山前帶復雜淺表層建模研究

黃 鵬,殷厚成,薛維忠,曾昭翰,彭代平,肖云飛

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103)

山前帶指造山帶與前陸盆地間的弱構造變形帶。其典型特征是地表高程起伏劇烈,基巖以高角度出露地表,地層年代橫向跨度大,近地表縱、橫向速度變化大。隨著山前帶地震勘探的不斷深入,山前帶淺表層結構越來越受到地球物理學家們的關注。山前帶復雜淺表層結構導致采集的地震數據信噪比低、道間時差變化劇烈,從而制約了山前帶探區地震成像和進一步的油氣預測[1]。因此,獲得精細的近地表結構特征及準確的速度模型是解決這些問題的關鍵[2]。

研究山前帶淺表層特征,是理論研究和實際生產的需要。理論研究方面,獲得精細的山前帶淺表層特征,可以在模型條件下,研究山前帶波場的特征及傳播規律,干擾波的特點與資料低信噪比產生的原因,為開展方法技術的適應性研究提供依據。實際生產中,精確的淺表層模型不僅是做好復雜山前帶靜校正的基礎,也是復雜山前帶地震成像的需要[3-4]。

如何獲得準確的淺表層模型是山前帶地震勘探迫切需要解決的問題。本文在鎮巴山前帶灰巖高陡構造出露區開展了二維高密度地震、高密度電法、深井微測井等多種方法的淺表層調查試驗和模型研究,分析了觀測系統參數對淺表層速度建模精度的影響,提出了淺表層結構約束的淺層速度建模方法,為山前帶及復雜淺表層地區的淺表層速度建模提供指導。

1 野外試驗方法綜述

為了精細調查山前帶淺表層模型特征,在鎮巴山前帶高陡構造灰巖出露區開展了淺表層結構調查與建模研究。

相同的巖性具有相近的孔隙度和含水飽和度,其電性特征變化較小,或具有穩定的變化趨勢,所以通常用高密度電法觀測結構模型的變化。王勤勇[5]在碳酸鹽巖裸露區采用高密度電法調查近地表結構,結果顯示,該方法在巖性和含水性調查方面有較好的應用效果。

淺表層速度建模的方式可以分為測量法和反演法兩種[2]。測量法是指采用微測井等近地表調查方法獲得淺表層速度,再進行線性插值,建立速度模型。反演法指利用地震波攜帶的信息重建地下速度模型。反演法有初至波走時層析反演、初至波波形層析反演、初至波走時/波形聯合層析反演、全波形反演和面波頻散曲線反演等多種方法[2]。其中,初至波走時層析是目前應用較為廣泛且成熟的近地表建模技術[6-14]。尚新民等[15]在準南緣米泉山前帶采用二維淺層地震層析的方法,得到了精細的近地表速度模型。

綜上所述,本文野外試驗采用的具體方法如下:

1) 高密度電法調查的水平長度為4km,采用溫納裝置(α排列),點距2m,電極隔離系數16～30,接收道數160道,探測深度55m;

2) 二維高密度地震滿覆蓋次數的水平長度為4km,接收點距2m,激發點距4m,偏移距300～800m;

3) 為控制區域內不同巖性的速度變化,選擇在巖性分界面兩側,布設井深50m的井中激發、地面接收微測井8口。0～5m范圍激發點距0.5m,5～20m范圍激發點距1m,20～50m范圍激發點距2m。

2 鎮巴山前帶淺表層模型

山前帶的淺表層模型包括結構模型和速度模型。結構模型是指淺表層巖性及結構的變化,與地表出露的地層、巖性、巖石的風化程度及斷裂發育的程度相關。速度模型是指淺表層速度的變化,與地表出露的地層、巖性及巖石的風化程度有關。

2.1 結構模型

圖1給出了鎮巴工區高密度電法的電阻率反演剖面。根據電阻率及實際巖性的變化,試驗區分為4段:第1段為連續的低阻區,電阻率主要在200Ω·m以下,顯示巖體含水性好,出露侏羅系砂泥巖;第2段呈較連續的低阻特征,淺表20～200Ω·m團塊是地表及碎石,深部20～200Ω·m區域是較完整的巖石,該段出露三疊系須家河粗砂巖;第3段呈較連續的中高阻特征,電阻率為40～400Ω·m,淺表20～200Ω·m 團塊是地表及碎石,深部電阻率值大于200Ω·m的區域是較完整的灰巖,該段出露二疊系雷口坡組灰巖;第4段為連續的中阻區,電阻率值主要在40～300Ω·m,該段出露致密的石英砂巖。第2段和第3段電阻率小于20Ω·m的區域為破碎、富水的巖體。局部線性的低阻區是斷層和沿斷裂的溶蝕作用形成的富水帶。

圖1 高密度電法電阻率反演剖面

微測井獲得的近地表結構及參數是準確的,尤其對于低降速層較厚、速度變化大的表層結構[2,16-17]。圖2 是微測井解釋結果與電阻率反演剖面對比圖,前者解釋的風化層厚度約為10m(速度<1000m/s),與電阻率20～200Ω·m左右的風化層厚度對應較好。微測井20～25m深度顯示低速異常,電阻率反演剖面也出現了低阻異常。表1對比了8口微測井與高密度電法解釋的風化層厚度(微測井速度小于1000m/s),誤差均在2m以內。高密度電法獲得了較為準確的近地表結構模型。

圖2 微測井與電阻率剖面對比

表1 微測井與高密度電法解釋的風化層厚度對比

圖3給出了高密度電法解釋的淺表層結構模型。從模型可以看出,山前帶淺表層結構是由連續穩定的風化層、不連續的半風化層和完整的基巖層組成,符合山前帶淺表層巖性、地層產狀橫向變化大及斷層發育的地質客觀情況。

2.2 速度模型

圖4是利用微測井解釋結果線性內插構建的速度模型(簡稱微測井模型)。其中,v0為460～700m/s,厚度1.20～5.09m,平均厚度為2.42m,變化相對穩定,為完全風化層,與巖性無關;v1為767～4200m/s,厚度3.1～11.8m,變化劇烈;v2為2500～4600m/s,受巖性或地層控制。微測井速度由淺至深,由連續的層狀結構向不連續的塊狀結構變化,反映了淺表層受風化作用以及地層和巖性控制的變化規律。

圖5為二維高密度地震初至波走時層析速度模型(以下簡稱走時層析模型)。與微測井模型(圖4)相比,橫向上速度變化趨勢一致,但層析模型能夠連續刻畫速度的橫向變化。圖6為微測井速度與層析速度的縱向對比。圖6a中微測井速度在15～30m深度存在速度反轉層,走時層析速度也呈現出明顯的速度反轉趨勢,縱向上走時層析與微測井速度變化趨勢一致。

圖3 高密度電法解釋的山前帶淺表層結構模型

圖4 微測井模型

圖5 走時層析模型

圖6 微測井速度(a)與走時層析速度(b)對比

初至波走時層析速度是一種基于走時相等的等效速度,與真實的地層速度不同,但可以用走時誤差來衡量反演速度與真實速度的差異。圖7對比了不同巖性微測井與層析速度的走時誤差。當深度大于30m時,砂巖微測井與走時層析速度的走時誤差小于1ms;當深度大于10m時,灰巖微測井與走時層析速度的走時誤差小于1ms。從靜校正或成像的角度,可以認為兩者是完全等效的。高密度二維地震初至波走時層析反演的連續近地表速度模型,能夠描述山前帶不連續的巖性結構引起的速度縱、橫向變化。

綜上所述,山前帶淺表層結構模型由相對連續的風化層、不連續的半風化層和基巖組成。速度模型由淺及深,由連續的層狀結構向不連續的塊狀結構變化。山前帶淺表層結構可以用連續、非均勻的速度模型來描述。

圖7 不同巖性微測井與走時層析速度的走時誤差對比

3 近地表速度建模精度與觀測系統

實際生產中通常利用大炮初至走時層析反演近地表速度模型。初至波走時層析反演的精度受網格劃分、射線路徑等多種因素影響[2],但是卻很少有初至波走時層析反演的精度與地震采集觀測系統參數關系的相關研究。尚新民等[15]在準南緣米泉山前帶開展表層調查研究,指出小道距、小炮點距、小偏移距的淺層二維初至波走時層析反演結果可以準確反映近地表結構。

鎮巴二維高密度地震調查表明,相對于炮點距,初至波走時層析速度建模精度對道距更加敏感。圖8 給出了走時層析速度隨道距、炮點距的變化及其與微測井速度的對比。圖8a中道距為2m,炮點距由4m增大到16m,走時層析速度變化趨勢與圖8b中微測井速度一致;圖8c中炮點距為4m,當道距為2m時,反演的速度與微測井速度變化趨勢一致,隨著道距逐漸增大,走時層析速度的變化趨勢與微測井速度的差異迅速增大。

一般情況下,初至波走時層析劃分網格內的射線密度越高,反演穩定性越好[2]。較小的道距、接收線距、炮點距、炮線距能夠提高反演網格的射線密度,因此反演精度越高。對比不同觀測系統參數反演速度的變化,可以確定影響反演精度的關鍵參數及有利于提高山前帶近地表建模精度的參數范圍。三維彈性波數值模擬資料研究表明,影響初至波走時層析近地表建模精度的觀測系統參數依次為道距、接收線距、炮點距、炮線距。道距≤10m、接收線距≤240m、炮點距≤20m、炮線距≤200m的觀測系統參數有利于提高近地表建模精度。圖9對比了不同道距、炮點距、接收線距、炮線距的初至波走時層析速度。圖9a為不同道距的反演速度對比(從左至右道距分別為5,10,20,40m),由圖9a可見,道距為5m和10m的速度變化趨勢和速度值基本一致,道距增大到20m后,反演的最低速度增大到1500m/s,對速度分界面的分辨率降低。圖9b為不同炮點距的反演速度對比(從左至右炮點距分別為10,20,40m),由圖9b可見,炮點距為10m與20m的速度變化趨勢和速度值基本一致,炮點距增大到40m后,反演得到的3000m/s速度界面與炮點距為10m和20m反演得到的速度界面位置差異較大。圖9c為不同接收線距的反演速度對比(從左至右接收線距分別為120,240,480m),由圖9c可見,接收線距為120m和240m的速度變化趨勢和速度值基本一致,接收線距增加到480m后,反演得到的3000m/s速度界面與接收線距為120m和240m反演的速度界面位置差異較大。圖9d為不同炮線距的反演速度對比(從左至右炮線距分別為100,200,300,400m),由圖9d可見,炮線距為100m和200m的速度變化趨勢和速度值基本一致,炮線距增大到300m和400m時,深度50m左右的反演速度有一定程度降低,但總體趨勢差異相對較小,說明初至波走時層析對炮線距的敏感度較低。

圖8 走時層析速度隨道距、炮點距的變化及其與微測井速度的對比a 道距為2m走時層析速度隨炮點距的變化; b 微測井速度; c 炮點距為4m走時層析速度隨道距的變化

圖9 不同道距(a)、炮點距(b)、接收線距(c)、炮線距(d)初至波走時層析速度對比

4 結構約束近地表建模

實際生產中很難實現2m道距的近地表建模。通常在大炮初至走時層析反演中采取有效的措施加以約束,從而提高反演的穩定性和精確性[2]。微測井約束走時層析是較為常用的做法,由于微測井調查的密度和深度限制,走時層析反演結果與實際情況還有一定差異。

圖10a顯示的是山前帶數值近地表模型;圖10b顯示的是道距為5m、炮點距為10m、接收線距為120m、炮線距為100m的高密度地震模擬資料在50m深度微測井約束下的初至波走時層析速度模型。對比圖10a和圖10b可以看出,走時層析模型在淺層與數值模型一致性較好,但是在較深部位的高傾角地層形態與數值模型存在較大差異。

與微測井約束相比,結構約束走時層析建模精度更高。圖11a和圖11b分別給出了山前帶數值模型和結構約束的初至波走時層析模型。對比圖11a和圖11b可以看出,結構約束的走時層析模型的結構與數值模型一致性較好。

圖10 山前帶數值模型(a)和走時層析模型(b)

圖11 山前帶數值模型(a)和結構約束的初至波走時層析模型(b)

實際生產中,利用地質調查取得的淺層地質結構約束近地表建模取得了較好的應用效果。圖12a和圖12b分別給出了結構約束前的初至波走時層析速度模型和疊前深度偏移剖面;圖12c和圖12d分別給出了結構約束后的初至波走時層析速度模型和疊前深度偏移剖面。由圖12可見,結構約束后,疊前深度偏移成像剖面的信噪比更高。

圖12 結構約束前、后初至波走時層析速度模型及疊前深度偏移剖面a 結構約束前的速度模型; b 結構約束前的疊前深度偏移剖面; c 結構約束后的速度模型; d 結構約束后的疊前深度偏移剖面

5 結束語

山前帶淺表層結構模型由相對連續的風化層、不連續的半風化層和基巖組成。速度模型由淺及深由連續的層狀結構向不連續的塊狀結構變化。山前帶淺表層結構可以用連續、非均勻的速度模型來描述。

影響淺表層建模精度的觀測系統參數依次為道距、接收線距、炮點距、炮線距,其中道距最為關鍵。

山前帶勘探中,采用高密度電法獲得淺表層結構模型,采用道距≤10m、接收線距≤240m、炮點距≤20m、炮線距≤200m的觀測系統進行地震采集,聯合開展結構約束的初至波走時層析,能夠提高近地表速度建模精度。