川西北地区上二叠统吴家坪组凝灰岩分布地震预测

徐敏，臧殿光，江娜，徐宝亮，郑虹，龚立，杨晋蓉

中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西南物探研究院，四川 成都 610213

随着川西北地区天然气勘探的不断深入，勘探地层逐渐由中浅层扩展到深层。2018年12月16日，中石油在四川盆地西南地区龙泉山构造钻探的永探1井首次在二叠系钻遇火山碎屑熔岩，测试日产气量22.5×104m3，使二叠系火山岩研究得到越来越多的关注和重视。火山岩是火山喷出地表后冷凝而成的岩石，分布规律极其复杂[1，2]。以往资料显示，专家学者对四川盆地吴家坪组做了大量的研究工作，认为吴家坪组在川北地区为海陆相沉积的碳酸盐岩和硅质岩沉积，岩性主要为生物灰岩、生屑灰岩、泥灰岩、砂屑灰岩、硅质灰岩、燧石层、白云质硅岩、硅质页岩、泥页岩灰层等[3]。但是，近期通过对川西北地区大量的老井进行复查发现，多口井在上二叠统吴家坪组存在大量凝灰岩，与前期研究有明显差异。目前，川西北双鱼石地区的ST101井在吴家坪组钻遇了52m的凝灰岩，平均孔隙度为4.3%，通过对其测试获得工业气流2.9×104m3/d，揭示了凝灰岩在四川盆地的产气能力及勘探潜力。

结合前人地质、测井、地震资料的研究成果，笔者针对川西北地区双鱼石构造、剑阁区块及九龙山构造钻遇凝灰岩的井，开展了精细的井震标定，采用模型正演分析技术研究其地震响应特征，利用波阻抗反演技术，刻画出了凝灰岩的平面分布规律，为下一步勘探目标的确定提供了有利依据。

1 研究区位置

研究区位于四川省西北部的广元市青川县、剑阁县和江油市境内(见图1)。区域构造位置处于四川盆地西北角，跨龙门山-米仓山台缘凹陷南缘及川北古中凹陷低缓构造区九龙山至中坝构造群；西部为双鱼石构造，东部为河湾场构造，中部为剑阁区块，南部为元坝地区，东南邻九龙山构造，北部为米仓山隆起南缘山前断褶带构造。整个研究区构造幅度低，双鱼石构造目的层多发育小断垒构造，中部剑阁区块至南部元坝地区构造平缓，地震资料整体上品质较好，信噪比高。

图1 研究区区域构造位置图Fig.1 Structural location of the study area

2 吴家坪组地质特征

2.1 构造演化特征

川西北地区吴家坪组构造演化较为简单，主要经历了2次构造运动，即中、上二叠统之间的东吴运动以及峨眉地裂运动。中二叠世东吴运动导致四川盆地整体处于拉张背景，盆地内火山活动强烈，局部区域地幔柱上拱导致地层差异升降，火山运动为大型古裂陷的形成提供了构造背景。受地壳均衡作用影响，四川盆地局部周缘发生台槽-台块大型的拉张分异，也致使川西北部广元地区茅口组发育为近EW向的深水硅-泥质台槽与浅水碳酸盐台块，该构造背景促使台缘带发育大量的高能礁滩体[4，5]，也形成了四川盆地特殊的优质气藏。罗志立于1981年提出峨眉地裂运动，它代表了晚古生代上扬子地台西南部地区一次强烈的拉张运动。峨眉地裂运动到晚二叠世最为活跃，整个四川盆地呈区域性隆升，盆地西南缘的裂谷带发生大规模岩浆喷溢，产生了大量NS向或NE向分布的张性断裂，称作峨眉山玄武岩喷发事件。峨眉地裂运动在一定程度上控制了四川盆地整个中-上二叠统古地理格局[6]。从地理位置上看，川西北地区距离峨眉山玄武岩喷发中心约350km，峨眉地裂运动为川西北地区凝灰岩的沉积提供了背景，且吴家坪组的构造演化也主要发生在中、上二叠统，由于峨眉山玄武岩的喷发，吴家坪期在川西南地区沉积了大量的火山岩，而川西北地区发现的凝灰岩，推测为峨眉地裂运动玄武岩喷发飘过来的火山灰沉积。

2.2 地层特征

吴家坪组下伏地层为中二叠统茅口组，吴家坪组上覆地层为中二叠统长兴组。四川盆地中、上二叠统东吴运动时期，整个地层抬升，下伏茅口组碳酸盐岩地层暴露并遭受剥蚀，沉积发生间断，上、下地层间形成不整合界面。吴家坪期地层存在明显的同期异相分布特征，致使四川盆地上表现为不同岩性组合[7]。在川西南地区雅安-峨眉一带的火山岩集中地层称为峨眉山玄武岩组；川中-川南地区的吴家坪期海陆交互相含煤地层称为龙潭组，川北-川西北地区以碳酸盐岩沉积伴随深海相泥页岩为主的地层称为吴家坪组。吴家坪组由下向上依次发育为底部滨岸沼泽烃源层、中部浅缓坡滩相储层、上部深缓坡硅质灰岩烃源层、封盖层，构成良好的生储盖组合[8]。

2.3 岩性特征

在川西北地区吴家坪早期，广元-旺苍地区沉积了一套由灰黑色泥岩、炭质泥岩和煤层组成的滨岸沼泽沉积，生物丰富。吴家坪中、晚期，广元-旺苍地区于深缓坡沉积环境中，形成了一套厚20m左右的富含硅质条带的泥晶灰岩沉积[9-12]。从目前已钻井的老井复查中发现，吴家坪组岩性主要为泥晶生屑灰岩、泥晶灰岩以及凝灰岩，生屑可见介壳、棘屑，介壳发育微裂缝，被方解石充填，凝灰岩中有凝灰质粉砂岩，含少量泥质，夹生屑泥晶灰岩。单层厚度在2～20m之间，吴家坪组累计地层厚度在36～254m之间。

3 凝灰岩特征

3.1 地质特征

凝灰岩是一种由火山碎屑岩向正常沉积岩过渡的岩石类型，这种岩石中火山碎屑物的含量大于正常沉积物，多形成于离火山喷发中心有一定距离的地方，特别是在有水下火山活动的海湖盆地主要通过风的搬运、水流或拍岸浪的搬运、水底滑动等多种形式与正常的火山碎屑物相掺杂，再由压结与水化学沉淀胶结成岩。在自然界中常与正常火山碎屑岩、正常沉积岩等共生，成层比较明显，粒径小于2mm[13，14]。四川盆地上二叠统吴家坪组凝灰岩属于火山陆上或海底喷发后降落形成，凝灰岩分布广泛，多呈灰绿、灰白色、紫红色，风化后呈叶片状。

川西北地区吴家坪组凝灰岩岩性以凝灰质泥岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质灰岩、沉凝灰岩、凝灰岩、凝灰质白云岩为主(见图2)，见骨针、浮游有孔虫，原生孔隙和次生溶蚀孔均发育，面孔率约15%。野外剖面的凝灰岩孔隙更为发育，以生屑粒内溶孔、粒间溶孔为主，大部分为风化成因。

图2 川西北地区上二叠统吴家坪组凝灰岩薄片Fig.2 Tuff slice of Wujiaping Formation of Upper Permian in Northwest Sichuan

3.2 测井及地震响应特征

凝灰岩主要发育在吴家坪沉积早-中期，受多期次火山喷发影响，纵向上为多套凝灰岩发育特征。从目前的钻井资料分析，较厚的凝灰岩发育在吴家坪组中部，物性较好的凝灰岩在测井曲线上表现为明显的低纵波速度、高自然伽马特征。

在地震响应特征上，双鱼石构造凝灰岩底界表现为强波峰；剑阁区块凝灰岩发育较厚，底界为复波(2个波峰)；九龙山构造凝灰岩底界为一弱峰。总体上看，凝灰岩发育时底界均表现为波峰反射特征，具有随凝灰岩厚度减薄、反射能量减弱的特征。ST101井凝灰岩厚度为52m，纵波速度为低值、自然伽马为高值，合成记录上凝灰岩底界为强同相轴反射特征，内部有弱复波反射；LG70井凝灰岩厚度为85.11m，纵波速度为低值、自然伽马为高值，合成记录上凝灰岩底界为强同相轴反射特征，内部多一套同相轴反射，呈现双同相轴特征；L16井凝灰岩厚度为21m，纵波速度为低值、自然伽马为高值，合成记录上凝灰岩底界为强同相轴反射特征(见图3)。

图3 川西北地区不同凝灰岩厚度对应的地震响应特征对比Fig.3 Comparison of seismic response characteristics of tuff with different thicknesses in Northwest Sichuan

4 模型正演分析

模型正演是依据波动方程正演的原理，利用声学波动方程进行有限差分数值模拟的方法[15]。其总体思路是用差分代替微分，把计算区域离散化，求取计算区域每个网格点在不同时刻的波场值，再记录下来。模型正演可以将地质模型和地震响应联系起来，赋予地震反射特征明确的地质含义。在一些复杂的地质构造、岩性组合地区，地震反射波场复杂，地震响应特征通常是多种因素的综合响应，给研究人员带来了很大的困惑。采用模型正演分析技术，通过对不同岩性和岩相组合地震响应模型的基础性研究，可以减少地震预测的多解性，从而更好地指导和校正地震解释和储层预测结果。

为了验证研究区凝灰岩的发育特征，笔者开展了模型正演分析。通常提到的模型正演为数值模拟的模型正演，地震勘探中常采用的模拟方法为波动方程数值解法和射线追踪法。波动方程数值解法合成的地震记录是通过求解波动方程的数值解来模拟地震波场，在复杂地质构造中经常使用该方法。基于射线原理的射线追踪法主要反映地震波的运动学特征，是在合成记录时用地震子波和界面或地质体的反射系数进行反褶积运算，其优点为概念明确，显示直观，运算方便，适应性强。研究区凝灰岩段的厚度大于20m，波阻抗差相对于围岩比较大，凝灰岩底界在合成记录上具有明显的反射特征，地质构造相对比较简单，因此该次研究采用射线追踪法进行模拟。

依据实际测井资料结果，凝灰岩速度相对于围岩(灰岩)为低速特征，速度3800～4200m/s，取模型参数为：凝灰岩平均速度4000m/s，密度2.68g/cm3；围岩速度6000m/s，密度2.7g/cm3。模型正演结果表明，当吴家坪组凝灰岩不发育或厚度较薄时，出现弱峰反射；随着吴家坪组凝灰岩厚度的增加，波峰反射增强；当凝灰岩厚度超过50m时，出现复波；随着凝灰岩厚度的继续增加，复波变为双峰反射(见图4)。

图4 川西北地区凝灰岩发育地质模型(a)及模型正演结果(b)Fig.4 Geological model of tuff development(a)and model forward result(b)in Northwest Sichuan

5 凝灰岩分布预测

为定量预测凝灰岩的分布特征，开展了基于模型正演的地震反演研究，该次反演利用波阻抗反演技术。根据模型正演分析结果，地震数据同相轴强弱变化可以反映地层岩性厚度的变化，地震资料可以间接表达地下地层的地质特征，但是如果需要定量预测厚薄变化，则需要地震反演技术将地震数据转换成波阻抗数据。由于波阻抗与地下岩石的密度、速度等信息紧密相关，将地震、地质、测井资料联合反演，求取反映地下介质的岩性、物性信息，可以有效预测凝灰岩在研究区的纵向及横向分布规律。

研究区凝灰岩在测井曲线上表现为明显的高自然伽马、高声波时差、低电阻率特征。凝灰岩与围岩在纵波阻抗上有明显差异，叠后波阻抗反演可以较好地区分凝灰岩与围岩。

从纵波阻抗反演剖面(见图5)上可以看出，大套地层速度结构合理，纵向分辨率较高，井与井旁道相似性较好，凝灰岩表现为相对低波阻抗(黄红色条带)。该反演结果与时间偏移剖面上凝灰岩的反射特征对应性较好(见图6)，在凝灰岩厚度较薄的区域，地震反射能量减弱；在凝灰岩厚度较厚的区域，地震反射能量增强，说明波阻抗反演结果可靠。

图5 过ST101井纵波阻抗反演剖面Fig.5 P-wave impedance inversion section through well ST101

图6 过ST101井时间偏移剖面Fig 6 Migration section through well ST101

从川西北地区凝灰岩厚度分布图(见图7)上看，研究区北部凝灰岩发育较好，局部厚度达到50m以上，双鱼石构造-剑阁区块(沿ST101井～LG70井一线)凝灰岩分布厚度较大(20～90m)，呈NW-SE向条带型展布，与钻井资料相符。

图7 川西北地区凝灰岩厚度分布图Fig.7 Tuff thickness distribution in Northwest Sichuan

6 结论

1)川西北地区吴家坪组凝灰岩主要发育在早-中期，受多期次火山喷发影响，纵向上为多套发育特征。在测井曲线上，凝灰岩表现为明显的高自然伽马、低纵波速度、低电阻率特征，与围岩有较大区别，叠后波阻抗反演技术可以很好地进行定量识别。

2)模型正演技术结果显示：双鱼石构造凝灰岩较厚，底界表现为强波峰；剑阁区块凝灰岩厚，底界为复波(2个波峰)；九龙山构造凝灰岩较薄，底界为一弱峰。总体上看，凝灰岩发育时底界均表现为波峰反射特征，具有随凝灰岩厚度减薄、反射能量减弱的特征。

3)川西北地区双鱼石构造-剑阁区块凝灰岩分布厚度较大(20～90m)，呈北西-南东向条带状分布，其他区块呈零星散状分布。

4)该次研究首次对川西北地区上二叠统吴家坪组凝灰岩的分布规律进行了研究，为四川盆地火山岩气藏的勘探展示了全新的后备领域。