正交各向異性介質多參數建模方法研究

郭 愷,張永升,馮彥彬

(1.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;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司研究院,新疆烏魯木齊830011;3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司大慶物探一公司,黑龍江大慶163300)

隨著勘探開發的不斷深入,勘探目標逐漸轉向“深、隱、薄、碎、小”的地質體,構造解釋和儲層描述的難度越來越大,對地震成像精度的要求越來越高,地震資料的各向異性處理已經成為常規處理流程中不可或缺的重要環節。對具有垂向對稱軸的橫向各向同性(vertical transverse isotropy,VTI)介質進行各向異性處理主要解決了層狀介質引起的垂向各向異性,對具有水平對稱軸的橫向各向同性(horizontal transverse isotropy,HTI)介質進行各向異性處理主要解決了垂直裂縫引起的方位各向異性,這兩種處理方法均可改善成像聚焦性和減小井震深度誤差。但當層狀介質與垂直裂縫正交時,地震波表現為正交各向異性特征,造成速度描述困難、斷裂成像精度低、繞射波不收斂和方位成像道集呈螺旋狀彎曲等現象,低品質的成像剖面對后續構造精細解釋和儲層精細描述影響很大。因此,研究正交各向異性參數建模及地震成像非常必要[1-2]。

現階段,各向異性處理技術主要針對薄互層TTI和垂直裂縫HTI各向異性介質,其理論發展較快,相關技術較成熟,并取得了良好的應用效果。正交各向異性處理技術的實用化發展相對滯后,盡管國外大型石油公司的商業軟件在近幾年推出了相關處理模塊,但技術不夠完善,實際應用受限。TSVANKIN等[3-4]基于Thomsen參數的思路,給出了HTI介質各向異性參數,并建立了HTI介質各向異性參數估計思路;隨后TSVANKIN[5-7]提出了表征正交介質的各向異性參數,介紹了各個參數的物理意義,推動了正交各向異性處理技術的發展;郭愷等[8]通過分析Thomsen各向異性參數的角度敏感性,提出了多參數反演策略,取得了良好的效果;BAKULIN等[9-11]對HTI各向異性介質、正交各向異性介質和單斜各向異性介質等進行了研究,并利用地震反射波資料反演裂縫參數;GRECHKA等[12]在多分量寬方位采集數據的基礎上,利用地震反射波資料對正交介質各向異性參數進行了估計。

本文在前人研究的基礎上,首先研究了正交介質各向異性參數初始建模方法,將數據進行分方位處理從而預測了裂縫的主要發育方向,采用分方位速度分析和參數融合方法建立了空間分布合理、數值可靠的正交介質各向異性參數初始模型;其次,研究了正交介質各向異性參數精細建模方法,引入方位正交各向異性介質層析公式提高了層析反演的穩定性,制定了多參數反演策略,在方位成像道集的基礎上進行參數更新,建立了精細的正交介質各向異性參數模型,有效提高了斷裂和縫洞儲層的成像精度;最后利用多層模型數據和某探區實際資料驗證了本文方法的適用性和有效性。

1 方法原理

1.1 正交各向異性參數初始建模

1.1.1 方位速度分析及裂縫方位提取

在實際應用中,可根據工區前期的勘探情況,將工區分為多個扇區(圖1),在各個扇區內進行速度分析(圖2),提取螺旋狀成像道集所在地層的平均速度,按方位排列,擬合成橢圓形態(圖3)。橢圓的長軸平行于垂直裂縫,由參數ε1,δ1描述;短軸垂直于垂直裂縫,由參數ε2,δ2描述。裂縫方向與零方位的夾角為α,當α≠0時,需要對坐標系統進行旋轉,公式如下:

s=xcosα+ysinα
t=ycosα-xsinα

(1)

式中:(x,y)為直角坐標系中的某一點;(s,t)為旋轉后坐標系中的某一點。

圖1 扇區劃分示意

1.1.2 方位參數提取及初始建模

采用上述方位速度分析方法,按方位提取各向異性參數,具體公式如下:

(2)

式中:vNMO是表征各向異性的方位動校正速度;vP,NMO是表征各向異性的動校正速度垂向分量;vP0是縱波速度垂向分量;φ是方位角;δv是方位各向異性參數。

此時,提取的方位各向異性參數描述的是扇區內各向異性,不是正交各向異性,故需要利用以下公式建立正交各向異性參數模型:

步行穿越調查法還可評估員工與顧客對服務體驗與傳遞方面存在的差距，員工在工作環境中對設施或服務的敏感性降低，顧客對細微的變化可以覺察，這種按照顧客意見實施的調查更符合實際，運用在酒店、景區、衛生服務機構可有效判斷以提升服務質量。

圖2 速度分析結果

圖3 橢圓擬合示意

(3)

式中:εHTI,δHTI是平行于垂直裂縫方向的各向異性參數;εVTI,δVTI是垂直于垂直裂縫方向的各向異性參數。

通過公式(2)提取方位各向異性參數,再通過公式(3)融合并建立正交各向異性參數模型,可得到方位信息準確、空間分布合理的正交各向異性參數初始模型。

1.2 正交各向異性參數精細建模

1.2.1 正交各向異性層析矩陣的建立

正交各向異性參數與方位相關,因此不包含方位信息的常規層析反演矩陣不適于正交各向異性介質。我們記錄不同方位的核函數和旅行時誤差,代入以下公式,再根據不同方位的旅行時反演對應的參數:

(4)

式中:A(φ)是方位角φ的核函數矩陣;Δm是待反演參數矩陣;Δτ(φ)是方位角φ的旅行時殘差矩陣;sg是群速度;L(φ)為方位角φ的射線長度矩陣;Δ代表更新量。

1.2.2 正交各向異性多參數反演策略

正交各向異性參數多,數量級相差大,因此同時反演所有參數非常不穩定。此外參數之間相互干擾,反演精度也會受到影響。因此,針對正交各向異性介質的多參數反演,我們制定了如下的反演策略:

1) 通過正交各向異性偏移提取全方位道集,根據分方位數據偏移結果提取分方位角道集;

2) 因為vP0參數對所有方位角道集的旅行時影響一致,所以采用全方位道集反演vP0;

3)ε1,δ1只影響裂縫方向旅行時,ε2,δ2只影響垂直裂縫方向旅行時,因此,在準確反演vP0的基礎上,利用兩個方向的道集分別反演ε1,δ1和ε2,δ2;

4) 裂縫方向和垂直裂縫方向的數據量小,反演精度有限,可采用除裂縫方向和垂直裂縫方向外的方位道集進行反演,將采用參數掃描及全局尋優方法更新后的ε1,δ1和ε2,δ2代入如下的Thomsen參數ε(φ)和δ(φ)的計算公式:

ε(φ)=ε1sin4φ+ε2cos4φ+(2ε2+δ3)·

sin2φcos2φ

δ(φ)=δ1sin2φ+δ2cos2φ

(5)

5) 將上述步驟得到的ε1,δ1和ε2,δ2,代入公式(6)估算δ3:

(6)

我們采用正交各向異性多參數反演方法,建立了正交各向異性參數精細模型,為后續偏移成像提供了精確的參數模型數據。

2 模型試算

設計的正交各向異性參數多層模型如圖4所示,模型橫向長度為3000m,包括300個CDP,深度為4000m,采樣間隔為10m。模型由淺到深分為4層,第1層為各向同性地層,vP0=3000m/s,ε1=ε2=δ1=δ2=δ3=0;第2層為TTI各向異性地層,vP0=3250m/s,ε1=ε2=0.1,δ1=δ2=0.05,δ3=0;第3層為正交各向異性地層,vP0=3500m/s,ε1=0.3,ε2=0.035,δ1=0.266,δ2=0.001,δ3=0.22;第4層為各向同性地層,vP0=4000m/s,ε1=ε2=δ1=δ2=δ3=0,該地層作用是提供反射界面,不參與反演參數的更新。該模型包含各向同性、TTI各向異性和正交各向異性介質,可模擬實際地質情況并驗證本文方法的適用性。

如圖5所示,從正交各向異性參數初始模型(vP0=3000m/s,ε1=ε2=δ1=δ2=δ3=0)開始反演迭代更新,采用本文方法得到的正交各向異性參數精細模型和數值曲線分別如圖6和圖7所示,可以看出,背景模型不包含任何梯度信息,更新難度大。我們采用了遞進式的更新思路和針對性的反演策略,建立的精細模型數值準確、構造界面明顯、空間分布合理,能精確地分辨和描述各向同性、TTI各向異性、正交各向異性介質,刻畫各個介質的各向異性特征,并驗證了本文方法的有效性和適用性。

圖4 正交各向異性參數多層模型a vP0; b ε1; c ε2; d δ1; e δ2; f δ3

圖5 正交各向異性參數初始模型a vP0; b ε1=ε2=δ1=δ2=δ3=0

圖6 正交各向異性參數精細模型a vP0; b ε1; c ε2; d δ1; e δ2; f δ3

圖7 正交各向異性參數數值曲線a vP0; b ε1; c ε2; d δ1; e δ2; f δ3

3 實際資料處理

對某探區實際資料采用本文方法進行處理以驗證方法的有效性。該探區目的層深,地層傾角小,復雜斷裂和縫洞儲層發育,構造復雜,存在較強的正交各向異性特性,斷裂和縫洞是油氣有利聚集區。對探區采用TTI各向異性處理方法得到的成像結果質量較高,但斷裂和縫洞成像精度較低,不利于儲層精細描述和斷裂準確預測。

圖8為采用本文方法建立的正交各向異性參數精確模型。模型參數分布合理,符合斷裂和縫洞發育規律,參數數值準確,能夠描述地震波速度的方位特性。圖9a和圖9b分別采用TTI各向異性處理方法和本文方法得到的偏移成像結果。TTI介質各向異性建模及成像整體質量高,但是碳酸鹽巖目的儲層的斷裂和縫洞成像精度低,存在斷裂不清晰、縫洞繞射波聚焦性差等現象。經本文方法處理后,斷裂清晰、繞射波收斂,斷裂和縫洞的成像精度進一步得到了提升。圖10a和圖10b分別為對探區采用TTI各向異性處理方法和本文方法提取的OVT域成像道集。可以看出,對TTI介質采用各向異性處理方法時,存在方位信息的OVT域成像道集適應性差,無法將不同方位的道集完全拉平的問題,說明TTI各向異性處理方法不能準確描述地震波速度的方位差異。經本文方法處理后,OVT域成像道集被完全拉平,這是因為本文方法可通過多參數準確刻畫地震波速度,再利用速度將彎曲的成像道集拉平。

圖8 采用本文方法建立的正交各向異性參數精細模型a vP0; b ε1; c ε2; d δ1; e δ2; f δ3

圖9 對探區采用TTI各向異性處理方法(a)和本文方法(b)得到的偏移成像結果

圖10 對探區采用TTI各向異性處理方法(a)和本文方法(b)提取的OVT域成像道集

4 認識與結論

本文通過正交各向異性介質多參數建模方法的研究及其在實際地震資料中的應用,得出以下結論:

對正交各向異性介質,采用基于分方位速度分析的裂縫方位預測和各向異性參數提取方法,建立了正交各向異性參數初始模型,再通過建立方位正交各向異性層析矩陣,并制定合理的多參數反演策略,最終建立精細的正交各向異性參數模型,為后續偏移成像和道集提取提供了可靠的模型數據。

理論模型數據和實際資料測試結果表明,正交各向異性介質多參數建模方法能夠提高斷裂的成像精度、增強繞射波收斂、改善縫洞體的聚焦性,同時能夠拉平OVT域成像道集,提升成像效果。雖然很多通過消除道間時差拉平OVT域成像道集的方法可以提高疊加效果,改善剖面分辨率,但是對于斷裂和縫洞的成像精度改善有限。因為斷裂和縫洞對空間速度非常敏感,僅拉平道集無法從根本上提高成像效果,所以必須依賴正交各向異性參數準確刻畫速度的方向差異,消除旅行時誤差,提升整體成像效果。