斷層模型正演模擬研究與應用實例

吳艷梅，周 華，胡 敏

（中國石化江蘇油田分公司勘探開發研究院，江蘇 揚州 225009）

斷層的存在會導致多種地震反射與實際地質特征不吻合的現象，地震正演模擬是研究異常地震反射的有效手段之一。劉南等［1］通過地震正演模擬發現斷層陰影帶內地層的地震響應會出現異常；馬改正等［2］指出隨著速度變化和深度增加，斷層兩側差異壓實作用會使部分斷層在地震反射中消失，且提出“通過正演模型無法得到的斷層和斷層組合都是值得懷疑的”觀點。為了有效解釋斷層，前人對多種影響斷層識別的因素進行了研究。郝宇剛［3］建立簡單地質模型，進行正演模擬，研究地層速度、噪聲、地震資料主頻、砂泥互層以及特殊地質體對斷層及兩側層位的地震響應的影響；束寧凱等［4-5］利用正演模擬研究不同斷距小斷層的地震響應特征，從而識別小斷層；陳軍等［6］建立斷層和侵入巖的不同組合模型，正演模擬其地震響應，從而識別實際地震剖面中侵入巖影響下的斷層。為得到復雜地質模型的更準確的地震響應，季玉新等［7］建立觀測系統，分析速度誤差，利用疊前深度偏移處理得到更趨于實際地震剖面的地震響應。

蘇北盆地高郵凹陷構造破碎，斷層數量多，形態多，組合模式多。在實際研究中斷層發育區常出現地層產狀井震不吻合、假斷層、假構造、地震反射異常、小斷層識別難等問題，大大降低了開發中后期滾動研究及剩余油挖潛的成功率。在排除地質認識及技術因素后，認為地震資料本身可能存在某些問題，從而引起構造解釋偏差。為分析可能產生的問題，采用二維地震正演模擬方法進行研究。

1 二維斷層模型正演模擬

1.1 二維斷層模型正演模擬思路及流程

根據實際工區要解決的問題及地質特點建立斷層模型；參考實際地震資料采集參數建立觀測系統，采用適當方法進行二維正演模擬；對得到的模擬剖面進行偏移、校正等處理，處理方法參考實際地震資料的成像方法。通過全面模擬實際地震資料產生過程，得到更趨于實際地震資料的斷層模型反射剖面，其流程如圖1 所示。

圖1 斷層模型波動方程正演模擬流程

1.2 二維斷層模型設計

斷層解釋過程中主要考慮的因素有斷距、傾角、產狀、組合模式等。本文用傾角變化體現產狀變化，用簡單的平行式、Y 字形和負Y 字形體現多種多樣且復雜的斷層組合模式。實際研究中設計了不同斷距、傾角、斷層平面距離和斷層組合模式下的6 個斷層模型。各模型的地層接觸關系、厚度變化及速度根據實際工區得到（見圖2）。

圖2 斷層地質模型示意

圖2 中6 個地質模型均由7 套地層加2 條斷層組成，模型中所用地層速度一致，數值來源于高郵凹陷ZW 地區實際地層平均速度；從上到下斷層斷距逐漸增大。模型一、二、三中的兩條斷層F1 和F2互相平行，區別在于斷層平面距離不同:模型一平面距離300 m，模型二平面距離160 m，模型三平面距離80 m，主要研究兩條斷層平面間距對地震響應的影響。模型四斷層組合為帚狀，模型五斷層組合為Y 字形，從淺到深，斷層斷距和平面距離不斷變化，主要研究組合模式不同對地震響應的影響；模型六從淺到深，斷層傾角逐漸增大，主要研究斷層傾角變化對地震響應的影響。

1.3 二維斷層模型正演模擬

二維地震正演模擬方法最常用的有波動方程法和射線追蹤法。波動方程法同時保持了地震波傳播的運動學和動力學特征，更趨近實際地震波傳播過程，模擬結果與實際地震資料更吻合［8-9］。本文為得到更趨近實際資料的正演剖面，采用波動方程法進行正演模擬研究。

實際野外采集參數受到地面條件約束（蘇北地區農田湖泊密布，公路河流交錯，施工難度很大），采用雙邊放炮2820-40-0-40-2820 的觀測系統。在正演模擬過程中，由于模擬的噪音對遠偏移距資料的影響相對弱一些，為了更好地成像，采用了4000-40-0-40-4000觀測系統。相對于實際采集的地震資料，正演更好保留了一部分低頻信息。正演模擬過程中，利用聲波+有限差分法波動方程（10階）模擬野外放炮，得到初始地震采集資料。由于實際地震資料處理采用了疊前時間偏移成像方法，本次研究利用Omega2 軟件對采集資料進行處理，通過去噪、反褶積、靜校正等手段，消除繞射、多次波等干擾現象，進一步提高資料品質，然后建立偏移速度場，通過柯希霍夫疊前時間偏移得到最終的正演模擬剖面。該模擬方法是常規正演手段中計算量最大，仿真度最高的正演模擬方法，最大限度還原了實際地震資料的采集處理過程。

1.4 二維斷層模型正演模擬地震響應問題分析

圖3 為針對6 個斷層模型正演模擬得到的地震響應，其中F1、F2 斷層和H1-H6 層位分別對應斷層模型中的F1、F2斷層和H1-H6層位。通過對比地震響應和地質模型的層位和斷層位置，從6 個地震響應剖面中發現以下可能引起地震解釋差異的問題。

（1）斷層上升盤存在地震同相軸下拉現象，經分析認為，斷層下降盤地層速度小于上升盤地層速度，導致其雙程旅行時增大，因此受斷層影響的區域時間增大，且越靠近斷層影響越大，同相軸下拉越明顯（圖3中①號箭頭所示）。

圖3 斷層地質模型地震響應示意

（2）靠近斷層的部分同相軸出現地質模型中不存在的斷點（圖3中②號箭頭所示）。

（3）地震同相軸上表現為層段軸不斷現象，分析認為是由斷點處的繞射現象引起（圖3 中③號箭頭所示）。

（4）兩條斷層間距較小時，斷層間的同相軸產狀與實際地層產狀不吻合（圖3中④號箭頭所示）。

（5）斷層間距小于2個道間距時，地震同相軸上不能有效反映地層（圖3中⑤號箭頭所示）。

（6）斷層斷距小于λ/4 時，同相軸存在扭曲現象；大于λ/4同相軸錯段（圖3中⑥號、⑦號箭頭所示）。

（7）小傾角斷層的斷面地震反射成像清晰，當斷層傾角小于60°時，斷面地震反射成像難，無斷面波顯示（圖3中⑧號箭頭所示）。

（8）當斷層傾角由小到大快速變化時，正演剖面中出現延低角度斷面波向下延伸的假斷面波響應，假斷面波與地質模型中的斷層位置存在較大偏差（圖3中⑨號箭頭所示）。

（9）深層地震響應中存在多個與斷層近似平行的反射軸，實際地質模型中地層并無變化（圖3中⑩號箭頭所示）。

2 實際應用

2.1 同相軸下拉現象分析指導斷層上升盤高部位井位部署

CB 油田存在一條斷距較大的F1 斷層，油氣聚集在斷層上升盤高部位。油田開發生產中，高部位實鉆井井深常高于部署井井深，部分挖潛高部位剩余油井目的層斷缺。圖4 為過well1、well2、well3 和well4 井的地震剖面，根據well1 井的速度標定結果，該剖面中對K2t2地層的地震解釋層位為T1（圖4 藍色虛線所示），而實際鉆探后標定的well2、well3 和well4 井的K2t2地層均高于T1，且越靠近斷層，差異越大。對原地震剖面圖進行分析，認為F1斷層斷距非常大，斷層兩盤地震速度差異很大，存在上述正演模擬研究中的異常現象（1）——同相軸下拉現象。結合正演研究中的地質模型與地震響應的對比分析，認為實際地震解釋層位應為H1（圖4 藍色實線所示）。根據T1 層位部署的“設計1”井目的層會斷缺，可改為“設計2”井的位置。

圖4 過well1-well2-well3-well4井地震剖面

2.2 同相軸錯斷假象指導失利井原因分析

ZZ油田產量高，滾動研究過程中研究人員根據地震同相軸的錯斷現象（如圖5a中①和②號箭頭所示），解釋斷層F1；結合井上分層K2t2位置，解釋層位H1。由于斷層存在，上盤層位抬升，形成新的有利圈閉①（如圖5b所示），結合該區油水邊界預測了新圈閉的含油面積，在構造高部位設計井well1（如圖5b 所示）。實鉆后目的層K2t2實際井深比設計井深低40 m，經分析認為F1斷層不存在。解釋方案由圖5（a）變為圖5（c），斷層F1 消失，目的層H1 解釋方案變化。結合上述地質模型正演模擬研究中出現的異常現象（2），認為地震資料中的同相軸錯斷并非由斷層引起，而是大斷層反射引起的假象。

圖5 ZZ油田well1井鉆探前后示意

2.3 同相軸反射假象指導地震層位解釋

XZ 油田構造復雜，多條大斷層存在，F1、F2、F3和F4 斷層夾持的區域下部地震同相軸產狀與F2 和F3 斷層近似平行。根據同相軸特征，結合XZ1 井標定的地質分層E1f3，解釋地震層位H1old（如圖6 中黃色虛線所示）。后續鉆探XZ2 和XZ3 井，兩口井實鉆目的層深度均比設計深度高。結合斷層模型的正演模擬研究中出現的異常現象（9），認為剖面中與大斷層近似平行的同相軸是斷層引起的反射假象，在較深層位出現，淺層的反射更符合實際地層產狀。結合新井E1f3層位標定，重新解釋層位H1new（圖6 中紫色實線所示）。圖6 中所示新解釋層位H1new 與其上部地層同相軸產狀更一致，更符合地層變化趨勢。

圖6 XZ油田過XZ1、XZ2和XZ3井地震解釋示意

3 結論

油田開發中后期，隨著基礎資料和研究成果的豐富，以及地質認識的深入，地震資料本身引起的地質認識出現偏差的問題逐漸顯現，在此情況下，地震正演是發現地震資料本身問題和消除偏差的有效途徑。本文通過地震正演模擬研究及實際資料驗證，認為:

（1）斷層兩盤速度變化會引起同相軸的下拉現象，速度差異越大，下拉現象越明顯。

（2）斷層平面間距越小，地層反射受斷層影響越大，地震同相軸所反映的地層產狀越不可靠，需結合整體構造趨勢和相鄰地層產狀來綜合判斷。

（3）斷層傾角較大時，斷點處易出現層段軸不斷的現象，地質斷點位置和地震斷點位置有差異；斷層傾角越小，斷面波越明顯；傾角變化較大的位置易出現斷面假象。

（4）深層斷層附近會出現與斷層近似平行的地震反射，形成假的地層反射現象。