聶法健

(中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450000)

基于地震層位約束的速度建模技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用

聶法健

(中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450000)

普光氣田區(qū)內(nèi)海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層構(gòu)造復(fù)雜，速度建模和偏移成像存在極大困難。本文采用基于地震層位約束的網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)，通過拾取速度縱向變化明顯的典型地震層位，從淺至深逐層約束網(wǎng)格層析反演，解決縱、橫向構(gòu)造變化對(duì)速度反演的影響，滿足復(fù)雜構(gòu)造速度反演精度，為逆時(shí)偏移提供精確的深度域速度模型。通過工區(qū)實(shí)際資料應(yīng)用，該技術(shù)在普光氣田實(shí)施良好，精確的深度域速度模型和逆時(shí)偏移成像的實(shí)施改善了負(fù)向構(gòu)造影響的問題，對(duì)低信噪比地區(qū)構(gòu)造成像有明顯提升，解決了鹽下構(gòu)造成像畸變的問題，獲得較好的成像效果。

普光氣田；速度建模；網(wǎng)格層析；地震層位約束；逆時(shí)偏移

相比時(shí)間域成像方法，疊前深度偏移成像特別是逆時(shí)偏移能夠很好地解決復(fù)雜構(gòu)造的成像問題。逆時(shí)偏移(Reverse Time Migration，RTM)是目前地震成像中最好的、成像精度最高的疊前深度偏移的方法[1-3]。其采用的雙程波動(dòng)模擬方法有完整的波動(dòng)理論支持，對(duì)構(gòu)造傾角、地震速度縱橫向變化沒有任何限制，因此可對(duì)任意復(fù)雜的地下地質(zhì)構(gòu)造和陡傾角構(gòu)造準(zhǔn)確成像。

但是在實(shí)際地震資料成像中，相比時(shí)間偏移和射線類深度偏移成像方法，逆時(shí)偏移并沒有表現(xiàn)出明顯的成像優(yōu)勢(shì)。這是由于逆時(shí)偏移對(duì)速度的敏感性要高于時(shí)間偏移和射線類深度偏移方法，當(dāng)速度場(chǎng)存在偏差時(shí)，逆時(shí)偏移很難得到位置準(zhǔn)確、聚焦良好的成像效果，只有速度模型精確的前提下才能實(shí)現(xiàn)逆時(shí)偏移的準(zhǔn)確成像。

普光探區(qū)中深層海相地層成像一直存在較大的困難，主要原因就在于復(fù)雜的地下構(gòu)造嚴(yán)重影響了速度建模的準(zhǔn)確性。普光探區(qū)中深層以嘉陵江祖上部至雷口坡組下部膏鹽巖為上主滑脫層，以中下寒武紀(jì)統(tǒng)頁(yè)巖為下主滑脫層，形成了上、中、下三個(gè)形態(tài)各異、構(gòu)造特征不同的形變層。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，形變層內(nèi)部地層斷裂扭曲嚴(yán)重，逆掩斷裂帶的存在使得高陡構(gòu)造邊界成像不清楚、褶皺強(qiáng)烈地區(qū)成像精度低、速度反演可靠性低；另外，嘉陵江組發(fā)育硬石膏巖，厚度從200 m變化到1000 m，膏巖層厚度的劇烈變化導(dǎo)致地震速度橫向變化劇烈，更是造成了下伏構(gòu)造成像困難、地層不易準(zhǔn)確歸位成像。

針對(duì)普光探區(qū)逆時(shí)偏移成像問題，本文采用一種基于地震層位約束的網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)，由淺至深逐層進(jìn)行速度反演，有效克服了膏巖層和復(fù)雜形變層對(duì)速度反演的影響，滿足復(fù)雜構(gòu)造速度反演精度，為逆時(shí)偏移成像提供了精確的深度域速度模型。

1 基于地震層位約束的網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)

地震速度建模是一個(gè)多信息綜合分析的過程[4-5]，首先根據(jù)普光北工區(qū)的常規(guī)時(shí)間偏移所得到的地震剖面和均方根速度模型，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)和測(cè)井聲波速度建立初始深度域?qū)铀俣饶Ｐ?，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)線疊前深度偏移，基于道集拉平原則，采用深度偏移與網(wǎng)格層析反演速度建模[6-10]交替迭代的方法進(jìn)行速度反演，逐步逼近最優(yōu)化模型，獲得合理的深度-速度模型。

1.1 層析速度反演方法原理

深度域?qū)铀俣冉Ｊ且跃W(wǎng)格層析速度反演為主要核心，偏移與層析交替迭代的方式進(jìn)行速度更新。層析的理論基礎(chǔ)是Radon變換，即旅行時(shí)殘差。在層析反演中，觀測(cè)數(shù)據(jù)與參考模型的旅行時(shí)殘差可以通過慢度殘差沿著射線路徑的線性積分得到，即

(1)

式中Δt——旅行時(shí)殘差向量；

dl——沿著射線路徑的射線段長(zhǎng)度；

Δs——參考模型與真實(shí)模型的慢度差向量，即慢度更新量，用于進(jìn)行速度更新。

采用矩形網(wǎng)格離散化后，可以得到層析反演公式：

LΔs=Δt

(2)

式中L——靈敏度矩陣，其元素對(duì)應(yīng)于射線在網(wǎng)格內(nèi)的路徑長(zhǎng)度。

由于層析方程具有嚴(yán)重的病態(tài)性，其解不具有唯一性，為了提高計(jì)算的穩(wěn)定性，減少反演的多解性，需要加入正則化方法對(duì)解進(jìn)行約束。加入正則化的最小二乘法求解層析反演方程組，得到方程組：

(3)

式中D——正則化算子，常用的為常規(guī)基于差分的正則算子。由于層析反演的解不具有唯一性，純數(shù)學(xué)的正則化約束可能使反演產(chǎn)生目標(biāo)誤判，這里利用地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)約束反演，所產(chǎn)生的速度分布自然、合理、準(zhǔn)確，速度變化與地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)變化一致，反演也更穩(wěn)定。

λ——正則化算子權(quán)重。

求解方程組(3)可得到慢度的變量，加入到初始速度模型后，重新偏移就可進(jìn)行下一次迭代，若干次迭代后得到最終的層析后的速度模型。

1.2 普光氣田速度建模難點(diǎn)分析

普光氣田屬于典型的雙復(fù)雜地震地質(zhì)條件，地下構(gòu)造極其復(fù)雜，全局網(wǎng)格層析速度建模有兩大難點(diǎn)：

(1)橫向上構(gòu)造多，變化快。從地震剖面上看，橫向上從西至東依次有分水嶺西構(gòu)造、分水嶺構(gòu)造、毛壩構(gòu)造、大灣構(gòu)造、普光東洼構(gòu)造、普光主體構(gòu)造，地層產(chǎn)狀、界面形態(tài)及地層接觸關(guān)系都對(duì)地層速度有明顯影響，橫向上發(fā)育的多期復(fù)雜構(gòu)造嚴(yán)重影響了全局剩余曲率的自動(dòng)拾取，單一的拾取參數(shù)不能適應(yīng)復(fù)雜的構(gòu)造變化引起的CRP道集在一定深度范圍內(nèi)的振幅能量變化和連續(xù)性變化。

(2)整個(gè)工區(qū)速度空變復(fù)雜，橫、縱向都存在劇烈變化。從地層看，嘉陵江組是高速層，繞射強(qiáng)；飛仙關(guān)組也是高速層，但其反射能力很弱，波組連續(xù)性差，許多部位被上面的嘉陵江組繞射所切割；下面的二疊系速度低。這三組地層的速度關(guān)系為“高—高—低”，存在層速度倒轉(zhuǎn)；波組強(qiáng)弱關(guān)系為“強(qiáng)(繞射發(fā)育)—弱(被繞射切割)—強(qiáng)”，存在能量分布的不均，尤其是飛仙關(guān)組到二疊系，速度由高到低變化太快，兩地層緊密相連沒有過渡帶，這給速度建模和偏移成像帶來極大難度。

圖1 普光地區(qū)主測(cè)線三維地震剖面

1.3 基于地震層位約束的速度建模技術(shù)

由于本區(qū)的速度變化趨勢(shì)為：二疊系以上地層的速度基本隨深度增加而逐漸增大，二疊系地層速度相對(duì)于飛仙關(guān)組高速地層變低，二疊系以下超深層海相地層速度又隨深度增加而逐漸增大，因此可以根據(jù)速度的兩段式特點(diǎn)，以二疊系底為界，先后反演，解決速度由高到低變化太快的難題。

依據(jù)本區(qū)構(gòu)造特點(diǎn)，嘉陵江組厚度變化大的膏巖層對(duì)巖下地層成像影響較大，尤其是在厚度突變點(diǎn)處對(duì)下伏地層成像有較大干擾，因此可以在縱向沿海相嘉陵江組膏巖底邊界首先獲取準(zhǔn)確的膏巖層速度，解決膏巖層對(duì)巖下地層成像的影響。

圖2 用于約束速度反演的兩套地震層位

綜合以上分析，解釋兩套地震層位約束本區(qū)地下速度反演：嘉陵江組膏巖底、二疊系底，如圖2所示，由淺至深逐層反演。第一輪速度反演，以嘉陵江組膏巖底邊界為約束層，反演膏巖層及以上的地層速度；第二輪速度反演，以二疊系底為約束層，反演海相高速地層速度；第三輪速度反演，以二疊系底為界面，反演其下二疊系和寒武系地層速度。

同時(shí)在橫向上對(duì)分水嶺西構(gòu)造、分水嶺構(gòu)造、毛壩構(gòu)造、大灣構(gòu)造、普光東洼構(gòu)造、普光主體構(gòu)造，根據(jù)信噪比差異、同相軸連續(xù)性差異、振幅能量差異，在地震層位約束的前提下分構(gòu)造區(qū)域分別定義不同的拾取參數(shù)(圖3)，以適應(yīng)復(fù)雜構(gòu)造帶拾取的需求。

圖4和圖5分別為初始速度模型與深度偏移和基于地震層位約束更新后的速度模型。初始速度模型較平滑，由淺至深速度值平穩(wěn)增加，橫向上沒有劇烈的速度變化，整體沒有體現(xiàn)出膏巖層、碳酸鹽儲(chǔ)層和復(fù)雜構(gòu)造對(duì)速度的影響。三次更新后深度域?qū)铀俣饶Ｐ惋@示速度不再是由淺至深逐漸增大的趨勢(shì)，而是由嘉陵江組膏巖層開始速度增加明顯，嘉陵江組下出現(xiàn)高速地層，在地質(zhì)分析中對(duì)應(yīng)海相碳酸鹽巖地層。在高速碳酸鹽巖地層下方速度出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，明顯低于上覆海相碳酸鹽巖地層速度，在橫向上三次更新后深度域?qū)铀俣饶Ｐ团c地層構(gòu)造也顯示出了較高的吻合性。在圖5紅色箭頭所示的嘉陵江組膏巖地層，相對(duì)低速和相對(duì)高速的邊界正是膏巖底界面。

圖3 逐層、分構(gòu)造區(qū)域拾取剩余曲率

圖4 初始速度模型 (L1500線)

圖5 基于地震層位約束更新后的速度模型 (L1500線)

2 逆時(shí)偏移成像效果

對(duì)普光工區(qū)實(shí)施逆時(shí)偏移成像處理，對(duì)比分析普光2井線老資料成像(圖6)與逆時(shí)偏移成像(圖7)可知：針對(duì)前言中提出的成像問題，逆時(shí)偏移成像效果明顯改善。逆時(shí)偏移對(duì)發(fā)育膏巖的嘉陵江組巖底包絡(luò)刻畫清晰；實(shí)現(xiàn)了鹽下斷層的準(zhǔn)確歸位，改善了對(duì)弱反射能量的成像，更易于進(jìn)行構(gòu)造解釋和異常體識(shí)別；對(duì)斷背斜成像更加合理，斷點(diǎn)清晰；消除了膏巖層和復(fù)雜形變層上拉的影響，消除了鹽下構(gòu)造畸變，對(duì)深層奧陶系-后寒武系界面成像有明顯改善作用。

對(duì)1557線進(jìn)行局部放大，對(duì)比老資料成像和逆時(shí)偏移成像效果，如圖8和圖9所示，老資料對(duì)茅口(p2m)、龍?zhí)督M(p2l)地層成像時(shí)繞射波未收斂，曲界面成像不足；逆時(shí)偏移成像改善了茅口(p2m)、龍?zhí)督M(p2l)地層成像準(zhǔn)確性，繞射波收斂，同相軸連續(xù)穩(wěn)定。受負(fù)向構(gòu)造影響的大灣構(gòu)造長(zhǎng)興(p2ch)、飛仙關(guān)組(f3、f4)資料信噪比低，基本未成像；逆時(shí)偏移則在一定程度上改善了負(fù)向構(gòu)造影響的問題，對(duì)低信噪比地區(qū)構(gòu)造成像有明顯提升，構(gòu)造特征明顯，負(fù)向構(gòu)造影響減弱。

普光7井逆斷層，目的層飛仙關(guān)、長(zhǎng)興組地層位于斷層下降盤，未鉆遇良好油氣層。后設(shè)計(jì)普光7井的側(cè)鉆井普光7-側(cè)1，目的層位于上盤，未鉆遇斷層，油氣顯示較好。原處理剖面(圖10a)上斷層斷點(diǎn)不明顯，逆時(shí)偏移剖面上斷層斷點(diǎn)清晰(圖10b)。

圖6 過普光2井主測(cè)線老資料成像

圖7 過普光2井主測(cè)線逆時(shí)偏移成像

圖8 分水嶺構(gòu)造老資料成像

圖9 分水嶺構(gòu)造逆時(shí)偏移成像

圖10 老資料(a)和逆時(shí)偏移(b)對(duì)斷層的成像

3 結(jié)論和展望

(1)疊前時(shí)間成像方法在油氣田勘探中一直處于主要地位，目前油田勘探面臨的復(fù)雜地下地質(zhì)條件對(duì)地震成像方法有進(jìn)一步的要求，疊前時(shí)間成像方法對(duì)如高陡構(gòu)造、逆掩地層、膏巖地層、巖性橫向變化大等情況存在應(yīng)用上的不足。而疊前深度偏移，特別是逆時(shí)偏移能夠更好地解決復(fù)雜構(gòu)造和巖性的成像，能夠準(zhǔn)確地描述地震波在復(fù)雜構(gòu)造和巖性中的傳播規(guī)律，獲得深層復(fù)雜構(gòu)造的高精度成像結(jié)果，解決實(shí)際勘探中復(fù)雜構(gòu)造成像和巖性成像的問題。

(2)速度建模是一個(gè)地質(zhì)信息綜合分析的過程，除了受建模方法本身算法的局限外，還會(huì)受到多種因素的影響，如地震資料信噪比、地下構(gòu)造形態(tài)、疊前數(shù)據(jù)不規(guī)則性等。建立物探與地質(zhì)相結(jié)合的思路，充分利用地質(zhì)、測(cè)井等相關(guān)信息，開展基于井控、層控的處理技術(shù)，綜合考慮速度建模的各種影響因素，為疊前深度偏移成像提供準(zhǔn)確的速度模型。

(3)偏移成像作為地震資料處理的最后一步，同時(shí)又是地震構(gòu)造解釋、反演、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等應(yīng)用的基礎(chǔ)，在物探到地質(zhì)的應(yīng)用流程中起著重要的連接作用。以時(shí)間偏移為目標(biāo)的常規(guī)處理向地震構(gòu)造解釋、反演、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等提供時(shí)間道集剖面，而深度偏移為目標(biāo)的常規(guī)處理向地震構(gòu)造解釋、反演、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等提供深度道集剖面。如何在地震構(gòu)造解釋、反演、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中更好更廣泛地使用深度域成果是物探研究人員和地質(zhì)研究人員需要共同推進(jìn)的方向。

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Application of Velocity Modeling Technology Based on Seismic Horizon Constraint in Puguang Gas Filed

Nie Fajian

(ResearchInstituteofExploration&Development,ZhongyuanOilfieldCompany,Sinopec,Zhengzhou,Henan450000,China)

The complex underground structure of Pugang gas filed brings great difficulties to velocity modeling and imaging.This article utilized grid tomography velocity modeling technology based on seismic horizon constraint, which selected typical seismic horizons where has obviously velocity change to restrict velocity inversion from shallow to deep.Velocity modeling based on seismic horizon constraint solved velocity inversion unreliability caused by complex structural and lateral velocity change, and contributes to accurate depth velocity model which helps to improve the quality of reversion time migration.And the real data application proposed that this technology is successfully used in Pugang gas filed, accurate velocity model in depth domain and reverse time migration method improved negative structure and low SNR region imaging quality, solved imaging distortion under salt layer to obtain good imaging results.

Puguang gas field; velocity modeling; grid chromatography; seismic horizon constraint; RTM

國(guó)家重大專項(xiàng)課題“深層礁灘相高含硫氣藏穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)”(2016ZX05017001)資助。

聶法健(1980—)，男，高級(jí)工程師，2010年7月在中國(guó)石油大學(xué)(華東)獲得工學(xué)博士學(xué)位，并進(jìn)入中原油田博士后科研工作站從事博士后科研工作，目前在中原油田勘探開發(fā)研究院氣驅(qū)地質(zhì)研究項(xiàng)目組，主要從事石油天然氣勘探開發(fā)方面的研究工作。郵箱：156353842@qq.com.

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