李忠平,李以嚴,周從業(yè),龍小軍,袁一平

(中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司物探研究院,湖北武漢430035)

涪陵焦石壩頁巖氣田位于川東褶皺帶萬縣復(fù)向斜帶的南部,西側(cè)緊鄰方斗山復(fù)背斜帶。主要發(fā)育焦石壩箱狀斷背斜構(gòu)造,走向為北東向,構(gòu)造總的趨勢為東北高西南低,西翼地層較陡,東翼構(gòu)造被斷層復(fù)雜化。該區(qū)地表地貌為山地,地勢起伏,落差大,海拔高度為200～2000m,總體呈東南高西北低分布。地表出露地層主要為三疊系嘉陵江組和雷口坡組地層,巖性以泥灰?guī)r、純灰?guī)r為主。地下主要發(fā)育三疊系—震旦系等地層,區(qū)域上缺失泥盆系—石炭系地層,局部殘留石炭系黃龍組地層。其中,上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組龍一段是含氣頁巖層段,巖性以含碳質(zhì)、硅質(zhì)和粉砂質(zhì)泥頁巖為主,為深水陸棚沉積,巖性穩(wěn)定,全區(qū)厚度為70～114m。綜合巖性、電性、物性、地化、含氣性等特征將含氣頁巖段縱向上劃分為3個亞段、9個小層,其中下部一亞段38m層段是優(yōu)質(zhì)含氣頁巖層段,是涪陵頁巖氣田開發(fā)的目的層段,設(shè)計開發(fā)水平井要求穿行于厚度約20m的優(yōu)質(zhì)頁巖層段下部,這給水平井井軌跡設(shè)計和實施帶來嚴重挑戰(zhàn)。

針對焦石壩三維工區(qū)地表和地下構(gòu)造復(fù)雜、頁巖氣層埋深較大(大于2500m)、厚度較薄的特點,要實現(xiàn)水平井水平段(約1500m)全部在20m的優(yōu)質(zhì)含氣頁巖層中穿行,含氣頁巖層局部埋深、產(chǎn)狀、各級次斷裂等精細描述就顯得十分重要。與常規(guī)油氣勘探相比,頁巖氣開發(fā)中對地球物理勘探精度要求更高,最重要的在于對構(gòu)造形態(tài)描述的精度要求更高。

1 問題的提出

三維地震勘探中,地震采集得到的只有反射地震波的波形和傳播時間,反射層深度、傳播速度均未知[1]。地震處理甚至解釋目前主要是在時間域進行,需利用平均速度將時間域的信息轉(zhuǎn)換到深度域。圖1 展示了上覆地層層速度橫向變化的深度域地質(zhì)剖面及對應(yīng)的時間域地質(zhì)剖面,時間域地質(zhì)剖面出現(xiàn)了上覆地層橫向增厚、目的層地層產(chǎn)狀變陡的失真現(xiàn)象。如果平均速度場不能準確描述層速度的縱、橫向微小變化,那么時深轉(zhuǎn)換得到的深度域構(gòu)造就不能真實反映地下含氣頁巖層埋深、產(chǎn)狀的微小變化,依據(jù)此構(gòu)造圖設(shè)計和鉆探的水平井在優(yōu)質(zhì)含氣頁巖層的穿行比率將降低,并且直接影響單井產(chǎn)量。在頁巖氣實際開發(fā)中,時深轉(zhuǎn)換精度要求相對誤差<5‰,比常規(guī)油氣勘探精度要求(相對誤差<2%)高,滿足此要求的關(guān)鍵是提高平均速度建場的精度。

圖1 深度域地質(zhì)剖面(a)與時間域地質(zhì)剖面(b)對比

通常求取平均速度的做法是利用工區(qū)已鉆井推算“時間-深度”一維曲線,將時間域等t0圖轉(zhuǎn)換成深度域構(gòu)造圖。傳統(tǒng)方法把握了層速度隨深度變化的大趨勢,但忽略了復(fù)雜地區(qū)層速度的橫向變化。目前國內(nèi)外針對復(fù)雜地區(qū)的時深轉(zhuǎn)換通常使用變速成圖的方法,即綜合利用地震資料處理的疊加速度或均方根速度[2]、時間域地震反射層解釋數(shù)據(jù)和已鉆井VSP速度數(shù)據(jù)、地質(zhì)分層數(shù)據(jù)等,聯(lián)合控制建立縱、橫向變化的三維平均速度場,實施變速成圖[3],以提高深度域構(gòu)造圖精度。建立三維速度場的方法按類型分主要有:井曲線平均速度法、井約束地震速度法、三維空間射線追蹤反演層速度法與疊前深度偏移速度分析等,這些方法主要圍繞誤差校正問題展開研究,首先分析和找出可能產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié),然后針對性地消除各個環(huán)節(jié)的誤差,以提高平均速度場的精度。以往,關(guān)于各個環(huán)節(jié)誤差產(chǎn)生原因的討論與解決方案多停留在理論階段,基本未在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)(包括焦石壩三維區(qū))展開應(yīng)用研究。

針對涪陵焦石壩三維工區(qū),分析利用地震、地質(zhì)和測錄井資料建立平均速度場時產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié),開展相應(yīng)的校正方法研究,形成了一套適應(yīng)該區(qū)復(fù)雜表層和地下構(gòu)造特點的高精度平均速度建場及變速成圖的流程與方法。建立該區(qū)平均速度場產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)主要有:①時間域統(tǒng)一基準面產(chǎn)生的誤差,即在起伏地表、層速度橫向變化條件下,時間域CMP浮動基準面轉(zhuǎn)換到深度域基準面產(chǎn)生的誤差;②地震分辨率對疊加速度的精度影響;③利用均方根速度計算層速度的方法產(chǎn)生的誤差;④地震反射層t0追蹤解釋精度產(chǎn)生的誤差;⑤地震資料處理中因上覆地層速度陷阱產(chǎn)生的誤差;⑥井震之間的系統(tǒng)誤差。最大程度消除各個環(huán)節(jié)的誤差,以獲得該區(qū)高精度三維平均速度場模型,并將其應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場。隨著新的開發(fā)井完鉆,利用速度場實時調(diào)整軟件,還可以對平均速度場模型不斷更新,使變速成圖過程更加方便快捷,并提高鉆井效率。

2 方法原理

2.1 改進CMP基準面高程轉(zhuǎn)換方法

地震資料時間域處理中獲得的疊加或偏移速度來源于水平疊加或偏移歸位過程中的速度分析,對水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)而言,疊加速度接近于均方根速度,對于傾角較大的地層,疊加速度在傾角校正處理后也接近于均方根速度。本文建立平均速度場使用的就是疊加或偏移速度轉(zhuǎn)換得到的均方根速度。疊加速度的基準面是CMP浮動基準面(時間域),需要做CMP基準面高程轉(zhuǎn)換。復(fù)雜山區(qū)的地表起伏不平,地震資料處理過程中疊加速度分析是基于地表平滑處理后的浮動基準面(CMP基準面),CMP基準面與靜校正低頻分量的處理有關(guān)[4]。地震資料處理過程中通常采用基于模型的靜校正,由剝、填與替換而產(chǎn)生靜校正量,通常采用高低頻分解的兩步法進行靜校正,得到CMP基準面(CMP參考面),CMP參考面是疊加速度的零線[5],它是時間域的浮動面,對應(yīng)靜校正量中的低頻分量,其大小受基準面高程、表層的厚度、層速度以及充填速度影響。

以往基于CMP基準面直接開始平均速度分析及時深轉(zhuǎn)換的處理方法,容易產(chǎn)生誤差。消除誤差的關(guān)鍵是確定深度域中CMP基準面的位置,錢榮鈞[6]指出,開展地震時間剖面時深轉(zhuǎn)換,應(yīng)將起始點放在深度域的CMP基準面,即從地表平滑面進行時深轉(zhuǎn)換。時間域的CMP基準面轉(zhuǎn)換到深度域的地表平滑面是關(guān)鍵環(huán)節(jié),既要考慮疊加速度計算的起點(CMP基準面),又要考慮近地表結(jié)構(gòu)模型,即考慮處理替換速度在低降速帶中穿行的影響因素。

常規(guī)方法(公式(1))僅考慮CMP校正量和處理替換速度轉(zhuǎn)換CMP基準面高程是不合理的。由圖2可見,常規(guī)方法計算出來的CMP基準面高程與實際CMP基準面(地表面)高程之間誤差為35m。研究表明常規(guī)方法產(chǎn)生的誤差不可忽視,在一些低速層較厚,且變化大的地區(qū)產(chǎn)生的誤差是長波長的、大級別的,容易形成地下假構(gòu)造形態(tài)。為此,本文提出了改進的CMP基準面高程的計算方法。具體思路是:①用處理替換速度計算深度域中的CMP基準面(等效地表平滑面);②計算等效地表平滑面和近地表模型高速層頂之間的厚度;③用實際低速層速度轉(zhuǎn)換成相同傳播時間的低速層厚度,即可得到近地表的平滑面(等效地表面);④利用處理替換速度將等效地表面轉(zhuǎn)換到平均速度建場的基準面。

常規(guī)方法計算得到的CMP基準面高程如下:

(1)

式中:Hcmp1為常規(guī)方法計算得到的CMP基準面高程;Tcmp為CMP校正量(長波長分量);VR為處理替換速度;Hd為固定基準面高程。

考慮靜校正的替換計算,采用反替換(或稱為反靜校)來求取CMP基準面高程,得到改進的CMP基準面高程為:

圖2 常規(guī)方法計算CMP基準面高程誤差示意

(2)

式中:Hcmp2為改進方法計算得到的CMP基準面高程;Hg高速帶頂(低速帶底)高程;V0低速帶速度。

采用公式(2)求取的Hcmp2要進行相應(yīng)的平滑處理,平滑方法參考CMP校正量求取方法。

2.2 模型迭代層速度計算方法

將疊加速度換算后得到的均方根速度與已鉆井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合,建立起一個縱、橫向變化的三維初始速度場,其精度取決于估算的均方根速度和轉(zhuǎn)換精度[7]。除了采用高精度的層析靜校正解決山地靜校正問題外,本文還重點研究了如何應(yīng)用高密度逐點自動速度分析技術(shù)來提高速度分析點密度和精度,并獲得了針對每個CMP的疊加速度體,以期能夠比較精細地反映工區(qū)平均速度場的變化。

常規(guī)平均速度建場中,通常采用Dix公式[8]將均方根速度轉(zhuǎn)換成層速度。但Dix公式是基于地下水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)、射線垂直入射的假設(shè)建立起的數(shù)學(xué)公式,不適用于地層非水平、層速度橫向變化大的地區(qū)。采用迭代反演的方法是解決問題的有效途徑之一,本文采用模型迭代層速度計算方法[9](圖3)。

模型迭代層速度計算原理如下:假設(shè)地下介質(zhì)為傾斜層狀介質(zhì),對每一個點給定一個層速度,按照非雙曲線假設(shè),通過射線追蹤計算時距曲線,比較由射線追蹤計算的時距曲線與疊加速度對應(yīng)的時距曲線的匹配程度,按最小平方原理進行擬合,從一定范圍的層速度中優(yōu)選出使兩者匹配最好的層速度,最終獲得在最佳擬合意義上符合已知疊加速度和時間梯度數(shù)據(jù)的層速度模型。該方法避免了地層產(chǎn)狀復(fù)雜多變時應(yīng)用Dix公式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的較大誤差,求取的層速度顯然比Dix公式求取的精度高。

圖3 模型迭代層速度計算流程

2.3 兩步法誤差趨勢面校正

前文通過均方根速度建立起的初始速度場,與實際地層速度存在一定誤差,需要找出存在誤差的環(huán)節(jié),并進行校正,以建立最終的平均速度場。疊加速度受地震分辨率影響而產(chǎn)生的誤差、地層巖性變化引起的誤差、均方根速度與井筒測量的平均速度間差異引起的誤差、地震反射層位解釋追蹤精度不足引起的誤差、地震處理中疊加速度陷阱產(chǎn)生的誤差等等摻雜在一起,反映到井點上就是井震誤差。以往對該誤差的校正主要采用完鉆井間網(wǎng)格化插值計算方法,求出誤差分布的趨勢面,誤差校正后的平均速度場精度與完鉆井的數(shù)量及分布均勻程度都有密切關(guān)系,在完鉆井點處精度較高,在非井控區(qū)精度較低。

分析研究發(fā)現(xiàn),井震誤差可以分解成區(qū)域誤差和局部誤差兩部分。區(qū)域誤差是和區(qū)域?qū)铀俣茸兓嚓P(guān)的誤差,為隨時間、層速度、深度等因素變化的函數(shù),橫向變化相對較平緩,為全工區(qū)平均速度場整體存在的誤差。局部誤差是和局部層速度變化相關(guān)的誤差,反映了平均速度場中與具體點位相關(guān)的誤差。兩步法誤差趨勢面校正就是針對這兩種類型誤差分別進行校正,以建立最終的平均速度場。具體實現(xiàn)思路和步驟為:

1) 校正均方根速度本身的誤差。利用時間和疊加速度梯度進行統(tǒng)計回歸分析,計算區(qū)域?qū)铀俣?再根據(jù)區(qū)域?qū)铀俣葘嶋H層速度進行校正。

2) 校正井震之間的誤差。利用井測量的平均速度信息和平均速度場的速度進行統(tǒng)計分析,得到井震間區(qū)域誤差,再根據(jù)區(qū)域誤差對平均速度場進行校正。

3) 校正局部誤差。利用鉆井地質(zhì)分層信息對區(qū)域誤差校正后的平均速度場進行二次校正,再進行網(wǎng)格化插值運算,校正局部殘余誤差。

2.4 平均速度場實時更新

平均速度場實時更新的主要作用是進行局部誤差的再校正。不斷利用新的完鉆井信息對平均速度場進行局部誤差校正,使平均速度場的精度越來越高,構(gòu)造形態(tài)更加逼近真實,并將其應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)水平井的軌跡設(shè)計和靶點調(diào)整。將高精度平均速度場的實時更新模塊應(yīng)用于涪陵焦石壩頁巖氣田開發(fā)作業(yè)現(xiàn)場,及時修正該區(qū)三維平均速度場,為現(xiàn)場水平井軌跡設(shè)計和靶點調(diào)整提供技術(shù)支持。

3 實際應(yīng)用與分析

針對焦石壩地區(qū)起伏地表的具體情況,將上述高精度平均速度建模方法應(yīng)用于焦石壩三維工區(qū)的速度場建模,收到了良好的效果。

首先利用表層調(diào)查成果建立焦石壩地區(qū)的表層模型,再利用基于表層模型改進的CMP基準面高程時深轉(zhuǎn)換方法,最后算出CMP基準面高程,與常規(guī)CMP直接時深轉(zhuǎn)換相比,CMP面深度誤差在0～40m之間,故基于表層模型轉(zhuǎn)深計算結(jié)果更接近真實地表(如圖4)。

圖5為轉(zhuǎn)換到水平基準面后的層速度剖面,可見該區(qū)層速度縱、橫向變化比較大,這與該區(qū)地層分布及地表構(gòu)造特征一致。

在利用模型迭代方法提高層速度估算精度的基礎(chǔ)上,另一個重要的環(huán)節(jié)就是兩步法誤差趨勢面校正。首先進行區(qū)域誤差校正,區(qū)域誤差主要有兩種:均方根速度本身的區(qū)域誤差和井震之間的區(qū)域誤差,通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計與擬合分析,分別校正這兩種區(qū)域誤差。圖6對比了某層位區(qū)域誤差校正前、后的平均速度。

區(qū)域?qū)铀俣日`差以及誤差校正后的平均速度平面展布表明:平均速度誤差較大的速度點主要分布在大型斷裂帶或地層產(chǎn)狀、地表高程變化較大的地段;平均速度的橫向變化與該區(qū)構(gòu)造形態(tài)特征、地層分布及埋深變化特征一致,比較真實地反映了該區(qū)的地震地質(zhì)特點。

為了考察誤差校正后三維平均速度場的精度,對參數(shù)井進行了誤差校正前后計算的深度誤差對比,如表1和表2所示。利用模型迭代估算的層速度建立的平均速度場開展地震時轉(zhuǎn)深后,井震絕對誤差較大;經(jīng)過區(qū)域誤差校正后,絕對誤差明顯降低,表明區(qū)域誤差校正值符合實際平均速度誤差分布;局部誤差校正后,參數(shù)井點的絕對誤差可以控制在1m之內(nèi)。由此可見,兩步法誤差趨勢面校正大幅度提高了平均速度建場精度和時深轉(zhuǎn)換的可靠性。

圖4 1075線的地表、CMP直接轉(zhuǎn)深面及基于表層模型轉(zhuǎn)深面高程對比

圖5 轉(zhuǎn)換到水平基準面的層速度剖面

圖6 區(qū)域誤差校正前、后某層位平均速度對比a 校正前某層位平均速度平面展布; b 區(qū)域誤差平面展布; c 區(qū)域誤差校正后某層位平均速度平面展布

表1 TP1l參數(shù)井誤差校正前后對比

表2 TO3w參數(shù)井誤差校正前后對比

采用上述方法,獲得了涪陵焦石壩工區(qū)的三維平均速度場。利用平均速度場對時間域三維地震數(shù)據(jù)體實施時深轉(zhuǎn)換,獲得深度域三維地震數(shù)據(jù)體;同時提取某層位的平均速度,時深轉(zhuǎn)換該反射層等值線t0圖,編制深度域構(gòu)造圖并應(yīng)用于該區(qū)頁巖氣開發(fā)水平井井軌跡設(shè)計和鉆井過程中的井軌跡實時跟蹤調(diào)整。隨著完鉆井?dāng)?shù)量的增加,在頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場實時更新調(diào)整平均速度場,并實時地應(yīng)用于水平井設(shè)計、跟蹤、調(diào)整,提高了水平井入靶精度和水平段在優(yōu)質(zhì)含氣頁巖層段的穿行精度。

經(jīng)過一段時間的實際應(yīng)用,隨機選擇含氣頁巖層底界上奧陶統(tǒng)五峰組(TO3w)的675個實鉆推測地層深度點,并與轉(zhuǎn)深地震精度進行了統(tǒng)計分析,統(tǒng)計結(jié)果顯示,上奧陶統(tǒng)五峰組地層界面深度值絕對誤差小于10m的點達到48%,絕對誤差小于20m的點達到85%。滿足了涪陵焦石壩頁巖氣田現(xiàn)場技術(shù)指標要求(實鉆井頁巖氣層底界深度的相對誤差小于5‰,符合率大于85%)。同時,現(xiàn)場實時更新調(diào)整后的平均速度場能進一步提高平均速度估算精度,井震吻合率大幅度提高。

井震誤差大的點位主要集中在大型逆斷層附近,主要原因在于大型斷層附近的地層較為破碎,產(chǎn)狀變化劇烈,地震資料信噪比、成像精度相對較低,時間剖面反射層形態(tài)與實際構(gòu)造形態(tài)相差大,造成局部誤差巨大。如利用新建立的三維高精度平均速度場重新開展疊前深度偏移處理,可進一步改善成像效果,提高大型斷裂帶附近的層速度估算精度。

4 結(jié)論

針對涪陵焦石壩頁巖氣田勘探開發(fā)中遇到的實際困難,分析利用地震、地質(zhì)、測錄井資料建立平均速度場時產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié),開展相應(yīng)的校正方法研究,提出了高精度三維速度建場和變速成圖綜合技術(shù),改進了復(fù)雜山地丘陵區(qū)傳統(tǒng)平均速度建場方法和研究思路,具體如下：

1) 改進的CMP基準面高程轉(zhuǎn)深方法減小了誤差,靜校正高、低頻分解得到的疊加速度是減小誤差的重要因素;

2) 模型迭代求取層速度比直接使用Dix公式更準確,且能夠適應(yīng)層速度反轉(zhuǎn)地區(qū);

3) 兩步法誤差趨勢面校正將誤差分解為區(qū)域誤差和局部誤差,并采用相應(yīng)的擬合統(tǒng)計、網(wǎng)格化插值等分步校正方法,較好地解決了因完鉆井少或分布不均造成的離井越遠誤差越大的問題;

4) 實時應(yīng)用新井信息,對平均速度場進行局部誤差校正和速度場實時更新,為后續(xù)的頁巖氣開發(fā)水平井軌跡設(shè)計提供精度更高的深度域地震數(shù)據(jù)。

利用該區(qū)高精度平均速度場將三維地震數(shù)據(jù)體從時間域轉(zhuǎn)換到深度域,變速編制高精度構(gòu)造圖,實際應(yīng)用于焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū),結(jié)合鉆井跟蹤導(dǎo)向,使得目前頁巖氣開發(fā)水平井的設(shè)計精度大幅度提高,鉆井的水平段均在20m的優(yōu)質(zhì)含氣頁巖層中穿行,提高了鉆井效率和效益。

下一步將積極推廣該高精度速度建場方法,在與焦石壩三維工區(qū)相似地質(zhì)背景的區(qū)塊試用,分析該方法在其他工區(qū)的適用性,不斷完善復(fù)雜地質(zhì)條件下的高精度速度建場方法研究,以提高復(fù)雜山地的平均速度分析精度及地球物理勘探精度。

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