通过地震与CSEM技术整合推进地下成像：以埃斯皮里图桑托盆地为例

《Journal of Applied Geophysics》：Advancing subsurface imaging through seismic–CSEM integration: Case study from the Espírito Santo Basin

　　埃弗顿·N·梅诺尔|保罗·T·L·梅内塞斯|皮埃尔·M·马加良斯•3D CSEM数据为了解盆地的石油系统提供了重要的地质信息，有助于绘制区域流体迁移路径，并在单个储层尺度之外区分不同流体域。•通过整合电阻率和地震数据，可以识别出潜在的浅层气藏和超压区域，从而为地质灾害评估提供预测框架，提升海上钻探的安全性。

引言
对于那些含有浅层活动盐体的盆地，如埃斯皮里图桑托盆地（见图1），由于盐体周围及下方的地震成像效果较差，勘探工作面临诸多挑战（Zerilli等人，2016年）。在盐结构极为复杂的地区，地震信号的信噪比可能很低，这给精确估算速度场变化以进行准确的地震数据偏移处理以及生成清晰的地质图像带来了困难。此外，浅层盐体也给石油天然气行业的海上钻探带来重大挑战。常规报告常常记录各种事故，包括井控问题、钻柱卡住、机械故障，以及由钻井液引起的盐岩溶解所导致的盐喀斯特现象。在埃斯皮里图桑托盆地，已发现多种地质灾害特征，包括气水合物以及流体流动现象，如坑洞、盐体顶部因溶解而形成的坑洞，还有气体喷口（Tao和Alves，2023年）。这些特征大多与盐构造活动引发的强烈断层作用有关（Mattos和Alves，2018年；Zhang等人，2022年）。

为了解决与盐相关的这些难题，地震行业采用了创新的采集技术，比如全方位、长偏移距和宽带调查，同时还运用了先进的深度成像技术，包括反时偏移法（RTM）和全波形反演技术（例如Zhao等人，2022年；Wei等人，2024年；Xing，2025年）。尽管有了这些进步，但在深水到超深水地区的盐下地带以及盐体周围的地震成像仍然成本高昂且难度较大。

在这种背景下，CSEM方法作为一种强大的辅助工具应运而生。与常常会被盐体的复杂几何形态和高速度对比度所散射或衰减的地震波不同，低频电磁场能够以极小的能量损失穿透这些阻抗结构（Constable和Cox，1996年）。通过绘制地下电阻率分布图，3D CSEM能够有效区分导电的沉积序列和阻抗较高的岩性，如盐岩和含烃储层（Constable，2010年）。这种对流体类型的敏感度以及由此带来的解释歧义的减少，在任何沉积盆地中都具有优势，而在以盐为主的环境中则更为重要。在这些地方，地震反射信号往往会被复杂的盐构造所削弱或掩盖，CSEM则提供了关键的独立数据集，有助于降低勘探风险。

为进行石油勘探而采集的宽带CSEM数据（频率范围为0.05–15赫兹）能够提高分辨率并减少解释上的歧义。这项技术具有双重作用：它可以通过长偏移距、低频数据来成像更深层的储层，同时又能利用近偏移距、高频数据来研究浅层地下结构。宽带CSEM通过提供多尺度分辨率和高数据冗余度，为了解复杂的覆盖层和更深的地质构造提供了重要线索。因此，CSEM数据被用于识别易于积累石油的区域，并绘制其他重要的地质特征。该方法在描述复杂覆盖层环境方面表现出色，比如能够定量评估浅层流体逸出结构以及活跃的坑洞和气体喷口系统中的自由气体分布（Gehrmann等人，2021年；Menezes等人，2023年），还能用于描绘复杂的盐体几何结构（Zerilli等人，2016年）以及自由气体或水合物分布区（Tharimela等人，2019年；King等人，2022年）。此外，CSEM数据还有助于更全面地了解特定盆地内的流体流动系统及活跃的海底流体流动结构（Robinson等人，2021年；Menor等人，2025年）。研究沉积盆地中的流体流动非常重要，因为它与地下水流动系统、石油的迁移与聚集、地热储层以及海底生态系统密切相关（Tao和Alves，2023年）。虽然地震方法因能够生成高质量的结构图像而被广泛认可，但它们在区分流体类型方面往往存在不确定性（Alvarez等人，2017年）。将CSEM数据与地震数据相结合，可以弥补这一缺陷，从而更准确地识别和确定流体类型及其空间分布。这种方法类似于先进的多属性工作流程与阻抗反演技术的结合，旨在减轻复杂勘探环境中的结构及岩流体相关歧义（Chopra和Marfurt，2024年），最终实现对沉积盆地中流体含量的更精准预测。

本文详细分析了地震数据与宽带CSEM数据相结合的潜力，这两种数据都是探索复杂地质环境的有效工具，尤其是那些与盐层相关或位于盐层附近的区域。本研究的主要目的是分析在埃斯皮里图桑托盆地压缩带区域采集的现有宽带CSEM数据的高频部分，该盆地位于深水到超深水区域（见图1）。通过对该CSEM数据集进行3D反演处理，试图识别并描述浅层地下流体流动情况。在3D预叠置深度偏移处理后的地震数据中发现的振幅随偏移量变化的异常现象，促使人们采集CSEM数据，以便进一步判断是否存在深层含烃岩石（Buonora等人，2014年）。

在本研究中，Indra–1发现井（Buonora等人，2014年）以及附近的Indra–2干井（位置见图1）起到了至关重要的独立校准点作用。由于这些井的测井数据未被纳入3D CSEM反演的初始约束条件，因此它们为验证反演得到的电阻率模型的可靠性提供了无偏且严格的盲测依据。

地震与CSEM数据整合的工作流程旨在准确绘制深层自生盐层的位置，这一盐层成为了构建结构约束反演输入模型的基础。引入这一深层结构约束是为了稳定长波长、深层区域的电阻率背景。关键在于，在这个结构框架下，剖面中浅层部分（即覆盖层目标区域）的所有网格点的电阻率值在反演过程中都可以完全自由调整，初始值设定为单一的均匀沉积背景值。采用这种方式是为了展现CSEM方法独立解析地质特征的能力，确保覆盖层中的电阻率分布不会受到模型预先设定的局部偏差影响。通过对研究区域内两口独立井进行盲测，证明了这种方法的可靠性。此外，还利用地震数据来解读地质特征，并解决CSEM反演过程中可能出现的歧义，从而进一步提升地质描述的准确性。

采用这种既相互关联又独立的反演策略表明，一次宽带CSEM调查所能带来的价值远远超出传统的储层尺度测绘范畴。这种方法不仅限于深层目标的评估，还能够利用高频电磁成分来描述覆盖层特征。这种多目标功能使得人们能够同时评估深层勘探前景并绘制浅层地质灾害特征，从而通过提供从深层储层到近海床的双尺度流体系统理解，最大化地球物理勘探的投资回报。

通过绘制流体迁移路径及相互关联的流体域，该工作流程能够为了解盆地的流体输送系统提供重要见解。虽然在盐层之后的区域，高质量的地震数据能够精确描绘出断层和盐岩侧翼等结构特征，但对于流体含量的信息往往不够明确。CSEM数据则提供了一种多物理场分析方法，能够有效区分静止的盐水囊与富含石油的活跃通道。这一能力对于消除地震阻抗方面的歧义以及验证盆地流体输送系统中的流体流动模型至关重要。

将这一工作流程应用于埃斯皮里图桑托盆地的压缩带区域后，发现在浅层区域存在两个不同的流体域：一个是与高盐度流体相关的导电域，另一个则是表明存在石油的阻抗域。这些发现证实了宽带CSEM数据对浅层流体电阻率差异的敏感性，同时也展示了如何利用这种方法在深水环境中降低地质勘探风险。

地质背景
埃斯皮里图桑托盆地位于巴西东部大陆边缘，处于该国东南部的埃斯皮里图桑托州近海（见图1）。它主要是一个海上沉积盆地，但也包含少量陆上部分。该盆地属于南大西洋边缘盆地的一部分，形成于冈瓦纳大陆解体时期，具有重大的科学和经济价值。从石油资源的角度来看，这里存在着活跃的石油系统。

已处理的地震数据
所分析的地震数据只是完整高分辨率数据集的一小部分，该数据集覆盖了巴西东南部450平方公里的区域（见图1）。数据处理采用了改进的TTI RTM预叠置深度偏移处理技术，旨在优化结构复杂区域的成像质量（Penna等人，2013年）。该处理流程包括将数据重采样至4毫秒、低通滤波、去噪、3D特征提取与去伪影处理，以及针对炮点、电缆、接收器运动以及水柱效应进行的静态校正。

3D CSEM反演
我们使用了业界标准的商业化并行高斯-牛顿软件框架，进行了三维各向异性、结构约束型的CSEM反演。从海底一直延伸到所分析的自生盐层的沉积背景，其垂直电阻率为1.5欧姆·米，水平电阻率为1欧姆·米。这些沉积层的电阻率数值是根据埃斯皮里图桑托盆地内15口现有井的平均测量值得出的。

地震地层学与相分析
由于研究对象对应的是浅层地层单元，因此将该地层序列划分为四个地震地层相，这些相在图5和图6中分别进行了标识并给出了结构背景信息。

作者贡献说明
埃弗顿·N·梅诺尔：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、正式分析。保罗·T·L·梅内塞斯：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、研究调查、正式分析、概念构建。皮埃尔·M·马加良斯：撰写——审阅与编辑、正式分析。

利益冲突声明
作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：保罗·T·L·梅内塞斯与巴西国家石油公司Petrobras存在雇佣关系；埃弗顿·梅诺尔也与Petrobras存在雇佣关系；皮埃尔·马加良斯同样在Petrobras工作。如果有其他作者，他们也需声明相关情况。

致谢
作者们衷心感谢主编徐一贤以及Mark Everett在审稿过程中的宝贵指导与支持。同时，我们也非常感激五位匿名审稿人提出的建设性意见和深刻建议，这些意见极大地提升了本文的质量。此外，作者们还要感谢Petrobras以及里约热内卢州立大学（UERJ）对本项目提供的机构支持。