全方位局部角度域偏移成像技術(shù)在順北油氣田的應(yīng)用

李宗杰,李海英,王立歆,李 弘,張 慶,李賦斌

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011;2.中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103)

地震成像的目的是將地表或井中觀測到的地震波歸位到產(chǎn)生它的位置,以確定反射(散射)點的地下空間位置并恢復(fù)其波形及振幅特征,地震成像技術(shù)的發(fā)展很大程度上決定了現(xiàn)代地震勘探水平[1-2]。近10年來,寬方位地震采集技術(shù)興起,寬方位采集保證了地下觀測能量的橫向一致性,豐富了地下目標(biāo)準(zhǔn)確成像所需要的波場信息,同時也為各向異性分析提供了更加可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前針對寬方位地震數(shù)據(jù)處理的常用方法是OVT偏移算法,其形成的方位道集反映的是采集的方位角信息以及地表采集觀測系統(tǒng),并不是地下成像點的真實方位角信息,如果利用此道集開展后續(xù)的斷裂、裂縫預(yù)測,會明顯降低裂縫發(fā)育方位預(yù)測結(jié)果的可靠性。

在地震資料成像處理時,入射和反射/透射的兩個波場在成像點處相互作用,每個波場都可以分解為局部平面波或射線對,以指示地震波的傳播方向,由入射波、反射波形成的角度在有關(guān)角度域成像的許多論文中都有描述[3-7]。全方位地下角度域波場分解與成像是一種新的角度域成像機(jī)制,多維度的海量數(shù)據(jù)在地下角度域中直接分解,生成兩類互補(bǔ)的全方位共成像點角度域道集:共傾角道集與共反射角道集[8-11]。三維角度域道集可以提供有關(guān)地下模型的豐富信息,包括地下速度場和儲層物理性質(zhì)分析所需的地下反射點方位特征和連續(xù)性特征、散射體的位置以及與角度相關(guān)的振幅信息等。

在面向斷裂及縫洞儲層預(yù)測的實際應(yīng)用中,全方位角度域成像道集可以為疊前VVAz(velocity variation with azimuth)和AVAz(amplitude variation with azimuth)反演提供更豐富的方位信息。張紅文等[12]將全方位地下局部角度域成像技術(shù)應(yīng)用于潛山內(nèi)幕成像,認(rèn)為全方位偏移成像得到的全方位道集能夠為網(wǎng)格層析提供有效的構(gòu)造屬性。劉亞淼等[13]研究了全方位角度域成像技術(shù),認(rèn)為反射加權(quán)數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度高,反映了斷裂和裂縫的確定性,散射加權(quán)數(shù)據(jù)信號相對較弱,主要刻畫微小裂縫信息。史飛洲等[14]在塔里木盆地塔河油田利用該技術(shù)分離繞射波場,實現(xiàn)了小縫洞“串珠”的精確成像。

順北油氣田位于塔里木盆地中部,其南西方向緊鄰塔中隆起,南東方向與古城墟隆起相接,向東與滿加爾凹陷相鄰,向北與哈德遜油田和塔河南斜坡相望。工區(qū)地表為沙漠覆蓋。多口鉆井證實奧陶系中-下統(tǒng)碳酸鹽巖斷控縫洞儲層發(fā)育,因而對縫洞儲集體及斷裂的精確成像是油氣田地震勘探的重要工作內(nèi)容[15]。地質(zhì)及物探分析表明,現(xiàn)階段順北油氣田依然存在以下兩個方面的問題需要進(jìn)一步開展技術(shù)研究與應(yīng)用。

1) 二疊系火成巖對下伏地層精細(xì)成像的影響需要進(jìn)一步消除。研究區(qū)火成巖較為發(fā)育,其厚度和速度變化劇烈,在地震成像剖面上引起假起伏、假斷層,對斷裂解釋、儲層預(yù)測和下伏地層構(gòu)造型圈閉預(yù)測均造成影響。

2) 奧陶系地層地震成像需要面向斷控縫洞儲層,突出斷層及縫洞體的異常反射特征。目的層埋藏深(超過7000m),斷裂系統(tǒng)的斷面傾角高,奧陶系內(nèi)幕層間波阻抗差較小,縫洞儲層尺度不一,反射波組能量弱、信噪比低。

本文采用全方位共反射角道集的網(wǎng)格層析反演技術(shù),利用全方位共反射角道集的剩余延遲,建立各向異性矩陣,迭代修改各向異性速度場,以提高順北地區(qū)火成巖、斷裂系統(tǒng)的深度域速度模型精度。

1 方法簡介

1.1 全方位地下局部角度域分解與成像技術(shù)

全方位角度域成像技術(shù)是通過從地下成像點出發(fā)進(jìn)行射線追蹤,利用地下成像點的角度域坐標(biāo)系對地下成像點進(jìn)行分別描述。這一技術(shù)過程實現(xiàn)的重點在于如何基于全方位角道集將散射能量與反射能量分離。詳細(xì)步驟包括3個部分,分別是射線追蹤、全方位角度域分解以及加權(quán)疊加成像。

射線追蹤是指從地下地震成像點向地面發(fā)射一系列單程的扇形散射射線,通過炮檢關(guān)系將射線分別配對,就可得到分別代表入射波傳播方向的局部平面波入射射線,以及散射波傳播方向的局部平面波散射射線。這兩種射線均可用相對極角來描述,極角包括傾角和方位角兩個分量(圖1)。

圖1 全方位角度域偏移成像波場示意

U(S,R,t)→I(M,θ,φ,r1,r2)

(1)

角道集的成像處理是將地震數(shù)據(jù)從地面笛卡爾坐標(biāo)系映射為地下角度域坐標(biāo)系:

(S,R,t)→(M,θ,φ)

(2)

式中:M是地下成像點;S={Sx,Sy}和R={Rx,Ry}代表震源和檢波點的位置;θ和φ分別是射線對法向的傾角和方位角;γ1和γ2分別是反射角以及反射角方位。

在方位角道集中,可以用射線對法線的傾角θ和方位角φ的函數(shù)來表示反射或者繞射點的成像值:

(3)

式中:C定義為特殊地質(zhì)體相控因子,代表各向同性條件下特殊地質(zhì)體與地面坐標(biāo)系的z軸夾角的慢度信息。

積分核Kv可表示為:

Kv(M,θ,φ,γ1,γ2)=Wv(M,θ,φ,γ1,γ2)·
L(M,θ,φ,γ1,γ2)

(4)

式中:Wv是方向角道集的成像積分權(quán)重;L代表輸入數(shù)據(jù)。

鑒于角度域坐標(biāo)系和地下成像點射線追蹤的優(yōu)勢,可以針對地下成像點不受傾角和方位角限制進(jìn)行掃描,獲得地下成像點的全方位角度域網(wǎng)格,將此網(wǎng)格與地震采集信息進(jìn)行匹配,同時考慮第一菲涅爾帶的影響,利用傾斜疊加技術(shù)進(jìn)行振幅處理,按照不同的坐標(biāo)系分別輸出,后續(xù)就可以獲得兩套角度域共成像點道集,分別為共反射角道集和共傾角道集。

在地震勘探領(lǐng)域,地震波入射到地下不規(guī)則界面時,波場傳播會如同光學(xué)中的“漫反射”,傳播方向毫無規(guī)律,導(dǎo)致觀測系統(tǒng)難以接收到有規(guī)律的反射波,這就是地下非均質(zhì)體擾動引起的散射波[16]。油氣勘探中散射波主要反映了巖溶縫洞體、斷裂斷點、河道砂體等地質(zhì)體信息,因此將反映這些信息的散射能量進(jìn)行分離并應(yīng)用,將會對地震解釋人員有重大的指導(dǎo)意義。

反射的成像值可表示為:

(5)

相類似,繞射波成像可表示為:

(6)

其中:

Cdiff(M)=1-Cref(M)

(7)

這樣可將地震波場分解成繞射波場和反射波場,實現(xiàn)地震資料的繞射波和反射波的分別成像。圖2為全方位傾角道集不同維度色標(biāo)的顯示方式。其中圖2a傾角道集的橫坐標(biāo)為方位角、色標(biāo)從紅色到藍(lán)色表示傾角范圍;圖2b傾角道集的橫坐標(biāo)為傾角、色標(biāo)從紅色到藍(lán)色表示方位角范圍;圖2c傾角道集的橫坐標(biāo)為方位角、色標(biāo)從紅色到藍(lán)色表示能量系數(shù)范圍,圖2c顯示主要能量集中在方位角0°附近,這種在一定角度范圍內(nèi)連續(xù)的強(qiáng)能量稱為鏡像能量[18]。該技術(shù)特點對于順北斷控縫洞體的繞射波特征及水平地層的反射波成像具有很好的針對性,能有效突出儲層的繞射波波場特征。

散射波場能量相對反射波場能量較低,通常只有反射波場能量的1%～10%,因此根據(jù)能量級別的不同可以對反射波場能量和散射波場能量進(jìn)行分離。

此外,不同于常規(guī)道集,共傾角道集能夠反映出地下不同波場的不同表現(xiàn)形式,圖3顯示了模型全方位傾角道集波場特征。在共傾角道集上,地下連續(xù)界面(比如水平地層)的反射點會表現(xiàn)為“漏斗狀”結(jié)構(gòu),而對于地下獨立的繞射點(如小尺度巖溶縫洞體),則顯示為近似的直線。斷裂對應(yīng)的棱鏡波會在固定的方位角上產(chǎn)生有規(guī)律分布的能量,這是分離反射能量和散射能量的另一種方式。

圖3 全方位傾角道集波場特征

利用上述不同的地質(zhì)體具有不同的波場特征這一規(guī)律,可以區(qū)分?jǐn)嗔?、巖溶縫洞體和連續(xù)地層,強(qiáng)化特殊地質(zhì)體的成像質(zhì)量。通常,連續(xù)地層的信號是鏡像信號,而斷裂和巖溶縫洞體等小尺度地質(zhì)體的信號主要是散射信號,鏡像信號和散射信號沒有明確的界限,很難將兩種信號徹底分離,只能通過調(diào)節(jié)合適的門檻值參數(shù),將散射信號的比重相對提高,從而突出散射信號。

1.2 全方位網(wǎng)格層析速度建模思路

順北地區(qū)的火成巖及斷裂帶由于地質(zhì)尺度橫向變化快,分布不均,因而導(dǎo)致地震速度建模精度難以滿足勘探需求,這也是近年來地震勘探的難點之一。通過角度域成像,生成全方位成像道集,可以任意扇區(qū)進(jìn)行顯示、處理,采用全方位各向異性網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)[19-20],利用全方位共反射角道集信息更新迭代速度場,可以提高順北地區(qū)“三層一帶”深度域速度模型的精度[15]。

地面接收到的地震信號,是地震波通過炮點經(jīng)過地下不同介質(zhì)路徑到達(dá)反射點,然后反射傳播到地面由接收點接收。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)是均勻的理想狀況時,不同路徑的射線是直射線,同一反射點的不同方向傳播射線是一樣的;但當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)非均勻時,同一反射點的不同方向的傳播射線不一樣,如圖4所示。當(dāng)用同一偏移速度偏移時,不同方位角的反射道集是不平的,而利用常規(guī)方法產(chǎn)生的CIP道集(共成像點道集)卻看不到這種差異,如圖5所示。順北地區(qū)由于二疊系火成巖體的存在,速度橫向變化劇烈,克?；舴蚱瞥上竦兰Ｓ嘌舆t在速度橫向突變的區(qū)域表現(xiàn)不佳,而全方位偏移道集能夠區(qū)別速度橫向突變兩邊的剩余延遲,有利于反演出更加精確的速度模型[21]。

圖4 地下某點反射射線示意

圖5 全方位偏移角道集(a)和常規(guī)方法偏移角道集(b)

速度建模需要在疊前深度偏移產(chǎn)生的CIP道集上拾取剩余延遲,常規(guī)的剩余延遲是二維的,即縱坐標(biāo)是深度或時間,橫坐標(biāo)是偏移距信息(圖6a)。對于全方位角度域偏移的角道集,其縱坐標(biāo)是深度或時間,橫向上除了反射角信息,還有方位角信息,基于Poisson公式拾取的剩余延遲是三維的(圖6b)。利用全方位的層析算法更新速度模型,對寬方位采集地震數(shù)據(jù)建立起更有針對性的速度模型。

在寬方位地震資料速度建模精度方面,全方位網(wǎng)格層析技術(shù)比常規(guī)層析成像方法更精確[22]。實際應(yīng)用中,在高精度網(wǎng)格層析成像基礎(chǔ)上開展全方位網(wǎng)格層析成像,可以進(jìn)一步提高復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的速度模型精度,消除上覆火成巖體造成的下覆地層構(gòu)造假象。

2 實際應(yīng)用

以提升塔里木盆地順北油氣田主次斷裂、奧陶系內(nèi)幕縫洞儲層及小尺度地質(zhì)體成像精度為目標(biāo),開展了全方位網(wǎng)格層析速度建模及全方位角度域偏移成像技術(shù)應(yīng)用研究。全方位角度域成像技術(shù)能充分發(fā)揮順北地區(qū)的寬方位地震采集數(shù)據(jù)優(yōu)勢,針對順北斷裂帶內(nèi)部多尺度裂縫廣泛發(fā)育,橫向非均質(zhì)性強(qiáng)的特點,進(jìn)行準(zhǔn)確的復(fù)雜構(gòu)造成像,為順北縫洞儲集體預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐。

全方位網(wǎng)格層析速度建模是基于角度域偏移的反射角道集,順北油氣田的實際應(yīng)用表明,對該地區(qū)的地震道集進(jìn)行去噪(包括多次波)、增益處理,按100m×100m的網(wǎng)格拾取剩余延遲,層析反演更新前期速度模型,能獲得更為清晰的二疊系火成巖速度模型。

應(yīng)用全方位網(wǎng)格層析速度建模方法生成的剩余速度譜能量更聚焦,可以得到較高的速度反演精度(圖7)。相對于常規(guī)火成巖速度建模,全方位網(wǎng)格層析速度建模的二疊系火成巖速度模型邊界刻畫更清晰(圖8紅色虛線框內(nèi)),可以顯示地層內(nèi)幕橫向速度差異等細(xì)節(jié)信息。由于前期速度模型的準(zhǔn)確度不足,火成巖影響了下伏地層構(gòu)造及奧陶系內(nèi)幕“串珠”成像。經(jīng)過純數(shù)據(jù)驅(qū)動的全方位網(wǎng)格層析成像,火成巖層對應(yīng)深度范圍內(nèi)的道集得到拉平,火成巖下伏地層的假斷裂及假隆起成像基本消除,證明了研究區(qū)火成巖速度模型的準(zhǔn)確性(如圖9紅框所示)。

圖7 剩余延遲譜與成像道集對比

圖8 研究工區(qū)火成巖地層速度模型對比

圖9 研究區(qū)不同速度模型偏移剖面對比

圖10比較了順北油氣田某工區(qū)的OVT域偏移剖面(圖10a)和全方位角度域偏移剖面(圖10b)。OVT域偏移是基于地面的炮檢點相對位置劃分向量片實現(xiàn)地下成像,而全方位角度域偏移是直接利用炮集,對地下的成像點進(jìn)行掃描成像。從圖10可以看出,全方位角度域偏移剖面的信噪比更高,小尺度縫洞體的“串珠異常反射”更聚焦,能量更突出。

2.1 全方位傾角道集的鏡像疊加

在實際資料處理中,連續(xù)地層的波場能量與斷裂帶的波場能量主要分布的傾角范圍不同,如圖11所示,斷裂帶波場能量分布的傾角范圍為0°～60°,而連續(xù)地層波場能量主要集中在30°傾角以內(nèi),可通過限制不同傾角范圍的疊加實現(xiàn)對連續(xù)地層和“串珠”波場能量增強(qiáng)。對全方位傾角道集按照能量進(jìn)行分離,壓制散射波場能量,保留反射波場能量,突出地層界面的同相軸,這樣可得到信噪比更高的鏡像疊加成像剖面。圖12為角度域全波場成像和鏡像疊加成像的地震剖面及沿層相干屬性平面圖對比,可以看出鏡像疊加成像信噪比更高,斷裂識別平面效果更清晰。

圖11 不同位置處的傾角道集特征對比

2.2 全方位傾角道集的散射疊加

同理,對全方位傾角道集按照波場能量進(jìn)行分離,壓制反射波場能量,保留散射波場能量,增強(qiáng)散射波成像精度,突出串珠等小縫洞體異常特征。圖13為全波場成像和散射疊加成像地震剖面及均方根振幅屬性平面對比,可以看出,相對于全波場成像串珠反射波場能量的變化,散射疊加成像的波場能量相對關(guān)系保持更優(yōu)。通過提取散射信號進(jìn)行疊加,不僅突出了縫洞儲層串珠反射的波場能量,還提高了平面分辨率,使串珠形態(tài)、尺度及串珠之間的接觸關(guān)系更清晰,提高了縫洞型儲層識別的可靠性。

3 結(jié)束語

1) 基于角度域偏移道集的全方位網(wǎng)格層析技術(shù)可突出寬方位地震數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,通過增加方位角這一屬性,從方位角的連續(xù)變化來更多維度地求解速度模型信息,能提高速度建模的精度,有利于精細(xì)刻畫巖性突變特性,從而解決研究區(qū)二疊系火成巖(噴發(fā)巖)巖性突變帶來的假構(gòu)造問題。

2) 通過角度域偏移的傾角道集,進(jìn)行波場分解和重構(gòu),有利于提取優(yōu)勢波場來突出特殊地質(zhì)體,如通過鏡像波場信息增強(qiáng)處理可提高走滑斷裂的成像精度,利用散射波成像可提高小尺度巖溶縫洞體的可識別性等。

全方位局部角度域偏移的數(shù)據(jù)成果具有多樣性,偏移產(chǎn)生的五維道集的應(yīng)用越來越受到關(guān)注,五維道集的插值、五維道集的去噪以及五維道集的解釋,都是新的研究熱點,能進(jìn)一步推動油氣的勘探開發(fā)。