鎮(zhèn)巴地區(qū)地震勘探效果分析與認(rèn)識(shí)

敬朋貴

(中國(guó)石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都 610041)

鎮(zhèn)巴探區(qū)位于川、陜、渝三地交界處,構(gòu)造上處于南大巴山逆沖推覆前鋒變形帶[1-2]內(nèi)。大巴山弧形逆沖推覆帶西鄰米倉(cāng)山、北靠秦嶺造山帶、南接四川盆地,屬于典型的盆山耦合復(fù)雜帶。構(gòu)造展布形態(tài)上表現(xiàn)為向西南凸出的弧形,由巨型逆沖推覆褶皺帶構(gòu)成;構(gòu)造類型主要為斷層相關(guān)褶皺、疊瓦狀構(gòu)造及斷層三角帶。前期大量的基礎(chǔ)地質(zhì)和沉積相綜合研究表明,鎮(zhèn)巴探區(qū)存在類似于開(kāi)江-梁平陸棚兩側(cè)的碳酸鹽巖臺(tái)地邊緣相帶,勘探潛力巨大。2006年以來(lái),中國(guó)石油化工股份有限公司勘探南方分公司在鎮(zhèn)巴地區(qū)開(kāi)展了大量二維、三維地震采集攻關(guān)試驗(yàn)[3],所獲資料通過(guò)“內(nèi)引外聯(lián)”由多家單位進(jìn)行并行攻關(guān)處理,其效果雖不斷得以改進(jìn),但最終成果資料主要目的層結(jié)構(gòu)仍然十分雜亂,標(biāo)志層反射難以識(shí)別,構(gòu)造解釋難度大,儲(chǔ)層預(yù)測(cè)極為困難。受地震資料品質(zhì)低的影響,首口探井的論證與實(shí)施面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。

1 復(fù)雜地表地震地質(zhì)條件

鎮(zhèn)巴地區(qū)是典型的地上、地下“雙復(fù)雜”探區(qū)。地面的復(fù)雜性表現(xiàn)在地形起伏劇烈、出露地層巖性多變及其產(chǎn)狀陡峭;地下復(fù)雜性表現(xiàn)為陸相、膏鹽巖及海相“三層樓”式復(fù)雜構(gòu)造的組合特征。

鎮(zhèn)巴地區(qū)屬于典型的大山區(qū),地勢(shì)總體呈南西低、北東高的趨勢(shì),北東向山大谷深、起伏劇烈,北西向高差變化相對(duì)較小,起伏相對(duì)平緩。三維地震攻關(guān)區(qū)最低海拔約480m,最高海拔1696m,溝谷高差大于500m的情況俯拾皆是。實(shí)際生產(chǎn)中,一個(gè)采集接收排列通常要跨越4～6座相對(duì)高差在200～600m的山峰(圖1)。交通及通訊條件極差,地震施工難度大、成本高。

鎮(zhèn)巴地區(qū)表層出露地層大致沿北西向展布,砂巖、灰?guī)r呈條帶狀交錯(cuò)變化,三維地震采集攻關(guān)區(qū)域內(nèi)表層地質(zhì)呈“三隆兩凹”沉積特征(圖2)。區(qū)內(nèi)出露巖層產(chǎn)狀陡峭,絕大部分巖層傾角超過(guò)30°。在地震采集施工區(qū)域,通過(guò)實(shí)際測(cè)量和室內(nèi)表層構(gòu)造恢復(fù),在不足800m范圍內(nèi)由新到老依次出露中侏羅統(tǒng)千佛崖組沙泥巖、下侏羅統(tǒng)白田壩組礫巖、上三疊統(tǒng)須家河組泡砂巖、中三疊統(tǒng)雷口坡組白云質(zhì)灰?guī)r等4～5套不同時(shí)代、不同巖性地層,出露最老地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組泥灰?guī)r。地表構(gòu)造核部及其兩翼地層幾近直立,巖石破碎嚴(yán)重(圖3和圖4)。地表出露巖性、產(chǎn)狀變化快,地層,導(dǎo)致地震激發(fā)、接收條件嚴(yán)重不一致,采集資料橫向變化迅速[4-7]。

鎮(zhèn)巴地區(qū)地腹內(nèi)部發(fā)育寒武系到侏羅系多套地層埋藏深度及其傾角變化大,褶皺嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)沉積了構(gòu)造特征各不相同的陸相砂泥巖、膏鹽巖、海相碳酸鹽巖三套地層。陸相砂泥巖沉積地層呈現(xiàn)為隆凹結(jié)構(gòu),隆起高陡、緊閉,局部缺失須家河及以上地層,凹陷相對(duì)寬緩、深埋;膏鹽巖橫向厚度及埋深變化大;海相地層斷裂發(fā)育,構(gòu)造類型主要為斷層相關(guān)的褶皺、疊瓦狀構(gòu)造及斷層三角帶,呈現(xiàn)為斷隆、斷凹、斷階等復(fù)合結(jié)構(gòu)特征(圖5)。鎮(zhèn)巴地腹內(nèi)部陸相、膏鹽巖及海相“三層樓”式的復(fù)雜構(gòu)造造成地震波傳播路徑的高度復(fù)雜化。

圖1 典型砂巖地表區(qū)單炮記錄

圖2 地震采集攻關(guān)區(qū)地面地質(zhì)條件

圖3 地震工區(qū)表層地質(zhì)剖面

圖4 表層巖層產(chǎn)狀特征

圖5 鎮(zhèn)巴地腹內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造剖面

2 地震采集攻關(guān)與主要認(rèn)識(shí)

2.1 區(qū)域概查與二維地震攻關(guān)

為了解鎮(zhèn)巴地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu),2004年部署實(shí)施了3條二維地震勘查測(cè)線。采用20m道距,80m炮間距,最大接收排列4800m,60次覆蓋的單線地震觀測(cè),僅獲得了淺層反射信息,中深層反射能量弱、信噪比低。

為尋求有效的地震勘探方法技術(shù),2006年實(shí)施了系統(tǒng)的地震采集技術(shù)攻關(guān)。開(kāi)展了系統(tǒng)的表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查,藥性、藥型、激發(fā)工藝試驗(yàn)和檢波器類型、組合接收試驗(yàn),在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)多方論證,制定了20m道距,40m炮距,最大偏移距9600m,960次疊加的雙線雙炮超高覆蓋次數(shù)二維寬線地震采集方案,實(shí)施了一條30km的二維測(cè)線。攻關(guān)采集的資料除淺層和深層寒武系反射信息較2004年的二維資料有一定程度改善外,志留系和主要目的層二疊系、下三疊系反射仍然十分雜亂,無(wú)明顯可識(shí)別的反射波同相軸。

2.2 三維地震攻關(guān)

鎮(zhèn)巴地區(qū)極為復(fù)雜的地表和地下地質(zhì)條件,致使二維地震勘探難以獲取復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的地震響應(yīng),存在無(wú)法克服的側(cè)面反射問(wèn)題,二線二炮觀測(cè)獲得的3條地下反射剖面的空間組合選擇余地有限,且難以消除橫向不一致性,勘探效果差。鑒于此,2009—2011年連續(xù)部署實(shí)施了3期三維地震采集攻關(guān)試驗(yàn),探索高空間采樣率的三維觀測(cè)技術(shù)解決本地區(qū)勘探問(wèn)題的能力。2009—2010年三維地震攻關(guān)采用了20m×20m面元,接收線、炮線距均為200m,覆蓋次數(shù)分別為120次和150次的三維束狀觀測(cè)系統(tǒng)。在施工過(guò)程中盡可能將布設(shè)的排列全部接收,以增強(qiáng)觀測(cè)效果,力求解決復(fù)雜波場(chǎng)的地震成像問(wèn)題。2011年采用了20m×40m矩形面元,接收線、炮線距為240m,336次覆蓋的三維觀測(cè)系統(tǒng)。與四川盆地內(nèi)已實(shí)施的多塊三維地震采集技術(shù)方案相比較,目前鎮(zhèn)巴地區(qū)三維地震采集攻關(guān)技術(shù)方案所采用的炮、檢線距收縮了近1倍,每平方千米內(nèi)地震炮-檢對(duì)采集密度提高了1倍以上。通過(guò)與前期二維地震勘探資料的比較分析,無(wú)論是疊加還是偏移效果,三維地震資料比二維地震資料在淺、中、深層的信息都更加豐富、清晰,結(jié)構(gòu)更為合理[8]。但經(jīng)多方攻關(guān)處理后的三維成果資料依然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)志層不清及可解釋性差的問(wèn)題。

3 地震資料主要特征

3.1 單炮記錄特征

鎮(zhèn)巴地區(qū)地震單炮記錄品質(zhì)變化與地表出露的條帶狀不同巖性密切相關(guān)。由西南往東北,單炮記錄內(nèi)反射信息依次減弱、變差。砂巖區(qū)激發(fā)、砂巖內(nèi)接收的資料最好,過(guò)渡區(qū)其次,灰?guī)r區(qū)記錄最差。西南部砂泥巖區(qū)的記錄品質(zhì)最好,主頻、信噪比相對(duì)較高;在中部砂泥巖區(qū),信噪比相對(duì)較低,東北部砂泥巖區(qū)記錄可見(jiàn)有效反射能量,但信噪比更低。中部和東北部灰?guī)r區(qū)的記錄主頻低,低頻干擾強(qiáng),總體顯現(xiàn)為低信噪比(圖6)。

圖6 鎮(zhèn)巴地表不同巖性出露區(qū)地震資料原始記錄品質(zhì)a 西南砂巖區(qū)1; b西南砂巖區(qū)2; c中部灰?guī)r區(qū); d 東北砂巖區(qū)

進(jìn)一步深入分析品質(zhì)最高的砂巖區(qū)單炮記錄,排列內(nèi)普遍存在不同角度、弧度的反射能量且相互交織,從淺至深基本沒(méi)有貫穿全排列的穩(wěn)定的反射;中層局部存在微弱的反射信息,但連續(xù)道數(shù)十分有限;不同位置單炮和同一炮不同排列接收的反射信息存在明顯變化。

詳細(xì)對(duì)比過(guò)渡帶、灰?guī)r出露條帶內(nèi)不同位置單炮記錄,過(guò)渡區(qū)單炮呈現(xiàn)為半邊有反射、半邊無(wú)反射的特點(diǎn),大量記錄初至波處可見(jiàn)繞射波;灰?guī)r區(qū)激發(fā)-接收單炮記錄基本無(wú)可識(shí)別的有效反射。

3.2 道集與速度譜質(zhì)量

對(duì)信噪比較高的砂泥巖區(qū)相鄰CMP道集作連續(xù)分析(圖7a),目的層段反射信息在時(shí)間和空間上變化劇烈,同一反射波在近偏移距與遠(yuǎn)偏移距存在差異;目的層段相關(guān)速度譜質(zhì)量很差(圖7b),難以拾取?；?guī)r區(qū)CMP道集信噪比低(圖7c),速度譜缺少穩(wěn)定的能量團(tuán)(圖7d)。

圖7 地表砂泥巖區(qū)CMP道集(a)及對(duì)應(yīng)速度譜(b)和灰?guī)r出露區(qū)CMP道集(c)及對(duì)應(yīng)速度譜(d)

同一位置的CMP道集(圖8a)與疊前成像CRP道集(圖8b)對(duì)比,兩者除了因處理方法不同而信息變化較大外,需要注意的是,即便經(jīng)過(guò)疊前偏移處理后的CRP道集,同一反射波在不同偏移距上也存在不一致的現(xiàn)象。經(jīng)疊前偏移處理后,CRP道集中強(qiáng)振幅穩(wěn)定反射段對(duì)應(yīng)的速度譜能量更為集中(圖8c),但目的層段及灰?guī)r出露區(qū)速度譜質(zhì)量未見(jiàn)明顯提高。

道集內(nèi)信息的不一致性表明,無(wú)論是CMP道集還是經(jīng)過(guò)疊前偏移的成像道集均不能代表是地下真實(shí)反射點(diǎn)的準(zhǔn)確信息,實(shí)際射線路徑與簡(jiǎn)單的幾何路徑已嚴(yán)重不符。道集間信息的不一致性則說(shuō)明地下地層產(chǎn)狀和傾角在小范圍內(nèi)發(fā)生了較大變化。

圖8 同一位置的CMP道集(a)、CRP道集(b)及疊前成像速度分析(c)

3.3 疊加波場(chǎng)分析

為方便描述,我們將三疊系須家河組以上地層稱為陸相淺層,雷口坡至嘉陵江組地層稱為膏巖層,三疊系飛仙關(guān)組至志留系地層稱為中層,志留系以下稱為深層,對(duì)應(yīng)的各套地震反射分別稱為淺、中、深層反射。經(jīng)過(guò)反復(fù)的精細(xì)處理,疊加資料信噪比整體得到改善,灰?guī)r條帶區(qū)可見(jiàn)一定反射信息,疊加剖面上基本消除了空白反射區(qū)(圖9a)。從剖面內(nèi)反射層系上分析,區(qū)內(nèi)淺層反射波組能量強(qiáng)、相位穩(wěn)定,可連續(xù)追蹤的范圍較大;膏巖反射能量強(qiáng),呈現(xiàn)為發(fā)散、多曲率的繞射波特征(俗稱“掃帚”狀反射),影響范圍大;中層反射能量弱,波組穩(wěn)定性差;深層反射能量較強(qiáng),產(chǎn)狀較緩,波組連續(xù)性差(圖9a)。

圖9 鎮(zhèn)巴地區(qū)疊加剖面特征(a)及其目的層局部放大顯示(b)

進(jìn)一步分析中層主要目的層段的疊加波場(chǎng)。在三維縱向剖面(圖9b)上,反射同相軸多顯弧形特征,幾乎沒(méi)有水平連續(xù)反射同相軸,反射波組相位轉(zhuǎn)換頻繁;標(biāo)志層同相軸無(wú)法連續(xù)追蹤或連續(xù)追蹤范圍十分有限,可追蹤的反射同相軸一般連續(xù)不超過(guò)50道(1000m);不同產(chǎn)狀反射波組相互交織,相互影響;波組不完整,呈現(xiàn)半支繞射特征;呈弧形特征的相鄰反射波在空間上相距較遠(yuǎn),不符合反射、繞射、回轉(zhuǎn)波的空間匹配關(guān)系,存在反射、繞射、回轉(zhuǎn)波組合不完整現(xiàn)象。在三維橫向剖面上,除膏巖層繞射發(fā)育外,其余層系反射產(chǎn)狀普遍較緩,但剖面與剖面之間反射信息變化大,顯示跳躍變化特征。對(duì)主測(cè)線上明顯的反射波組沿聯(lián)絡(luò)線方向進(jìn)行追蹤,其可連續(xù)追蹤100道即2000m以上的反射很少。縱、橫向剖面聯(lián)合分析,同一波組在兩個(gè)方向的反射產(chǎn)狀差異巨大,變化迅速?？傮w來(lái)看,鎮(zhèn)巴三維地震資料主要目的層疊加波場(chǎng)受上伏膏巖層產(chǎn)生的強(qiáng)烈繞射波影響嚴(yán)重,自身反射能量弱,無(wú)明顯的水平反射,反射波波組穩(wěn)定性差[9-12]。

4 地震成像條件分析

4.1 成像條件計(jì)算

根據(jù)反射地震學(xué)的基本原理,實(shí)際觀測(cè)到的反射波是由反射界面上相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)面積內(nèi)返回的能量疊加而成的,到達(dá)檢波器的反射波的相位差不超過(guò)半個(gè)周期,這些波或多或少地相干干涉,這個(gè)相干干涉區(qū)域就是菲涅爾帶。第一菲涅爾帶半徑r與地震波傳播的速度、頻率、距離存在如下關(guān)系:

(1)

式中:t為觀測(cè)點(diǎn)到界面的雙程旅行時(shí)間;f為視頻率;H為界面深度;λ為波長(zhǎng)。

當(dāng)?shù)叵碌刭|(zhì)體的長(zhǎng)度(a)小于第一菲涅爾帶半徑時(shí),這樣的地質(zhì)體就相當(dāng)于一個(gè)繞射點(diǎn)。因此,菲涅爾帶決定了地震水平分辨率的極限[13-15]。依據(jù)上述公式并設(shè)定鎮(zhèn)巴地區(qū)地震波參數(shù),在上覆介質(zhì)均勻的前提下,到達(dá)目的層的地震波波長(zhǎng)100～400m,地質(zhì)體埋深在1000m時(shí),地震可分辨的地質(zhì)體最小尺度為100～220m,埋深在6000m時(shí)則為540～1100m。

以觀測(cè)深度5000m,地震波速度5500m/s,頻率20Hz為例,在上覆介質(zhì)均勻前提下,水平地質(zhì)體尺度要達(dá)到829m才能形成穩(wěn)定的長(zhǎng)反射,而形成短反射或繞射的地質(zhì)體最小尺度為370m,小于該尺度的地質(zhì)體,在地面是接收不到其響應(yīng)信息的。地質(zhì)體尺度在370～829m時(shí)主要形成短反射,愈接近下限,愈容易產(chǎn)生繞射。

成像條件計(jì)算結(jié)果說(shuō)明,非均勻體尺度越小越容易形成短反射或繞射,當(dāng)非均勻地質(zhì)體不滿足形成短反射的最低尺度時(shí),地面就觀測(cè)不到其響應(yīng)信息,導(dǎo)致信息缺失。而目前的地震觀測(cè)結(jié)果預(yù)示鎮(zhèn)巴地區(qū)地下穩(wěn)定地質(zhì)體的尺度、規(guī)模偏小,已接近甚至小于地震可觀測(cè)的最低尺度。

4.2 模型正演分析

圖10a給出了根據(jù)鎮(zhèn)巴地區(qū)實(shí)際資料解釋的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及實(shí)測(cè)地表高程構(gòu)建的帶實(shí)際地表的二維數(shù)值模型,該模型中的二疊系斷塊最小規(guī)模在2 000m以上。我們據(jù)此模型開(kāi)展射線追蹤及波動(dòng)方程正演模擬。模擬結(jié)果(圖10b和圖10c)表明,射線路徑極度復(fù)雜化,觀測(cè)排列內(nèi)二疊系目的層射線路徑極度不均勻,數(shù)值模擬單炮記錄上目的層段反射橫向嚴(yán)重不均勻,甚至無(wú)反射。多種觀測(cè)方式的模擬結(jié)果均表明,無(wú)論采用多長(zhǎng)的排列也無(wú)法完整接收到二疊系的反射信息。

圖10 帶實(shí)際地表?xiàng)l件的鎮(zhèn)巴二維數(shù)值模型(a)及其射線追蹤模擬(b)和波動(dòng)方程模擬(c)記錄

射線路徑追蹤模擬表明,在同一炮檢距范圍內(nèi),不同地層反射點(diǎn)極為散亂,無(wú)規(guī)律可循,同一地層不同位置的反射可以同時(shí)達(dá)到(多路徑)。在同一激發(fā)-接收排列內(nèi),同一反射地層的反射點(diǎn)分布也是極度的不均勻,且愈到下伏地層,反射點(diǎn)愈不均勻。在上覆陸相構(gòu)造層起伏變化大,膏鹽巖層厚度及形態(tài)劇烈變化的條件下,即使主要目的層地質(zhì)體尺度按照2000～3000m的規(guī)模構(gòu)建模型,其正演結(jié)果仍說(shuō)明目前的地震觀測(cè)手段無(wú)法正確獲取地下主要地質(zhì)對(duì)象的完整信息。

5 認(rèn)識(shí)與建議

5.1 認(rèn)識(shí)

1) 鎮(zhèn)巴地區(qū)地震采集攻關(guān)取得的單炮記錄和時(shí)間域疊加資料在主要目的層段的地震反射信息均表現(xiàn)為短反射、繞射或回轉(zhuǎn)波特征。分析表明資料中反射、繞射、回轉(zhuǎn)波之間存在時(shí)空配置關(guān)系不完整的現(xiàn)象。目前的地震觀測(cè)結(jié)果預(yù)示鎮(zhèn)巴地區(qū)地下穩(wěn)定地質(zhì)體的尺度、規(guī)模偏小,已接近甚至小于地震可觀測(cè)的最低尺度。

2) 疊加資料以繞射、回轉(zhuǎn)、半支繞射為主,基本無(wú)水平反射,無(wú)論采用何種偏移處理技術(shù)手段,其成像結(jié)果必然只能呈現(xiàn)出一系列短促狀反射、孤立點(diǎn)反射或畫弧特征。而僅憑一些孤立的點(diǎn)反射和短促狀反射無(wú)法構(gòu)成穩(wěn)定、延續(xù)的地震反射界面。地質(zhì)研究表明,本區(qū)經(jīng)歷過(guò)多期次、多方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地表與地下地層改造變形嚴(yán)重,碳酸鹽巖地層斷裂、破碎更為嚴(yán)重。地震成像結(jié)果揭示海相地層斷裂發(fā)育、斷層斷距大、斷裂破碎區(qū)范圍大,穩(wěn)定地質(zhì)體小。目前地震資料的低信噪比特征應(yīng)該是地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的客觀反映。

3) 地震道集內(nèi)信息的不一致性及道集間信息的迅速變化,模型正演目的層反射點(diǎn)極為分散且無(wú)規(guī)律可循,說(shuō)明基于均勻水平層狀介質(zhì)假設(shè)和規(guī)則幾何關(guān)系分選道集的資料處理技術(shù)前提嚴(yán)重偏離實(shí)際情況,不能滿足鎮(zhèn)巴地區(qū)“雙復(fù)雜”條件下的地震成像要求。

5.2 建議

1) 基于目前獲得的地震資料波場(chǎng)不健全的問(wèn)題,應(yīng)在現(xiàn)有資料及研究認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上加強(qiáng)真實(shí)地表三維數(shù)值模型構(gòu)建和正演模擬分析,針對(duì)目的層進(jìn)行有效照明分析,尋找改善目的層觀測(cè)效果的有效技術(shù)對(duì)策。

2) 開(kāi)展正演模擬數(shù)據(jù)的成像處理試驗(yàn),尋找最佳成像處理方法技術(shù)和參數(shù),指導(dǎo)實(shí)際地震資料處理。在現(xiàn)有資料處理技術(shù)條件下,開(kāi)展地震數(shù)據(jù)疊前五維插值,通過(guò)室內(nèi)手段最大限度地提高數(shù)據(jù)空間采樣率,嘗試改善復(fù)雜小斷塊的資料成像效果;探索陸上復(fù)雜資料全波形反演技術(shù),尋求不依賴于常規(guī)預(yù)處理的速度建模方法,建立新的陸上復(fù)雜山地地震資料成像處理技術(shù)流程。

鎮(zhèn)巴地區(qū)地震勘探攻關(guān)從二維發(fā)展到三維,資料質(zhì)量雖不斷有所改進(jìn),但沒(méi)有根本性改變。實(shí)際資料分析、理論條件計(jì)算、簡(jiǎn)單模型模擬結(jié)果均表明,該地區(qū)海相地層斷裂發(fā)育,地層破碎嚴(yán)重,穩(wěn)定塊體尺度偏小。可以認(rèn)為,目前的三維地震攻關(guān)成果已經(jīng)基本反映了本地區(qū)真實(shí)的地下地質(zhì)特征。為加快鎮(zhèn)巴地區(qū)油氣勘探發(fā)現(xiàn)的進(jìn)程,為后續(xù)攻關(guān)研究提供更為準(zhǔn)確的信息,應(yīng)下定決心盡快實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)鉆探。

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