蘑菇狀火山巖模型的二維地震正演模擬分析

李東慶， 魏建新， 狄?guī)妥專(zhuān)?高 峰， 蘭曉光

( 1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 )

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蘑菇狀火山巖模型的二維地震正演模擬分析

李東慶1,2,3， 魏建新1,2,3， 狄?guī)妥?,2,3， 高 峰1,2,3， 蘭曉光1,2,3

( 1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 )

為了研究蘑菇狀火山巖儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征，根據(jù)地質(zhì)資料構(gòu)建蘑菇狀火山巖地質(zhì)模型，分別采用物理模擬和數(shù)值模擬方法對(duì)蘑菇狀火山巖模型進(jìn)行正演模擬。結(jié)果表明，蘑菇狀火山巖的地震響應(yīng)特征總體趨勢(shì)一致，即火山巖上部外形為蘑菇頭狀，與其結(jié)構(gòu)形態(tài)類(lèi)似；火山巖下部產(chǎn)生“蘑菇無(wú)根”現(xiàn)象，在細(xì)節(jié)上存在差異。物理模擬方法得到的地震波信息更加豐富，且在模擬過(guò)程中地震波的傳播方式更符合地下實(shí)際情況；數(shù)值模擬方法沒(méi)有噪音干擾，資料品質(zhì)好，且可以得到波場(chǎng)快照信息。兩種正演模擬方法具有互補(bǔ)性，為研究復(fù)雜地質(zhì)情況下的火山巖地震響應(yīng)特征提供更好的支持。

蘑菇狀火山巖； 物理模擬； 數(shù)值模擬； 地震響應(yīng)

0 引言

我國(guó)東部的松遼盆地和西部的準(zhǔn)噶爾盆地等深層油氣藏勘探成果表明，火山巖具有良好的油氣勘探前景，逐漸成為全球油氣勘探的重要領(lǐng)域，越來(lái)越受到油氣勘探界的重視[1-6]。火山巖儲(chǔ)層具有埋藏深、與地層接觸關(guān)系復(fù)雜多變、非均質(zhì)性強(qiáng)及速度高等特點(diǎn)，造成火山巖地震響應(yīng)特征復(fù)雜化，進(jìn)而給火山巖儲(chǔ)層的識(shí)別、預(yù)測(cè)及地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)帶來(lái)困難[7-9]。需要通過(guò)綜合地質(zhì)、鉆井、測(cè)井和地震等資料[10-12]，運(yùn)用地震反演等技術(shù)對(duì)火山巖的儲(chǔ)層信息進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述，而地震反演的基礎(chǔ)是地震正演模擬技術(shù)。采用地震正演模擬技術(shù)，研究火山巖的地震響應(yīng)特征可以減少地震反演的多解性，增加地震解釋的準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火山巖內(nèi)部機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確劃分與刻畫(huà)。因此，地震正演模擬技術(shù)在火山巖地震響應(yīng)及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究中的重要性日益凸顯[13-14]。

王建花等[15]認(rèn)為，由于火山巖往往作為高速異常體侵入地層，因此火山巖的存在可以引起能量屏蔽。毛小平等[16]、李素華等[17]采用波動(dòng)方程數(shù)值模擬方法，分別研究層狀和不同波阻抗組合條件下的火山巖理論模型的地震響應(yīng)特征，認(rèn)為火山巖的存在導(dǎo)致下伏地層的上翹，且對(duì)下伏地層成像具有屏蔽作用，進(jìn)而對(duì)地震解釋的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。蘇巍等引入非平穩(wěn)隨機(jī)介質(zhì)模型構(gòu)建方法，建立丘狀火山巖地質(zhì)模型，并采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行正演模擬，分析由淺至深各反射層及沉積相帶的地震反射特征，認(rèn)為火山體的頂、底界面振幅強(qiáng)弱及反射形態(tài)，與火山巖體的厚度和上、下圍巖的巖性組合有關(guān)[18]。黃林軍等利用Tesseral 2.5D正演軟件，對(duì)兩個(gè)不同密度和速度的層狀火山巖地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，論證火山巖儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征為連續(xù)低速?gòu)?qiáng)振幅反射，同時(shí)預(yù)測(cè)風(fēng)城組下部另一套火山巖儲(chǔ)層的存在[19]。

目前，有關(guān)火山巖儲(chǔ)層的正演模擬研究存在兩點(diǎn)不足：一是有關(guān)蘑菇狀火山巖的正演模擬研究較少，由于火山巖的噴發(fā)模式及噴發(fā)時(shí)期不同，使得火山巖的外部形態(tài)復(fù)雜多變，常見(jiàn)的外部形態(tài)有菱形、橢球形、丘形、蘑菇狀、層狀及楔狀等，其中蘑菇狀的火山巖按照地震相分類(lèi)的劃分屬于蘑菇狀地震相。通常蘑菇狀地震相的內(nèi)部及其上部的披覆構(gòu)造中易形成氣藏和油藏，是一種典型的火山巖油氣藏[14]，因此有必要對(duì)蘑菇狀火山巖進(jìn)行正演模擬，分析地震響應(yīng)特征，增強(qiáng)對(duì)蘑菇狀火山巖儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)。二是有關(guān)火山巖的正演模擬是基于地震數(shù)值模擬展開(kāi)的，缺少物理模擬研究。數(shù)值模擬常常受計(jì)算方法和假設(shè)條件的限制，使得正演模擬達(dá)不到理想效果，而地震物理模擬能較真實(shí)地模擬野外實(shí)際地質(zhì)情況，在地震勘探領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[20-27]。

筆者利用地質(zhì)資料，建立蘑菇狀火山巖地質(zhì)模型，分別進(jìn)行地震物理模擬和數(shù)值模擬；兩種正演模擬方法除了具有各自的優(yōu)勢(shì)外，還具有一定的互補(bǔ)性，將兩種技術(shù)結(jié)合可以更好地認(rèn)識(shí)蘑菇狀火山巖的地震響應(yīng)特征，為火山巖地震響應(yīng)特征的研究提供思路。

1 火山巖地質(zhì)模型

根據(jù)某火山巖地區(qū)地質(zhì)解釋、地震資料和測(cè)井資料等信息，構(gòu)建蘑菇狀火山巖地質(zhì)模型(見(jiàn)圖1)。該模型中火山巖的外部形態(tài)為蘑菇狀，火山通道與其圍巖之間夾角較大，近似垂直，蘑菇頭頂部上覆地層為白云巖，下伏地層為沉積砂礫巖。模型長(zhǎng)度為20.00 km，深度為9.08 km，每層的地震波速度和巖石密度參數(shù)見(jiàn)表1。由于物理模型的采集是在水槽中進(jìn)行的，將該模型的頂?shù)自O(shè)計(jì)為相應(yīng)厚度的水層。

圖1 蘑菇狀火山巖地質(zhì)模型Fig.1 Mushroom-shaped volcanic geological model

根據(jù)火山巖地質(zhì)模型，制作相應(yīng)的火山巖物理模型。由于物理模型在制作過(guò)程中受到制作材料特性的限制，使得制作的地層密度和速度參數(shù)不能完全與火山巖地質(zhì)模型中的密度和速度參數(shù)相同，需要通過(guò)一定的比例轉(zhuǎn)換后才能與地質(zhì)模型接近，最終確定物理模型與火山巖地質(zhì)模型的密度比為1∶1.61，速度比為1∶2，轉(zhuǎn)換前后的密度和速度參數(shù)見(jiàn)表1。蘑菇狀火山巖實(shí)物圖及制作完成的火山巖模型實(shí)物圖見(jiàn)圖2，物理模型的長(zhǎng)度和寬度為1 000.0 mm，高度為334.4 mm。根據(jù)物理模型參數(shù)，制作與其參數(shù)相同的數(shù)值模擬模型。

表1 火山巖地質(zhì)模型參數(shù)

圖2 蘑菇狀火山巖實(shí)物和物理模型Fig.2 The material object and physical model of mushroom-shaped volcanic rock

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 物理模擬

物理模型數(shù)據(jù)采集由高精度自動(dòng)定位采集系統(tǒng)完成。設(shè)計(jì)二維地震數(shù)據(jù)采集的觀測(cè)系統(tǒng)：?jiǎn)芜叿排?，?94炮，炮間距為80 m，每炮216道，道間距為40 m，最小偏移距為400 m，采樣間隔為2 ms，采用的震源子波是中心頻率約為230 kHz的多相位混合子波。

第80炮單炮的物理和數(shù)值模擬記錄見(jiàn)圖3(a)，可以看出物理模擬記錄中地震波信息豐富，除了直達(dá)波和一次反射波外含有大量的多次波，記錄上標(biāo)出各反射界面的同相軸，因?yàn)榇嬖诟咚倩鹕綆r體對(duì)下伏地層的屏蔽作用及多次波的干擾，反射界面很難在記錄中被準(zhǔn)確地分辨出來(lái)。單炮記錄產(chǎn)生多次波的原因是物理模擬數(shù)據(jù)采集是在水槽中完成的，模型頂部水層使得地震波從地下界面反射到水層后，有一部分波再次發(fā)生反射轉(zhuǎn)而向地下傳播，最終產(chǎn)生多次波。

圖3 第80炮單炮記錄的物理模擬和數(shù)值模擬記錄Fig.3 The 80th shot record of physical modeling data and numerical simulation data

多次波是一種干擾波，它與一次反射波互相干涉迭加，破壞有效波的識(shí)別和追蹤，進(jìn)而影響目的層的成像，因此需要對(duì)多次波進(jìn)行壓制。分別測(cè)試聚束、拉冬、F-K濾波等壓制多次波方法，結(jié)合物理模擬數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇拉冬濾波和內(nèi)切結(jié)合的方法對(duì)多次波進(jìn)行壓制，多次波衰減前、后速度譜見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，多次波衰減后的速度譜質(zhì)量明顯變好，能夠提高速度分析的精度。

圖4 多次波衰減速度譜及NMO道集Fig.4 The velocity spectrum and NMO trace set before and after multiple wave attenuation

2.2 數(shù)值模擬

采用WaveMOD二維正演模擬軟件對(duì)火山巖模型進(jìn)行數(shù)值模擬[28]。該軟件具有計(jì)算效率高、占用內(nèi)存小等特點(diǎn)，適用于非均勻介質(zhì)、復(fù)雜構(gòu)造及復(fù)雜巖性介質(zhì)的地震波場(chǎng)模擬。鑒于物理模型數(shù)據(jù)采集以縱波為主，數(shù)值模擬采用聲波方程模擬，其觀測(cè)系統(tǒng)與物理模擬的相同。綜合考慮模型的尺寸及計(jì)算效率，使用20 m網(wǎng)格對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，激發(fā)震源采用主頻為20 Hz的雷克子波。

第80炮單炮記錄見(jiàn)圖3(b)，在單炮記錄中標(biāo)出各反射界面的同相軸。與圖3(a)相比，各反射面上的同相軸位置基本相同，但在能量上有差別，直達(dá)波能量較強(qiáng)，在遠(yuǎn)偏移距處，物理模擬數(shù)據(jù)能量的衰減明顯比數(shù)值模擬的快。另外，數(shù)值模擬的地震波信息沒(méi)有物理模擬的豐富。

3 正演模擬結(jié)果

對(duì)物理模擬和數(shù)值模擬的地震記錄進(jìn)行常規(guī)資料處理，其處理流程基本一致，不同的是物理模擬數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多次波壓制處理；然后對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前時(shí)間偏移和疊前深度偏移成像，在成像過(guò)程中兩種數(shù)據(jù)的偏移參數(shù)也基本一致，成像剖面見(jiàn)圖5和圖6。在物理模擬和數(shù)值模擬偏移剖面上，蘑菇狀火山巖的反射特征整體上是一致的，火山巖上部外形為蘑菇頭狀，與其結(jié)構(gòu)形態(tài)類(lèi)似；火山巖下部通道在地震剖面上沒(méi)有得到相應(yīng)的反射特征，產(chǎn)生“蘑菇無(wú)根”的現(xiàn)象，但兩者反射特征在細(xì)節(jié)上存在一定的差異。

3.1 蘑菇頭邊界及內(nèi)部反射特征

蘑菇頭頂部邊界(見(jiàn)圖5和圖6中①)同相軸成像不清晰，并且同相軸連續(xù)性較差，原因是上覆地層與火山巖的波阻抗差異較小，反射因數(shù)為0.035 6。由第121炮(t=0.65 s)的波場(chǎng)快照(見(jiàn)圖7(a)中①)可以看出，蘑菇頭頂部的反射很弱，導(dǎo)致頂界面同相軸成像不清晰。相比蘑菇頭頂部的弱反射特征，蘑菇頭的兩個(gè)下側(cè)邊界(見(jiàn)圖5和圖6中②)同相軸能量很強(qiáng)，表現(xiàn)為連續(xù)性好、反射特征強(qiáng)，主要原因是蘑菇頭下伏地層與高速火山巖的波阻抗差異較大，使得同相軸振幅強(qiáng)度增強(qiáng)。由第121炮(t=0.75 s)的波場(chǎng)快照(見(jiàn)圖7(b)中①)可以看出，下側(cè)邊界的反射很強(qiáng)，是蘑菇狀火山巖外部形態(tài)識(shí)別的重要標(biāo)志，為地震層位標(biāo)定提供較好的依據(jù)。

圖5 物理模擬的疊前時(shí)間和疊前深度偏移剖面Fig.5 The prestack time and prestack depth migration section of physical modeling

蘑菇頭兩翼的上側(cè)邊界(見(jiàn)圖5和圖6中③)同相軸基本上未成像，原因是T5層和T6層的波阻抗差大而產(chǎn)生強(qiáng)反射，對(duì)下伏地層有屏蔽作用，影響地震波的向下傳播。由第121炮(t=0.65 s)的波場(chǎng)快照(見(jiàn)圖7(a)中②)可以看出，地震波沒(méi)有反射而影響邊界成像。當(dāng)?shù)卣鸩ɡ^續(xù)傳播，由第121炮(t=0.75 s)的波場(chǎng)快照(見(jiàn)圖7(b)中②)可以看出，地震波不再受上覆地層的屏蔽作用影響而產(chǎn)生反射。

火山巖上部即蘑菇頭部分，其內(nèi)部反射特征在偏移剖面上表現(xiàn)為明顯的空白反射(見(jiàn)圖5和圖6)，與正演模擬方法和成像方法無(wú)關(guān)，因此利用蘑菇頭頂部邊界的弱反射、下側(cè)邊界的強(qiáng)反射，以及蘑菇頭內(nèi)部的空白反射特征可以在地震剖面上確定火山巖上部的外部形態(tài)和空間展布。

3.2 下伏地層反射特征

在物理模擬和數(shù)值模擬的疊前時(shí)間偏移剖面上，火山巖底部的同相軸(見(jiàn)圖5(a)和圖6(a)中④)出現(xiàn)嚴(yán)重的上凸現(xiàn)象。原因是火山巖具有高速特性，使得下伏地層的反射波穿過(guò)火山巖體時(shí)反射旅行時(shí)變短，導(dǎo)致火山巖下伏地層的反射旅行時(shí)也變短。在兩個(gè)疊前深度偏移剖面(見(jiàn)圖5(b)和圖6(b))中未見(jiàn)到上凸現(xiàn)象，說(shuō)明上凸現(xiàn)象是由疊前時(shí)間偏移方法的固有缺點(diǎn)引起的。當(dāng)速度存在橫向劇烈變化或者高陡構(gòu)造時(shí)，疊前時(shí)間偏移繞射能量和反射能量不能準(zhǔn)確地聚焦和歸位，進(jìn)而產(chǎn)生上凸現(xiàn)象，因此在利用時(shí)間偏移結(jié)果對(duì)火成巖進(jìn)行解釋時(shí)，應(yīng)該注意剩余繞射對(duì)火山巖反射特征的影響。

3.3 蘑菇根部反射特征

在物理模擬和數(shù)值模擬的疊前深度偏移剖面上，火山巖的下部通道在地震剖面上產(chǎn)生“蘑菇無(wú)根”現(xiàn)象，但“蘑菇無(wú)根”現(xiàn)象的程度不同。在數(shù)值模擬的疊前時(shí)間和深度偏移剖面上，蘑菇根部表現(xiàn)為空白反射樣；在物理模擬的疊前時(shí)間偏移剖面上，蘑菇根的上部沒(méi)有反射，蘑菇根的下部出現(xiàn)的反射也無(wú)法與實(shí)際的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)；在物理模擬的疊前深度偏移剖面上，雖然沒(méi)有產(chǎn)生明顯的蘑菇根的反射特征，但可以看到與蘑菇根部的結(jié)構(gòu)特征對(duì)應(yīng)的異常反射(見(jiàn)圖5(b))。

對(duì)“蘑菇無(wú)根”現(xiàn)象進(jìn)行分析，選取第121炮(t=0.85、1.10 s)的波場(chǎng)快照(見(jiàn)圖7(c)、(d))。由圖7(c)、(d)可以看出，由于整個(gè)火山通道的構(gòu)造陡峭而近似垂直，從地震波開(kāi)始進(jìn)入火山通道到傳播到火山通道的底部時(shí)，火山通道內(nèi)接收到的地震波的能量很弱。另外，根據(jù)模型設(shè)計(jì)參數(shù)，火山通道與兩側(cè)的地層T8、T9的波阻抗差異很小，接觸面的反射因數(shù)分別為0.109 0和0.046 0；因此即使在火山通道內(nèi)可以接收到地震波傳來(lái)的能量，在火山通道的兩側(cè)邊界也很難有充足的反射。雖然通過(guò)疊前深度偏移成像可以有效地改善高陡構(gòu)造的成像問(wèn)題，但是火山通道與兩側(cè)地層的波阻抗差異很小，在數(shù)值模擬的剖面上經(jīng)過(guò)深度偏移處理也很難對(duì)蘑菇根部的構(gòu)造進(jìn)行成像。

此外，在模型制作和信號(hào)采集過(guò)程中，物理模擬可能給地震記錄帶來(lái)一些噪音，在進(jìn)行疊前時(shí)間偏移處理時(shí)噪音對(duì)蘑菇根部的成像產(chǎn)生影響。在物理模擬的疊前深度偏移剖面上，在蘑菇根部有明顯的異常反射特征，與數(shù)值模擬的疊前深度偏移剖面相比，兩個(gè)剖面在蘑菇根部有同樣的難以成像原因，但兩者反射特征有很大差異。因?yàn)槲锢砟M得到的二維地震記錄是從三維物理模型中采集到的，數(shù)值模擬得到的二維地震記錄是根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)波動(dòng)方程正演而得到的，即兩者地震波在地層接觸面處的傳播規(guī)律存在差異，前者更接近于野外的傳播方式，后者一般按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)條件進(jìn)行傳播，所以即使在構(gòu)造陡峭且波阻抗差異很小的情況下，在物理模擬的疊前深度偏移剖面上，也可以看到與實(shí)際火山巖結(jié)構(gòu)特征接近的異常反射。對(duì)于存在構(gòu)造陡峭且構(gòu)造與兩側(cè)地層之間的波阻抗差異比較小的地質(zhì)構(gòu)造，使用二維的數(shù)值模擬時(shí)得到的地震反射特征可能與實(shí)際的反射特征不符，即二維的數(shù)值模擬存在一定的局限性。這種情況下應(yīng)該使用三維正演模擬，或者根據(jù)三維模型進(jìn)行二維正演模擬，得到的反射特征才更真實(shí)可靠。

3.4 精度分析

為了對(duì)比物理模擬和數(shù)值模擬的精度，分別抽取火山巖體兩翼尖滅點(diǎn)處的CDP道集，火山巖成像的寬度分別為4.92 km和5.24 km，實(shí)際設(shè)計(jì)寬度為5.16 km，數(shù)值模擬的成像寬度更接近于實(shí)際寬度，還要考慮物理模型在制作過(guò)程中存在1 mm左右的誤差。因此，物理模擬的精度雖然沒(méi)有數(shù)值模擬的高，但也可以達(dá)到理想的精度。

4 結(jié)論

(1)對(duì)蘑菇狀的火山巖模型分別進(jìn)行地震物理模擬和數(shù)值模擬，其疊前時(shí)間和疊前深度偏移剖面上蘑菇頭邊界及內(nèi)部的反射特征基本一致，利用蘑菇頭頂部邊界的弱反射、下側(cè)邊界的強(qiáng)反射，以及蘑菇頭內(nèi)部的空白反射特征可以在地震剖面上初步確定蘑菇狀火山巖蘑菇頭的外部形態(tài)和空間展布。

(2)在疊前時(shí)間偏移剖面上，火山通道的下伏地層出現(xiàn)嚴(yán)重的上凸現(xiàn)象，與偏移成像方法有關(guān)，可以通過(guò)疊前深度偏移避免。在利用疊前時(shí)間偏移結(jié)果對(duì)火山巖進(jìn)行解釋時(shí)，需要注意剩余繞射對(duì)火山巖反射特征的影響。兩種模擬結(jié)果的偏移剖面上產(chǎn)生“蘑菇無(wú)根”的現(xiàn)象，但是“蘑菇無(wú)根”的程度及產(chǎn)生的原因并不全完相同。

(3)在一定情況下，二維的物理模擬相比二維的數(shù)值模擬能更真實(shí)地模擬地下情況，地震波信息也更加豐富。數(shù)值模擬的資料品質(zhì)好，并且可以利用波場(chǎng)信息進(jìn)一步解釋正演得到的地層反射特征。兩種模擬方法可以相互補(bǔ)充，在進(jìn)行火山巖的地震正演模擬時(shí)可以綜合運(yùn)用物理模擬和數(shù)值模擬。

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2016-08-03；編輯：任志平

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2016ZX05007-006)

李東慶(1988-)，男，博士研究生，主要從事地震物理模擬方面的研究。

TE19;P631.4

A

2095-4107(2016)05-0094-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.011