地震沉积学技术在库车坳陷南斜坡白垩系砂体尖灭线识别中的应用

刘 军,王鹏程,陈 军,孟祥霞

(1.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院西北分院,甘肃兰州730020;2.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000)

库车坳陷位于塔里木盆地北缘,北部为南天山,南缘为塔北隆起,中部发育温宿—轮台古凸起,整个坳陷呈东西向展布,南斜坡位于中部凸起以南区域。白垩纪沉积时期受天山造山带和塔北隆起控制,由南、北两侧向湖盆中心发育一系列扇三角洲、辫状河三角洲、三角洲以及湖泊沉积体系[1-2]。白垩系是该区碎屑岩中最主要的含油气层系,20世纪末,在巴什基奇克组地层中发现的克拉2大型气田为西气东输工程提供了强有力的保障[3],引起了对白垩系油气勘探的重视。由于研究区沉积相变化大,砂体纵向变化复杂,侧向叠置频繁,继续在该区寻找地层圈闭和岩性圈闭存在较大的技术瓶颈,因此近年来研究区白垩系地层的油气勘探未获得大的突破,油气勘探效果不理想。上倾尖灭型和不整合型油气藏为发现的主要油气藏类型,而这两种油气藏勘探的难点在于对薄层砂体的刻画,特别是对砂体尖灭线分布特征的刻画,这是近期库车坳陷南斜坡地区地层和岩性油气藏勘探亟待解决的一个关键技术问题。

前人对于地层尖灭线的刻画方法主要有以下两种:①利用传统的录井、测井、岩性资料对比来分析砂体尖灭线位置,该方法的优点是可信程度高、操作性强,但具有明显的局限性,即在勘探程度较低的地区,因为钻井资料少,难以在平面上展开,此外井间对比只能定性分析砂体尖灭的大致区带,无法定量识别其具体位置;②利用常规时间域地震数据提取属性以及反演来刻画尖灭线位置,该方法的缺陷是存在时窗穿时问题,因此对尖灭线位置的刻画不够准确。近年来地震沉积学所发展的90°相位转换、Wheeler域数据转换以及地层切片技术在碎屑岩和碳酸盐岩沉积演化、储层预测、沉积体系形态刻画方面都取得了较好的应用效果:梁全胜[4]将90°相位转换和地层切片技术用于鄂尔多斯盆地上古生界水道特征的识别;杨帅等[5]在涠西南地区应用地震沉积学刻画了涠洲组沉积相和薄层砂岩;刘书会等[6]进一步研究了地震沉积学关键技术,并在东营三角洲沉积演化分析工作中取得了很好效果。本文针对库车坳陷南斜坡白垩系舒善河-巴西改组砂、泥岩薄互层发育,但砂体边界预测难而导致岩性、地层圈闭难以落实的问题,尝试利用地震沉积学发展的新方法预测砂体边界,并应用于英买1三维工区,较好地刻画了三角洲前缘薄层砂体的边界。

1 地层尖灭线识别方法

地震沉积学是在沉积学、地震地层学和层序地层学基础上发展起来的以现代沉积学和地球物理学为理论基础,结合井震标定、地震储层预测、等时地层切片研究沉积体形态及其演化的一门新兴学科[7-12]。该学科发展的3项关键技术是:90°相位转换、Wheeler域转化和地层切片技术。这些技术将三维地震资料的应用扩展到对沉积体空间形态展布、演化的精细研究,在平面发育特征稳定,垂向变化频繁的碎屑岩沉积区有很好的应用价值,为砂体尖灭线的识别提供了有效的理论基础和技术手段。

英买1三维工区位于库车坳陷南斜坡西段,白垩系舒善河-巴西改组沉积期物源为南东—北西向,为一套滨-浅湖向三角洲前缘相过渡的沉积体系,在三角洲前缘末端及滨-浅湖砂坝部位发育了丰富的砂体尖灭现象。分析钻井资料可知,白垩系上统地层在研究区内被剥蚀,自下而上残留下统的亚格列木组、舒善河组、巴西改组和巴什基奇克组地层。其中舒善河组中段泥岩为最大海泛面,可划分为3个四级层序旋回。勘探结果显示,目前油气发现及显示井主要集中在低水位体系域的舒善河组顶—巴西改组。舒善河组上段—巴西改组薄层砂体发育,纵向上砂泥岩叠置频繁,是地层、岩性圈闭发育的有利地层,但砂体厚度较小,一般厚度不超过10m(图1)。利用常规地震资料及方法难以对这些地层和岩性圈闭进行预测,因此尝试利用地震沉积学的3项关键技术对砂体尖灭线进行刻画。

图1 库车坳陷南斜坡白垩系地层综合柱状图

1.1 90°相位转换

地震沉积学的一个关键技术是对地层岩性的估计和相位转换。首先利用90°相位转换技术实现地层岩性的估计,其基本原理是通过相位估算,将地震相位旋转到90°,使反射波主瓣对应到薄层中心,以此来克服零相位波的缺点,同时使地震剖面的极性具有岩性界面意义[4]。该技术在地震数据体为零相位、研究目的层为砂泥岩薄互层、波阻抗特征差异比较明显的条件下,可以很好地将地震数据体转换为岩性数据体,另外还可以提高地震数据体的分辨率。

对英买1三维工区地震数据进行90°相位转换,使地震数据具有以下特点:①地震同相轴与岩性具有较好的对应关系,原始地震剖面中薄砂层对应强反射界面,90°相位转换后地震数据体转化为岩性数据体,与薄砂层的对应关系更好(图2中红色波谷位置);②振幅与波阻抗、厚度对比关系更好,三角洲前缘相地震波阻特征得到明显改善(图2中红圈部分);③地层分辨率得到明显提高。沿物源方向由南东—北西向切取地震剖面,三角洲前缘末端薄层席状砂、滨-浅湖砂坝砂体在原始地震剖面上为复波反射特征,而在90°相位转换地震剖面中同相轴分辨率提高,对砂体反映更加清晰。另外根据频谱分析,在90°相位转换地震数据的基础上再进行分频处理,以进一步提高对薄层砂体的分辨率。

图2 原始地震剖面(a)与90°相移地震剖面(b)对比

1.2 Wheeler域转换

地震沉积学解决的另一个问题是地震同相轴的等时性问题。利用常规时间域地震资料进行地层解释时,因受构造趋势的影响,存在较强的多解性,而Wheeler域地震资料旋回性清楚[13-14];另外,受地震分辨率影响,解释过程中常遇到沉积体穿同相轴的现象,因此利用常规时间域地震属性进行地质体的预测有时不准确,要从平面上精细刻画地质体的展布形态,需要解决地震同相轴的穿时问题。根据地震沉积学理论,Wheeler域地震数据转换技术是在地震等时界面识别的基础上,将常规时间域地震数据沿两个等时界面转换为Wheeler域,使地震反射相位近于水平,具有等时性[15-17]。在实际研究中,为避免因地层剥蚀引起的穿时问题,在英买1三维工区白垩系内幕巴什基奇克组底界(TK1bs)和白垩系底界(TK)两个层位之间进行Wheeler域地震数据转换,保证地质上的等时性,另外,由于在两个反射界面之间发育丰富的沉积体变化,在地震剖面上三角洲前缘整体呈楔状前积反射,为中频、强反射特征,同相轴连续性较好;滨-浅湖砂坝呈中频、中等反射,同相轴呈波状特征,连续性较差;滨-浅湖为低频、弱反射特征,同相轴连续性好(图3)。沉积背景、地震反射分辨率特征都为利用地层切片法识别砂体尖灭线提供了良好的基础资料。基于此,利用等分内插的方法对舒善河-巴西改组地层划分等时界面,实现在一个相对等时的时窗内提取地震属性,因此,分析结果具有地层年代意义。

图3 原始地震剖面(a)与Wheeler域转换地震剖面(b)对比

1.3 地层切片分析

地层切片技术在薄层砂体刻画方面越来越重要,目前常用的方法有时间切片、沿层切片和地层切片3种。ZENG等[10-11]指出,在地层切片分析过程中,沿着或平行于地震同相轴的层位进行沿层切片,得到的切片更具地质和地球物理意义,因此Wheeler域数据体上的地层切片比时间切片和沿层切片更接近于等时沉积界面。地层切片方法是在Wheeler域数据转化的基础上,针对研究目的层内的反射特征,在等分原则下,沿内插层位逐一提取地层属性的方法,这一系列具有相对等时性的属性精细地反映了目的层沉积体的演化过程。因此对薄层砂体尖灭线的刻画,地层切片相对于时间切片和沿层切片更加合理。

英买1三维工区白垩系舒善河-巴西改组砂体平面分布范围广,厚度多小于10m。目前认为1/4波长是地震纵向分辨率的极限,研究区地震资料主频为25Hz,根据5000m/s的层速度计算,最大识别精度为25m,因此从地震剖面上识别舒善河-巴西改组薄层砂体尖灭线的难度较大。另一方面,考虑到地震横向分辨率与垂向分辨率相同,而三角洲前缘相砂体的平面分布规模远大于垂向规模,因此平面上识别砂体展布特征相对垂向上要容易得多。结合井震标定,可以利用Wheeler域地震数据体等时切片横向分辨率高的特点,通过地震沉积体平面形态的刻画提高对薄储层识别的分辨率和精度[18]。

本文采用3种方法对英买1三维工区砂体展布和尖灭线进行刻画:①利用传统地震属性提取方法分析砂体分布,白垩系舒善河组顶面上下10ms时窗的均方根属性(RMS)提取结果显示,舒善河组沉积期物源来自南东向,向北西延伸的三角洲前缘相朵状沉积特征明显,分流河道砂体特征比较清晰,在三角洲前缘末端发育的滨-浅湖砂坝砂体呈片状分布,整体沉积规律与钻井分析结果一致,但该方法对砂体尖灭线具体位置的刻画并不清楚(图4a);②利用沿层切片可以刻画出三角洲前缘相的整体展布特征,但由于该方法存在穿时性,反映出的三角洲前缘相内部沉积呈现出连片的特征,另外随着向北西向湖盆中心的延伸,前缘相砂体反射消失,提取的信息即为下覆地层的反射,出现严重穿时问题,刻画结果明显欠合理(图4b);③地层切片方法提取的地层信息具有等时性以及明确的地质意义,因而刻画结果能够清晰反映出三角洲前缘砂体尖灭的精确位置,相对于属性提取的砂体展布,其结果明显向湖盆方向延伸,介于三角洲前缘与滨-浅湖砂坝过渡的位置(图4c)。以上分析结果说明,利用传统属性提取和沿层切片分析的结果,只能大致反映厚层砂体的分布特征和范围,而地震沉积学中的地层切片方法对于薄层砂体尖灭线的刻画更加精细,更接近于薄层砂体分布的实际位置。另外,分析尖灭线位置在90°相位转换地震数据体上的变化特征,发现其与同相轴的消失或不连续对应关系良好,认为是岩性相变在地震剖面上的响应(图4d 中黑圈所示),代表了三角洲前缘相砂体尖灭的实际位置。

图4 属性预测、沿层切片、地层切片方法刻画砂体分布a RMS属性预测舒善河组砂体分布;b 沿层切片预测舒善河组砂体分布;c 地层切片预测舒善河组砂体尖灭线;d 地层切片与地震剖面的关系

2 应用效果分析

钻井及岩心分析结果显示,库车坳陷南斜坡白垩系地层岩性组合普遍以砂泥岩互层为主,为中-厚层泥岩夹薄层泥质粉砂岩、粉砂岩及少量细砂岩,砂岩储层物性普遍较好,并且具有“口口见油气显示”的特征,说明该层系具有油气运移、成藏的基本条件。截至目前,发现的工业油气井数量与油气显示井数量并不成比例,分析认为,其原因就在于对地层、岩性圈闭的侧向封堵条件不落实。因此,解决薄层砂体的预测问题及确定砂体尖灭线准确位置,进而落实地层、岩性圈闭条件就成为该区白垩系油气勘探面临的一个关键问题。

分析认为,整个库车坳陷南斜坡的油气发现与该区沉积相展布关系密切:多数油气显示井都位于三角洲前缘末端或滨-浅湖砂坝相的边界位置,三角洲前缘主体部位油气显示偏少;砂岩厚度分布特征显示,在砂、泥岩过渡区,尤其是厚层砂岩的快速尖灭区,油气显示丰富,在分流河道砂岩发育、砂体厚度较大的三角洲前缘主体,油气显示井反而较少,进一步说明该区油气成藏的关键要素非砂体厚度大小,而是砂体尖灭线位置以及侧向封堵条件的有效性。究其原因,三角洲前缘末端砂体发育稳定,储层物性好,其尖灭线处也是泥岩的增厚区,具备泥岩侧向封堵的条件,在现今地层上倾或抬升剥蚀的构造背景下,具备发育上倾尖灭型、不整合遮挡型圈闭的条件,因此大部分显示井及油气井都分布于此区域。而在缺少对砂岩尖灭位置精确预测的情况下,井点钻遇的厚层砂体位于上倾尖灭线的下方,因其上倾部位或上覆地层缺乏泥岩盖层的发育,难以为油气保存提供有效遮挡条件,油气向构造上倾方向继续运移,因而不能形成有效油气聚集(图5)。

综合以上分析,除加强利用钻井资料分析沉积相展布规律以外,利用地震沉积学的90°相位转换、Wheeler域转换和地层切片技术精细分析砂体尖灭线,结合现今构造,对库车坳陷南斜坡白垩系地层、岩性圈闭进行搜索,确定有利圈闭发育位置,对于寻求该区白垩系的油气勘探突破具有广泛应用前景。

3 结论

1) 库车坳陷南斜坡白垩系砂体尖灭线的识别攸关该区地层、岩性圈闭的勘探。利用地震沉积学发展的3项关键技术,即90°相位转换、Wheeler域转换和地层切片技术,选取英买1三维工区白垩系舒善河-巴西改组进行薄层砂岩尖灭线的识别,效果较好,相对利用原始地震数据提取属性以及沿层切片的预测结果都具有明显优势。该方法突破地震资料时间域的常规研究,具有重要的创新性和实践意义。

2) 库车坳陷南斜坡白垩系砂岩尖灭线与油气聚集关系密切,结合沉积相分析与地震沉积学技术识别砂体尖灭线,在库车坳陷南斜坡白垩系开展圈闭搜索,对于该区地层、岩性油气藏的勘探具有良好应用前景。