基于井地一體化測量的近地表品質(zhì)因子Q值估算與應用

翟桐立,馬 雄,彭雪梅,王文進,國春香,蔡愛兵,劉次源

(1.中國石油天然氣股份有限公司大港油田分公司,天津300280;2.中國石油大學(北京)油氣資源與勘探國家重點實驗室,北京102249)

地層品質(zhì)因子Q值可定量刻畫地震波在粘彈性介質(zhì)中的能量吸收和速度頻散[1],準確求取地層品質(zhì)因子Q值并進行補償處理是提高地震資料分辨率的有效途徑[2-3]。近地表地層由于壓實作用弱、結(jié)構松散,地層Q值較小,對地震波的吸收作用強烈。因此,盡管近地表地層的厚度不大,但對地震資料分辨率的影響不容忽視。在近地表吸收衰減調(diào)查中,上行波微測井觀測系統(tǒng)的應用較廣泛[4]。然而,由于激發(fā)巖性等因素的影響,不同深度激發(fā)的地震子波存在明顯差異,導致所求取的品質(zhì)因子Q實際應用效果欠佳。常規(guī)雙井微測井是求取近地表地層Q值的另一種觀測系統(tǒng)[5],但同樣難以滿足激發(fā)子波不變、接收耦合一致且不被其它波場干涉等條件,其測量精度受到影響。業(yè)內(nèi)對激發(fā)、接收耦合一致性誤差影響Q值估算精度已有共識,但對于直達波的準確分離和近場影響還缺乏足夠的重視。MANGRIOTIS等[6]通過實驗分析發(fā)現(xiàn),小炮檢距的傳播路徑下,地震記錄中存在強烈的近場影響,極大地增加了地震參數(shù)估算的難度。

為消除近地表吸收對地震資料分辨率的影響,研究人員相繼開展了近地表吸收衰減的實驗研究。李國發(fā)等[7]采用井地聯(lián)合地震觀測對近地表吸收結(jié)構進行了實驗分析,提出了不受激發(fā)因素影響的吸收參數(shù)層析反演方法。李合群等[8]通過對沙漠地區(qū)地震資料品質(zhì)影響因素的分析,認為除沙層吸收衰減之外,激發(fā)震源子波差異、檢波器耦合差異等是影響沙漠區(qū)地震資料品質(zhì)的主要原因。翟桐立等[9]通過多井微測井試驗,對提高野外采集環(huán)節(jié)精度進行了有益的嘗試。李天樹等[10]以提高微測井檢波器耦合為目的,提出與零偏VSP相同的井中多極接收微測井調(diào)查方法,改善了檢波器的耦合特性及接收信號的一致性。李偉娜等[11]探索了基于微測井提高Q值估算精度的新途徑,提出了一種雙線性回歸品質(zhì)因子Q估計算法,取得了較好的估算效果。事實上,除了激發(fā)、接收耦合影響之外,近場影響、干擾波影響(如虛反射的干涉造成直達波分離和提取困難)等同樣影響近地表地層Q值的準確求取。

地層吸收衰減補償方法大致可以分為兩大類:基于波場延拓和基于反演的補償。HARGREAVES等[12]提出了一種與Stolt偏移類似的串聯(lián)反Q濾波方法,但該方法只是對相位進行校正,不涉及振幅校正。WANG[3]在此基礎上進行了改進,提出了一種能同時補償振幅衰減和校正相位畸變的穩(wěn)定反Q濾波方法。相比于基于波場延拓的吸收補償,基于反演的吸收補償策略具有更強的穩(wěn)定性。ZHANG等[13]從貝葉斯框架出發(fā),在時間域完善了吸收補償技術。CHAI等[14]提出一種在頻率域進行非穩(wěn)態(tài)稀疏反演的方法,實現(xiàn)了地層吸收補償。張文等[15]修改補償公式,使之更適應近地表補償。

本文提出了一種深井激發(fā)、淺井和地面短排列一體化聯(lián)合接收的測量方法,并在大港探區(qū)進行了現(xiàn)場試驗和工業(yè)化測量,利用測量結(jié)果估算近地表地層品質(zhì)因子Q值,采用基于波場延拓的反Q濾波技術消除了近地表吸收對地震資料分辨率的影響,取得了較好的應用效果。

1 譜比法品質(zhì)因子Q估計原理

根據(jù)粘彈性介質(zhì)理論,在粘彈性介質(zhì)中傳播的地震波振幅譜可表示為[1]:

(1)

式中:r為炮檢距;f為頻率;u(r,f)為接收點的振幅譜;v表示介質(zhì)速度;s(f)為震源信號振幅譜;g(f)是檢波器耦合項;p(r)代表與頻率無關的幾何擴散、反射透射損失等項;Q為地層品質(zhì)因子。

對傳播距離為r1和r2的振幅譜u(r1,f)和u(r2,f)的比值取對數(shù),有:

(2)

在激發(fā)和接收耦合一致的假設條件下,上式可簡化為:

(3)

式中:r(f)=ln[u(r2,f)/u(r1,f)];Δt=(r2-r1)/v;b為與頻率無關的常數(shù)。

顯然,譜比對數(shù)值(或地震衰減)是與頻率相關的線性函數(shù),因此,可以利用其斜率計算Q值,有:

(4)

式中:P為線性擬合斜率。

2 影響因素分析

2.1 激發(fā)耦合效應

圖1顯示了大港油田某工區(qū)微測井的井口檢波器接收到的兩個直達波信號及其振幅譜。該微測井的激發(fā)深度分別為6m和9m。盡管9m深度激發(fā)的地震信號傳播到井口檢波器經(jīng)歷了更多的吸收衰減,但其130Hz的主頻依然比6m深度激發(fā)的地震信號119Hz主頻高11Hz。如不考慮激發(fā)因素的影響,而直接用接收到的兩個信號進行Q值估算,會得到一個負的Q值,這顯然違背了地震波衰減的基本規(guī)律。

圖1 震源深度為6m和9m時井口檢波器接收到的地震記錄(a)及對應的振幅譜(b)

2.2 波場干涉效應

在實際雙井微測井測量中,如井底檢波器深度大于潛水面深度,且激發(fā)點深度略大于潛水面深度,井底檢波器的接收信號易受到來自于地面和低速層底界(一般同潛水面深度)虛反射的干擾而變得更加復雜。圖2為井底檢波器共檢波點道集,紅框內(nèi)為地面虛反射,該干擾使得用于估算Q值的直達波分離變得困難,從而影響Q值計算精度。

圖2 雙井微測井井底檢波器接收的共檢波點道集

2.3 近場效應對衰減的影響及克服辦法

近場效應的一個方面是指炮檢距過小的情況下,地震波場在短時間內(nèi)未完全穩(wěn)定,從而導致地震信號低頻段出現(xiàn)異常的現(xiàn)象。這種異常主要表現(xiàn)在炮點與檢波點振幅譜比值(即衰減曲線)在低頻端與理論曲線不符。已有研究表明[6-7],近場效應對近地表Q值求取影響較大,不能忽略。圖3為井地一體化觀測系統(tǒng)示意。其中井底檢波器和井口檢波器分別為1號和2號檢波器,地面小排列的檢波器編號為3～9號。圖4展示了井地一體化觀測得到的井底(1號)和井口檢波器(2號)記錄的地震波振幅譜(圖4a)和衰減曲線(圖4b)。衰減曲線在60Hz以下的低頻段出現(xiàn)了隨頻率增高,衰減幅度反而減小的異常現(xiàn)象,這種衰減異?，F(xiàn)象是由近場效應引起的。另外,由于400Hz以上的高頻段受噪聲影響較大,因此將計算Q值的頻帶設定為60～400Hz,通過線性擬合計算出低速層的地層品質(zhì)因子值Q1=1.786。

圖5展示了井口檢波器(2號)與地面小排列中7號檢波器相應記錄的振幅譜和衰減曲線。由于衰減曲線上低于100Hz的低頻段地震衰減與頻率的非線性關系加劇,而高于250Hz的高頻信號受噪聲干擾較大,因此,結(jié)合振幅譜特征將計算Q值頻帶選擇為如圖5b所示的100～250Hz,計算出的降速層地層品質(zhì)因子值Q2=16.550。

圖3 井地一體化觀測系統(tǒng)示意

圖4 井底和井口檢波器接收記錄振幅譜(a)和衰減曲線(b)

圖5 井口和小排列檢波器接收記錄振幅譜(a)及相應衰減曲線(b)

3 井地一體化野外觀測與Q值估計

井地一體化的近地表地層Q值野外測量觀測系統(tǒng)見圖3。該觀測系統(tǒng)的激發(fā)井和接收井深度不等,采用井中激發(fā),井中和地面小排列聯(lián)合接收的方式。實施過程中依據(jù)常規(guī)近地表結(jié)構調(diào)查的結(jié)果選擇激發(fā)井和接收井深度。原則上,激發(fā)井應鉆穿低、降速層,且由井底向井口依次激發(fā),激發(fā)點距和密度視具體情況而定。接收井深度應以無限接近低速層底界面又不鉆穿低速層為佳,并在井底布設檢波器(見圖3 中1號檢波器),使檢波器只能接收到上行波,避免了低速層底界面虛反射對直達波的干涉。地面檢波器從接收井井口位置開始,沿排列方向按一定間距依次布設(見圖3中2～10號檢波器)。

依據(jù)圖3所示井地一體化觀測系統(tǒng)的觀測結(jié)果,實施Q值估算的具體步驟如下。

首先,利用1號和2號檢波器記錄的直達波振幅譜,采用譜比法求出低速層的品質(zhì)因子Q1;

然后,在2～10號檢波器之間選擇特征良好的兩個檢波器記錄的直達波振幅譜,采用譜比法求出降速層的品質(zhì)因子Q2;

最后,計算低、降速層的地層等效品質(zhì)因子Q值[16]:

(5)

式中:t1為地震波在低速層中的傳播時間;t2為地震波在降速層中的傳播時間。

4 實際應用

本文方法的試驗地點選在大港油田的滄東凹陷孔店地區(qū),該區(qū)是探區(qū)內(nèi)油氣富集帶最有利的地區(qū)之一。主要儲層為古近系孔店組和中生界地層,其中孔店組的Ek1和Ek2段為主力產(chǎn)層。近年來,中生界上部火山巖、凝灰質(zhì)砂巖儲層又有新的發(fā)現(xiàn),多口探井相繼獲高產(chǎn)油流。該區(qū)儲層多種沉積相縱向疊置發(fā)育,儲層橫向變化大,火成巖儲層邊界難以精確界定,需要更高分辨率的地震資料做支撐。

現(xiàn)有地震資料為2005年和2008年采集的三維數(shù)據(jù),能反映較大的斷層及構造形態(tài),可以滿足構造研究需要,但無法達到儲層研究的精度要求。因此,在該區(qū)部署了井地一體化的近地表Q值測量試驗,進而開展了基于衰減補償?shù)母叻直媛侍幚?。該區(qū)近地表地層主要為3層結(jié)構,即低速層、降速層和高速層。低速層厚度2.5～3.5m,低降速層總厚度一般不超過15m,低、降速層速度為260～1160m/s。

根據(jù)接收井深度小于低速層的原則,本試驗區(qū)的接收井深度為2.5～3.5m。激發(fā)井應鉆穿低、降速層,根據(jù)以往調(diào)查結(jié)果,探區(qū)內(nèi)低降速層總厚度一般不超過20m,故激發(fā)井深度選為20m。理論上,激發(fā)井深度越大,越符合垂直入射關系,但應綜合考量性價比。接收井和激發(fā)井之間的水平距離為4m。從激發(fā)精度和安全環(huán)保角度考慮,激發(fā)方式采用小型電火花震源。

按照圖3所示的觀測系統(tǒng),本區(qū)共部署測點48個,測網(wǎng)密度為2km×2km,實現(xiàn)了目標處理范圍內(nèi)的等間距全覆蓋,試驗區(qū)測量點位置分布如圖6所示。

圖6 試驗區(qū)測點位置分布

圖7是基于圖3所示井地一體化觀測系統(tǒng)實際觀測得到的某一共炮點道集。不難看出,1～10號檢波器接收的直達波受其它波的干涉影響較弱,有利于利用漢寧窗分離直達波。此外,各地震道波形穩(wěn)定,在直達波到達之前未出現(xiàn)明顯的抖動,從側(cè)面說明檢波器的耦合性較好。因此,用該道集計算出的地震波頻譜比值隨Q值的變化符合衰減規(guī)律。其中1號和2號檢波器所接收到的地震波變化反映的是低速層的吸收衰減,2～10號檢波器所接收到的地震波變化反映的是降速層的吸收衰減,因為它們穿過了相同的低速層,可視為低速層的影響不變。該假設在本方法的炮檢距范圍內(nèi)經(jīng)過檢驗是成立的。對于降速帶的Q值求取,采用時間間隔較大的檢波器對,可以降低估算誤差。同時對多個檢波器所估計的Q值進行平均,可得到一個更加合理的降速層Q值。

圖7 井地一體化聯(lián)合測量的共炮點道集

表1為按照本文方法計算得到的低速層、降速層地層品質(zhì)因子Q值,由于篇幅所限,表中僅給出了沿圖6中對角線方向(圖中綠色折線)由北向南依次排列的8個點。進一步應用公式(5)可計算整套近地表地層的等效Q值。

由表1可見,工區(qū)范圍內(nèi)近地表地層Q值估算結(jié)果相對穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)明顯的異常值(負值或者異常大的值)。表明基于井地一體化觀測實施近地表Q值估計切實可行。

圖8是基于研究區(qū)所有測點估算得到的低速層和降速層Q值繪制的低、降速層Q值平面分布圖?？梢钥闯?低速層和降速層都存在局部Q值較大的區(qū)域(紅色區(qū)域),但就整個工區(qū)而言,Q值的變化依然比較平緩,說明井地一體化觀測方法在測量Q值的一致性和穩(wěn)定性方面有一定優(yōu)勢。因此,可為補償處理提供依據(jù)。

表1 不同點計算的近地表地層Q值

本次試驗采用基于波場延拓方法進行吸收補償,沒有考慮速度頻散的影響[7]。圖9對比了補償前、后的疊加剖面,圖10為吸收補償前、后振幅譜對比(目的層位于孔店組1650～1850ms)。顯然,經(jīng)過低、降速帶吸收補償后,目的層段信號的高頻成分得到了有效提升,地震資料的分辨率得到了一定程度的提高,地震信號識別薄層結(jié)構和特殊巖性的能力得到了增強。

圖8 低速層(a)和降速層(b)Q值平面分布

圖9 低、降速帶吸收補償前(a)、后(b)疊加剖面對比

圖10 低、降速帶吸收補償前、后振幅譜對比

5 結(jié)論

1) 所設計的井地一體化觀測系統(tǒng)可以較好地解決了常規(guī)微測井方法易受虛反射干涉、近場影響等問題,觀測記錄更有利于直達波波場的有效分離和近地表Q值的準確估計。

2) 大港探區(qū)的試驗應用結(jié)果表明,基于井地一體化觀測結(jié)果可獲得穩(wěn)定可靠的近地表地層品質(zhì)因子Q值,應用近地表吸收補償處理不僅拓寬了目的層頻帶,提高了疊加剖面的分辨率,而且增強了地震數(shù)據(jù)分辨薄互儲層和特殊巖性邊界的能力,初步證明了井地一體化觀測的可行性。