深拖平纜雙方位地震資料聯合成像技術在古近系復雜構造區的應用

肖張波,張素芳,雷永昌,孫陽子,賈連凱,佘清華

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東深圳518000)

隨著海上油氣勘探逐漸轉向深水深層,針對古近系復雜斷塊解釋、地層巖性圈閉評價及古潛山內幕成像等復雜地質問題,依靠常規地震采集資料的重處理已無法滿足勘探需求。為了豐富地震資料,多、寬、全方位角地震勘探在解決中深層復雜構造成像方面日益受到地球物理學家的關注[1-2]。海洋寬頻勘探技術是解決中深層構造成像問題、提高地震分辨率、實現高精度勘探的重要方法。近年來,越來越多的地球物理學者更加重視10Hz以下地震低頻信號,充分利用低頻信號的優勢,發揮其在中深層復雜構造成像中的作用[3-4]。為了實現深部目標體的清晰成像,提供更多的地層結構及細節信息,在采集上,國內專家改變平纜采集思路,提出深拖平纜寬頻采集方法,相比于其它寬頻采集方法,該方法電纜操控更加靈活,野外作業更方便,成本更低。與常規拖纜相比,深拖平纜有利于鬼波衰減處理,改善資料頻寬和信噪比[5]。另外,寬方位采集技術在改善復雜斷層成像、地層-巖性及裂縫的識別中發揮了極大的作用[1,6-10]。由于海上拖纜寬方位采集受觀測系統影響,實施相對困難,真正的寬方位采集需要海底地震儀(OBS)采集技術,但是其布設成本太大,后續的處理技術要求也很高。在當前低油價背景下,采用拖纜多方位勘探一方面能彌補窄方位勘探的不足,另一方面采集操作靈活,作業效率高,經濟成本低[11],是現階段相對可行的方案。

由于地下介質為各向異性,不同傳播方向的地震波具有不同的速度,多方位地震觀測必然存在方位各向異性。如何充分發揮不同方位成像的優勢,改善復雜構造速度場精度,是多方位地震成像研究的重要課題。劉依謀等[12]認為不同方位地震資料各向異性參數的求取是多方位資料聯合成像的難點;朱明等[13]和鄧盾等[14]開展了雙方位地震資料聯合成像處理技術的海上應用研究。陳禮等[15]和朱江梅等[16]探討了海上多方位地震資料處理關鍵技術。張麗艷等[17]和楊宗青等[18]針對陸地寬方位地震資料開展了方位速度分析和各向異性參數優化提取的研究。TSVANKIN[19]針對寬方位及多方位地震資料的方位各向異性開展了大量研究。楊勤勇等[20]分析了TTI各向異性特點以及處理技術在陸地地震資料中的應用。

針對陸豐南地區已有常規三維地震資料采集處理存在的問題,綜合考慮地質需求及經濟性,本文采用深拖平纜雙方位資料,通過電纜深沉放豐富中深層低頻信號能量,雙方位采集提高復雜構造帶的照明度,從采集方面提升原始地震資料的品質。并在此基礎上開展雙方位各向異性深度偏移聯合成像研究,從處理方面實現雙方位三維地震資料的融合處理,從而提高速度建模精度,最終改善古近系中深層地震成像品質。

1 工區地震勘探概況

陸豐凹陷位于珠江口盆地珠一坳陷東北部,油氣資源豐富。該區目前已發現9個油田,有2個古近系油氣藏正在開發,是珠江口盆地古近系勘探的研究最成熟的地區[21-22]。陸豐凹陷油氣勘探工作始于20世紀80年代,早期勘探主要圍繞中淺層珠江組目的層,發現4個油田和多個含油構造[23],圍繞油田及含油構造部署三維地震。從2014年開始,勘探對象主要是3200m以下古近系中深層,勘探目標研究與地震資料成像的矛盾日益突出。雖然經過目標的多輪次重處理,地震資料成像品質得到一定程度的改善,但是面對復雜構造區依靠常規三維地震采集及重處理難以滿足精細研究的要求。分析認為影響陸豐南古近系資料品質的主要因素有3個方面:①淺層高速灰巖屏蔽作用阻礙信號向下傳播;②目的層埋深大,信號吸收衰減強,信噪比低,頻帶窄,導致深層有效信號弱,難以形成有效反射;③受早期巖漿隆升和強裂陷作用影響,古近系陡傾角地層和高陡斷裂發育,縱、橫向速度變化劇烈,表現出明顯的各向異性特征,速度建模困難,成像效果不理想。為此,2019年針對古近系深層成像關鍵問題及地質需求,開展了深拖平纜雙方位二次三維采集處理攻關研究。

2 深拖平纜雙方位采集參數及優勢

2.1 采集參數—深沉放

地震波在傳播過程中,由于地層吸收和衰減作用,高低頻波場成分衰減表現出差異性,高頻波場成分隨地震波傳播深度的增加而加速衰減。因此,低頻波場成分對強屏蔽及強吸收地層的深部地層成像至關重要[24]。

2.1.1 震源沉放深度

從不同震源沉放深度信號頻譜特征(圖1)可以看出,在保持震源容量等其它參數不變條件下,隨著震源沉放深度的增大,接收信號的能量明顯往低頻端集中,低頻波場成分占優勢。當震源沉放淺時,高頻成分能量突出。另外,分析圖1可知,在10～30Hz頻段信號范圍內,7m震源沉放深度相比5m震源沉放深度,信號振幅能量增強了3dB。由此可見,震源沉放越深,低頻波場成分越豐富,高頻波場成分被衰減。震源沉放淺,頻譜相對更寬,但低頻波場成分被衰減。鑒于研究區地震地質條件的要求,為了增強低頻波場成分向深部目的層傳播,本次地震采集震源沉放深度設計為7m。

圖1 不同震源沉放深度信號頻譜特征

2.1.2 電纜沉放深度

2010年在研究區部署的常規三維地震資料采集(表1),電纜沉放深度為6m,道間距為12.5m,采樣間隔為1ms。由于電纜沉放深度較淺,使得有效波與鬼波的時間延遲較小,影響鬼波壓制的效果,不利于低頻波場成分的保持,影響成像。隨著電纜沉放深度的增加,電纜鬼波陷波點逐漸向低頻端移動,有效波與鬼波的時間延遲差異明顯,有利于鬼波壓制后保持并凸顯出地震波場中的低頻成分。另外,隨著電纜沉放深度的增加,海面涌浪及其它噪聲干擾減弱,有利于提高單炮記錄質量。通過地震勘探設計與評價技術(SED)論證,2019年二次三維地震采集將電纜沉放深度由6m增加至12m。

表1 陸豐南A工區常規資料與深拖雙方位資料地震采集參數對比

對比常規采集資料與深沉放采集資料的初疊加剖面(圖2)可知,隨著電纜沉放深度的增加,深沉放采集(圖2b)在中深層的地震反射能量明顯強于常規采集(圖2a)。另外根據陷波點頻率和電纜深度的關系,對比兩種資料2.5～3.6s的頻譜(圖3)可以看出,當電纜沉放深度由6m增加至12m時,陷波點頻率從120Hz附近前移至60Hz附近,電纜鬼波陷波點逐漸向低頻端移動,深沉放采集(紅色)在0～40Hz頻段范圍內地震信號比常規采集(藍色)增強了4～5dB。說明電纜深沉放可以有效增強采集信號能量,有利于低頻信號的保留,提高了中深部地層成像質量。

圖2 常規采集資料(a)和深沉放采集資料(b)的初疊加剖面

圖3 常規采集資料(藍色)與深沉放采集資料(紅色)的頻譜

2.2 采集參數—雙方位

由于古近系斷裂復雜,埋藏深,具有較強的方位各向異性,單方位資料觀測的方位角有限,造成地震波向下傳播會出現不均勻照明的問題,導致地震資料信噪比低,各向異性復雜區成像精度差。因此,需考慮不同入射角及方位角,豐富波場傳播路徑,增加照明度,增強照明均勻性,提高信噪比及各向異性復雜區成像精度。

2010年常規采集為南北向垂直斷裂單方位采集(表1)。對比圖4a至圖4c復雜區單方位不同電纜長度的采集照明度可知,隨著電纜長度的增加,增加了照明角度和強度,豐富了有效信息,提高了速度分析精度,有利于改善資料信噪比。在滿足本區目的層照明角度分布(即纜長6450m)需求的情況下,單方位采集相對于雙方位采集在復雜構造變化區的照明均勻性的改善不明顯。

為了進一步增強照明的均勻性,獲得較豐富的地震波場信息,本區采用的雙方位采集方向(圖4d)為北西—南東方向(垂直斷層)和北東—南西方向(平行物源方向)兩個方位。在相同采集參數條件下,雙方位采集(圖4d) 相比單方位采集(圖4c)具有以下優勢:①在構造復雜區,增加方位角可以解決采集照明均勻性問題,彌補單方位照明不均衡的缺陷;②不同方位地震資料的波場信息互補,能提高照明度,增加覆蓋次數,有利于提高斷裂帶成像精度,改善復雜斷裂區及高傾角地層的成像。

圖4 不同采集照明度的對比a 單方位4200m纜長照明度; b 單方位5200m纜長照明度; c 單方位6450m纜長照明度; d 雙方位6450m纜長照明度

3 雙方位地震資料聯合成像處理技術

地下地層介質普遍存在的各向異性特征導致地震波沿不同方向傳播時存在速度差異。這種差異性使得利用各向同性地震偏移技術處理實際為各向異性介質地震資料時,會導致繞射波無法完全收斂、傾斜地層空間位置不準確,反射波不能準確歸位等問題[25-26]。雙方位地震資料成像需要同時考慮2個方位的各向異性問題,更加突顯了各向異性的影響。TSVANKIN[19]和GRECHKA等[27]提出了方位速度差異及各向異性參數估計的方法。不同方位的速度估計和各向異性參數建模是關鍵,將直接影響后續地震資料處理效果。

綜合分析認為,雙方位聯合成像各向異性速度建模主要分兩步:首先建立雙方位聯合的各向同性速度,然后開展聯合層析反演,同時考慮2個方位的各向異性參數,獲得雙方位聯合的各向異性速度[13]。因此,本文主要采用雙方位聯合速度建模及雙方位TTI各向異性疊前深度偏移聯合成像,實現雙方位地震資料的融合處理,提高地震資料成像品質。

3.1 雙方位聯合各向同性速度建模

合理的初始速度模型及利用雙方位地震資料聯合速度反演是雙方位地震資料處理時獲取準確速度模型的關鍵。針對雙方位資料,如果分別對不同方位資料進行初始速度建模及迭代更新,難以得到統一的速度場,導致同一位置不同方位資料存在深度誤差。雙方位聯合各向同性速度建模關鍵步驟包括:①將2個方位采集的數據按照方位角(采集方向)劃分成2個數據組,對每組數據利用同一初始速度模型分別進行疊前深度偏移;②對獲得的2個方位的共成像點道集(CIGs)分別拾取剩余時差(RMO);③基于每個方位的剩余時差分別開展射線追蹤構建層析方程組,然后對2個方位的層析方程組進行聯立并統一求解,獲得速度模型的更新量;④經過多次速度反演迭代更新,得到滿足2個方位資料的各向同性速度模型(深度域)。

基于聯合速度建模將不同方位信息應用于速度反演,得到的各向同性速度模型(深度域)相對于常規建模方案更加合理。但綜合考慮地下介質的方位各向異性性質,利用各向同性方法處理地震資料時,其結果信噪比和分辨率較低,且存在井震深度誤差,因此,仍需解決各向異性導致的速度差異性,進一步改善成像品質。

3.2 雙方位TTI各向異性疊前深度偏移聯合成像

由于研究區古近系地質條件復雜,地層改造抬升強烈,陡傾角地層和高陡斷裂發育,具有較強的TTI各向異性特征。基于各向同性的偏移處理方法難以準確描述各向異性速度,造成地震成像深度和產狀與地下實際地層情況存在偏差[20]。依據在正交各向異性介質條件下,每個方位可用一個獨立的TTI各向異性來等價近似[28],本文采用TTI介質各向異性方法解決雙方位資料各向異性問題,最終形成一個統一的速度模型和兩套獨立的方位各向異性參數。實施步驟[14]:①采用聯合反演得到各向同性速度模型分別對2個方位數據進行各向同性偏移,然后結合測井資料分別估計2個方位偏移后雙方位道集的各向異性參數(δ和ε);②對2個方位的各向異性參數分別開展反演迭代更新;③采用聯合反演的各向異性速度場和更新后的各向異性參數(δ和ε)對2個方位分別進行各向異性偏移;④對2個方位偏移后道集進行與傾角和方位角相關的旅行時差校正,將校正后道集通過自動尋優融合處理得到最終雙方位TTI各向異性疊前深度偏移聯合成像。

3.3 TTI各向異性模型及應用效果

圖5為采用本文方法建立的TTI各向異性參數(δ和ε)模型。該模型細節豐富,不同層系沉積環境具有明顯的區分,構造分布合理,符合實際地質情況。

圖5 采用本文方法建立的TTI雙方位資料各向異性參數模型a 方位1各向異性ε場; b 方位2各向異性ε場; c 方位1各向異性δ場; d 方位2各向異性δ場

圖6為傾角與方位角校正前、后道集蝶形顯示結果,可以看出,受不同地層傾角及方位角的影響,校正前(圖6a)2個方向的偏移道集同相軸存在微小相位差(黑色箭頭處),并且同相軸上翹下彎,影響后續疊前深度偏移聯合成像;校正后(圖6b),2個方位的偏移道集相位差得到解決,同相軸拉平,消除了傾角及方位角引起的成像差異。

圖6 道集傾角與方位角校正前(a)、后(b)道集蝶形顯示

對比雙方位各向同性速度場和各向異性速度場偏移后速度道集有明顯差異。圖7和圖8分別為目標區不同速度場偏移速度道集和殘余速度譜的蝶形顯示,可以看出,各向同性速度場的偏移道集校平不足,同相軸存在上翹下彎(圖7a),殘余速度譜不聚焦(圖8a),影響最終成像精度;而采用各向異性速度偏移道集,實現2個方位同相軸拉平和疊加,同相軸更平(圖7b),殘余速度譜更聚焦(圖8b)。說明針對陡傾角地層和高陡斷裂發育帶,各向異性速度模型更符合實際地質情況,成像更加準確。

圖8 目標區不同速度場殘余速度譜蝶形顯示a 各向同性殘余速度譜; b 各向異性殘余速度譜

對比單方位深度偏移速度場(圖9a)與深沉放雙方位聯合建模深度偏移速度場(圖9b)可以看出,深沉放雙方位速度場(圖9b)存在兩套明顯的低速地層(橢圓處),而單方位速度場(圖9a)低速特征不明顯。結合實鉆及地化分析認為研究區主要發育兩套低速烴源巖,分別為文四段中深湖相烴源巖(黑色橢圓處)和上文昌淺湖相烴源巖(藍色橢圓處)。深沉放雙方位聯合速度建模獲得的各向異性速度場符合鉆井揭示的速度規律,能夠很好地反映文昌組低速烴源巖,對于新洼陷烴源潛力的評價具有重要意義。

圖9 單方位深度偏移速度場(a)與深沉放雙方位聯合建模深度偏移速度場(b)

4 地震資料成像效果及應用

4.1 復雜斷裂的成像

目標區受區域伸展作用及巖漿底劈活動的共同影響,早期地層發生強烈掀斜,并伴隨高陡斷層的產生及次生調節斷裂密集發育,導致斷層組合樣式復雜,難以準確識別判斷,影響復雜斷塊圈閉的落實。

對比常規單方位三維與深沉放雙方位三維的成像剖面(圖10)可以看出:深沉放雙方位資料(圖10b) 融合不同方位的信息,在復雜區速度場精度更高,高陡斷裂成像更清楚,斷裂與地層接觸關系清楚,內幕同相軸反射特征穩定,連續性好,信噪比更高;此外,高陡地層與基底內幕之間邊界成像清楚(黑色箭頭處),利于沉積邊界及構造精細研究。而常規單方位資料(圖10a)斷塊內地層內幕信噪比低,斷面成像不清楚,地層與斷裂的交切關系難以厘定;另外受速度場精度影響,傾斜地層空間位置不準確,反射波不能準確歸位,基底內幕呈現出與高陡地層近平行的干擾反射(黑色箭頭所指處),影響沉積地層邊界的刻畫。

圖10 單方位地震資料(a)與深沉放雙方位融合地震資料(b)成像剖面(一)

對比常規單方位三維與深沉放雙方位三維地震資料的頻譜(圖11)可知,深沉放雙方位資料頻帶更寬(紅線),為5～48Hz,主頻為30Hz,低頻端信息更飽滿,高頻信息豐富,地震分辨率明顯提高;而常規資料頻帶較窄(藍線),為8～38Hz,主頻為18Hz。雙方位聯合成像處理充分利用了2個方位的信息,明顯提高海上深層地震資料的成像品質,對地質信息的保留更加完整,為復雜目標的構造解釋、沉積儲層的研究奠定了基礎。

圖11 圖10藍框區域單方位地震資料與深沉放雙方位融合地震資料頻譜對比

4.2 地層接觸關系識別

研究區處于洼陷長軸方向,具有長期發育的向西傾斜單斜背景,地層超覆-剝蝕現象頻繁,有利于形成構造-地層-巖性復合型圈閉。研究區目的層低位三角洲砂體往東減薄特征明顯,且南、北均發育斷裂對其進行遮擋,具備形成構造巖性圈閉的背景,但受多期物源的影響,地震相橫向變化較快,三角洲內幕反射特征不清,增加了對內部高級別界面識別和砂體平面展布刻畫的難度。

從圖12可以看出:單方位地震資料(圖12a),在①號位置同相軸連續性差,反射不聚焦,接觸關系難以有效識別;而深沉放雙方位融合地震資料(圖12b) 在①號位置地震反射表現出明顯的上超下削特征,不整合界面清楚,地震同相軸橫向連續性好且呈強反射特征。相對圖12a單方位地震資料,深沉放雙方位融合地震資料低位三角洲與湖侵過程形成的退積型三角洲二元疊置關系更為清晰,大型高位進積型三角洲內部前積及底部下超特征明顯。從圖13可以看出:單方位地震資料信噪比均值為3dB,最高為4.28dB;而深沉放雙方位融合地震資料信噪比均值為4.10dB,最高接近7dB,地震資料信噪比提升明顯,在識別地層接觸關系及沉積體內部反射特征等方面具有較大的優勢,利于地層巖性圈閉的評價。

圖12 單方位地震資料(a)與深沉放雙方位融合地震資料(b)成像剖面(二)

圖13 單方位地震資料與深沉放雙方位融合地震資料信噪比的對比

4.3 優質砂體識別

優質砂體識別是深層古近系勘探評價及井位部署的關鍵。對比單方位地震資料和深拖雙方位地震資料的低位砂體疊前反演結果可知,單方位地震資料受采集限制,信噪比較低,疊前同時反演的vP/vS屬性(圖14a)刻畫低位砂體沉積邊界不清楚,LF-A-1井點處表現為中-高vP/vS特征,優質砂體不發育,以泥巖特征為主,與實鉆巖性(圖14c)不匹配。對于古近系沉積體邊界以及優質儲層識別等存在一定的局限性,難以滿足目標評價需求。而深拖雙方位地震資料具有低頻信號豐富,頻帶較寬,較高的信噪比及保幅性,從圖14b可以看出,低位砂體優質儲層整體表現為低vP/vS特征,砂體往周邊逐漸減薄尖滅特征明顯,巖性邊界刻畫清晰,巖性為厚層細砂巖,孔隙度為11.9%～14.6%,與實鉆LF-A-1井綜合解釋結果(圖14c) 吻合度較高。勘探實踐結果表明,深拖雙方位地震資料頻帶更寬,信噪比高,有效降低了反演的多解性,證實了低位三角洲砂體的存在,提高了儲層預測的精度,有助于巖性目標的評價。

圖14 單方位地震資料與深沉放雙方位地震資料vP/vS屬性低位砂體預測平面分布對比a 單方位地震資料; b 深沉放雙方位地震資料; c LF-A-1井綜合解釋結果

5 結論

1) 針對古近系復雜地質構造,改造抬升強烈,陡傾角地層和高陡斷裂發育,深拖平纜雙方位采集相比傳統單方位采集綜合了兩個單方位的信息,在復雜斷層影響區能夠有較好的照明,有效提高了波場照明和覆蓋次數,同時有利于中深層低頻波場成分能量的保持,提高了古近系地震資料的信噪比,奠定了原始資料的品質。

2) 針對雙方位地震資料速度及各向異性參數差異,提高了速度建模精度,采用雙方位聯合速度建模及雙方位TTI各向異性疊前深度偏移聯合成像,實現了雙方位地震資料的融合處理,能夠更好地反映地下真實地質情況,有效改善了復雜斷裂區的成像效果。

3) 實際應用結果表明,深拖平纜雙方位三維地震資料在地震地質綜合解釋應用中具有明顯的優勢。改善了復雜斷裂體系的準確成像,提升了地層接觸關系的識別及準確地落實有利砂體的空間展布,滿足復雜構造精細評價的要求,為后續地質綜合研究及井位部署提供了可靠的資料。