韓志雄,陳敬國,王 昆,張 華,柳興剛,張洪濤,劉春強

(中國石油集團東方地球物理公司,河北涿州072750)

1 地質(zhì)概況與主要問題

1.1 地質(zhì)概況

M區(qū)塊位于哈薩克斯坦阿克糾賓州,地質(zhì)上屬于濱里海盆地東緣。M區(qū)塊構造包括西部斷鼻和東部主體兩部分[1]。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較為齊全,自淺至深依次發(fā)育第四系至泥盆系的多套地層(圖1),多為相對平緩的層狀構造,整體斷裂不發(fā)育。

圖1 工區(qū)典型二維剖面

區(qū)塊及周邊以往進行過多次二維和三維地震采集作業(yè),勘探程度相對較高。以往勘探的主要目的層均為石炭系中上統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ?qū)佣翁妓猁}巖儲層,該段地層具有良好的油氣顯示,為主力含油層段,埋深不超過3000m。2019年,在重點勘探Ⅰ、Ⅱ?qū)佣蔚戎髁τ蜌鈱佣蔚耐瑫r,還提出查明深度約為7000m的Ⅲ層段的地質(zhì)構造。

M區(qū)塊地表總體較為平坦,最大高差約為60m,障礙物較少,激發(fā)接收條件總體較好。近地表主要為兩層結(jié)構,低降速帶厚度為4～15m,速度為300～1600m/s,表層結(jié)構橫向變化較小,總體上靜校正問題不大。

1.2 資料現(xiàn)狀及主要問題

以往勘探項目中各項技術參數(shù)主要面向Ⅰ、Ⅱ兩個目的層,均未針對深度約7000m的Ⅲ層。分析以往采集參數(shù)(表1)和地震資料發(fā)現(xiàn),對深層Ⅲ層反射而言,以往采集參數(shù)以及地震資料在信噪比、成像精度等方面主要存在以下問題。

表1 以往主要采集參數(shù)

1.2.1 倍頻程不足

如表1所示,2014年二維地震資料掃描頻率范圍為3.0～84.0Hz,頻寬為81.0Hz,倍頻程不足5。二維地震資料單炮記錄分頻掃描結(jié)果(圖2)顯示,低通5Hz掃描結(jié)果中基本無明確的反射信息,高通80Hz掃描結(jié)果顯示反射信息主要集中在1.0s以上的淺層,主要目標層和兼探層均無80Hz以上高頻反射?？梢姸S地震資料中5Hz以下的低頻成分較為缺乏,高頻端也存在拓寬的空間。

圖2 二維地震資料單炮記錄分頻掃描結(jié)果a 低通5Hz; b 高通80Hz

鄰區(qū)三維地震資料低頻端拓展至1.5Hz,高頻端拓展至90.0Hz,頻寬相對二維地震資料增加了7.5Hz,但倍頻程仍然不足6。三維地震資料單炮記錄分頻掃描結(jié)果(圖3)顯示,低通5Hz的掃描結(jié)果在2.5s左右出現(xiàn)較弱但較為明確的反射信息,高通80Hz的掃描結(jié)果顯示,在3.0s左右存在較為清晰的反射信息?？梢娤鄬ΧS地震資料,鄰區(qū)三維地震資料拓寬掃描頻帶效果明顯。

圖3 三維地震資料單炮記錄分頻掃描結(jié)果a 低通5Hz; b 高通80Hz

與絕對頻寬相比,相對頻寬即倍頻程決定了主脈沖與旁瓣的比值,因此增加倍頻程更能提高地震資料的分辨率[2]。由于新的三維地震勘探的目的層更深,理論上相對頻寬(倍頻程)仍有進一步拓展的必要。

1.2.2 深層成像精度偏低

三維地震資料疊前深度偏移(PSDM)剖面(圖4)顯示,Ⅱ?qū)又碌母鲗与m有一定的反射能量,可以識別總體構造形態(tài),但Ⅲ層頂(5500m左右)斷點不清,同一相位追蹤不連續(xù),斷層精確位置存在多解性,成像精度不足。分析并歸納主要原因如下。

圖4 三維地震資料PSDM剖面

1) 最大炮檢距不足。

為提高深層的成像精度,一般需要一定的排列長度,排列過短會造成速度譜分辨率不足。根據(jù)6%的速度分析精度要求,Ⅲ層頂部的最短炮檢距不能低于5500m(圖5),而以往參數(shù)中二維地震資料最大炮檢距為4790m,三維地震資料最大炮檢距為5265m。對深層而言,原參數(shù)中最大偏移距顯然偏小。

圖5 不同地層隨炮檢距變化的速度精度曲線

2) 覆蓋次數(shù)及覆蓋密度偏低。

2014年二維地震采集滿覆蓋次數(shù)為240次,主要目的層Ⅰ層、Ⅱ?qū)拥挠行Ц采w次數(shù)分別為100次與150次。2017年三維地震采集滿覆蓋次數(shù)提高到420次,Ⅰ層、Ⅱ?qū)拥挠行Ц采w次數(shù)分別為150次與230次。

實際地震資料對比研究表明,三維地震采集時,Ⅰ、Ⅱ?qū)有旁氡鹊玫搅溯^為明顯的提高,成像精度更為精確;深層Ⅲ層有效覆蓋次數(shù)雖然達到360次,滿覆蓋密度達到67萬次/km2,但由于多次波、次生干擾等干擾波較為發(fā)育,加上上覆的強反射界面Ⅱ?qū)拥撞康钠帘斡绊?導致實際地震資料的能量和信噪比有所下降,斷裂位置成像精度及清晰度也不夠高,因此需要進一步提高覆蓋次數(shù)和覆蓋密度。

1.2.3 深層多次波較為發(fā)育

本區(qū)干擾波主要是面波和折射波以及多次波。其中面波、折射波分布范圍較廣。原始單炮記錄顯示,在較強面波的干擾下,總體上淺、中層(2.5s以上)依然存在明顯的反射信息,干擾波影響較小,具有較高的信噪比(圖6)。

圖6 三維原始地震資料(a)和二維原始地震資料(b)單炮記錄

在Ⅱ?qū)拥着cⅢ層底兩個強反射界面間,層間多次波比較發(fā)育[3]。圖6b顯示,在綠色框中存在多個形態(tài)相近的同相軸。根據(jù)時間和深度信息,并依據(jù)相應的井資料、速度譜和波組特征綜合分析,這些同相軸應該為Ⅱ?qū)优cⅢ層之間的層間多次波,這些多次波對深層成像結(jié)果影響較大。后期經(jīng)過拉冬變換等處理,取得了一定的壓制效果,但圖7所示的三維地震資料PSDM剖面中,依據(jù)井資料和速度譜層位對比可以推定Ⅱ?qū)优cⅢ層之間依然存在層間多次波(圖7 綠色框)。因此新的三維地震采集參數(shù)需要在原三維地震采集參數(shù)的基礎上進一步優(yōu)化,在采集環(huán)節(jié)對多次波進行壓制。

圖7 三維地震資料PSDM剖面

2 參數(shù)優(yōu)化

針對深層目前存在的主要問題,對新的三維地震采集參數(shù)進行優(yōu)化。

2.1 觀測系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1 提高深層覆蓋密度

覆蓋密度與面元、覆蓋次數(shù)、炮檢距分布等均存在密切的關系,它能夠反映觀測系統(tǒng)的綜合狀況,決定了疊前偏移成像的質(zhì)量[4-5]。

本文建立了4個相關的觀測系統(tǒng)模型,以驗證覆蓋密度對疊前偏移屬性的影響。4種觀測系統(tǒng)具有相同的排列片、橫縱比以及不同的覆蓋次數(shù)、覆蓋密度,具體模型參數(shù)見表2。

表2 觀測系統(tǒng)模型參數(shù)

分別對上述4種方案得到的PSTM(疊前時間偏移)響應屬性進行對比,結(jié)果表明(圖8),利用4種模型得到的子波主瓣與第一旁瓣的峰峰比基本一致,但模型1得到脈沖響應振幅值最高,模型2與模型3相同,模型4最弱,這與各模型覆蓋密度規(guī)律一致。可見,對疊前偏移屬性起關鍵作用的是覆蓋密度而不是覆蓋次數(shù)。覆蓋密度越高,地震資料的疊前偏移效果預期越好[4]。

圖8 不同觀測模型的疊前時間偏移響應屬性

鑒于鄰區(qū)三維地震資料中Ⅱ?qū)拥男旁氡扰c成像精度能滿足該層的地質(zhì)目標。因此本次深層優(yōu)化覆蓋密度的原則是確保Ⅱ?qū)痈采w次數(shù)不低于鄰區(qū)三維地震資料的覆蓋次數(shù),并由此推算深層Ⅲ層的覆蓋次數(shù)與覆蓋密度。

經(jīng)推算,新的三維地震采集需要滿覆蓋達到630次,覆蓋密度增加到100萬次/km2才能保證Ⅱ?qū)佑胁蝗跤卩弲^(qū)三維地震資料的成像效果。

2.1.2 最大炮檢距優(yōu)化

最大炮檢距可以有效提高深部地震資料的信噪比[6-8],本文通過理論分析和正演模擬來確定優(yōu)化后的最大炮檢距。

1) 理論分析。

傳統(tǒng)理論認為,最大炮檢距選取時需要考慮動校拉伸畸變的影響[8]。一般選取12.5%的拉伸畸變來限定最大炮檢距的范圍。動校拉伸畸變與最大炮檢距的關系公式如下:

(1)

式中:Xmax為最大炮檢距;t0為垂直雙程反射旅行時;vrms為均方根速度;D為動校拉伸畸變。根據(jù)理論計算,Ⅲ層滿足12.5%的拉伸畸變需要不大于7230m的最大炮檢距。

各向異性PSTM技術的發(fā)展極大地改善了大炮檢距同相軸動校正效果,相對較好地保持了大炮檢距振幅,遠道反射特征得到了很好的保持,可以提供更多的深層巖性信息[7],這就在理論上突破了遠炮檢距不能超過12.5%動校拉伸的限制[7]。因此我們可以采用更大的炮檢距來提高深層資料的信噪比。

2) 正演模擬。

根據(jù)區(qū)內(nèi)二維構造解釋剖面,建立了正演地質(zhì)模型(圖9),模型長為20000m,深度為9000m。利用波動方程正演模擬和照明分析技術,分析面向深層勘探目標的最大炮檢距[9]。

圖9 正演地質(zhì)模型

圖10為利用全排列進行正演模擬得到的單炮記錄(道間距為20m),其中藍色線段和紅色線段分別是目的層Ⅱ?qū)优cⅢ層同相軸與嚴重干擾的折射波的交點到時間0線的垂直線段,3800m和7200m分別為該交點在地表的投影到炮點的水平距離。由圖10可見,當最大炮檢距超過3800m時,主要目的層Ⅱ?qū)拥姆瓷渫噍S會受到其它波(主要為折射波)嚴重干擾。當最大炮檢距超過7200m時,目的層Ⅲ層頂?shù)姆瓷渫噍S被干擾波湮沒,理論上,超過部分不再對疊加記錄有所貢獻[10]。

圖10 正演模擬得到的單炮記錄

為驗證正演模擬結(jié)論的可靠性,本文對經(jīng)過動校正的實際CMP道集(圖11)進行分析,結(jié)果顯示Ⅱ?qū)诱菽M結(jié)果與實際CMP道集大體一致。因此選擇面向目的層Ⅲ層頂?shù)淖畲笈跈z距時,7200m是重點參考值。

圖11 經(jīng)過動校正的實際CMP道集

3) 照明能量分析。

照明能量是分析判斷具體目的層反射能量多少的重要指標[9]。我們分析了針對Ⅲ層頂多種炮檢距下的照明能量。如圖12所示的照明能量曲線反映Ⅲ層頂?shù)恼彰髂芰繒S著炮檢距增加而明顯增加,但當炮檢距達到或超過7000m時,Ⅲ層頂?shù)恼彰髂芰吭龇黠@降低,此時增加炮檢距對該層能量提升作用有限。

圖12 不同偏移距下的Ⅲ層頂照明能量曲線

分別對比6000m與7000m、8000m與7000m炮檢距照明能量的差值,結(jié)果如圖13所示,對深層Ⅲ層頂而言,8000m與7000m炮檢距的照明能量差值接近為0(圖中紅色代表差值較大,藍色代表差值較小),對于Ⅲ層而言,7000m是照明能量差異的拐點,超過7000m的偏移距對深層照明能量增長意義不大。

圖13 不同炮檢距照明能量差值對比結(jié)果a 6000m VS 7000m; b 8000m VS 7000m

2.2 多次波壓制

實際資料分析表明,本區(qū)發(fā)育的多次波主要為界面Ⅰ層、Ⅱ?qū)右约阿驅(qū)优cⅢ層之間等強反射界面之間產(chǎn)生的短周期的層間多次波。

在采集環(huán)節(jié),壓制多次波主要是利用多次波和一次反射波在速度校正后存在剩余時差,而且剩余時差會隨著炮檢距的增加而增加的原理,通過增加炮檢距的方法一定程度壓制多次波[11-12]。

假設v和vd分別為一次波和多次波速度,它們對應的正常時差為Δt和Δtd,則有:

(2)

(3)

式中:x為炮檢距;t0為垂直雙程旅行時;Δt為一次波正常時差;Δtd為多次波正常時差。

由(2)式與(3)式可以得到兩者的剩余時差ΔΔt表達式:

(4)

由(4)式可以看出,在采集環(huán)節(jié),壓制和衰減多次波最主要的技術手段是增加炮檢距。由(4)式推導出炮檢距與多次波剩余時差的關系如下:

(5)

根據(jù)(5)式,令深層Ⅲ層反射主頻f=20Hz,剩余時差至少需要達到1/2反射波周期T(T=1/f)方可區(qū)分多次波進行計算。壓制速度為4200m/s的多次波所需的最大炮檢距不小于6000m(圖14)。

圖14 多次波剩余時差分析結(jié)果

2.3 激發(fā)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)Widess準則,分辨率取決于頻帶寬度,頻帶越寬,可分辨的時間厚度就越小,即分辨率越高,這也是高成像精度的基礎[13]。當子波為零相位子波時,(6)式表示了時間分辨率與頻寬的關系,根據(jù)(6)式計算得到的不同頻率寬度的時間分辨率如表3所示。綜合其它因素,新的三維地震采集將掃描頻帶范圍優(yōu)化為1.5～96.0Hz,達到6個倍頻程。

表3 不同頻率寬度對應的時間分辨率

(6)

式中:Ra為時間分辨率;Δf為頻寬。

2.4 優(yōu)化后參數(shù)

根據(jù)以上兼顧面向深層目標的分析論證結(jié)果,新的三維地震采集最終采用以下4種參數(shù)優(yōu)化措施:①增加最大炮檢距;②提高深層覆蓋次數(shù);③增大深層覆蓋密度;④拓寬頻帶寬度,優(yōu)化后的采集參數(shù)如表4所示。

表4 優(yōu)化后的采集參數(shù)

3 應用效果

圖15為相同位置處,基于原二維地震與新的三維地震資料的PSTM剖面,對比發(fā)現(xiàn),新的三維地震采集資料的PSTM剖面上主要層位的分辨率更高,連續(xù)性更好,成像精度提升明顯,層間反射信噪比也得到了較大提高。

圖15 原二維地震資料(a)和新三維地震資料(b)的PSTM剖面

圖16為優(yōu)化后新的三維地震資料與原三維地震資料的速度譜,新的三維速度譜在2.0s以下的深層收斂效果更好,反射波能量明顯提高,并且一定程度上削弱了多次波能量。

圖16 原三維地震資料(a)和優(yōu)化后新的三維地震資料(b)的速度譜

對PSTM剖面的局部進行放大,得到的剖面細節(jié)如圖17所示,從細節(jié)來看,新的三維地震資料較好地解決了礁灘體速度橫向劇烈變化引起的地層畸變問題,礁灘體邊界成像更加清楚。

圖17 原二維地震資料(a)和新的三維地震資料(b)的剖面細節(jié)

圖18為鄰區(qū)原三維地震與本區(qū)新的三維地震資料的PSDM剖面,可以看出,新的三維地震資料各目的層特別是深層偏移成像更加清晰,精度增高,侏羅系與下覆地層的接觸關系更加清晰,因此能夠更好地識別各層反射特征。需要強調(diào)的是:本區(qū)內(nèi)無以往的三維地震采集資料,鄰區(qū)三維地震資料與本區(qū)邊界相連,地質(zhì)上屬于同一構造,因此此處采用鄰區(qū)原三維地震資料加以對比。

圖18 鄰區(qū)原三維地震資料(a)與新的三維地震資料(b)的PSDM剖面

由此可見,優(yōu)化后的采集參數(shù)在新三維地震采集中取得了較好的勘探效果,達到了改善深層成像的目的。

4 結(jié)論

本區(qū)新的三維地震勘探基于理論分析和正演照明等論證結(jié)果,優(yōu)化了覆蓋密度、最大炮檢距、拓展了掃描頻寬等主要采集參數(shù),提高了深層成像精度,在實際應用中取得了明顯的地質(zhì)效果,并得出以下主要結(jié)論。

1) 覆蓋密度由于綜合了面元、覆蓋次數(shù)、炮檢距分布等多個因素,更能決定疊前偏移成像的質(zhì)量。正演模型分析結(jié)果證明提高覆蓋密度能有效提高疊前偏移成像精度。

2) 照明能量分析結(jié)果表明,最大炮檢距存在臨界值,超過該值后,更大的炮檢距對目的層照明能量的增長作用明顯減弱。

3) 對于深層目的層成像,在降低低頻和增加倍頻程的雙重作用下,能更有效地增加深層地震資料能量和信噪比。

4) 增大偏移距能一定程度上壓制多次波,但僅增加覆蓋次數(shù),不增大偏移距,不能有效壓制多次波。

通過對以上主要參數(shù)的優(yōu)化,新的三維地震采集在深層信噪比、成像精度、分辨率和多次波壓制等方面取得了一定的效果,較好地滿足了兼顧深層地震勘探的預期,為深層地震資料采集提供了借鑒。

致謝:在課題研究和論文撰寫過程中得到了中國石油集團東方物探采集技術中心領導專家的指導和同事們的幫助,在此表示衷心感謝。