朱立華,馬靈偉,白英哲,蔡杰雄,高厚強(qiáng)

(中國(guó)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)

1 研究現(xiàn)狀與存在問題

順北油氣田主體位于順托果勒低隆起,北連沙雅隆起,南接卡塔克隆起,東鄰滿加爾坳陷,西接阿瓦提坳陷。順托果勒低隆起經(jīng)歷多期復(fù)雜的沉積構(gòu)造演化,存在多期活動(dòng)的深大斷裂,為縫洞型儲(chǔ)層發(fā)育和油氣富集成藏提供了良好的地質(zhì)條件[1-2]。順北油氣田奧陶系規(guī)模儲(chǔ)層主要受斷裂控制,平面上呈現(xiàn)沿?cái)嗔褞Э臻g疊置特征,縱向上集中分布于奧陶系一間房組—鷹山組頂部、鷹山組下段及蓬萊壩組。斷裂-裂縫是該區(qū)儲(chǔ)層發(fā)育的主要控制因素,形成該區(qū)特有的斷控巖溶儲(chǔ)層立體發(fā)育模式[3],斷控儲(chǔ)集體是順北油氣田最主要的儲(chǔ)層類型。

目前,順北地區(qū)主干及次級(jí)斷裂鉆井均取得較好油氣成果。從已鉆的40多口井的情況來看,直井14口,放空漏失井11口,占直井總數(shù)的78%;側(cè)鉆井29口,放空漏失井26口,占側(cè)鉆井總數(shù)的89%,表明斷控體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征十分復(fù)雜,具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。同時(shí),由于地表為沙漠,地表一致性問題嚴(yán)重,地震資料信噪比較低;加之二疊系火成巖發(fā)育且火成巖厚度大、速度縱橫向變化快,因而下伏地層成像發(fā)生畸變[4],出現(xiàn)奧陶系內(nèi)幕假的斷裂構(gòu)造;且斷控體儲(chǔ)層埋藏深度大(>7300m),反射波能量弱,頻帶窄,更增加了超深斷控體儲(chǔ)層準(zhǔn)確成像的難度。如何提高順北超深走滑斷裂地震速度建模精度成為提高該區(qū)地震成像精度的關(guān)鍵核心技術(shù),也是進(jìn)一步拓展塔里木盆地順北地區(qū)油氣勘探開發(fā)的技術(shù)難題。

2 多信息約束速度建模策略

針對(duì)順北超深斷控體儲(chǔ)層地震成像存在的問題,本文提出了“從淺到深,逐層推進(jìn),逐步迭代的多信息約束速度建模策略”,即針對(duì)復(fù)雜地表一致性問題、中深層火成巖速度異常問題以及深大走滑斷裂速度建模問題,建立一套多信息約束的地震速度建模方案。該方案以地質(zhì)認(rèn)識(shí)為指導(dǎo),以地層層位信息和地質(zhì)異常體屬性信息為約束,通過地震處理與解釋成果的反復(fù)迭代,不斷提高速度模型精度,最終提升超深斷控體地震成像效果。

首先,基于地質(zhì)與測(cè)井資料了解近地表結(jié)構(gòu)及二疊系火成巖的發(fā)育特征,如近地表結(jié)構(gòu)、速度,二疊系火成巖發(fā)育厚度、巖石類型及速度等參數(shù),為近地表及二疊系火成巖初始速度模型的建立提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,開展以疊前時(shí)間偏移為目標(biāo)的地震資料精細(xì)處理,壓制噪聲,消除近地表結(jié)構(gòu)影響,提高地震資料品質(zhì),為深度域成像提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

其次,基于疊前時(shí)間偏移成像資料,開展二疊系火成巖精細(xì)解釋及屬性特征提取,明確二疊系火成巖空間展布特征,為二疊系火成巖局部層析反演提供構(gòu)造約束信息。針對(duì)斷控體儲(chǔ)層,開展以提高斷控體儲(chǔ)層特征識(shí)別為目標(biāo)的解釋性處理及敏感屬性優(yōu)選,獲取可靠的斷控體構(gòu)造和屬性信息,為深大斷裂層析速度反演提供斷裂約束信息。

最后,針對(duì)二疊系火成巖速度橫向變化劇烈、尺度多變,常規(guī)速度建模分辨率低,易造成構(gòu)造假象等問題,在層析反演的目標(biāo)泛函中引入構(gòu)造約束項(xiàng),利用地震解釋獲得的火成巖構(gòu)造信息,通過調(diào)節(jié)層析反演尺度,實(shí)現(xiàn)火山巖多尺度局部層析反演,提高不同尺度火山巖速度建模精度。同時(shí),利用斷控高斯束速度建模技術(shù),通過引入地震屬性對(duì)模型進(jìn)行預(yù)條件約束,獲取包含斷裂信息的高精度速度模型。最終通過地震處理和解釋結(jié)果的反復(fù)迭代,消除二疊系火成巖引起的奧陶系內(nèi)幕假的斷裂構(gòu)造,提高斷控體地震成像精度,斷控體的斷裂及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征成像更加清晰。技術(shù)流程如圖1所示。

3 針對(duì)性的方法技術(shù)

3.1 復(fù)雜地表一致性處理

如何壓制與地表相關(guān)的隨機(jī)噪聲,解決地表一致性等問題是復(fù)雜沙漠地區(qū)地震資料預(yù)處理的關(guān)鍵。匹配追蹤傅里葉變換噪聲壓制技術(shù)(MPFI)基于反假頻傅里葉變換,能夠?qū)崿F(xiàn)五維(線、點(diǎn)、時(shí)間、炮檢距、方位角)隨機(jī)噪聲的壓制,適用于任意不規(guī)則觀測(cè)系統(tǒng)、嚴(yán)重假頻或復(fù)雜陡傾角數(shù)據(jù),通過該技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)五維插值和去噪,達(dá)到保真保幅提高數(shù)據(jù)信噪比的目的。圖2顯示了順北地區(qū)CMP道集去噪前、后的效果,可以看出,噪聲壓制后,CMP道集信噪比得到明顯改善,尤其突顯出深層的有效信號(hào)。

針對(duì)沙漠起伏地表帶來的地表一致性問題,在層析靜校正的基礎(chǔ)上,應(yīng)用擬合沙丘曲線的層析靜校正方法(PSDC)加以解決。根據(jù)工區(qū)炮點(diǎn)區(qū)域的沙丘厚度和靜校正量擬合出沙丘曲線,外推無(wú)炮點(diǎn)區(qū)域靜校正量,能夠較好地解決檢波點(diǎn)的靜校正邊界問題(圖3),消除層析反演的檢波點(diǎn)靜校正量在非滿覆蓋區(qū)域的邊界效應(yīng),保證全區(qū)靜校正量可靠。圖4為采用PSDC前、后的疊加剖面,可以看出,外推處理后,疊加剖面上邊界效應(yīng)得到消除,同相軸連續(xù)性和信噪比得到了明顯提高。

圖3 PSDC靜校正前(a)、后(b)檢波點(diǎn)靜校正量

3.2 火成巖及深大斷裂地震信息提取

二疊系火成巖在地震剖面上主要表現(xiàn)為橫向快速變化的強(qiáng)振幅異常,內(nèi)幕為雜亂強(qiáng)振幅異常反射特征,如圖5a所示。前期資料分析及正演結(jié)果表明[4],奧陶系內(nèi)幕假的斷裂構(gòu)造主要位于二疊系火成巖強(qiáng)振幅異常之下。在二疊系火成巖精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上,利用均方根振幅異常屬性對(duì)二疊系火成巖空間分布特征進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)二疊系火成巖地震相的識(shí)別與空間標(biāo)定(圖5b,圖5c),為二疊系火成巖局部層析反演構(gòu)造約束項(xiàng)提供巖相相控?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 應(yīng)用PSDC前(a)、后(b)的疊加剖面

圖5 二疊系火成巖發(fā)育特征a 地震剖面; b 火成巖頂面之下0～80ms時(shí)窗范圍內(nèi)振幅異常; c 火成巖頂面之下80～200ms時(shí)窗范圍內(nèi)振幅異常

針對(duì)深大斷裂,由于地震成像剖面上斷控體主要表現(xiàn)為沿?cái)嗔褞Оl(fā)育的雜亂弱、中強(qiáng)及局部“串珠”狀反射特征,因而斷控體的縱向特征與地層結(jié)構(gòu)的橫向特征交織在一起,這給斷控邊界的識(shí)別及確定帶來了較大干擾。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)橫向地震特征與斷控體縱向特征的差異,利用多子波分解與重構(gòu)技術(shù)[5],實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)與斷控體地震反射特征的分離。圖6顯示了實(shí)際斷探體儲(chǔ)層地層結(jié)構(gòu)壓制前、后的效果。從原始地震剖面(圖6a)及均方根振幅屬性(圖6b)來看,地層結(jié)構(gòu)與斷控體特征相互影響,斷控體邊界確定困難;地層結(jié)構(gòu)壓制后,消除了地層結(jié)構(gòu)對(duì)斷控體識(shí)別的干擾,斷控體地震特征增強(qiáng),邊界更加清晰(圖6c,圖6d)。

在斷控體識(shí)別解釋性處理的基礎(chǔ)上,開展斷控體識(shí)別和地震敏感屬性優(yōu)選,優(yōu)選結(jié)構(gòu)張量屬性[6-7]和中尺度曲波相干屬性[8]對(duì)斷控儲(chǔ)集體發(fā)育特征及斷裂特征進(jìn)行描述。圖7為斷控儲(chǔ)集體多屬性描述剖面,可以看出,結(jié)構(gòu)張量屬性體能夠較好地識(shí)別裂縫儲(chǔ)集體的發(fā)育特征(圖7b),中尺度曲波相干能夠較好地識(shí)別斷控體的斷裂特征(圖7c),借助多屬性融合技術(shù)手段,將斷控體的縫洞-裂縫儲(chǔ)集體的發(fā)育特征與斷裂特征進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)斷控體空間發(fā)育特征的多信息描述(圖7d),為深大斷裂速度建模提供斷裂約束信息。

圖6 實(shí)際斷控體儲(chǔ)層地層結(jié)構(gòu)壓制前、后的效果a 原始數(shù)據(jù); b 原始數(shù)據(jù)均方根振幅; c 地層結(jié)構(gòu)壓制后; d 地層結(jié)構(gòu)壓制后均方根振幅

圖7 斷控儲(chǔ)集體多屬性描述剖面a 地震剖面; b 裂縫儲(chǔ)集體識(shí)別效果; c 斷裂特征識(shí)別效果; d 斷裂與裂縫儲(chǔ)集體特征融合

3.3 復(fù)雜火成巖局部層析建模技術(shù)

順北地區(qū)二疊系火成巖異常體具有尺度多變、橫向速度變化快等特征,嚴(yán)重影響了深部斷裂成像的精度。由于高速異常橫向變化尺度小,因而常規(guī)層析反演難以分辨;同時(shí)由于火成巖巖性及速度橫向變化劇烈,因而不滿足常規(guī)層析理論假設(shè)。

針對(duì)這一難題,使用多尺度火成巖局部層析速度建模方法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺度火成巖的精細(xì)反演。傳統(tǒng)層析反演是自下而上進(jìn)行全局反演,對(duì)局部突變異常體的反演分辨率不夠高,導(dǎo)致異常體之下目標(biāo)層位畸變。利用多尺度火成巖局部層析速度建模技術(shù),通過構(gòu)建新的火成巖高分辨率層析目標(biāo)函數(shù),加大火成巖發(fā)育區(qū)速度更新權(quán)重,實(shí)現(xiàn)能分辨不同尺度火成巖高速異常體的目的。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1) 追蹤目標(biāo)層:根據(jù)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的成果,獲得較為準(zhǔn)確的火成巖分布特征,將火成巖的頂定位為目標(biāo)層位。

2) 計(jì)算局部深度差:根據(jù)測(cè)井分層與地質(zhì)認(rèn)識(shí),線性擬合得到符合地質(zhì)規(guī)律的期望構(gòu)造層位,目標(biāo)層位與期望層位局部深度差包含了火成巖的速度異常信息。

3) 為層位約束層析反投影:構(gòu)造新的火成巖高分辨率層析目標(biāo)函數(shù)公式(1),將局部深度差通過層析轉(zhuǎn)化為火成巖速度更新量。

(1)

式中：ztrue表示計(jì)算深度;zpick表示拾取深度;zlocal表示火成巖帶來的深度誤差;ε1是平衡反演權(quán)重的系數(shù)。其中，第一項(xiàng)為道集拉平項(xiàng)，屬于常規(guī)層析反演的準(zhǔn)則；第二項(xiàng)是添加的局部層析反演項(xiàng)，加大了局部層位約束下的局部構(gòu)造反演權(quán)重。

4) 引入變尺度速度正則化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺度火成巖的反演,可以對(duì)公式(1)進(jìn)行擴(kuò)展,增加正則化項(xiàng),得到公式(2)。借鑒圖像學(xué)中的變尺度構(gòu)造導(dǎo)向平滑算子,通過調(diào)制算子特征值與特征向量實(shí)現(xiàn)沿不同方向的多尺度平滑,從而實(shí)現(xiàn)從低波數(shù)到高波數(shù)逐步逼近準(zhǔn)確的火成巖速度模型,增強(qiáng)反演的穩(wěn)定性,使最終結(jié)果更符合真實(shí)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

(2)

(3)

式中:Δv是速度更新量;D是平滑算子;ε2是平衡反演權(quán)重的系數(shù)。其中,(2)式中第3項(xiàng)代表火成巖約束項(xiàng),即對(duì)更新量進(jìn)行空間濾波,濾波算子由結(jié)構(gòu)張量構(gòu)成,具體表達(dá)如式(3)所示,其中,u和v分別是結(jié)構(gòu)張量的特征向量,λ是相應(yīng)的特征值。

圖8為火成巖多尺度局部層析速度建模效果,可以看出,多尺度局部層析速度建模后,二疊系火成巖速度異常特征明顯(圖8b),對(duì)比井旁道的模型速度與測(cè)井速度,吻合較好(圖8c),表明火成巖速度建模精度較高。

3.4 深大斷裂速度建模技術(shù)

對(duì)于深大斷裂的成像,準(zhǔn)確的速度模型必不可少,但常規(guī)基于射線類的層析算法,由于高頻近似,不能準(zhǔn)確刻畫縱向斷裂的信息。利用圖像導(dǎo)引算法,在速度反演目標(biāo)泛函中引入斷控約束項(xiàng),利用斷裂屬性“軟約束”的斷控高斯束層析速度建模,能夠提高斷裂建模精度。具體實(shí)現(xiàn)如下。

成像域速度層析方程可以寫成如下矩陣形式[9]:

KΔv=Δt

(4)

式中:Δv是本次迭代的速度更新量;Δt是高斯束層析走時(shí)殘差;K是層析核函數(shù)。引入圖像學(xué)中的保邊界偏微分方程[10]構(gòu)建預(yù)條件算子P,其隱式表達(dá)式為如下的偏微分方程:

(5)

(5)式常用于圖像學(xué)中的保邊界平滑處理。其中,f(x)是輸入圖像,g(x)是輸出圖像,α是正實(shí)數(shù),用于控制平滑力度;D(x)是擴(kuò)散張量場(chǎng),包含了圖像的走向、法向及圖像方向梯度信息,對(duì)其進(jìn)行特征值分解:

D(x)=λuuuT+λvvvT+λwwwT

(6)

其中,u、v、w分別為基于三維地震偏移圖像計(jì)算的結(jié)構(gòu)張量的3個(gè)特征向量;λu、λv、λw值介于0到1,分別與結(jié)構(gòu)張量的3個(gè)特征值互為倒數(shù),λ越大意味沿對(duì)應(yīng)特征方向的平滑尺度越大?？紤]地震圖像在層位處的局部線性以及在斷層邊界處的非連續(xù)性特征,可根據(jù)斷裂系統(tǒng)的發(fā)育情況合理調(diào)整λu、λv、λw,從而實(shí)現(xiàn)圖像保邊界平滑處理。

引入有限差分近似,預(yù)條件算子可寫作:

(7)

考察(7)式,所選取預(yù)條件算子P滿足對(duì)稱正定,單位矩陣I的作用是在λu、λv、λw均為零時(shí)保持圖像不改變。此外,該預(yù)條件算子的另一優(yōu)勢(shì)在于對(duì)地震圖像信噪比要求不高,即在圖像信噪比極低區(qū)域擴(kuò)散張量算子隱含λu≈λv≈λw,該預(yù)條件算子沿3個(gè)特征向量方向的平滑尺度大致相同,相比其它方向約束算子必須沿某一指定角度平滑的做法更加穩(wěn)健。

圖8 火成巖多尺度局部層析速度建模效果a 局部層析建模前; b 局部層析建模后; c 局部層析建模后井旁道速度與實(shí)鉆井速度對(duì)比

圖9為斷控高斯束層析速度建模前、后對(duì)比結(jié)果,從斷控高斯束層析速度建模前、后的速度差異(圖9c)來看,速度更新量更符合斷裂的分布規(guī)律,斷控高斯束層析速度建模物理意義明確。

圖9 斷控高斯束層析速度建模前(a)、后(b)的結(jié)果及差值(c)

4 應(yīng)用效果

圖10 二疊系火成巖建模前(a)、后(b)火成巖發(fā)育區(qū)速度平面特征

圖11 火成巖建模前(a)、后(b)RTM偏移成像剖面

圖13為斷控高斯束層析速度建模前、后的RTM成像剖面,可以看出,斷控高斯束層析速度建模后,中小尺度斷裂的斷面特征(圖13b中藍(lán)色箭頭所示)更加清晰,斷控儲(chǔ)集體的地震異常特征更加明顯,有效提升了斷控儲(chǔ)集體的地震識(shí)別能力。

圖13 斷控高斯束層析速度建模前(a)、后(b)的RTM成像剖面

5 結(jié)論

1) 針對(duì)超深斷控儲(chǔ)集體地震成像所面臨的地球物理難題,提出了“從淺至深,逐層推進(jìn),逐步迭代的多信息約束速度建模策略”,通過地震處理和解釋結(jié)果的更新迭代,優(yōu)化了處理流程、提高了地震速度建模精度,提升了超深斷控體地震成像效果。

2) 形成了適用于塔里木盆地順北地區(qū)沙漠地表、火成巖速度異常干擾下深大斷裂多信息約束速度建模方法技術(shù)。通過新的層析反演目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建,引入多信息約束項(xiàng),加大火成巖發(fā)育區(qū)和深大斷裂帶速度更新權(quán)重,解決了常規(guī)層析反演方法在巖體突變點(diǎn)不適應(yīng)和分辨率低等問題,較好解決了火成巖及深大斷裂的速度建模和成像難題。