塔河地區火成巖下成像精細速度建模方法應用

穆 潔，史飛洲，徐 穎，高厚強，邵文潮，李晶晶

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院，南京 211103)

塔河油田油氣儲量豐富，奧陶系的古巖溶縫洞是良好的儲集空間[1-4]，奧陶系內幕的小縫洞精細成像就成為多年來一直研究的問題。塔河地區資料的處理難點除了要聚焦形態各異的“串珠”，以及識別淹沒在風化殼不整合面中的小縫洞體以外，二疊系的火成巖在塔河油田也廣泛分布。由于二疊系火成巖速度和厚度在橫向上巨變[5]，導致下伏地層在構造特征上表現為高頻的扭動，這給奧陶系內幕縫洞的識別以及精細解釋帶來了困難。近年來，針對火成巖的影響，學者們進行了不同方法的研究。李國發等[6]、韓站一等[7]通過正演模擬，研究了火成巖對下伏地層的影響，為后續的火成巖下成像研究奠定了基礎；周剛等[8]、劉立民等[9]、蒲波[10]、高厚強等[11]、王麗等[12]認為深度偏移可以較好地消除火成巖產生的影響，較真實反演地層橫向速度變化，并驗證了不同疊前深度偏移算法對火成巖區精細成像的精度。目前疊前深度偏移算法已經相對成熟，在解決火成巖目標成像方面已成為較為主流的方法。在深度域成像領域，速度建模至關重要[10,13]，因此火成巖速度模型已成為研究熱點。蒲波[10]應用傳統的網格層析成像法，并取得了一定的效果；張濤等[14]利用三維網格層析技術對速度-深度模型進行了全局優化，得到了火成巖體速度的高頻分量；馬一鳴等[15]、崔永福等[16-17]在速度反演的基礎上將反演算法和地質層位解釋結合，進一步提高了速度模型和成像的精度；杜開鵬[18]綜合多種地震和地質資料，通過劃分地震巖相，篩選敏感的參數，建立了較為高精度的火成巖速度場，是一種綜合多學科建立速度場的過程；黃棱等[19]運用GeoEast處理解釋一體化系統對火山巖速度模型進行優化迭代，提高了速度模型精度。前人通過成像方法和速度建模的改進，以及綜合多學科應用先進處理軟件的方法，從各方面不斷提高了巖下成像的精度。但在塔河地區綜合應用多種建模方法較準確刻畫火成巖速度以及消除下伏假構造和假斷裂成像的研究還較少。在前人研究基礎上，基于深度偏移算法，重點對研究區火成巖下伏地層成像開展速度建模的研究，通過變尺度的網格層析反演和多信息約束的目標反演構建高精度的速度模型，并用于偏移成像。結果表明該速度建模技術能有效消除火成巖對下伏地層的影響，消除假構造、假斷裂，恢復地層的真實構造形態；同時，對縫洞體的刻畫更加清晰。

1 火成巖高精度速度建模流程

常規的深度域速度建模方法主要通過拾取共成像點道集的剩余曲率來建立目標函數，并利用網格層析成像得到速度模型的更新量，從而反演出背景場的速度趨勢。該方法對大套地層和大尺度的地質體具有較好的適用性。但是火成巖等特殊巖體的橫向展布只有兩三百米甚至更小，且橫向的速度和巖性變化劇烈，從而使得常規的速度建模方法無法準確反演出巖體的速度和橫向展布特征。

針對火成巖下成像的精細速度建模流程如圖1所示。首先，對時間域均方根速度進行一系列平滑、時深轉換、外推、插值等處理，從而得到深度域初始速度；然后，對初始速度進行變尺度的網格層析迭代，由大尺度向小尺度迭代轉變，刻畫出火成巖的基本輪廓[20]；隨后，在速度建模的目標函數項上加入井約束和構造約束項，得到新的目標函數，從而刻畫出更加精細的火成巖速度的縱、橫向變化特征；最后，利用深度偏移進行成像。

圖1 針對火成巖下成像的速度建模流程圖Fig.1 Flow chart of velocity modeling for imaging under igneous rock

2 基本原理

2.1 網格層析反演原理

射線通過炮點激發檢波點接收，在地下傳播的旅行時組成旅行時方程，對積分方程(1)進行空間離散后得到方程組(2)。

(1)

AΔs=Δt

(2)

式中：Δs為參考模型與真實模型的慢度差向量；dl為沿射線路徑l的射線段長度；Δt為旅行時殘差向量；A為靈敏度矩陣，其元素對應于射線在網格內的射線路徑長度。對方程組(2)進行反復迭代，得到靈敏度矩陣A，速度模型即為慢度函數的倒數。網格層析反演即需要通過拾取走時殘差，并沿網格單元內射線路徑對殘差進行反投影來得到模型的更新量[11,21-22]。求取目標函數如式(3)所示：

L(s)=‖AΔs-Δt‖2

(3)

式(3)中：L(s)為層析目標泛函；Δs為慢度更新量；Δt為旅行時殘差向量。經過反復迭代更新，即可求得反演后的速度模型。

2.2 變尺度網格層析迭代

網格層析反演迭代過程遵循以下原則：由淺層到深層，由大尺度到小尺度，由沿層低頻到局部高頻。利用初始速度模型進行偏移成像，對生成的共成像點道集進行剩余曲率的拾取，逐漸反演出每一輪的速度更新量。由于深度域速度從淺到深是累積的過程，所以淺層速度不準直接影響深層速度的準確性，這也進一步說明二疊系的火成巖速度的不準確直接影響到下伏地層的成像和假構造的出現。大尺度反演主要求取沿層狀的低頻信息，對背景速度的準確求取起到了至關重要的作用，因此前幾輪的速度更新迭代需采用大尺度反演。而當背景速度較為準確時，即剩余延遲幾乎為零時，可以逐漸縮小反演尺度，增加射線密度以及加密剩余曲率的拾取來反演出局部小尺度的細節。

2.3 多信息約束目標反演

常規的網格層析反演是基于數據驅動的目標反演，通過變尺度的反演迭代，能夠獲得較為高精度的速度模型和成像結果。但是地震的分辨尺度是有限度的，常規的速度反演只能由剩余時差建立目標函數，對于火成巖的高頻抖動，需要借助對地質認識以及測井曲線進一步約束目標反演，得到新的目標函數，并通過網格層析，得到新的高頻的模型[14]。

常規速度層析反演的目標函數為

(4)

在常規針對成像道集進行拾取的基礎上，加入了井約束的殘差和構造約束的殘差，得到多信息約束的目標函數：

(5)

式中：x,y為網格中心點坐標；h為炮檢距；href為參考炮檢距；zevents(h)為偏移距href處的目標軸深度；zevents(href)為參考偏移距h處的目標軸深度；zmig為偏移剖面地震深度；zwell為測井上對應的分層深度；minit為真實的構造地層層位；mcurrent為偏移的地層層位；α、β為構造約束的權系數。

加入了先驗地質識別和測井曲線的信息，新的約束目標函數w(m)在迭代中收斂得更好，反演的精度更高。

3 實例應用效果

3.1 研究區地質概況

研究區位于天山南部、地處塔克拉瑪干沙漠北緣的戈壁荒漠地區，區域內二疊系發育大套火成巖。該區火成巖主要分三期發育，最早期為凝灰巖，速度最低，繼而發育英安巖，速度次之，最后一期發育高速玄武巖。由于火成巖的成分和巖相都大不相同，厚度變化不均勻，導致縱橫向速度高速變化。邊界和形態很難刻畫，精細的火成巖速度模型就很難建立。在速度建模過程中，利用地質信息對火成巖巖性和范圍劃分很有必要。

二疊系火成巖在整個宏觀地層上看是屬于中小尺度特殊地質體，且速度和厚度在橫向上變化較快，導致成像反射點分布不規則，層析反演中的射線路徑不均勻且非常稀疏，造成結果的多解性。基于反射和層析的方法往往求取不出高頻分量，因此火成巖在背景速度下的成像表現為同相軸劇烈的抖動，同時引起下伏地層的構造變形和不連續。假構造和假斷裂給構造精細解釋帶來很大障礙，從而影響儲層的識別和鉆井的部署。

3.2 變尺度網格層析反演效果

圖2 初始速度偏移剖面和第三輪大尺度迭代后偏移剖面對比Fig.2 Comparison of initial velocity migration section and migration section of the third large-scale iteration

將每一輪迭代更新的速度模型加入上一輪模型中進行疊前深度偏移成像，圖2(a)為初始模型的深度偏移剖面，圖2(b)為經過一輪迭代反演后的深度偏移剖面。大尺度的反演主要對于淺層及大套層位的成像有影響。圖2(b)中黃色框內和箭頭所指處右圖波組的一致性更強，信噪比更高。

通過縮小反演尺度，增加射線密度和加密剩余殘差的拾取，獲得了更精細的速度場。圖3(a)為進行了三輪大尺度迭代后的深度偏移剖面，圖3(b)為縮小反演尺度后第五輪深度偏移剖面。圖3(b)較圖3(a)的優勢在于：綠色框內二疊系火成巖的形態更簡單，沒有劇烈的起伏抖動；在黃色圈內的成像質量更高，地層連續性明顯變好。

圖3 第三輪大尺度迭代后偏移剖面和第五輪小尺度迭代后偏移剖面對比Fig.3 Comparison of migration sections of the third large-scale iteration and the fifth small-scale iteration

3.3 多信息約束網格層析反演效果

在常規網格層析迭代的基礎上，利用地質信息對火成巖在平面上的展布進行識別，加入測井約束，構建目標函數。圖4為利用多信息約束網格層析反演迭代出的高頻速度更新量和地震剖面疊合圖，在二疊系火成巖區域(紅色框內)，能較好刻畫出火成巖的橫向速度變化。利用反演求得的高精度速度模型進行疊前深度偏移成像。圖5(a)為常規網格層析反演后的偏移剖面，圖5(b)為多信息網格層析約束后的偏移剖面。隨著火成巖影響的進一步消除，小尺度的弱串珠進一步突顯出來(綠色圈內)。圖6所示為圖5成像剖面上黃色線處的偏移成像道集對比，圖6(b)的黃色框內能明顯看到弱的遠偏移距信息和串珠狀反射特征。

圖4 約束網格層析反演后速度更新量Fig.4 Updated velocity after constrained grid tomography inversion

圖6 約束網格層析反演前后偏移道集對比Fig.6 Comparison of migration gathers before and after constrained grid tomography inversion

3.4 偏移成像對比

圖7(a)為基于常規網格層析反演的疊前深度偏移成像剖面，圖7(b)為基于變尺度多信息約束的網格層析反演的疊前深度偏移成像剖面。基于多信息約束的網格層析反演的深度偏移有著諸多優勢：構造特征更簡單合理，符合地層沉積規律；波組特征更加清晰，同相軸更連續，地層連續可追蹤；消除了由于上覆火成巖引起的繼承性假構造(箭頭處)；奧陶系縫洞成像和內幕小斷裂更加清晰(黃色圈內)。

圖7 常規層析反演偏移與變尺度多信息約束層析反演偏移對比剖面Fig.7 Migration contrast sections of conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

3.5 綜合屬性對比

對圖7中的偏移剖面沿二疊系提取水平切片，同時與地震速度疊合，得到圖8。圖8(a)為常規層析反演水平切片，圖8(b)為變尺度多信息約束層析反演水平切片，圖8(b)中火成巖(紅色圈內)的高頻速度可以反演出來。

為進一步分析兩種速度建模后的偏移成像效果，對圖7中的偏移剖面沿T74提取相干屬性。相干屬性是一種對地震數據進行不連續檢測并提取振幅的方法，在相干切片上能直接反應構造和斷層的分布情況。圖9(a)為利用常規層析反演偏移數據提取的相干切片，圖9(b)為基于變尺度多信息約束層析反演偏移數據體提取的相干切片，黑色的線為提取出的斷裂和不連續構造。圖9(a)中紅色框內為上覆火成巖對下伏地層繼承性的影響，圖9(b)中火成巖的影響明顯消除了很多，并且圖9(b)在斷裂的刻畫方面更清晰。

圖8 常規層析反演與變尺度多信息約束層析反演二疊系水平切片對比Fig.8 Comparison of Permian horizontal slices between conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

圖9 常規層析反演偏移與變尺度多信息約束偏移相干切片對比Fig.9 Coherent slices comparison between conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

3.6 井旁速度對比

圖10 過井處測井曲線與常規網格層析反演速度曲線、約束網格層析反演速度曲線對比Fig.10 Comparisons of logging curves at crosshole with conventional grid tomography inversion velocity curves and constrained grid tomography inversion velocity curves

基于不同速度建模方法得到的速度模型，分別抽取工區內一口井處的速度模型道與實際測井速度值進行對比。圖10中黑色線為實際測井速度，藍色線為常規反演的井旁速度，枚紅色虛線為運用約束反演后的井旁速度。結果表明利用變尺度網格層析和多信息約束的網格層析相結合的方式進行速度反演，得到的速度模型比常規反演得到的速度模型更趨近于實測井速度。

4 結論

(1)針對特殊巖體的約束目標反演方法是一種針對性的特殊手段，對于刻畫特殊地質體的速度有較好的效果，是在常規層析反演迭代的基礎上進行的，前提要保證一個準確穩定的背景速度場。

(2)相比較常規的層析反演，利用變尺度網格層析和多信息約束網格層析結合能精細反演出高頻的速度成分。從地震剖面和屬性切片的綜合對比表明，對塔河地區巖下成像有一定效果，并且對火成巖下伏地層構造和奧陶系內幕成像都有較大改善，比較好地消除了假構造，提升了資料品質，為精細構造解釋提供便利。

(3)方法的運用需結合不同地質目標特征以及測井曲線進行曲線、剖面、平面屬性等多方面的嚴格質控。