面向深層復雜地質體油氣勘探的地震一體化技術

曲壽利

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院,北京102206)

1 深層復雜地質體勘探面臨的地球物理難題與對策

1.1 問題分析

油氣勘探已經進入深層、超深層[1-3]。我國塔里木、四川和鄂爾多斯等盆地的海相深層碳酸鹽巖油氣勘探領域,以巖溶縫洞型、礁灘孔隙型、白云巖孔隙型和裂縫型為典型的特殊儲層,具有構造圈閉復雜和儲層多樣的特征[4-7]。這對常規地球物理勘探技術提出了嚴峻的挑戰,主要可歸納為:①地表與地下雙復雜,地表起伏劇烈、甚至陡傾基巖出露地表,速度橫向變化大,目的層埋藏深、溫壓高、構造復雜和勘探目標具有尺度小、非均質性等特點,導致地震波場復雜、地震信號弱、信噪比低、分辨率低及地震各向異性嚴重等;②非均質和各向異性問題挑戰了傳統的基于水平層狀介質理論的動靜校正方法和成像方法;③單一的疊后地震屬性方法難以解決復雜儲層和流體預測問題。

1.2 思路對策

深層復雜地質體勘探面臨的這些地球物理難題往往不是孤立的,而是貫穿于地震采集、處理、解釋的各個環節當中,運用單一環節的技術不能有效地解決,必須采用地震采集、處理、解釋一體化的疊前成像與反演的思路系統地解決。地震一體化技術流程如圖1所示。

圖1 地震一體化技術流程

1.3 地震一體化技術的關鍵

“地震一體化技術”即從地質模型出發,全流程系統地考慮面臨的地球物理難題對采集、處理和解釋每個環節的影響,開展基于復雜地表地質模型正演模擬的采集設計模擬分析、處理成像、巖石物理分析與儲層反演等系統研究,由此反復試驗找到適合實際特定工區的地震采集、處理與解釋技術流程與參數。地震數據處理解釋一體化研究近年來受到重視[8-10],但實際應用中真正將地震數據采集、處理、解釋有機地一體化統一起來,并非易事。

在圖1所示的地震一體化技術流程中涉及多項技術,其中,三維地震正演模擬與觀測系統設計技術、巖石物理建模與分析技術以及靜校正、去噪等地震預處理技術是重要的基礎。最關鍵的技術包括:在地震采集環節以獲得品質好、信息全的地震成像所需資料為中心的“小寬高”高密度地震采集技術、在地震處理環節以“小平滑面”RTM深度成像為核心的預處理和速度建模與疊前偏移成像技術、地震解釋環節以“五維數據”各向異性疊前反演技術為核心的裂縫、甜點、流體預測技術。

2 “小寬高”高密度地震采集技術

“小寬高”高密度地震采集技術是指采用小道距、小面元,寬方位、寬頻帶、高覆蓋、高炮道密度的高密度地震采集技術。為滿足地下復雜構造成像的需求,必須對地質體進行高密度均勻采樣,盡量避免地震照明陰影。也就是說,地震野外采集時盡量得到更多、更全的波場信息,包括地表、地下的高密度均勻全方位采樣。

2.1 小道距、小面元的優勢

“小”就是指小道距和小面元,主要是解決地表、地下的高密度采樣問題。小道距地震數據的優勢可概括為:①可得到完整的線性噪聲波場,有利于噪聲壓制;②有利于反演高精度的近地表速度模型;③可獲得高質量的初至波,利于基于初至波層析反演的靜校正。

如圖2所示,10m道距的道集和疊加剖面線性噪聲特征優于25m道距的采集結果,因此小道距可以有效地壓制線性噪聲。如圖3所示,相較于20m道距地震數據反演的速度,2m道距的地震數據反演的速度精度明顯提升,更接近微測井計算得到的速度。

圖2 不同道距的道集及疊加剖面a 10m道集; b 25m道集

圖3 不同道距的地震數據反演的速度曲線與微測井速度曲線

小面元采集也有利于提高地震剖面的分辨率、小地質體串珠成像精度及小斷塊成像精度。小面元(12.5m×12.5m)采集的地震數據比大面元(25m×25m)采集的地震數據的疊加剖面分辨率高(圖4a),相應的小串珠RTM成像精度也更高(圖4b)。勝利油田進行了面元大小的系列試驗,結果如圖5所示,從左到右,面元從25m×25m縮小至5m×5m,面元越小,則斷點越清楚,分辨率越高。

圖4 不同面元地震數據的疊加剖面(a)、RTM成像剖面(b)左:面元尺寸為25m×25m;右:面元尺寸為12.5m×12.5m

圖5 小面元成像試驗結果

2.2 寬方位采集的優勢

“寬”是指寬方位地震采集,盡可能地加大觀測系統的橫縱比,盡可能實現對地下地質體的全方位觀測,有利于獲得更全的地震波場信息,有利于高陡斷裂、串珠成像,以及各向異性裂縫性儲層預測。如圖6 所示,隨著觀測系統橫縱比的提高(即方位的增寬),地震剖面上高陡斷裂的成像精度也逐步提高。西部塔河地區小面元加寬方位采集的地震數據成像效果(圖7的右圖)比老資料(圖7的左圖)的串珠刻畫精度明顯提高。

圖6 不同橫縱比地震數據的成像結果

圖7 塔河地區西部小面元+寬方位采集地震數據縫洞成像結果a 成像剖面; b 串珠解釋的平面分布(左:面元尺寸為25m×25m;右:面元尺寸為12.5m×12.5m)

2.3 高覆蓋與高炮道密度的優勢

“高”指高覆蓋與高炮道密度,二者均有利于提高信噪比和成像質量。圖8是西北油田阿東不同覆蓋次數下老、新三維地震數據成像結果,老資料覆蓋次數不足100,新三維資料高覆蓋(640次)+寬方位(橫縱比為0.9),成像質量和信噪比明顯提升。考慮到性價比,且覆蓋次數并非越高成像效果提升越顯著,西部塔里木地區進行的三維采集覆蓋次數實驗結果如圖9a所示(據中石化西北油田),當覆蓋次數達到500次后,信噪比的增加不明顯(圖9b,時窗1800～3500ms)。不同地表條件下地震采集的覆蓋次數需通過分析論證、試驗確定,需要綜合考慮地表條件、地下構造復雜程度、勘探目標、成本效益等因素后權衡確定。

圖8 西北油田阿東不同覆蓋次數下的三維老(a)、新(b)資料成像結果

圖9 塔里木地區地震數據成像(a)及信噪比(b)隨覆蓋次數的變化情況

高密度地震采集最顯著的標志是高炮道密度,即每平方千米內的激發炮數和接收道數。中國石化2005年以前常規采集的老三維地震數據,一般炮道密度小于20萬道/km2。隨著地震儀器的發展和物探技術的進步,2005年以后開始逐步提高炮道密度,直到2016年左右,高精度三維地震采集數據的炮道密度為20萬道/km2～100萬道/km2。約從2017年開始,為提高復雜探區的地震數據質量,逐步實施高密度三維地震采集,炮道密度大于100萬道/km2。如圖10所示,江蘇油田永安三維高密度地震采集的炮道密度高達180萬道/km2,相較于原來高精度采集(90萬道/km2)的地震數據成像結果(圖10a),高密度采集的地震數據成像結果(圖10b)信噪比、斷點均有明顯改善,利用新資料進行地震解釋,新增了8個地層圈閉(據江蘇油田)。

圖10 江蘇永安三維高精度(a)、高密度(b)采集地震數據的成像結果

綜上所述,“小寬高”高密度地震采集技術是解決地表地下復雜勘探問題的有效途徑。然而“小寬高”所包含的小道距、小面元、寬方位、寬頻帶、高覆蓋、高炮道密度等這些采集參數存在極限,一味追求參數的極限會大幅增加采集成本,故需根據勘探目標、成本效益及野外試驗綜合確定。

實際應用中需根據勘探目標的復雜程度,抓住主要矛盾,選擇合適的參數。對于地下潛力大而“地上地下雙復雜”的目標,要舍得投入,大膽采用“小寬高”高密度地震采集技術;如果地下各向異性不突出、無需進行疊前裂縫預測,則無需采集方位太寬的地震數據;如果對地震數據分辨率要求不高,地表地下情況不太復雜,道距則無需太小;如果地震數據信噪比很高,則無需要求高覆蓋和高炮道密度。

必須根據地質目標的復雜程度,圍繞深度域RTM成像的需求,通過地震正演模擬試驗分析,遵循一體化的思路,設計實用的觀測系統,得到最佳的采集方式,與此同時還要兼顧經濟效益。

3 “小平滑面”RTM疊前深度偏移技術

地表地下構造復雜,速度橫向變化劇烈,時間域偏移成像原理決定了它不能對地下地質體的位置進行準確成像,疊前深度偏移成像至少目前是最佳的甚至是唯一的選擇。

3.1 “小平滑面”RTM疊前深度偏移技術思路

雖然疊前深度偏移技術能夠很好地解決地下復雜構造(速度)的成像問題,但是,對于地表地下“雙復雜”的勘探對象,常規的疊前深度偏移處理技術不適用。圖11為當前在地震數據處理中經常會用到的處理面。

在圖11中,固定基準面采用工區統一的水平海拔高程,CMP浮動面是在時間域用于動、靜校正的大平滑面,真地表即地表高程面,擬真地表面是對真地表面進行小平滑后的“小平滑面”。

圖11 地震數據處理常用的處理面示意

為滿足時間域動校正疊加的假設原理和方法,通常我們引入一個恒定的“替換速度”將炮點和接收點近似地校正到CMP浮動面上,然后在CMP浮動面上進行速度分析、動校正疊加及疊前時間偏移處理,甚至疊前深度偏移成像。在地表起伏和近地表速度變化都不大的情況下,上述處理流程是正確的。但在復雜山前帶地區,地表起伏大,近地表速度變化劇烈,不滿足近地表一致性假設,而且“替換速度”的應用導致近地表速度模型與真實近地表速度之間的誤差很大,必然影響RTM成像的精度。因此,復雜地表條件下不能將CMP浮動面作為RTM處理的起始面,理論上,RTM處理的起始面最好從真地表開始,才能真正解決復雜近地表結構的問題。但是當前觀測數據有限,且層析速度反演的網格不能太小,因此得到的近地表速度精度不夠高,從真地表進行RTM處理依然存在較大的近地表速度誤差。因此,需要探索一種折中的近似方法,即對真地表進行與計算旅行時網格相當的平滑處理(一般約為400m),人為建立一個新的“面”即“小平滑面”。也就是說,小平滑地表面是真地表進行小平滑處理后的地表面,在此面上進行速度分析及RTM疊前深度偏移處理,即稱為“小平滑面”RTM疊前深度偏移處理技術。

小平滑處理的尺度取決于RTM旅行時計算網格。“平滑”后的表面和近地表速度模型,在炮點、接收點旅行時的計算網格之間不應存在“顯著”的變化。選定“小平滑面”后,只需完成從起伏地表到平滑面的高頻靜校正。如圖12所示,基于“小平滑面”的高頻靜校正很好地消除了高頻抖動,保證了中長波長的波場特征不受人為靜校正處理的影響。

圖12 基于不同地表高頻靜校正效果a 圖12b、圖12c、圖12d對應的處理面高程; b 原始地表; c 時間域浮動面折射靜校正處理結果(用于時間域PSTM); d 平滑地表面高頻靜校正處理結果(用于深度域PSDM)

3.2 “小平滑面”RTM成像的關鍵是速度建模

選定了“小平滑面”,進行去噪、反褶積及靜校正處理后,要去除基于浮動面的長波長靜校正量的影響,只需對地震數據施加從起伏地表到“小平滑面”的高頻靜校正,形成適用于“小平滑面”RTM成像的疊前地震數據。速度建模的關鍵在于如何建立從小平滑面到深層的精確速度模型,這是地震采集、處理、解釋一體化結合的重要環節,主要包括:①充分利用野外近地表調查資料(微測井、小折射等)進行約束,采用近地表層析反演得到可靠的近地表速度模型;②進行中深層的地質構造解釋,特別是異常速度體的解釋,形成中深層速度分析的構造(含層位、封閉地質體)約束數據;③中深層的初始速度模型建立,以及淺中深速度模型的融合和由淺到深的速度模型的迭代更新。淺中深結合的速度建模思路如圖13 所示,速度建模的原則是由淺到深、先全局后局部、最后加入各向異性,具體速度建模技術流程如圖14所示。

圖13 淺中深結合的速度建模思路

圖14 速度建模流程

精細速度建模是一個遞進的過程,目前,比較實用的策略是采用射線層析、高斯束層析、全波形反演的遞進式建模流程,逐步提高速度建模的精度。如圖15 所示,利用射線層析解決低波數問題,利用高斯束層析解決中波數問題,利用全波形反演解決高波數問題。某地區遞進式的速度建模效果如圖16所示,速度模型精度逐步得到提升,最終成像質量好。

圖15 遞進式深度域速度建模方式示意

圖16 不同階段建立的遞進式深度域速度模型及最終成像結果a 射線層析; b 高斯束層析; c 全波形反演; d 偏移成像剖面

3.3 “小平滑面”RTM成像處理效果

采用了基于“小平滑面”的處理思路和速度建模流程,特別是利用各向異性進行速度建模,可以得到較為精確的速度模型(及各向異性參數模型),再應用TTI-RTM成像處理技術,最終得到高精度的成像結果。如圖17所示,江漢潭口地區精確速度建模和TTI-RTM成像效果(圖17b)明顯優于傳統的RTM成像效果(圖17a),深部地層成像的深度及構造的位置都更為準確。如圖18所示,地震預測的目的層傾角為30°,前期RTM成像結果(圖18a)中目的層與實鉆井縱向誤差為386m,而TTI-RTM成像結果(圖18b)水平位移量為640m,對應縱向位移量為370m,縱向誤差縮小至48m,并消除了水平位置誤差。

圖17 江漢潭口地區三維早期RTM(a)和TTI-RTM(b)成像結果

圖18 前期RTM(a)和TTI-RTM(b)成像結果

全波形反演(FWI)是數據驅動下高頻速度模型優化的有效工具,對于陸上地震資料效果明顯,如圖19所示,塔河4區FWI速度優化后的“串珠”成像效果(圖19b),明顯優于原速度模型的應用結果(圖19a)。

圖19 塔河4區采用原速度模型(a)和FWI優化后(b)的速度模型得到的RTM成像結果

綜上所述,疊前深度偏移處理是當前解決復雜構造成像的唯一出路,而“小平滑面”RTM是實現“雙復雜”地質目標成像的有效現實途徑。

滿足成像條件的地震數據采集是基礎;處理流程很重要,需要完善小平滑面的選取、高頻靜校正等處理步驟;速度建模是關鍵,要做好淺層和深層融合及各向異性參數模型建立與優化;成像方法是核心,要選擇先進、適合的RTM成像方法,如TTI-RTM成像處理技術。精確的速度(含各向異性參數)建模方法(如FWI)加上精確的深度成像算法(如RTM),才能獲得精確的成像結果。

4 “五維數據”各向異性疊前反演技術

“五維數據”是在常規三維地震數據基礎上增加了方位角信息[11],即對X、Y、Z3個坐標軸加偏移距、方位角信息。通過五維道集(螺旋道集)反演提取彈性參數、巖石物性、“甜點”、流體、各向異性裂縫等信息。“五維數據”帶來了更加豐富的地震信息,特別是各向異性參數,為疊前儲層參數反演技術的應用奠定了基礎。

“五維數據”的應用必須是地震采集、處理、解釋一體化的系統工程。地震數據采集必須是寬方位觀測系統,否則無法構成“五維數據”;地震數據處理也必須是寬方位處理,如OVT域寬方位成像或角度域RTM處理;在寬方位采集處理的基礎上,才可實現地震解釋環節的各向異性分析及疊前反演,如疊前方位各向異性裂縫反演、各向異性AVO分析、各向異性疊前彈性參數反演、疊前泊松阻抗反演等。在此展示兩個應用實例的效果:一個實例是按照圖20所示的常用的疊前彈性參數反演技術一體化流程,某深層地震資料的疊前反演結果如圖21所示,在該流程中,如果要進行各向異性彈性參數反演,就需要分方位開展相關反演處理;另一個實例是某地區疊前方位各向異性裂縫反演技術的實際應用結果,其處理流程主要包括多方位成像道集的產生、分方位疊加地震數據體的形成和振幅各向異性參數反演,預測結果如圖22 所示,裂縫預測結果與井高度吻合。這些都是典型的地震采集、處理、解釋一體化的成功應用案例,如果沒有一體化的思路、一體化的設計、一體化的流程和一體化的結合,就不可能取得理想的應用效果。

圖20 常用的疊前彈性參數反演技術一體化流程

圖21 某深層地震資料疊前反演處理結果a 縱波阻抗剖面; b 橫波阻抗剖面; c 密度剖面; d 流體因子剖面

圖22 某地區疊前方位各向異性裂縫反演技術流程(a)和預測結果(b)

總之,“五維數據”蘊藏著豐富的油氣地質信息,這些信息的挖掘離不開疊前各向異性反演技術。寬方位地震采集是“五維數據”反演的數據基礎,巖石物理分析是疊前反演的物質基礎,寬方位成像處理是疊前各向異性反演技術的關鍵,合適的疊前反演方法是“五維數據”一體化應用的核心。

5 結論

地表與地下“雙復雜”條件下的地震勘探是當前一個世界級的難題,依賴任何一個單項物探新技術都不能有效地解決,除了“地震一體化技術”,別無良方。“小寬高”高密度地震采集技術、“小平滑面”RTM疊前深度偏移技術和“五維數據”各向異性疊前反演技術是“一體化系列技術”中最重要的關鍵技術。每一項物探技術的應用都有條件和局限性,必須根據地質模型進行正演模擬和巖石物理分析,通過模型試驗、野外現場試驗科學優選合適的方法和參數。大膽、科學地應用地震一體化技術,必將推動深層復雜地質體油氣勘探不斷取得新突破。

致謝:感謝中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院劉定進博士、蔡杰雄博士提供了部分數據及圖件。