復(fù)雜構(gòu)造二維地震精細(xì)速度分析與應(yīng)用

李紅梅， 李建國， 馬海兵， 孫 淵， 于光明

(1.山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西 運(yùn)城 044004；2.長安大學(xué)地測學(xué)院，西安 710054；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

速度分析和時深轉(zhuǎn)換是地震勘探研究最重要的環(huán)節(jié)之一，特別在復(fù)雜構(gòu)造勘查區(qū)鉆孔較少和已知地質(zhì)資料不足的情況下，速度場的精度直接影響地震勘探的各個環(huán)節(jié)及最終勘探成果，在常規(guī)資料處理過程中,地層介質(zhì)被假設(shè)成各向同性的。但在實(shí)際勘探中地層中廣泛的存在著各向異性。地震波速度與地下介質(zhì)特性、傳播方向密切相關(guān)。分析地震速度的各向異性獲取的速度譜具有高成像質(zhì)量，高精度的特點(diǎn)。

一般進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換時主要運(yùn)用鉆孔反算并采用全區(qū)插值的方式求取平均速度，用這種方法得到的深度平面圖在鉆孔分布均勻的勘探區(qū)較為可靠，而在勘探區(qū)內(nèi)鉆孔較少且分布不均勻，或者地層構(gòu)造復(fù)雜、地形起伏劇烈、速度橫向變化大等情況下獲得的速度場誤差較大，可信度低。地震資料處理拾取的速度譜為疊加速度譜，疊加速度全區(qū)均勻分布，為均方根速度，與層速度存在一定關(guān)系。應(yīng)用已知鉆孔速度作為原始參考資料，提取鉆孔處標(biāo)志層，進(jìn)行各向異性速度分析獲得高精度速度譜，依據(jù)兩組速度建立函數(shù)關(guān)系，通過交匯擬合的方式進(jìn)行校正得到擬合速度。用這種方法建立的高精度速度場能夠克服遠(yuǎn)離鉆孔處速度難以控制的問題，提高解釋構(gòu)造成圖精度。

1 勘查區(qū)概況及地質(zhì)地震特征

勘查區(qū)位于大同新生代斷陷盆地西北部的懷仁塊凹，測線大部分位于大同盆地平原地帶(圖1)，地表多為第四系覆蓋。工區(qū)農(nóng)田和企業(yè)密集，障礙物多，數(shù)據(jù)采集困難。觀測系統(tǒng)采用直線加彎線的觀測系統(tǒng)，中間激發(fā)、寬線接收，接收道數(shù)2×240道，線距10m，道距20m，炮距40m，覆蓋次數(shù)2×60次，地震勘探共完成7條勘查線，主測線6條，網(wǎng)度1km，聯(lián)絡(luò)線1條，測線長度為76.95km，勘探面積103.8km2。

圖1 勘探區(qū)構(gòu)造及測線分布圖Figure 1 Prospecting area structures andprospecting lines distribution

勘查區(qū)為一西斷東超的斷凹盆地，沉降中心位于西北部，基底埋深最深約3 000m，最淺處位于東南部，埋深約500m;地層起伏較大。新生代以來，受喜馬拉雅運(yùn)動的影響，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由中生代燕山運(yùn)動形成的北西一南東向主壓應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|一南西方向主壓方向。在此應(yīng)力作用下，盆地?cái)嗔褬?gòu)造活動十分活躍，除了在燕山期形成的斷裂位置上發(fā)育繼承性大斷裂外，在盆地內(nèi)了也發(fā)育了許多新的斷裂。區(qū)內(nèi)構(gòu)造比較復(fù)雜，西部為一處多期活動的控盆邊界型大斷裂——口泉斷裂，東部為懷仁凹陷與黃化梁陷隆之間的控制性斷裂—里八莊斷裂，區(qū)內(nèi)還分布多條走向落差不一的斷層。盆地基底構(gòu)造地貌大多數(shù)被新生代沉積物所埋藏，地表除廣泛分布有新近系—第四系松散堆積物之外，還發(fā)育有新近系和第四系基性火山巖。地層由老至新依次有：太古界集寧群右所堡組(Ar1-2y)、新近系保德組(N2b)、新近系靜樂組(N2j)、第四系泥河灣組(Q1n)及峙峪組(Q3s)?？辈閰^(qū)鉆孔較少，僅在工區(qū)中心位置有兩個相距200m的鉆孔DY-1及DY-3, 其它可用于資料分析與研究的地質(zhì)成果也十分有限。

根據(jù)區(qū)內(nèi)DY-1及DY-3井測井資料，進(jìn)行了地震人工合成記錄分析(圖2)及層位標(biāo)定(圖3)。

①在1.55s反射波組：能量強(qiáng)，連續(xù)性好，波組特征穩(wěn)定，有兩個強(qiáng)相位和一個弱相位組成，在地震剖面中可連續(xù)追蹤。和鉆孔地質(zhì)情況對比，該反射波組為集寧群片麻巖頂界面的反射(1 846m)，埋深1 792～1 846m處為砂質(zhì)泥巖和泥巖互層，破碎嚴(yán)重，是此次發(fā)現(xiàn)的儲氣層，命名Tj。

②在1.0s左右的反射波組：能量較強(qiáng)，連續(xù)性較好，波組特征較穩(wěn)定，由2～3個相位組成(地震剖面其它區(qū)段)，在地震剖面中可連續(xù)追蹤，和鉆孔對比為礫巖、砂巖、泥巖互層組成(深度約1 100m)，命名為Tb。而在該鉆孔對應(yīng)的是玄武巖。

圖2 DY-1井合成地震記錄Figure 2 Synthetic seismic record of well DY-1

圖3 過井剖面圖Figure 3 Cross well section

③在750ms左右的反射波組：能量較強(qiáng)，連續(xù)性較好，波組特征比較穩(wěn)定，有兩個較強(qiáng)的相位組成，在地震剖面中可連續(xù)追蹤，和鉆孔的新近系靜樂組底部礫巖層、保德組頂相對應(yīng)(深度699m)，命名為Tnj。

④在520ms左右的反射波組：能量較強(qiáng)，連續(xù)性較好，波組特征比較穩(wěn)定，由兩個較強(qiáng)的相位組成，在地震剖面中可連續(xù)追蹤，和鉆孔的第四系底部亞粘土，新近系的頂部中砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖相對應(yīng)(深度416m)，命名為Tq。

2 各向異性介質(zhì)的高精度速度分析

常規(guī)地震資料處理都假設(shè)地球介質(zhì)是各向同性的(速度不隨傳播方向發(fā)生變化)，把地震各向異性的影響歸并到速度誤差中去，在大地質(zhì)尺度下這種近似是可以滿足要求的。但地下介質(zhì)普遍存在各向異性，隨著勘探目標(biāo)尺度越來越小，對地震資料的速度精度和成像質(zhì)量的要求越來越高，如果忽略介質(zhì)的各向異性,可能導(dǎo)致陡傾角信息丟失、地質(zhì)體垂向深度和橫向位置出現(xiàn)誤差,因此在資料處理中一定要考慮速度的各向異性。

各向同性介質(zhì)時距方程滿足Dix雙曲線規(guī)律，即：

(1)

其中，t0為零偏移距自激自收時間，x表示偏移距，vNMO是動校正速度。

當(dāng)考慮地下層狀介質(zhì)的各向異性性質(zhì)時，時距曲線不再滿足雙曲規(guī)律,而是含高階4次項(xiàng)的非雙曲時距方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

(2)

式中：t0、x、vNMO的物理含義同上，η：為非橢圓各向異性參數(shù)，代表地層的垂直非均勻性和各向異性。

要實(shí)現(xiàn)對各向異性介質(zhì)的高階動校正, 需要獲取各向異性參數(shù)和速度參數(shù)。速度場可以通過常規(guī)的速度分析利用中、近偏移距得到，各向異性參數(shù)需要采用高密度自動雙譜拾取，通過一系列的插值，平滑，轉(zhuǎn)化得到，最后用高階動校正高密度非雙曲線動校公式完成對道集的動校正 。通過引入各向異性參數(shù)，可以提高層狀介質(zhì)的旅行時計(jì)算精度和速度分析精度，保證成像點(diǎn)準(zhǔn)確聚焦。圖4給出了層狀介質(zhì)各向異性疊加速度分析的工作流程。

疊加速度的精度是決定疊加成像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，提高疊加速度精度，進(jìn)而使 CMP 道集最大限度地達(dá)到同相疊加，使地震剖面的同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，達(dá)到提高疊加剖面信噪比和分辨率的目的。圖5是分別采用各向同性速度分析方法和各向異性速度分析方法得到的疊加剖面， 可以看到應(yīng)用各向異性速度得到的疊加剖面在斷面的清晰度、陡傾角成像、反射界面的聚焦度方面效果更好，目的層成像有了明顯的改善。各向異性速度譜精度較高， 圖6為各向異性高精度速度譜與常用各向同性速度譜剖面對比圖，各向同性處理中把由構(gòu)造產(chǎn)生的各向異性的影響歸并到速度誤差中去，因此圖中各向同性速度譜在有構(gòu)造的位置速度譜發(fā)生速度變化，各向異性速度場分布更為均勻平滑，更符合地質(zhì)沉積規(guī)律。

圖4 層狀介質(zhì)各向異性速度分析的工作流程Figure 4 Workflow of layered media anisotropic velocity analysis

3 時深轉(zhuǎn)換速度確定

速度譜采用各向異性速度分析得到的精細(xì)速度場，速度場的擬合主要步驟如下。

圖5 各向同性速度疊加(左)與各向異性速度疊加(右)對比Figure 5 Comparison of isotropic velocity stacking (left) and anisotropic velocity stacking (right)

圖6 各向異性高精度速度譜(上)與常用各向同性速度譜(下)對比Figure 6 Comparison of anisotropic high precision velocity spectrum (upper) and common isotropic velocity spectrum (lower)

①根據(jù)鉆孔分層數(shù)據(jù)及合成記錄情況計(jì)算各層位速度值；

②從速度譜上讀取鉆孔附近各層位點(diǎn)速度值；

③建立鉆孔速度與疊加速度及時間的函數(shù)關(guān)系交匯擬合求取擬合速度(圖7)；

④運(yùn)用擬合速度場沿目的層提取時深轉(zhuǎn)換速度進(jìn)行高精度構(gòu)造成圖(圖8)。

通過各向異性速度分析獲得的高精度速度譜，對本區(qū)的構(gòu)造進(jìn)行解釋(圖8)：勘查區(qū)為一西斷東超的斷凹盆地，沉降中心位于西北部，地層起伏形態(tài)為東南高—西北低的單斜構(gòu)造，走向北北東，區(qū)內(nèi)斷層13條；地層傾角最大28°，最小2°，平均為10°。目的層解釋深度2 010m，經(jīng)打孔驗(yàn)證實(shí)際埋深1 998m，誤差率為1%，可見各向異性速度分析預(yù)測的埋深與實(shí)鉆結(jié)果吻合較好。

圖7 綜合兩鉆孔進(jìn)行速度擬合Figure 7 Integrated two boreholes velocity fitting

圖8 根據(jù)速度譜進(jìn)行擬合獲得的速度平面圖(左)及時深轉(zhuǎn)換構(gòu)造深度圖(右)Figure 8 Velocity plan from velocity spectrum fitting (left) and time-depth conversion structural depth (right)

4 結(jié)語

綜合考慮地下介質(zhì)各向異性因素進(jìn)行高精度速度分析，并用其疊加速度譜結(jié)合已知鉆孔進(jìn)行擬合，科學(xué)準(zhǔn)確地建立全區(qū)均勻的速度場進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換，這種方法能滿足構(gòu)造較復(fù)雜地區(qū)對地質(zhì)勘探的需求,也解決了傳統(tǒng)方法由于鉆孔資料缺乏而導(dǎo)致速度場分布不合理、深度誤差較大的問題，有效地提高了構(gòu)造解釋的精度，在實(shí)際工作中取得較好的勘探效果,具有良好的推廣應(yīng)用前景。