薄互层火成岩地震响应特征及厚度预测

刘恭利，韩自军，段新意，甄宗玉

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300459）

0 引言

火成岩的发育可以促进深部烃源岩的成熟，还可以改善储集层的物性和含油气性，在有些储层发育地层内还能够起到侧向封堵的作用。火成岩较为发育的地区其构造往往十分复杂，再加上火山通道对地层的改造作用，使得资料的采集与处理都存在很大的困难［1-2］。渤海海域南部B油田是近几年新发现的大型油田，地处郯庐断裂与张蓬断裂交接处。由于渤海湾盆地古近系的构造运动是多旋回与多成因机制叠置的幕式演化过程，东营组沉积时期经历了裂陷Ⅲ字幕，构造应力等因素的影响使得该油田在东营组沉积时期有多期岩浆活动，广泛发育火成岩［3-6］。该区域内的火成岩地震波速度以高速为主，对目的层构造成图及后续井位部署及油田开发都有很大影响，因此准确刻画火成岩发育厚度及横向范围十分关键。同时，渤海南部东营组火成岩是以多期喷发的溢流相为主，单层厚度较薄（厚度＜5 m），多以薄互层形式存在，横向变化大。预测这种薄互层形式的火成岩的净厚度非常困难，主要有2个原因：①实际厚度小于1/4波长，地震视厚度往往大于实际厚度；②净毛比在横向上存在变化。

很多学者针对不同区域火成岩的地质现象进行了详细分析与探讨，涉及火山机构的鉴别、火山机构的形成机制以及不同火山岩的地震响应特征等方面［7］，张玉芬［8］认为薄互层的单层厚度和组合结构均是决定反射波和频谱特性的主要因素。孙淑艳等［9］尝试预测薄互层形式下的砂泥岩的有效厚度，建立不同净毛比条件下双层不等厚砂岩模型，分析并突破了模型中2层砂岩厚度必须相等的局限。针对火成岩厚度的刻画研究却相对较少。

利用实际井钻遇的火成岩参数建立一系列模型，分别分析单层厚度、组合结构以及净毛比这3种影响薄互层火成岩振幅响应特征的因素，确定主控因素，根据实际子波正演求取振幅与主控因素之间的线性关系，并结合约束稀疏脉冲反演对渤海B油田薄互层形式的火成岩的净厚度进行预测，以期精确研究薄互层火成岩对下伏地层产状的影响程度。

1 火成岩岩相特征

火成岩的成因具有多样性，不同成因类型对应不同岩相的火成岩。火成岩的岩相划分有利于识别不同岩相的发育规律，揭示火山的喷发旋回和多期火成岩的组合关系。黄玉龙等［10］将火山岩相划分为喷发相、次火山岩相和火山通道相，并包含有多种火山亚相；Cas等［11］根据火成岩的物源及搬运方式的不同，将火山岩相划分为熔岩流相、火山碎屑岩相、火山碎屑沉积相、凝灰岩相和火山灰相等；金伯禄等［12］按火山物质搬运方式将火山岩分为4种岩相11种亚相，包括爆发相、喷崩及喷溢相、侵出及潜火山相和喷发—沉积相；谢家莹等［13］通过对中国东南大陆中生代火山的研究，将火成岩划分为13种岩相，包括喷溢相、爆发空落相、火山碎屑流相、爆溢相、基底涌流相、火山泥石流相、喷发沉积相、火山颈相、侵出相、潜火山相、隐爆角砾岩相、侵入相、火山湖相；王璞珺等［14］通过对松辽盆地火成岩的研究，根据成因和可识别性将火成岩划分为5种岩相及15种亚相。

渤海B油田在多个断块内均有钻井，目前已有11口预探井，除2口浅层井外，其余井在不同断块内均不同程度地钻遇火成岩。该构造古近系经历多期火山喷发，通过对区域构造演化史及已钻井录井资料的分析，该油田火成岩岩相可以划分为爆发相、溢流相、侵入相、火山沉积相以及火山通道相等5种主要的岩相（图1）。根据不同层段火成岩的录井、地化资料分析，东营组发育的火成岩主要为溢流相玄武岩、爆发相凝灰岩和火山沉积相的沉凝灰岩，目的层东三段内部火成岩相对较少，主要为局部存在的侵入相辉绿岩，火山通道相纵向变化大，通道内岩性复杂，主要沿裂隙分布，剖面直立倒三角特征较明显。

图1 溢流相和火山通道相火成岩剖面特征Fig.1 Seismic section of overflow and volcanic vent facies igneous rocks

图2为目的层段内井上钻遇火成岩的速度-密度交会图，爆发相的凝灰岩和火山沉积相的沉凝灰岩的速度为2 700～3 500 m/s，与砂泥岩的速度2 600～3 800 m/s基本上重叠在一起，密度为2.15～2.55 g/cm3，这类岩性的火成岩在地震剖面上显示为低频低振幅的反射特征，与正常砂泥岩的反射特征存在一致性，在剖面上识别困难［15］，但与正常沉积岩相类似的速度特征，对后续的构造成图的校正工作影响不大。溢流相的玄武岩和侵入相的辉绿岩地震波则表现为高速度高密度的特征，与正常沉积岩特征有明显区别，速度为4 200～5 800 m/s，密度为2.50～2.85 g/cm3，在剖面上表现为中频强振幅平行反射，连续性较好，以玄武岩为主，这一岩相的火成岩速度较高，如果在构造成图的工作中不考虑其影响，将会带来较大的误差。

图2 目的层内的火成岩速度与密度交会图Fig.2 Crossplot of velocity and density of igneous rocks in the target zone

溢流相的玄武岩有明显的高阻抗特征，在剖面上具有较好的可识别性［16］，但其单层厚度往往小于5 m，大多以薄互层形式存在。这种薄互层火成岩是由于火山不同期次的喷发与溢流导致，在多个薄层之间往往夹杂有砂泥岩，在零相位地震剖面上对应于一组波峰波谷反射。将其火成岩及沉积岩总体厚度定义为毛厚度，而单层火成岩累计的厚度与毛厚度的比值定义为火成岩净毛比。同时，从已钻井来看，薄互层毛厚度大部分在1/4波长范围内，一个反射波组往往对应2～3个单层火成岩，甚至更多，因此在毛厚度和净毛比相对稳定的情况下，单层火成岩与沉积岩之间的组合关系定义为火成岩组合结构，也应该作为振幅响应特征分析的因素之一。不同的毛厚度、组合结构和净毛比的情况下，火成岩剖面响应可能具有较明显的差异，为了验证这3种因素对火成岩的地震响应的影响，通过建立多种模型进行分析影响薄互层响应振幅的主控因素。

2 不同因素对薄互层火成岩地震反射振幅的影响分析

录井及测井资料均显示，低速度低密度的火山沉积相和爆发相火成岩通过地震手段难以刻画，而高速度高密度的溢流相和侵入相火成岩在地震上能够识别［17-18］。频谱分析认为渤海B油田目的层段东营组主频在18 Hz左右，对于4 200～5 800 m/s的高地震速度火成岩，其可识别厚度为58～80 m。对于单层火成岩的振幅响应，实际钻探的火成岩厚度要远远小于地震分辨率，不同厚度间的组合结构也比较复杂，单层主要集中在0～15 m，以5 m以内的薄层为主，其中分布最广泛的玄武岩厚度也多为薄层，火成岩互层形式的毛厚度与净毛比又有差异，须要分析不同组合结构下的火成岩响应机理。分别考虑薄互层形式下的火成岩互层组合结构、毛厚度与净毛比3种因素对其响应振幅和响应时间厚度的影响，以下模型中火成岩的速度为5 000 m/s，密度为2.70 g/cm3，背景速度为 3000 m/s，密度为 2.30 g/cm3。

2.1 组合结构的影响

为了研究火成岩薄互层组合结构对响应振幅的影响，通过建立5个不同模型进行正演分析［图3（a）］，这5个模型的毛厚度均为30 m，火成岩净毛比均为 0.8，组合厚度分别为（22 m，2 m）、（18 m，6 m）、（12 m，12 m）、（6 m，18 m）和（2 m，22 m），显示了5种不同组合结构下的火成岩响应振幅和时间厚度，其中组合厚度为（22 m，2 m），是上厚下薄的特征，而组合厚度为（2 m，22 m）时，正好与之相反，中间3个模型上下厚度相差逐渐减少，变化趋势基本上可以反映从早期到晚期火成岩的喷发次数逐渐增多、相当和逐渐减少的情况。以响应振幅的最大值和相移剖面的时间厚度作为最终的统计结果，如图3（b）所示，组合结构不同，振幅为23 000～31 000，时间厚度为20～23 ms，变化均较小。因此可知，在1/4波长的范围内，当毛厚度和净毛比固定不变时，薄互层火成岩的组合结构对振幅响应的影响较小。

图3 不同组合形式下火成岩模型及其振幅响应特征Fig.3 Igneous rock model and amplitude response characteristics under different combinations

2.2 毛厚度的影响

对于毛厚度的影响分析，通过建立薄互层楔状体的正演模型，分别选取净毛比α=1.0，α=0.8，α=0.5，α=0.2 共 4 个楔状体进行正演分析［图 4（a）］。

如图4（b）所示，几个薄互层形式下的火成岩楔状体都有类似响应特征。当火成岩净毛比较小的时候，毛厚度的增加对振幅的影响较小，随着火成岩占比的增加，毛厚度的增加对振幅的影响也相应增大。通过井震对比统计可知，已钻井的互层火成岩的时间厚度主要为14.4～32.0 ms，当净毛比为0.2～0.8时，由火成岩毛厚度引起的振幅变化量要小于净毛比变化所带来的振幅变化量，在这种情况下，振幅响应的主控因素应该是火成岩的净毛比，因此通过振幅值的大小推测净毛比的变化是可行的。

2.3 净毛比的影响

图4 4种净毛比条件火成岩模型及其振幅响应特征Fig.4 Forward modeling under four kinds of igneous rock ratio and their amplitude response characteristics

在渤海B油田火成岩的发育规律下，为了分析净毛比对振幅的影响，选择毛厚度保持H=50 m不变，组合结构也相同的5层火成岩互层模型［图5（a）］，其净毛比分别为α=0.24，α=0.40，α=0.56，α=0.72，α=0.88，并选取多井标定提取的地震子波进行正演。如图5（b）所示，随着净毛比的增加，火成岩响应振幅从6 000逐渐增大到32 000，振幅变化大，而且随着净毛比的增大，响应振幅和对应的时间厚度都随之增大，净毛比与振幅呈正相关关系。同时，当净毛比小于30%时，其振幅响应很弱，利用振幅对火成岩进行剖面的识别较困难。

图5 相同毛厚度、不同净毛比条件下火成岩模型及其振幅响应规律Fig.5 Igneous rock model under same thickness and different igneous rock ratios and amplitude response

通过精确井震标定，利用所有已钻井提取得到综合子波，以上所有模型的正演分析均采用井震标定所提取的综合子波，其子波振幅能量与实际地震振幅能量相当。对振幅与净毛比的关系进行线性拟合，得到如下公式

式中：A为薄互层火成岩的响应振幅；N为火成岩净毛比。

在明确了振幅与净毛比之间的关系后，再提取待预测的薄互层火成岩厚度所对应的振幅，利用两者之间的关系就可以求取不同振幅响应下的火成岩净毛比，进而可以用来计算火成岩的净厚度。

3 薄互层火成岩厚度的预测

组合结构对薄互层火成岩振幅响应的影响较小，在1/4波长内，主要的振幅影响因素在于火成岩的净毛比，区域范围内的净毛比可以通过振幅与净毛比之间的拟合关系求得。实际应用中，为了获得目的层段不同期次的火成岩净毛比，通常采用层序地层方法划分出不同期次的火成岩，采用合适的时窗来提取各个期次火成岩响应的最大振幅值属性，根据振幅与净毛比的关系可以求取各期次火成岩净毛比的平面分布（图6）。

图6 多期喷发的火成岩最大振幅属性分布（红色代表火成岩分布）Fig.6 Distribution of maximum amplitude attributes of igneous rocks of multi-stage eruption

常规求取火成岩厚度时，通常是借用区域时深关系进行估算，得到的厚度受区域时深关系的精度影响较大，而且没有经过净毛比的约束，预测厚度往往比实际厚度大。

为了得到各个期次火成岩的厚度，采用约束稀疏脉冲反演对目的层段内的火成岩进行描述，得到各期火成岩的时间厚度［图7（a）］。火成岩速度可以利用井上统计数据得到，利用该速度求取各期火成岩的毛厚度，将火成岩净毛比与毛厚度相乘可得各个时期火成岩的净厚度。图7（b）为渤海B油田范围内目的层段内的火成岩净厚度的平面分布图，红色区域代表了火成岩发育程度。

图7 火成岩反演剖面（火成岩阻抗阈值黄色显示）及厚度平面分布Fig.7 Inversion section and thickness prediction of igneous rocks

将研究区内5口已钻井钻遇火成岩（溢流相玄武岩）厚度的预测精度进行对比（表1），利用净毛比约束下的火成岩净厚度预测精度得到不同程度提高。已知Well_1和Well_2钻遇同一套玄武岩，钻井资料显示Well_1实际钻遇的这套玄武岩厚度是26.7 m，采用常规方式求取的厚度为36.3 m，而用约束稀疏脉冲反演方法预测的厚度是25.1 m，在该井附近的Well_2实际钻遇厚度为29.1 m，常规方式求取的厚度为33.2 m，采用约束稀疏脉冲反演方法预测的厚度是28.2 m，预测精度有较大的提高（图8）。

从对比结果可看出，利用地震视厚度计算薄互层火成岩的厚度会使得计算结果偏大，利用净毛比与响应振幅之间的关系作为控制条件可提高薄互层厚度预测的精度。精确的火成岩厚度对后续构造成图工作和开发阶段的井位设计都有较大的支持。

表1 已钻井钻遇玄武岩火成岩厚度预测精度Table 1 Predicted thickness of igneous rock with drilled basalt

图8 不同方式预测的火成岩厚度Fig.8 Thickness of igneous rocks predicted by two methods

4 结论

（1）渤海B油田在古近系目的层段内广泛发育火成岩，其中溢流相玄武岩和侵入相辉绿岩具有高速度高密度的特征。

（2）通过分析3种影响薄互层火成岩振幅响应的因素，认为在毛厚度一定的情况下，火成岩净毛比对薄互层地震响应有较大影响，是振幅响应的主控因素。

（3）通过实际子波的正演分析，拟合出净毛比和火成岩响应振幅的线性关系，利用两者之间的关系作为约束条件，结合稀疏脉冲反演对渤海B油田火成岩厚度进行了预测。实际应用效果表明，相对传统估算火成岩厚度的方式，该方法能有效提高火成岩厚度的预测精度。