面向砂體的地震采集面元與偏移成像關(guān)系研究

劉 軍 史文英 支 玲 方中于 但志偉 張 璐

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部特普公司 廣東湛江 524057； 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

隨著海上油氣勘探的不斷深入，逐步由宏觀的構(gòu)造圈閉勘探轉(zhuǎn)向巖性地層圈閉勘探，油田工作者越來越關(guān)注地震偏移成像的品質(zhì)，尤其是在砂體邊界與疊置關(guān)系刻畫、地層分辨力和傾斜地層能量歸位等方面。其中高精度地震資料采集及處理技術(shù)逐漸受到重視，地震采集面元與偏移成像的關(guān)系成為近年來的重要研究課題[1]。中國海油圍繞我國近海油氣勘探開發(fā)的迫切需求，開展技術(shù)攻關(guān)，形成了具有特色的海上高密度地震勘探技術(shù)體系，為提高儲層描述精度提供了“四高”( 即高保真度、高信噪比、高分辨率、高成像精度)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。候蒿 等[3]指出，道間距的變化影響地震的偏移效果，主要體現(xiàn)在偏移數(shù)值解的穩(wěn)定性、假頻、頻散、分辨率、信噪比和視覺分辨率等方面。馬在田[4]從算法理論的角度對偏移剖面的假頻、頻散和橫向分辨力作了系統(tǒng)論述，證實偏移剖面上的假頻、橫向分辨力與地震采樣有關(guān)。研究表明，道間距過大，在地震高頻區(qū)域產(chǎn)生空間假頻信息[5]，使得大傾角反射信號失真[6]；在同等處理面元的情況下，小面元使疊加覆蓋次數(shù)提高，壓制高頻端隨機噪音，提高地震資料信噪比[7-9]。此外，狄?guī)妥?等[10]從物理模型正演的角度證實，對于平緩的地層界面，面元大小不影響地震成像的縱向分辨率，并指出減小面元可以提高橫向空間分辨率。因此，地震采集面元在一定程度上制約著偏移成像的質(zhì)量，而優(yōu)化采集面元可以從數(shù)據(jù)來源端提高地震資料的品質(zhì)，為巖性精細目標評價提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在已有采集面元與偏移成像關(guān)系的研究成果中，學者們大多集中于討論空間采樣與成像質(zhì)量的關(guān)系、如何防止假頻干擾以及提高地震分辨力等，而在采集面元對砂體、地層分辨力及傾斜地層等偏移成像的影響等方面缺乏論述。本文在理論分析的同時，建立了不同尺度與產(chǎn)狀的砂體模型，以彈性波動方程正演模擬不同采集面元的縱波地震成像結(jié)果，結(jié)合砂體、傾斜地層的成像質(zhì)量，討論了采集面元對偏移成像的影響。南海HZ油田實際資料驗證結(jié)果表明，高密度小面元采集具有高保真、高分辨率的偏移成像優(yōu)勢，能為高陡構(gòu)造評價及巖性油氣藏勘探開發(fā)提供可靠的基礎(chǔ)資料。

1 算法原理

侯嵩、馬在田 等[3-4]從算法原理的角度剖析，認為采集面元對偏移效果的影響主要體現(xiàn)在偏移算法的收斂性及穩(wěn)定性、頻散、假頻和分辨率等方面，其中偏移收斂性及穩(wěn)定性、頻散問題是與計算方法有關(guān)的，假頻和分辨率則與采集面元存在聯(lián)系。因此，本文圍繞砂體、傾斜地層的成像質(zhì)量問題，從假頻和分辨力這2方面展開論述。

空間假頻是制約地震信噪比及分辨力的主要因素之一，與采集面元大小有關(guān)。Lumley[11]指出，對于地震偏移而言，在數(shù)據(jù)體、算子和成像結(jié)果三個域內(nèi)都有可能出現(xiàn)空間假頻。假頻干擾與采集面元尺度、地層傾角和地震頻率均成正相關(guān)。馬在田[4]基于時間采樣原理的角度探討了空間采樣與假頻的關(guān)系，與Lumley[11]的觀點保持一致，同時詳細論述了空間采樣對偏移剖面上的頻散和橫向分辨力的影響。文中提及的空間采樣是指與采集面元相關(guān)的二維、三維地理位置關(guān)系的采樣?？臻g采樣間隔小，則采集面元小。

1.1 采集面元與假頻的關(guān)系

馬在田[4]認為，地震的空間采樣與數(shù)字信號的時間采樣原則一致，在不滿足采樣定理的情況下，均會發(fā)生信號的折疊，從而產(chǎn)生假頻，并與地層傾角、區(qū)域速度和道間距有關(guān)。

將采樣定律推廣至地震采集函數(shù)即二維連續(xù)函數(shù)中φ(x,t)，以采樣間隔Δx、Δt得到離散函數(shù)φ(jΔx,nΔt)(其中j和n為非零自然數(shù))，滿足下式即可避免產(chǎn)生假頻。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：x為距離；t為時間；fN為尼奎斯特頻率；kx為X軸方向線波數(shù)。

波傳播過程中，假設(shè)波前是平面(圖1)，在X軸方向的采樣應(yīng)滿足

(3)

圖1 地震波的傳播與采樣的關(guān)系

式(3)中：υ為地震傳播的波速；θ為地震波的入射角。

當θ=90°，地震波沿地表傳播，X方向的采樣間隔Δx至少要小于時間方向的采樣間隔。

若θmax為最大地層傾角，要想在偏移剖面上不出現(xiàn)假頻，式(3)應(yīng)滿足

(4)

(5)

(6)

若Δx和地層傾角固定，求取地震頻率fm，當滿足下式時，fm被稱為最高無混疊頻率[12]:

(7)

由此可知，當?shù)貙铀俣群愣ǎ兕l與采集面元、地震有效頻率和地層傾角有關(guān)。為避免假頻干擾，采集面元的選取須考慮地震有效頻率及地層傾角的大小。

1.2 采集面元與橫向分辨力的關(guān)系

地震分辨力表現(xiàn)為地震波場對地質(zhì)體空間幾何尺寸大小和彈性特征差異的反應(yīng)敏感性[13]，是分離2個十分靠近的物體的能力，通常用距離來表示[14]。而橫向分辨力是指在水平方向上區(qū)分2個相鄰地質(zhì)體的能力。偏移剖面是將炮點和檢波點都延拓到反射界面，偏移后菲涅耳帶的半徑為1/4地震波波長。因此，理想的地震橫向分辨力等同于1/4波長[15]。地震分辨力受空間采樣率、偏移半徑、偏移速度精度、偏移方法的頻散、地震資料信噪比、子波形態(tài)與波譜等因素的影響。當空間采樣率足夠時，空間繞射波得到準確歸位，剖面成像清晰，則剖面分辨力提高。

馬在田[4]從反褶積的角度看待偏移成像的問題，剖析采樣間隔與橫向分辨力的關(guān)系。設(shè)二維地震偏移的算子為f(x,t)，空間傳播脈沖響應(yīng)為ω(x,t)，二者褶積等于單位脈沖，即

f(x,t)ω(x,t)=δ(x)

(8)

轉(zhuǎn)換至頻率-波數(shù)域，為

(9)

式(9)中：k為頻率；kx為波數(shù)。

考慮到實際偏移算法無法滿足完全補償傳播效應(yīng)，則式(9)可變?yōu)?/p>

(10)

(11)

而根據(jù)空間采樣定理

|kx|≤0.5Δx

(12)

受空間采樣限制和假頻的影響，取

|kx|≤kmax=kM

(13)

則

(14)

因此，若空間采樣間距Δx增大，kM值減小，則橫向分辨力降低。當?shù)卣鸩蓸訚M足時間采樣定理時，減小采集面元，在一定程度上可提高偏移剖面的橫向分辨力。

2 模型算例

在不同采集面元條件下，基于波動方程的正演是分析采集面元與地震響應(yīng)關(guān)系的有效手段，有利于避開地震激發(fā)條件、采集環(huán)境的不同對實驗結(jié)果造成的影響，具有一定指導(dǎo)意義。

2.1 地質(zhì)模型建立

根據(jù)南海珠江口盆地HZ工區(qū)已鉆井數(shù)據(jù)統(tǒng)計正演模型的彈性參數(shù)(表1)，結(jié)合砂體的疊置關(guān)系及尖滅點刻畫、地層分辨力和陡傾角地層研究等問題，基于偏移成像最高無混疊頻率(式(6))，設(shè)計正演模型(圖2)及相應(yīng)的地震采集參數(shù)(表2)。

表1 HZ工區(qū)鉆井統(tǒng)計的模型彈性參數(shù)

圖2 HZ工區(qū)地質(zhì)模型示意圖與褶積正演剖面

道間距/m不同傾角下的頻率/Hz5°10°15°20°30°45°12 51606806541409280198258034032702051409950402202135102705010020110168513525

采用45 Hz主頻的雷克子波正演，子波長度(波長)為73.3 m。根據(jù)表2的道間距與角度、地震頻率的關(guān)系，設(shè)計4組砂體模型(圖2a)，模型參數(shù)分別為：①砂體間隙與寬度為2倍波長，4個砂體的厚度分別為1/4、1/2、1和2倍波長距離；②砂體厚度與寬度為2倍波長，砂體間隙分別為2倍、1倍、1/2、1/4波長距離；③砂體厚度與間隙為2倍波長，砂體寬度分別為2倍、1倍、1/2、1/4波長距離；④砂體厚度不變，砂體傾角以45°、30°、20°和10°逐漸遞減。圖2b為正演褶積模型，代表在滿足橫向空間采樣情況下獲得的理想剖面，不同厚度、間距、寬度和傾角的砂體均清晰可見。

2.2 假頻問題

圖3 不同主頻子波正演的偏移前疊加剖面、F-K譜及模型局部偏移剖面

由前文的理論分析可得，采樣間距不滿足空間采樣條件時，無論是疊加剖面還是偏移剖面，均會產(chǎn)生假頻。本文以模型正演分析假頻現(xiàn)象，進而正確認識與采集面元設(shè)計相關(guān)的因素。采用不同主頻的子波正演并以25 m CDP間距采集和處理(圖3)，結(jié)果表明：①空間假頻在F-K譜上表現(xiàn)為頻率域的折疊信號；②當存在假頻現(xiàn)象時，地震有效軸的能量損失、連續(xù)性下降。結(jié)合表2可知，45°的傾斜地層在25 m CDP間距的面元條件下，偏移成像最高無混疊頻率為50 Hz；隨地層傾角變小，最高無混疊頻率增大。結(jié)合圖3可知，當?shù)卣鹬黝l為30 Hz，有效頻率低于50 Hz，25 m CDP間距的面元滿足不同產(chǎn)狀地層的成像要求；當有效頻率提高時，地層連續(xù)性明顯下降，并以陡傾角信號(如繞射弧、傾斜地層等)最先受到破壞，說明相同的采集面元已無法滿足同一模型、高頻率地震的成像。這從側(cè)面證實了要想保證砂體偏移成像的質(zhì)量，采集面元的設(shè)計應(yīng)同時與地層的傾角、地震有效頻率相結(jié)合。

2.3 地震分辨力

文中設(shè)計的前3組砂體最小厚度、間距與寬度均是45 Hz主頻雷克子波的1/4波長(18.3 m)。在不同CDP間距下，以45 Hz主頻的子波正演取得地震偏移剖面(圖4)。由圖4可見，不同采集面元條件下，單個砂體成像厚度不發(fā)生改變，縱向分辨力不受影響；隨CDP間距的增大，地震橫向分辨力下降，砂體間距的識別能力變差：在CDP間距為6.25 m的偏移剖面中，18.3 m的砂體間隙(箭頭處)成像清晰；但對應(yīng)到CDP間距為12.5 m的偏移剖面，該砂體間隙成像距離變?。辉贑DP間距為25 m的偏移剖面，該間隙難以識別，甚至其兩側(cè)砂體形態(tài)呈粘連狀態(tài)。

當儲層下方發(fā)育強反射地層，采用大尺度面元正演的偏移剖面存在特殊噪音干擾(圖5)?？v觀單個砂體組合，隨采集面元的增大，砂體縱向分辨力不受影響，但橫向分辨力下降。由于強反射層的存在，大面元采集下的偏移剖面強反射地層繞射能量無法疊加相消，出現(xiàn)水平狀規(guī)則噪音。對砂體局部放大顯示，規(guī)則噪音改變砂體成像的形態(tài)，砂體頂界面發(fā)生明顯形變。與圖4相比，由于規(guī)則噪音的存在，加劇了地震橫向分辨力的下降，25 m CDP間距剖面18.3 m的砂體間隙已無法有效識別。

由此可見，采集面元不影響砂體成像的縱向分辨力，但影響其橫向分辨力。當儲層下方存在強反射地層時，空間采樣不足將導(dǎo)致偏移繞射能量無法疊加相消，更加劇降低地震橫向分辨力。

2.4 反假頻算子影響

小采集面元可以避免空間采樣不足產(chǎn)生的假頻干擾現(xiàn)象，同時在反假頻處理中能保護地震繞射弧的陡傾角高頻信號。在討論反假頻算子影響之前，分析高頻信號對地震成像分辨力的重要性。圖6為圖2中第2組砂體模型及其不同主頻子波彈性波動方程正演的偏移剖面，其中砂體間隙分別為146.7、 73.3、36.7和18.3 m。

對比不同主頻子波的正演結(jié)果，其地震橫向分辨力與垂向分辨力變化趨勢一致：25 Hz主頻砂體間隙識別能力較差，砂體呈粘連狀態(tài)；隨主頻的提高，砂體成像更加清晰，縱向及橫向分辨力提高(圖6)。這說明，地震信號的頻率不僅影響砂體垂向分辨力，同時影響其橫向分辨力。

Lumley[11]認為，當偏移道集空間采樣不足產(chǎn)生假頻，對地震道數(shù)據(jù)進行局部低通濾波，沿著偏移算子軌跡求和的地震道采樣滿足尼奎斯特定律時，可以避免假頻干擾，據(jù)此提出了基于Z變換的高精度反假頻濾波算法：三角形濾波。

反假頻濾波是低通濾波的過程，以壓制高頻端的假頻信號來提高地震資料的信噪比。在空間采樣不足的地震信號上應(yīng)用反假頻濾波算子，假頻現(xiàn)象受到壓制。圖7基于各向同性的彎曲射線Kirchhoff積分疊前時間偏移方法實現(xiàn)偏移歸位，應(yīng)用三角形濾波算子壓制假頻。濾波算子強度分為0～5，0代表不做假頻衰減，5代表最大假頻衰減；算子數(shù)值越高代表對地震高頻部分衰減強度越大。由圖7可以看出，隨著算子強度的增大，繞射弧的陡傾角信號能量減弱越明顯；反假頻算子越強，地震高頻能量衰減越嚴重，地震主頻及有效頻率越低，說明反假頻將降低偏移剖面的地震分辨力。

由偏移過程可知，砂體邊界、傾斜界面等特殊邊界的地震成像往往來自于繞射弧陡傾角能量的疊加。當采用反假濾波算子處理后，繞射弧陡傾角能量受壓制，砂體邊界及傾斜界面能量將受損。以模型正演進行論證，對不同采集面元的地震應(yīng)用反假頻處理(圖8)。由圖8可以看出，隨反假頻算子強度的增大，大尺度采集面元砂體邊界成像模糊，獨立砂體呈粘連狀態(tài)，砂體橫向分辨力明顯下降，陡傾地層能量嚴重受損，甚至無法成像。但值得注意的是，小尺度面元偏移剖面受反假頻影響相對較小，雖然傾斜地層能量有所減弱，但砂體橫向分辨力幾乎不改變。由此說明，小面元采集能保護砂體邊界及傾斜地層的陡傾角高頻繞射信號，將有利于高陡構(gòu)造、巖性圈閉成像。

圖4 不同CDP間距正演偏移剖面

圖5 帶強反射地層的正演模型及其不同CDP間距的偏移剖面

圖6 砂體模型及不同主頻正演的偏移剖面

圖7 不同強度反假頻算子的地震偏移剖面及其頻譜曲線

圖8 不同面元及反假頻算子強度的偏移剖面

3 實際地震采集

南海珠江口盆地HZ油田新近系珠江組縱向上發(fā)育多個凝析氣藏和油藏，其中K22凝析氣藏儲層是三角洲前緣砂被潮汐和波浪改造形成的條帶狀砂[16-18]，砂體呈北東—南西向展布，為巖性-構(gòu)造復(fù)合油氣藏。鉆井證實，K22砂體為多套相互獨立砂體，具有獨立的油水系統(tǒng)，但受老資料垂直于K22砂體走向的采樣間隔(50 m)限制，地震分辨力低，目標疊置關(guān)系、巖性尖滅線難以落實，造成勘探風險難以評估。經(jīng)采集設(shè)計及正演論證，小面元采集將有利于提高砂體成像的橫向分辨力和砂體尖滅線識別的能力。因此，在HZ油田區(qū)以加密采集面元、調(diào)整采集方向等方式進行了2次三維高密度地震資料采集，采集面元由50 m×6.25 m調(diào)整為6.25 m×12.5 m，即垂直于砂體方向采集間隔為6.25 m。相比老資料，相同處理流程下的高密度資料的斷層及地層接觸關(guān)系更清楚，分辨力更高，圖9中箭頭所示的K22砂體尖滅點清晰可靠。高密度采集數(shù)據(jù)為K22砂體精細評價提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，由此調(diào)整了新評價方案，推動了巖性油藏的精準勘探。

圖9 不同采集面元地震資料的成像剖面

沿K22地層提取靶區(qū)新、老資料均方根振幅(圖10)，強振幅代表砂體展布范圍。老資料由于空間采集不均，存在明顯采集腳印，信噪比低，導(dǎo)致K22砂體邊界輪廓模糊；新資料K22砂體及斷層平面展布清楚，砂體輪廓更清晰，如箭頭所示。以K油藏為例，老資料的K油藏內(nèi)、外圈閉面積為7.3、12.9 km2，而基于新資料重新落實K22砂體邊界后，K油藏內(nèi)、外圈閉面積確定為8.5、17.1 km2。高密度采集資料為K22油藏評價提供了可靠和高分辨率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖10 不同采集面元的均方根振幅屬性

圖11 HZ工區(qū)不同面元的地震成像剖面

為排除新老資料受采集年度、采集方向等其他因素的影響，對高密采集的疊前道集進行電纜和檢波點方向的數(shù)據(jù)抽稀及偏移處理(圖11)。其中圖11a為高密采集原始成像剖面，圖11b、c為高密采集資料經(jīng)甩纜和甩道后成像剖面。由圖11可以看出：高密度資料中的h砂體內(nèi)部不連續(xù)，e、f及g砂體為疊置關(guān)系，且砂體g左側(cè)尖滅于f下方。面元抽稀后，隨面元的增大，h砂體內(nèi)部細節(jié)丟失，e、f的關(guān)系由疊置變?yōu)槠叫?，g砂體西側(cè)尖滅不清楚，存在與下伏地層連通的風險。對比結(jié)果顯示，小面元資料能更準確反映砂體展布、疊置關(guān)系及尖滅位置。

從新資料過井剖面(圖12)看，K22砂體在橫向展布穩(wěn)定，砂體尖滅清楚，且與西區(qū)、主區(qū)等多口已鉆井砂體厚度吻合。在新資料的基礎(chǔ)上，對K22目標砂體進行多屬性聚類分析，完成儲層預(yù)測及砂體雕刻等工作，并在主區(qū)右側(cè)設(shè)置1S-A評價井(圖12)。1S-A井在K22砂體成功鉆遇16 m厚油層，證實高密采集地震能為砂體精細刻畫、儲層預(yù)測、含油氣性分析等工作提供資料保障，推動了油田區(qū)巖性油藏的勘探評價及開發(fā)。

HZ油田區(qū)的滾動勘探成果表明，常規(guī)采集面元地震分辨力有限，較難滿足精細的巖性圈閉目標評價，而小面元采集資料具有高信噪比、砂體疊置關(guān)系及邊界刻畫清楚的成像優(yōu)勢，能有效落實砂體邊界、局部孤立巖性油氣藏刻畫等高分辨率地震成像的問題。

圖12 高密度采集資料的油藏解釋成果

4 結(jié)論

1) 從算法原理分析，采集面元影響偏移剖面的假頻及橫向分辨力。減小采集面元在一定程度上可提高偏移剖面橫向分辨力，同時為了避免假頻，采集面元的設(shè)計應(yīng)同時考慮地震有效頻率及地層傾角的大小。

2) 當采集面元不滿足空間采樣條件時，將產(chǎn)生假頻現(xiàn)象，并隨地震有效頻率的提高而加劇，影響砂體邊界、傾斜地層的準確成像；另外，空間采樣不足會降低地震橫向分辨率，若目標砂體下方發(fā)育強反射地層，繞射能量將無法疊加相消，橫向分辨力將進一步降低。

3) 反假頻處理可以壓制假頻干擾，但會影響成像剖面的橫向分辨力。小面元采集能保護砂體邊界及傾斜地層的陡傾角高頻繞射信號，對砂體邊界刻畫、傾斜地層歸位具有優(yōu)勢，有利于高陡構(gòu)造、巖性圈閉成像。

4) 實際地震采集結(jié)論與正演結(jié)果相一致，小面元采集在砂體疊置關(guān)系及其邊界刻畫等方面成像質(zhì)量提高，有利于巖性油氣藏精細評價。

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