4}b{2}c{8}(括號內(nèi)為“基因”片段的重復次數(shù))；沿剖面向左檢測，逐道進行比對，并記錄“基因”參數(shù)的變化，如在172道(1810m)“基因”變化為a{5}b{2}c{7}，“基因”片段重復次數(shù)發(fā)生變化，第一個變化點為1號層的尖滅點；2號層30ms內(nèi)的“基因”為a{4}b{2}c{8}，在a{5}b{1}c{8}變化點記錄2號層的尖滅點，依次檢測出5套地層尖滅點，最終得到地震“DNA”的檢測結(jié)果(圖8c)。

地震DNA檢測與相位屬性對尖滅點的識別效上覆地層速度為2000m/s，下伏地層分5套砂巖，由下至上地層速度由2900m/s逐漸減小至2500m/s，背景泥巖速度為2400m/s，下伏地層與不整合面夾角分別為8°、7°、5°、4°和2°。5個數(shù)字和箭頭的位置為5套砂層尖滅的位置，1號層與上覆地層阻抗差異最小，夾角最小，代表的不整合序級最低果(表1)表明：與不整合面夾角為7°的4號地層，相位屬性識別尖滅點位置與實際尖滅點位置相差100m，而DNA檢測的尖滅點位置與實際尖滅點位置僅相差42.5m，后者的精度大幅提高；與不整合面夾角為2°、產(chǎn)狀平緩、阻抗差異較小的1號層，DNA檢測結(jié)果較相位屬性檢測結(jié)果的誤差減小了90m?？梢?，利用DNA檢測尖滅點精度較高，但仍然存在誤差，在應用中要注意。

圖8 不整合地震記錄及尖滅點識別效果對比圖

表1 地震DNA檢測與相位屬性對尖滅點的識別精度

3.4 實際資料檢測效果

應用東營凹陷草橋地區(qū)的實際資料進行測試，描述Ⅱ級不整合T3′之下Es3上亞段不同砂組的尖滅邊界。首先采用不同的參數(shù)組合，在T3′向下30ms的時窗內(nèi)檢測“基因”變化點，然后利用聚類算法將同類“基因”變化點連線得到地層尖滅線(圖9a)及DNA描述的尖滅點剖面分布圖(圖9b)?？梢?，尖滅點左右兩側(cè)的DNA鏈(“基因”類型和單個字符的重復次數(shù))與斷層兩側(cè)“基因”差異較大(圖9b)，每一個識別出來的尖滅點均對應于尖滅線平面分布圖(圖9a)中的一條尖滅線。在草橋地區(qū)Es3共描述出5個砂組的地層尖滅線(圖9a中不同顏色的細線)，與實鉆井數(shù)據(jù)吻合度高。

圖9 草橋地區(qū)Es3地震“DNA”檢測結(jié)果圖

4 東營凹陷南部斜坡帶的應用

在完成低序級不整合面識別追蹤和地層尖滅線描述后，就可以評價地層圈閉。草橋地區(qū)地處東營凹陷南部緩坡帶邊緣，古近系內(nèi)部發(fā)育多期低序級不整合。依據(jù)上述流程識別出Es2底部Ⅱ級不整合面T3′，其為一個沉積不整合面[21]。其下的Es3上亞段細分為5個砂層組，向上傾方向被T3′逐序削截，形成5個砂組的地層削蝕。利用地震“DNA”檢測方法描述5個砂組的削蝕邊界(圖9)，在此基礎上，完成了不同砂組的圈閉描述。共描述Ⅱ級不整合遮擋圈閉、Ⅲ級地層超覆圈閉14個，圈閉面積為15.0km2。其中5砂組的Ⅱ級不整合遮擋圈閉面積為1.8km2，圈閉幅度達60m(圖10)。

針對Es2下亞段Ⅱ級地層不整合遮擋圈閉，部署鉆探了W955井，獲得成功。針對Es3底部的Ⅲ級地層超覆圈閉，部署鉆探了C328、C333井，均獲得成功，從而發(fā)現(xiàn)了低序級不整合控制的油藏，證實了低序級不整合油藏的勘探潛力。

圖10 草108井區(qū)沙三上部5砂組頂面構造圖

5 結(jié)束語

利用測井綜合分層曲線極小點識別不整合面深度，通過地震時頻分析明確不整合面的頻譜特征，兩者結(jié)合能有效地識別低序級不整合面?；诘卣稹癉NA”檢測的地層尖滅線描述方法，對低序級不整合控制的地層上傾方向的尖滅點(線)的識別精度明顯比相位屬性高。利用上述方法識別東營凹陷南部草橋地區(qū)的不整合圈閉，發(fā)現(xiàn)了W955、C328等井的低序級不整合圈閉，證實了該方法在凹陷斜坡帶地層圈閉研究中的適用性，并可以在類似地區(qū)推廣應用。