碳酸鹽巖深層走滑斷裂成像技術(shù)

楊威，周剛，李海英，馬學軍

（1.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011；2.成都理工大學地球物理學院，成都 610059）

塔里木盆地順北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲集層發(fā)育程度受控于多期活動的走滑斷裂，形成以走滑斷裂控制為主的多種成因疊加改造的混合型儲集體，勘探目標主要圍繞“深大斷裂帶”和“規(guī)模儲集體”兩大主要控藏因素的落實與評價，儲集體的發(fā)育程度受控于走滑斷裂帶的活動強度，不同走向走滑斷裂帶的疊加部位儲集體發(fā)育規(guī)模較大。因此，對于地震資料處理來說，提高寒武系—奧陶系深層走滑斷裂和斷裂帶的成像質(zhì)量，有助于降低勘探風險，為圈閉落實和井位部署奠定基礎(chǔ)。

地層介質(zhì)對地震波場的吸收和散射作用與傳播信號的頻率密切相關(guān)，低頻信號具有較強的抗吸收和抗散射能力，因而具有良好的深層穿透和探測能力。眾多學者針對深部地層和斷裂的成像問題進行了研究，如利用低頻信號提高深層速度分析的精度和火成巖下伏地層及潛山的成像質(zhì)量[1]；從子波分辨率出發(fā)，通過波動方程正演模擬和實際地震資料處理研究了地震波主頻與陡界面成像的關(guān)系[2]；通過對正演模型的定量研究，分析了地震波中的低頻信號對反褶積、速度分析、動校正、疊加、偏移等關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)的影響[3-4]；利用低頻信號增強方法提高巖下復(fù)雜構(gòu)造的成像質(zhì)量[5]。此外，對低頻信號的有效保護，也有助于儲集層預(yù)測和烴類檢測技術(shù)[6-7]的應(yīng)用和實施。

為了提高奧陶系—寒武系深層走滑斷裂的成像精度，本文首先分析了不同地質(zhì)體的地震響應(yīng)特征，利用低頻信號保護下的噪聲壓制與子波一致性處理技術(shù)實現(xiàn)了低頻信號的恢復(fù)與增強，并用斷裂控制約束速度建模與層析速度反演技術(shù)，提高了深層速度模型的精度，利用寬頻逆時偏移成像技術(shù)提高了深層走滑斷裂的成像質(zhì)量，最后將此方法應(yīng)用于順北氣區(qū)碳酸鹽巖深層走滑斷裂成像處理中，提高了斷裂的成像質(zhì)量。

1 深層走滑斷裂的地震響應(yīng)特征

對于塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲集層來說，由于受到表生溶蝕作用和流體填充的影響，縫洞型儲集層與圍巖波阻抗差一般較大，在地震剖面上表現(xiàn)為強繞射振幅下的“串珠”狀反射特征（圖1a），“串珠”的橫向變化快，主要體現(xiàn)為中低頻率、相對強振幅和高波數(shù)的地震響應(yīng)特征；而對于寒武系—奧陶系深層走滑斷裂來說，由于走滑斷裂的垂向斷距小，形成的繞射波振幅能量相對較弱（圖1b），但深大走滑斷裂具有一定的寬度和延伸長度，因此在地震剖面上呈低頻、弱振幅和低波數(shù)的地震響應(yīng)特征。針對不同地質(zhì)目標在地震響應(yīng)特征上的特點和差異，建立具有針對性的地震資料處理流程，有助于提高特定地質(zhì)體的成像精度。

圖1 縫洞型儲集層（a）與深層走滑斷裂（b）地震響應(yīng)特征Fig.1.Seismic response characteristics of(a)fractured?vuggy reservoirs and(b)deep strike?slip faults

對于地震波振幅、頻率的衰減特性，可通過對波場動力學的分析，表明繞射波的振幅衰減特性[8]：

其中，F(xiàn)(ζ)=為菲涅爾帶內(nèi)積分，ζ=從（1）式可以看出，繞射波的最大振幅為反射波振幅的一半，且隨著波場傳播距離的增大，繞射波的振幅迅速減弱。

當聲波在吸收介質(zhì)中傳播時，要受到與頻率有關(guān)的衰減以及由頻散引起的相位畸變，振幅和相速度頻散關(guān)系式為[9]

由（2）式和（3）式可以看出，地震波的振幅衰減隨頻率和傳播路徑的增加而增大。

塔里木盆地順北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲集層埋深普遍大于7 000 m，由于受到表層沙丘和地層吸收的影響，地震波高頻成分的能量衰減快，地震資料的信噪比普遍較低，斷裂及斷裂帶形成的繞射波場在單炮記錄和疊加剖面上難以辨別，斷裂精確成像難度大。而由上述地震波振幅、頻率的衰減規(guī)律中可以看出，低頻、弱振幅信號的保持和恢復(fù)是深層走滑斷裂成像處理的關(guān)鍵。

2 噪聲壓制與子波一致性處理

從地震波波場傳播角度看，反射波是地質(zhì)背景的一個綜合反映，繞射波是地層構(gòu)造和巖性異常的標記，是地下非均質(zhì)體的直接響應(yīng)，偏移的目的就是實現(xiàn)對繞射能量的疊加和復(fù)雜波場的歸位。對繞射波場的保護，特別是保持繞射波場的振幅、頻率特征對深層走滑斷裂的成像至關(guān)重要。為此，在塔里木盆地順北地區(qū)地震資料成像處理中，將低頻信號處理作為重要的質(zhì)量控制手段，引入到地震信號預(yù)處理中，通過頻譜的量化分析和比較，在噪聲壓制和反褶積處理環(huán)節(jié)中注重對低頻信號的保護和拓寬。

原始地震資料分析表明，順北地區(qū)井炮震源單炮記錄上噪聲發(fā)育，以低頻面波、隨機噪聲和異常值干擾為主。其中，由于表層疏松沙丘的存在，在單炮記錄上產(chǎn)生了大量的低頻強能量面波，對有效信號影響較大。在噪聲壓制過程中，特別強調(diào)對有效信號低頻成分的保護和保持。通過采用分類、分步、分域、分頻和分時窗的“五分法”疊前噪聲壓制技術(shù)，實現(xiàn)了逐級、多域組合去噪，處理中著重保護地震波的動力學特征。在質(zhì)量控制方面，在常規(guī)的點、線、面、體綜合質(zhì)量控制與評價的基礎(chǔ)上，通過對頻譜和時頻譜的質(zhì)控與分析（圖2），優(yōu)化噪聲壓制技術(shù)流程與參數(shù)選擇，確保在不改變有效信號頻譜特征，特別是低頻成分的基礎(chǔ)上提高地震資料的信噪比。

圖2 噪聲壓制及頻譜質(zhì)量控制Fig.2.Noise suppression and spectrum quality control

在子波一致性處理方面，采用地表一致性振幅補償技術(shù)，消除由地表因素引起的不同炮間和不同道間的能量差異，提高研究區(qū)內(nèi)能量空間分布的均一性；利用地表一致性剩余靜校正技術(shù)，消除共中心點道集中殘留的高頻道間時差；而在地表一致性反褶積處理中，并不過分追求地震資料主頻的提升，而是通過有效信號頻帶特別是低頻端的拓寬來提高地震資料的分辨率，從而增加低頻信號的占比。從疊加剖面上可以看出，通過低頻處理后，地震剖面中的低頻成分更加豐富，地震資料的信噪比也有所提高（圖3）。

3 走滑斷裂速度建模與成像

3.1 地質(zhì)約束速度建模

斷裂及斷裂帶速度模型是走滑斷裂成像的關(guān)鍵，也是速度建模中的難點，從時間域速度譜（圖4）上可以看到，相對于正常沉積地層（A點、C點）的速度譜，走滑斷裂附近（B點）的速度譜能量團相對較弱，速度規(guī)律性差。在速度拾取過程中，斷裂帶由于橫向變化快，在速度分析中難免被忽略，速度模型被“粗化”。為了解決這個問題，提高深層走滑斷裂速度拾取的精度，在速度分析中，通過對速度譜、剖面屬性、平面屬性進行綜合分析，對斷裂帶等構(gòu)造重點部位進行空間橫向加密拾取，一是使速度分析和加密更具針對性，二是令宏觀速度場與地層構(gòu)造走向趨于一致，所拾取的速度場更具地質(zhì)意義（圖5）。

3.2 斷裂控制約束速度建模

在深度域成像處理中，通常采用模型層析成像技術(shù)和網(wǎng)格層析反演成像速度建模技術(shù)，進行速度模型的建立和迭代更新。模型層析成像技術(shù)是一種基于層位或?qū)嶓w模型的速度反演方法，主要考慮大套層位的等效層速度，對層間的層速度具有平均效應(yīng)，層間速度異?；?qū)娱g速度變化較大時，其速度往往存在一定誤差，影響深度偏移結(jié)果的精度，但它能夠比較好的控制速度的變化趨勢，在復(fù)雜構(gòu)造和地震資料低信噪比情況下，使速度的變化基本符合地質(zhì)規(guī)律。

圖3 常規(guī)處理（a）與低頻處理（b）疊加剖面對比Fig.3.Stacked sections from(a)conventional processing and(b)low?frequency processing

圖4 不同構(gòu)造部位速度譜Fig.4.Velocity spectra of different structural parts

網(wǎng)格層析反演成像速度建模，是在模型層析成像技術(shù)基礎(chǔ)上，利用提取的構(gòu)造屬性，約束層析成像射線追蹤和層位自動拾取，進而生成層析成像方程，然后采用網(wǎng)格層析成像來修改層速度模型。相對于模型層析成像技術(shù)而言，網(wǎng)格層析算法實現(xiàn)了全局優(yōu)化，更有利于整體形成合理的等效速度模型。該方法對大套地層間的速度變化描述更加準確，在地震資料具有較高信噪比的前提下，對層間的速度異常也能進行比較準確的描述。

對于深層走滑斷裂，由于常規(guī)層析速度反演中并未考慮斷裂的速度控制因素，與時間域速度建模類似，同樣存在著速度模型的橫向“粗化”問題。為了解決這個問題，在速度建模中利用地震屬性、斷裂解釋成果等先驗地質(zhì)信息作為構(gòu)造約束加入到層析反演方程中，采用基于圖像學的斷裂控制約束方法來提高斷裂帶速度模型的精度和分辨率：

3.3 逆時偏移成像

圖5 斷裂帶速度拾取Fig.5.Velocity pickup of the fault zone

逆時偏移成像采用全聲波方程，同時延拓炮點和檢波點波場，具有克希霍夫射線和單程波動方程方法的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾點：①有效地解決了地震波傳播的多路徑問題，適用條件廣，適應(yīng)能力強，有助于對陡傾角、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)及特殊地質(zhì)體的成像；②可以利用回轉(zhuǎn)波、多次波進行成像；③不受傾角以及速度橫向變化的影響；④基于波動方程求解，保幅性好，利于后續(xù)的巖性研究。逆時偏移成像技術(shù)在提高地震資料信噪比、提高斷裂成像精度、突出奧陶系縫洞型儲集層地震反射特征方面具有優(yōu)勢。

常規(guī)逆時偏移在偏移成像后沒有考慮低頻信號的保護，從Marmous 模型（圖6a）逆時偏移成像處理中可以看出，通常認為低頻信號是逆時偏移過程中產(chǎn)生的成像噪聲（圖6b），并采用Laplace 濾波進行低頻噪聲壓制，雖然提高了地震資料的視分辨率（圖6c），但造成了不利后果：一是大幅削弱了低頻有效信號的能量，降低了地震資料的保幅保真性；二是使地震資料的主頻向高頻方向移動，地震資料的頻帶變窄；三是突出了高頻端噪聲和成像假象，不利于后期的地震資料解釋。

為了解決常規(guī)逆時偏移對低頻信號的壓制問題，在波場處理中引入解析波場，實現(xiàn)頻率-波數(shù)域的波場多方向分解，選擇對成像結(jié)果有貢獻的波場進行成像，從而減少低頻噪聲干擾，提高地質(zhì)目標的成像精度（圖6d）。

圖6 常規(guī)逆時偏移和寬頻逆時偏移成像對比Fig.6.Seismic images from conventional reverse time migration and broadband inverse time migration

4 成像效果分析

塔里木盆地順北氣區(qū)位于塔里木盆地塔中Ⅰ號斷裂下降盤，處于滿加爾生烴坳陷油源向卡塔克隆起運移的斜坡區(qū)，塔中北坡發(fā)育多條北東—南西向、北北西—南南東向走滑斷裂，向下斷穿基底并直接連接烴源灶和斷裂相關(guān)的巖溶縫洞型儲集層。同時，伴生斷裂對油氣具有側(cè)向再分配的作用，為油氣提供了良好的運移通道，成藏條件十分優(yōu)越。因此，走滑斷裂及與其相關(guān)奧陶系碳酸鹽巖儲集層的發(fā)育程度成為了油氣富集的關(guān)鍵[10-16]。

從深層走滑斷裂的成像剖面（圖7）來看，在前期信號處理中通過低頻拓展處理，有效保護了低頻和弱振幅信號，結(jié)合斷裂控制約束速度建模和寬頻逆時偏移成像技術(shù)，提高了深層通源斷裂及小斷裂的成像精度。從相干體切片（圖8）中可以看出，寒武系深層主干斷裂和分支斷裂清晰，斷裂帶范圍清楚。此外，深層走滑斷裂帶成像精度的提升有利于斷裂解釋方案的制定，減少斷裂解釋的多解性，也為井位部署和側(cè)鉆方案的選取提供了依據(jù)。

圖7 順北氣區(qū)深層走滑斷裂疊前深度偏移剖面Fig.7.Prestack depth migration section of deep strike?slip faults in Shunbei gas area

圖8 順北氣區(qū)寒武系頂界面相干體切片F(xiàn)ig.8.Coherence slice of Cambrian top in Shunbei gas area

5 結(jié)論

（1）地下不同尺寸地質(zhì)體的地震響應(yīng)特征存在差異，地震資料處理中應(yīng)對不同地質(zhì)體的地震響應(yīng)特征制定針對性的地震資料處理方案。

（2）由于低頻信號具有良好的深層穿透和探測能力，處理中注重對低頻信號的恢復(fù)和利用，有助于提高深層走滑斷裂的成像質(zhì)量。

（3）對斷裂帶等構(gòu)造部位進行約束速度建模和層析速度反演，可有效提高速度建模的精度，所獲得的速度模型也更具地質(zhì)意義。

（4）寬頻逆時偏移技術(shù)解決了常規(guī)逆時偏移成像結(jié)果中低頻信號缺失的問題，有助于進一步提高深層走滑斷裂帶的成像質(zhì)量。

符號注釋

a——常數(shù)；

A(ω,0)——震源子波的振幅譜；

A(ω,z)——距離震源為z處子波的振幅譜；

D(x)——擴散張量；

f(x)——輸入地震數(shù)據(jù)；

F(ζ)——菲涅爾帶內(nèi)積分；

g(x)——輸出地震數(shù)據(jù)；

i——計算的離散樣點；

K——層析核函數(shù)；

P——預(yù)條件算子；

Q——品質(zhì)因子；

tD——繞射波傳播時間，s；

tR——反射波傳播時間，s；

v(ω)——地震波對應(yīng)頻率ω的相速度，m/s；

v(ωc)——地震波對應(yīng)截止頻率ωc的相速度，m/s；

W(w)——振幅；

z——傳播路徑長度，m；

α——斷裂控制約束算子；

β——平滑控制算子；

τ——積分路徑；

ω——地震波頻率，Hz；

ωc——截止頻率，Hz；

Δt——走時殘差，s；

Δv——速度更新量，m/s；

Δw——預(yù)條件解；

?——梯度。