中石化下揚子地區油氣地震勘探攻關進展及方向

宋桂橋,楊振升,薛 野

(1.中國石油化工股份有限公司油田勘探開發事業部,北京100728;2.中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發研究院,江蘇南京210007)

下揚子地區位于揚子板塊東段,東鄰環太平洋構造帶,西接特提斯構造域[1]。下揚子盆地總面積約2.3×105km2,盆地內海相中、古生界烴源巖層位多,有機質類型好、厚度大、分布范圍廣,泥質巖和碳酸鹽烴源巖并存。初步估計區內中、古生界油氣資源量達4.0×109t,具有形成大-中型油氣田的基本條件[2-4]。經過多年油氣勘探,在黃橋、句容、鹽城等地區的上古生界相繼取得了油氣勘探突破。下揚子地區是中石化油氣勘探重點領域之一。

由于復雜的地表和地下構造條件,下揚子地區地震勘探困難,勘探程度較低。地震勘探技術是制約下揚子地區油氣勘探的瓶頸技術[5-8]。該地區地震勘探面臨的主要困難如下。①表層條件差:表層結構疏松、縱橫向巖性變化大,因而低頻面波干擾發育、地震波能量衰減快、高頻信號吸收強烈。②炮檢點布設困難,地震激發效率低:受復雜地表條件影響,難以保持規則的觀測系統,地下反射點偏離,反射軸不連續;地震激發限制因素多、激發藥量難以保障。③印支面的影響:受強構造改造、抬升與剝蝕作用影響,印支面上下巖性組合差異大、橫向多變,具有強屏蔽作用,其風化殼的縫洞系統對地震波具有漫反射作用,地震波在印支面上大都被反射、散射、吸收,有效波被掩蓋于干擾波背景之中[4],對中古生界內幕波組的成像產生不利影響。④斷裂發育,波場復雜:該區構造破碎[9],反射波場十分復雜,加上各種干擾波,形成了一個十分復雜的地震波場,波場偏移歸位難度大、效果差。⑤下古生界成巖作用強,波阻抗差異小,地震反射能量弱:東深1井的鉆探結果表明,奧陶系新嶺組泥巖速度約為5500m/s,下覆灰巖速度約為6200m/s,速度差異小,反射系數低,導致該現象的主要原因可能是下古生界經歷了強烈的成巖作用,使得巖石波阻抗差異小[10]。

20世紀70年代末,下揚子地區開始了模擬地震勘探,獲得了較好的中新生界反射成果;80年代以來,開始了數字地震勘探,但受儀器道數、采集方法及處理手段等的限制,以海相地層為主的地震資料品質較差;80年代后期,引入了寬線地震方法,得到的二維地震資料品質有一定的改善,局部取得了良好的海相地層內幕反射波組,但總體地震資料信噪比低,平面上不能連續進行波組追蹤。數字二維測網背景下,在溪橋附近開展了小塊數字三維地震試驗;2002年,中石化先后在黃橋、句容地區進行了地震方法技術攻關,經過持續的探索攻關,在觀測系統設計、激發及接收參數的確定等方面積累了經驗,但未能形成系統有效提高原始地震資料品質的技術方法[11-14]。

“十二五”期間,中石化針對下揚子地區的地震勘探難點持續開展了地震攻關,自2011年開始,先后在黃橋、句容、淮阜、常州等地區針對古生界地層在地震采集參數設計、地震資料處理技術以及綜合研究等方面持續開展了分析研究與方法試驗,整個攻關過程大致可分為兩個階段。

1) 中、上古生界地震攻關階段(高密度二維/中小排列三維地震)。2010—2013年,先后在黃橋和句容地區實施了高密度二維及三維地震攻關。2011年句容高密度二維地震攻關試驗結果表明,通過增加空間采樣密度可以實現地震信號和噪聲的有效識別與分離,從而提高復雜構造區的成像效果。2011—2012年,先后在黃橋和句容地區實施了寬方位三維地震勘探,目的是通過寬方位地震觀測,大幅增加目的層的有效覆蓋次數,提高橫向壓制噪聲能力,從而改善地震資料品質。多元約束深度域速度建模與成像技術的有效應用,取得了信噪比較高、連續性較好的中、上古生界地震反射資料,在黃橋地區獲得了中、上古生界工業油流,實現了油氣勘探突破。但受排列長度較小的限制,本階段地震攻關未能獲得理想的下古生界地層的反射信息。

2) 下古生界地震攻關階段(大排列、高疊加次數寬線地震)。2013—2016年,在常州和黃橋等地區實施了大排列、高疊加次數寬線地震攻關,目的是通過加大排列長度,增加橫向激發、接收線數,從而提高障礙物密集區地震采集的可操作性,提高橫向壓制噪聲能力。大排列寬線地震采集明顯改善了下古生界地層的地震反射資料品質。城鎮工業發達區高效激發技術的運用,進一步提升了資料品質。通過弱反射信號保護與提取、偏移距優選分析與疊加等處理技術的應用,在常州、黃橋等地區取得了可連續追蹤的下古生界地震反射波組,實現了地震勘探的突破。

1 下揚子地區地震采集主要技術方法

1.1 基于地震模擬的觀測系統優化技術

基于地震模擬的觀測系統優化設計主要是結合物理和數學兩種模型進行地震波場模擬,運用多種分析手段對模擬的地震波場進行波場特征分析和噪聲機理及分布規律的研究[15],同時,結合實際資料,分析總結造成地震資料品質和信噪比低的原因,從而確定地震采集的重要參數,優化觀測系統。

1.1.1 地震模擬分析

研究區的地震模擬分析表明:①中淺層地層的強反射影響了深層地層的成像質量(吸收、衰減,能量弱),深層復雜構造地震波場的獲得需要進行長排列地震觀測;②中淺層構造復雜情況下,受折射和衰減的影響,深層地層的反射成像困難,有必要優選構造穩定區開展地震攻關;③噪聲是導致研究區地震資料信噪比低的主要因素,有必要開展組合壓制噪聲和去噪技術研究;④深層地震反射波需要具有一定的能量保障,有必要開展地震激發因素優選試驗;⑤深層成像需要較高的速度精度,有必要開展速度建模方法研究;⑥橫向非均質性影響成像效果,有必要開展深度域成像方法研究。

1.1.2 觀測系統設計及優化

通過正演分析、三維數值模型面元統計分析、模型聚焦方法觀測系統參數論證、基于CRP觀測系統參數論證等手段,優選包括覆蓋次數、炮檢距、接收線束、方位角、入射角度等觀測系統各主要參數,得到滿足地質任務需求的觀測系統各參數數值范圍。結合研究區地面和地下特點,對觀測系統整體采集效果做預估,再根據評價結果小范圍調整采集參數,進而優化觀測系統。

黃橋和句容地區三維地震采集技術研究。為探索利用高空間采樣率三維地震觀測技術解決黃橋和句容地區油氣勘探問題的能力,于2011年和2012年先后在這兩個地區實施了三維地震采集攻關試驗。經過試驗研究,最終的黃橋三維采集參數為:面元20m×20m,炮線距和接收線距均為200m,覆蓋次數200次,最大排列長度3980m,斜交觀測系統;句容三維采集參數為:面元10m×10m,接收線距110m,炮線距190m,覆蓋次數54次,最大排列長度1850m,斜交觀測系統。與以前的二維資料相比,得到的三維資料的淺、中、深層信息更加豐富、信噪比更高、構造更為清晰(圖1)。

圖1 句容地區前期高密度二維地震剖面(a)與三維地震剖面(b)對比

常州和黃橋地區大排列、寬線、高覆蓋次數地震采集技術研究。

針對下古生界深層地震資料信噪比低、有效反射能量弱的問題,于2014—2016年在常州和黃橋地區先后實施了4期大排列、寬線地震采集攻關,針對不同排列長度(6395～10810m)、不同覆蓋次數(750～1600次)、不同接收線數(3～5線)等重點參數進行了試驗研究和結果分析。從得到的資料看,大排列、高覆蓋次數、寬線地震觀測顯著提高了資料的信噪比和深層地震反射能量。

首先,進行了利用大排列地震觀測提高深層反射資料信噪比的試驗,分析實際資料發現,大部分遠偏移距信號的信噪比明顯高于近偏移距信號,下古生界有效地震反射主要在中、遠偏移距(圖2);其次,進行了高覆蓋次數、寬線地震觀測試驗,實際資料表明,高覆蓋次數和寬線采集提高了地震波場的采樣率,改善了成像效果(圖3),這主要得益于寬線觀測的3個優點:①擴大橫向組合基距,提高了組合去噪能力,②橫向上傾角掃描疊加,提高了疊加效果,③成倍增加覆蓋次數,改善了低信噪比資料品質[16-17]。

1.2 城鎮工業發達區高效激發技術

1.2.1 流沙層鉆成井工藝

首先,利用滾動排列進行試驗,結合鉆井、巖性錄井及微測井成果,對表層巖性平面分布與變化情況進行精確描述,確定流沙層發育區。鉆井過程中采用泥漿代替以往的清水鉆井液,并研制形成了“慢速鉆進、快速提桿、快速下藥、套管護壁、陶土固井”的五步法流沙層鉆成井工藝,有效解決了流沙塌井、成井難題。從圖4可看出,應用該技術后,地震資料信噪比有很大提高。

1.2.2 優選激發點位與巖性

采用微測井方法開展精細表層結構調查,依據調查結果優選激發巖性;通過充分的飽和激發試驗優選激發藥量、井深及組合激發方式;開展藥量與安全距離關系評估,明確不同障礙物不同距離下的安全藥量,指導野外放樣及藥量設計;適當增大最小偏移距,降低障礙區淺井小藥量等低效炮比例;利用障礙物統計結果進行模擬放樣,并進行室內正點率、藥量分布情況及覆蓋次數統計和分析,通過多輪次現場踏勘和室內、室外交互結合與分析,進行實時、實地多次放樣微調,從而規避大型干擾源及禁炮區,優化測線布設,確保測線完整、缺口可控。

圖2 下揚子地區不同偏移距范圍地震采集疊加剖面對比

圖3 下揚子地區不同接收線數和覆蓋次數疊加剖面對比a 單線接收320次覆蓋疊加剖面; b 三線接收960次覆蓋疊加剖面; c 五線接收1600次覆蓋疊加剖面

圖5為優選激發點位與巖性前、后的寬線疊加剖面。從圖5中可以看出,優選激發點位與巖性后的剖面深層反射能量得到了增強,成像效果顯著改善。

圖4 流沙層鉆成井工藝應用前(a)、后(b)單炮記錄對比

圖5 優選激發點位與巖性前(a)、后(b)寬線疊加剖面

2 下揚子地區地震資料處理主要技術方法

2.1 弱反射信號的保護與提取技術

針對研究區地震資料振幅弱、連續性弱等特點,采用了分頻噪聲壓制和奇異值分解(SVD)等方法實現信噪分離并保護有效信號。具體思路如下。

1) 考慮強低頻干擾是影響SVD方法效果的關鍵因素,在應用SVD方法之前應盡量壓制低頻強干擾。首先進行噪聲頻帶分析,然后根據噪聲頻帶分析結果將噪聲的優勢頻帶信息分離出來,再對低頻噪聲進行壓制,最后再將該部分頻帶的有效信息提取出來與有效頻帶信號進行重構。

2) 應用CMP域SVD方法對壓制了低頻噪聲的數據進行有效信號的識別和提取[18]。SVD方法應用的基礎是有效信號具有相關性的特點,地震數據經奇異值分解后,會按結構特征和能量大小分解為若干個特征值;剔除環境噪聲的特征值,保留有效信號的特征值并進行重建,進而提高資料的信噪比,實現有效信號的提取。

3) 識別并提取弱信號后,再結合井資料及野外實測結果求取能量吸收衰減系數(改變傳統的利用速度曲線法)進行能量和頻率補償[19],最終提高弱信號的信噪比和連續性,實現弱信號的有效疊加成像。

圖6對比了常州地區地震資料弱信號能量和頻率補償處理前、后的單炮記錄,可以看出,處理后的單炮強干擾噪聲得到很好的壓制,深層弱有效信號得到很好的保護。

2.2 多元約束深度域速度建模與成像技術

針對研究區存在的推覆構造和地層倒轉情況,采用基于表層結構調查和井資料約束的速度建模技術和地質目標約束的速度分析與建模技術進行多元約束深度域速度建模,并通過正演模擬進行質量控制[20]。在建模過程中,結合地質解釋結果和認識[21],加強對地層和斷面的判斷識別,在構造變化較大部位加密速度信息,精細刻畫構造細節。

由于不同偏移距資料在有效波、干擾波及信噪比等方面的特征差異明顯,因而不同偏移距資料的疊加貢獻差異較大。針對沿層和垂向剩余速度分析問題,采用了選擇優勢偏移距進行速度分析,使能量聚焦,獲得最佳速度能量團,這種方法是適合低信噪比速度分析的有效方法;針對沿層速度分析問題,重點是通過剩余速度譜參數優化以及多參量判別來提高速度拾取的可靠性。

在建立準確速度模型的基礎上,采用疊前深度偏移成像技術實現了研究區地震資料的高精度成像。從圖7可見,采用該方法獲得的成果剖面與老資料相比,印支面與下伏地層的地層接觸關系更加清楚,成像質量明顯提高。

圖6 弱信號能量和頻率補償處理前(a)、后(b)單炮記錄對比

圖7 多元約束深度域速度建模與成像技術應用前(a)、后(b)黃橋三維成像剖面對比

3 地震勘探攻關效果分析

3.1 采集處理效果分析

經過前期攻關,在黃橋和句容地區基本解決了中、上古生界的地震成像問題,取得的成果有效支撐了勘探部署。

原始單炮記錄品質得到提升,前期采集單炮記錄表現為頻帶窄、主頻低、信噪比低等特點;攻關采集單炮記錄信噪比提高(信噪比大于1的單炮比例約50%),地震記錄頻帶寬度提高(沙層激發單炮記錄有效頻帶寬度8～55Hz,流沙層為8～50Hz,硬沙層為6～60Hz),單炮受吸收衰減影響效應降低,炮間能量更加均衡。

以往二維地震資料僅獲得了新生界及印支面的較高信噪比反射波組,未能獲得有效的古生界內幕地震反射資料,地震解釋主要對印支面進行追蹤對比,解釋模式以正斷層為主,與區域地質特征不相符;在黃橋、句容地區攻關獲得的三維地震資料上古生界地震反射波組信噪比較高,目的層波組特征清楚,層間信息豐富,地層接觸關系清楚,相比較于前期二維資料提高了斷層識別能力與解釋精度(圖8)。

在常州地區首次得到了大面積、可連續追蹤的下古生界地震反射波組資料,基本滿足了研究區構造解釋和區帶評價的需求;根據攻關研究得到的成果資料部署實施了東深1井,該井的VSP測井結果表明,地震攻關得到的地震資料波組可靠、構造成像準確(圖9)。

圖8 黃橋前期二維地震剖面(a)與三維地震剖面(b)對比

圖9 常州寬線成果剖面與東深1井VSP測井聯合標定

3.2 勘探成果

經過井震聯合層位標定、構造精細解釋、地震屬性分析和沉積相帶的研究,建立了研究區的4種構造模式,對下揚子地區古生界儲層有利發育區進行了預測和評價,發現和落實了一批有利區帶及圈閉。

首先在深入分析構造演化的基礎上,結合地表露頭、地震、鉆井等資料建立地質構造解釋模型;其次,根據鉆、測井資料進行層位標定,在此基礎上進行層位追蹤,同時依據測井資料確定各地層的巖石物理參數。地震解釋與構造演化特征分析結果表明,黃橋地區在印支-早燕山期先后經歷了由北向南及由南向北兩期的區域擠壓推覆構造運動,形成了“薄皮”構造,到了晚燕山-喜山期,黃橋地區應力場由原來的擠壓轉變為南東—北西向的拉張,表現為整體下降,形成拉張斷陷;句容地區現今構造格局主要受燕山期構造運動控制,印支期為由北西向南東逆沖推覆構造運動,燕山期由南東向北西滑動擠壓,形成逆沖的構造模式。

在區域構造演化歷史及應力應變特征認識的指導下,結合主要構造剖面解釋成果,建立了研究區的4種構造模式:①拉張模式,主要發育在印支面,拉張應力下形成的正斷層控制了中部隆起的構造邊界;②正、逆斷隆模式,位于黃橋地區南部,受早期擠壓作用下形成的逆沖斷層與反轉作用下形成的傾向相反的正斷層共同控制,形成了低幅度的斷鼻構造;③隆凹相間模式,主要形成于龍潭組的頂、底界面,全區均勻分布,對沖形成斷凹,背沖形成斷隆;④早擠晚拉模式,是指印支運動前屬擠壓、印支運動后屬拉張,主要形成于龍潭組至印支面。

在進行地震處理成果的時深轉換時,首先利用合成記錄標定所得時深曲線在空間上進行線性插值,建立初始速度場;其次,利用解釋層位約束,對初始速度場進行修正,此時考慮了構造形態對速度的影響;最后,利用鉆井地質分層對上步形成的速度場進一步修正,建立最終空變速度場,獲得構造圖,提高層位深度預測精度。

通過地震資料解釋及綜合評價,發現和落實了一批有利區帶及圈閉。根據黃橋三維地震綜合評價結果,部署評價井2口,溪3井試獲工業油流2.8t/d,產CO23.76×104m3/d;溪平5井試獲工業油流2.3t/d,產CO21.1×104m3/d,落實龍潭組油藏含油面積2.67km2。句容三維查明了句容地區西北部官莊構造的細節,根據解釋成果部署實施了官莊1井、句平2井兩口探井;官莊1井在青龍群、龍潭組見良好油氣顯示,該井VSP測井結果驗證地震解釋層位標定準確;句平2井是一口沿青龍群組頂部鉆探的水平井,見27.5m油層。

4 下一步地震攻關方向

下揚子地區上古生界構造復雜、地層破碎、逆斷層發育。從取得的資料看,構造高部位反射平穩,同相軸特征清晰,解釋結果相對可靠。而構造兩翼地層產狀較陡,同相軸能量較弱,斷層難以識別,地層難以有效區分,解釋結果具有多解性。下古生界地震反射資料仍然存在信噪比和分辨率偏低的問題。地震資料品質依然限制了對下揚子地區的沉積特征、構造樣式和成藏規律等的地質認識,因此有必要進一步開展地震攻關研究,持續提高地震資料品質,解決地表和地下構造均極為復雜條件下的地震勘探難點。針對上古生界極其復雜的構造條件,重點開展高密度三維地震觀測系統優化設計的技術攻關,在資料處理上應重點開展復雜構造高精度速度建模、各向異性疊前深度偏移等技術的研究與應用;針對下古生界特低信噪比地震資料特點,應進一步探索提高地震激發效果的技術攻關,開展低信噪比地震資料成像處理技術研究。基于前期攻關研究取得的成功經驗,下一步地震攻關研究建議圍繞以下四個方面展開。

4.1 滿足疊前成像需要的觀測系統設計

在觀測系統設計上,以構建近地表模型和構造模型為基礎,以正演模擬為手段,從成像角度出發,開展基于模型模擬的滿足疊前成像的觀測系統設計優化工作。基于疊前深度域成像對地震資料的基本要求(采樣的充分性、連續性、均勻性及對稱性),針對復雜地質目標,首先進行全方位參數論證;其次在目標區典型地表條件、地下構造復雜區進行正演模擬,通過波動方程地震照明分析評估不同觀測系統的采集效果,同時針對強反射面、復雜構造等特殊問題進行觀測系統的局部優化,最終提出能有效提高下古生界地震資料品質的地震采集觀測系統。建議選擇激發巖性穩定、地表障礙相對稀疏的區域,實施束狀三維采集試驗,探索高密度、寬方位三維地震觀測解決下古生界復雜問題的能力。

4.2 持續開展提高地震激發效果的研究

低頻信號具有相對穩定、傳播距離遠、穿透力能力強的特點,能更好地識別深層及屏蔽層下的地質目標,此外,豐富的低頻信息有助于深層地震成像。與炸藥震源相比,低頻可控震源能夠激發出更豐富的低頻信息。因此,建議選擇合適工區實施可控震源低頻激發試驗,同時優選合適的檢波器,增強深層低頻有效信息的獲得。

此外,建議探索新型震源(延遲爆炸震源、地表減震震源、聚能震源、高能震源等)的開發與利用,降低地面破壞,提高激發效果。

4.3 深化低信噪比地震數據的成像研究

4.3.1 多波分離技術研究

遠偏移距地震記錄中折射波十分發育,有效信號難以識別,有必要針對折射波的特點,開展地震波場的速度、頻率、振幅等參數分析,進而識別有效信號;研究如何利用分頻去噪技術和相干噪聲分離技術等壓制中、高頻隨機噪聲,保護并提取中、低頻弱有效信號。

4.3.2 超面元疊加去噪技術研究

地震反射波的能量是由整個菲涅耳帶內所有反射能量組成的。應用菲涅耳原理,在菲涅耳帶內優化最佳成像共反射面元,然后利用射線旁軸近似理論,將不同CMP道集的數據校正到反射面元中心點的CMP道集上,從而實現不同CMP道集的疊加,提高深層覆蓋次數,保護深層低頻有效信號,消除構造假象。

4.4 開展各向異性處理方法研究

下揚子地區各項異性問題突出,常規速度分析方法精度較低。各向異性成像處理是解決此問題的關鍵,從各向異性偏移速度分析入手,通過求取各向異性參數,實現非雙曲時差校正,使大炮檢距處同相軸校平,進而保留大炮檢距處的資料,提高成像質量。

5 結論

通過高密度采集、三維地震觀測系統設計、流沙層鉆成井工藝、多元約束深度域速度建模和疊前成像等技術的有效應用,獲得了下揚子地區黃橋和句容工區較高信噪比的青龍組、龍潭組、棲霞組等上古生界地震反射資料,地震資料解釋發現和落實了一批有利區帶及圈閉,支撐了研究區的油氣勘探工作;通過大排列、寬線、高覆蓋次數地震采集技術以及偏移距優選分析與疊加等技術的聯合應用,首次取得了下揚子地區常州和黃橋工區大面積、可連續追蹤的下古生界反射資料,東深1井的鉆探結果驗證了地震資料對下古生界構造解釋的可靠性與準確性。

下揚子地區油氣地震勘探仍面臨一些瓶頸問題,古生界地震資料品質仍有待進一步提高。基于前期地震攻關研究的成果和認識,建議進一步開展以下研究工作:以基于正演模擬研究的滿足疊前成像的觀測系統設計,持續開展提高地震激發效率的研究,深化低信噪比構造復雜區高精度成像處理方法研究和開展各向異性處理方法研究等。