0 引言
我国中西部前陆盆地山前地表普遍发育高速砾岩，其分布对中、深层构造地震成像具有一定影响，增加了油气勘探的风险［1-2］。准噶尔盆地南缘前陆冲断带东西长约400 km，南北宽约50 km，勘探面积约为20 000 km2。地表发育巨厚高速砾岩，地形为山地、冲沟、河流等，地形变化剧烈；地下受逆冲推覆作用形成三排近东西向背斜带，断裂复杂，具有“双复杂”特征［3-4］。南缘冲断带根据现有的二维地震资料初步识别出40个背斜目标［5］，圈闭面积约为2 486 km2。第一排、第二排构造带上浅表层普遍发育巨厚砾岩层，自上而下可划分为风化层、低速砾岩和高速砾岩，厚度在0~3 000 m之间。前人在准噶尔盆地南缘中段第二排构造带，利用二维叠前时间偏移剖面落实的“Bei94井西背斜”部署SH1井在目的层钻探失利，地震资料预测深度与实钻井深度分层误差大，后经井—震结合分析认为受浅表层高速砾岩影响，在时间域剖面上中、深层背斜圈闭形态未能落实。文献调研表明，山前盆地高速砾岩层下伏中、深层构造圈闭形态落实的处理解释技术都处在摸索攻关阶段，如李德春等［6］利用三维重磁电结合地震资料开展联合解释反演，预测了塔里木盆地库车大北地区第四系库车组砾岩层厚度及平面分布，结合构造解释成果建立合理准确的砾岩速度模型，为重新认识盐下构造提供了依据；邓勇等［7］通过地质露头—测井—地震资料相结合，在剖面和平面上刻画了浅表层砾岩层的分布，为浅表层静校正和叠前深度偏移速度建模等方面提供了较为正确的基础资料；范旭等［8］综合钻井、测井、地震等资料，进行分区、分段建立砾岩层时深关系曲线，结合砾岩层空间的结构特征，建立砾岩层速度模型，为叠前深度偏移提供较为可靠的砾岩层深度域模型；刘永涛等［9］综合利用测井、地震、地质及非地震资料，明确高速砾岩的响应特征，预测高速砾岩的剖面、平面分布特征，地质—物探技术相结合建立地质模型，然后选取合理的速度建场方法，落实下伏构造圈闭的形态。以上研究成果在油田勘探及井位部署中取得了一定的勘探成效，但仍存在以下2点问题：一是常规的测井资料及超深微测井成果，都只能提供单井点的高速砾岩顶、底速度参数，数据的采样点横向、纵向分布不足，无法准确建立其横向变化特征及近地表速度模型；二是非地震勘探和超深微测井测量成果需要较高的资金投入。为此，提出了基于地质目标驱动下的二维叠前深度域偏移处理解释一体化来解决南缘“双复杂”问题［10-11］。本文在厘定了表层层析（风化层、低速砾岩）调查方法的基础上［12-14］，在高速砾岩正演模型的指导下，地质—地震认识一体化相结合，在新处理二维叠前时间偏移剖面上获取高速砾岩顶、底反射时间，在层析反演速度场获取了高速砾岩顶、底与地表时间—速度关系，为建立了精确的近地表速度模型奠定了资料基础；断层和层位共同约束完成中、深层速度建模；“四步法”逐级控制最终完成深度域速度建模，利用该速度场偏移获得的二维深度域成果剖面信噪比、分辨率得以提高，中、深层断面更加清晰［15-16］，消除叠前时间域剖面上高速砾岩层对下伏地层产生“假背斜”的影响。使用该深度域剖面进行构造精细解释和综合研究，其研究成果为风险井的部署提供了可靠的资料基础。
1 地质背景
准噶尔盆地南缘中东段第二排发育吐谷鲁构造带，第三排发育呼图壁构造带（图1），
地震测线均为二维测线。从区域及邻井地层对比分析表明，南缘中东段自上而下钻遇地层主要有第四系（Q），新近系独山子组（N2 d）、塔西河组（N1 t）、沙湾组（N1 s），古近系安集海河组（E2-3 a）、紫泥泉子组（E1-2 z），白垩系东沟组（K2 d）、胜金口组（K1 s）、呼图壁河组（K1 h）、清水河组（K1 q），侏罗系喀拉扎组（J3 k）、齐古组（J3 q）、头屯河组（J2 t）、西山窑组（J2 x）、三工河组（J1 s）及八道湾组（J1 b），岩性以砂、泥岩为主。主要勘探目的层为白垩系清水河组（K1 q）［17］，埋深约为7 500 m，储层为砂岩，盖层为上覆地层胜金口组（K1 s）、呼图壁河组（K1 h）的厚层湖相泥岩，油气藏类型为受背斜控制的构造油气藏［17-18］。钻井揭示第四系（Q）砾岩层自上而下可划分为表层黄土层（风化层）、低速砾岩层和高速砾岩层。风化层厚度在0~200 m之间，层速度在900~1 200 m/s之间；低速砾岩厚度为0~500 m，速度为1 900~3 000 m/s；高速砾岩厚度为0~2 000 m，速度为3 000~4 500 m/s。砾岩层为多期冲积扇快速堆积形成，主要为砂、泥、砾混层状。研究区内有3口探井，即TD1井、TD2井和DF1井。TD1井、TD2井位于吐谷鲁构造带上，吐谷鲁构造带在白垩系清水河组（K1 q）时间域等T0图上由TD2井背斜和TD2井南背斜组成；呼图壁构造带由①号、②号和③号3个近东西向背斜圈闭组成（图1），以上3口井都没有钻遇目的层白垩系清水河组。
2 基于地质目标驱动下的二维叠前深度域偏移处理技术
2.1 二维叠前深度域偏移处理流程及质控点
针对呼图壁构造带和吐谷鲁构造带浅表层普遍发育巨厚高速砾岩层，为了落实其下伏地层背斜的可靠程度，根据地质问题和现有的资料状况，提出了基于地质目标驱动下的二维叠前深度域偏移技术，该技术的核心工作就是精确建立近地表层速度模型和中、深层层速度模型［19］。高速砾岩的正演模型分析表明，高速砾岩顶、底反射界面必须在二维时间域叠前偏移剖面成像清楚，才能在层析反演速度场中获取高速砾岩顶、底与地表时间—速度关系，从而建立精确的近地表速度模型；对二维叠前时间偏移剖面中、深层的反射层位和断裂精细解释，其成果共同约束建立中、深层速度模型。为此根据地质任务和处理的难点，在二维叠前时间域地震资料攻关处理基础上，形成了一套二维叠前深度域偏移处理、解释相结合的技术流程图和质控点（图2）。
2.2 高速砾岩正演模型分析及速度模型建立
2.2.1 高速砾岩正演模型分析
当山前盆地地表发育高速砾岩特殊异常体时，由于高速砾岩的速度大于上、下围岩速度，因此在垂直方向上表现为低速—高速—低速的速度分布模式。为了弄清高速砾岩的速度模型变化特征，特构建了高速砾岩的地质—地震正演模型，如图3（a）所示，地质模型横向排列长度20 km，深度 3 000 m，网格面元大小为2.5 m×2.5 m；近地表速度模型为风化层，速度在910~1 205 m/s之间，厚度为40.0~410 m；地表低速砾岩速度为3 000 m/s，厚度约为480 m，高速砾岩水平位置在5~15 km之间，海拔在2 000 m以下，最大厚度约为1 000 m。本文正演模拟采用观测系统参数如下：排列长度10005-5-10-5-10005，炮距20 m，道距10 m，通过波动方程正演，得到原始单炮地震记录，在此基础上拾取大炮初至，并开展近地表层析反演；图3（b）为水平位置10 km处的正演单炮记录，图中的折射波的速度由“小—变大—变小”的特征，从折射波不同速度差异变化可以直观地看出高速砾岩的空间分布范围，图3（c）为层析反演的近地表速度模型，水平距离0~5 km和15~20 km范围内，速度场由地表向下线性递增；水平距离5~15 km之间，在海拔2 000 m左右处速度变大，与正演模型高速砾岩剖面分布范围相同。由于高速砾岩的空间分布，射线无法在下伏速度较小的地层中传播，造成下伏地层射线密度稀疏，从图3（d）可以看出，在5~15 km 范围内，射线分布明显的空白区，说明该区域范围内存在高速砾岩异常体的现象。通过实际反演的近地表速度模型分析，能初步判定高速砾岩的平面分布范围。
基于正演模拟、原始单炮记录的折射波速度和层析反演近地表速度模型调查和射线密度综合分析，能较为准确地刻画高速砾岩空间分布范围和平面分布规律。
2.2.2 高速砾岩速度模型建立
式中：t 为时间剖面基准面高程（Ed ）至高速砾岩顶（底）的反射时间，s；E d 为基准面高程，m；H 为地表高程，m；V s 为填充速度，m/s；t 0 为地震波自地表（H）至高速砾岩顶（底）的垂直传播时间，s。
得到t 0后，从层析反演速度场中获得地下每一个网格地质体的速度参数，见图4（c），因此式（2） 成立：
式中：t 0为地震波自地表至高速砾岩顶、底界面的垂直传播时间，s；hi 为层析反演垂向网格尺寸，m；vi 为层析反演速度场中某个网格地质体的速度，m/s。
2.3 中、深层速度建模
南缘中东段构造特征为沿3套滑脱层形成逆冲推覆的“三重”构造样式［20］，浅层断裂的垂直断距在600~1 000 m之间，断面上陡下缓；中、深层的垂直断距在20~100 m之间，断面倾角达70°~80°。为得到合理的时间域初始层速度模型，通过井—震标定，解释、处理人员紧密结合，根据构造样式，将能反应速度变化的界面（含地质层位信息）作为控制层位，拾取能量强、连续性好的同相轴进行层位追踪。为了提高中、深层断层两侧的速度建模精度，在速度建模过程中，加入断层，利用断层和层位共同约束进行速度建模，能够提高断层两侧的速度场精度［21-22］，弥补了传统层析成像技术不能精细描述断层两侧速度变化的缺陷，最终完成13层的地质—地震反射层位和断裂解释，并据此计算获得初始时间域结构模型。通过 CVI（约束速度）反演得到无层位信息的深度域层速度场，提取层速度的垂向梯度函数，再结合初始时间域结构模型建立含有层位信息的深度域层速度场［23-24］。CVI反演得到的层速度垂向梯度函数映射到含有地质层位信息的层速度场中，从而构建既含有层位速度信息又保留层间速度变化梯度的深度域初始层速度场。
2.4 层控网格层析
“四步法”逐级控制完成最终深度域速度建模精度。
第二步： 通过双向拾取的层控网格层析迭代后，深度域剖面的成像有较大改善，此时需要更为精细的网格层析来进一步刻画速度模型，就是对拾取的深度域道集进行去噪处理，道集的去噪处理有利于提高拾取质量，进而提高速度模型精度，改善成像质量，减少迭代次数。去噪后道集再进行沿层和垂向剩余延迟拾取时，对拾取质量的控制也十分重要，每一轮迭代要确保相对于上一轮没有明显变差，如果有变差，则应当对拾取剩余延迟进行编辑和修改，见图5（c），从最终的速度延迟来看，速度延迟归零，速度准确。
第三步：在完成地震数据驱动的层控网格层析建模后，开展井驱地震速度模型修正［26］，其目的通过测井—地震速度对比分析，结合地质认识建立合理的速度模型从而接近真实构造地质模型。对DF1井、TD1井和TD2井实测的声波测井数据由于受到井眼垮塌和井壁不规则等因素的影响，做测井曲线标准化处理，制作3口井井旁道合成地震记录，相关系数达95%以上，以精确的时—深关系为约束，井—震速度校正做法如下：①计算每一地质分层声波时差与相应地震反射层位时间厚度的差值；②计算每一地质分层井速度误差因子，尤其新近系沙湾组（N1 s）、古近系安集海河组（E2-3 a） 和白垩统吐古鲁群3套低速泥岩做为全区标志层，3套标志层之间的速度误差因子为最小；③对误差因子进行插值平滑；④计算校正后的井点速度，图6（a）为DF1井测井速度校正后低频趋势与地震模型速度相一致，地震速度模型含有层位与地质信息，同时增加了井点处速度模型高频信息，优化后地震速度体为构建精细速度模型打下了基础。图6（b）为修正前深度域速度模型，高速砾岩速度不明显，沙湾组（N1 s）、 安集海河组（E2-3 a）和吐古鲁群泥岩低速特征横向有“挂面条”现象，图6（c）为修正后深度域速度模型，高速砾岩速度明显，沙湾组（N1 s）、 安集海河组（E2-3 a）和吐古鲁群泥岩低速特征横向展布符合沉积规律。
第四步：二维测线交点处速度场闭合。首先在初始模型时就要保证测线交点处速度、层位、同相轴闭合，以后每一轮速度更新后，都要确保速度场的闭合。
3 应用效果
3.1 面临的问题
准噶尔盆地南缘前陆冲断带“双复杂”的特征对二维时间域地震资料处理造成如下难点。
（1）地表起伏较大，浅表砾岩层广泛发育，厚度变化大，地震波速变化剧烈，静校正问题严重，造成高速砾岩顶、底界面连续性不好。
（2）各种噪声发育造成研究区资料信噪比低，中、深层断裂、圈闭地震成像较差。
（3）山前带地区地下构造复杂，速度横向变化快，速度建模及偏移成像难度大。
表1 准噶尔盆地南缘中东段构造圈闭要素 [白垩系清水河组（K1 q）顶面等T0图]Table 1 Structural trap elements in the middle east section of the southern margin of the Junggar Basin [T0 map of the top surface of the Cretaceous Qingshuihe Formation (K1 q)] |
| 构造 | 圈闭名称 | 类型 | 面积 /km2 | 闭合度/ms | 可靠 程度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 吐谷鲁构造带 | TD2井圈闭 | 背斜 | 43.67 | 130 | 较可靠 |
| TD2井南圈闭 | 背斜 | 45.21 | 100 | 较可靠 | |
| 呼图壁构造带 | ①号圈闭 | 背斜 | 48.23 | 100 | 较可靠 |
| ②号圈闭 | 背斜 | 11.99 | 50 | 较可靠 | |
| ③号圈闭 | 背斜 | 83.91 | 200 | 较可靠 |
3.2 应用效果
图9为利用“四步法”最终深度域速度场采用 Kirchhoff叠前深度偏移方法处理的NS201012测线叠前深度偏移剖面，深度域剖面上南端、北端均发育厚层高速砾岩，厚度在0~1 600 m之间，剖面南端消除厚层高速砾岩对下伏地层产状的影响后，TD2井南背斜变成单斜，北端消除厚层高速砾岩影响后，其下伏地层向斜产状成像更加清楚，中部TD2井钻遇高速砾岩仅100 m左右，对下伏地层产状影响不大。吐东2井背斜圈闭幅度从浅层（E2-3 a）到深层（K1 q）增大，但高点位置一致。为了验证二维叠前深度偏移剖面深度的可靠性，表2为统计的已钻井DF1井、TD2井和建议风险井HT1井深度域剖面与实钻井地质分层深度相对误差值，表中随着深度的增加，相对误差由0增加到1.0%左右，符合误差规定的范围，说明建立的深度域速度模型合理正确。图10为利用55条深度域剖面编制的南缘中东段白垩系清水河组（K1 q）顶面构造图，图中呼图壁构造带3个背斜圈闭形态等T0图与构造图基本一致，说明高速砾岩厚度在0~200 m之间对下伏地层背斜圈闭形态不受影响；吐谷鲁构造带上TD2井背斜地表高速砾岩在0~200 m之间，圈闭形态和等T0图形态基本一致，但TD2井南背斜地表高速砾岩厚度在1 200~1 600 m之间，消除受高速砾岩的影响后，圈闭形态由背斜变成了单斜，圈闭要素见表3。通过统计高速砾岩厚度对圈闭形态影响认为，当高速砾岩厚度达600 m时，对下伏构造形态会产生影响。
图9 准噶尔盆地南缘中东段NS201012测线叠前深度偏移剖面及解释成果Fig.9 The pre-stack depth migration profile and interpretation results of the NS201012 survey line in the middle east section of the southern margin of the Junggar Basin |
表2 深度域剖面井点深度与钻井地质分层相对误差统计Table 2 Statistical table of relative error between well point depth and drilling stratification in depth domain profile |
| 井号 | 对比项 | 地层 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N2 d | N1 t | N1 s | E2-3 a | E1-2 z | K2 d | K1 s | K1 h | K1 q | J3 k | ||
| DF1 （已钻井） | 实钻分层/m | 1 825 | 2 271 | 2 590 | 3 404 | 3 968 | 4 844 | 5 630 | 6 308 | / | / |
| 深度域剖面/m | 1 825 | 2 282 | 2 598 | 3 410 | 3 989 | 4 860 | 5 661 | 6 365 | / | / | |
| 相对误差/% | 0 | 0.48 | 0.3 | 0.01 | 0.52 | 0.03 | 0.54 | 0.94 | / | / | |
| TD2 （已钻井） | 实钻分层/m | 1 858 | 2 480 | 3 716 | 4 516 | 4 980 | 5 955 | 6 770 | / | / | / |
| 深度域剖面/m | 1 850 | 2 486 | 3 722 | 4 526 | 4 996 | 5 976 | 6 795 | / | / | / | |
| 相对误差/% | 0 | 0.24 | 0.16 | 0.22 | 0.32 | 0.35 | 0.29 | / | / | / | |
| HT1（部署风险井） | 实钻分层/m | 2 160 | 2 696 | 3 018 | 3 850 | 4 384 | 5 338 | 6 125 | 6 782 | 7 488 | 7 601 |
| 深度域剖面/m | 2 163 | 2 700 | 3 020 | 3 860 | 4 394 | 5 350 | 6 180 | 6 848 | 7 548 | 7 680 | |
| 相对误差/% | 0.13 | 0.14 | 0.06 | 0.25 | 0.22 | 0.2 | 0.89 | 0.91 | 0.8 | 1.0 | |
|
图10 准噶尔盆地南缘中东段白垩系清水河组顶面构造图和风险井井位部署Fig.10 Top surface structure map of Cretaceous Qingshuihe Formation in middle east section of southern margin of the Junggar Basin and well location deployment of risk wells |
表3 准噶尔盆地南缘中东段构造圈闭要素[白垩系清水河组（K1 q）顶面构造图]Table 3 Structural trap elements in the Middle East section of the southern margin of the Junggar Basin [top surface structure map of Cretaceous Qingshuihe Formation (K1 q)] |
| 构造 | 圈闭名称 | 类型 | 面积/km2 | 闭合度/m | 可靠程度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 吐谷鲁 构造带 | TD2井圈闭 | 背斜 | 41.19 | 400 | 可靠 |
| TD2井南圈闭 | 单斜 | 可靠 | |||
| 呼图壁 构造带 | ①号圈闭 | 背斜 | 40.43 | 400 | 可靠 |
| ②号圈闭 | 背斜 | 10.14 | 150 | 可靠 | |
| ③号圈闭 | 背斜 | 78.56 | 500 | 可靠 |
按照风险井部署原则，即“整体部署，分步实施”，在呼图壁构造带上部署了风险井HT1井，HT1井在白垩系清水河组（K1 q）获得高产工业油气流，获得重大突破，钻井深度分层与深度域剖面预测深度相对误差小于0.8%，TD2井背斜圈闭做为风险储备勘探目标，相继钻探。
4 结论
（1）准噶尔盆地南缘中东段呼图壁构造带和吐谷鲁构造带地表发育0~1 600 m的高速砾岩，现有的测井和超深微测井测量成果，由于平面上样点分布不充足，制约了高速砾岩近地表速度模型的建立，为此提出了地质目标驱动下的二维叠前深度偏移技术。该技术依据高速砾岩正演模型的结果，充分利用二维地震资料对高速砾岩顶、底界面的精细刻画结果，从而建立了高速砾岩近地表速度模型。最终利用近地表层速度模型和中、深层层速度模型偏移获得深度域剖面，信噪比和垂向分辨率得以提高，浅、中、深层断面和构造形态合理真实，地质识别能力得以加强，消除了叠前时间域剖面上高速砾岩对下伏地层产生“假背斜”的影响，重新落实了主要目的层圈闭形态，利用该资料的研究成果部署的风险井HT1井在清水河组获得高产油气流，获得重大突破，实钻井深度分层与深度域剖面预测深度相对误差小于0.8%，从而提高探井的成功率。
（2）通过统计高速砾岩厚度对下伏地层构造圈闭形态影响，认为当高速砾岩厚度达600 m时，对下伏构造形态会产生影响，因此在利用二维叠前深度偏移剖面进行构造解释和地质综合研究时应该评价地表高速砾岩的厚度大小对研究成果的影响度。
（3）应用该技术方法前提必须在二维叠前时间偏移剖面上能够准确刻画出高速砾岩顶、底界面。
本文也旨在抛砖引玉，相信随着地震采集、处理解释一体化技术进步，三维资料增多和探井数量及钻探深度的增加，对于中、深层构造特征，会有更清晰的认识。
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