觀測(cè)系統(tǒng)炮道密度退化對(duì)河道砂體和斷層識(shí)別能力的影響
——以GSM高密度三維觀測(cè)系統(tǒng)在川中沙溪廟組勘探為例

李修明，劉志剛，閆小偉，喬彥國(guó)，侯小平，王 聰

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 西南物探研究院，四川 成都 610084)

0 引言

GSM高密度勘探區(qū)域位于四川盆地川北古中坳陷低緩帶和川中古隆中斜平緩帶[1]之間，主要為EW向背斜構(gòu)造，斷層較為發(fā)育。研究區(qū)在其目的層多口井獲得工業(yè)氣流，沙溪廟組河道砂和底部席狀砂是含氣有利層段。因此開(kāi)展針對(duì)川中侏羅系沙溪廟組[2]河道砂體和斷層刻畫研究顯得尤為重要。相較于傳統(tǒng)觀測(cè)系統(tǒng)，高密度勘探觀測(cè)系統(tǒng)[3]具有高覆蓋、小面元等特征，同時(shí)具有更高的信噪比、分辨率和保真度[4]，但其勘探成本和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量巨大，且受激發(fā)和接收多種因素制約[5]。因此綜合考慮勘探成本和滿足川中沙溪廟組目的層刻畫成像的需求上如何選擇更加經(jīng)濟(jì)適宜的觀測(cè)系統(tǒng)即為本文探討目的。

眾多學(xué)者針對(duì)面元大小和炮道密度做過(guò)深入研究，認(rèn)為面元越小剖面成像精度越高，炮道密度越高剖面信噪比越高[6]。屠世杰[7]指出炮密度主要影響深層分辨率，而道密度主要影響淺層分辨率，同時(shí)增加炮、道密度可以增加剖面分辨率，但是信噪比與炮道密度存在一個(gè)門檻值，門檻值內(nèi)信噪比隨炮密度或道密度的增大明顯提高，超過(guò)該門檻值，再增大炮密度或道密度時(shí)信噪比僅有微弱改善。王海[8]認(rèn)為只要滿足橫向分辨率和最高無(wú)混疊頻率的要求，沒(méi)有必要過(guò)分尋求小面元。因此針對(duì)炮道密度的選擇，應(yīng)在滿足目的層識(shí)別能力的條件下，考慮經(jīng)濟(jì)成本和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小的情況，選取一個(gè)最佳勘探觀測(cè)系統(tǒng)面元尺寸[9]，通過(guò)抽稀炮點(diǎn)密度和接收點(diǎn)密度得到幾種不同炮道密度觀測(cè)系統(tǒng)[10]，進(jìn)行定量分析，總結(jié)出幾套適用于川中沙溪廟組不同目的區(qū)且性價(jià)比高的觀測(cè)系統(tǒng)。

本文基于中國(guó)西部GSM地區(qū)高密度三維地震觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)際資料，通過(guò)對(duì)原始高密度觀測(cè)系統(tǒng)炮檢點(diǎn)間距抽稀得到觀測(cè)系統(tǒng)A，然后在觀測(cè)系統(tǒng)A的基礎(chǔ)上對(duì)炮道密度進(jìn)行不同程度抽稀得到觀測(cè)系統(tǒng)B、C、D。對(duì)這四套數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)分析，在面元尺寸相同的情況下，分析這四套不同炮道密度觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)川中地區(qū)沙溪廟組河道砂體儲(chǔ)層以及斷層斷距識(shí)別能力。針對(duì)四種觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同寬度河道和不同厚度砂體的識(shí)別情況找出最合適的觀測(cè)系統(tǒng)，在保證勘探滿覆蓋以及能夠準(zhǔn)確識(shí)別川中沙溪廟組砂體厚度以及斷層的前提下，盡量控制成本，從而實(shí)現(xiàn)高效采集。

1 三維高密度觀測(cè)系統(tǒng)抽稀實(shí)驗(yàn)

1.1 炮密度、道密度、面元大小與覆蓋次數(shù)定義

對(duì)于三維地震觀測(cè)系統(tǒng)中炮密度DR和接收道密度DS由式(1)和(2)定義：

(1)

(2)

式中：RI為接收點(diǎn)間隔，RLI接收線間隔，SI為炮點(diǎn)間隔，SLI為炮線間隔。

地震道密度DT由式(3)計(jì)算：

(3)

式中：SS為排列片有效面積。將式(1)和式(2)代入式(3)，可以得出地震道密度和炮密度、接收道密度之間的關(guān)系：

DT=SSDRDS

(4)

同時(shí)，觀測(cè)系統(tǒng)縱橫向面元大小由炮點(diǎn)間距RI和檢波點(diǎn)間距SI決定：

(5)

(6)

縱橫向覆蓋次數(shù)fx和fy如式(7)所示：

(7)

總覆蓋次數(shù)fl如式(8)所示：

(8)

式中：NR為排列接收道數(shù)，NRL為接收線數(shù)。

對(duì)式(8)的分子和分母同時(shí)乘上接收線間隔RLI和面元大小得到式(9)：

fl=(NRRINRLRLI)(a×b)×

(9)

令SB=a×b，得到：

fl=SSSBDRDS

(10)

fl=SBDT

(11)

(12)

從式(12)可知，對(duì)于某個(gè)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)，可以選取一個(gè)相同大小的面元，通過(guò)減少炮、道密度進(jìn)行抽稀處理得到幾種觀測(cè)系統(tǒng)，研究幾種不同抽稀后的觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)川中沙溪廟組河道砂體儲(chǔ)層厚度和斷層的識(shí)別精度，以期得到針對(duì)川中侏羅系沙溪廟組不同勘探目標(biāo)的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.2 四種不同觀測(cè)系統(tǒng)抽取方案

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)四種觀測(cè)系統(tǒng)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。首先對(duì)高密度數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)中所有炮線上的炮點(diǎn)隔取三炮取一炮，使得炮密度是高密度炮密度的1/4，同樣在接收線上接收道也采用隔三道留一道的方式，使得接收道密度是高密度接收道密度的1/4，從而得到面元大小為20 m×20 m的抽稀觀測(cè)系統(tǒng)A，然后在觀測(cè)系統(tǒng)A的基礎(chǔ)上對(duì)炮道密度進(jìn)行不同程度抽稀得到觀測(cè)系統(tǒng)B、C、D。對(duì)這四個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)A、B、C、D按相同處理流程處理，需要說(shuō)明的是，為使各套數(shù)據(jù)沒(méi)有時(shí)差，筆者未對(duì)每套數(shù)據(jù)分別進(jìn)行初至拾取和約束層析靜校正計(jì)算，而是采用高密度數(shù)據(jù)的約束層析靜校正量和相同偏移速度模型進(jìn)行疊前偏移處理分析。

2 分辨率分析

在本文分辨率分析中，對(duì)中侏羅統(tǒng)沙溪廟組河道砂體和斷層進(jìn)行河道寬度、斷層斷距、厚薄砂體厚度計(jì)算，將每種觀測(cè)系統(tǒng)方案的幾種識(shí)別極限值作為評(píng)判識(shí)別能力標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，選擇出不同勘探目標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2.1 河道砂體地震響應(yīng)特征分析

研究區(qū)域主要位于四川盆地中北部，區(qū)域構(gòu)造位置位于川北—川中過(guò)渡帶，在構(gòu)造上處于四川盆地川中古隆中斜平緩構(gòu)造區(qū)與川北古中坳陷低緩構(gòu)造區(qū)結(jié)合部，西臨八角場(chǎng)構(gòu)造，東臨營(yíng)山構(gòu)造，地表出露上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組。在構(gòu)造演化上同樣經(jīng)歷了四川盆地的沉積—構(gòu)造演化史，相繼沉積了中三疊統(tǒng)以下的以碳酸鹽巖為主的海相地層和上三疊統(tǒng)—新近系的以砂泥巖為主的陸相地層；歷經(jīng)了加里東、華力西、印支、燕山及喜山等多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜山運(yùn)動(dòng)對(duì)構(gòu)造的形成具有重要影響，受盆地剛性基底的控制，構(gòu)造發(fā)展演化具繼承性(圖1)。

表1 四種不同觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

前期研究表明，川中地區(qū)侏羅系主要為一套內(nèi)陸淡水湖相碎屑巖沉積，由下而上地層層序依次為自流井組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊組。沙溪廟組厚度為1800～2000 m，自下而上又分為沙一段和沙二段，進(jìn)一步結(jié)合沉積旋回特征自下而上可以將沙二段劃分為沙二底、沙二二底、沙二三底和沙二四底。通過(guò)測(cè)井侏羅系沙溪廟組儲(chǔ)層綜合圖(圖2)可知，沙溪廟組儲(chǔ)層為致密砂巖背景下的相對(duì)高孔砂巖。其測(cè)井響應(yīng)具有以下特征：砂體在聲波時(shí)差曲線上主要表現(xiàn)為低聲波時(shí)差的響應(yīng)特征，儲(chǔ)層段聲波時(shí)差略高，整體表現(xiàn)為低聲波時(shí)差背景中的相對(duì)較高段，聲波時(shí)差值分布在40～95 μs/ft之間，井間差異明顯；密度曲線值主要分布在1.8～2.65 g/cm3之間，儲(chǔ)層段密度有所降低；自然伽馬曲線上砂體呈明顯的箱型或漏斗狀，RG值分布范圍為10～150 API，有利砂巖表現(xiàn)為相對(duì)低GR值的響應(yīng)特征，儲(chǔ)層伽馬值在55～90 API之間；電阻率曲線值分布在7～350 Ω·m之間，砂巖呈高電阻特征，孔隙發(fā)育電阻降低。

根據(jù)川中侏羅系沙溪廟組河道儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征可知，河道相對(duì)圍巖可呈現(xiàn)相對(duì)高速、相對(duì)低速或速度接近的特征，測(cè)井分析河道砂體平均速度為4100 m/s，計(jì)算可知河道砂體調(diào)諧厚度約為25 m。通過(guò)進(jìn)一步測(cè)井分析，為分析河道地震響應(yīng)特征，設(shè)計(jì)一個(gè)大小為3700×1500 m四層含不同速度和孔隙度砂體正演模型，自下而上厚度分別為300、200、200、850 m，速度分別為4700、4400、4500、4400 m/s，并在第二層和第三層分別設(shè)立長(zhǎng)50 m、寬為0～25(調(diào)諧厚度)m、por(孔隙度)3～12為相對(duì)圍巖高速和低速的4種楔狀砂體模型進(jìn)行正演 (圖3)。采用40 Hz雷克子波進(jìn)行正演模擬，正演結(jié)果 (圖4) 表明：①對(duì)于相對(duì)圍巖高速河道，其頂界表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射，底界為強(qiáng)波谷反射，當(dāng)河道砂體厚度等于調(diào)諧厚度(25 m)時(shí)，河道頂界波峰反射強(qiáng)度最大；②對(duì)于相對(duì)圍巖低速河道，其頂界表現(xiàn)為強(qiáng)波谷反射，底界為強(qiáng)波峰反射，當(dāng)河道砂體厚度等于調(diào)諧厚度時(shí)，河道底界波峰反射強(qiáng)度最大；③相同砂體厚度，低速砂底界反射能量越強(qiáng)，高速砂頂界反射能量越弱，儲(chǔ)層物性越好；④相同儲(chǔ)層物性，低速砂底及高速砂頂振幅越強(qiáng)，儲(chǔ)層厚度越大。因此可以根據(jù)反射同相軸頂?shù)捉缑鎻?qiáng)波峰或者強(qiáng)波谷反射振幅等特征來(lái)識(shí)別疊后地震剖面中的河道砂體。通過(guò)對(duì)川中沙溪廟組河道寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將河道分為大型河道(寬度>1000 m)、中型河道(600 m<寬度<1000 m)、較小型河道(100 m<寬度<600 m)、小型河道(寬度<100 m)四類。

首先從平面方向分析川中沙溪廟組河道砂體展布特征，圖5為高密度、A、B、C和D這五套觀測(cè)系統(tǒng)川中沙溪廟組一段內(nèi)部均方根振幅屬性(2號(hào)河道)對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以看出五套數(shù)據(jù)大、中型河道形態(tài)基本一致，觀測(cè)系統(tǒng)A、B、C和D由于炮密度和檢波點(diǎn)密度逐步降低，空間分辨率減低，河道邊界出現(xiàn)模糊化效應(yīng)，但定性來(lái)看A、B、C三套數(shù)據(jù)大型河道、中型河道整體形態(tài)與高密度數(shù)據(jù)基本一致，僅在細(xì)小河道形態(tài)差別較大，以圖5中紅框?yàn)槔?，高密度?shù)據(jù)河道邊界清楚，河道展布連續(xù)，能分辨出最小55 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)A能識(shí)別最小71 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)B能識(shí)別最小74 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)C能識(shí)別最小74 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)D能識(shí)別最小98 m寬小河道。從圖6疊加反射剖面對(duì)比可以看出，觀測(cè)系統(tǒng)A、B、C和D由于炮道密度逐漸降低，剖面上河道亮點(diǎn)反射逐步減弱，觀測(cè)系統(tǒng)D已經(jīng)無(wú)法識(shí)別河道亮點(diǎn)。

2.2 斷層斷距識(shí)別分析

圖7和圖8分別為高密度、A、B、C和D這五套觀測(cè)系統(tǒng)在川中沙溪廟組二段1底界相干切片屬性整體與局部對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以看出，從大斷裂分布情況可以看出五套數(shù)據(jù)分布基本一致，在小斷裂刻畫方面，從圖7中紅框可以看出，隨著炮道密度逐漸降低，空間分辨率降低，平面上斷裂斷距逐漸變短，小斷裂斷距無(wú)法識(shí)別。圖9和圖10為觀測(cè)系統(tǒng)D在InLine方向能識(shí)別極限斷距時(shí)五個(gè)疊后地震剖面整體和局部圖，從圖9和圖10中可以看出，當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)D能識(shí)別極限斷距為16 m時(shí)候，其余相應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)都能識(shí)別此斷距尺寸。圖11為圖7觀測(cè)系統(tǒng)D在斷層斷距剛剛消失處InLine方向五個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)疊后地震剖面，圖12為圖11中紅框放大圖對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以看出，在觀測(cè)系統(tǒng)D無(wú)法識(shí)別斷層斷距時(shí)，高密度觀測(cè)系統(tǒng)識(shí)別極限斷距約為6 m，A觀測(cè)系統(tǒng)識(shí)別極限斷距約為10 m，B、C觀測(cè)系統(tǒng)識(shí)別極限斷距約為12 m。圖13為高密度、A、B和C四套觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)疊前縱橫波比反演剖面，通過(guò)對(duì)比可以看出，對(duì)于41 m的厚砂體，觀測(cè)系統(tǒng)A、B幾乎能達(dá)到與高密度觀測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)淖R(shí)別效果，觀測(cè)系統(tǒng)C的識(shí)別效果最差，而針對(duì)薄砂體，高密度觀測(cè)系統(tǒng)識(shí)別效果最好，砂體厚度為6 m，A、B觀測(cè)系統(tǒng)識(shí)別效果略低，砂體厚度為8 m，C觀測(cè)系統(tǒng)識(shí)別效果最差，砂體厚度為10 m。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)高孔隙度低速河道和低孔隙度高速河道等四種楔狀模型進(jìn)行正演結(jié)果表明：① 對(duì)于相對(duì)高速圍巖河道，其頂界表現(xiàn)為強(qiáng)波峰反射，底界為強(qiáng)波谷反射，當(dāng)河道砂體厚度等于調(diào)諧厚度(25 m)時(shí)，河道頂界波峰反射強(qiáng)度最大。② 對(duì)于相對(duì)低速圍巖河道，其頂界表現(xiàn)為強(qiáng)波谷反射，底界為強(qiáng)波峰反射，當(dāng)河道砂體厚度等于調(diào)諧厚度時(shí)，河道底界波峰反射強(qiáng)度最大；③ 相同砂體厚度，低速砂底界反射能量越強(qiáng)，高速砂頂界反射能量越弱，儲(chǔ)層物性越好；④ 相同儲(chǔ)層物性，低速砂底及高速砂頂振幅越強(qiáng)，儲(chǔ)層厚度越大。

2)對(duì)于川中沙溪廟組大中型河道，觀測(cè)系統(tǒng)A、B、C和D均能識(shí)別河道邊界，且河道寬度與高密度數(shù)據(jù)一致，針對(duì)小型河道，高密度觀測(cè)系統(tǒng)平面上小型河道連續(xù)，剖面上清晰識(shí)別河道亮點(diǎn)，河道邊界清楚，河道展布連續(xù)，能分辨出最小55 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)A能識(shí)別最小71 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)B能識(shí)別最小74 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)C能識(shí)別最小74 m寬小河道，觀測(cè)系統(tǒng)D能識(shí)別最小98 m寬小河道。

3)當(dāng)采用面元大小為20 m×20 m時(shí)，B、C觀測(cè)系統(tǒng)在分辨率上幾乎與A觀測(cè)系統(tǒng)幾乎相當(dāng)，這說(shuō)明當(dāng)炮道密度達(dá)到一個(gè)門檻值，即使增加兩倍炮道密度時(shí)信噪比僅有微弱改善。

4)當(dāng)川中沙溪廟組目標(biāo)河道寬度約為55 m，斷層斷距約為6 m，薄砂體厚度約為6 m時(shí)，可采用高密度觀測(cè)系統(tǒng)；當(dāng)勘探目標(biāo)河道寬度約為71 m，斷層斷距約為10 m，薄砂體厚度約為8 m時(shí)，可采用A觀測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)勘探目標(biāo)河道寬度約為74 m，斷層斷距約為12 m，薄砂體厚度約為8 m時(shí)，可采用B觀測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)勘探目標(biāo)河道寬度約為74 m，斷層斷距約為12m，薄砂體厚度約為10 m時(shí)，可采用C觀測(cè)系統(tǒng)。