李 鵬,劉志成,楊 楠,劉小民,楊瑞娟

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

玉北地區(qū)碳酸鹽巖縫洞型儲層精細(xì)成像方法應(yīng)用研究

李 鵬,劉志成,楊 楠,劉小民,楊瑞娟

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

針對新疆塔里木盆地玉北地區(qū)目標(biāo)儲層埋藏深、非均質(zhì)性強(qiáng)以及地震資料信噪比低、波場復(fù)雜的特點(diǎn),以逆時疊前深度偏移成像為核心、深度域速度建模為關(guān)鍵、保真的弱信號補(bǔ)償為基礎(chǔ),建立了一套面向玉北碳酸鹽巖縫洞型儲層的高精度地震成像技術(shù)流程。將該技術(shù)流程應(yīng)用于玉北6井區(qū)474km2實(shí)際三維地震資料處理,所得結(jié)果與傳統(tǒng)疊前時間偏移結(jié)果對比分析表明,該技術(shù)流程對于復(fù)雜構(gòu)造帶成像、“串珠”成像、縫洞儲層刻畫等具有明顯的優(yōu)勢,有效提高了研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞型目標(biāo)儲層的成像精度。

逆時偏移(RTM)；速度建模；弱信號補(bǔ)償；縫洞儲層

玉北地區(qū)古地貌特征復(fù)雜,由于長期的風(fēng)化淋濾及巖溶作用,風(fēng)化面附近形成了良好的儲層,為油氣聚集提供了優(yōu)越的儲集空間,成為塔里木盆地具有勘探前景的油氣聚集區(qū)帶。但玉北地區(qū)奧陶系巖溶縫洞型目標(biāo)儲層埋藏深、類型復(fù)雜、儲層非均性強(qiáng)的地質(zhì)特點(diǎn)造成資料信噪比低、地震波場復(fù)雜等一系列地球物理難題,對后續(xù)的速度建模和地震成像帶來更高要求?；谌暡ǚ匠痰哪鏁r偏移(RTM)技術(shù)克服了偏移傾角和偏移孔徑的限制,具有相位準(zhǔn)確、成像精度高、保幅性能好、對縱橫向劇烈速度變化和高陡傾角構(gòu)造適應(yīng)性強(qiáng)、甚至可以利用回轉(zhuǎn)波、多次波等特殊類型波場正確成像等優(yōu)點(diǎn),是目前高度復(fù)雜介質(zhì)高精度地震成像的理想技術(shù)手段。

Whitemore[1]早在20世紀(jì)80年代就提出了RTM的概念,但受限于海量計算和存儲以及特有低頻噪聲等技術(shù)瓶頸，RTM技術(shù)一直沒有能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化。近年來隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,RTM技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。借鑒求解波動方程的三類主流算法:有限差分法、偽譜法和有限元法,Wu等[2]、劉紅偉等[3]、劉定進(jìn)等[4]發(fā)展了高階有限差分RTM技術(shù),孫文博等[5]、薛東川等[6]和李信富等[7]分別發(fā)展了偽譜法RTM技術(shù)和有限元RTM技術(shù),而董淵等[8]和王童奎等[9]根據(jù)這三類方法的優(yōu)缺點(diǎn)又分別實(shí)現(xiàn)了RTM的有限元—有限差分混合解法和有限元—偽譜混合解法;為了解決RTM海量計算、海量存儲、低頻噪聲等技術(shù)瓶頸問題,李博等[10]、趙磊等[11]在GPU平臺上實(shí)現(xiàn)了RTM,劉紅偉等[12]深入分析了RTM產(chǎn)生的特有低頻噪聲和存儲需求并提出了解決方案;隨著RTM的實(shí)用化程度的提高,一些學(xué)者又將該技術(shù)拓展到新的領(lǐng)域,張美根等[13]實(shí)現(xiàn)了各向異性RTM,底青云[14]、陳可洋[15]、張會星[16]等人實(shí)現(xiàn)了彈性波RTM,Zhang等[17-18]實(shí)現(xiàn)了真振幅RTM,劉紅偉等[19]實(shí)現(xiàn)了起伏地表RTM。

本文根據(jù)玉北地區(qū)地震資料的特點(diǎn)和處理要求,從影響地震成像精度的3個要素:①正確反映地下地質(zhì)情況的品質(zhì)較好的地震數(shù)據(jù);②與地下地質(zhì)情況匹配較好的速度模型;③高精度偏移成像方法出發(fā),建立了一套以RTM疊前深度偏移成像為核心、深度域速度建模為關(guān)鍵、保真的弱信號補(bǔ)償為基礎(chǔ)的面向玉北地區(qū)碳酸鹽巖縫洞型儲層的高精度地震成像技術(shù)流程。

1 地震資料的弱信號補(bǔ)償

玉北地區(qū)地震資料一方面受地表沙丘的影響;

另一方面由于目標(biāo)儲層埋藏深、波阻抗差異小等原因,奧陶系內(nèi)部信噪比低,有效波信號湮沒在噪聲中,常規(guī)的疊前去噪技術(shù)很難在去噪過程中對弱信號保護(hù)進(jìn)行有效監(jiān)控,容易損失有效信號而影響到最終的成像效果。弱信號補(bǔ)償技術(shù)在原始單炮上對有效弱信號進(jìn)行補(bǔ)償,在此基礎(chǔ)上再對不同類型的噪聲進(jìn)行壓制,在壓制過程中能夠較好地實(shí)施質(zhì)量控制,最大限度地保留有效信號,進(jìn)而提高成像品質(zhì)。其基本思路是利用原始數(shù)據(jù)CMP道集構(gòu)建宏面元,通過Hilbert變換(公式(1))得到正弦、余弦相位(公式(2))道集和瞬時能量(公式(3))道集,經(jīng)子波自識別和能量、相位以及頻率恢復(fù)后實(shí)現(xiàn)保真重構(gòu)(公式(4)),輸出信號補(bǔ)償?shù)兰糜诤罄m(xù)處理。其優(yōu)點(diǎn)是將振幅和相位進(jìn)行分離,對相位處理的同時,能保護(hù)振幅的原始特性。

(1)

(2)

(3)

(4)

圖1為弱信號補(bǔ)償前、后的單炮記錄對比,可以看到，經(jīng)過弱信號補(bǔ)償后單炮層間尤其是深層有效信息得到較明顯的補(bǔ)償,而在補(bǔ)償前后單炮記錄差值中也幾乎看不到有效信息,進(jìn)一步印證了本方法的振幅保真性。圖2 為弱信號補(bǔ)償前、后的速度譜和超道集對比,可以看到，補(bǔ)償后速度譜的品質(zhì)更高,有效信號能量團(tuán)聚集得非常好,為后續(xù)速度分析與提高建模精度提供了保障。圖3是弱信號補(bǔ)償前、后疊加剖面對比,補(bǔ)償后剖面信噪比明顯提高,尤其碳酸鹽巖目標(biāo)儲層(圖中綠線框)的波場豐富,地層之間的接觸關(guān)系更加清晰。而從信噪比模型對比圖上(圖4)可以看到，補(bǔ)償后信噪比剖面較為均衡,信噪比明顯提高,這有利于后續(xù)的地震偏移成像處理。

圖1 弱信號補(bǔ)償前(a)、后(b)單炮記錄及單炮記錄補(bǔ)償前后的差值(c)

圖2 弱信號補(bǔ)償前(a)、后(b)的速度譜及超道集

圖3 弱信號補(bǔ)償前(a)、后(b)的疊加剖面

圖4 弱信號補(bǔ)償前(a)、后(b)信噪比模型對比

2 遞進(jìn)式深度域速度分析與建模

對于任何偏移方法,速度模型的正確性都是決定構(gòu)造成像質(zhì)量的關(guān)鍵,尤其是RTM算法對速度模型的依賴性更強(qiáng)、反應(yīng)更敏感、要求更高。而玉北地區(qū)碳酸鹽巖裂縫、溶蝕孔洞型目標(biāo)儲層的儲集空間類型多樣,空間配置復(fù)雜,而且規(guī)模、尺度不同,因而地震響應(yīng)特征復(fù)雜,增加了速度分析與建模的難度。面向RTM的速度建模過程是一個處理解釋一體化的過程,主要包括初始模型建立和模型優(yōu)化迭代兩個步驟。圖5為面向RTM的遞進(jìn)式深度域速度分析與建模流程。

2.1 初始模型的建立

初始模型的建立非常關(guān)鍵,建立一個比較準(zhǔn)確的初始模型直接決定了后期速度模型修正的精度和迭代效率。由于疊前時間偏移對速度的敏感度較小,我們首先進(jìn)行基于疊前時間偏移的速度分析,并采用剩余速度自動拾取的方法修正偏移速度場,經(jīng)多次迭代后得到最優(yōu)的時間域瞬時層速度模型,為疊前深度偏移的初始模型的建立奠定良好的基礎(chǔ);然后以地質(zhì)模型為約束條件,沿解釋的層位從瞬時層速度體上提取各層的層速度,再經(jīng)過平滑處理形成初始層速度;利用初始層速度，將時間域?qū)嶓w模型轉(zhuǎn)化為深度域?qū)嶓w模型;將層速度充填到深度域?qū)嶓w模型中就得到了一個比較理想的初始深度域速度模型。圖6分別為獲得的深度域初始速度模型和對應(yīng)的疊前深度偏移剖面與共成像點(diǎn)道集,可以看到剖面大套地層結(jié)構(gòu)清晰,地震資料信噪比高,古生界以上地震反射資料品質(zhì)好,說明建立的初始速度模型整體精度較高;但同時可以看到在中深層(尤其是奧陶系碳酸鹽巖目標(biāo)儲層)成像品質(zhì)不高、道集同相軸不平,說明該層位速度模型精度還有進(jìn)一步提高的必要。

圖5 面向RTM的遞進(jìn)式深度域速度分析與建模流程

圖6 深度域初始速度模型(a)、疊前深度偏移剖面(b)和共成像點(diǎn)道集(c)

2.2 速度模型的迭代與修正

與疊前時間偏移相比,疊前深度偏移對速度的敏感性更高。為了獲得精度更高的可靠速度模型,我們借助疊前深度偏移方法,采用遞進(jìn)式思路對速度模型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。首先利用垂向速度分析技術(shù)進(jìn)行第一輪迭代,經(jīng)過多次迭代可獲得垂向變化的精度較高的連續(xù)介質(zhì)模型;然后利用基于層位的層析成像技術(shù)進(jìn)行第二輪迭代,這種技術(shù)引入了更多的地質(zhì)解釋方案,并考慮了聯(lián)絡(luò)線方向的閉合,由此獲得的橫向和垂向上均有變化的速度模型更加符合地質(zhì)發(fā)育史的連續(xù)沉積和地層壓實(shí)作用,能夠保證成像結(jié)果在主要地質(zhì)界面(即大套地層模型中的解釋層)成像清楚;由于基于層位的層析成像主要考慮大套層位的平均層速度,對層速度具有平均效應(yīng),對層內(nèi)大部分同相軸是合適的,而對那些層間速度異?；?qū)娱g速度變化較大的區(qū)域卻可能還有一些局部速度誤差,因此我們再利用基于網(wǎng)格層析成像技術(shù)進(jìn)行第三輪迭代,對速度模型進(jìn)行精細(xì)修正,最終得到與地下地質(zhì)構(gòu)造匹配度較高的可靠速度模型，為RTM應(yīng)用提供支撐。圖7和圖8分別為由初始速度模型和三輪迭代修正的最終速度模型獲得的疊前深度偏移剖面與共成像點(diǎn)道集,可以看到經(jīng)三輪迭代修正后，剖面(圖8)的質(zhì)量得到進(jìn)一步提高,尤其是奧陶系碳酸鹽巖目標(biāo)儲層的成像品質(zhì)得到較大幅度改進(jìn),一些弱小縫洞異常體刻畫得更清楚,成像道集也校得更平,說明速度模型的精度更高。圖9 所示的最終速度模型與疊前深度偏移剖面疊合圖也表明速度模型與地下的地質(zhì)情況吻合非常好。

圖7 初始速度模型疊前深度偏移剖面(a)與共成像點(diǎn)道集(b)

圖8 經(jīng)3輪迭代后的最終速度模型疊前深度偏移剖面(a)與共成像點(diǎn)道集(b)

圖9 最終速度模型與疊前深度偏移剖面疊合顯示

3 保幅的逆時偏移成像

玉北地區(qū)地震資料的整體品質(zhì)較高,傳統(tǒng)的疊前時間偏移剖面上大套地層結(jié)構(gòu)清晰,信噪比高,古生界以上地震反射資料品質(zhì)好。但奧陶系內(nèi)幕目標(biāo)儲層在信噪比、縫洞成像精度、地層之間接觸關(guān)系等方面無法滿足儲層精細(xì)描述的需求。究其原因，一方面在于碳酸鹽巖儲層速度橫向變化劇烈、地震波場復(fù)雜,基于地下橫向均勻理論的疊前時間偏移不再適用,需要理論更先進(jìn)的成像方法提供支撐;另一方面小規(guī)模、小尺度縫洞儲層對振幅保真性提出了更高的要求?；陔p程波動理論的逆時偏移技術(shù)遵循了波的繞射、反射和折射定律,能夠較好地處理復(fù)雜介質(zhì)中的復(fù)雜波場問題,能自然地處理多路徑問題以及由速度變化引起的聚焦或焦散效應(yīng),并具有很好的振幅保持特性,是玉北地區(qū)碳酸鹽巖縫洞儲層高精度地震成像的理想手段。

3.1 緊致差分波場延拓算子

選取一種計算精度好、效率高的正演算法是RTM技術(shù)的核心?，F(xiàn)有的地震波正演手段大致可分為3類:有限差分法、有限元法和偽譜法。相對于另兩種方法,有限差分法憑借其算法簡單快速、對速度場任意變化適應(yīng)性強(qiáng)的理論優(yōu)勢仍然占據(jù)工業(yè)應(yīng)用的主要位置。

從全聲波方程出發(fā):

(5)

式中:c(x,y,z)表示地下介質(zhì)速度；p(x,y,z,t)為地表接收波場，為了使波場延拓精度更高,平衡模擬精度與計算量,本文引入隱式的緊致差分格式對方程(5)進(jìn)行求解,形成基于優(yōu)化的五對角緊致差分RTM波場延拓算子,(6)式為該偏移波場延拓算子方程：

βp″i-2+αp″i-1+p″i+αp″i+1+βp″i+2=

(6)

式中：p為計算波場；i為離散化為空間坐標(biāo)；h是空間采樣間隔；α,β,a,b和c都是緊致差分系數(shù)。

圖10為傳統(tǒng)高階有限差分和本文緊致差分算子在均勻介質(zhì)中的脈沖響應(yīng),空間網(wǎng)格參數(shù)Δx和Δy都為20m,深度步長Δz為10m,均勻介質(zhì)的速度為c=2000m/s,所用雷克子波主頻為fpeak=30Hz。圖10a為高階有限差分RTM算子(時間2階、空間8階)的脈沖響應(yīng),可以看到頻散比較嚴(yán)重,如果在此基礎(chǔ)上提高精度就得減小空間網(wǎng)格參數(shù),這樣計算量和存儲需求就會急劇上升。而本文緊致差分算子的脈沖響應(yīng)頻散壓制比較干凈,說明了緊致差分格式能夠在相同的基架上構(gòu)造出更高精度的差分格式,可以保證波場在傳播過程中頻散更小和遞推過程更加穩(wěn)定(圖10b)。

3.2 動力學(xué)成像條件

成像條件是波動類地震偏移成像方法的另外一個核心要素。本文采用帶阻尼因子的動力學(xué)成像條件,其理論公式可以表示為:

(7)

式中：tmax是最大記錄時間；Ss(x,y,z,t)為正向外推的震源波場；Rs(x,y,z,t)為反向外推的記錄波場；I(x,y,z)為點(diǎn)(x,y,z)的成像結(jié)果。

RTM波場延拓算子具有非常好的振幅保真性能,動力學(xué)成像條件也具有比較高的振幅保真性,兩者結(jié)合形成了構(gòu)造成像精度高、振幅保真性好的RTM技術(shù)。這種振幅保真性高的RTM技術(shù)系列不但有助于碳酸鹽巖縫洞型特殊儲層的精確成像,而且可以為后續(xù)的AVO等屬性分析提供更真實(shí)的地震信息,促進(jìn)更深層次的勘探開發(fā)。

圖10 RTM算子在均勻介質(zhì)中的脈沖響應(yīng)

4 實(shí)際資料應(yīng)用效果分析

本研究對塔里木盆地玉北地區(qū)玉北6井區(qū)474km2實(shí)際三維地震資料進(jìn)行了常規(guī)疊前時間偏移處理(PSTM)和逆時疊前深度偏移處理(RTM),野外采集面元25m×25m,總炮數(shù)27929炮,采用的計算孔徑縱向13600m和橫向7000m,頻帶范圍4～70Hz,時間延拓步長為0.5ms,最大延拓時間為8.0s。相干屬性分析技術(shù)和振幅變化率屬性分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞型儲層預(yù)測[20-24],本研究利用地震剖面對比、地震相干屬性分析和振幅變化率屬性分析等技術(shù)進(jìn)行了PSTM和RTM偏移成像效果的對比。

PSTM和RTM偏移成像結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),逆時疊前深度偏移成像在高陡構(gòu)造帶的斷面成像更加清晰、地震剖面中“串珠”成像更精細(xì)、“串珠”的形態(tài)更規(guī)整、“串珠”能量與圍巖的差異更加明顯(圖11),平面相干屬性分析圖中(圖12),逆時偏移對大斷裂的成像更加清楚,局部小斷裂成像更為清晰;通過振幅變化率屬性分析(圖13),在工區(qū)南部,逆時偏移結(jié)果中“串珠”的個數(shù)明顯增多(圖13b)。逆時偏移技術(shù)明顯提高了玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞儲層成像的精度。

圖11 PSTM成像結(jié)果(a)與RTM成像結(jié)果(b)對比

圖12 鷹山組頂面沿層相干屬性分析剖面

圖13 鷹山組沿層振幅變化率屬性分析

5 結(jié)束語

針對玉北地區(qū)碳酸鹽巖目標(biāo)儲層埋藏深、類型復(fù)雜、儲層非均性強(qiáng)的地質(zhì)特點(diǎn)造成的資料信噪比低、地震波場復(fù)雜等一系列地球物理難題，本文采用弱信號補(bǔ)償技術(shù)對碳酸鹽巖目標(biāo)儲層中弱有效信號的能量、相位以及頻率實(shí)現(xiàn)保真重構(gòu),有效地解決了埋藏深、波阻抗差異小導(dǎo)致的低信噪比問題,為后續(xù)的速度建模與地震成像奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ);采用遞進(jìn)式深度域速度建模技術(shù)為后續(xù)的RTM成像建立了與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)匹配較好的可靠速度模型;采用基于緊致差分的保幅RTM地震成像技術(shù)有效解決了碳酸鹽巖縫洞儲層非均性強(qiáng)、波場復(fù)雜問題,從而建立了一套以RTM逆時偏移技術(shù)為核心的高精度地震成像技術(shù)流程,并將該技術(shù)流程應(yīng)用于玉北6井區(qū)474km2實(shí)際三維地震資料處理，取得了較好的應(yīng)用效果。不僅提高了研究區(qū)小“串珠”、小斷裂和奧陶系內(nèi)幕地層成像的精度,同時,“串珠”的空間位置更加準(zhǔn)確,為該區(qū)后續(xù)儲層預(yù)測、井位部署等提供了高品質(zhì)的地震資料。

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(編輯：朱文杰)

Application of fine target reservoir imaging in fractured-vuggy carbonate reservoir Yubei area

Li Peng,Liu Zhicheng,Yang Nan,Liu Xiaomin,Yang Ruijuan

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

The target reservoir of Yubei area in the Tarim Basin has complex characteristics,including deep buried,strong heterogeneity,complex reflected wavefield and low signal-to-noise ratio for seismic data.In view of this,we created a high resolution reverse time migration imaging technical workflow for Yubei fractured-vuggy carbonate reservoir based on depth domain velocity model building and high fidelity weak signal compensation.We applied the technology on an area of 474km23D seismic data in Yubei 6 well region.Compared with the conventional prestack time migration,our technique technology has obvious advantages in the complicated structure imaging,“moniliform” imaging and fractured-vuggy reservoir characterization,and effectively improve the imaging precision of Ordovician fractured-vuggy carbonate target reservoir.

reverse time migration,velocity model building,weak signal compensation,fractured-vuggy reservoir

2014-12-28;改回日期：2015-04-15。

李鵬(1979—),男,工程師,主要從事地震資料處理方法研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)04-0443-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.011