薄互层地震切片解释中的几个问题——以一个三维地质模型为例

薄互层地震切片解释中的几个问题——以一个三维地质模型
为例
李国发;王亚静;熊金良;岳英;田纳新
【摘要】在对薄层干涉效应进行分析的基础上,通过一个地质模型对地震切片技术存在的问题及其发展潜力进行了相对客观的实验分析.实验分析结果表明:①相对于地震剖面本身,薄层砂体在地震切片上具有更好的可识别性和可检测性;②地震切片能够相对可靠地反映不同砂体的分布特征和物源方向,当砂体累计厚度小于1/4地震波波长时,均方根振幅与砂体累计厚度具有较好的正相关关系;③某层砂体的“零值时间”地震切片不包含该层砂体本身的反射贡献,不同深度砂体的“零值时间”能够较好地反映砂体之间的垂向距离,有助于建立不同深度砂体的沉积模型和叠置关系;④同一层砂体具有多个“零值时间”,“零值时间”地震切片具有周期性,且“零值时间”地震切片与单层砂体具有较好的对应关系,但其出现次序与地层深度是反序的.
【期刊名称】《石油地球物理勘探》
【年(卷),期】2014(049)002
【总页数】6页(P388-393)
【关键词】薄互层;地震切片;砂体分布;叠置关系;零值时问
【作者】李国发;王亚静;熊金良;岳英;田纳新
【作者单位】中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油天然气股
份公司大港油田分公司,天津300280;中国石油天然气股份公司大港油田分公司,天津300280;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】P631
1 引言
由于地震资料分辨率的限制，传统的以分辨和追踪同相轴为主要技术手段的地震解释方法在薄互层地震资料解释中遇到巨大挑战［1］。

尽管在纵向上不能对薄层砂体进行识别和分辨，但薄层结构的差异会导致地震反射特征的变化，这种差异和变化会在地震属性切片上有所反映［2，3］。

相对于以连续“追踪”同相轴为主要手段、以有效“分辨”同相轴为基本要求的地震剖面层位解释，地震属性切片解释更多地强调“识别”和“统计”。

凌云研究组［4～7］在利用地震属性切片研究薄层结构及其沉积演化过程中，提出基于参考标准层的地震属性连续提取和动态解释的思路，在地质综合分析的基础上，将地震属性切片解释技术提升到新的高度，提高了薄互层地震资料解释和储层预测的精度。

近年来，以地震切片解释为重要技术内涵的地震沉积学引起了勘探界的广泛关注。

地震沉积学在地震地层学与层序地层学研究的基础上，结合地质认识和测井数据最大限度地挖掘地震资料的潜在信息，对沉积过程和沉积内幕进行预测和分析［8～10］。

地震沉积学的引入和应用，整合了地震切片技术的研究成果，拓展了地震切片技术的研究领域。

但是相对于较成熟的学科和方法，地震沉积学的基本原理及物理意义还比较模糊，具体技术的适用条件和应用对象尚缺乏严密的理论支撑和相对系统的实验论证，加之应用人员知识结构和实践经验等因素的限制，在实际工作中，出现了将地震切片解释技术“简单化”和“程式化”的倾向，从而使人们产生
了地震切片技术能否解决地质问题的怀疑和争议。

本文在对薄层干涉效应进行分析的基础上，试图通过一个地质模型对地震切片技术存在的问题及其发展潜力进行相对客观的实验分析，以期达到抛砖引玉的效果，加深人们对地震切片技术的客观认识。

2 薄互层干涉分析
对于单层砂体情况，当砂体厚度小于地震波波长时，砂体顶、底反射相互干涉形成复合波，在复合波上很难分辨率砂体的顶、底反射。

设零相位地震子波为w（t），地震波在薄层砂体中的双程旅行时间为Δτ，砂体顶面的反射系数为r，则顶、底
干涉形成的复合波为
复合波在砂体中心的样点值为
对于零相位子波而言，复合波在砂体中心反射的样点值为零。

式（1）在频率域可表示为
对于薄层砂体而言，复合波近似为地震子波的导数（式（1）），其振幅谱相当于地震子波振幅谱乘上一个滤波器f，具有更强的高频分量，且相位与地震子波相差90°（式（3））。

图1为砂体厚度为5m时，复合波形成过程示意图，所用子波
为主频30Hz的雷克子波，且子波的延续时间远远大于薄砂体的时间厚度。

由图中可见，在复合波一个视周期范围内都能检测到薄层砂体的反射能量，且复合波峰值能量并非对应砂体的反射深度。

图1 单层砂体（5m）复合波形成过程示意图（a）砂体顶面反射；（b）砂体底面反射；（c）砂体顶、底复合波
实际沉积模式多为砂泥岩薄互层，在这种情况中，很难从地震记录或地震切片上分
辨、识别单层砂体的顶、底反射，更为实际的做法是从复合波中识别、区分不同砂体的反射。

若将单层砂体顶、底干涉形成的复合波看作一个广义子波，则整套砂泥岩薄互层的地震反射可以看作是诸多广义子波的叠加。

假设在泥岩地层中发育两层等厚的薄层砂体，两层砂体之间的泥岩夹层也很薄，则形成的砂泥岩薄互层的复合波为
其中：b（t）为单层砂体顶、底干涉形成的广义子波；Δτb为两套砂体顶面双程反射时间之差。

由式（4）可见，就地震反射而言，上述砂泥岩薄互层地质模型等效于一种递变型单层砂体地质模型，薄互层的厚度等于两套砂体中心之间的距离，薄互层的速度等于两套砂体与中间泥岩的平均速度。

图2为砂泥岩薄互层地质模型复合波形成过程示意图，由图中可见：①由两层砂体、四个反射界面形成了干涉关系更加复杂的复合波（图2c），复合波在某一时刻的样点值既有上层砂体的反射，也有下层砂体的反射，很难厘定不同砂体对复合波的贡献；②在136ms时刻，上层砂体反射的样点值为零（图2a），复合波主要来自于下层砂体，在141ms时刻，下层砂体反射的样点值为零（图2b），复合波主要来自于上层砂体。

由图2可知，虽然在大部分反射时间段，两层砂体的反射是重叠的，在地震切片上同时出现两层砂体的反射，但存在这样的时刻，即在该时刻某一层砂体地震反射的样点值为零，地震切片上只出现另外一层砂体的反射，我们称该时刻为砂体的“零值时间”。

从式（2）可知，就零相位子波而言，砂体的“零值时间”恰好对应砂体中心的反射时间。

图2 砂泥岩薄互层地质模型复合波形成过程示意图（a）上层砂体反射；（b）下层砂体反射；（c）两套砂体的复合波两层砂体及其泥岩隔层的厚度均为5m，泥岩的速度为4000m/s，砂岩的速度为4400m/s，地震子波为主频30Hz的雷克子
波
3 地震切片实验分析
为考证地震切片技术解决地质问题的能力及其存在问题，依据图2的模型参数，
设计了砂泥岩薄互层三维地质模型（图3）。

图4为上、下两层砂体的平面分布图。

采用主频为30Hz的零相位雷克子波合成地震记录，由于两层砂体及其泥岩隔层的累计厚度远小于地震波波长，因此两层砂体的反射出现在同一个复合波中。

图3 砂泥岩薄互层三维地质模型模型水平尺寸为2000m×2000m，包含两层厚度均为5m的水平砂体（上层砂体的深度为270～275m，中心反射时间约为
136ms，下层砂体的深度为280～285m，中心反射时间约为141ms），两层砂
体之间的泥岩厚度也为5m。

砂岩速度为4400m/s，泥岩速度为4000m/s，砂岩和泥岩具有相同的密度
地震沉积学的研究内容之一是利用振幅信息预测砂体厚度。

图5为砂体累计厚度
平面图和40ms时窗均方根振幅切片，由图中可见：砂体累计厚度（图5a）和
40ms时窗均方根振幅（图5b）具有很好的正相关关系，表明当砂泥岩薄互层的
累计厚度小于地震波波长时，利用振幅切片可以较准确地预测砂体累计厚度；从
40ms时窗均方根振幅切片（图5b）上可以清晰地看到每套砂体的空间展布及其
走向，表明地震切片技术中“以横向分辨率换取纵向分辨率，对砂体分布进行空间识别”的研究思路是有效可行的。

利用地震切片对砂体的叠置关系和沉积过程进行预测和描述的技术也是地震沉积学的重要研究内容，大量实例和文献涉及了该方面的研究内容，以至于在业界出现了“不同时刻的地震切片可以反映砂体演化过程”的模糊认识。

尽管有人从褶积模型物理含义的角度对该技术持怀疑甚至批评的态度［11］，但由于在很多地区取得
了与钻井信息吻合度很高的预测成果，因此该技术依然在争议中广泛使用。

图4 上层（a）、下层（b）砂体平面分布图上层砂体由三套砂体组成，走向为近
南北向；下层砂体也由三套砂体构成，走向为北西向，其中一套为曲流河沉积
图5 砂体累计厚度平面图（a）和40ms时窗均方根振幅切片（b）
图6为128ms和132ms振幅切片，由图中可见，两个切片在深度上相差约8m，大于单层砂体和泥岩隔层的厚度，导致单层砂体反射的延续时间远远大于两层砂体之间的双程旅行时间，在两个不同深度的地震切片上都出现了两层砂体的反射，因此仅仅通过对比、分析不同时刻的地震切片，很难对砂体的叠置关系和演化过程进行准确预测。

在实际工作中，有人试图通过减小时窗大小的方法来减弱不同深度砂体在地震切片上的干涉效应。

如在图6的时窗长度下只有一个采样点，但不同砂
体的干涉效应依然十分明显，因此通过减小时窗大小的方式消除干涉效应在实际应用中缺乏可行性。

但是如何解释通过对比、分析不同时刻地震切片预测砂体叠置关系和沉积过程的诸多成功案例呢？我们经常将这些成功案例归功于地质资料的综合分析和合理甄别，那么地震切片本身是否也存在一些能够区分不同深度砂体分布的蛛丝马迹呢？图7为上层砂体“零值时间”（136ms）和下层砂体“零值时间”（141ms）振幅切片。

由图中可见，两个时刻的振幅切片没有不同深度砂体相互干涉的明显痕迹，即136ms振幅切片（图7a）很好地反映了下层砂体的分布特征，141ms振幅切片（图7b）很好地反映了上层砂体的分布特征，且两张切片相差5ms，换算成厚度约为10m，恰好是两层砂体中心之间的垂直距离。

图7较好地展示了不同深度砂
体之间的叠置关系和垂直距离，对于推断沉积砂体的演化过程具有十分重要的意义。

从图2可以看出：136ms恰好是上层砂体的“零值时间”，在该时刻上层砂体反
射的样点值为零，对薄互层复合波没有贡献；141ms恰好是下层砂体的“零值时间”，在该时刻下层砂体反射的样点值为零，对薄互层复合波也不产生贡献。

两层砂体的“零值时间”相差5ms，正好为双程反射时间之差。

从上面的实验可以看出，在众多不同时刻的地震切片中，的确存在一些干涉效应相
对较弱的地震切片，这些地震切片对于圈定砂体的形态和范围，甄别不同砂体的空间配置关系具有特殊重要的作用。

这在一定程度上解释了在实际工作中为什么不同时刻地震切片在一定程度上可以预测砂体演化过程的原因，在实际工作中人们自觉或不自觉地运用了“零值时间”地震切片的基本特征。

图6 128ms（a）和132ms（b）振幅切片
图7 上层砂体“零值时间”（136ms）（a）和下层砂体“零值时间”（141ms）振幅切片（b）由于精确的零值反射时间不在整数样点上，因此图中残存有微弱的另外一层砂体的影子
尽管利用“零值时间”地震切片在一定程度上分离了不同深度砂体的地震反射，但需要注意的是，地震切片的时间次序与不同砂体的深度次序是相反的。

随着时间的增大，我们首先看到的是反映深层砂体的地震切片，然后才是反映浅层砂体的地震切片。

图8分别是三维地质模型在136ms和141ms深度上的地层切片（波阻抗
切片），就该模型而言，地震切片（振幅切片）与地层切片（波阻抗切片）不仅没有时间上的等时性，其对应关系还是反序的，该现象应该引起实际工作者的重视。

单层砂体顶、底反射形成的复合波近似为地震子波的导数，其“零值时间”个数近似等于地震子波中波峰和波谷的个数，地震子波频带越窄，旁瓣越多，波峰和波谷的个数越多，单层砂体反射的“零值时间”越多。

就上述实验而言，上层砂体的“零值时间”除了136ms（图7a）之外，还有119，153ms两个“零值时间”，即上层砂体有119，136，153ms三个“零值时间”。

下层砂体的“零值时间”
除了141ms（图7b）之外，还有124，158ms两个“零值时间”，即下层砂体
有124，141，158ms三个“零值时间”。

因此同一层砂体的“零值时间”间隔
为17ms，两层砂体的“零值时间”间隔为5ms。

图9为上层砂体的119ms和153ms“零值时间”振幅切片，与136ms“零值时间”振幅切片（图7a）一样，这两张地震切片也清晰地展示了下层砂体的空间展布特征。

图8 136ms（a）和141ms（b）波阻抗切片
图9 上层砂体的119ms（a）和153ms（b）“零值时间”振幅切片
本文仅就两层砂体叠置的情况进行了实验分析。

对于两层以上砂体叠置的情况，虽然“零值时间”地震切片不能像两层砂体的情况一样完全剥离出单层砂体的反射，但可以弱化不同砂体的干涉关系。

以三层砂体为例，某一层砂体的“零值时间”地震切片只包含了另外二层砂体的叠置关系。

通过综合分析不同“零值时间”地震切片，在一定程度上也可以剥离出不同深度砂体的分布特征，从而建立多层砂体相对可靠的配置关系。

4 结论与认识
地震切片解释技术的实验模型多为单层砂体楔形模型，本文利用两层砂体叠置的地质模型就地震切片解释工作中的一些问题进行了实验分析，得出以下相对客观的认识。

（1）相对于地震剖面本身，薄层砂体在地震切片上具有更好的可识别性和可检测性。

（2）地震切片能够相对可靠地反映不同砂体的分布特征和物源方向，当砂体累计厚度小于地震波波长时，均方根振幅与砂体累计厚度具有较好的正相关关系。

（3）某层砂体的“零值时间”地震切片不包含该层砂体本身的反射贡献，不同深度砂体的“零值时间”能够较好地反映砂体之间的垂向距离，有助于建立不同深度砂体的沉积模型和叠置关系。

（4）同一层砂体具有多个“零值时间”，“零值时间”地震切片具有周期性，且“零值时间”地震切片与单层砂体具有较好的对应关系，但其出现次序与地层深度是反序的。

尽管地震切片中包含着丰富的地震沉积学信息，但对地震切片的地质解释是一项综合性很强的实践工作，只有在地质、测井等诸多信息的约束和指导下，才能从复杂
的地震切片中诠释出正确的地质认识。

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