基于二維聲波方程的松南地區(qū)裂縫型火山機(jī)構(gòu)正演特性研究

苗賀

中國(guó)石化東北油氣分公司儲(chǔ)層及含油氣性預(yù)測(cè)攻關(guān)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 130062

0 引言

火石嶺組處于盆地拉張斷陷初期，地層主要受到斷陷控制，長(zhǎng)嶺斷陷東部廣泛發(fā)育正斷層，火石嶺組初期處于火山噴發(fā)期，大量火山巖充填，主要為灰色凝灰?guī)r、安山巖以及灰黑色玄武巖，同時(shí)在一些區(qū)域也發(fā)現(xiàn)礫巖、中細(xì)砂巖薄層，但由于火石嶺組時(shí)期盆地快速抬升，所以沉積巖分布范圍較小，厚度較薄。火石嶺組末期，長(zhǎng)嶺斷陷東部大范圍隆升，局部剝蝕與上覆地層形成不整合面[1]。

1 區(qū)域研究概況

工區(qū)構(gòu)造上位于長(zhǎng)嶺凹陷南部，斷陷層向上超覆，為油氣有利運(yùn)聚區(qū)。發(fā)育有碎屑巖儲(chǔ)層和火山巖儲(chǔ)層，其中火山巖儲(chǔ)層主要位于斷陷層至斷坳轉(zhuǎn)換帶，發(fā)育各類(lèi)中-基性、酸性火山噴發(fā)巖，形態(tài)多為噴發(fā)形成的溢流相火山，還有刺穿狀的火山巖株、沿層侵入層狀火山巖席等。內(nèi)部存在大量斷裂、裂縫、孔洞等，為研究工區(qū)內(nèi)火山巖裂縫型儲(chǔ)層特性，前人們利用寬方位地震采集數(shù)據(jù)能夠取得更好的效果，尤其是OVT域數(shù)據(jù)對(duì)裂縫型儲(chǔ)層的刻畫(huà)有其天然優(yōu)勢(shì)[2-4]，但是對(duì)于早前已經(jīng)采集過(guò)的地震工區(qū)，不能夠補(bǔ)全寬方位地震數(shù)據(jù)的工區(qū)，如何使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)得到相對(duì)可靠的裂縫指示剖面，則是目前面臨的最迫切的問(wèn)題。為此，開(kāi)展與該工區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)處理方法對(duì)應(yīng)的聲波波動(dòng)方程正演，研究特定條件下火山巖的不同地震響應(yīng)。

2 計(jì)算原理

為了提高裂縫介質(zhì)或縫、洞檢測(cè)的可靠性，利用聲波波動(dòng)方程正演分析各種參數(shù)的地震響應(yīng)特征，控制變量分析參數(shù)降低裂縫介質(zhì)的成像多解性[5-7]。且采用波動(dòng)方程正演與逆時(shí)偏移相結(jié)合的手段，能夠最大程度保證裂縫介質(zhì)正演成像的質(zhì)量。

2.1 正演地震波場(chǎng)

上述二維地震波場(chǎng)的獲得，可通過(guò)解二維聲波波動(dòng)方程公式(1)：

(1)

式中：c(x,z)為速度模型，p(x,t)為波場(chǎng)，f(x,t)—震源項(xiàng)。通過(guò)離散格式：(x,z,t)?(iΔx,jΔz,tΔt)，其中i,j,t為整數(shù)。采用中心差分獲得空間4階、時(shí)間2階的地震波場(chǎng)數(shù)據(jù)，其擴(kuò)展方式如圖1。

圖1 波動(dòng)方程有限差分示意圖

圖1中，黑色點(diǎn)是當(dāng)前時(shí)刻納入計(jì)算的點(diǎn)，白色點(diǎn)是將要計(jì)算得出的點(diǎn)，示意圖中采用時(shí)間二階，空間二階的簡(jiǎn)單圖示，將整個(gè)模型區(qū)域納入計(jì)算，通過(guò)時(shí)間切片的方式，逐步擴(kuò)展，得到全空間波場(chǎng)數(shù)據(jù)，將接收點(diǎn)設(shè)置在地表處，從而獲得二維地震記錄。

2.2 逆時(shí)偏移

火山機(jī)構(gòu)無(wú)論是噴發(fā)相或是溢流相，其地震相都與常規(guī)的沉積相不同，為提高對(duì)火山機(jī)構(gòu)的成像精度，本文選用疊前深度偏移中的逆時(shí)偏移作為成像手段，理論上雖然地震波傳播過(guò)程在物理上時(shí)間是不可逆的，但是在數(shù)學(xué)上的時(shí)間是可逆的。這就意味著在某一傳播過(guò)程中，無(wú)論是正向觀測(cè)還是逆向觀測(cè)，這個(gè)傳播過(guò)程都是互逆的。根據(jù)這一思想，結(jié)合時(shí)間一致性成像條件，震源正向傳播波場(chǎng)和檢波點(diǎn)逆向外推波場(chǎng)經(jīng)零延遲互相關(guān)，其中波場(chǎng)逆向傳播差分格式為公式(2)：

(2)

逆時(shí)偏移是目前成像精度最高的方法，無(wú)論是對(duì)垂直斷層，高速體內(nèi)幕成像，效果都是顯著的。但是，其缺點(diǎn)也是顯著的，可以看出，①逆時(shí)偏移與波場(chǎng)正演一樣需要速度模型，對(duì)速度誤差比較敏感；②根據(jù)互相關(guān)成像條件，需要對(duì)信號(hào)序列進(jìn)行褶積運(yùn)算，產(chǎn)生巨大的計(jì)算量；③需要同時(shí)存儲(chǔ)正向傳播波場(chǎng)與逆向外推波場(chǎng)，數(shù)據(jù)量龐大；④成像噪音較大，對(duì)噪音的消除也是逆時(shí)偏移很重要的一點(diǎn)[8]。

3 模型正演及特性分析

3.1 正演地震記錄

正演計(jì)算需要先建立速度模型，參考實(shí)際數(shù)據(jù)(表1)。工區(qū)內(nèi)火山巖大多伴隨大量裂縫，而且裂縫一般不是單一條存在，而是以裂縫群的形式存在，所以設(shè)計(jì)模型裂縫寬度60 m，間隔60 m，火山巖速度5 400 m/s，又因一般存在裂縫的區(qū)域速度較低，該模型設(shè)置填充速度為1 840 m/s，以垂直傾角為例(圖2a)。

表1 工區(qū)采集參數(shù)表

圖2 裂縫模型正演波場(chǎng)和地震記錄分析

圖2b是裂縫頂界面反射波場(chǎng)，波前面由連續(xù)的反射波和交叉的網(wǎng)狀繞射波構(gòu)成，透射波前面被裂縫切割；圖2c是底界面反射波前，經(jīng)裂縫頂界面透射后波前由斷續(xù)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換成連續(xù)界面，從這一傳播過(guò)程可以看出，不同于被切割的透射波前，反射波前都是連續(xù)的同相軸伴隨網(wǎng)狀的繞射波前，因此會(huì)在地震記錄中表現(xiàn)為一條同相軸后面夾雜大范圍的繞射同相軸。

通過(guò)圖2d可以看出裂縫頂界面與底界面的反射地震記錄，都是由一個(gè)連續(xù)的雙曲線和多個(gè)網(wǎng)狀的繞射波形成的雙曲線構(gòu)成，尤其是底界面網(wǎng)狀的雙曲線能量增強(qiáng)，說(shuō)明繞射波在裂縫間傳播互相干涉，同相位的部分能量得到加強(qiáng)。

通過(guò)圖3可以看出，逆時(shí)偏移成像質(zhì)量比較高，其成像特點(diǎn)有：①在模型的上空間有震源引起的噪聲，這是疊前偏移方法的通性；②在裂縫頂?shù)捉缑姹容^清晰；③基本刻畫(huà)了所有地質(zhì)構(gòu)造的細(xì)節(jié)，無(wú)論是垂直邊界或是水平邊界，都不影響成像質(zhì)量，說(shuō)明該方法突破了傾角限制。

圖3 逆時(shí)偏移剖面

3.2 特性分析

(1)裂縫長(zhǎng)度

利用地震數(shù)據(jù)研究裂縫長(zhǎng)度一直是難點(diǎn)，主要由于裂縫尺度與地震分辨率相差太多[9]，因此本文設(shè)計(jì)模型為縱波速度低于圍巖的裂縫型儲(chǔ)層，儲(chǔ)層內(nèi)裂縫從大到小，逐步減小火山巖高速層內(nèi)存在裂縫的長(zhǎng)度，分析裂縫長(zhǎng)度對(duì)成像效果的影響，設(shè)置密度為常數(shù)。

當(dāng)層厚變薄、裂縫長(zhǎng)度變短時(shí)，損失的能量較小，有利于底界面成像，但當(dāng)厚度減小到一定程度時(shí)，頂?shù)捉缑娈a(chǎn)生的波場(chǎng)互相干擾，反而會(huì)使成像困難，甚至無(wú)法對(duì)底界面成像，最小成像裂縫長(zhǎng)度為40 m。

(2)裂縫密度

分析裂縫密度，在保持總寬度不變的條件下，調(diào)整裂縫間隔，使模型一裂縫間隔60 m，模型二裂縫間隔12 m，即模型二的裂縫更加密集。

圖4 裂縫長(zhǎng)度對(duì)比圖

對(duì)比圖5觀察，雖然裂縫間隔變窄影響了垂直邊界的成像效果，但是模型二整體區(qū)域能量更加集中，整體能量更強(qiáng)一些，說(shuō)明裂縫密集區(qū)域更加容易識(shí)別，目前識(shí)別到的裂縫很大程度上并不是單條裂縫，而是裂縫群構(gòu)成。

圖5 不同裂縫密度模型的偏移剖面對(duì)比圖

(3)裂縫傾角

為分析裂縫不同傾角的成像效果，設(shè)計(jì)三種傾角和一種網(wǎng)狀縫參數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 反射系數(shù)模型表

對(duì)比圖6a、6b看出，裂縫左傾與右傾成像效果無(wú)大差異，說(shuō)明傾角固定時(shí)傾向?qū)鹕綑C(jī)構(gòu)中裂縫成像影響不大；在傾向固定而傾角變化時(shí)，成像效果變化明顯，當(dāng)傾角從60°降到30°時(shí)，裂縫斜邊成像效果變差，頂界面反射依然明顯，底界面反射隨傾角增大逐漸減弱，說(shuō)明目前檢測(cè)到的大多是高角度的縫。網(wǎng)狀模型由模型一、模型二疊合組成，其中網(wǎng)狀部分正演特征雜亂難辨，但整體能量較強(qiáng)易辨別裂縫存在，斜交的區(qū)域正演特征與模型一、二相似，說(shuō)明網(wǎng)狀縫更加容易識(shí)別，側(cè)面驗(yàn)證了密集裂縫較易識(shí)別的結(jié)論。

圖6 不同傾角對(duì)比圖

4 實(shí)際數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯?shí)際數(shù)據(jù)中的效果，圖7是過(guò)b213和b213-1連井地震剖面，紅色線是GR曲線，根據(jù)井上測(cè)得AC曲線設(shè)計(jì)速度模型，整體傾角11°，平均速度4 800 m/s，從左到右逐漸增大趨勢(shì)，火山巖頂界面平均厚度50 m(換算時(shí)間厚度20 ms左右)。圖8，模型上層有3 000 m，常速度3 500 m/s。模型二設(shè)有左側(cè)網(wǎng)狀裂縫，裂縫間隔25 m，左傾角60°右傾角45°，右側(cè)上部左傾45°多條裂縫，裂縫間隔25 m；模型三設(shè)有左側(cè)垂直裂縫，裂縫間隔25 m，右側(cè)上部右傾45°多條裂縫，裂縫間隔25 m。

圖7 連井地震剖面

為對(duì)比網(wǎng)狀裂縫與平行裂縫地震響應(yīng)差異，建立模型三，在同一位置設(shè)置網(wǎng)狀裂縫和垂直裂縫；為對(duì)比不同裂縫密度地震響應(yīng)差異，建立模型四，和模型三在相同位置設(shè)置不同密度的垂直裂縫。

對(duì)比圖8a與圖8b，左側(cè)斜交裂縫，表現(xiàn)為同相軸斷裂，易識(shí)別，右側(cè)右傾裂縫斷裂特征不明顯，說(shuō)明斜交縫比垂直縫更易識(shí)別；圖8b與圖8c，裂縫間隔25 m，左側(cè)垂直裂縫，表現(xiàn)為同相軸斷續(xù)，同樣說(shuō)明右側(cè)斜交縫比垂直縫更易識(shí)別，右側(cè)左傾裂縫特征與右傾裂縫特征相似，說(shuō)明裂縫傾向?qū)Τ上裼绊懖淮螅粓D8c與圖8d，間隔50 m，同相軸相對(duì)連續(xù)，裂縫有成像，但整體特征難以識(shí)別，說(shuō)明在火山巖中裂縫間隔小于50 m即密度較高時(shí)，裂縫易識(shí)別；此外四個(gè)模型裂縫長(zhǎng)度都在40 m以上，同時(shí)驗(yàn)證前文裂縫識(shí)別長(zhǎng)度在40 m的結(jié)論。

圖8 實(shí)際地質(zhì)模型分析組圖

通過(guò)螞蟻?zhàn)粉櫩梢酝怀龅卣饠?shù)據(jù)的不連續(xù)性，最終能夠獲得一個(gè)低噪音、具有清晰斷裂痕跡的新屬性數(shù)據(jù)體，見(jiàn)圖9。對(duì)于斷裂、裂縫有突出的效果。根據(jù)螞蟻體追蹤結(jié)果，結(jié)合正演結(jié)論，①可以提高該地區(qū)火山巖中高角度裂縫存在的可靠性；②根據(jù)螞蟻體結(jié)果可以看出裂縫大多表現(xiàn)為網(wǎng)狀縫，對(duì)于這一點(diǎn)正演結(jié)論也有支撐；③火山巖中最小長(zhǎng)度40 m的縫在螞蟻體剖面約為10 ms長(zhǎng)度的縫可以被識(shí)別。

圖9 螞蟻?zhàn)粉櫡治鼋M圖

5 結(jié)論

(1)工區(qū)內(nèi)的火山機(jī)構(gòu)體中裂縫存在特征有：檢測(cè)到的裂縫區(qū)域大多是由組小裂縫組成，而不是尺度較大的單條裂縫；

(2)螞蟻?zhàn)粉櫫芽p的長(zhǎng)度大于等于40 m(約為時(shí)間剖面中的10 ms)可以認(rèn)為是可靠的。

(3)高角度裂縫包括垂直裂縫更易識(shí)別，垂直于構(gòu)造走向布置測(cè)線能夠反映真實(shí)的裂縫傾角，能夠提升裂縫預(yù)測(cè)能力；

(4)網(wǎng)狀裂縫能量較強(qiáng)，即網(wǎng)狀裂縫密度更高，更易識(shí)別。