分頻疊前深度偏移技術在小尺度縫洞體成像中的應用

楊江峰,呂秋玲,丁建強,朱博華,張 薇,王世星

(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.中石化石油工程地球物理有限公司科技研發中心,江蘇南京211100)

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫勒凸起中南部,油氣地質儲量在15×108t以上,主要產油層集中在中—下奧陶統,埋深均大于5300m,是典型的縫洞型碳酸鹽巖油藏[1],以大型溶洞、溶洞通道和裂縫帶為儲集空間和流動空間[2]。自20世紀80年代塔河油田被發現以來,油氣勘探工作者通過持續的勘探開發實踐,建立了一套塔河油田縫洞型儲集體成像和預測技術系列,不斷推動著油氣儲量和產量的增長[3]。

塔河油田中—下奧陶系儲集空間形態多樣、縫洞體尺度變化劇烈。圍繞縫洞儲集體精細成像和預測,前人的地震波場正演模擬研究結果表明,縫洞儲集體具有典型的“串珠”地震反射特征,縫洞大小與“串珠”振幅強弱具有相關性[4-6];在地震成像方面,前些年主要采用克希霍夫疊前時間偏移成像,近年來逐步開展了逆時偏移(RTM)成像研究,提高了縫洞體空間位置成像的精度[7-9];在縫洞儲層預測和識別方面,主要利用地震振幅屬性、振幅變化率屬性、古地貌分析、不連續性檢測、疊前方位各向異性裂縫檢測、三維可視化、AVO分析等技術預測縫洞儲層平面分布及縫洞體內幕充填物特征,刻畫古河道及縫洞體的空間展布,取得了明顯的效果[10-12];在提高分辨率方面,主要采用小波變換、RGB三原色融合等疊后時頻分析技術進行小尺度縫洞體識別[13-16],近年來提出的基于分頻疊前時間偏移成像的小尺度溶洞體檢測技術,有效提高了小尺度縫洞體邊界、輪廓的描述精度[17-18]。

隨著勘探開發程度的進一步深入,目前基于常規疊前時間偏移數據體部署的開發井溶洞鉆遇率只有50%左右,酸壓率較高,導致油井建產成本高[19]。如何同時提高縫洞體空間位置成像準確度和小尺度縫洞成像精度,從而提升鉆井成功率、減少酸壓、降本增效,是目前塔河地區尚需攻克的難題。

克希霍夫疊前深度偏移和逆時偏移成像提高了縫洞體空間位置成像的準確度,但是對小尺度縫洞成像精度有待進一步提高;疊前時間偏移后分頻技術能夠提高地震資料的分辨率,但高頻段數據體存在明顯的“假頻、波形震蕩”,增加了縫洞體識別的多解性。本文對前人研究技術流程進行了優化,提出一種新的技術流程——分頻疊前深度偏移技術流程。該流程將疊前分頻和深度偏移有機結合,既提高了縫洞體空間位置成像的可靠度,又提高了小尺度縫洞成像的精度。該技術流程在塔河油田實際三維地震資料的應用中取得了良好的效果。

1 技術原理及流程

常用的時頻分析技術有短時傅里葉變換(STFT)、小波變換(CWT)、Gabor變換、匹配追蹤(MP)、S變換(ST)等[14-15]。其中,短時傅里葉變換是較為成熟、穩定的分頻方法,正、反變換易實現,運行效率高。其它幾種時頻變換方法時頻譜精度高,主要應用于時頻分析研究方面。本次分頻處理采用的傅里葉變換時頻分析方法,主要包括如下3個步驟。

1) 利用鉆井資料、儲層厚度分析結果,結合原始單炮資料的頻寬范圍,確定所要進行分頻成像的頻帶寬度(低截頻和高截頻)[17-18]。在設計實際濾波器時,通常對頻譜曲線進行鑲邊,克服吉布斯效應帶來的間斷點震蕩,本文中通過理想帶通濾波器加上一斜坡,設計形成梯形濾波器H(ω):

H(ω)=

(1)

式中:ω1為低截頻;ω2為高截頻;ωD為頻帶寬度;ω0為中心頻率[20]。

2)采用傅里葉變換方法進行疊前CMP道集分頻處理。假設地震道為f(t),經傅里葉變換后為F(ω),正、反傅里葉變換公式分別為:

(2)

(3)

在分頻處理過程中,將帶通濾波器和傅里葉變換相結合,形成分頻變換公式:

(4)

利用公式(4)對疊前CMP道集進行分頻處理,得到多個分頻后的CMP道集數據體。

3) 利用克希霍夫疊前深度偏移技術,對上述分頻CMP道集數據體分別進行疊前深度偏移成像,從而得到多個分頻疊前深度偏移數據體,具體流程見圖1a,與疊前偏移后分頻技術流程(圖1b)相比,該技術流程將濾波器置于偏移成像之前,對分頻后的CMP道集再進行偏移成像,偏移運算量成倍增加。

圖1 技術流程a 分頻疊前時間/深度偏移; b 疊前時間/深度偏移后分頻

2 模型正演

為了分析不同主頻數據對于縫洞成像的精度、疊前時間偏移和疊前深度偏移對于縫洞成像效果的差異,設計如圖2所示的模型。該模型有3個溶洞,溶洞直徑為40m,左側的為孤立洞,右側兩個溶洞間隔為60m,溶洞填充物的速度和密度分別為3600m/s和2.29g/cm3,圍巖的速度和密度分別為6000m/s和2.65g/cm3。

圖2 正演模型

基于該模型,分別利用18Hz和38Hz零相位雷克子波進行彈性波正演模擬及偏移成像研究,分析不同頻率的數據對溶洞成像精度的差異。圖3為不同主頻子波的克希霍夫疊前深度偏移成像結果,圖3a 和圖3b分別對應子波主頻18Hz和38Hz。由圖3可以看出,38Hz偏移剖面具有較高的分辨能力,“串珠”狀響應特征更為收斂。對于右側兩個間隔較近的溶洞,18Hz偏移剖面由于分辨率較低,橫向上很難區分出兩個溶洞;在38Hz偏移剖面上,可以較清晰地識別出兩個溶洞,與實際正演模型更加吻合。由此可見,高頻數據的分辨率較高,可以更好地識別小尺度溶洞特征,從而提高溶洞識別的精度。

此外,對子波主頻為18Hz的正演數據進行疊前時間偏移和疊前深度偏移成像,其結果示于圖4。圖4 疊合顯示了圖2模型左側單洞成像成果與溶洞位置,中間紅色圓圈為溶洞位置。由于溶洞上覆地層存在傾斜地層,疊前時間偏移成像結果對于“串珠”位置的成像有一定的誤差(圖4a),橫向誤差約為25m。利用疊前深度偏移成像方法可以較好地解決由速度模型不準確而引起的“串珠”成像位置偏差問題,成像結果與實際“串珠”位置吻合很好(圖4b)。以上研究結果表明,與疊前時間偏移相比,疊前深度偏移在溶洞高精度成像、偏移歸位方面的結果更加可靠,縫洞空間位置的成像更加準確。

圖3 不同主頻子波的克希霍夫疊前深度偏移成像結果a 18Hz; b 38Hz

圖4 疊前時間偏移剖面(轉換到深度域顯示)(a)和疊前深度偏移剖面(b)

3 應用效果分析

由于分頻疊前深度偏移成像運算量巨大、運算周期較長,為了提高運算效率,在參數測試環節,本研究通過分頻疊前時間偏移與疊前時間偏移后分頻技術對比優選最佳的頻段,然后再對優選后的頻段進行分頻疊前深度偏移成像。

3.1 分頻疊前時間偏移和疊前時間偏移后分頻的效果對比

根據圖1所示的技術流程開展分頻疊前時間偏移和疊前時間偏移后分頻的技術測試。圖5為實際地震資料疊前時間偏移后分頻和分頻疊前時間偏移剖面。圖5a至圖5e為疊前時間偏移后分頻成像剖面,圖5f至圖5j為分頻疊前時間偏移成像剖面,從左至右,頻段分別為8～20,21～30,31～41,42～100,52～120Hz。由圖5可以看出:在30Hz及以下頻段,疊前時間偏移后分頻和分頻疊前時間偏移成像效果相當,例如,圖5b和圖5g 中“串珠”的大小、形態基本相當;但在31Hz以上頻段,兩種方法的成像結果出現了明顯差別,圖5c中的“串珠”有拉長的現象,原本有一個強波峰的“串珠”,變成了多個強波峰波谷相間的“串珠”,隨著頻段的提高,“串珠”縱向變長更為嚴重,圖5d中的“串珠”已經變成了3～4個強波峰波谷長串,而圖5i中的“串珠”仍然保持較好的形態;將頻帶寬度提升至52～120Hz,可以發現,圖5e中基本上全變成了“波形振蕩”,“串珠”縱向明顯變長,給縫洞儲層識別帶來假象,而圖5j中“串珠”形態仍然保持較好。由此可見,與疊前時間偏移后分頻相比,分頻疊前時間偏移成像技術有效降低了高頻段產生的假頻、“串珠”縱向拉長等現象,縫洞成像的“串珠”形態更為準確。對比圖5f 至圖5j可以看出,從低頻到高頻的地震剖面中小“串珠”的成像更加清晰、振幅能量更加突出,更加有利于小尺度縫洞體的識別,有效提高了地震資料的縱、橫向分辨率。

3.2 小尺度縫洞成像效果分析

采用常規全頻帶疊前時間偏移成像技術可對較大尺度的縫洞體進行成像(圖6a)。從地震資料分辨率方面來說,常規的疊前深度偏移成像剖面(圖6b)與疊前時間偏移剖面(圖6a)效果相當。對比圖6a和圖6b可以看出,“串珠”的個數、大小基本相當,“串珠”的位置略有不同(將在后文敘述)。

為了進一步提高小尺度縫洞體的成像精度,本文選用42～100Hz頻段的分頻疊前深度偏移成像技術得到高頻段分頻疊前深度偏移數據體(圖6c)。對比圖6a、圖6b和圖6c可以看出:圖6a和圖6b中隱約存在的不明顯的“串珠”在圖6c中得以清晰成像;圖6c 整體剖面結構與圖6b保持一致,圖6b中的“串珠”在圖6c中依然存在,但圖6c中“串珠”個數明顯多于圖6b中的“串珠”個數。根據調諧效應原理,大尺度的縫洞產生較大尺度的“串珠”,小尺度的縫洞產生較小尺度的“串珠”,利用這一原理,通過地震數據體中“串珠”的大小來預測縫洞體的規模。分頻疊前偏移成像技術得到的高頻段數據體有效提高了地震資料的分辨率,小尺度“串珠”更加清晰,為小尺度縫洞體識別奠定了良好的數據基礎。

圖6 分頻疊前深度偏移與疊前時間偏移成像剖面對比a 常規疊前時間偏移成像剖面; b 常規疊前深度偏移成像剖面(轉換到時間域顯示); c 分頻疊前深度偏移成像剖面(頻帶為42～100Hz,轉換到時間域顯示)

3.3 縫洞體空間位置成像效果分析

疊前時間偏移成像技術是基于水平層狀介質假設條件的,而對于非水平層狀的地質體,時間偏移成像得到的地質體空間位置是不準確的。克希霍夫疊前深度偏移技術考慮了地層產狀的變化,對于地質體空間位置成像更為準確。對比圖7a和圖7b 可以看出,W1井所在“串珠”位置有所不同,在疊前時間偏移剖面(圖7a)上,W1井位于“串珠”的正中央,而在疊前深度偏移剖面(圖7b)上,W1井不在“串珠”正中央。在分頻疊前深度偏移剖面(圖7c)上,W1井未鉆遇“串珠”,而是在“串珠”的邊部。由W1井的實鉆結果可知,該井在鉆井過程中未出現放空、漏失現象,測井解釋為干層。W1井的結果進一步證明了分頻疊前深度偏移技術對縫洞體空間位置的成像更為準確。

圖7 分頻疊前深度偏移成像與常規疊前時間偏移成像“串珠”位置對比結果a 疊前時間偏移剖面; b 疊前深度偏移剖面(轉換到時間域顯示); c 疊前分頻深度偏移剖面(頻帶為42～100Hz,轉換到時間域顯示)

我們將分頻疊前深度偏移技術應用于塔河地區80km2的三維地震資料處理。圖8對比了某縫洞儲層預測平面位置。由圖8可以看出,與常規疊前時間偏移結果(圖8a)相比,分頻疊前深度偏移成像(圖8e)縫洞體空間位置整體向東南偏移30～90m,小“串珠”更加豐富;與常規疊前深度偏移結果(圖8b) 相比,分頻疊前深度偏移成像縫洞體空間位置一致,但是“串珠”的個數多。對比圖8c、圖8d和圖8e可以看出:對于同一“串珠”成像,分頻疊前深度偏移成像結果更加精細;在圖8c中,上部一個隱約的小“串珠”加下部大“串珠”的組合,在圖8e中分離為明顯的兩個“串珠”。

綜上所述,分頻疊前深度偏移技術一方面提高了地震資料的分辨率,能夠發現一批常規疊前時間偏移技術沒有成像的小“串珠”,為塔河地區將來的井位部署增添了新的鉆探目標;另一方面,進一步提高了縫洞體空間位置成像的準確度,為成功鉆遇縫洞體和提高鉆井成功率奠定了良好的資料基礎。

圖8 縫洞儲層預測平面位置對比a 振幅屬性(藍色為基于疊前時間偏移的振幅屬性,綠色為基于42～100Hz分頻疊前深度偏移數據體的振幅屬性); b 振幅屬性(藍色為基于常規疊前深度偏移的振幅屬性,綠色為基于42～100Hz分頻疊前深度偏移數據體的振幅屬性);c 疊前時間偏移剖面; d 疊前深度偏移剖面; e 42～100Hz分頻疊前深度偏移剖面

4 結論

圍繞塔河地區碳酸鹽巖縫洞體空間位置成像不準、小尺度縫洞體無法成像的難題,提出了基于分頻疊前深度偏移技術的縫洞體成像流程,將疊前CMP道集分頻處理和克希霍夫疊前深度偏移成像有機結合,實現了對小尺度縫洞體的精細成像和空間位置準確成像。主要得出如下兩點認識:

1) 疊前時間偏移后分頻成像在高頻段數據體中存在假頻特征,縱向上“串珠”形態發生明顯拉長,而分頻疊前時間偏移成像從低頻段到52Hz高頻段數據體均具有良好的保幅性,“串珠”形態真實,同時提高了地震資料分辨率;

2) 分頻疊前深度偏移技術兼具提高小尺度縫洞體成像精度和提高縫洞體空間位置成像準確度的兩大優勢,為塔河地區發現小尺度縫洞體和提高鉆井成功率奠定良好的地震資料基礎。

本文對分頻疊前深度偏移成像技術在小尺度縫洞體成像精度和空間位置準確度方面進行了初步研究,下一步將利用不同頻段深度偏移數據體,開展縫洞體外部形態、內幕結構刻畫等方面研究,進一步挖掘該技術的優勢。