井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)在南川地區(qū)的應(yīng)用

楊 帆，藍加達，孟慶利，薛 野，李彥婧，趙蘇城，俞若水，紀 明，姜 岸，任俊興

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210019）

主流的各向異性速度建模方法有各向異性參數(shù)迭代（VTI）、TTI 等。THOMSEN[1]提出了利用3 個各向異性參數(shù)ε、δ、γ來表示各向異性速度；TSVANKIN[2]提出了通過地震資料數(shù)據(jù)求解以上的Thomsen 參數(shù)從而獲取各向異性速度。常規(guī)的各向異性參數(shù)迭代思路是通過反復(fù)迭代更新速度模型、Delta（用來校正近、中偏移距，控制地層的垂向變化的參數(shù)）、Epsilon（控制地層的橫向變化，用來校正道集遠偏移距的參數(shù)），最后通過偏移驗證參數(shù)的合理性。2019年通過該方法在南川地區(qū)的應(yīng)用，參與約束井周邊小范圍數(shù)據(jù)得到了一定校正，成像歸位準確度有所提高，但在波場復(fù)雜、低信噪比、無井控制等區(qū)域效果欠佳，難以達到由點到面的轉(zhuǎn)變。

相較于主流的各向異性速度建模方法，井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)處理流程最大不同點在于：①解矩陣方程過程中旅行時Δt保持不變，因此，無論如何更新速度模型或是各向異性參數(shù)，由于旅行時恒定，各向異性疊前深度偏移數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換到時間域之后，波組成像的位置對比各向同性數(shù)據(jù)無較大構(gòu)造變化；②各向異性參數(shù)Delta 更新采用基于速度模型驅(qū)動，同時每輪迭代后同步輸出實時更新的構(gòu)造模型能夠三維立體質(zhì)控各向異性參數(shù)的變化趨勢，其優(yōu)勢在于實際生產(chǎn)中可以及時將鉆井信息應(yīng)用到處理中，并且在不需要偏移處理及層位解釋的情況下，輸出新的構(gòu)造模型，極大提高了各向異性速度建模效率及精度，也能及時有效地指導(dǎo)水平井導(dǎo)向工作。

1 工區(qū)概況及存在問題

川東南地區(qū)南川三維工區(qū)通過多輪次的處理解釋基本查清了構(gòu)造形態(tài)。后續(xù)多家單位陸續(xù)實施的TTI 各向異性目標處理TTI-RTM（逆時疊前深度偏移）、TTI-PSDM（疊前深度偏移）局部改善了構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的成像效果。由于該地區(qū)波場復(fù)雜，偏移速度存在多解性，前期采用的各向異性速度建模方法在約束井所在平臺后續(xù)水平井鉆探中能夠獲得較好的效果，提高了優(yōu)質(zhì)頁巖的鉆遇率[3]，但在遠離約束井的其他平臺效果欠佳，并且依然存在較大的井震矛盾。

通過研究井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)，旨在提高全區(qū)模型精度及成像準確性，特別是在無井控制范圍可減少或者消除井震矛盾，為指導(dǎo)后期井位部署及水平井導(dǎo)向、提高優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率提供支撐[4]。

工區(qū)完鉆頁巖氣水平井多口。密集開發(fā)井網(wǎng)資料揭示，前期地震處理成果時間剖面（圖1）存在以下問題：

圖1 井軌跡地震剖面Fig.1 Seismic section of well trajectory

1）產(chǎn)狀差異

在剖面上的特點是：目的層波組反射能量強、連續(xù)性較好，但是波組產(chǎn)狀與水平井反饋的地層傾向相反，局部出現(xiàn)上凸或下凹形態(tài)。

2）解釋深度預(yù)測存在誤差

在剖面上的特點是：目的層波組連續(xù)，但解釋深度預(yù)測層位與實鉆井軌跡存在一定的誤差。

3）斷層假象

在剖面上的特點是：反射波組連續(xù)性變差、振幅變?nèi)?、頻率突變。

2 井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)

2.1 各向同性速度建模

為實現(xiàn)精確成像，并為后續(xù)的各向異性速度建模奠定基礎(chǔ)，需要建立較高精度的深度域速度模型。首先，在各向同性深度域速度建模上采用多屬性約束網(wǎng)格層析速度建模方法，將波組連續(xù)性、地層構(gòu)造傾角、方位角等多種屬性加入到速度模型的更新中，通過網(wǎng)格層析速度反演不斷迭代調(diào)整，提高速度模型的反演精度，提高地震波組的成像質(zhì)量[5-6]。

深度域速度模型建立包括以下過程：

1）初始速度模型建立；

2）網(wǎng)格層析速度模型更新；

3）模型層析速度模型更新。

區(qū)內(nèi)速度縱向變化劇烈，為更好地開展下一步各向異性速度建模工作，在網(wǎng)格層析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用解釋層位信息進行模型層析速度建模方法研究[7]，目的是繼續(xù)提高速度模型精度，勾畫出速度模型沿層展布的趨勢。速度反演過程同樣遵循由淺至深逐層反演的思路，將地質(zhì)認識融入模型優(yōu)化的過程中[8]。

反演更新后的速度模型橫向上與構(gòu)造形態(tài)基本吻合，縱向上速度的變化趨勢與地層層速度變化基本一致，最終速度模型在空間變化與地質(zhì)規(guī)律上更加吻合（圖2）。更新后，各向同性速度模型及構(gòu)造層位為后續(xù)各向異性建模提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 三維深度域3D速度模型Fig.2 3D velocity model of 3D depth domain

2.2 各向異性速度建模

2.2.1 井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)（TPT）

1）方法原理

各向同性速度建模方法對地下介質(zhì)的認識較為簡單，然而實際復(fù)雜構(gòu)造的地下各向異性介質(zhì)較為復(fù)雜，地震波向不同方向傳播速度并不都是常數(shù)，CRP（共反射點道集）道集近偏移距成像較好，但遠偏移距成像差。因此，需要進行各向異性介質(zhì)速度建模[9]。

在此次地震勘探中，采集偏移距較大。因此，各向異性的表現(xiàn)也變得尤為明顯。CRP道集在近偏移距存在深度誤差，遠偏移距波組雜亂，同相軸無法被拉平。

該次井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)采用射線追蹤方法，充分考慮到速度的橫向變化，采用全局優(yōu)化方式進行多輪次層析成像迭代。該方法更新網(wǎng)格在水平方向上是規(guī)則的，在垂直尺寸上是不規(guī)則的。更新網(wǎng)格點在平面上位于構(gòu)造模型上（圖3）。

圖3 井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)更新網(wǎng)格Fig.3 Update grid of well-constrained travel time preserving tomography

旅行時沿射線路徑傳播的時間誤差與介質(zhì)參數(shù)（速度、各向異性參數(shù)）擾動線性相關(guān)，相關(guān)公式如下：

式中：為旅行時，s；Av為速度矩陣，m/s；為速度的路徑，s；Aδ為各向異性參數(shù)δ矩陣，m/s；為各向異性參數(shù)δ的路徑，s；Aε為各向異性參數(shù)ε矩陣，m/s；為各向異性參數(shù)ε的路徑，s；Az為深度誤差矩陣，m/s；為深度誤差的路徑，s。

2）基本流程

首先在各向同性深度域偏移成果數(shù)據(jù)上，利用井分層信息求取井震誤差（Mistie）；然后結(jié)合各向同性速度共同建立pencil（調(diào)用速度、層位等各項參數(shù)的數(shù)據(jù)庫），并通過旅行時恒定層析運算求解方程，獲取各向異性參數(shù)及構(gòu)造層位；重復(fù)上述流程反復(fù)迭代優(yōu)化各向異性參數(shù)（圖4）。

圖4 井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)流程Fig.4 Flow of well-constrained travel time preserving tomography

2.2.2 初始各向異性參數(shù)求取

1）搜集井信息

井的數(shù)量直接決定了Mistie的精準度，前期處理由于井數(shù)據(jù)少且分布不均勻，一定程度影響了最終處理效果。該次研究共搜集目標區(qū)內(nèi)65口水平井資料，11口導(dǎo)眼井資料，主要分布于工區(qū)東部背斜形態(tài)構(gòu)造高部位，少量分布于工區(qū)西部背斜形態(tài)構(gòu)造高部位，向斜及靠近高陡部位井較少。其中東北部密集，其余地區(qū)稀疏，分布均勻度能夠滿足該次處理方法研究。

2）各向異性參數(shù)求取

根據(jù)鉆井分層信息及主要標志層解釋層位求取井震誤差（Mistie），然后與初始速度模型V0 建立pencil 數(shù)據(jù)庫求取初始的Delta 及Epsilon，求解該方程，同時獲得新的速度模型V1及新的構(gòu)造層位[10]。

2.2.3 各向異性參數(shù)迭代（VTI）

1）Delta場迭代

Delta是各向異性參數(shù)中最先求取也是最難求準的關(guān)鍵參數(shù)，Delta 的準確度直接影響了井震產(chǎn)狀差異的大小。由于區(qū)內(nèi)波場復(fù)雜，測試發(fā)現(xiàn)Delta 更新量過大，容易造成構(gòu)造畸變，引起更大的井震矛盾問題。井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)在迭代Delta的過程中只需用到速度模型及井信息，采用無地震數(shù)據(jù)驅(qū)動快速直接輸出更新后的構(gòu)造層位。因此，在Delta 更新中使用了小更新量配合多次迭代計算，保障參數(shù)求取的準確度。

迭代過程中采用更新后的深度域?qū)游唤y(tǒng)計更新后的井震誤差得到新的Mistie，并將新的速度模型V1和Delta、Epsilon 這3 個參數(shù)通過TPT 進行反演更新，獲得新的速度模型V2 及新的構(gòu)造層位[11]。重復(fù)上述步驟由淺至深逐個標志層進行網(wǎng)格層析迭代，直至所有層位的Mistie趨近于零。

實際應(yīng)用中，Delta 值在構(gòu)造相對寬緩地區(qū)數(shù)值較小，在主體構(gòu)造兩翼傾角較陡部位較大，顯示該區(qū)域的井震誤差相對較大，需要不斷測試平滑參數(shù)，求準并控制好全區(qū)Delta 值的變化，保證偏移剖面波組不畸變，獲取最終的Delta場模型（圖5）。

圖5 Delta更新對比Fig.5 Comparison of Delta update

通過對Delta 值進行迭代更新，Mistie 的變化逐步趨于收斂。Mistie 的平面圖能夠在一定程度上反映出全區(qū)的井震吻合情況，同時利用該圖進行質(zhì)控，確保Delta值漸進式地更新到位（圖6）。每輪迭代輸出新的偏移速度與Delta 更新值匹配，為下一輪的迭代及偏移驗證做好準備。

圖6 Mistie更新對比Fig.6 Comparison of Mistie update

最后通過疊前偏移進行驗證，剖面質(zhì)控是最有效的質(zhì)控方式，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造的畸變必須立刻返回檢查，調(diào)整反演參數(shù)，控制反演趨勢，確保偏移剖面的成像質(zhì)量。當Delta 值迭代更新結(jié)束后，輸出的解釋層位也同時完成更新。偏移剖面顯示：偏移數(shù)據(jù)、層位和井數(shù)據(jù)吻合度提高，且目的層同相軸未發(fā)生畸變現(xiàn)象，Delta反演結(jié)束，可以繼續(xù)進行Epsilon的迭代（圖7）。

圖7 Delta場更新前后沿水平井軌跡偏移剖面Fig.7 Offset profile along horizontal well trajectory before and after Delta field update

2）Epsilon場迭代

Delta迭代完成后再通過基于構(gòu)造模型網(wǎng)格層析更新Epsilon 場，繼續(xù)提高偏移成像效果。處理中發(fā)現(xiàn)該區(qū)各向異性介質(zhì)存在2 個難點：①Dleta 更新后CMP 道集局部信噪比明顯下降，剩余速度的拾取難度增加；②由于構(gòu)造位置在空間上出現(xiàn)了位移，遠偏移距波組雜亂，各向異性參數(shù)更新難度提高。針對上述難點，在Epsilon的更新中：①首先對CRP道集進行了提高信噪比處理，確保剩余速度拾取的精度；②增加迭代次數(shù)，確保Epsilon更新到位；③利用機器自動識別配合人工修改對剩余速度進行評價工作，篩查不合理拾取點，并進行刪除，提高拾取精度；④目標線滾動選取，采用錯開線號進行目標偏移，并且逐步加密，最終網(wǎng)格點由原先的橫縱向各5條線加密到各1條線，持續(xù)提高計算精度。

通過上述方法的應(yīng)用及Epsilon參數(shù)的控制逐步拉平遠偏移距道集信息。隨著Epsilon 的迭代更新，CRP道集的波組信噪比、連續(xù)性逐步得到提高，遠偏移距弱有效信息得到校正[12]（圖8）。

圖8 Epsilon場迭代更新前后CRP道集Fig.8 CRP gathers before and after iterative update of Epsilon field

通過多輪次的層析成像迭代，速度模型、Delta場、Epsilon 場更新量趨于收斂。更新后的各向異性速度模型通過與偏移剖面進行層疊對比（圖9）顯示：各向異性速度模型在橫縱向刻畫出速度變化趨勢，偏移剖面成像質(zhì)量與準確度得到提高。

圖9 各向同性、各向異性偏移速度模型與偏移剖面疊合Fig.9 Superimposed display of isotropic and anisotropic migration velocity model and migration profile

2.2.4 TTI各向異性參數(shù)求取

通過VTI 介質(zhì)各向異性偏移后的數(shù)據(jù)精度得到提高，但在構(gòu)造較陡或是構(gòu)造變化劇烈部位成像精度仍有提高空間。VTI 介質(zhì)的地層是水平的，而TTI介質(zhì)的地層能夠傾斜，因此，TTI 介質(zhì)的特點適用于該地區(qū)。TTI與VTI介質(zhì)的主要差異是增加了2個描述TTI介質(zhì)的特有參數(shù)——地層的傾角（θ）和方位角（Φ）。因此，TTI 介質(zhì)一共有5 個參數(shù)，分別是：Epsilon、Delta、各向異性速度、TTI介質(zhì)地層的傾角和方位角[13-18]，其中，傾角和方位角在計算過程中發(fā)揮約束作用。

利用pencil 數(shù)據(jù)庫將構(gòu)造模型、速度模型及VTI參數(shù)進行融合以及平滑，并從VTI介質(zhì)偏移數(shù)據(jù)體中提取出傾角及方位角屬性，再通過三維立體顯示可以看出：該工區(qū)地層構(gòu)造較為復(fù)雜，局部甚至可能出現(xiàn)直立地層（圖10），精確成像難度大。在VTI 各向異性參數(shù)的基礎(chǔ)上通過傾角體、方位角體2個參數(shù)的約束控制，求取的TTI介質(zhì)參數(shù)能夠繼續(xù)提高成像精度[19-23]。

圖10 TTI介質(zhì)：傾角體、方位角體Fig.10 TTI medium:obliquity and azimuth

通過深度偏移質(zhì)控發(fā)現(xiàn)，相較于VTI 介質(zhì)，TTI介質(zhì)偏移效果顯示構(gòu)造形態(tài)、目的層成像深度未發(fā)生較大變化，剖面上波組信噪比有一定提升。井軌跡剖面（圖11）顯示：在傾角陡、疑似斷層位置附近，TTI 介質(zhì)效果更優(yōu)，特別是在水平井末段，原先雜亂的波組特征得到改善，同相軸的連續(xù)性提升，最終實現(xiàn)井、地震、構(gòu)造的吻合，更準確地展示地質(zhì)細節(jié)。

圖11 水平井方向偏移剖面Fig.11 Direction offset profile of horizontal wells

3 效果分析

該次處理最終獲得了較高品質(zhì)的地震成果資料。成果剖面（圖12）整體信噪比、分辨率較高，構(gòu)造特征清晰，斷點明確。

圖12 TTI各向異性疊前深度偏移剖面Fig.12 Prestack depth migration profile of TTI anisotropic

各向異性成果偏移剖面三維疊合顯示，井控旅行時恒定層析成像技術(shù)的應(yīng)用極大的提高了速度模型精度，配合采用TTI各向異性成像技術(shù)提高了偏移成像效果，最終實現(xiàn)了井、地震、構(gòu)造的吻合（圖13）。

通過引入網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)、井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)、TTI各向異性成像技術(shù)等多項前沿技術(shù)，不僅解決了約束井的問題，同時指導(dǎo)了后期的井位部署及水平井鉆探導(dǎo)向。通過與實鉆井軌跡進行疊合顯示，并與前期處理資料進行對比發(fā)現(xiàn)，成果地震資料在深度域的產(chǎn)狀與參與約束水平井的軌跡更加吻合，構(gòu)造成像的準確性得到提高，井震誤差小于1%（圖14）。

圖14 井3（驗證井）沿水平井方向偏移剖面Fig.14 Well-3(the verification well)offset profile along horizontal well

4 結(jié)論

1）按照處理解釋一體化的思路，通過構(gòu)造解釋建立的層位模型，進行全區(qū)模型層析速度反演建模（層控），提高了速度模型反演精度，使三維速度體更加符合地質(zhì)規(guī)律，改善了復(fù)雜構(gòu)造帶低信噪比資料成像效果，是解決深度域地層波組產(chǎn)狀與實際地層不一致問題的關(guān)鍵。

2）通過井控各向異性疊前深度速度建模，最終獲取一個與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)保持高度一致的準確速度模型（井控），有效提高了構(gòu)造成像準確性。通過與水平井鉆井軌跡對比，處理成果數(shù)據(jù)與井資料吻合較好，基本解決了井震深度預(yù)測誤差、傾角產(chǎn)狀差異及斷層假象等問題。同時，該方法能夠快速隨鉆更新層位信息，從而指導(dǎo)后期的井位部署及水平井軌跡導(dǎo)向，提高了水平井優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率。

3）使用井約束旅行時恒定層析成像技術(shù)以及TTI各向異性成像技術(shù)，是實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造帶高精度地震成像的關(guān)鍵，成果剖面顯示地震波組在保證一定信噪比、連續(xù)性的基礎(chǔ)上真實反映了地下構(gòu)造的形態(tài)，有效解決了前期資料存在的各類問題，為南川頁巖氣勘探開發(fā)提供了更準確的三維地震數(shù)據(jù)體。