海上時移地震關(guān)鍵技術(shù)研究與應用*

朱振宇 王小六 何洋洋 桑淑云 李麗霞 劉志鵬 陳劍軍

（中海油研究總院有限責任公司 北京 100028）

隨著地球物理技術(shù)的發(fā)展，基于時間延遲的地球物理探測技術(shù)已經(jīng)成為觀測、監(jiān)測、驗證和預測復雜地下油氣藏變化的有力手段［1］。時移地震技術(shù)源于20世紀70年代中期，該技術(shù)利用同一地方不同時間采集的兩次地震資料的差異來識別地下油藏的信息，通常用來判定剩余油的分布，描述注入開采流體的前緣，指示滲透率的橫向變化，刻畫斷層的封堵能力等，從而優(yōu)化開發(fā)井的部署和開采設(shè)備的設(shè)計，最大程度地提高油田的采出程度，延長油田的生命周期。隨著時移地震技術(shù)的廣泛應用，它已成為油田的技術(shù)主流，而且與陸地相比，在海上更適合開展時移地震技術(shù)的應用，如挪威國家石油公司海上75%以上的油田都開展了時移地震研究或?qū)嵤┕ぷ?，并見到了較好的市場應用效果和經(jīng)濟效益［2］。

時移地震數(shù)據(jù)采集目前由間隔性的拖纜地震數(shù)據(jù)采集向數(shù)據(jù)采集頻次更高的海底電纜、OBN等連續(xù)性采集方式以及更穩(wěn)定的光纖檢波器發(fā)展［3］，利用稀疏隨機采樣來恢復完整觀測信息的壓縮感知采集技術(shù)將極大地降低時移地震采集的成本［4-5］。時移地震處理已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)海底電纜或海底節(jié)點地震資料與常規(guī)拖纜地震資料的一致性處理［6］。時移地震資料處理需要考慮兩次或者多次地震資料的一致性，如兩次潮汐引起的基準面差異等［7］。聯(lián)合兩次地震資料可以提高成像的質(zhì)量，如時移地震速度分析利用兩次數(shù)據(jù)的差異作為約束，將有效提高速度反演的精度［8-9］。時移地震解釋利用更加魯棒的地震時差［10］來估計開采造成的地層變形，刻畫油藏的變化情況等?；跁r移地震差異的直接阻抗反演方法，可以簡化反演的過程，提高時移地震反演的精度［11］。時移地震的信號差異主要由地下油藏的含油飽和度變化和壓力變化引起，建立常規(guī)三維及四維地震屬性和油藏參數(shù)之間的映射關(guān)系可以實現(xiàn)兩者的定量預測［12］，而機器學習方法展示出解決復雜地質(zhì)條件問題以及時移地震疊前疊后大數(shù)據(jù)多屬性處理的能力［13］。

與國際相比，國內(nèi)在時移地震的實際應用方面存在明顯差距，目前時移地震還未達到工業(yè)化應用的程度。中國海油“十五”期間在時移地震可行性分析、地震互均衡處理技術(shù)以及綜合解釋技術(shù)等方面開展了系統(tǒng)研究，并先后在綏中36-1［14］、東方1-1［15］、潿洲12-1等油氣田開展了時移地震技術(shù)的應用試驗。2008年，開展了中國近海在生產(chǎn)油氣田的時移地震可行性分析研究［16］。2013年，在珠江口盆地西江24-1油田開展了時移地震技術(shù)應用，剩余油預測結(jié)果為開發(fā)井的井位部署提供了有力支撐［17］。

本文以珠江口盆地西江24-1油田為例，介紹了海上時移地震可行性分析以及時移地震資料采集、處理、解釋等關(guān)鍵技術(shù)及其應用成效。基于時移地震的西江24-1油田剩余油預測結(jié)果與新鉆井結(jié)果吻合良好，證實了海上時移地震技術(shù)的有效性。

1 時移地震可行性分析

時移地震可行性分析就是考察什么樣的油藏才能實施時移地震，這主要看該油藏性質(zhì)變化是否足以產(chǎn)生現(xiàn)有地震觀測系統(tǒng)可以觀測到的顯著差異。時移地震可行性分析包括技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面，主要包括油藏地質(zhì)條件分析、巖石物理條件分析和地震條件分析。

1.1 油藏地質(zhì)條件分析

西江24-1油田位于我國南海珠江口盆地北部坳陷帶惠州凹陷南緣，為低幅度構(gòu)造油藏，儲層為三角洲平原和三角洲前緣沉積，橫向分布連續(xù)性好。該油區(qū)范圍內(nèi)無斷層發(fā)育，儲層孔隙度15%～25%，滲透率50～500 mD，屬中—高孔滲［18］。

西江24-1油田儲層的溶解氣油比低，為1.099～1.407 m3／m3，飽和壓力為0.45～0.63 MPa，相比油藏的孔隙壓力而言，泡點很低，不會有氣體溢出，故后續(xù)可以只分析油水相對變化對時移地震信號的影響。油藏具有很強的天然能量，壓力能基本保持恒定，故時移地震信號的變化主要來自含油飽和度的變化。

1.2 巖石物理條件分析

巖石骨架條件和流體條件是時移地震巖石物理分析的重要因素。低骨架彈性特征是時移地震應用的首位必要條件［19］，干巖石體積模量是描述骨架條件的重要參數(shù)，具有低骨架彈性特征的巖石孔隙流體改變能引起地震特征的明顯變化?？紫读黧w壓縮系數(shù)的明顯差異是時移地震應用的第二位必要條件，壓縮系數(shù)的明顯差異通過速度和密度的改變反映到地震特征的變化上。

圖1是西江24-1油田巖石骨架及流體參數(shù)與其他油田的計算結(jié)果對比。油田A（圖1a）具有目標層淺和重油的特征，目標層段干巖石體積模量平均為5.29 GPa，流體體積模量平均為1.86 GPa；油田B（圖1b）具有目標層深和輕油的特征，干巖石體積模量平均為17.18 GPa，流體體積模量平均為0.82 GPa；西江24-1油田（圖1c）巖石骨架體積模量平均為16.57 GPa，表明該油田巖石骨架具有一定的成巖作用，儲層流體體積模量平均為1.43 GPa，性質(zhì)中等。

圖1 時移地震巖石骨架及流體參數(shù)計算結(jié)果對比Fig.1 Comparison of time-lapse rock matrix and fluid parameter calculation results

1.3 地震條件分析

油藏開發(fā)引起3%～5%的阻抗變化是時移地震可識別的門檻值。時移地震差異預測要在時移地震采集前進行數(shù)值模擬，通常是基于Gassmann方程，通過等間隔含油飽和度變化開展流體替換模擬，流體替換結(jié)果顯示出水驅(qū)油前后的縱波速度變化，再結(jié)合密度計算結(jié)果，進一步計算不同含油飽和度變化狀態(tài)下的阻抗變化值。

基于測井數(shù)據(jù)的地震響應模擬是時移地震可行性分析的常用手段，但其無法反映油藏的空間變化。為進一步提高西江24-1油田的時移地震可行性評價精度，引入基于油藏數(shù)模的三維時移地震模擬，充分利用油藏動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)建立地質(zhì)模型和油藏數(shù)值模型，進一步估算不同開發(fā)階段的彈性參數(shù)變化。通過三維正演模擬得到了開發(fā)前后的地震記錄（圖2a、b），并計算了振幅差異和目的層沿層波阻抗差異數(shù)據(jù)（圖2c、d）。西江24-1油田主要產(chǎn)層的波阻抗差異達到了6%以上，高于可監(jiān)測門檻值，表明西江24-1油田具備開展時移地震應用的條件。

2 時移地震資料采集

時移地震資料采集的一致性越高，時移地震數(shù)據(jù)差異的可解釋性越強。地震采集的方向與航向、炮檢距、拖纜羽角、炮點及檢波點深度、檢波器耦合、由于平臺等障礙物引起的覆蓋次數(shù)差異、海平面、海況、涌浪噪音、海水溫度及含鹽度等因素都會對時移地震采集的一致性產(chǎn)生影響［20］，因此優(yōu)化時移地震基數(shù)據(jù)的采集航線設(shè)計、平臺作業(yè)區(qū)采用雙船方式進行補炮作業(yè)、控制地震拖纜的羽角保持一致、實施時移地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的高冗余度采集等方式都是提高時移地震采集一致性的有力手段。

西江24-1油田以2003年4纜采集的三維地震數(shù)據(jù)為基數(shù)據(jù)，在2013年開展了10纜時移地震三維監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集（圖3），采集過程中最大限度地采用了和基數(shù)據(jù)基本一致的采集參數(shù)（表1）。利用2013年地震資料監(jiān)測數(shù)據(jù)的高冗余度，在處理過程中可以選取與2003年4纜基數(shù)據(jù)采集中最一致的地震道信息，進一步提高兩次地震資料的一致性［21］。

圖2 西江24-1油田基于油藏數(shù)模的三維時移地震流體替換模擬Fig.2 XJ24-1 oilfield 3D time-lapse fluid substitution modeling based on reservoir numerical simulation

圖3 西江24-1油田時移地震數(shù)據(jù)冗余采集設(shè)計Fig.3 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic redundancy acquisition design

表1 西江24-1油田時移地震采集參數(shù)Table1 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic acquisition parameters

3 時移地震資料處理

3.1 疊前一致性處理

時移地震資料處理是兩次或者多次地震資料協(xié)同處理的過程。西江24-1油田時移地震疊前一致性處理除了包含常規(guī)的保幅處理方法外，還增加了潮汐校正、船速校正、子波匹配、一致性抽取、針對相位Q補償?shù)柔槍π缘年P(guān)鍵處理手段，最大程度地保持兩次地震數(shù)據(jù)的一致性，進而建立起優(yōu)化的時移地震處理流程（圖4）。

母液循環(huán)套用時，作為起催化作用的甲醇鈉不加或者減少加入量是否對產(chǎn)品的收率有一定的影響？在保持其他反應條件不變的前提下，逐步增加甲醇鈉的量，觀察收率與含量的變化，如表4所示。

圖4 西江24-1油田時移地震一致性處理流程Fig.4 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic co-processing workflow

1）潮汐校正。時移地震潮汐校正是消除兩次地震資料每條航線由于潮汐的周期變化引起的地震波傳播走時的差異，利用工區(qū)潮汐表給出的潮差進行校正。潮汐表潮差目前給出的都是整點數(shù)據(jù)，將整點數(shù)據(jù)通過插值精確得到每一炮點的潮差，進而可以基于單炮進行消除［22］。盡管西江24-1油田工區(qū)內(nèi)的潮汐量較小，但是經(jīng)過潮汐校正處理后，剖面橫向局部同相軸連續(xù)性變好，校正前后歸一化均方根振幅（NRMS）值由0.5123變?yōu)?.5049，表明兩次地震資料的一致性增強。

2）船速校正。海上拖纜地震數(shù)據(jù)采集時，采集船的移動會使接收電纜隨之移動，采集過程中發(fā)生的接收點位移會使成像剖面產(chǎn)生與采集船航向相反的偏離［23］，這種檢波點位置的差異會隨著水深和偏移距的增加而增加。在船速校正過程中，利用樣條插值、f-k插值等方法計算船速校正后的地震信號，有效消除了兩次地震資料由于采集船的移動引起的檢波器的位置差異，西江24-1油田船速校正前后NRMS值由0.5049變?yōu)?.5030。

3）子波匹配。震源氣槍陣列單槍類型、單槍容量及陣列布局的差異，震源及檢波器沉放深度的差異，以及海況的不同都會引起震源子波的形態(tài)、主峰值、峰峰值以及震源子波頻譜的差異。針對兩次資料采集地震震源參數(shù)不同的問題，通過震源子波的匹配，提高時移地震采集地震子波能量、相位及頻率的一致性。以單次地震子波為標準，構(gòu)建濾波器，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和基數(shù)據(jù)的子波匹配。西江24-1油田子波匹配前后NRMS值由0.503變?yōu)?.492。

4）一致性抽取（道編輯）。時移地震兩次采集觀測系統(tǒng)、采集參數(shù)的不同會導致采集面元地震信息的差異，通過確定一致性抽取準則進行面元內(nèi)相同地震道的選擇和不一致地震道的去除，可以獲得最匹配的面元地震道。西江24-1油田基于2013年10纜地震資料采集的高冗余度，選取與2003年4纜地震資料中一致性的地震信息，抽取過程中考慮的一致性因素有炮點位置、檢波點位置、面元中心點位置、方位角大小和采集方向等因素，實現(xiàn)了一對一的面元和一對九的面元抽取方法［24］，面元一致性處理后同一面元內(nèi)的兩次地震數(shù)據(jù)的炮檢點位置差異更小，偏移距（如圖5a、b）和方位角（如圖5c、d）的分布更均一，NRMS值由0.477 0變?yōu)?.465 3。

5）針對相位Q補償。如果兩次地震資料的主頻不同，大地吸收導致的地震相速度的差異會引起地震相位的改變。針對相位的吸收補償技術(shù)，在特定衰減模型的基礎(chǔ)上通過反演實現(xiàn)相位衰減補償，可以有效消除兩次地震資料由于大地吸收引起的地震信號的相位差異，該項技術(shù)可以用于疊后進行相位校正。基于反Q濾波的相位校正技術(shù)是通過求取地下介質(zhì)Q值模型，從Futterman黏彈介質(zhì)吸收衰減頻散方程出發(fā)，反推出只含相位校正的公式，此方法與Stolt偏移相似，采用級聯(lián)常Q補償?shù)姆椒?，開時窗逐級向下計算，每次補償Q值的一段。西江24-1油田相位Q補償前后NRMS值由0.466 8變?yōu)?.454 0。

6）疊后匹配濾波處理。通常海上地震數(shù)據(jù)振幅變化超過2%或者地震頻帶中的任何頻率成分的相位變化超過10°，都需要進行全局匹配濾波處理［25］。疊后匹配處理依次進行能量匹配、頻率匹配、時差校正和匹配濾波處理［26］。匹配濾波處理進一步消除了非油藏變化因素帶來的時移地震資料的差異，使得油藏范圍內(nèi)的地震差異更突出。在匹配濾波過程中選取全區(qū)穩(wěn)定的標志層為參考數(shù)據(jù)，把標志層段的同相軸子波進行系統(tǒng)地匹配校正，然后把濾波算子應用到油藏變化范圍內(nèi)。西江24-1油田疊后匹配濾波處理前后NRMS值由0.454變?yōu)?.090。

圖5 西江24-1油田時移地震一致性抽取前后偏移距和方位角對比Fig.5 XJ24-1 oilfield offset and azimuth comparison before and after time-lapse co-extraction

圖6 展示了西江24-1油田2003年和2013年時移地震一致性處理的結(jié)果，可以看到非油藏（1.7 s以淺）變化殘差較小，時移地震差異主要集中在開發(fā)的油藏段（1.7 s以深），較好地反映了油藏的動態(tài)變化。由此可見，時移地震處理關(guān)鍵技術(shù)的應用能夠減少目的層范圍之外時移地震能量的泄露，有效提高時移地震資料的一致性。

3.2 處理過程質(zhì)量控制

在時移地震資料處理過程中，對每個步驟的處理結(jié)果都要進行嚴格質(zhì)控，通過統(tǒng)計地震數(shù)據(jù)中標志層的一致性值和相關(guān)性值，作為時移地震資料處理過程的質(zhì)量控制標準。一致性通常用NRMS值來度量，如式（1）所示，其中xi表示N個樣點時窗中的第i個樣點。NRMS值是將非油藏變化范圍內(nèi)數(shù)據(jù)差的均方根振幅進行歸一化，除以基數(shù)據(jù)（base）和監(jiān)測數(shù)據(jù)（monitor）的均方根振幅平均值，描述的是兩次地震數(shù)據(jù)之間的差異性。NRMS值越小，說明時移地震資料的一致性越好。

一致性用NRMS值來度量時，也可以同時考慮相關(guān)性PRED值，如式（2）所示。PRED值是將時間窗內(nèi)兩次地震數(shù)據(jù)互相關(guān)值的平方和除以基數(shù)據(jù)（base）和監(jiān)測數(shù)據(jù)（monitor）自相關(guān)值的乘積和，計算的是兩次地震信號之間的相關(guān)性。

西江24-1油田時移地震資料處理中，NRMS值的下降和PRED值的上升趨勢表明整個處理過程是合理的（圖7）。

圖8展示了西江24-1油田應用一致性抽取技術(shù)后，沿層NRMS值較抽取前整體下降，同時均勻性明顯改善。

圖6 西江24-1油田時移地震一致性處理后的兩次地震剖面及差異Fig.6 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic data and difference after time-lapse co-processing

圖7 西江24-1油田時移地震一致性處理過程質(zhì)量控制Fig.7 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic co-processing quality control

圖8 西江24-1油田一致性抽取前后沿層NRMS值對比Fig.8 XJ24-1 oilfield horizon NRMS value comparison before and after time-lapse co-extraction

4 時移地震資料解釋

時移地震解釋以時移地震差異為基礎(chǔ)，綜合地質(zhì)、油藏、巖石物理、測井等多學科、多專業(yè)信息，綜合分析研究油藏在生產(chǎn)過程中的動態(tài)變化，從而獲得更合理、可靠的流體變化信息，有效降低多解性，為進一步尋找剩余油、確定加密井位置、優(yōu)化開發(fā)方案提供有力依據(jù)。時移地震資料解釋通常分為時移地震基本解釋和時移地震擴展解釋兩類。

4.1 時移地震基本解釋

1）地層變化分析。時移地震主要研究儲層流體變化和壓力變化引起的地震振幅和走時變化，這種變化通常是在目的層上覆層沒有影響的前提下。但是油田開采如果引起上覆層的下沉，后續(xù)的解釋結(jié)果就會受到地層下沉引起的地震信息變化的影響。因此，對覆蓋地層變化的調(diào)查分析是時移地震解釋的首要工作，利用西江24-1油田時移地震前后兩次數(shù)據(jù)的近遠偏移距相對走時時差來求取厚度、速度的相對變化，進而判斷覆蓋層的變化情況［27］。

2）定性解釋。傳統(tǒng)的三維地震解釋方法主要針對地質(zhì)層位即地震反射界面的解釋。但是相對地震的主頻而言，目前的油氣儲層大多為薄層，地震反射界面和實際地質(zhì)層位不能很好地吻合。同傳統(tǒng)的地震解釋方法不同，時移地震兩次地震信號的差異反映的是油水替換的變化，主要集中在兩個反射界面的內(nèi)部。應用±90°相移技術(shù)，將油藏變化引起的時移地震差異集中在儲層內(nèi)部，可以減少地震旁瓣的影響，提高時移地震儲層差異的識別能力。圖9是西江24-1油田時移地震差異的基本解釋結(jié)果，圖中藍色代表水驅(qū)引起的時移地震數(shù)據(jù)差異，綠點代表生產(chǎn)井，可見水驅(qū)結(jié)果和井上的生產(chǎn)動態(tài)具有很好的一致性。

圖9 西江24-1油田時移地震差異的定性解釋Fig.9 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic difference qualitative interpretation

3）定量解釋。時移地震振幅和走時差異的變化是含油飽和度與壓力的變化共同引起的，含油飽和度的降低和孔隙壓力的降低都會引起地層速度和密度的增加［28］?；趲r石物理分析，可以建立壓力和含油飽和度變化與地震信號變化之間的關(guān)系，將二者的影響分離，預測出含油飽和度的變化，從而實現(xiàn)時移地震資料的定量解釋。西江24-1油田含油飽和度從65%降到20%時，反射系數(shù)增大0.008 347，變化率為5.18%；當壓力下降0.5 MPa時，所引起的反射系數(shù)變化約為飽和度變化引起的反射系數(shù)變化的6%，說明含油飽和度變化引起的地震振幅變化遠大于壓力變化帶來的影響。

4.2 時移地震擴展解釋

1）模型與實際對比。實際時移地震差異和基于油藏數(shù)模差異的對比是時移地震解釋的重要途徑。通過三維正演模擬可以得到基于油藏數(shù)模的開發(fā)前后的三維地震記錄和相應的差異體，并與實際時移地震差異進行對比。圖10是西江24-1油田模擬地震差異與實際地震差異的對比，可以看出，基于油藏數(shù)模的差異結(jié)果和實際地震數(shù)據(jù)的差異具有較高的相似度，由此可以證明實際資料的時移地震處理結(jié)果能夠反映油藏參數(shù)的變化，滿足后續(xù)時移地震解釋的需求，時移地震的差異可以作為約束去更新油藏數(shù)模。

2）油藏模型的更新。油藏數(shù)模具有多解性，解決這一問題的辦法就是利用時移地震的數(shù)據(jù)差異作為約束，更新油藏數(shù)模的結(jié)果，從而實現(xiàn)時移地震和油藏數(shù)模的有效結(jié)合。如圖11所示，西江24-1油田時移地震差異結(jié)果有效地指導了新鉆井的井位部署，圖中紅色區(qū)域為目的層由水驅(qū)引起的阻抗增加區(qū)域，紅點為在剩余油區(qū)域部署的一口加密水平井，該井鉆探結(jié)果進一步證實了剩余油預測結(jié)果的有效性。

圖10 西江24-1油田基于油藏數(shù)模的模擬地震差異（a）和實際地震差異（b）的對比Fig.10 XJ24-1 oilfield time-lapse seismic difference comparison between modeling（a）and real data（b）

圖11 西江24-1油田時移地震剩余油預測結(jié)果Fig.11 XJ24-1 oilfield residual oil prediction based on time-lapse seismic difference

5 結(jié)束語

中國海油經(jīng)過15年的研究和積累，形成了時移地震可行性評價技術(shù)（包括油藏地質(zhì)條件分析、巖石物理條件分析和地震條件分析等）以及潮汐校正、船速校正、疊前道集的一致性抽取、針對相位的Q補償、匹配處理等時移地震處理關(guān)鍵技術(shù)，建立了海上時移地震一致性處理流程和質(zhì)量控制體系以及包括時移地震時差分析、±90°相移、剩余油飽和度和壓力分離等時移地震差異解釋技術(shù)體系。

海上時移地震技術(shù)在西江24-1油田的應用，有效地提高了該地區(qū)時移地震資料的一致性，時移地震差異的可解釋性和可靠性，為剩余油分布預測和井位優(yōu)化提供了有力支持，極大地推動了時移地震技術(shù)的進步與發(fā)展。

時移地震技術(shù)具有廣闊的技術(shù)發(fā)展空間和技術(shù)應用領(lǐng)域。隨著油氣勘探向深水的轉(zhuǎn)移，越來越多的時移地震資料采集在超過1 000 m水深的區(qū)域進行，這也為時移地震帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。今后，進一步提高時移地震的規(guī)劃性，并將時移地震納入油田管理，將更有利于提升時移地震解決實際問題的能力及效果。