大庆长垣油田断层阴影地震正演模拟及校正方法

姜 岩 程顺国 王元波 李 操

(中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

1 研究区概况

大庆长垣油田经过50多年的开发，现阶段断层附近已成为剩余油富集潜力区及主要挖潜目标区。油气开发一般要求识别断距为5m以上低级序断层及3～5m的微幅度构造。利用地震资料进行构造解释过程中发现，在大断层下盘经常存在疑似伴生小断层、微幅度构造解释的陷阱。已有研究表明，长垣油田浅层区域上普遍发育的嫩二段低速地层是产生上述陷阱的原因，该地层埋藏深度范围是400～800m，为深水—半深水环境下沉积的一套厚度约300m的暗色泥岩，存在比正常速度趋势低约400m/s的速度异常[1]，在断穿该低速地层的断层下盘附近普遍存在构造假象。

密井网区井资料也证明确实存在该构造假象。图1所示的地层精细对比结果表明，相邻的A、B两口井目的层地质分层深度相差7m，而在地震时间剖面上相差约20ms(换算成深度相当于30m)，地质层位与地震解释层位存在明显的矛盾； 同时，根据大量密井网测井曲线精细对比、核查，发现所有穿过地震解释的逆断层的井也没有揭示地层重复及断点的存在。井震结合精细对比解释结果表明，大断层下盘存在构造和断层解释陷阱，该解释陷阱阻碍了老油田断层附近剩余油潜力落实，因此需查明较大断层附近的真实的构造特征，指导精细挖潜。

上述在断层下盘存在的三角形地震成像不可靠区域，即断层阴影，表现为两种地震成像畸变：一种是地震同相轴“上拉”或“下拉”的时间异常，可能被解释为正向或负向微幅度构造；另一种是断层下盘地层反射同相轴的错断，可能会被解释为大断层伴生的小断层或断层破碎带。Stuart[2]分析垂直旅行时关系后认为，断层阴影是由断层两侧地层速度的横向变化引起的，并且只要层速度随地层时代变化断层阴影问题就会产生。目前，国内外对断层阴影区的研究比较少，从公开发表的文献[2-11]来看，研究主要集中在定性分析及如何利用叠前深度偏移成像方法减少或消除断层阴影，研究结果多数情况下仅依靠地震资料而无法用足够的井资料加以证明，并且在断层阴影定量分析方面的研究更少。为此，作者根据长垣油田密井网开发区的实际资料情况，利用地震正演模拟技术，尝试从断层断距、断层倾角、地层厚度、地层速度等方面做定量分析，并在此基础上，提出适合密井网开发区的断层阴影区校正方法，并已见到较好的应用效果，期望为解释人员提供一种降低断层阴影区构造解释多解性的思路和方法，对类似长垣油田这种地质条件下的断层阴影研究提供一定的借鉴。

图1 长垣油田大断层下盘典型地震反射特征图

2 地震正演模拟分析

地震正演模拟是根据已有地质模型生成地震记录的过程，在合理地质模型建立和相应物理参数已知的基础上，通过正演模拟研究地震波在介质中的传播规律，明确地质体的地震响应特征。一方面可消除由于采集、处理等多因素导致的实际地震资料难以准确成像的弊端； 另一方面可让解释人员更直观地观察到地质体的地震响应特征，从而提高地震解释的可靠性。为此，根据长垣油田实际构造特点，设计正断层地震正演模型，系统地分析了断层阴影区的地震成像特征。

2.1 断层阴影产生机理分析

断层上、下盘地层由于地质年代与压实程度差异造成速度的横向变化，使地震反射波经过断面时射线路径具有不对称非双曲线特征，在时间偏移成像处理过程中利用双曲线假设无法正确成像，从而导致断层阴影的出现。

为了更好地描述断层阴影产生机理，设计了正断层两侧的地层都是水平的、且同一地层横向速度、密度都为常数的理论单层速度异常模型(图2a、图2b)。从图2中正演模拟结果可见，断层上盘地层的反射同相轴水平，没有畸变；断层下盘地层在断层面正下方的地震反射同相轴发生明显变化。对于低速地层单元，在离开断层低速层正常厚度位置时(图中蓝色圆圈位置处)，断层面正下方的地层反射旅行时小于地层反射时间，地震反射同相轴产生“上拉”畸变(图2c)，上拉最高点位于低速地层单元厚度最薄处(图2e蓝色虚框内)； 同样对于高速地层，断层面正下方地层反射旅行时大于地层反射时间，地震反射同相轴产生“下拉”畸变(图2d)，最低点也必然位于高速地层厚度最薄处(图2f蓝色虚框内)。这种对应关系与一般高速地层同相轴“上拉”、低速地层同相轴“下拉”情况相反，产生上述地震反射异常主要缘于速度异常单元变薄或缺失。

图2 断层阴影区理论模型及正演模拟

2.2 断层阴影区的影响因素分析

根据长垣油田的构造特点、测井曲线速度、密度统计结果以及地震资料品质，从低速层速度、断层断距、断层倾角、低速层厚度四个方面分析了断层阴影区的影响因素。模型的基本结构和物理参数如表1所示。采用主频为50Hz的零相位雷克子波，面元尺寸为10m×10m，采样率为1ms，利用自激自收方式进行地震合成记录正演模拟。

2.2.1 低速层速度变化及地震正演模拟

设计了低速异常层的速度为2200～3000m/s、间隔100m/s变化的速度模型(图3a)。从地震正演模拟剖面可见，整体上断层阴影区地层的地震反射同相轴形态变化较大。在低速层厚度、断层倾角及断距不变的情况下，统计结果表明当低速层速度大于下伏地层速度10%以上时，断层下盘构造假象变得更加复杂，此时断层阴影区的地震反射呈现出 “垒—堑—垒” 假象，且越往深部地层该现象越明显(图3b～图3d)。对图中低速层下伏目的层位的地震反射时间进行分析表明，随着低速层速度的增加，下伏地层的地震反射时间、反射时差均减小； 当低速层速度大于下伏地层速度时，下伏地层的地震反射时间由正向微幅度逐渐向负向微幅度过渡(图3e、图3f)。

表1 地层及填充物理参数表

图3 时间域不同构造畸变与速度关系

2.2.2 断距变化及地震正演模拟

为了分析断距对断层下盘地震成像的影响，设计了断距为10～80m、间隔10m变化的断层模型(图4)。从地震正演模拟结果可见，整体上断距越大，断层阴影区的断层假象越明显，这种现象近垂直分布。当断距小于20m时，断层下盘地层的地震反射同相轴发生扭曲、上拉，出现微幅度构造假象； 当断距大于30m时，随着断距的增大，断层下盘断层的地震反射同相轴错断，断层假象的反射特征越来越明显。抽取地震模型第38道数据进行构造畸变情况对比分析发现，在断层倾角、低速层速度及厚度不变的情况下，随着断层断距的增加，地震反射同相轴的构造畸变量增大，反映微幅度构造假象的反射时差则相应减小(图5)。

图4 不同断距地质模型(左)及其地震响应(右)

图5 时间域不同构造畸变(a)及其与断距关系(b)

2.2.3 倾角变化及地震正演模拟

根据长垣油田大断层倾角的分布特征，设计了断层倾角为50°～80°、间隔10°变化的地质模型。从地震正演模拟结果可见，随着断层倾角的增加，断层阴影区构造畸变形态变化不大，只是逐渐向断层面靠近，断层阴影区范围变小，阴影区地层的地震反射同相轴由扭曲向错断变化，变得更加复杂(图6)； 当断层断距、低速层速度及厚度不变时，不同断层倾角情况下，其下伏地层的最大、最小反射时间一致(图7a)，只是构造变化率随着断层倾角的增加而逐渐减小(图7b)，说明倾角的变化对断层阴影区的影响范围较大。

图6 断层倾角分别为50°(a)和70°(b)的地质模型(左)及其地震响应(右)

图7 时间域断层阴影区不同倾角时的构造畸变(a)及其与倾角关系(b)

2.2.4 低速层厚度变化及地震正演模拟

在地层总厚度不变的情况下，设计了低速层上覆地层厚度间隔60m逐渐增厚、低速层厚度为330～90m间隔60m逐渐减薄的不同厚度地质模型(图8a)。从地震正演模拟剖面看出，当低速层厚度在330～270m范围时，低速层下伏地层的地震反射同相轴形态变化不大(图8b、图8c)； 随着低速层厚度逐渐减薄，断层阴影区下伏地层的地震反射同相轴也呈现出“垒—堑—垒”构造假象，当厚度减薄至约200m时，受断面两侧上覆地层速度横向变化的影响，断层阴影区低速地层顶面反射同相轴错断，也形成断层假象(图8d)，断层F1断穿低速层L3，断层阴影区构造变得更加复杂。从断层阴影区时间域地震反射构造畸变图可看出，随着低速层厚度的减薄，下伏地层反射同相轴由扭曲变为错断，反映微幅度假象的地震反射时差与低速层厚度呈正相关(图9)。

图8 厚度变化低速层地质模型(a)及其对应地震响应(b，330m； c，270m； d，210m)

图9 时间域断层阴影区不同构造畸变(a)及其与低速层厚度的关系(b)

根据长垣油田实际地质特点，利用单因素方法从低速层速度、低速层厚度、断层断距、断层倾角四个方面分析了断层阴影区断层与构造畸变的关系。从分析结果看，前三个因素是影响长垣油田断层阴影区存在的主要因素。然而，究其本质仍然是地层速度的横向变化导致的地震反射不能实现真正的共反射点叠加，因此所有导致断层两侧地层速度横向变化的因素，都会导致断层阴影区的构造畸变成像。从前面分析结果看出，断层阴影区的断层畸变假象一般表现为断层在垂向上较陡、近似直立，平面上断层的位置基本不随深度增加而变化，在解释过程中利用多种敏感地震属性分析手段，综合密井网钻测井资料，可有效减少地震构造解释陷阱。

3 断层阴影的校正方法

3.1 校正方法

理论上，若速度模型准确，采用叠前深度偏移技术可提高构造成像精度，有效消除断层阴影区的构造假象，呈现真实的构造形态特征[12-20]。但在实际陆地地震资料处理过程中，往往很难求取准确的深度—速度模型，导致叠前深度偏移方法常常在实际生产应用中并不能消除断层阴影区反射特征。长垣油田井网密度大，平均约100口/km2，井位分布均匀且有相当数量的井位于大断层附近，因此，在长垣油田密井网开发区最简单实用的方法是通过高精度三维空变速度场把时间域的地震数据体转换到深度域，降低断层阴影区的构造假象的影响。其主要步骤如下。

(1)逐井精细制作合成记录，得到目的层准确时深关系。根据标定结果，采用全三维自动追踪与人机交互方法对油层组或砂岩组进行精细层位解释。

(2)以解释的层位为约束，建立时间域构造模型，采用网格节点收敛算法建立初始三维空变速度场； 在此基础上，井震结合，建立精细深度域小层级构造模型。

(3)对深度域构造模型与时深转换的层位进行残差分析，并将该残差换算成速度差值对初始速度场进行迭代校正，最终获得准确的三维空变速度场，利用该速度场对时间域地震数据进行时深转换。在深度域数据体上进行断层、构造解释，大大降低了大断层下盘阴影区的地震解释风险。如图10所示，在时间域地震剖面上，过F2断层的WC井并没有解释出断点，说明该断层是不存在的；同时，大断层附近的构造趋势与实际井的分层趋势存在较大的差异，WD、WE两口井S11层位深度差为21m，对应的时间应相差约15ms，而实际时间域地震剖面上仅差1ms，说明时间域两口井之间的趋势不正确，而深度域剖面则较好地反映了井间的构造趋势，突出了微幅度构造特征，并且消除了时间域剖面上大断层附近伴生小断层及微幅度构造假象，提高了地震资料反映地下真实地质特征的能力。

图10 时深转换前(a)、后(b)地震剖面对比

3.2 应用效果

N2x是长垣油田断层最发育的区块之一，断层以北西向为主，同时也发育北东向断层，其间交切关系复杂。开发初期由二维数据解释的断层欠准确，因而在萨尔图高密度三维地震采集完成后，对该区块进行了第一次开发地震构造目标解释。此过程中尽可能挖掘地震信息，侧重解释具有小断层特征的细微信息。以萨Ⅱ组为例，此次共解释出97条断层(图11a)，而原来依靠井及二维资料仅解释出26条断层，且其中的多数低序级小断层难以厘清。

前文正演模拟结果表明大断层附近存在伴生的低序级小断层、微幅度构造假象，因此，为进一步提高该区块构造解释精度，满足断层附近开发部署及精细调整挖潜的需要，以正演模拟结果及断层阴影校正方法为指导，对该区块进行了二次构造目标精细解释。解释过程中，综合考虑了所有已知井和井断点的信息、岩性与小断层变化的地震响应特征及断层阴影区构造假象等因素。与原构造解释方案相比，整体构造格局及大断层分布特征基本一致，小断层变化较大，最终落实了44条断层(图11b)。

图11 萨Ⅱ组顶面重新解释前(a)、后(b)断层分布对比

应用上述方法提高了地震断层、构造解释的精度，使得断层附近剩余油挖潜由原来“躲断层”向“靠断层”转变。自2009年以来，大庆长垣井震结合精细解释成果在油田开发中得到广泛应用。完善了断层附近注采关系，充分挖掘了断层附近的剩余油。在大断层附近已累计投产高效井368口，从初期产能上看，平均单井日产液为35.6t，日产油为7.7t，含水约78.6%，见到了明显的开发效果。

4 结论

通过长垣油田断层阴影区的地震响应特征及影响因素分析，可得出以下几点认识：

(1)需正确认识地震剖面上大断层下盘存在的断层阴影区，其实质是断层两侧地层由于地质年代与压实程度差异造成速度横向变化，该地层异常速度单元的变化往往使地震波旅行时发生变化，引起下伏地层产生构造畸变，因此只要存在上述地层速度横向变化，断层阴影就将存在。

(2)叠前时间偏移地震剖面上在大断层下盘附近相伴生的小断层、微幅度构造假象是客观存在的，长垣油田低速层速度、低速层厚度、断层断距是断层下盘构造成像畸变的主要影响因素。低速层的速度越大，下伏地层的断层反射畸变越复杂、微幅度构造假象变化越小；低速层厚度越大，下伏地层产生的断层反射畸变越小，反映的微幅度假象变化越大；断距越大，下伏地层产生的断层反射畸变越大，反映的微幅度假象变化越小；断层倾角只影响断层阴影区的范围，对下伏地层的构造畸变影响有限。

(3)本次研究是针对相对均质的地质模型，采用单一因素分析方法对断层阴影区的反射特征及影响因素进行分析，实际地质情况是由多种因素综合形成断层阴影区的反射特征，因此，文中正演模拟的结果可能具有一定的局限性，但所有导致断层两侧地层速度横向变化的因素，都会影响断层阴影区的构造畸变结论应该是适用的，只是针对不同的研究区、不同的地质条件，各影响因素存在一定的差异。

(4)从油田实际应用效果看，利用井震结合方法建立的三维空变速度场对时间域地震资料进行时深转换是密井网开发区消除断层阴影区经济、有效的手段，对于类似长垣油田这种地层速度横向变化不大，通过对时深转换后的地震数据进行构造解释，可提高断层阴影区的构造解释精度，对断层附近剩余油精细调整挖潜具有一定的指导意义。