井震结合古地貌恢复方法及应用——以辽河滩海西部地区沙一段为例

冯 磊，吴 伟

（河南理工大学 资源环境学院，河南焦作 454000）

井震结合古地貌恢复方法及应用
——以辽河滩海西部地区沙一段为例

冯 磊，吴 伟

（河南理工大学 资源环境学院，河南焦作 454000）

古地貌恢复研究是油气储层预测的重要内容，古地貌恢复的准确性直接影响物源、古水流等沉积特征的判断。针对辽河滩海西部地区钻井分布不均的特点，在钻井资料地层厚度压实校正基础之上，提出利用地震资料进行井间古地貌趋势补偿，将钻井资料和地震资料有机地融合。通过在辽河滩海西部沙一段应用表明，该方法效果良好，能够较真实地反映古地貌分布特征。

古地貌；压实校正；趋势补偿；辽河滩海

0 前言

古地貌是控制盆地内沉积发育的重要因素之一，而且是准确预测中深部油气储层的关键和基础［1］。真实准确地恢复沉积时期的古地貌，对于探索沉积规律具有重要的指导意义。同时还可为油田勘探提供重要的分析依据，扩大岩性油气藏勘探成果［2、3］。

辽河滩海探区位于渤海湾盆地东北部，是辽河盆地陆域地区与辽东湾地区构造单元的过渡区带，属于辽河坳陷向海域的自然延伸部份，其形成于中～新生代的陆相断陷型盆地。古近系基地形态总体上表现为“二凹三凸”的基本构造格局［4］，即西部凸起、西部凹陷、中央低凸起、东部凹陷和东部凸起。其中，研究区西部凹陷基底受海南断层和葫芦岛断层的控制，形成了西抬东降的单断式半地堑，沿主干断层发育了呈右行排列的众多次级洼陷。由于葫芦岛凸起的插入，使西部凹陷在滩海地区分为两支（见下页图1）。研究区地形地貌变化复杂，亟需能够真实有效恢复古地貌的方法和手段。

1 方法原理及步骤

目前，古地貌恢复的方法主要从构造恢复和地层恢复两方面入手，作者本次研究是基于地层的恢复。

现今保留的地层厚度是在漫长的历史过程中沉积物经过埋藏、成岩、剥蚀等作用后的残余厚度已经不能反映原始沉积时的真实地层厚度。古地貌恢复就是对现存的地层厚度进行一系列的校正处理，逐步回剥恢复到原始沉积的厚度。在回剥时，可视为剔除上覆地层，并将不同时期古水准面恢复到原位的过程。国内、外学者分别从构造分析、沉积分析以及层序地层等方面的分析入手，但其依赖的基础都是利用地层厚度图、砂岩厚度图构造图等，来定性地分析当时的地貌形态［3、4］。随着勘探工作的不断深入，对古地貌恢复的要求逐渐从定性分析到定量分析，急需新的技术手段来恢复沉积时期的地层厚度。这就要求尽可能地综合地质、测井和地震资料，将有效信息提取、融合，以减小古地貌恢复的多解性。目前，主要的地层厚度恢复手段有：压实校正、剥蚀校正、古水深校正等。由于辽河滩海地区沙河街组时期剥蚀量相对较小，且缺乏进行古水深校正的古生物资料，所以作者在本次古地貌恢复中，主要进行压实校正，并在钻井压实校正的基础之上，通过井间趋势补偿技术，将地震资料信息弥补到井间，以提高古地貌恢复的精度。

图1 辽河滩海西部地区断裂纲要Fig.1 Fault map of western beach area of Liaohe

1.1 地层厚度恢复

1.1.1 建立压实方程

压实校正主要基于沉积压实原理，即随着埋藏深度的增加，地层上覆盖负载也增加，导致孔隙度变小，体积变小。假定地层的横向位置在沉降过程中不变，仅是纵向位置发生变化。因此，地层体积变小就归结为地层厚度变小［5］。不同岩性压实作用有较大的差异，Athy（1930）对美国宾夕法尼亚和俄克拉荷马南部二叠系研究过程中，得出在一定深度范围内，沉积地层的孔隙度值随深度呈指数减小，密度随深度呈指数增大的关系曲线。即满足以下关系［5］：

式中 Φ（h）是深度h处的岩石孔隙度；Φ0为深度h＝0时的孔隙度；C为压实常数。

Φ0和C值对不同的岩性和地区是不同的，可以根据不同深度的钻井孔隙度值，建立孔隙度～深度关系曲线图，并用最小二乘法按指数函数拟合求得不同岩性的Φ0和C值。作者结合辽河滩海西部钻井资料，制作了研究区砂岩和泥岩的孔隙度随深度变换的关系曲线（见图2及图3），分别获得了砂岩、泥岩的压实方程：

（1）泥岩压实方程。

（2）砂岩压实方程。

1.1.2 压实校正

建立了压实方程后，就可以依据地层骨架厚度不变压实模型对地层进行压实校正，求出不同地质时期的地层古厚度或古埋深，具体采用回剥法技术［2］。按照地层骨架厚度不变的假设，有：

式中 h2和h1是已知地层顶底埋深；Φ（h）是建立的压实方程；h′1是给定的地层在地质时期的顶面埋深。

当地层沉积刚完成时，可假设顶面埋深为0当地层经过一段时期的压实后，顶面埋深等于上覆地层底面的埋深，将h′1值代入式（4），就可求出地质时期的地层底面理深h′2及古厚度（h′2－h′1）。

研究区主要由砂岩和泥岩组成，则地层的综合压实曲线为：

其中 Ps是砂岩含量；Pm是泥岩含量。

因此，在计算构造沉降量时，要逐层对泥岩和砂岩分别求出各自的原始孔隙度Φ0m和Φ0s，以及压实系数Cm和Cs，然后统计地层中泥岩、砂岩的百分比，并分段计算。将公式（5）和公式（1）代入到公式（4）中，即可得到最终迭代公式（6）。

根据公式（6）即可逐层回剥迭代，求出不同时期各地层厚度。通过对辽河滩海西部研究区所有钻井进行古厚度恢复，获得沙一段时期沉积古厚度（见图4）。在图4中，红色柱代表恢复后的古厚度，蓝色柱代表现今地层厚度。由于不同井中的砂岩、泥岩含量不同，其恢复厚度也不尽相同。可以看出，泥岩含量较高的井，由于泥岩压实系数较大，其恢复后的原始地层厚度也较大。如双203井，泥岩含量高达73.9%，恢复原始地层厚度达624m，比现今残余的地层厚度增加了278m，几乎是现今地层厚度的二倍。由此可以看出，由于压实作用影响，在进行古地貌分析的时候，利用钻井上现存的地层厚度进行古地貌分析，存在较大的误差，不能反映出原始沉积时的地貌，必须进行压实校正，才能真实地还原沉积时期的古地貌特征。

图4 沙一段钻井原始厚度与现今残余厚度对比图Fig.4 Contrast chart of original drilling thickness and current residual thickness of Sha 1member

1.2 井间古地貌趋势补偿

为得到古地貌的平面分布，通常利用钻井资料获得的古厚度数据，进行简单的网格化后得到等值线平面图（见图5）。但对于钻井较少或者分布不均匀的区域而言，井间插值得到的数据缺乏空间横向约束，难以反映真实古地貌的趋势。由于地震资料具有较高的横向分辨率，如果将地震资料的有效信息弥补到井间网格数据中，使测井资料与地震资料有效融合，就更能发挥出两种资料的优势。

因此，作者在本文提出一种利用地震资料进行井间古地貌的趋势补偿的方法。该方法将井中的数据作为控制点，利用地震资料对井间趋势进行弥补，主要有四步：

（1）做多井合成记录，利用地震资料解释目的层层位，通过时深转换，得到地层厚度数据。

（2）将地震解释得到的地层厚度数据进行网格化，扩展网格节点范围使其包含钻井数据区域，在钻井处提取网格节点数据值，并与井中处理得到的古厚度数据求差值。

（3）对得到的差值数据，利用自适应拟合算法进行处理。

（4）将差值数据网格与地震地层厚度网格合并，重新生成平面等值线图。

由于钻井资料和地震资料总会或多或少地存在异常数据，因此，合理的网格化算法是关键。传统的网格化技术，多采用局部控制点来计算网格中每个节点的数值，如常用的克里金法、最小曲率法等。当存在局部异常的时候，得到的都是局部网格叠加，不能反映区域数据整体的趋势。作者在研究中采用自适应拟合算法进行网格化，不同于传统的局部网格化技术，自适应拟合算法考虑区域中所有数据趋势，利用空间约束调和方程平衡所有数据点。该方法主要基于Hardy（1990）提出的多重曲面函数插值法，其基本思想是任何一个不规则的复杂曲面，均可由一系列规则的，以任意精度数学表面总和逼近［7～9］。当将小尺度的局部变化看作随机和非结构的噪声，局部地貌起伏比较明显时，常规的最小二乘法难以抵制局部地貌异常的影响，导致趋势分析出现系统偏差，这就需要通过抗差估计，调整节点数据的权值来消弱异常值对插值结果的影响［10］。

图5 利用钻井资料得到的古厚度图Fig.5 Ancient thickness map obtained by well data

考虑到任何区域的地貌总可以分成趋势性成分和随机性局部变化两部份，建立自适应拟合方程的核函数如式（7）所示：

将公式（7）展开成矩阵形势：

Z＝CA（8）其中 M表示步长（最小搜索半径）；i、j表示网络节点角标；Cj代表在XY平面未知圆锥斜率系数的列矢量，可以通过列选主元高斯消去法求解。

一旦求出Cj，则可计算出研究区域内任意给定插值点拟合不规则曲面的Zi值。研究区域单元面积内样点数越多，越逼近真实的连续曲面。

为了得到更好的结果，作者将算法首先从区域中间网格数据点间距大于步长的节点开始计算，然后按照同样的规则计算下一个节点。起始步长设置为研究区沉积地质体最大半径，截至步长设置为最小的地质体半径。将该算法从最粗略的网格开始计算，然后将网格单元宽度设置为原来的一半，再经过多次迭代计算，直到网格单元宽度小于最小的沉积体分布半径或者达到最大迭代次数后停止。

2 辽河滩海西部古地貌特征

作者在对研究区辽河滩海西部探井井斜校正及压实校正的基础之上，得到钻井位置在沉积时期的古厚度。由于滩海地区钻井分布不均，依靠地震资料进行井间古地貌趋势补偿，把结果利用三维可视化软件显示，最终得到研究区沙一段古地貌图（见下页图6）。在图6中，红色区域代表隆起区，分别为西部凸起、葫芦岛凸起和中央低凸起；蓝色区域代表深洼区，为海南洼陷。古隆起为主要正向地形，在基准面下降时，凸起较高的部份会出露地表，遭受剥蚀，并提供物源，沉积物逐渐向海南洼陷运移。在西部缓坡由西部凸起提供物源，发育辫状河三角洲，并在海南洼陷形成湖底扇沉积。中央低凸起陡坡带发育扇三角洲沉积。笔架岭地区为水下低隆起，离葫芦岛凸起物源区较近，发育扇三角洲沉积，岩性以砾岩、粗砂为主。由此，从古地貌图中可将辽河滩海西部地区分为几个构造带：①西部缓坡带；②中央低凸起陡坡带；③海南洼陷；④葫东次洼；⑤笔架岭水下低隆起。

3 结论

作者通过对辽河滩海西部沙一段的古地貌恢复，采用了压实校正、井间趋势补偿等技术，应用效果较好，主要取得如下认识：

（1）辽河滩海西部沙河街组，沉积压实影响较大，恢复后的古沉积厚度比现存的地层厚度存在较大差异。在进行古地貌恢复时，必须考虑压实的影响。

（2）由于辽河滩海地区钻井分布不均匀，常规利用钻井数据网格化的方法，不能真实反映该地区古地貌形态，而利用地震资料进行井间古地貌趋势补偿后，可以精细地展现古地貌的平面分布特征该方法能有效地将测井数据和地震数据包含的信息进行融合，效果明显。

（3）从恢复得到的辽河滩海西部沙一段古地貌图中，可以分为五个构造带：①西部缓坡带；②中央低凸起陡坡带；③海南洼陷；④葫东次洼；⑤笔架岭水下低隆起。

（4）构造运动对古地貌恢复也有一定的影响如果地区构造运动较强烈，则保留下来的地貌与沉积前原始地貌变化较大，这时可考虑增加构造平衡剖面技术来校正古地貌形态。

［1］ 邓宏文，王红亮，王敦则.古地貌对陆相裂谷盆地层序充填特征的控制——以渤中凹陷西斜坡区下第三系为例［J］.石油与天然气地质，2001，22（4）：293.

［2］ 宋国奇.应用层序地层学方法恢复加里东期古地貌——以济阳坳陷沾化地区为例［J］.石油实验地质2000，22（4）：350.

图6 辽河滩海西部沙一段古地貌图Fig.6 Paleotopography map of Sha 1member of western beach area in Liaohe basin

［3］ 薛良清，李文厚，宋立衍.西北地区侏罗纪原始沉积区恢复［J］.沉积学报，2000，18（4）：539.

［4］ 李晓光.辽东湾北部滩海大型油气田形成条件与勘探实践［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［5］ 石广仁.油气盆地数值模拟方法［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［6］ SUN S Q.Dolomite reservoirs porosity evolution and reservoir characteristics［J］.American Association of Petroleum Geologists Bulletin，1995，79（2）：186.

［7］ HARDY R L.Least Squares Prediction［J］.Photogrammetric Engineering，1977，43（4）：475.

［8］ 杨元喜.自适应抗差最小二乘估计［J］.测绘学报，1996，25（3）：206.

［9］ HARDY R L.Theory and applications of the multiquadric－biharmonic method［J］.Computers and Mathematics with Applications，1990，19（8）：163.

［10］芮小平，余志伟，许友志，等.多重二次曲面插值法在地质曲面拟合中的应用［J］.中国矿业大学学报2002，9（4）：377.

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1001—1749（2012）03—0326—05

TE 121.3＋2

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.15

冯磊（1978－），男，博士，讲师，主要从事油气储层预测技术研究。

中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室基金资助项目（TPR－2010－21）

2011－10－19