田彥燦 石文武 王國慶 徐中華 蔣春玲

(①中國石油天然氣集團(tuán)公司油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730020；②中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020；③中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063000)

0 引言

低幅度構(gòu)造是指構(gòu)造平緩，閉合幅度相對(duì)較低的一類地質(zhì)體，構(gòu)造幅度在十幾米到幾十米。低幅度構(gòu)造雖然規(guī)模不大，但是在有利的生儲(chǔ)蓋和油氣運(yùn)移條件下可能會(huì)形成“小而肥”的高產(chǎn)油氣藏。馬頭營凸起發(fā)育基底披覆背斜構(gòu)造。油藏主要分布于館陶組，埋藏深度1300m左右，屬層狀巖性—構(gòu)造油藏，低幅度構(gòu)造對(duì)油藏起主控作用。大量水平井、斜井證實(shí)該區(qū)低幅度構(gòu)造成像精度低，構(gòu)造位置、高點(diǎn)解釋精度低，與鉆井結(jié)果存在較大誤差。影響構(gòu)造幅度、構(gòu)造高點(diǎn)解釋的主要因素為上覆地層速度建模的精度，上覆地層微弱的速度誤差可以造成比低幅度構(gòu)造本身都大的解釋誤差。中淺層斷裂體系以及河道砂體導(dǎo)致的橫向變速是影響低幅度構(gòu)造成像精度的兩個(gè)關(guān)鍵因素，這種速度誤差一般為100～400m/s[1-2]。

本文利用二維數(shù)值模擬和三維物理模擬數(shù)據(jù)研究低幅度構(gòu)造速度建模技術(shù)，定量檢測速度建模技術(shù)的有效性。目前三維地震數(shù)字模擬代價(jià)十分昂貴，還不能實(shí)現(xiàn)全彈性波的三維數(shù)值模擬。地震物理模擬可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地震勘探的全過程模擬[3]。物理模擬基于物理和幾何相似原理，利用超聲波在模型介質(zhì)中的傳播模擬地震波在地下介質(zhì)中的傳播過程，與野外地震有相同類型的彈性波場，遵循相同的物理定律。與數(shù)值模擬相比，不受各種波場傳播理論的限制，模擬結(jié)果真實(shí)可靠，并且模擬結(jié)果不受各種假設(shè)條件的限制。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)速度模型精度更敏感，物理模擬的靈敏度略低。

本文主要采用沿層層析反演技術(shù)、高密度地質(zhì)構(gòu)造約束網(wǎng)格層析技術(shù)、完全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高密度小網(wǎng)格層析技術(shù)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造成像研究，定量測試技術(shù)的有效性。試驗(yàn)證明地質(zhì)構(gòu)造約束下的沿層層析和網(wǎng)格層析技術(shù)聯(lián)合建模技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以較好地解決縱、橫向變速問題，提高速度異常體的反演精度，為深度偏移提供精確的速度模型。

1 物理、數(shù)值模型建立

基于模型的研究需要對(duì)實(shí)際地震資料進(jìn)行簡化，突出主要矛盾。物理模型建立主要包括模型設(shè)計(jì)、模具制作、模型制作、建立真實(shí)速度模型四部分[4]。物理模型與實(shí)際地層比例為1∶10000。

1.1 模型設(shè)計(jì)

馬頭營低幅度構(gòu)造模型設(shè)計(jì)從淺到深考慮了四方面因素：地表及近地表、淺層上覆地層砂地比橫向變化對(duì)下伏低幅度構(gòu)造成像的影響、目的層內(nèi)部河道砂體的識(shí)別及對(duì)下伏地層的影響、目的層低幅度圈閉模型。

模型的地層速度、密度參數(shù)主要參考工區(qū)測井?dāng)?shù)據(jù)。其中，中淺層Nm2為砂泥巖互層，地層內(nèi)部隨著砂巖地層厚度所占比例(砂地比)的增大，地層平均速度從2300m/s增大至2500m/s。砂地比的橫向變化引起地層速度空間變化。Nm2的空間變速問題對(duì)下伏地層地震成像的影響是本文地震模擬實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)，能否準(zhǔn)確描述速度空間變化規(guī)律是精確成像的關(guān)鍵。

簡化模型共設(shè)計(jì)了九層(圖1)，模型的第一層為近地表層，主要研究表層速度變化對(duì)下伏地層構(gòu)造成像的影響。第二層Nm1為速度均勻的近似水平地層。第三層Nm2厚度較大，背景速度為2400m/s，在其內(nèi)部設(shè)計(jì)三套厚度橫向變化的速度異常體：速度為2000m/s的低速體、速度為2300m/s的中速體、速度為2600m/s的高速體。三套速度異常體縱向疊置，疊置的平均效應(yīng)相當(dāng)于模擬Nm2地層內(nèi)部砂體含量變化導(dǎo)致的不規(guī)律空間速度變化，用于研究不同程度的橫向變速對(duì)下伏地層構(gòu)造成像的影響。第四層Nm3速度為2500m/s。第五到第七層為館陶組三套地層，模擬低幅度構(gòu)造，構(gòu)造幅度為30～50m。三套地層速度差異小，分別為82、143m/s。其中Ng2頂界為低幅度圈閉的目標(biāo)層。第八、第九層為高速基底層，速度差異較大。

圖1 馬頭營低幅度構(gòu)造簡化剖面

1.2 物理模型制作

物理模型的制作是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。目前物理模型的主流制作工藝為澆注法。主要流程包括：根據(jù)地層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖制作反向模具；根據(jù)各地層速度、密度等參數(shù)配制物理模型澆注材料；逐層模具搭建、加固、澆注和固化；逐層參數(shù)質(zhì)控，澆注過程中用地層材料制作小尺寸樣塊，測試真實(shí)地層速度、密度參數(shù)；逐層層位形態(tài)質(zhì)控。在模型制作過程中，地層材料的選取與配比十分關(guān)鍵，目前速度與密度精度非常高，同時(shí)材料本身的彈性參數(shù)也與實(shí)際地層具有較高的相似度。

與數(shù)值正演模擬一樣，物理模型也可以建立真實(shí)速度場，真實(shí)速度模型建立需要兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：地層深度界面形態(tài)與層速度。模型制作過程中逐層表面掃描的結(jié)果就是物理模型的真實(shí)的層位界面，在模型制作過程中引入高精度激光形態(tài)掃描技術(shù)，每制作完成一個(gè)層位，精確測量該層的表面形態(tài)。通過層位形態(tài)質(zhì)控可以確保實(shí)際地層形態(tài)與設(shè)計(jì)形態(tài)差異量化，并且掃描層位作為最終的地層界面，這些界面的深度、形態(tài)都可以當(dāng)做先驗(yàn)信息。用已知層位和樣塊速度信息通過速度建模技術(shù)就可以得到模型真實(shí)的速度場(圖2)。真實(shí)模型與圖1所示的設(shè)計(jì)模型存在一定差異。首先，物理模型采集時(shí)需將模型完全浸入水中，所以模型頂部為水層。其次，模型制作過程中速度異常體是手工雕刻出來的，空間形態(tài)與設(shè)計(jì)存在一定差異。圖3為Nm2內(nèi)部三套速度異常體的真實(shí)形態(tài)。

圖2 馬頭營低幅度構(gòu)造物理模型剖面

圖3 Nm2內(nèi)部的三套速度異常體空間形態(tài)(a)低速體(2000m/s)； (b)中速體(2300m/s)； (c)高速體(2600m/s)

2 模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1 物理模型數(shù)據(jù)分析

物理模型數(shù)據(jù)波場特征與三維地震物理模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有關(guān)，該系統(tǒng)由震源和接收器的定位系統(tǒng)、模型固定平臺(tái)或水槽、震源和接收器及信號(hào)采集系統(tǒng)(發(fā)射、接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換)等設(shè)備組成[5-6]。

在物理模擬過程中，模擬起伏地表?xiàng)l件下的激發(fā)和接收才能達(dá)到真實(shí)模擬的目的，但這一直是物理模擬的難題。在地震物理模擬過程中要實(shí)現(xiàn)起伏地表采集需要解決兩個(gè)問題：一是震源和接收器與模型的接觸面尺寸；二是換能器與模型表面的耦合條件[7-10]，目前這兩個(gè)問題還是研究瓶頸。所以常規(guī)模型采集是將模型放入水槽中(圖4a)，接近于海上采集。模型在水槽內(nèi)完全浸沒在水中，模型頂界面與水面一般有10～15cm的距離。采集時(shí)激發(fā)、接收探頭貼近水面，與水介質(zhì)完全耦合(圖4b)，因此水層成為模型第一層介質(zhì)。

圖4 水槽模型采集(a)及單道激發(fā)四道接收探頭(b)

物理模擬在水中采集，相對(duì)野外地震資料有兩點(diǎn)不同：①無靜校正問題，水槽采集形成水層—近地表低速夾層—地層結(jié)構(gòu)模式，近地表折射波轉(zhuǎn)換為反射波，無法開展靜校正研究；②無低頻噪聲，主要干擾波為多次波。模型單炮記錄(圖5a)上波場清晰且信噪比高，依次發(fā)育直達(dá)波、模型頂部反射波、地層反射波、模型底部反射波、模型頂部多次波。圖5b為物理模擬資料的疊前深度偏移成像剖面，所用速度為模型真實(shí)速度，圖中紅色箭頭所指位置為Nm2內(nèi)部的三套河道砂體及Ng2頂部河道砂。剖面上設(shè)計(jì)的地質(zhì)體均能很好地成像，該模型能滿足低幅度構(gòu)造成像技術(shù)研究的需求。

圖5 物理模擬單炮記錄(a)和疊前深度偏移剖面(b)

2.2 數(shù)值模型數(shù)據(jù)

應(yīng)用圖1所示模型進(jìn)行彈性波動(dòng)方程數(shù)值模擬，圖6為數(shù)值模擬的疊前深度偏移剖面，偏移速度為真實(shí)速度。數(shù)值模擬資料信噪比高，波場特征更清晰，在Nm2內(nèi)部三套砂體的成像特征明顯，Ng2低幅度構(gòu)造成像準(zhǔn)確。

圖6 數(shù)值模擬疊前深度偏移剖面

在模型相似的情況下，數(shù)值模擬資料與物理模擬資料存在較大差異。物理模型制作過程中，在Nm2內(nèi)部采用水平澆筑方式，地層制作到規(guī)定厚度后進(jìn)行河道的形態(tài)雕刻與充填，因而河道與地層融為一體，物理模擬資料與實(shí)際資料的河道沉積現(xiàn)象更相似。數(shù)值模擬資料信噪比高，河道砂體與圍巖邊界分明，更理想化。

3 基于數(shù)?！锬ＹY料的低幅度構(gòu)造速度建模

本文的研究主要目的是建立一套適合低幅度構(gòu)造成像的規(guī)范化流程。

目前，疊前深度偏移速度建模技術(shù)主要有兩種：基于層位的沿層層析反演技術(shù)和基于網(wǎng)格的層析反演技術(shù)。沿層層析反演技術(shù)利用層位反演得到大套地層的平均速度，即速度場的低頻分量，缺點(diǎn)是假設(shè)同一層縱向上是恒速的，不能精確反演出層間縱向存在的速度異常和橫向微弱的速度變化。網(wǎng)格層析反演技術(shù)對(duì)小尺度速度異常比較敏感，可以反演出速度的高頻分量，但是網(wǎng)格層析反演技術(shù)抗干擾能力差，尤其是短程多次波，嚴(yán)重影響網(wǎng)格層析結(jié)果的質(zhì)量。如果用明確的構(gòu)造層位信息去約束網(wǎng)格層析，那么反演更新的目標(biāo)位置就會(huì)避開噪聲發(fā)育區(qū)的影響，提高反演精度。本文聯(lián)合兩種建模技術(shù)進(jìn)行低幅度構(gòu)造速度建模，即采用沿層層析反演大套地層的速度場低頻分量，采用地質(zhì)構(gòu)造約束網(wǎng)格層析反演小層速度場的橫向變化，即速度場的高頻分量，這樣能夠提高速度模型縱、橫向的精度[11-13]。

3.1 沿層層析反演技術(shù)優(yōu)化初始速度模型

在實(shí)際資料處理過程中，初始速度模型有兩種途徑得到，第一種是由平滑的均方根速度根據(jù)Dix公式從時(shí)間域轉(zhuǎn)換成深度域?qū)铀俣?，第二種由稀疏測井速度插值平滑獲得。兩種初始速度模型基本反映不出薄層速度異常體及構(gòu)造趨勢，與真實(shí)地層速度存在較大差異[14-15]。

采用沿層層析反演技術(shù)優(yōu)化初始速度模型，該方法具有較高的穩(wěn)定性。在沿層層析速度反演過程中，在疊前深度偏移剖面上共拾取8個(gè)層位(圖7a剖面上彩色層位線)，主要拾取大套地層速度界面，并在Nm2內(nèi)部拾取兩個(gè)層位控制砂體的變化趨勢。受層位解釋數(shù)目的限制，反演只能得到速度場的低頻分量。從反演結(jié)果(圖8a)和成像結(jié)果(圖9a)看，速度模型只反映了大套地層特征，三套河道砂體速度異常變化略有反應(yīng)，但精度不夠；各個(gè)地質(zhì)體均能成像；參考層及下伏低幅度構(gòu)造地層均發(fā)生局部構(gòu)造畸變，該模型有待進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 網(wǎng)格層析反演技術(shù)

層析理論基礎(chǔ)為Radon 變換，將旅行時(shí)殘差表示為慢度殘差沿著射線路徑的積分。通過沿著射線路徑對(duì)旅行時(shí)殘差進(jìn)行反投影，求取速度場慢度的更新量。深度偏移常規(guī)層析目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中：A為靈敏度矩陣，其元素為射線在網(wǎng)格內(nèi)的路徑長度；Δt為慢度擾動(dòng)前后的旅行時(shí)殘差；Δs為慢度更新量。為了增強(qiáng)層析方程組的穩(wěn)定性，減少多解性，應(yīng)用正則化約束，則式(1)變?yōu)?/p>

(2)

式中：μ為射線在網(wǎng)格里的覆蓋次數(shù)；Γ為一階導(dǎo)數(shù)型正則化矩陣。加入約束條件后，速度反演結(jié)果更穩(wěn)定[16-17]。

3.3 高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析反演技術(shù)

網(wǎng)格層析成像利用旅行時(shí)優(yōu)化速度誤差，地層傾角信息可以提高速度模型的精度。在網(wǎng)格層析反演過程中，一般通過提高網(wǎng)格越密、減小網(wǎng)格尺寸來提高速度迭代精度。影響速度模型精度的因素除了速度反演算法，更重要的還有初始模型精度、參與計(jì)算的CRP道集的信噪比、覆蓋次數(shù)、短程層間多次波等，如果忽略這些因素最終計(jì)算結(jié)果很難逼近真實(shí)速度。在低信噪比地區(qū)、工區(qū)邊界、層間多次發(fā)育的區(qū)域采用固定小尺寸網(wǎng)格通常得不到理想的迭代效果，構(gòu)造會(huì)發(fā)生畸變現(xiàn)象。

速度模型的構(gòu)建與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，在網(wǎng)格層析反演的基礎(chǔ)上引入高密度地質(zhì)層位做構(gòu)造約束會(huì)大大提高迭代模型的精度[18-22]。用地質(zhì)層位位置作為主要有效網(wǎng)格點(diǎn)，尤其是在地震信息不確定處，地質(zhì)層位的選取可以明確有效信息，規(guī)避噪聲。

3.4 試驗(yàn)對(duì)比分析

圖7為數(shù)值模擬數(shù)據(jù)網(wǎng)格層析剩余曲率拾取對(duì)比。選取數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行兩組試驗(yàn)：純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高密度網(wǎng)格層析和高密度地質(zhì)層位構(gòu)造約束的網(wǎng)格層析。數(shù)模道集的信噪比要比物模和實(shí)際地震資料信噪比高，可以模擬具有較高信噪比的地震數(shù)據(jù)。另外道集上發(fā)育一些層間多次波，模擬實(shí)際資料多次波和有效波難以區(qū)分的情況。網(wǎng)格層析反演過程中剩余曲率拾取時(shí)，計(jì)算程序設(shè)置只要具有一定信噪比、雙曲線能夠連續(xù)分辨就可以作為網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行拾取。純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高密度小尺度網(wǎng)格層析的最終拾取結(jié)果顯示，有效波縱橫向拾取精度都非常高，但存在一個(gè)致命的問題就是多次波和偏移噪聲也參與進(jìn)來(圖7a)，導(dǎo)致速度場發(fā)生嚴(yán)重畸變(圖8b)，構(gòu)造假象增多。

高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析拾取結(jié)果如圖7b所示，不僅在主要地層界面定義地質(zhì)層位(實(shí)線層位)，在三套河道砂巖的頂、底界面也加密控制層位(紅色虛線層位)。三套河道砂體模擬的是低信噪比狀態(tài)，此時(shí)定義的加密層位的目的就是起到構(gòu)造導(dǎo)向的作用。網(wǎng)格縱向尺度完全受控于層位拾取密度，成像點(diǎn)基本全部拾取在有效波同相軸上，成功規(guī)避了干擾波。圖8d為構(gòu)造約束網(wǎng)格層析反演結(jié)果，三套砂體空間速度變化規(guī)律及形態(tài)均能反演出來，反演精度高于初始模型圖8a。

圖7 不同網(wǎng)格密度成像點(diǎn)拾取效果對(duì)比(a)固定小網(wǎng)格成像點(diǎn)拾取； (b)加密構(gòu)造約束成像點(diǎn)拾取

圖8 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)不同方法的速度建模結(jié)果(a)沿層層析模型； (b)高密度網(wǎng)格層析模型； (c)高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析模型

圖9為各速度模型的疊前深度偏移剖面，其中紅色箭頭所指地層為Nm2底界水平參考界面。雖然四個(gè)速度模型差異較大，但是模型設(shè)計(jì)的所有地質(zhì)現(xiàn)象均得到很好地成像，只是構(gòu)造幅度存在較大誤差。①在速度準(zhǔn)確情況下，水平參考層成像平直，其下低幅度構(gòu)造完全準(zhǔn)確(圖5b)。②沿層層析速度模型偏移結(jié)果在Nm2內(nèi)部未反映出三套河道砂巖速度縱、橫向變化規(guī)律，水平參考層發(fā)生明顯畸變，其下伏低幅度構(gòu)造均發(fā)生變形，在河道砂體正下方出現(xiàn)變形現(xiàn)象(圖9a藍(lán)色箭頭所示層位)。③以沿層層析速度為初始模型，在此基礎(chǔ)上采用高密網(wǎng)格層析偏移結(jié)果，由于速度場發(fā)生畸變，水平參考層及目的層低幅度構(gòu)造均存在較大誤差(圖9b藍(lán)色箭頭所示層位)。④在沿層層析速度模型的基礎(chǔ)上，采用高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析獲得的模型雖然與真實(shí)模型存在一定誤差，但是其深度偏移剖面成像結(jié)果卻與真實(shí)模型成像結(jié)果非常接近，水平參考層無畸變，下伏低幅度構(gòu)造幅度準(zhǔn)確(圖9c藍(lán)色箭頭所示層位)。

圖9 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)不同速度模型疊前深度偏移剖面(a)沿層層析模型； (b)高密度網(wǎng)格層析速度模型； (c)高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析速度模型

圖10為物理模型試驗(yàn)的兩種速度場，圖11為對(duì)應(yīng)的偏移剖面。物理模型的速度差異較大，尤其是Nm2地層內(nèi)部，結(jié)果與數(shù)值模擬一樣，所有地質(zhì)現(xiàn)象均較好地得到成像，主要差別在于各地層的構(gòu)造幅度。物理模型的第二個(gè)參考界面Nm2反射較弱，直接對(duì)比Ng2頂部河道砂低幅度構(gòu)造區(qū)(紅色箭頭所指)，純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格層析成像結(jié)果在模型邊界構(gòu)造變形比較嚴(yán)重，這與實(shí)際資料處理結(jié)論一致。圖12為用三種速度模型的疊前深度偏移結(jié)果所做的Ng2頂面構(gòu)造圖與真實(shí)形態(tài)的對(duì)比。表1為三套疊前深度偏移數(shù)據(jù)的Ng2頂河道砂低幅度構(gòu)造解釋結(jié)果?？梢钥闯觯赫鎸?shí)速度模型的偏移結(jié)果與真實(shí)模型(激光掃描結(jié)果)差異較小，主要由測量誤差導(dǎo)致；高精度構(gòu)造約束層析模型的偏移結(jié)果與真實(shí)模型吻合度高，高點(diǎn)的相對(duì)誤差只有0.44%；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格層析結(jié)果誤差最大，絕對(duì)誤差達(dá)到65m，比構(gòu)造幅度都大，圈閉面積明顯變小。

圖10 物理模擬數(shù)據(jù)的偏移速度模型(a)高密度網(wǎng)格層析速度模型； (b)沿層層析+高密度層位約束網(wǎng)格層析速度模型

圖11 物理模擬數(shù)據(jù)不同速度模型的疊前深度偏移結(jié)果(a)高密度網(wǎng)格層析速度模型； (b)沿層層析+高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析速度模型

圖12 物理模型數(shù)據(jù)不同速度模型偏移的Ng2頂面構(gòu)造圖與模型掃描結(jié)果的對(duì)比(a)掃描結(jié)果； (b)真實(shí)速度模型； (c)高密度網(wǎng)格層析模型； (d)沿層層析+高密度構(gòu)造約束網(wǎng)格層析速度模型

表1 三套疊前深度偏移數(shù)據(jù)的Ng2頂河道砂低幅度構(gòu)造解釋結(jié)果

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬、物理模擬聯(lián)合的低幅度構(gòu)造成像研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)速度模型誤差對(duì)構(gòu)造解釋的影響程度大于對(duì)成像的影響，地質(zhì)體能夠成像不代表結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究成像精度。

(2)低幅度構(gòu)造成像對(duì)速度模型精度要求較高，采取速度建模技術(shù)不當(dāng)，會(huì)帶來比構(gòu)造本身都要大的誤差。

(3)完全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)抗干擾能力差，必須借助對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)才能得到滿意的結(jié)果。

(4)數(shù)值模擬是由不完全波場計(jì)算得到的結(jié)果，成像過程是個(gè)反算過程，因此只要模型正確，成像就正確。物理模擬波場復(fù)雜，即使模型正確，受成像算法限制，成像不一定完全正確。