曲壽利

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京102206)

1 深層復(fù)雜地質(zhì)體勘探面臨的地球物理難題與對策

1.1 問題分析

油氣勘探已經(jīng)進(jìn)入深層、超深層[1-3]。我國塔里木、四川和鄂爾多斯等盆地的海相深層碳酸鹽巖油氣勘探領(lǐng)域,以巖溶縫洞型、礁灘孔隙型、白云巖孔隙型和裂縫型為典型的特殊儲層,具有構(gòu)造圈閉復(fù)雜和儲層多樣的特征[4-7]。這對常規(guī)地球物理勘探技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),主要可歸納為:①地表與地下雙復(fù)雜,地表起伏劇烈、甚至陡傾基巖出露地表,速度橫向變化大,目的層埋藏深、溫壓高、構(gòu)造復(fù)雜和勘探目標(biāo)具有尺度小、非均質(zhì)性等特點,導(dǎo)致地震波場復(fù)雜、地震信號弱、信噪比低、分辨率低及地震各向異性嚴(yán)重等;②非均質(zhì)和各向異性問題挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的基于水平層狀介質(zhì)理論的動靜校正方法和成像方法;③單一的疊后地震屬性方法難以解決復(fù)雜儲層和流體預(yù)測問題。

1.2 思路對策

深層復(fù)雜地質(zhì)體勘探面臨的這些地球物理難題往往不是孤立的,而是貫穿于地震采集、處理、解釋的各個環(huán)節(jié)當(dāng)中,運用單一環(huán)節(jié)的技術(shù)不能有效地解決,必須采用地震采集、處理、解釋一體化的疊前成像與反演的思路系統(tǒng)地解決。地震一體化技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 地震一體化技術(shù)流程

1.3 地震一體化技術(shù)的關(guān)鍵

“地震一體化技術(shù)”即從地質(zhì)模型出發(fā),全流程系統(tǒng)地考慮面臨的地球物理難題對采集、處理和解釋每個環(huán)節(jié)的影響,開展基于復(fù)雜地表地質(zhì)模型正演模擬的采集設(shè)計模擬分析、處理成像、巖石物理分析與儲層反演等系統(tǒng)研究,由此反復(fù)試驗找到適合實際特定工區(qū)的地震采集、處理與解釋技術(shù)流程與參數(shù)。地震數(shù)據(jù)處理解釋一體化研究近年來受到重視[8-10],但實際應(yīng)用中真正將地震數(shù)據(jù)采集、處理、解釋有機(jī)地一體化統(tǒng)一起來,并非易事。

在圖1所示的地震一體化技術(shù)流程中涉及多項技術(shù),其中,三維地震正演模擬與觀測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、巖石物理建模與分析技術(shù)以及靜校正、去噪等地震預(yù)處理技術(shù)是重要的基礎(chǔ)。最關(guān)鍵的技術(shù)包括:在地震采集環(huán)節(jié)以獲得品質(zhì)好、信息全的地震成像所需資料為中心的“小寬高”高密度地震采集技術(shù)、在地震處理環(huán)節(jié)以“小平滑面”RTM深度成像為核心的預(yù)處理和速度建模與疊前偏移成像技術(shù)、地震解釋環(huán)節(jié)以“五維數(shù)據(jù)”各向異性疊前反演技術(shù)為核心的裂縫、甜點、流體預(yù)測技術(shù)。

2 “小寬高”高密度地震采集技術(shù)

“小寬高”高密度地震采集技術(shù)是指采用小道距、小面元,寬方位、寬頻帶、高覆蓋、高炮道密度的高密度地震采集技術(shù)。為滿足地下復(fù)雜構(gòu)造成像的需求,必須對地質(zhì)體進(jìn)行高密度均勻采樣,盡量避免地震照明陰影。也就是說,地震野外采集時盡量得到更多、更全的波場信息,包括地表、地下的高密度均勻全方位采樣。

2.1 小道距、小面元的優(yōu)勢

“小”就是指小道距和小面元,主要是解決地表、地下的高密度采樣問題。小道距地震數(shù)據(jù)的優(yōu)勢可概括為:①可得到完整的線性噪聲波場,有利于噪聲壓制;②有利于反演高精度的近地表速度模型;③可獲得高質(zhì)量的初至波,利于基于初至波層析反演的靜校正。

如圖2所示,10m道距的道集和疊加剖面線性噪聲特征優(yōu)于25m道距的采集結(jié)果,因此小道距可以有效地壓制線性噪聲。如圖3所示,相較于20m道距地震數(shù)據(jù)反演的速度,2m道距的地震數(shù)據(jù)反演的速度精度明顯提升,更接近微測井計算得到的速度。

圖2 不同道距的道集及疊加剖面a 10m道集; b 25m道集

圖3 不同道距的地震數(shù)據(jù)反演的速度曲線與微測井速度曲線

小面元采集也有利于提高地震剖面的分辨率、小地質(zhì)體串珠成像精度及小斷塊成像精度。小面元(12.5m×12.5m)采集的地震數(shù)據(jù)比大面元(25m×25m)采集的地震數(shù)據(jù)的疊加剖面分辨率高(圖4a),相應(yīng)的小串珠RTM成像精度也更高(圖4b)。勝利油田進(jìn)行了面元大小的系列試驗,結(jié)果如圖5所示,從左到右,面元從25m×25m縮小至5m×5m,面元越小,則斷點越清楚,分辨率越高。

圖4 不同面元地震數(shù)據(jù)的疊加剖面(a)、RTM成像剖面(b)左:面元尺寸為25m×25m;右:面元尺寸為12.5m×12.5m

圖5 小面元成像試驗結(jié)果

2.2 寬方位采集的優(yōu)勢

“寬”是指寬方位地震采集,盡可能地加大觀測系統(tǒng)的橫縱比,盡可能實現(xiàn)對地下地質(zhì)體的全方位觀測,有利于獲得更全的地震波場信息,有利于高陡斷裂、串珠成像,以及各向異性裂縫性儲層預(yù)測。如圖6 所示,隨著觀測系統(tǒng)橫縱比的提高(即方位的增寬),地震剖面上高陡斷裂的成像精度也逐步提高。西部塔河地區(qū)小面元加寬方位采集的地震數(shù)據(jù)成像效果(圖7的右圖)比老資料(圖7的左圖)的串珠刻畫精度明顯提高。

圖6 不同橫縱比地震數(shù)據(jù)的成像結(jié)果

圖7 塔河地區(qū)西部小面元+寬方位采集地震數(shù)據(jù)縫洞成像結(jié)果a 成像剖面; b 串珠解釋的平面分布(左:面元尺寸為25m×25m;右:面元尺寸為12.5m×12.5m)

2.3 高覆蓋與高炮道密度的優(yōu)勢

“高”指高覆蓋與高炮道密度,二者均有利于提高信噪比和成像質(zhì)量。圖8是西北油田阿東不同覆蓋次數(shù)下老、新三維地震數(shù)據(jù)成像結(jié)果,老資料覆蓋次數(shù)不足100,新三維資料高覆蓋(640次)+寬方位(橫縱比為0.9),成像質(zhì)量和信噪比明顯提升?？紤]到性價比,且覆蓋次數(shù)并非越高成像效果提升越顯著,西部塔里木地區(qū)進(jìn)行的三維采集覆蓋次數(shù)實驗結(jié)果如圖9a所示(據(jù)中石化西北油田),當(dāng)覆蓋次數(shù)達(dá)到500次后,信噪比的增加不明顯(圖9b,時窗1800～3500ms)。不同地表條件下地震采集的覆蓋次數(shù)需通過分析論證、試驗確定,需要綜合考慮地表條件、地下構(gòu)造復(fù)雜程度、勘探目標(biāo)、成本效益等因素后權(quán)衡確定。

圖8 西北油田阿東不同覆蓋次數(shù)下的三維老(a)、新(b)資料成像結(jié)果

圖9 塔里木地區(qū)地震數(shù)據(jù)成像(a)及信噪比(b)隨覆蓋次數(shù)的變化情況

高密度地震采集最顯著的標(biāo)志是高炮道密度,即每平方千米內(nèi)的激發(fā)炮數(shù)和接收道數(shù)。中國石化2005年以前常規(guī)采集的老三維地震數(shù)據(jù),一般炮道密度小于20萬道/km2。隨著地震儀器的發(fā)展和物探技術(shù)的進(jìn)步,2005年以后開始逐步提高炮道密度,直到2016年左右,高精度三維地震采集數(shù)據(jù)的炮道密度為20萬道/km2～100萬道/km2。約從2017年開始,為提高復(fù)雜探區(qū)的地震數(shù)據(jù)質(zhì)量,逐步實施高密度三維地震采集,炮道密度大于100萬道/km2。如圖10所示,江蘇油田永安三維高密度地震采集的炮道密度高達(dá)180萬道/km2,相較于原來高精度采集(90萬道/km2)的地震數(shù)據(jù)成像結(jié)果(圖10a),高密度采集的地震數(shù)據(jù)成像結(jié)果(圖10b)信噪比、斷點均有明顯改善,利用新資料進(jìn)行地震解釋,新增了8個地層圈閉(據(jù)江蘇油田)。

圖10 江蘇永安三維高精度(a)、高密度(b)采集地震數(shù)據(jù)的成像結(jié)果

綜上所述,“小寬高”高密度地震采集技術(shù)是解決地表地下復(fù)雜勘探問題的有效途徑。然而“小寬高”所包含的小道距、小面元、寬方位、寬頻帶、高覆蓋、高炮道密度等這些采集參數(shù)存在極限,一味追求參數(shù)的極限會大幅增加采集成本,故需根據(jù)勘探目標(biāo)、成本效益及野外試驗綜合確定。

實際應(yīng)用中需根據(jù)勘探目標(biāo)的復(fù)雜程度,抓住主要矛盾,選擇合適的參數(shù)。對于地下潛力大而“地上地下雙復(fù)雜”的目標(biāo),要舍得投入,大膽采用“小寬高”高密度地震采集技術(shù);如果地下各向異性不突出、無需進(jìn)行疊前裂縫預(yù)測,則無需采集方位太寬的地震數(shù)據(jù);如果對地震數(shù)據(jù)分辨率要求不高,地表地下情況不太復(fù)雜,道距則無需太小;如果地震數(shù)據(jù)信噪比很高,則無需要求高覆蓋和高炮道密度。

必須根據(jù)地質(zhì)目標(biāo)的復(fù)雜程度,圍繞深度域RTM成像的需求,通過地震正演模擬試驗分析,遵循一體化的思路,設(shè)計實用的觀測系統(tǒng),得到最佳的采集方式,與此同時還要兼顧經(jīng)濟(jì)效益。

3 “小平滑面”RTM疊前深度偏移技術(shù)

地表地下構(gòu)造復(fù)雜,速度橫向變化劇烈,時間域偏移成像原理決定了它不能對地下地質(zhì)體的位置進(jìn)行準(zhǔn)確成像,疊前深度偏移成像至少目前是最佳的甚至是唯一的選擇。

3.1 “小平滑面”RTM疊前深度偏移技術(shù)思路

雖然疊前深度偏移技術(shù)能夠很好地解決地下復(fù)雜構(gòu)造(速度)的成像問題,但是,對于地表地下“雙復(fù)雜”的勘探對象,常規(guī)的疊前深度偏移處理技術(shù)不適用。圖11為當(dāng)前在地震數(shù)據(jù)處理中經(jīng)常會用到的處理面。

在圖11中,固定基準(zhǔn)面采用工區(qū)統(tǒng)一的水平海拔高程,CMP浮動面是在時間域用于動、靜校正的大平滑面,真地表即地表高程面,擬真地表面是對真地表面進(jìn)行小平滑后的“小平滑面”。

圖11 地震數(shù)據(jù)處理常用的處理面示意

為滿足時間域動校正疊加的假設(shè)原理和方法,通常我們引入一個恒定的“替換速度”將炮點和接收點近似地校正到CMP浮動面上,然后在CMP浮動面上進(jìn)行速度分析、動校正疊加及疊前時間偏移處理,甚至疊前深度偏移成像。在地表起伏和近地表速度變化都不大的情況下,上述處理流程是正確的。但在復(fù)雜山前帶地區(qū),地表起伏大,近地表速度變化劇烈,不滿足近地表一致性假設(shè),而且“替換速度”的應(yīng)用導(dǎo)致近地表速度模型與真實近地表速度之間的誤差很大,必然影響RTM成像的精度。因此,復(fù)雜地表條件下不能將CMP浮動面作為RTM處理的起始面,理論上,RTM處理的起始面最好從真地表開始,才能真正解決復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)的問題。但是當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)有限,且層析速度反演的網(wǎng)格不能太小,因此得到的近地表速度精度不夠高,從真地表進(jìn)行RTM處理依然存在較大的近地表速度誤差。因此,需要探索一種折中的近似方法,即對真地表進(jìn)行與計算旅行時網(wǎng)格相當(dāng)?shù)钠交幚?一般約為400m),人為建立一個新的“面”即“小平滑面”。也就是說,小平滑地表面是真地表進(jìn)行小平滑處理后的地表面,在此面上進(jìn)行速度分析及RTM疊前深度偏移處理,即稱為“小平滑面”RTM疊前深度偏移處理技術(shù)。

小平滑處理的尺度取決于RTM旅行時計算網(wǎng)格。“平滑”后的表面和近地表速度模型,在炮點、接收點旅行時的計算網(wǎng)格之間不應(yīng)存在“顯著”的變化。選定“小平滑面”后,只需完成從起伏地表到平滑面的高頻靜校正。如圖12所示,基于“小平滑面”的高頻靜校正很好地消除了高頻抖動,保證了中長波長的波場特征不受人為靜校正處理的影響。

圖12 基于不同地表高頻靜校正效果a 圖12b、圖12c、圖12d對應(yīng)的處理面高程; b 原始地表; c 時間域浮動面折射靜校正處理結(jié)果(用于時間域PSTM); d 平滑地表面高頻靜校正處理結(jié)果(用于深度域PSDM)

3.2 “小平滑面”RTM成像的關(guān)鍵是速度建模

選定了“小平滑面”,進(jìn)行去噪、反褶積及靜校正處理后,要去除基于浮動面的長波長靜校正量的影響,只需對地震數(shù)據(jù)施加從起伏地表到“小平滑面”的高頻靜校正,形成適用于“小平滑面”RTM成像的疊前地震數(shù)據(jù)。速度建模的關(guān)鍵在于如何建立從小平滑面到深層的精確速度模型,這是地震采集、處理、解釋一體化結(jié)合的重要環(huán)節(jié),主要包括:①充分利用野外近地表調(diào)查資料(微測井、小折射等)進(jìn)行約束,采用近地表層析反演得到可靠的近地表速度模型;②進(jìn)行中深層的地質(zhì)構(gòu)造解釋,特別是異常速度體的解釋,形成中深層速度分析的構(gòu)造(含層位、封閉地質(zhì)體)約束數(shù)據(jù);③中深層的初始速度模型建立,以及淺中深速度模型的融合和由淺到深的速度模型的迭代更新。淺中深結(jié)合的速度建模思路如圖13 所示,速度建模的原則是由淺到深、先全局后局部、最后加入各向異性,具體速度建模技術(shù)流程如圖14所示。

圖13 淺中深結(jié)合的速度建模思路

圖14 速度建模流程

精細(xì)速度建模是一個遞進(jìn)的過程,目前,比較實用的策略是采用射線層析、高斯束層析、全波形反演的遞進(jìn)式建模流程,逐步提高速度建模的精度。如圖15 所示,利用射線層析解決低波數(shù)問題,利用高斯束層析解決中波數(shù)問題,利用全波形反演解決高波數(shù)問題。某地區(qū)遞進(jìn)式的速度建模效果如圖16所示,速度模型精度逐步得到提升,最終成像質(zhì)量好。

圖15 遞進(jìn)式深度域速度建模方式示意

圖16 不同階段建立的遞進(jìn)式深度域速度模型及最終成像結(jié)果a 射線層析; b 高斯束層析; c 全波形反演; d 偏移成像剖面

3.3 “小平滑面”RTM成像處理效果

采用了基于“小平滑面”的處理思路和速度建模流程,特別是利用各向異性進(jìn)行速度建模,可以得到較為精確的速度模型(及各向異性參數(shù)模型),再應(yīng)用TTI-RTM成像處理技術(shù),最終得到高精度的成像結(jié)果。如圖17所示,江漢潭口地區(qū)精確速度建模和TTI-RTM成像效果(圖17b)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的RTM成像效果(圖17a),深部地層成像的深度及構(gòu)造的位置都更為準(zhǔn)確。如圖18所示,地震預(yù)測的目的層傾角為30°,前期RTM成像結(jié)果(圖18a)中目的層與實鉆井縱向誤差為386m,而TTI-RTM成像結(jié)果(圖18b)水平位移量為640m,對應(yīng)縱向位移量為370m,縱向誤差縮小至48m,并消除了水平位置誤差。

圖17 江漢潭口地區(qū)三維早期RTM(a)和TTI-RTM(b)成像結(jié)果

圖18 前期RTM(a)和TTI-RTM(b)成像結(jié)果

全波形反演(FWI)是數(shù)據(jù)驅(qū)動下高頻速度模型優(yōu)化的有效工具,對于陸上地震資料效果明顯,如圖19所示,塔河4區(qū)FWI速度優(yōu)化后的“串珠”成像效果(圖19b),明顯優(yōu)于原速度模型的應(yīng)用結(jié)果(圖19a)。

圖19 塔河4區(qū)采用原速度模型(a)和FWI優(yōu)化后(b)的速度模型得到的RTM成像結(jié)果

綜上所述,疊前深度偏移處理是當(dāng)前解決復(fù)雜構(gòu)造成像的唯一出路,而“小平滑面”RTM是實現(xiàn)“雙復(fù)雜”地質(zhì)目標(biāo)成像的有效現(xiàn)實途徑。

滿足成像條件的地震數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ);處理流程很重要,需要完善小平滑面的選取、高頻靜校正等處理步驟;速度建模是關(guān)鍵,要做好淺層和深層融合及各向異性參數(shù)模型建立與優(yōu)化;成像方法是核心,要選擇先進(jìn)、適合的RTM成像方法,如TTI-RTM成像處理技術(shù)。精確的速度(含各向異性參數(shù))建模方法(如FWI)加上精確的深度成像算法(如RTM),才能獲得精確的成像結(jié)果。

4 “五維數(shù)據(jù)”各向異性疊前反演技術(shù)

“五維數(shù)據(jù)”是在常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加了方位角信息[11],即對X、Y、Z3個坐標(biāo)軸加偏移距、方位角信息。通過五維道集(螺旋道集)反演提取彈性參數(shù)、巖石物性、“甜點”、流體、各向異性裂縫等信息?！拔寰S數(shù)據(jù)”帶來了更加豐富的地震信息,特別是各向異性參數(shù),為疊前儲層參數(shù)反演技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

“五維數(shù)據(jù)”的應(yīng)用必須是地震采集、處理、解釋一體化的系統(tǒng)工程。地震數(shù)據(jù)采集必須是寬方位觀測系統(tǒng),否則無法構(gòu)成“五維數(shù)據(jù)”;地震數(shù)據(jù)處理也必須是寬方位處理,如OVT域?qū)挿轿怀上窕蚪嵌扔騌TM處理;在寬方位采集處理的基礎(chǔ)上,才可實現(xiàn)地震解釋環(huán)節(jié)的各向異性分析及疊前反演,如疊前方位各向異性裂縫反演、各向異性AVO分析、各向異性疊前彈性參數(shù)反演、疊前泊松阻抗反演等。在此展示兩個應(yīng)用實例的效果:一個實例是按照圖20所示的常用的疊前彈性參數(shù)反演技術(shù)一體化流程,某深層地震資料的疊前反演結(jié)果如圖21所示,在該流程中,如果要進(jìn)行各向異性彈性參數(shù)反演,就需要分方位開展相關(guān)反演處理;另一個實例是某地區(qū)疊前方位各向異性裂縫反演技術(shù)的實際應(yīng)用結(jié)果,其處理流程主要包括多方位成像道集的產(chǎn)生、分方位疊加地震數(shù)據(jù)體的形成和振幅各向異性參數(shù)反演,預(yù)測結(jié)果如圖22 所示,裂縫預(yù)測結(jié)果與井高度吻合。這些都是典型的地震采集、處理、解釋一體化的成功應(yīng)用案例,如果沒有一體化的思路、一體化的設(shè)計、一體化的流程和一體化的結(jié)合,就不可能取得理想的應(yīng)用效果。

圖20 常用的疊前彈性參數(shù)反演技術(shù)一體化流程

圖21 某深層地震資料疊前反演處理結(jié)果a 縱波阻抗剖面; b 橫波阻抗剖面; c 密度剖面; d 流體因子剖面

圖22 某地區(qū)疊前方位各向異性裂縫反演技術(shù)流程(a)和預(yù)測結(jié)果(b)

總之,“五維數(shù)據(jù)”蘊藏著豐富的油氣地質(zhì)信息,這些信息的挖掘離不開疊前各向異性反演技術(shù)。寬方位地震采集是“五維數(shù)據(jù)”反演的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),巖石物理分析是疊前反演的物質(zhì)基礎(chǔ),寬方位成像處理是疊前各向異性反演技術(shù)的關(guān)鍵,合適的疊前反演方法是“五維數(shù)據(jù)”一體化應(yīng)用的核心。

5 結(jié)論

地表與地下“雙復(fù)雜”條件下的地震勘探是當(dāng)前一個世界級的難題,依賴任何一個單項物探新技術(shù)都不能有效地解決,除了“地震一體化技術(shù)”,別無良方。“小寬高”高密度地震采集技術(shù)、“小平滑面”RTM疊前深度偏移技術(shù)和“五維數(shù)據(jù)”各向異性疊前反演技術(shù)是“一體化系列技術(shù)”中最重要的關(guān)鍵技術(shù)。每一項物探技術(shù)的應(yīng)用都有條件和局限性,必須根據(jù)地質(zhì)模型進(jìn)行正演模擬和巖石物理分析,通過模型試驗、野外現(xiàn)場試驗科學(xué)優(yōu)選合適的方法和參數(shù)。大膽、科學(xué)地應(yīng)用地震一體化技術(shù),必將推動深層復(fù)雜地質(zhì)體油氣勘探不斷取得新突破。

致謝:感謝中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院劉定進(jìn)博士、蔡杰雄博士提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)及圖件。