四川盆地西北部深層低幅度構(gòu)造建模及成像

王艷香 蘇 勤 樂幸福 張軍舵 劉 威 袁 煥

(中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

低幅度構(gòu)造是指構(gòu)造相對平緩、閉合幅度只有10～20m的地質(zhì)體[1-2]，又被稱為小幅度構(gòu)造、微幅度構(gòu)造等。近年來，低幅度構(gòu)造油氣藏逐漸被重視，成為油氣勘探的一個重要接替領(lǐng)域，因此得到了人們的廣泛關(guān)注[3]。由于構(gòu)造幅度較低，因此地震資料上表現(xiàn)為反射同相軸平直而變化幅度很小，不易被識別。低幅度構(gòu)造的解釋精度取決于地震數(shù)據(jù)的采集、處理和解釋等各個環(huán)節(jié)，處理人員就低幅度構(gòu)造圈閉地震資料處理中的關(guān)鍵點、橫向速度變化對構(gòu)造成像影響進行了大量研究[4-6]，解釋人員在低幅度構(gòu)造解釋技術(shù)、識別技術(shù)、儲層橫向預(yù)測等方面也取得了較大進展[7-8]。要研究低幅度構(gòu)造，首先要探討的就是地震資料是否有分辨低幅度構(gòu)造的能力。

四川盆地西北部龍門山?jīng)_斷帶前緣地表巖性變化大，通過數(shù)值模擬和構(gòu)造物理模擬證實該工區(qū)深層為低幅度潛伏構(gòu)造。除地層巖性等一些固有因素外，長波長靜校正是影響復(fù)雜地表區(qū)低幅度構(gòu)造成像的關(guān)鍵因素之一[9]，主要表現(xiàn)在：①由CMP疊加拾取的構(gòu)造時間發(fā)生畸變而產(chǎn)生假構(gòu)造；②當長波長靜校正異常區(qū)的寬度約等于一個排列長度時，疊加速度會發(fā)生異常變化；③當疊后處理涉及到大的空間孔徑時，長波長靜校正異常影響地震資料處理方法的選擇[10-11]。

偏移速度是影響低幅度構(gòu)造成像的重要參數(shù)。如果速度分析不準確，那么真實存在的低幅度構(gòu)造就會被抹掉或者導(dǎo)致假構(gòu)造的出現(xiàn)[12]。地震速度場的橫向變化會導(dǎo)致時間偏移的結(jié)果產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生一些假構(gòu)造，嚴重影響油氣勘探中井位的部署。

在速度存在橫向變化時，深度偏移結(jié)果相對準確，本文以地質(zhì)層位為基礎(chǔ)建立模型，然后在橫向上沿地質(zhì)層位網(wǎng)格進行參數(shù)更新，即基于模型的層析反演方法，具備層位約束和全局反演二者的優(yōu)點，可以有效解決薄層速度建模問題和低幅度構(gòu)造成像問題[13]。

1 深層低幅度構(gòu)造數(shù)值、物理模擬

1.1 數(shù)值模擬

工區(qū)位于四川盆地西北部龍門山?jīng)_斷帶前緣[14]，地表起伏劇烈，縱、橫向變化較大。工區(qū)內(nèi)地表出露多套地層，巖性包括灰?guī)r、砂泥巖、礫巖、河灘礫石等[15]。針對該工區(qū)的地震資料進行解釋，淺部表現(xiàn)為低角度斷層組合的疊瓦狀構(gòu)造，而深層則表現(xiàn)為低幅構(gòu)造，存在明顯的不協(xié)調(diào)變形，為驗證解釋方案，采用離散數(shù)值模擬技術(shù)[16]定量描述褶皺與斷層的幾何形態(tài)關(guān)系，能夠根據(jù)淺層數(shù)據(jù)推斷深部構(gòu)造。

通過離散數(shù)值模擬實驗揭示了滑脫層的數(shù)量、分布范圍及其相對強度是影響盆山體系構(gòu)造橫向分帶、縱向分層的關(guān)鍵因素。

由數(shù)值模擬結(jié)果(圖1b)可知，研究區(qū)發(fā)育深淺兩種不同構(gòu)造樣式，淺層為低角度斷層組合的疊瓦狀構(gòu)造，深層為低幅度潛伏構(gòu)造，與地震解釋結(jié)果一致。

圖1 過A井地震剖面(a)及構(gòu)造數(shù)值模擬結(jié)果(b)

1.2 構(gòu)造物理模擬

物理模擬[17-18]是構(gòu)造變形過程和形成機制研究的有效手段，在褶皺—沖斷帶研究中發(fā)揮了十分重要的作用。20世紀80年代以來，構(gòu)造變形物理模擬方法在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域取得了顯著成效，對構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究起到了重要作用。研究區(qū)地表、地下條件復(fù)雜，僅僅依靠數(shù)值模擬不能完全了解構(gòu)造變形的特征和過程，因此數(shù)值模擬之后，又做了構(gòu)造物理模擬實驗。采用石英砂和硅膠模擬地層，通過兩套滑脫層模型，研究中、淺層構(gòu)造變形特征和過程。雙層滑脫介質(zhì)物理模擬結(jié)果(圖2)表明：變形剖面總體具有前展式的發(fā)育特征，由一組高角度疊瓦逆沖巖片和一組低角度疊瓦逆沖巖片組成。前者主要以垂直抬升為主，后者通過深部滑脫層和中部滑脫層的共同作用，形成3組疊置巖片體，在淺部形成高陡構(gòu)造，深部形成低幅度構(gòu)造。

圖2 構(gòu)造變形物理模擬過程

2 深層低幅度構(gòu)造成像技術(shù)

通過數(shù)值模擬和構(gòu)造物理模擬證實了該工區(qū)深層為低幅度潛伏構(gòu)造，但四川盆地西北部龍門山?jīng)_斷帶前緣地表巖性變化大，激發(fā)、接收條件差，初至存在扭曲、錯斷現(xiàn)象，靜校正問題較嚴重；有效反射能量弱，信噪比低，速度分析難度較大；近地表巖性變化快，表層速度模型建立困難；目的層下二疊統(tǒng)構(gòu)造褶皺強烈，小斷層發(fā)育，斷塊復(fù)雜，速度橫向變化劇烈，速度場建立及深度域準確歸位困難，鑒于以上地表、地質(zhì)條件，若想獲得準確的構(gòu)造成像資料，就必須解決靜校正和速度建模等問題。

2.1 微測井約束初至層析靜校正

層析靜校正方法是目前常用且有效的方法，但該方法受初始速度的影響較大，因此在實際應(yīng)用過程中，要采用多信息約束層析反演近地表速度模型。初始速度模型建立時，微測井資料具有在點上準確反映低速層信息的優(yōu)勢，但由于受探測深度的限制，刻畫降速帶的能力較低；另一方面，小折射資料則對降速層速度有較好的反映，但其刻畫高速層頂界時受到小折射排列長度的限制，尤其是高速層頂界面起伏較大或者高速層速度橫向變化較大時，對高速層頂界的形態(tài)刻畫不準確，從而無法徹底解決長波長靜校正問題。

為了解決影響低幅度構(gòu)造成像的長波長靜校正問題，本文采用分層約束的近地表建模方法[19-20]獲得近地表速度模型，具體過程如下：

(1)利用微測井信息建立低速層初始速度模型；

(2)利用小折射和VSP資料建立降速層初始速度模型；

(3)采用分層約束層析反演近地表速度模型，建立高精度的近地表速度模型；

(4)通過VSP測井數(shù)據(jù)及實鉆井深度約束高速層頂界；

(5)計算靜校正量，其中低頻分量解決資料的長波長靜校正問題，高頻分量解決資料的成像問題。

2.1.1 約束層析反演近地表建模方法

初至波旅行時層析速度建模[21-22]是一種非線性的模型反演技術(shù)，就是把地下介質(zhì)離散成一個個相互毗連的小單元，利用射線追蹤方法研究各個單元內(nèi)的射線的路徑與旅行時情況，進而反演每一個單元中的介質(zhì)的速度，最后求取近地表的速度模型。在層析反演中，由M條射線和N個未知數(shù)建立的層析方程組為

AΔs=Δt

(1)

式中A、Δs、Δt分別是Jacobi矩陣、慢度修正量和旅行時殘差向量。L個約束條件建立的約束方程為

CΔs=F

(2)

式中

(3)

(4)

(5)

其中：N為速度模型單元數(shù)；si為第i個單元上一次迭代層析反演的慢度。

(6)

(7)

旅行時和約束方程構(gòu)建的聯(lián)合方程組可表示為

BΔs=H

(8)

e=e1+λe2=(AΔs-Δt)T(AΔs-Δt)+

λ(CΔs-F)T(CΔs-F)

(9)

式中：e1為觀測數(shù)據(jù)目標函數(shù)；e2為已知約束條件的目標函數(shù)。

利用自適應(yīng)算法求取正則化因子λ，即根據(jù)迭代層析反演中反演速度與初始模型速度自動確定。定義

(10)

式中：v1為初始模型速度與層析迭代反演速度的較小者；vm是二者中的較大者。二者差別越小，R值越大，反之亦然。λ與R關(guān)系為

(11)

式中：Rmin和Rmax分別為R的最小值和最大值；Ravg為R的平均值。由上式可知：R越大，則λ越大，此時解比較穩(wěn)定且收斂速度快，但如果數(shù)值過大將導(dǎo)致模型更新不足；R越小，λ越小，如果過小則解不穩(wěn)定且收斂速度慢。只有取合理的值，則既能保證反演結(jié)果的穩(wěn)定又能兼顧速度模型的有效更新。通過式(10)和式(11)，可以根據(jù)迭代過程中的反演速度與初始模型速度的差自動確定正則化因子，實現(xiàn)正則化因子自適應(yīng)計算。

2.1.2 高速層頂界確定方法

在約束層析反演近地表速度模型后，高速層頂界誤差較大。然后根據(jù)VSP測井及實鉆井速度、深度信息，用協(xié)克里金方法優(yōu)化獲得降速帶底界面的空間形態(tài)。

圖3a為無約束層析反演的近地表速度模型，圖3b為分層約束層析反演的近地表速度模型，后者反映的淺層結(jié)構(gòu)信息更豐富。協(xié)克里金優(yōu)化后的高速層頂界面與VSP資料更加吻合。圖4為約束層析靜校正前、后疊加剖面，校正后陡傾地層(藍色橢圓所示)成像明顯改善，目的層(紅色橢圓所示)成像信噪比得到提高，增強了連續(xù)性。

圖3 未約束(a)和分層約束(b)層析的近地表速度模型圖b中虛線為分層約束后得到的高速層頂界，實線為協(xié)克里金優(yōu)化后得到的高速層頂界

圖4 約束層析靜校正前(a)、后(b)疊加剖面

2.2 VTI各向異性動校正

研究區(qū)地震數(shù)據(jù)的最大炮檢距為7200m，常規(guī)NMO在出射角超過60°時則會引起動校過量。為了消除道集中存在的剩余時差，采用針對地下介質(zhì)物性特征的速度分析方法即VTI各向異性動校正技術(shù)[23]消除剩余時差造成的道集不平、大炮檢距動校不足或過量等現(xiàn)象。對于疊前時間偏移的CRP道集，關(guān)鍵問題是求取相對準確的速度各向異性參數(shù)。Alkhalifah等[24]提出的用各向異性參數(shù)和短排列動校正速度表示的非雙曲線方程為

(12)

式中：t為從炮點到接收點的反射波旅行時；t0為垂直反射旅行時；x是炮檢距；vnmo為短排列動校正速度；η=(ε-δ)/(1+2δ)，其中ε、δ為各向異性參數(shù)。

這樣，只需兩個參數(shù)η和vnmo就可以進行時間域處理。處理過程中分兩步進行參數(shù)掃描：第一步，利用近道進行雙曲線速度分析，得到速度的估計值；第二步，將估計的速度函數(shù)帶入方程，計算η譜。按時間拾取η之后，就可以對CRP道集按照式(12)進行四次時差校正。

Alkhalifah動校正公式是準確時距函數(shù)的泰勒近似，雖修正了炮檢距的影響，但描述較大炮檢距的時距關(guān)系時精度較低。為了提高精度，Vladimir等[25]引入經(jīng)驗校正系數(shù)c對大炮檢距誤差進行補償在弱各向異性情況下c≈1.2。

(13)

尤建軍等[26]在分析VTI介質(zhì)常規(guī)動校正方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)誤差最小原理建立優(yōu)化校正系數(shù)圖版，實現(xiàn)對常規(guī)動校正公式大炮檢距誤差的修正，其最優(yōu)化動校正方程為

(14)

式中copt為最優(yōu)化校正系數(shù)。具體過程為：首先用式(13)反演得到vnmo和η的初始值； 然后根據(jù)初始值范圍在圖板中查找最優(yōu)化校正系數(shù)copt； 最后應(yīng)用式(14)實現(xiàn)對VTI介質(zhì)大炮檢距地震資料動校正。

與常規(guī)動校正的疊前時間偏移剖面(圖5a)相比，應(yīng)用VTI各向異性動校正技術(shù)后的疊前時間偏移剖面(圖5b)的成像質(zhì)量，從淺層到目的層都有較大提高，尤其是淺層陡傾地層的成像(橢圓所示)，達到了將大炮檢距剩余動校正量最小化的目的。

圖5 各向異性動校正應(yīng)用前(a)、后(b)的疊前時間偏移剖面

2.3 近地表與深層一體化建模

偏移速度場的精度直接影響疊前深度偏移成像的質(zhì)量，四川盆地西北部龍門山?jīng)_斷帶前緣，在中、新生代之后主要經(jīng)歷了一系列的推覆、擠壓運動，工區(qū)內(nèi)地表出露志留系、泥盆系、石炭系、三疊系飛仙關(guān)組、雷口坡組、嘉陵江組、侏羅系白田壩組、千佛巖組、沙溪廟組、蓮花口組和第四系共11套地層，巖性包括灰?guī)r、砂泥巖、礫巖、河灘礫石等，并且近地表巖性變化快，表層速度模型建立困難。本文綜合運用地面露頭和井數(shù)據(jù)信息建立更合理的速度模型改善地下結(jié)構(gòu)的成像效果，具體流程如圖6所示。

圖6 深度偏移速度建模流程

首先，采用分層約束層析靜校正獲得準確的近地表速度模型。然后參考井速度建立中深層初始速度模型，參考該區(qū)構(gòu)造模式(圖7)，最后將約束層析的近地表速度模型和初始中深層速度模型融合[27-28]，得到完整的初始深度域速度模型，最后采用網(wǎng)格層析方法進一步優(yōu)化速度模型。

圖7 過A井構(gòu)造模式

網(wǎng)格層析[29-33]的主要步驟分為初始速度建模、網(wǎng)格層析偏移、剩余量拾取和反演迭代。首先，在疊前深度偏移共成像點道集(CIG)上進行剩余延遲譜分析。道集上每個角度對應(yīng)的偏移深度可以表示為

(15)

式中：z0為零炮檢距處的偏移深度；γ為z0與真實深度的比值；β為入射角。由下式可計算道集的剩余曲率為

(16)

反演采用迭代算法，觀測數(shù)據(jù)與參考模型的旅行時時差可通過慢度差沿射線l的線性積分獲得，即

(17)

通過矩形網(wǎng)格離散化后，可以得到反演公式

AΔs=Δt

(18)

由于式(18)為病態(tài)層析反演方程組，為降低反演的多解性，加入正則化項，即

(19)

式中Γ、μ分別為橫向正則化矩陣和網(wǎng)格內(nèi)的射線覆蓋次數(shù)。求解該方程組就可得到慢度變化量，再通過一系列迭代，即可得到層析反演后的速度模型。

針對工區(qū)的特點，制定了以下相應(yīng)的對策：對于淺層信噪比高、構(gòu)造簡單的情況，使用層約束的網(wǎng)格層析進行模型優(yōu)化和質(zhì)量控制；對于深層弱反射區(qū)及復(fù)雜反射區(qū)，在對道集進行信號加強的基礎(chǔ)上做模型優(yōu)化處理。通過多輪次的迭代，根據(jù)地質(zhì)、測井信息優(yōu)化速度模型，精確構(gòu)建推覆構(gòu)造帶速度模型(圖8)，不斷提高①號斷裂帶下伏地層的成像精度。

圖8 速度優(yōu)化前(a)、后(b)疊前偏移速度剖面對比

圖9為層約束網(wǎng)格層析前后共成像點道集對比，速度優(yōu)化后，同相軸的拉平程度從淺到深都得到了較大改善，從而提高了疊前深度偏移的成像精度。層約束網(wǎng)格層析后的成像結(jié)果如圖10所示，層間信息更加豐富，構(gòu)造形態(tài)更加合理，整體格局更加清楚。

圖9 速度優(yōu)化前(a)、后(b)疊前深度偏移道集對比

圖10 速度優(yōu)化前(a)、后(b)疊前深度偏移剖面對比

3 結(jié)論

(1)用構(gòu)造正演模擬的方法研究了低幅度構(gòu)造的動力學(xué)成因，結(jié)果表明，模擬剖面與地震剖面的形態(tài)較為相似，證實了低幅度構(gòu)造處理解釋的可靠性；

(2)分層約束的近地表建模方法可以獲得高精度的近地表速度模型，計算得到的靜校正能解決低幅度構(gòu)造成像精度低的問題；

(3)VTI各向異性動校正技術(shù)避免了在大炮檢距處產(chǎn)生的動校正過量問題，提高了淺層陡傾地層及深層低幅度構(gòu)造的速度分析精度；

(4)近地表與深層一體化建模技術(shù)能充分利用鉆井數(shù)據(jù)等多信息指導(dǎo)初始速度模型的建立，從而獲得較為可靠的疊前深度偏移資料。