四維地震技術(shù)的發(fā)展與前景探析

楊澤昊，高爾根，孟俊霞 （安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

1 引言

時(shí)間推移地震（time lapse seismic，TLS）是指在每過一段時(shí)間就來(lái)觀測(cè)油氣田的地震數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)油氣的開采量以及開采的狀況，勘探這個(gè)地方是否還分布著剩余的油田，修改優(yōu)化注采石油的方案，從而使油氣達(dá)到高采收率的一整套技術(shù)[1]。時(shí)間推移地震（簡(jiǎn)稱時(shí)移地震）觀測(cè)時(shí)，所采用的技術(shù)基本上是建立在三維地震的基礎(chǔ)上提升的，所以這種技術(shù)又被稱之為四維地震。在20世紀(jì)初，諸多的物理學(xué)研究表明，只有把空間和時(shí)間都糅合成一個(gè)整體看待，從三維視角轉(zhuǎn)化為四維視角，才能正確地研究清楚客觀世界[2]。因?yàn)橛蜌獾姆植?、開采的狀態(tài)等一系列方面都會(huì)由于時(shí)間的推移從而產(chǎn)生出截然相反的結(jié)果，所以把握好正確的時(shí)間，從而掌握四維技術(shù)，才是我們能夠完美觀測(cè)油氣田的必備良方。在20世紀(jì)70年代初，時(shí)移地震才初步展開了研究，它使我們從一開始對(duì)地震、油氣藏的靜態(tài)的描述和歸納轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)視圖來(lái)研究，把以前不具備的時(shí)間和空間相結(jié)合的概念，帶入到油田開發(fā)里，從此之后，擯棄了原有的油田生產(chǎn)方式，轉(zhuǎn)換成了這種新的、具有時(shí)空觀的生產(chǎn)途徑。在當(dāng)時(shí)四維地震的研究和進(jìn)展雖然還處在最基礎(chǔ)、片面的階段，但是數(shù)據(jù)顯示這一新型技術(shù)的研究經(jīng)費(fèi)卻在持續(xù)不斷地提高[3]。就現(xiàn)在而言，四維地震技術(shù)主要運(yùn)用在大油田或者是深海里的大氣油田[4]。從上世界60年代到2015年左右，全世界的石油產(chǎn)量持續(xù)下降，就是因?yàn)槭涂碧郊夹g(shù)的局限性，使開發(fā)開采達(dá)不到應(yīng)有的效率。而2015年后，美國(guó)創(chuàng)新了石油勘探技術(shù)，才讓石油開采量逐步上升。

圖1 1900年到2019年世界各國(guó)石油產(chǎn)量

全世界的石油地震勘探在1997年這一年共花費(fèi)了35億美元，其中僅是時(shí)移地震的花費(fèi)就高達(dá)5億美元，而到了2005年時(shí)移地震費(fèi)用就已經(jīng)達(dá)到了35億美元，乃至今天，花費(fèi)在時(shí)移地震上的費(fèi)用已經(jīng)是一個(gè)天文數(shù)字[5]。本文圍繞新型四維地震的技術(shù)原理、數(shù)據(jù)的采集、處理、解釋等方面來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

2 四維地震的技術(shù)原理

四維地震技術(shù)是分隔出不同的時(shí)間段，在這些時(shí)間段里來(lái)監(jiān)測(cè)和采集三維地震數(shù)據(jù)的信息，從而得出其中的差異，通過運(yùn)用地球物理方法分析和觀測(cè)油氣藏內(nèi)部的流體變化以及有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，進(jìn)行反復(fù)的勘探，最后通過特殊的方法去處理得到的數(shù)據(jù)，解釋數(shù)據(jù)的物理意義[6～7]。因?yàn)殡S著時(shí)間的流逝，油氣藏也會(huì)不停地發(fā)生著變化，就要按照這種變化去探尋其所對(duì)應(yīng)的地震響應(yīng)，而不是去一味地勘探、找尋是否還有油氣藏的存在。這也就是三維地震比較適合看作是一種靜態(tài)的、用來(lái)展示油氣藏狀態(tài)的工具，而四維地震則被用來(lái)當(dāng)作是體現(xiàn)一種全面的、動(dòng)態(tài)的油氣藏管理的根本原因[8]。理論上，如果僅僅只是體現(xiàn)高水準(zhǔn)、高精度，四維地震完全能夠達(dá)到，但是前提是我們必須弄明白為什么會(huì)引起這些差異性的變化。通過現(xiàn)代的三維地震技術(shù)，能夠清晰地觀測(cè)出油藏內(nèi)部各種動(dòng)態(tài)性因素（流體因素，油井地層壓力，地層內(nèi)部溫度）在平面上、剖面上分布的變化，這就是四維地震技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。若是以四維地震的層次視角來(lái)觀測(cè)檢驗(yàn)，其就構(gòu)成了油藏開采狀況隨著流體調(diào)整時(shí)間而變化的函數(shù)圖像。在油藏的開發(fā)過程中，要時(shí)刻注意流體的變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)油藏的原始油水界面，把油藏隨時(shí)間變化的狀態(tài)捕捉清楚，把勘探開發(fā)油氣田的措施優(yōu)化革新，根據(jù)實(shí)時(shí)情況不斷地調(diào)整，更新切合的方案去實(shí)施。這樣，既能大大地提高油氣采收率，同時(shí)又能使油氣田的使用壽命得到極大程度的增加。時(shí)移地震十分重視數(shù)據(jù)的振幅、頻率和相位，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理[9]。研究瞬時(shí)屬性如瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率的斜率的變化，進(jìn)行波阻抗屬性分析及研究油藏流體變化所引起的時(shí)移地震差異，也可以借用計(jì)算機(jī)的可視化功能，對(duì)修井方案不斷改進(jìn)，同時(shí)也要注意到注水井和生產(chǎn)井，其配置也是要著重考慮，以此來(lái)增加油氣采收率。

3 四維地震的數(shù)據(jù)采集

到目前為止，已有的研究表明，必須要求四維地震采集到的數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的三維地震的測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)該在完全一致的條件下，只有時(shí)間這一個(gè)屬性是不同的，其他的變量保持完全一致，這樣才能達(dá)到理想中的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。

在四維地震技術(shù)中，野外采集到的參數(shù)對(duì)收集四維地震的數(shù)據(jù)起著非常重要的作用，采集到的參數(shù)是否合適、有實(shí)驗(yàn)意義，將直接導(dǎo)致四維地震數(shù)據(jù)采集的成功和失敗。這部分參數(shù)基本包括：①定位系統(tǒng)和精度要求；②震源深度(指炸藥埋放的深度和空氣槍系統(tǒng)設(shè)置的位置)；③震源組合(長(zhǎng)度、寬度、采集點(diǎn))；④震源時(shí)使用炸藥的藥量多少；⑤可控震源參數(shù)(起始和終止頻率、相位控制等)；⑥接收器道數(shù)與排列長(zhǎng)度距離；⑦道間距；⑧檢波器線距；⑨檢波器組合；⑩拖纜數(shù)目(海上采集)；?炮線距；?炮檢距；?覆蓋次數(shù)；?炮檢距分布的變化；?三維地震中采集到的炮線和檢波線模式[10]。

4 四維地震的數(shù)據(jù)處理

四維地震技術(shù)從理論上出發(fā)得出的結(jié)論是在我們得出成像的內(nèi)容后，把計(jì)算出的結(jié)果相減，油氣藏的靜態(tài)性質(zhì)(如土層的構(gòu)造、巖性性質(zhì)等)被消去，從而使油氣藏動(dòng)態(tài)流體性質(zhì)(流體因素、油井地層的壓力、地層油氣藏的溫度等)可以直接成像[11]。因此，在油氣藏生產(chǎn)過程中，運(yùn)用延遲時(shí)間的措施持續(xù)不斷地進(jìn)行三維(二維或者其他)地震勘探，可以持續(xù)地觀測(cè)油氣藏的生產(chǎn)過程，從中探尋隨著生產(chǎn)而產(chǎn)生的內(nèi)部屬性的變化，詳細(xì)地描繪出便于觀測(cè)的圖像，并且可以追尋流體流動(dòng)的來(lái)源方式，用動(dòng)態(tài)的方式去觀測(cè)油氣藏，處理數(shù)據(jù)。但是在實(shí)際操作中，卻很難辦到。四維地震數(shù)據(jù)是相隔一段時(shí)間進(jìn)行的、分層次的采集收理，兩次采集看起來(lái)完全一樣的信息，反而可能會(huì)很難確保各項(xiàng)環(huán)境因素、內(nèi)部數(shù)據(jù)完全一致。例如定位系統(tǒng)和精度要求是否一致，震源深度和震源組合的參數(shù)是否相差過大，接收器道數(shù)和排列長(zhǎng)度的不同，覆蓋次數(shù)的差異和炮檢距炮線距不同等。所有這些因素的差異都會(huì)造成演示結(jié)果之間的迥異，可能有時(shí)候得出的數(shù)據(jù)誤差過大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)沒有物理意義。特別是由于地震技術(shù)的進(jìn)步，我們觀測(cè)勘探新的地震不可能與原有的地震采用同樣的采集、處理方式。時(shí)代在不斷變化，技術(shù)也在一直革新，地震也在往多樣性、復(fù)雜性去演變。這就決定了時(shí)移地震的監(jiān)測(cè)觀察，必須大力發(fā)展技術(shù)研究，提高采集信息數(shù)據(jù)的能力，不再是僅僅局限于一種或兩種勘探方式，而是多種科技結(jié)合，共同加強(qiáng)對(duì)地震技術(shù)的研究，把由各種非地質(zhì)因素引起的實(shí)驗(yàn)誤差、測(cè)量誤差降到最低限度。

四維地震數(shù)據(jù)處理主要采用歸一化處理方法。把數(shù)據(jù)的時(shí)間、振幅、頻率和相位歸一化，是四維地震能不能成功處理好數(shù)據(jù)的重要部分。針對(duì)四維地震數(shù)據(jù)各個(gè)方面的差異，通過多個(gè)校正歸一化算子分別對(duì)地震剖面的主要問題等方面進(jìn)行匹配校正。要想正確處理校正差異，運(yùn)用一種可以實(shí)現(xiàn)最高匹配度的濾波器，對(duì)著每條測(cè)線的有效震源信號(hào)來(lái)進(jìn)行整改，使其與設(shè)置的用來(lái)參考的測(cè)線震源信號(hào)一致，從而計(jì)算出相匹配的校正匹配算子，最后再來(lái)進(jìn)行校正[12]。然后通過石油隨時(shí)間流逝，觀測(cè)其開采量和注水量的變化，從而分析地震屬性和差異性分布特征隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。運(yùn)用地震波阻抗有色反演技術(shù)獲得地震波數(shù)據(jù)和油藏波數(shù)據(jù)，迅速有效地處理地震數(shù)據(jù)，提出合理高效的開發(fā)方案[13～14]。

5 四維地震的數(shù)據(jù)解釋

數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理則是維系的關(guān)系與紐帶，而數(shù)據(jù)的分析與解釋是展示勘探成果的關(guān)鍵階段[15]。

把四維地震的數(shù)據(jù)解釋看作是一個(gè)描述油藏變化過程的動(dòng)態(tài)視圖。四維地震數(shù)據(jù)解釋不僅要把井位處的儲(chǔ)集層信息推廣至井間數(shù)據(jù)體，而且還要通過如差異性、相似性技術(shù)、儲(chǔ)集層描述、地震模擬和儲(chǔ)集層模擬等分析手段，辨析儲(chǔ)集層中的流體驅(qū)替和泄油路徑，根據(jù)油藏流體的特性，來(lái)動(dòng)態(tài)地展示出直接圖像，用來(lái)分辨當(dāng)前區(qū)域是否是剩余油區(qū)[16]。由目前已有的資料得出，四維地震資料解釋的方法可以分為三種。

5.1 直接分析方法

因?yàn)橛蜌獾漠a(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)集層物理性質(zhì)（如流體因素、油井地層的壓力和地層油氣藏的溫度等）的變化，這些變化就有可能會(huì)使監(jiān)測(cè)三維地震資料時(shí)，收集到的儲(chǔ)集層層間時(shí)差、速度振幅和分位點(diǎn)頻率的數(shù)據(jù)不同甚至是迥異。通過對(duì)基礎(chǔ)測(cè)量和監(jiān)測(cè)測(cè)量這些特征的差值進(jìn)行直接分析，就有概率可以辨別出流體驅(qū)替，來(lái)對(duì)采油增產(chǎn)的過程進(jìn)行全方面的觀測(cè)檢查。其中有幾個(gè)小方法：①層間時(shí)差分析法；②振幅分析法；③速度分析法；④頻譜分析法。

5.2 地震屬性分析方法

在四維地震資料的解釋中，有時(shí)候會(huì)比較片面地運(yùn)用時(shí)差、振幅和波阻抗，這就導(dǎo)致當(dāng)儲(chǔ)集層流體出現(xiàn)了特殊變化時(shí)，上述的方法就比較難以去詳盡地描述。四維地震屬性分析技術(shù)應(yīng)包括四個(gè)方面：①地震屬性的計(jì)算；②地震屬性特征的優(yōu)化；③地震屬性特征的標(biāo)定；④四維地震屬性的聚類分析。

5.3 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)集層描述方法

勘探與生產(chǎn)機(jī)構(gòu)的最終方向是通過提高儲(chǔ)量和通過增加投資效益的方式來(lái)擴(kuò)大改良生產(chǎn)。如果想要實(shí)施高效的油藏管理，就要求對(duì)儲(chǔ)集層特性及其在油田內(nèi)的分布有著較為深入的研究了解。通過闡述該模型的通用性、相關(guān)性及動(dòng)態(tài)性的活動(dòng)范圍，將其輸入到項(xiàng)目軟件中。最后通過運(yùn)用各種項(xiàng)目原理和方法,可以對(duì)各種方面的觀點(diǎn)、工作流程和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行深刻的思考與討論[17]。

6 四維地震的前景與未來(lái)

四維地震技術(shù)是在三維地震技術(shù)的基礎(chǔ)上帶入了時(shí)空觀念，對(duì)油田的管理與開采帶來(lái)了新思想與新方法，對(duì)油氣藏正確的布局和開采油氣藏提供了良好的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐。而四維地震之所以受到諸多石油公司的普遍重視，原因是目前世界上油田的平均采收率在35%左右，而其中大部分儲(chǔ)量都是在老油區(qū)里面，如果采用適當(dāng)?shù)脑霎a(chǎn)措施，四維地震技術(shù)可能會(huì)將平均采收率提高到70%左右，這是一個(gè)很驚人的數(shù)字。從老油田開采出更多的石油，這是有著重大意義的行為，和在新的地方勘探出新石油同樣重要，而且前者還是一個(gè)回報(bào)率更突出的有效途徑。四維地震項(xiàng)目的成功實(shí)現(xiàn)需要把多種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并且嫻熟地使用各項(xiàng)技能，同時(shí)也要和各部門保持密切配合。對(duì)這種跨學(xué)科的決策和分析，要求四維地震的項(xiàng)目必須是綜合性的。資料分析的性質(zhì)也決定了四維地震項(xiàng)目組的組成同樣是綜合性的。從實(shí)際的角度來(lái)說，在對(duì)四維地震數(shù)據(jù)的分析與解釋的過程中，就要求地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家、油藏工程師和油氣物理學(xué)家互通有無(wú)，共同解決一個(gè)項(xiàng)目難題。同時(shí)，又因?yàn)樗鎸?duì)的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷變化的問題，所以對(duì)資料的快速分析和解釋也是必須放在首位去思考的問題。有數(shù)據(jù)證明，四維地震技術(shù)在勘探、開采、管理油氣田上正在逐步地取代三維地震技術(shù)，并且將在未來(lái)的技術(shù)開發(fā)研究中起到至關(guān)重要的作用。目前，從全世界各國(guó)的人均石油開采率來(lái)看，我國(guó)還是處于中下游階段，和西方國(guó)家還存在著技術(shù)上的差距。

圖2 2019年世界各國(guó)人均石油開采率

但是有理由相信，我國(guó)能在目前的四維地震技術(shù)上做出創(chuàng)新，在動(dòng)態(tài)化、可視化方面加強(qiáng)研究，在測(cè)量勘探等基礎(chǔ)設(shè)施方面做到細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，全方位做好數(shù)據(jù)的采集、分析處理。