三维生物礁滩建模及地震数值模拟

黄继伟，熊晓军，贺振华

(成都理工大学 地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都 610059)

0 引言

生物礁、滩是油气等重要矿产资源的有利富集场所。生物礁孔隙与缝洞发育,是良好的油气储集体，礁型油气藏具有产能高、采收率高及勘探开发成本低等特点而倍受人们重视，在油气勘探开发中占有十分重要的地位[2]。滩和生物礁在沉积环境方面具有相关性，主要区别在于滩没有生物格架和丘状外形。滩特别是具有鲕粒结构的白云岩滩，往往具有更大的孔隙度，通常是良好储层[3]，但因其复杂性[4-6]，生物礁、滩储层的地球物理识别和预测存在较多的困难[7]。

近年来许多学者[8-9]在将地震波场的数值模拟引入到礁滩相储层的地震解释领域时，往往采取褶积的方法，无法有效反映出礁滩相储层地震波场的运动学和动力学特征，且仅考虑了二维生物礁模型的地震数值模拟，而实际地下的生物礁却是三维的[10]。

熊晓军等[6]曾提出过三维环礁的数值模拟，为三维地质建模提供了基本思路与方法，但该模型对复杂礁体内部结构刻画不够细致，地震响应特征不明确。本文在上述研究的基础上，引用了三维块状建模的概念[11]，采用积木方式构建复杂三维模型，不仅能够反映礁滩复合体内部结构，为地震地质精细解释服务，还可全面反映礁滩体与围岩的接触关系，为地震层序及地震相划分提供依据。本次研究根据实际地质、地震资料，建立了包括塔礁、点礁、生物滩、沉积层、盖层等地质单元的三维礁滩复合体模型，其示意图如图2(a)和图3(a)所示。在此基础上进行了地震波场数值模拟，得到了一系列具有代表性的正演记录，可以为实际生物礁滩的地震解释提供理论支持，并将地震正演与地震偏移结合起来，用以检验礁滩模型解释成果的正确性。

1 方法原理

1.1 三维积木式建模方法

该研究把形状和大小不同的、具有单一物性特征的封闭地质体视为一个积木块。一个复杂的地质模型，可由若干个或许多个积木块搭建而成，每个积木块(封闭单元)分别由地层面、断层面(和/或)岩性分界面封闭而成，块内具有相同速度、密度等物理属性。三维积木结构模型的拓扑关系可定义为：控制点→三角形→空间面→封闭块→三维模型，也即由地层面、断层面控制点形成三角形网格，再由三角形网格构成地层面、断层面和边界面，最后由地层面、断层面和边界面围成封闭的地质单元块。

1.2 频率-波数域波动方程数值模拟

J.Gazdag[12]提出了相位移波动方程偏移方法，该方法是一种频率-波数域方法，对无横向速度变化的层状界面地质模型，偏移结果是正确的。随后，J.Gazdag[13]又提出了相位移加插值的波动方程偏移方法[13]，它继承了F-K法大部分优点的同时还能解决地震波速纵、横向变化的偏移问题。

在频率-波数域可以很容易地将二维波场延拓算子推广到三维空间[14]，实现三维波动方程叠后数值模拟。垂向变速的零炮检距三维地震波场正向和逆向传播(延拓)公式分别为：

(1)

(2)

(3)

式中kx和ky分别为x和y方向的波数(1/m)；kzi为深度间隔i内z方向的波数(1/m)；ω为角频率(1/Hz)；Δz为当前深度延拓的深度间隔(m)。公式(1)为三维偏移延拓算法，公式(2)为三维正演延拓公式。

对于速度横向变化的情况，采用相位移加插值方法[13]，在二维或三维空间选取多个参考速度进行拉格朗日插值计算，即可有效地实现地下复杂地质体的地震波场数值模拟。对于非零炮检距三维地震波场的正演，可以使用单程波动方程法[15]，该方法与传统的射线追踪法相比能保持波的动力学特征，正演结果与实际地震记录相似性好,并且在计算过程中，人工干预的程度低，操作简便。

2 三维礁滩模型及参数设置

图1是本次研究所建立的三维礁滩复合体模型的最终成图，数字则表示了在三维块状结构建模中块体被建立的先后顺序(从1到10)。1-3部分为在原地体上生长的生物礁，由于它在后期生长中呈宝塔状，故称之为塔礁,由于重力压实原因，最先生长的位于塔礁底部的1部分孔隙度较低，储油气能力较低，而位于塔礁顶部的3部分孔隙度高，是良好的油气储层。第4部分是塔礁沉入深水后被泥岩覆盖。5号层面为地质时期的海退作用所形成的披覆层。5号沉积层面的顶部生长了点礁，点礁呈圆锥体形态，标记为区块6。由于地质时期持续的海退作用，又形成了一个新的沉积层面，将其标记为7部分。在7号沉积层面的上方，发育了一块生物滩8，生物滩为薄透镜体，向陆方向尖灭于大陆沉积体上。在接下来的地质时期海平面处于上升阶段，在盖层4、点礁6及生物滩8的上方形成了一个新的沉积地层9。最后在地层9的上方，点礁的侧后方形成了一块生物滩10，比生物滩8稍大，且物属差异较为明显。

图1 三维礁滩复合体模型及其速度参数示意图Fig．1 3D reef and bank complex model & its parameter of velocity

根据实际测井资料，对此三维礁滩复合体模型的数值模拟中速度参数设定如图所示。此外在模型的底部设置了一套水平参考层，速度为5 700 m/s。本次采用自激自收的观测系统，共有110条测线，每条测线包含110个检波点。

3 三维礁滩模型数值模拟

本次研究采用以上参数数据，通过F-K域波动方程的方法对本文所建立的三维礁滩复合体复杂模型进行三维延拓，得到了实际应用所需要的正演记录以及用以检验方法正确性的偏移剖面。

在这里选取了具有代表性的第31条和第65条测线下的正演记录和偏移剖面来与其速度切片进行对比分析。

Line31正演记录(图2(b))中，出现了典型的生物礁才有的地震响应特征，礁体内部反射杂乱，能量弱，礁顶上覆地层的厚度小于两侧的地层厚度，反映地层压实程度的差异。因为生物礁向上隆起，后续沉积可能出现披覆和上超现象。由于滩储层与围岩存在较大物属差异，使其之间形成较强的波阻抗界面，同时生物滩分布范围较大，反射同相轴具有一定长度，因而在正演记录中可以肉眼直接识别出生物滩的存在。此外可以看到在模型切片底部出现了三维正演才会出现的侧反射，侧反射出现的原因是由此切片相邻的采样切片在进行正演模拟时对其造成影响而产生的。由于生物滩10和地层9(图1)的空间距离较为接近，所以在它们的接触的地方产生了调谐现象，导致了地质体界面的区分存在一定难度。而这种现象往往是在实际应用中地质解释出现多解性的原因，在实际应用中可以借鉴。

图2 Line31下的速度切片、正演记录和偏移剖面Fig．2 Velocity section, forward-modeling record and migration profile in line31(a)速度切片；(b)正演记录；(c)偏移剖面

图3 Line65下的速度切片、正演记录和偏移剖面Fig．3 Velocity section(a), forward-modeling record(b) and migration profile(c) in line65(a)速度切片；(b)正演记录；(c)偏移剖面

将其偏移剖面(图2(c))与速度切片(图2(a))做对比后，可以看出在速度切片中出现的盖层4、地层5、地层7、地层9以及生物滩10，均在偏移剖面中的对应位置得到了体现。由此可以验证本文采用的偏移算法的正确性。

Line65正演记录(图3(b))中，明显可见塔礁的边缘产生的绕射波，也有三维数值模拟才会出现的独特的侧反射。从正演记录中可以清晰地分辨出生物礁具有的岩隆、边缘反射同相轴中断、内部能量弱等特点，而另一个岩隆假象则是由披覆地层产生的，不能同生物礁混淆。点礁6由于与周围地质体紧密相连，距离辨识度不够，正演记录中无法清晰地分辨出点礁的形态，仅能从调谐现象推断出此处有地质体的存在，这也能应用于实际地震勘探。

将其偏移剖面(图3(c))与速度切片(图3(a))做对比后，可以看出塔礁顶部油气储层在偏移剖面中具有较强的地震同相轴，且速度切片中出现的盖层4、地层5、地层7、地层9均在偏移剖面中的对应位置得到了体现。但是速度切片中的点礁6在偏移剖面中十分不明显，是由体积、形态、物性参数等原因造成的，对还原地下地质构造造成了一定的困扰。

4 结语

(1)在二维模拟的基础上，采用三维波动方程延拓方法实现了三维礁滩模型的地震数值模拟，得到了生物礁、滩地质体的各种地震反射特征，为研究实际生物礁、滩的地震响应特征提供了一种新的思路。

(2)利用正演与偏移相结合的地震数值模拟流程来模拟生物礁、滩的地震响应特征，检验解释成果的正确性，为生物礁滩结构的地震解释提供了一种有利的检验工具。

(3)这里仅对理论的三维生物礁滩模型进行了数值模拟研究，今后还需加强对于实际的三维生物礁滩模型的数值模拟研究。

参考文献：

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