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物探与化探, 2019, 43(6): 1217-1224 doi: 10.11720/wtyht.2019.0252

地质调查·资源勘查

乌伦古坳陷深层石炭系火山岩低频地震识别技术应用

周惠1, 田玉昆1, 刘晓,2, 李娟1, 马彦彦1

1. 中国地质调查局 油气资源调查中心,北京 100083

2. 北京市地质调查研究院,北京 102206

The application of low frequency seismic identification technology to deep Carboniferous volcanic rocks in Wulungu depression

ZHOU Hui1, TIAN Yu-Kun1, LIU Xiao,2, LI Juan1, MA Yan-Yan1

1. The Key Laboralory of Unconventional Petroleum Geology,CGS,Beijing 100083,China

2. Beijing Institute of Geological Survey,Beijing 102206,China

通讯作者: 刘晓(1984-),男,硕士研究生,工程师,主要从事地震资料解释和沉积学研究工作。Email:sea_251@163.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2019-05-6   修回日期: 2019-09-25   网络出版日期: 2019-12-20

基金资助: 国家自然科学基金项目“基于裂缝—孔隙介质建模的储层参数预测和流体识别方法研究”.  41774146
中国地质调查局项目“渝黔—滇桂地区页岩气战略选区调查”.  DD20190108
国家重点研发计划项目子课题“超深层广角地震观测系统设计”.  2016YFC060110305

Received: 2019-05-6   Revised: 2019-09-25   Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

周惠(1983-),女,硕士研究生,工程师,主要从事地球物理资料处理解释和储层预测工作。Email:zhohui1125@163.com 。

摘要

乌伦古坳陷石炭系火山岩储层是准噶尔盆地油气勘探的重要目的层系,然而由于埋藏深,岩性复杂,受后期改造作用影响大,依靠以往二维地震勘探技术难以刻画火山岩体展布。文中以低频可控震源采集获得的地震资料为主,对乌伦古坳陷北部区域石炭系火山岩分布特征进行了研究。鉴于低频信息在地震深层成像方面的优势以及叠加剖面对构造趋势的良好反映,笔者利用低频段叠加剖面进行波场识别,指导偏移剖面解释,并将地质、地震、钻井资料相结合开展火山岩识别的研究,总结出了该区火山岩相的地震响应特征,综合利用地震反射特征和地震属性分析等手段,对火山岩体展布进行了识别刻画。本次研究探索了适用于深埋复杂岩性条件的火山岩储层低频地震识别方法,为该区石炭系油气勘探提供了一定的依据。

关键词: 乌伦古坳陷 ; 石炭系 ; 火山岩 ; 低频勘探 ; 地震识别

Abstract

The Carboniferous volcanic reservoir in Wulungu depression is an important target stratum for hydrocarbon exploration in Junggar Basin.However,due to its deep burial,complex lithology and strong late reformation,it is difficult to depict the distribution of volcanic rock masses by relying on the previous two-dimensional seismic exploration technology.Mainly based on the seismic data collected by low frequency vibroseis,the authors studied the distribution characteristics of Carboniferous volcanic rocks in the northern part of Wulungu depression.In view of the advantages of low-frequency information in deep-layer imaging and the good reflection of stacked section to structural trends,low-frequency stack section was used to identify wave field,which can guide migration section interpretation.Then by combining geological,seismic and drilling data,research on volcanic rock identification was carried out.The seismic response characteristics of volcanic facies in this area were summarized.The distribution of volcanic rocks was identified and characterized by means of seismic reflection characteristics and seismic attribute analysis.A low-frequency seismic identification method for volcanic reservoirs suitable for deep-buried complex lithologic conditions is explored.It provides a basis for Carboniferous oil and gas exploration in this area.

Keywords: Wulungu depression ; Carboniferous ; volcanic rock ; low-frequency exploration ; seismic identification

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本文引用格式

周惠, 田玉昆, 刘晓, 李娟, 马彦彦. 乌伦古坳陷深层石炭系火山岩低频地震识别技术应用. 物探与化探[J], 2019, 43(6): 1217-1224 doi:10.11720/wtyht.2019.0252

ZHOU Hui, TIAN Yu-Kun, LIU Xiao, LI Juan, MA Yan-Yan. The application of low frequency seismic identification technology to deep Carboniferous volcanic rocks in Wulungu depression. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(6): 1217-1224 doi:10.11720/wtyht.2019.0252

0 引言

准噶尔盆地石炭系广泛发育火山岩,20世纪以来,在准噶尔盆地腹部、东部和西北缘均发现了可供工业开采的石炭系火山岩气藏。石炭系已成为准噶尔盆地油气勘探开发的有利目的层系,火山岩储层也受到越来越多的重视[1-4]。乌伦古坳陷是准噶尔盆地东北缘大型的一级构造单元,石炭系火山岩埋藏深,地层横向变化快,以往地震资料多为20世纪90年代二维测线,排列短,叠次低,深层基本没有效信息,难以刻画火山岩体展布。地震波中低频成分抗吸收屏蔽能力较强,对深层成像贡献大,为此,本项研究开展低频地震勘探攻关,采用低频可控震源激发,宽线长排列、高覆盖次数的观测系统,地震资料较以往剖面深层得到有效改进。以此为基础,参考以往相关资料,通过录井岩性的识别、电性物性特征、地震波形特征及阻抗界面变化特征分析等,总结出乌伦古凹陷火山岩相及沉积相的测井及地震响应特征。探索了利用低频段叠加剖面进行火山岩地质构造格架搭建,地震相识别和地震属性分析相结合开展深层火山岩识别的方法。对研究区火山岩体进行了识别及预测,为该区油气勘探提供资料依据。

1 研究区概况

研究区位于乌伦古坳陷西北部,主体位于索索泉凹陷内,跨红岩断阶带(图1[5]),处于乌伦古坳陷西部上倾方向,是油气运移的有利指向区[6-8]

图1

图1   研究区构造简图

Fig.1   Structural location of the study area


综合区域地质资料,乌伦古坳陷是一个由南向北逐渐沉降的箕状坳陷,基底由前寒武系结晶基底和古生界浅变质岩系组成。已揭示的地层自下而上发育有石炭系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系及新近系等地层,二叠系缺失。石炭系构造—沉积背景复杂,埋藏深,地层横向变化快。钻井显示石炭系火山岩普遍存在,特别是凝灰岩广泛分布,指示当时火山活动频繁、剧烈,火山灰广泛覆盖。晚石炭世到早三叠世期间,强烈的区域构造抬升运动使石炭系火山岩裸露于地表[9-10],遭受了长期强烈的风化剥蚀和构造破碎等作用,并形成沉积间断。野外地质露头和钻井资料揭示石炭系地层岩性复杂,由沉积岩、岩浆岩、变质岩组成,且空间变化较大。研究区周边及外围的伦参1井、泉2井、泉3井、滴北1井、乌参1井等数口井钻至石炭系几十米至数百米不等,钻遇了不同类型的火山岩[6,8]。目前研究区内的两口已钻井L5井和L8井,都只钻遇了部分石炭系地层(200~300 m),L8井主要为凝灰岩,L5井为安山岩。复杂的构造特征和岩性组合导致地震反射连续性差,给火山岩体的识别和刻画带来极大困难。

同时,研究区整体勘探程度低,至今未部署三维地震,二维地震资料也多为20世纪90年代采集,地震剖面深层多次波发育,低频信息缺失,致使石炭系地层信噪比低,内幕成像效果差,难以满足地层解释和岩性识别的要求,石炭系内部火山岩体展布不清[8,11-12]

2 低频勘探效果

众所周知,地震勘探中地震波在地下传播时,地层对高频成分的吸收相比低频成分严重的多,勘探目的层深度越大,高频信号衰减和散射越严重,而低频信号保留却相对完整,因此利用低频信息开展深部勘探成为近年来的发展趋势[13-15]。为了改善研究区地震剖面深层成像质量,开展了低频地震勘探工作:①使用低频可控震源激发,增强地震波向深层传播的能量,拓宽频带宽度;②采用宽线长排列观测系统接收,成倍增加覆盖次数,压制横向和随机噪声,提高信噪比;③数据处理中,应用保护低频的面波压制法、分频噪声衰减法、地表一致性振幅补偿和反褶积等保幅处理技术,有效保护低频成分,改善剖面深层信噪比[16-18]。新获得的地震资料低频信息丰富(图2),深层能量增强,尤其低频剖面上深层石炭系成像效果明显改善,为本次研究深层火山岩储层提供了较为理想的基础资料。

图2

图2   新老地震剖面及频谱对比

a—以往地震剖面;b—新采集地震剖面;c—新老剖面频谱对比;d—测线位置

Fig.2   Spectrum of new and old seismic profiles

a—previous seismic profiles;b—new seismic profiles;c—frequency spectrum contrast map of new and old profiles;d—location map of survey line


3 火山岩识别刻画

经地震资料处理发现,由于区域构造复杂,地震偏移成像困难,但分频扫描发现4 ~15 Hz水平叠加剖面上深层石炭系的反射波场特征较清晰(图3,2.6 s以下),因而本次火山岩识别从4~15 Hz水平叠加剖面入手,通过地震波组对比、复杂波场识别,进行地层、构造格架分析、岩体包络面的识别,建立区域模型指导偏移剖面的构造解释,同时结合地震相的识别和地震属性等资料,循序渐进开展火山岩体识别工作。

图3

图3   低频勘探地震剖面中深层分频扫描叠加剖面

Fig.3   Frequency-division scanning stack profiles of low-frequency seismic exploration

a—2~4 Hz;b—4~8 Hz;c—8~15 Hz;d—15~30 Hz;e—30~60 Hz;f—50~100 Hz


3.1 地质构造格架

地震叠加剖面往往保存了较多的构造格架趋势信息,因而针对4~15Hz低频段地震叠加剖面开展精细剖析,搭建起石炭系构造地层格架(图4)。由于石炭纪长期的火山活动及后来晚石炭世—三叠纪的构造抬升,形成了石炭系顶的不整合面,在地震剖面上以包络面的形式存在(图4①),上下岩性差异及不整合接触关系导致包络面下部地震波组连续性较差、反射较杂乱;而包络面上部为晚三叠纪乌伦古坳陷雏形形成以后持续沉积的地层,地震波组同相轴连续性好,阻抗界面清晰。断面波是断层追踪的有效证据(图4②),而深部的回转波往往用于识别局部构造低凹部位(图4④)。与反射杂乱的火山岩发育区相比,石炭系海相沉积地层具有相对较为连续的地震波组反射特征(图4③)。根据低频段叠加剖面上识别的波场特征,完成最终偏移剖面的构造解释(图5)。

图4

图4   构造格架搭建(4~15 Hz,叠加剖面)

①—岩体包络面;②—断面波;③—沉积地层;④—回转波

Fig.4   Structural framework(4~15 Hz,stacked section)

①—envelope surface of rock mass;②—fault surface wav;③—sedimentary stratum;④—rotating wave


图5

图5   构造解释剖面(叠后时间偏移剖面)

①—岩体包络面;②—断层;③—石炭系沉积地层;④—中生代地层底界

Fig.5   Structural interpretation profile(Post-stack time migration profile)

①—envelope surface of rock mass;②—faults;③—sedimentary strata of carboniferous;④—mesozoic bottom boundary


3.2 火山岩体识别

火山喷发具有阶段性、岩性多样性和结构复杂性,会造成不同火山岩相在电测曲线特征和地震剖面上都具有不同的反射特征[19]。研究区勘探程度低,钻井较少,且仅钻遇有限的石炭系地层,因此本次研究主要参考周边已钻井资料及地震剖面,识别总结出石炭系火山岩测井和地震响应特征,进而指导研究区火山岩识别。

乌伦古坳陷及周边已钻井揭示,石炭系沉积以海相碎屑岩为主,与陆相碎屑岩相比,测井曲线具有典型的高自然伽马(GR)、高电阻率(RT)、低声波时差(AC)的特征(图6)。晚石炭世—二叠纪剧烈的火山运动,极大的改变了原有地层的赋存状态。已钻井普遍发育的凝灰岩表明,当时的火山活动长期持续且频繁剧烈,形成了大量的火山灰,覆盖在原沉积地层上,形成火山沉积相,火山岩相普遍具有低GR、较高电阻、较低声波时差的特征,地震剖面上反射成层性较好,类似于沉积岩的反射特征,具有中—弱振幅、低频、中连续的内部反射结构。局部发育的安山岩所代表的溢流相,是由喷发温度较高的、流动性较强的岩浆组分在溢流过程中冷凝形成,具有低GR、高阻、低声波时差的特征,地震剖面上反射同相轴呈弧形,表现为连续的强振幅和强反射,内部由于屏蔽常表现为杂乱或空白反射。火山角砾岩是火山爆发的产物,指代了典型的爆发相,通常表现为较高GR、较高电阻率的特征,地震剖面上反射同相轴表现为波状或似层状,中—强振幅,中—高频,内部杂乱反射或断续反射[20-24]

图6

图6   测井曲线交会

Fig.6   Logging curve cross plot


根据火山岩体赋存结构和地震反射特征,在研究区识别出喷溢相和火山沉积相两类火山岩相(图7图8)。喷溢相主要受断裂控制,地震反射特征为席状披盖,轮廓为强阻抗界面,围岩地层超覆于火山岩体的边界上。岩体内杂乱反射,具有中—强振幅、中—低频特征,与下伏具有较连续反射的沉积岩地层相区别(图7)。火山沉积相主要发育在喷溢相的侧翼,岩性以凝灰岩、沉凝灰岩为主,地震反射特征为上超充填、中—弱振幅、中频,与喷溢相相比,覆盖面积较广,地震反射强度较弱,在乌伦古坳陷内分布范围较大。

图7

图7   火山岩体地震反射特征

①—火山岩体轮廓为强阻抗界面;②—火山岩体内部具有杂乱反射特征;③—火山岩体与围岩角度不整合接触关系;④—火山岩体下伏的沉积岩地层

Fig.7   Seismic reflection characteristics of volcanic rocks

①—Strong impedance interface of volcanic rock mass contour;②—Chaotic reflections in volcanic rocks;③—angular unconformity between volcanic rock mass and surrounding rock;④—sedimentary rock strata


图8

图8   火山相地震反射特征

①—火山沉积相;②—溢流相

Fig.8   Seismic reflection characteristics of volcanic facies

①—volcanic sedimentary facies;②—overflow facies


3.3 火山岩体预测

火山岩体识别和预测的研究中,地震属性分析是最常用的技术[25-27]。其中,倾角类属性常用于分析火山机构外部形态和内部结构,波形类属性能反映不同岩相组合的特征,频率类属性能反映地层吸收和衰减的效果,振幅属性对岩相变化尤其敏感,在岩性变化剧烈的强阻抗界面,往往可以形成较明显的振幅差异特征,而相位类属性则强调事件的连续性,对于识别地层或相带的边界有良好的效果[28-31]

通过多种属性分析筛选发现,均方根振幅(root mean square amplitude,RMS)属性对研究区火山岩体相对较敏感,在石炭系火山岩体发育部位,均方根振幅呈现异常高值,与低值的围岩之间具有明显的界面(图9),并且与前述地震反射特征识别的火山岩体(图7)具有较好的一致性。因此,在利用地震反射波组特征解释火山岩体基础上,辅以均方根振幅属性分析,对该区岩性异常体分布范围进行了预测,在空间上识别出了研究区东北部和南部两个主要的火山岩体的发育区(图10)。

图9

图9   火山岩体地震属性识别

①—火山岩体;②—火山通道

Fig.9   Seismic attribute recognition of volcanic rock mass

①—volcanic rock mass;②—volcanic passage


图10

图10   研究区火山岩体分布范围预测

Fig.10   Prediction of volcanic rock distribution range in research area


4 结论

1)研究区勘探程度低,石炭系火山岩分布广泛但剥蚀、破碎严重,深层地震剖面反射信息弱,信噪比低,给岩体的识别和空间预测带来严重的不确定性。采用低频可控震源、长排列、高覆盖次数(3 000)的低频地震勘探方法,地震剖面中深层低频成分得以有效保留,深层石炭系地层成像质量较以往有明显提高,为构造解释和岩性预测提供了较为理想的基础资料。

2)探索了适用于深埋复杂岩性条件的火山岩储层低频地震识别手段。从地震低频叠加剖面入手,识别波场解释构造格架,通过对地震相和地震属性的剖析,应用地震资料解释和属性预测技术,对火山岩体赋存状态进行了阐述,并对其空间展布范围进行了预测,圈定出两个火山岩发育区,为该区石炭系火山岩储层油气勘探提供一定的依据。

3)由于研究区勘探程度较低,缺乏足够的钻井资料进行标定和验证,对火山形成的通道、期次、机理等还缺乏系统、深入的认识,这也是后续研究的重点。

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准噶尔盆地滴西地区石炭系火山岩识别与预测

[J]. 岩石学报, 2010,26(1):242-254.

Magsci    

准噶尔盆地腹部滴西地区石炭系火山岩储层中已获重要的工业气流。然而由于成岩环境复杂,岩性多变,火山机构受后期风化剥蚀和构造作用的影响,保存不完整,使得该区火山岩研究难度大,认识程度较低。本文对滴西地区石炭系巴塔玛依内山组火山岩特征进行了研究,分析了该区典型岩性的岩心、岩石薄片及测井响应特征,提出了一套火山岩测井识别的方法。在此基础上,总结了典型岩性组合的地震反射特征,并对岩性的展布情况进行了预测。最后,对火山岩形成的环境进行了探讨。研究结果显示,滴西地区巴塔玛依内山组顶面的火山岩分布具有一定的分段特征,可以分为东部、中部、西部三段: 从成分上看,东部以酸性岩为主,西部以基性岩为主,中部则酸性岩、中性岩和基性岩皆较发育; 从火山岩产状上看,东部和西部以喷出产状为主,中部则侵入产状和喷出产状皆发育。巴塔玛依内山组火山岩体具有多期次的特点,各火山机构彼此叠置,时间和空间上具有一定的相关性。层状火山机构发育。本文的研究方法对准噶尔盆地内石炭系火山岩研究及火山机构的解剖具有借鉴意义,同时也为该区的油气勘探和开发提供一定的依据。

Wang L, Li J H, Shi Y M , et al.

The identification and prediction of Carboniferous volcanic rocks in Dixi area,Junggar Basin

[J]. Acta Petrologica Sinica, 2010,26(1):242-254.

Magsci    

胡金祥, 李宗杰, 张永升 , .

准噶尔盆地东缘火山岩综合地球物理勘探

[J]. 新疆地质, 2013,31(1):107-112.

Hu J X, Li Z J, Zhang Y S , et al.

The integrated geophysical exploration for the northeast edge volcanic rock in Junggar Basin

[J]. Xinjiang Geology, 2013,31(1):107-112.

秦志军, 魏璞, 张顺存 , .

滴西—五彩湾地区石炭系火山岩岩相特征研究

[J]. 西南大学学报:自然科学版, 2016,38(5):9-21.

[本文引用: 1]

Qin Z J, Wei P, Zhang S C , et al.

The lithofacies of Carboniferous volcanic rocks in Dixi Wucaiwan Area

[J]. Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition, 2016,38(5):9-21.

[本文引用: 1]

王伟锋, 高斌, 卫平生 , .

火山岩油气藏地球物理预测技术及准噶尔勘探实例

[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2012,36(6):33-39.

[本文引用: 1]

Wang W F, Gao B, Wei P S , et al.

Geophysical prediction technologies for volcanic reservoirs and exploration case in Junggar Basin

[J]. Journal of China University of Petroleum, 2012,36(6):33-39.

[本文引用: 1]

徐颖新, 尚华, 李秀珍 , .

火山岩地震解释技术在松辽盆地长岭断陷深层天然气勘探中的应用

[J]. 石油地球物理勘探, 2008,43(s1):63-68.

Xu Y X, Shang H, Li X Z , et al.

Application of volcanic rock seismic interpretation technique to deep natural gas exploration in Changling fault depression of Songl iao basin

[J]. OGP, 2008,43(s1):63-68.

李明, 邹才能, 刘晓 .

松辽盆地北部深层火山岩气藏识别与预测技术

[J]. 石油地球物理勘探, 2002,37(5):477-484.

Magsci     [本文引用: 1]

火山岩地震勘探一直受到地球物理界的重视,特别是火山岩储层由于固有的岩性和储集空间的复杂性使预测非常困难。本文利用松辽盆地北部深层火山岩实际资料,总结了一套较为成熟的储层预测技术:①全三维精细解释技术;②三维地震反演技术;③地震波形属性分析技术;④烃检测技术;⑤地震属性技术。配合开发对 上述技术进行配套应用和筛选,见到了明显效果,表明该套技术对于火山岩储层预测是成功的,有应用和推广价值。

Li M, Zou C N, Liu X .

Identifying and predicting technology of deep volcanics gas reservoir in north of Songliao basin

[J]. OGP, 2002,37(5):477-484.

Magsci     [本文引用: 1]

伍菁华, 黄芸, 张继武 , .

火山岩相地震识别方法在准噶尔盆地东部的应用

[J]. 天然气工业, 2007,27(s1):481-482.

[本文引用: 1]

Wu J H, Huang Y, Zhang J W , et al.

The application of volcanic lithofacies seismic recognition method in eastern Junggar Basin

[J]. Natural Gas Industry, 2007,27(s1):481-482.

[本文引用: 1]

Simm R, Bacon M . 地震振幅解释与应用[M]// 高建虎,等译.石油工业出版社, 2015.

Simm R, Bacon M. Seismic amplitude:An interpreter's Handook[M] //Gao J H,et al Tran. Petroleum Industry Press, 2015.

唐华风, 王璞珺, 姜传金 , .

波形分类方法在松辽盆地火山岩相识别中的应用

[J]. 石油地球物理勘探, 2007,42(4):440-444.

DOI:      Magsci    

本文以松辽盆地SP地区营城组上部旋回火山岩为例,利用自组织神经网络方法进行波形分类计算,采用时窗、振幅、频率和相位参数进行训练,经过30次迭代计算,划分了15种模型道。由计算得到的地震相图可观察到地震波形呈块状或沿断裂呈条带状分布,与地质背景相吻合。然后遵循岩相命名原则,根据钻井岩相标定单井火山岩相并进行岩相平面预测。预测的火山岩相分布规律与钻井岩相统计规律一致。此岩相预测结果应用于SP地区火山岩气藏开发井网部署,取得了较好效果,表明该方法预测火山岩相是可行的。

Tang H F, Wang P J, Jiang C J , et al.

Application of waveform classification to identify volcanic facies in Songliao basin

[J]. OGP, 2007,42(4):440-444.

Magsci    

曾忠, 阎世信, 魏修成 , .

地震属性解释技术的研究及确定性分析

[J]. 天然气工业, 2006,26(3):41-43.

Magsci     [本文引用: 1]

<p>随着油气勘探开发的不断发展,储层预测、属性分析等技术得到了广泛的应用,在生产中取得了较好的效果。但地震属性的概念,分类方法,地震属性之间、地震属性与储层参数之间的相互关系仍较模糊,各种地震属性解释方法虽然种类繁多,但缺乏系统的研究,这使得地震属性在应用中存在较大的不确定性。文章通过系统研究地震属性的概念、储层地震响应的基本特征,提出了地震响应的核心是反映地震波在介质传播过程中的能量变化,所有能引起地震能量发生变化的介质的不均质性均可导致地震属性的变化,由此提出了一种新的地震属性分类方法,并认为大部分地震属性只是基本属性在不同域中的不同表现形式。在分析现有地震解释技术的基础上,提出了对地震属性解释的新认识,强调了地震属性对地层岩性油气藏勘探的重要性,对属性间的关系及地震属性解释技术的确定性进行了研究,提出了岩性油气藏地震解释的工作流程及对地震资料采集和处理的要求。</p>

Zeng Z, Yan S X, Wei X C , et al.

Study of seismic attribute interpretation technologies and deterministic analysis

[J]. Natural Gas Industry, 2006,26(3):41-43.

Magsci     [本文引用: 1]

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