面向碳酸鹽巖縫洞型儲層的高密度全方位三維地震采集技術(shù)及應用效果

劉依謀，梁向豪，印興耀，陳學強，王彥峰

（1.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東青島266580；2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司勘探開發(fā)部，新疆庫爾勒841000；3.中國石油天然氣集團公司東方地球物理勘探有限責任公司塔里木物探處，新疆庫爾勒841000）

隨著地震儀器帶道能力的增強，高密度和寬方位（或全方位）地震采集技術(shù)的研究和應用越來越受到業(yè)界的重視。高密度地震采集的基本思路是在野外進行高密度空間采樣，采用點激發(fā)、點接收（或適當?shù)男〗M合）、小道距觀測，對各種干擾波場和有效反射波場進行空間高密度采樣，避免野外組合接收對有效高頻信息的損壞，較好地保護高頻信息，以利于室內(nèi)進行提高資料信噪比或提高分辨率處理［1－3］。高密度空間采樣的密度通常用地震道密度［4］來衡量，它是一個相對的概念，不同地質(zhì)目標對道密度要求不同［5］。目前高密度地震采集技術(shù)在國外發(fā)展較快，特別是在海上已普遍推廣應用［6－7］，陸 上 研 究 主 要 集 中 在 西 亞、北 非 等 沙 漠區(qū)［8－9］。國內(nèi)也進行了以小面元、高覆蓋次數(shù)為特征的技術(shù)試驗，對改善小砂體、小斷塊、薄儲層的成像質(zhì)量及油藏精細描述起到了重要作用［10］。對于地下復雜地質(zhì)體，除了空間采樣密度外，觀測方位亦是影響成像效果的一個重要因素。增加觀測方位有利于改善地下地質(zhì)體各個方向的照明度，提高速度分析精度和資料信噪比，從而改善復雜地質(zhì)體的偏移成像效果和裂縫性油氣藏的裂縫預測精度［11－12］。

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層以巖溶型儲層為主，儲集空間為不同尺度的溶孔、溶洞及裂縫，溶洞形狀和裂縫發(fā)育方向不規(guī)則，具有極強的非均質(zhì)性［13－14］；儲層埋藏深，反射波高頻能量衰減強，面波及隨機干擾強，有效反射能量弱，目的層地震資料信噪比和分辨率低。以往常規(guī)三維地震資料道密度較低，方位角較窄，小縫洞體識別難度大，裂縫預測和縫洞體系雕刻精度低，難以滿足油田開發(fā)的需要。

在分析塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層識別精度影響因素的基礎(chǔ)上，我們討論了面元大小、覆蓋次數(shù)和橫縱比等縫洞型儲層三維地震采集主要觀測參數(shù)的論證方法，設計了高密度全方位三維地震采集方案并通過實際采集、處理取得了良好的應用效果。

1 縫洞型儲層識別的影響因素分析

與地震波長相比，碳酸鹽巖中大小不一、形狀各異的裂縫和孔洞可以看作是巨厚均質(zhì)體中的不規(guī)則異常點源，在地震剖面上主要以繞射波或散射波的形式表現(xiàn)出來［15］。當孔洞的繞射波振幅值超過地震剖面上同時段的背景振幅水平時，就可采用地震方法對其進行檢測［16－17］。在地震偏移剖面上，孔洞主要表現(xiàn)為強振幅的“串珠”狀反射［18－20］，它是孔洞頂、底反射以及多次繞射波在偏移剖面上的響應［18，21－24］。當溶洞的高度小于1／4地震波波長時，其頂、底面的反射波會疊合在一起，形成復合反射波。反射波振幅與頂、底面復合反射系數(shù)成正比。自激自收方式下，厚度在1／4地震波波長以內(nèi)的碳酸鹽巖縫洞型儲層的復合反射系數(shù)為［16，25］

式中：R為復合反射系數(shù)；Ca為寬度振幅因子；h為儲集體厚度；r為儲集體頂、底面的反射系數(shù)；λ為儲集體中傳播的地震波波長。

由（1）式可知，縫洞型儲層的反射強度與縫洞體的寬度、高度，儲集體充填物及地震波波長（主頻）等均有關(guān)系。

圖1為以塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞型儲層為模型，對不同大小溶洞及其充填物和不同地震波主頻進行波動方程正演模擬得到的偏移剖面。模型圍巖速度為4 800m／s，正演時采用中間對稱激發(fā)形式，地震子波主頻為20Hz，道距為10m，最大炮檢距為5 000m，覆蓋次數(shù)為20次。從正演模擬結(jié)果可以看出，溶洞的高度、寬度和充填物對縫洞體的繞射波或反射波強度有著直接的影響：在一定的地震波主頻和空間采樣密度下，儲層縫洞必須達到一定的體積后才能在地震剖面上見到響應，體積越大響應越明顯（圖1a和圖1b）；反過來說，對于一定體積的縫洞型儲集體，縮小空間采樣間隔有利于提高其地震識別能力。此外，充填介質(zhì)與圍巖波阻抗差異越大，地震響應越明顯（圖1c）。利用上述觀測參數(shù)，對寬度和高度均為20m，充填速度為1 600m／s的溶洞采用不同地震波主頻進行了正演分析。結(jié)果表明，地震波主頻對儲層縫洞的繞射或反射強度亦有著直接的影響：地震波主頻為20Hz時，在偏移剖面上見不到溶洞的地震響應，而當?shù)卣鸩ㄖ黝l增加到30Hz時，即可以見到溶洞11的地震響應，且隨著地震波主頻的增加，溶洞的反射強度也隨之增強（圖1d）。由此可見，在三維地震觀測系統(tǒng)設計中，需要首先確定勘探目標儲層的性質(zhì)，然后再根據(jù)其地震響應特征進行參數(shù)論證。

圖1 不同大小溶洞及其充填物和不同地震波主頻對縫洞型儲層識別的影響

2 面向縫洞型儲層的三維地震采集主要觀測參數(shù)論證

碳酸鹽巖三維地震勘探的觀測系統(tǒng)設計與常規(guī)構(gòu)造勘探的設計方法不同，它是基于繞射波成像原理，重點是要提高尺度較小的縫洞儲集體的識別能力。從第1章的分析可知，提高縫洞型儲層的識別能力主要有以下兩種途徑：一是通過提高空間采樣密度來提高小尺度縫洞儲集體的信噪比和空間分辨率；二是提高地震波主頻，從而提高縫洞的反射強度。另外，考慮到縫洞系統(tǒng)的形狀和分布不規(guī)則性，需采用較寬的方位進行采集。因此，面向碳酸鹽巖縫洞型儲層的觀測系統(tǒng)設計重點是做好面元尺寸、覆蓋次數(shù)和方位角等參數(shù)的論證工作。

2.1 面元大小的選擇

碳酸鹽巖主要以縫洞型儲層為主，與地震波長相比，儲層縫洞一般尺度較小，在地震剖面上主要以繞射波形式表現(xiàn)出來。因此，碳酸鹽巖三維地震勘探更注重于縫洞體繞射的偏移成像效果。而對偏移而言，面元（道間距）一旦確定，必將涉及到空間假頻、速度場建立、偏移信息量的多少以及偏移過程中橫向計算誤差的大小等問題。若面元過大，容易導致出現(xiàn)空間假頻現(xiàn)象，降低速度場橫向精度和偏移信息量，同時增大偏移過程中的舍入誤差，從而影響偏移成像效果［26］；正演分析也表明隨著采集面元的增大，孔洞的繞射能量減弱，不利于對小地質(zhì)體的識別［27］。相反，采用小面元有利于提高小地質(zhì)體的橫向分辨率［28－29］，可以增加來自小縫洞儲層的地震繞射波的數(shù)據(jù)量，從而提高偏移剖面上小縫洞反射的信噪比；同時，縮小空間采樣間隔有利于提高高頻端信噪比，拓寬地震頻帶，進而提高縱向分辨率［30－31］。因此，小面元有利于提高縫洞體的識別和空間立體雕刻精度。

為對比分析不同面元尺寸對儲層縫洞定量雕刻的影響，針對塔里木盆地超深碳酸鹽巖縫洞型儲層設計了含5個溶洞的模型進行波動方程正演模擬采集。溶洞埋深7 000m，溶洞1至溶洞5實際大?。ǜ叨取翆挾龋┓謩e為15m×30m，20m×40m，25m×50m，50m×100m和75m×150m。常規(guī)資料采用25m面元、20Hz地震主頻模擬采集；高密度資料采用10m面元、30Hz地震主頻模擬采集。然后，分別從偏移剖面上讀取溶洞寬度和高度，與溶洞實際寬度和高度進行對比。圖2給出了采用常規(guī)二維和高密度二維正演模擬讀取的溶洞寬度和高度與實際溶洞寬度和高度的誤差。由圖2可知，不管采用何種面元采集，偏移剖面上“串珠”與溶洞實際尺寸之間均存在差異，隨溶洞實際尺寸的增大，誤差減小；大面元偏移剖面上讀取的溶洞寬度和高度與實際尺寸誤差較大，而小面元高密度采集可以顯著降低兩者之間的誤差。因此，實際勘探中在投資允許的情況下，應盡量采用小面元采集。

圖2 采用常規(guī)二維與高密度二維正演模擬讀取的溶洞寬度（a）和高度（b）與實際溶洞寬度和高度的誤差

2.2 覆蓋次數(shù)設計

碳酸鹽巖地震勘探覆蓋次數(shù)的選擇首先要考慮提高縫洞儲層內(nèi)幕信噪比，其次要滿足分方位處理解釋預測裂縫的要求。目前縱波裂縫預測方法主要是基于縱波方位各向異性識別裂縫方位和裂縫密度［32］。為滿足裂縫預測和描述要求，分方位處理時方位角劃分應大于3個方位才能滿足分方位處理后應用不同的方位角信息擬合方位各向異性橢圓，從而確定方位各向異性的方向和強度［33－34］。一般來說，方位劃分越多，越有利于裂縫方位和裂縫密度的準確預測，但前提是每個方位地震資料均能滿足疊前、疊后裂縫預測需要。因此，碳酸鹽巖三維地震勘探覆蓋次數(shù)選擇首先應保證每個方位均滿足最低成像要求。

以塔里木盆地塔北地區(qū)為例，根據(jù)該區(qū)碳酸鹽巖目的層有效波和干擾波的地球物理參數(shù)，首先計算不同覆蓋次數(shù)的疊加響應，根據(jù)疊加響應結(jié)果判斷該區(qū)覆蓋次數(shù)的下限。如圖3所示，從不同覆蓋次數(shù)疊加響應曲線中可以看出：當覆蓋次數(shù)較低時，其疊加響應曲線形態(tài)上出現(xiàn)可以使相干噪聲通過的周期性疊加響應峰值，噪聲壓制效果較差；隨著覆蓋次數(shù)的增加，峰值減小，壓制效果趨于一致；覆蓋次數(shù)24次以上時壓制效果比較穩(wěn)定，增大到36次時疊加響應差別很小。圖4給出了該區(qū)不同覆蓋次數(shù)的三維疊前偏移剖面。由圖4可見，對于體積較大、反射強度較強的溶洞，不同覆蓋次數(shù)偏移效果差別不大，但是對于反射振幅較弱的溶洞，隨著覆蓋次數(shù)增加，溶洞反射更加清晰，當覆蓋次數(shù)達到36次時基本能滿足大部分溶洞成像要求。因此，為保證該區(qū)碳酸鹽巖勘探效果，每個方位覆蓋次數(shù)應保證在30次以上。確定每個方位覆蓋次數(shù)下限之后，就可以根據(jù)劃分的方位數(shù)量確定總覆蓋次數(shù)。為提高裂縫預測精度，塔北地區(qū)一般劃分6個方位，因此總覆蓋次數(shù)最好達到180次以上。

圖3 塔北碳酸鹽巖目的層不同覆蓋次數(shù)疊加響應曲線

2.3 方位角的選擇

對碳酸鹽巖地震勘探而言，縫洞系統(tǒng)的預測和空間立體雕刻是其重要任務之一，而碳酸鹽巖中縫洞的大小、形狀和空間展布特征總是不規(guī)則的。目前通過縱波檢測裂縫的方法大多與地震數(shù)據(jù)的觀測方位密切相關(guān)，為滿足各個方向裂縫檢測精度要求，地震資料最好是全方位的，才能得到最為準確的解；同時，從研究碳酸鹽巖潛山巖溶復雜地貌以及內(nèi)幕非均質(zhì)儲集體的發(fā)育分布特征角度出發(fā)，由于無論古潛山地貌的起伏變化還是內(nèi)幕的縫洞體，在地震上產(chǎn)生的響應都表現(xiàn)為三維空間的繞射橢球體，也必須通過寬方位（最好是全方位）三維觀測才能接收到來自三維空間的全部信息，從而通過偏移處理使其準確收斂和高分辨率成像。方位角的大小通常用接收排列片的橫向（crossline方向）尺度與縱向（inline方向）尺度之比［35］或者最大非縱距與縱向最大炮檢距之比［36］（簡稱排列片橫縱比）來衡量。排列片橫縱比大于0.5為寬方位觀測；大于0.8為全方位觀測。但是僅用排列片橫縱比來衡量觀測方位寬窄是不夠的，覆蓋次數(shù)橫縱比亦是決定三維觀測方位寬窄的重要因素［37］。因此，實際應用中應綜合考慮排列片橫縱比和覆蓋次數(shù)橫縱比的影響，盡量使兩者數(shù)值趨于一致，這樣才能保證各個觀測方位炮檢距和覆蓋次數(shù)分布均勻，從而保證各個方位成像效果趨于一致。

利用塔里木盆地塔北地區(qū)實際資料，首先從地震疊加角度分析了不同大小方位角（橫縱比）對縱橫向疊加響應的影響，如圖5所示。由圖5可以看出，隨著橫縱比的增大，縱向和橫向兩個方向的疊加響應趨于一致，這樣就可以保證兩個方向的疊加效果趨于一致。

圖4 塔北某工區(qū)不同覆蓋次數(shù)地震資料的三維疊前偏移剖面

圖5 不同大小方位角（橫縱比）三維縱、橫向疊加響應

從疊前偏移角度上說，對縫洞等小地質(zhì)體而言，參與偏移的炮檢距分布和偏移孔徑直接決定了最終的偏移結(jié)果。當觀測方位角較窄時，縫洞體成像在縱向往往較好，而橫向的覆蓋次數(shù)較低且最大非縱距較小，偏移剖面上常常表現(xiàn)為繞射能量不收斂，成像質(zhì)量較差［38－39］。隨著觀測方位角的增大，縱、橫向的差異可以逐步消除。圖6為針對單個溶洞正演模擬不同觀測方位角對溶洞橫向偏移成像結(jié)果的影響?？梢钥闯觯S著觀測方位角的增大，橫向繞射波收斂情況變好。因此，增加方位角有利于碳酸鹽巖儲層縫洞各個方向的準確成像。

圖6 不同大小方位角（橫縱比）對溶洞橫向偏移成像的影響

3 實際應用及效果分析

塔里木盆地塔北哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖油氣資源豐富，主要產(chǎn)層為碳酸鹽巖潛山，儲集體為巖溶縫洞型非均質(zhì)體，目的層埋藏較深（普遍6 500m以上），內(nèi)幕地震資料信噪比較低。2008年在該區(qū)開展了常規(guī)三維地震勘探，觀測面元25m×25m，覆蓋次數(shù)72次，橫縱比0.58，道密度11.5×104道／km2（表1）。通過常規(guī)三維地震勘探清晰刻畫了大型巖溶縫洞體，實現(xiàn)了該區(qū)油氣勘探的重大突破。但隨著油氣開發(fā)程度的深入，對裂縫預測和縫洞體系的雕刻提出了更高的要求，常規(guī)三維地震資料對小尺度的縫洞體、大洞周圍的縫洞帶及其連通關(guān)系識別能力不足，尤其是裂縫預測精度較低，制約了油田開發(fā)方案設計及高產(chǎn)井網(wǎng)、井組的布設。

表1 常規(guī)三維和高密度全方位三維主要觀測系統(tǒng)參數(shù)

針對常規(guī)三維地震勘探在縫洞體精細刻畫方面的不足，在該區(qū)實施了高密度全方位三維地震勘探。觀測面元縮小到15m×15m，覆蓋次數(shù)提高到225次，橫縱比擴大到1，道密度達100×104道／km2（表1）。從面元屬性看，常規(guī)三維地震勘探炮檢距和覆蓋次數(shù)分布縱、橫向差別較大，特別是橫向主要分布較小炮檢距且覆蓋次數(shù)較低，不利于橫向地震成像；而高密度全方位三維地震各個方位炮檢距和覆蓋次數(shù)分布比較均勻，有利于縫洞體各個方向偏移成像和裂縫預測精度的提高（圖7）。

圖7 常規(guī)三維（a）和高密度全方位三維（b）地震面元屬性

圖8和圖9分別給出了去噪前和去噪后高密度全方位三維和常規(guī)三維的單炮記錄。由圖8和圖9可以看出，常規(guī)三維單炮記錄面波等干擾采樣不充分，容易出現(xiàn)假頻和畸變，去噪難度較大；小道距、高密度采集單炮記錄上面波等規(guī)則干擾采樣充分，特征明顯，有利于后續(xù)保真無假頻噪聲壓制和提高資料信噪比處理。

圖10a和圖10b分別給出了高密度全方位三維和常規(guī)三維地震偏移剖面。由圖10可以看出，對于體積較大且反射較強的縫洞體，兩者差別不大，但對于體積較小或反射較弱的縫洞體，高密度全方位三維資料品質(zhì)改善明顯，成像效果較好，小縫洞體識別精度較高。對高密度全方位三維地震資料通過抽炮抽道方式進行相同覆蓋次數(shù)下不同面元尺度對縫洞檢測能力對比，亦可以看出小面元采集對于小尺度的縫洞體具有更高的識別和分辨能力（圖11）。此外，高密度全方位三維資料各個方位炮檢距和覆蓋次數(shù)分布均勻，縫洞儲層各個方位偏移效果較好（圖12），縫洞連通關(guān)系更加清楚（圖13），通過分方位處理和相關(guān)裂縫預測技術(shù)的應用，大幅度提高了裂縫預測精度，裂縫方位和密度預測與實鉆吻合率達70%，顯著高于常規(guī)三維地震資料。

圖13 常規(guī)三維（a）和高密度全方位三維（b）相干振幅平面分布

4 結(jié)束語

碳酸鹽巖縫洞型儲層非均質(zhì)性強，地質(zhì)目標尺度較小且內(nèi)幕地震資料信噪比低，地震成像和儲層預測難度大。理論分析、正演模擬和實際地震采集、處理結(jié)果表明，高密度全方位三維地震在提高縫洞儲層成像和預測精度上具有明顯優(yōu)勢。

1）小道距高密度采集波場記錄完整，有效信號和面波等規(guī)則干擾采樣充分，便于后續(xù)資料處理中的信噪分離，提高資料信噪比和分辨率；同時小道距空間采樣有利于提高空間分辨率和小尺度縫洞體的識別能力。

2）全方位三維觀測各個方位覆蓋次數(shù)和炮檢距分布均勻，縫洞儲層各個方向疊加和偏移效果趨于一致，有利于縫洞儲層空間展布特征的準確刻畫和分方位處理，提高裂縫預測精度。

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