基于正演模擬的高速底礫巖振幅屏蔽特性分析及補償

明 君,彭 剛,王建立

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459)

在許多油氣儲量豐富的海上探區(qū),地下地層中存在著不穩(wěn)定分布的底礫巖。由于底礫巖速度、密度等物理性質(zhì)遠高于周圍地層,因此形成了強反射界面,對地震波場產(chǎn)生了極強的屏蔽作用,導(dǎo)致底礫巖下伏地層地震資料品質(zhì)差。在含底礫巖探區(qū)的實際地震資料的處理和解釋過程中,發(fā)現(xiàn)底礫巖下伏地層成像時出現(xiàn)明顯的“能量陰影”,均方根振幅(root mean square,RMS)屬性能量分布不均勻,強弱變化較快,這種現(xiàn)象通常被稱為強振幅屏蔽,對構(gòu)造和儲層的精細研究以及儲量的準確估算造成了極大的挑戰(zhàn)。

前人已經(jīng)開展過大量地震勘探中強振幅屏蔽的研究。吳志強等[1]、王建花等[2]根據(jù)地震波能量定量計算的結(jié)果,認為界面上、下地層速度比越大,屏蔽作用越強;郭樹祥[3]通過建立不同類型的火成巖模型,分析了正演模擬單炮的屏蔽效應(yīng);劉立民等[4]將逆時偏移技術(shù)應(yīng)用于振幅屏蔽區(qū)域,其成像效果明顯優(yōu)于Kirchhoff疊前深度偏移的結(jié)果;王志等[5]對強振幅屏蔽下弱反射界面的廣角反射法進行了反射特征及影響因素的研究;張軍華等[6]對聲波測井以及錄井資料進行了正演模擬,分析了受強振幅屏蔽影響地層的地球物理機制;還有一些學(xué)者對底礫巖等高速屏蔽層的物性特征、地質(zhì)形態(tài)進行了大量的研究[7-10]。這些研究成果有助于我們認識振幅屏蔽效應(yīng)的特征。為實現(xiàn)強振幅屏蔽補償,目前常用的一種思路是從強反射界面的剝離或壓制的角度出發(fā),突出強反射界面下伏屏蔽層的能量。江馀等[11]應(yīng)用優(yōu)化后的模態(tài)分解技術(shù),剝離了強反射界面的能量,從而增強了下伏屏蔽層的能量強度;朱博華等[12]采用匹配追蹤法分離了油頁巖強反射界面;顧雯等[13]利用地震波形的橫向變化信息替代變差函數(shù),完成了高頻信息的井震聯(lián)合反演,削弱了強反射界面的影響;張憲旭[14]采用了基于模型驅(qū)動的煤層強反射能量衰減方法壓制實際煤層反射,取得了良好的效果。強振幅屏蔽通常是多種影響因素共同作用的結(jié)果,從剝離或壓制強反射界面的角度提出的許多針對強屏蔽層的振幅補償技術(shù)不具有普適性,難以從根源上解決屏蔽問題。因此從理論分析的角度進一步加強對強振幅屏蔽的研究,并且提出合理補償方案,對于海上含底礫巖探區(qū)的高精度成像和油氣儲量預(yù)測具有重要的意義。

實測地震數(shù)據(jù)中的強振幅屏蔽受到地下介質(zhì)等多種因素的綜合影響,各種因素的影響程度難以區(qū)分和量化。正演模擬可以基于控制單一變量的原則,逐個對影響因素進行模擬分析,分別得到它們對強振幅屏蔽的影響程度,有助于更準確地認識強振幅屏蔽的特征,排除其它地下介質(zhì)因素的干擾。本文首先針對不同形態(tài)特征及物性參數(shù)的底礫巖,建立了不同的正演模型,利用彈性波動方程對正演模擬數(shù)據(jù)進行了逆時偏移處理;其次對正演地震數(shù)據(jù)的逆時偏移(reverse time migration,RTM)成像剖面進行了沿層振幅統(tǒng)計,計算出了屏蔽比例系數(shù),對不同形態(tài)的底礫巖所造成的強振幅屏蔽進行了量化分析,得出了不同因素導(dǎo)致的屏蔽效應(yīng)的強弱關(guān)系;最后根據(jù)前人的研究成果以及生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗,分別從地震數(shù)據(jù)采集和處理兩個方面提出了削弱強振幅屏蔽影響以及能量補償?shù)姆桨?并將其應(yīng)用于正演地震數(shù)據(jù)和實際地震數(shù)據(jù)的能量補償,以驗證方法的有效性。

1 彈性波能量分配原理

當彈性縱波傳播到介質(zhì)分界面上時,一部分能量繼續(xù)透過界面向下傳播,稱為透射波;另一部分能量反傳回界面上覆介質(zhì)中,稱為反射波。地震觀測系統(tǒng)可以接收到傳播到地面的部分能量,該部分能量反映了該界面在地震剖面中能量的強弱。為了描述上述反射透射關(guān)系,佐普里茲在1919年推導(dǎo)出了Zoeppritz方程[15]。

假設(shè)在由兩種半無限彈性介質(zhì)形成的分界面上,該界面上覆介質(zhì)稱為介質(zhì)1,下伏介質(zhì)稱為介質(zhì)2,傳播至該界面的平面簡諧縱波產(chǎn)生反射縱波、反射橫波、透射縱波、透射橫波4種波場。α為入射縱波的入射角和反射縱波的反射角,β為反射橫波的反射角,α′為透射縱波的透射角,β′為透射橫波的透射角?？v、橫波的反射和透射系數(shù)均可用如下的Zoeppritz方程表示:

(1)

式中:ρ1和ρ2分別表示介質(zhì)1和介質(zhì)2的密度;vP1,vP2分別表示介質(zhì)1和介質(zhì)2的縱波傳播速度;vS1,vS2分別表示介質(zhì)1和介質(zhì)2中的橫波傳播速度;RPP表示反射縱波的反射系數(shù);RPS表示反射橫波的反射系數(shù);TPP表示透射縱波的透射系數(shù);TPS表示透射橫波的透射系數(shù)。利用上述方程,我們可以根據(jù)地震波的入射角以及地層的彈性參數(shù),計算出反射系數(shù)的值,進而可以推算出反射波的能量。

Zoeppritz方程非常復(fù)雜,難以推導(dǎo)出其解析解。為此,許多學(xué)者進行了大量簡化Zoeppritz方程解析解的研究[16-18]。其中,應(yīng)用最為廣泛的是SHUEY在1985年提出的Zoeppritz方程近似公式——Shuey公式,該公式的使用前提是界面兩側(cè)介質(zhì)的彈性系數(shù)變化小,具體公式如下:

(2)

2 強屏蔽層正演模擬及成像分析

通過前文對Shuey公式的分析可知,地下巖性突變的異常介質(zhì)會對振幅產(chǎn)生顯著影響,本文的研究目標底礫巖為地下一種典型的巖性突變介質(zhì)。圍繞底礫巖的物理性質(zhì)及展布特點進行正演,主要考慮受強振幅屏蔽影響的地層深度、底礫巖的長度、厚度、層數(shù)及速度5個因素,并分析其對強振幅屏蔽的影響程度。圖1為含底礫巖的基礎(chǔ)速度模型,模型長3000m,深1000m,圖中僅顯示局部,共有6套水平層位及多套底礫巖,其具體參數(shù)見表1。后續(xù)章節(jié)所采用的正演速度模型都是以此模型的物性參數(shù)為基本框架,通過修改前述的某一物性參數(shù)(如地層深度、底礫巖長度等)衍生而成。修改的參數(shù)值會在文中特別說明,其他未作說明的參數(shù)值與此基礎(chǔ)速度模型一致。對底礫巖下伏的三個反射界面由淺至深分別標記為R1、R2、R3,由于反射界面R2相鄰的上下兩層介質(zhì)的波阻抗與反射界面R2的波阻抗差異較小(具體數(shù)值見表1),導(dǎo)致R2產(chǎn)生的反射波振幅也遠小于R3產(chǎn)生的反射波振幅。為便于對試驗結(jié)果的分析和描述,后續(xù)章節(jié)所述正演模型繼續(xù)沿用此標號。本節(jié)所述各種速度模型皆采用同一觀測系統(tǒng)進行正演模擬,炮間距為25.0m,道間距為12.5m,每炮80道接收。正演模擬的子波為主頻25Hz的雷克子波,算法為彈性波有限差分方法,共80個炮集。對模擬數(shù)據(jù)沒有應(yīng)用振幅補償?shù)燃夹g(shù),從而保證處理所得成像剖面的保幅性和后續(xù)振幅分析的準確性。

圖1 含底礫巖的基礎(chǔ)速度模型

表1 正演速度模型層狀介質(zhì)彈性參數(shù)

2.1 不同反射界面深度

圖2為3種不同深度反射界面的RTM成像剖面(圖左)及其速度模型(圖右),其中圖2a,圖2b和圖2c對應(yīng)反射界面R3的深度分別為700,800,900m,用于分析研究不同地層深度受強振幅屏蔽的影響程度。

圖2 不同深度反射界面的RTM成像剖面(左)及其對應(yīng)的速度模型(右)a 700m; b 800m; c 900m

圖3為不同深度反射界面的RTM成像剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線,分別對應(yīng)圖2中RTM成像剖面同相軸R1,R2,R3的振幅強度。其中圖3a至圖3c 分別對應(yīng)的反射界面R3的深度為700,800,900m。由振幅曲線可以看出,由于3種模型的R1,R2相關(guān)參數(shù)全部相同,其曲線的形態(tài)也保持一致,其中反射界面R1的振幅曲線在底礫巖區(qū)域表現(xiàn)出振幅增強的特性,而其下方的反射界面R2的振幅曲線在底礫巖區(qū)出現(xiàn)明顯的振幅減弱,即振幅屏蔽現(xiàn)象;隨著3種模型中的反射界面R3深度的增加,振幅屏蔽的強度逐漸減小(圖3a至圖3c所示的R3界面),但整體對振幅的影響程度較小,通常小于10%。

圖3 不同深度反射界面的RTM成像剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線a 700m; b 800m; c 900m

2.2 不同底礫巖長度

圖4為含有不同長度底礫巖的RTM深度剖面及其相應(yīng)的速度模型,3塊底礫巖的其它參數(shù)相同,長度從左到右依次為200,400,600m,通過長度的變化,研究其對振幅屏蔽的影響程度。

圖4 含不同長度底礫巖的RTM深度剖面(a)及其對應(yīng)的速度模型(b)

圖5為對圖4a中含不同長度底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線,圖5a至圖5c分別為反射界面R1,R2,R3的沿層統(tǒng)計的振幅曲線?？梢钥闯?反射界面R1的振幅曲線中出現(xiàn)3個振幅增強的區(qū)域,即反射界面R1的振幅曲線在底礫巖區(qū)域會表現(xiàn)出強振幅的特性,振幅增強的幅度一致,但范圍隨著底礫巖長度的增加而增加;在底礫巖下方的反射界面R2,R3的振幅曲線中,出現(xiàn)了3個振幅減弱的區(qū)域,即存在振幅屏蔽現(xiàn)象,同一層不同長度的底礫巖的屏蔽的幅度相同,但屏蔽的范圍隨著底礫巖長度的增加而增大。

圖5 對圖4a中含不同長度底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線a R1; b R2; c R3

2.3 不同底礫巖厚度

圖6為含有不同厚度底礫巖的RTM深度剖面及其對應(yīng)的速度模型,在3組底礫巖的其它參數(shù)相同的條件下,厚度從左到右依次增大,分別為7.5,15.0,30.0m,通過改變底礫巖的厚度,量化分析該參數(shù)對振幅屏蔽強度的影響。

圖6 含不同厚度底礫巖的RTM深度剖面(a)及其對應(yīng)的速度模型(b)

圖7為對圖6a中含不同厚度底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線,圖7a至圖7c分別為反射界面R1,R2,R3的沿層統(tǒng)計的振幅曲線。分析振幅曲線可知,反射界面R1在底礫巖區(qū)域出現(xiàn)了強振幅特征;在底礫巖下方的反射界面R2,R3的振幅曲線中出現(xiàn)了3個振幅屏蔽的區(qū)域,其屏蔽強度與厚度呈正相關(guān),同一反射界面屏蔽的幅度隨著底礫巖厚度的增加而增大,最大可達35%。

圖7 對圖6a中含不同厚度底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線a R1; b R2; c R3

2.4 不同底礫巖層數(shù)

圖8為含不同層數(shù)底礫巖的RTM深度剖面及其對應(yīng)的速度模型,3組底礫巖的其它參素相同,層數(shù)從左到右依次為1層、2層、4層,通過改變底礫巖的層數(shù)研究其對振幅屏蔽的影響程度。

圖8 含不同層數(shù)底礫巖的RTM深度剖面(a)及其對應(yīng)的速度模型(b)

圖9為對圖8a中含不同層數(shù)底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線,圖9a至圖9c分別為反射界面R1,R2,R3的沿層統(tǒng)計的振幅曲線。分析振幅曲線的形態(tài)可知,R1振幅曲線上出現(xiàn)的3個振幅增強的區(qū)域為反射界面R1在底礫巖區(qū)域的強振幅響應(yīng),其振幅增強的幅度和范圍相同;在底礫巖下方的反射界面R2,R3的振幅曲線中,分別出現(xiàn)3個振幅減弱的區(qū)域,沿層統(tǒng)計振幅可知,同一反射界面屏蔽的幅度隨著層數(shù)的增加而增大,對下伏地層振幅的屏蔽程度最高可達75%。

圖9 對圖8a中含不同層數(shù)底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線a R1; b R2; c R3

2.5 不同底礫巖速度

圖10為含有不同速度底礫巖的RTM深度剖面及其對應(yīng)的速度模型,3組底礫巖的其它參數(shù)相同,速度從左到右依次為3500,4500,5500m/s,通過改變底礫巖的速度,研究其對振幅屏蔽的影響程度。

圖10 含不同速度底礫巖的RTM深度剖面(a)及其對應(yīng)的速度模型(b)

圖11為對圖10a中含不同速度底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線,圖11a至圖11c分別為反射界面R1,R2,R3的沿層統(tǒng)計的振幅曲線。分析可知,R1振幅曲線上的3個振幅增強的區(qū)域為反射界面R1在底礫巖區(qū)域的強振幅響應(yīng),振幅增強的范圍相同但增強的幅度與底礫巖速度呈正相關(guān);在底礫巖下方的反射界面R2,R3振幅曲線中,由于受到振幅屏蔽作用的影響出現(xiàn)了3個振幅低值區(qū)域,從振幅統(tǒng)計值可以看出,屏蔽的幅度隨著速度的增加而變大,屏蔽強度最高可達60%。

圖11 對圖10a中含不同速度底礫巖的RTM深度剖面沿層統(tǒng)計的振幅曲線a R1; b R2; c R3

3 強振幅屏蔽補償方案及應(yīng)用

3.1 擴大照明范圍

研究發(fā)現(xiàn)地震反射波能量在入射角接近臨界角處突然增強[19],采用大偏移距接收地震波場,可有效削弱屏蔽效應(yīng)的影響,從而達到提高屏蔽層下反射波能量的目的。如圖12所示的正演速度模型,長6000m,深1000m,除底礫巖外,其它地層參數(shù)與表1所示相同。中部含有4層長為200m,厚為7.5m的多層底礫巖構(gòu)造,其速度為5500m/s。采用短、中、長3種不同的排列長度進行正演觀測,其中炮間距和道間距均為25m;保持3種排列檢波點數(shù)量相同,檢波點布設(shè)范圍為0～6000m,每炮均有241個接收點接收。短、中、長3種排列的不同點在于:炮點數(shù)分別為51炮、101炮、151炮,炮點布設(shè)范圍分別為2375～3625,1750～4250,1125～4875m,最大偏移距分別為3625,4250,4875m。排列的照明范圍隨著偏移距的增大而增大,因此短、中、長3種排列的照明范圍逐漸增大,其中反射界面R1,R2,R3分別為高速底礫巖下伏由淺到深的3個反射界面。對上述模型正演得到的炮集數(shù)據(jù)進行逆時偏移成像處理,得到RTM深度剖面。圖13為不同排列長度正演數(shù)據(jù)的RTM深度剖面,圖13a至圖13c分別為51炮激發(fā)的短排列、101炮激發(fā)的中排列、151炮激發(fā)的長排列RTM深度剖面。對圖13中3種排列長度下得到的RTM深度剖面中的同相軸R3(具體位置見圖13中標注)進行沿層振幅統(tǒng)計,經(jīng)過歸一化處理后,可得如圖14 所示的R3沿層統(tǒng)計的振幅曲線,其中黑、紅、藍3種顏色曲線分別表示51炮短排列、101炮中排列、151炮長排列的沿層振幅曲線。綜合分析圖13和圖14 可以看出,隨著照明范圍的增加高速底礫巖下幾套受強振幅屏蔽影響的反射軸振幅得到了提升,整個反射界面的能量也隨著照明范圍的增加變得更加均勻。對不同照明度下得到的結(jié)果進行正演及分析,可以得出如下結(jié)論:在地震采集過程中,擴大觀測系統(tǒng)的照明范圍,并采用大偏移距的采集方式,可以在一定程度上降低底礫巖對下伏地層的振幅屏蔽作用。

圖12 含底礫巖正演速度模型及觀測系統(tǒng)滿覆蓋范圍分布

圖13 不同排列長度正演數(shù)據(jù)的RTM深度剖面a 51炮短排列; b 101炮中排列; c 151炮長排列

圖14 不同排列長度RTM深度剖面中R3沿層統(tǒng)計的振幅曲線

3.2 Q-RTM成像技術(shù)

基于波動方程的逆時偏移(Qreverse time migration,Q-RTM)技術(shù)作為一種“保幅偏移”技術(shù),能夠更加精確對地下介質(zhì)進行成像[20]。圖15為圖12 中所示不同排列長度正演數(shù)據(jù)的Q-RTM深度剖面。對圖15中3種排列長度的Q-RTM剖面中的同相軸R3(具體位置見圖15中標注)進行沿層振幅統(tǒng)計,可得如圖16所示的R3沿層統(tǒng)計的振幅曲線,其中黑、紅、藍3種顏色曲線分別表示51炮短排列、101炮中排列、151炮長排列的沿層振幅曲線。將三種不同排列下的Q-RTM成像剖面(圖15)與RTM成像剖面(圖13)進行對比分析可知,根據(jù)剖面中底礫巖下伏地層所呈現(xiàn)的波組特征,可以看到在相同排列下,Q-RTM成像結(jié)果比RTM成像結(jié)果受振幅屏蔽的影響更小,底礫巖下伏地層能量也更加均勻。定量對比分析Q-RTM深度剖面的沿層統(tǒng)計的振幅曲線(圖16)和RTM深度剖面的沿層統(tǒng)計的振幅曲線(圖14)可知,在相同排列下,Q-RTM深度剖面中屏蔽區(qū)域的同相軸振幅被屏蔽掉的能量弱于相應(yīng)位置處的RTM結(jié)果,其中短排列振幅屏蔽比例降低33%,中排列降低26%,短排列降低9%。

圖15 不同排列長度正演數(shù)據(jù)的Q-RTM深度剖面a 51炮短排列; b 101炮中排列; c 151炮長排列

圖16 對圖15中3種排列長度Q-RTM偏移剖面R3沿層統(tǒng)計的振幅曲線

在正演模擬分析結(jié)果的指導(dǎo)下,將Q-RTM技術(shù)應(yīng)用于海上某工區(qū)實測地震數(shù)據(jù)的處理,較好地解決了高速底礫巖對下伏地層振幅的屏蔽作用。圖17a為實測地震數(shù)據(jù)經(jīng)過深度域?qū)游龇囱莸玫降乃俣饶Ｐ?黑色箭頭為底礫巖賦存位置,反演結(jié)果顯示其速度約為3500m/s,與圍巖速度(2500m/s)差異較大,呈現(xiàn)為典型的高速異常體特征。圖17b為實測地震數(shù)據(jù)反演得到的Q模型,其反演過程如下:拾取疊后地震資料的目的層,結(jié)合頻譜分析結(jié)果,利用多道加權(quán)頻譜比法估算層Q值,建立初始Q值模型。在初始Q值模型的基礎(chǔ)上,利用基于道集頻譜一致性的Q值層析反演方法,進一步建立了如圖17b所示的更為精細的Q模型。

圖17 實測地震數(shù)據(jù)經(jīng)過深度域?qū)游龇囱莸玫降乃俣饶Ｐ?a)及Q模型(b)

依據(jù)圖17a所示的速度模型,對實測地震數(shù)據(jù)進行RTM偏移,選取CDP600～800范圍內(nèi)的局部偏移成像結(jié)果(圖18a)。同時,基于速度模型和Q模型,對相同的地震數(shù)據(jù)進行Q-RTM,選取相同范圍偏移結(jié)果(圖18b)。如圖18a中RTM剖面所示,黑色箭頭處呈現(xiàn)高速底礫巖的強反射特征;紅色箭頭處出現(xiàn)其下伏地層受到振幅屏蔽以后呈現(xiàn)出的弱振幅及不連續(xù)的反射特征。在圖18b中紅色箭頭所示的受屏蔽效應(yīng)影響的位置,其下伏地層振幅強度及同相軸的連續(xù)性都得到了明顯的改善,振幅屏蔽效應(yīng)得到了有效削弱,為后續(xù)的地震資料解釋工作提供了更為合理的數(shù)據(jù)。

圖18 底礫巖屏蔽區(qū)RTM(a)及Q-RTM深度偏移(b)剖面

4 結(jié)論及認識

根據(jù)本文正演模擬數(shù)據(jù)的分析結(jié)果及相關(guān)處理技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果,得到以下結(jié)論。

1) 底礫巖的厚度、層數(shù)、速度與強振幅屏蔽呈正相關(guān),參數(shù)值越高屏蔽強度越大;下伏地層隨著深度的增加受強振幅屏蔽影響減弱;底礫巖自身長度對強振幅屏蔽程度無明顯影響,但隨著長度的增加,其屏蔽范圍會隨之增加。通過對以上因素的分析可知,底礫巖對下伏地層振幅影響程度的因素由大到小排序分別為:速度、層數(shù)、厚度、埋深和長度。

2) 通過增大地震觀測系統(tǒng)排列長度,從而增加底礫巖下伏地層的照明強度,從地震數(shù)據(jù)采集的角度,解決高速底礫巖對下伏地層的“振幅屏蔽”效應(yīng)。

3) 采用Q-RTM技術(shù),在一定程度上可以對受到“振幅屏蔽”影響的地層進行振幅補償。

在實際地震勘探中,底礫巖自身物性特征及分布規(guī)律較為復(fù)雜,導(dǎo)致影響振幅屏蔽效應(yīng)強弱的因素也需要進行綜合評估,同時在振幅補償方面,單一的補償技術(shù)并不能較好地解決振幅屏蔽的影響,應(yīng)從采集、處理、解釋等不同角度,采用綜合性的補償方法。后續(xù)應(yīng)加強振幅屏蔽理論方面的研究,尤其是基于非均勻介質(zhì)和復(fù)雜底礫巖構(gòu)造下的波場傳播及反射特征研究,從根源上為強振幅屏蔽補償技術(shù)的研發(fā)提供理論支撐。