塔里木盆地縫洞型儲(chǔ)層地震采集激發(fā)接收因素優(yōu)化

陳 浩

(中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103)

碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)集體是塔里木盆地油氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo),包含縫洞型、裂縫型和裂縫-縫洞型等。縫洞體的尺度遠(yuǎn)小于地震波長,其地震波場的響應(yīng)以繞射波為主[1-2],由于繞射波的能量明顯低于反射波,所以對繞射波的保護(hù)和增強(qiáng)是影響地震資料采集質(zhì)量的關(guān)鍵因素。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐,徐穎[3]、索重輝等[4]、邸志欣等[5]等總結(jié)形成了一套較為完善的地震采集方法,激發(fā)藥量為12～20kg(銨梯炸藥),接收組合基距為21～28m“品”或“呂”字型,觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)在168次以上,取得了較好的效果。但是隨著勘探開發(fā)的不斷深入,中大尺度縫洞儲(chǔ)集體動(dòng)用程度越來越高,開發(fā)對象逐漸由中大尺度縫洞或縫洞集合體向小尺度縫洞體轉(zhuǎn)移[6-7],小尺度儲(chǔ)集體具有強(qiáng)烈的多樣性和非均質(zhì)性特征[8],地震響應(yīng)能量更弱,地震采集技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。

隨著地震采集裝備的發(fā)展,單點(diǎn)高密度地震采集技術(shù)取得了重大進(jìn)展[9-14]。單點(diǎn)高密度地震采集技術(shù)采用單點(diǎn)接收、高空間采樣密度觀測,增強(qiáng)了弱反射、繞射等地震弱信號(hào)的波場能量,大幅度改善了資料品質(zhì),在中國東部油田、四川盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等探區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。劉依謀等[15]在塔里木盆地塔北哈拉哈塘地區(qū)開展了高密度三維地震采集試驗(yàn),炮道密度100×104道/km2。經(jīng)過對高密度采集數(shù)據(jù)的處理、解釋,結(jié)果表明,高密度全方位三維地震在提高縫洞儲(chǔ)層成像和預(yù)測精度上具有明顯優(yōu)勢,明確了小道距和高覆蓋次數(shù)對縫洞體成像的關(guān)鍵作用。郭念民等[16]在塔里木油田哈拉哈塘Q工區(qū)進(jìn)行了陸上單點(diǎn)高密度地震采集試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了超萬道全數(shù)字單點(diǎn)檢波器接收高密度三維地震采集,炮道密度達(dá)到970×104道/km2,大幅度提高了研究區(qū)的地震資料質(zhì)量,獲得了高信噪比、高分辨率的最終成果數(shù)據(jù),為縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的勘探開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。李海英等[17]對比研究了塔河油田S48井區(qū)模擬檢波器接收的常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)和三分量數(shù)字檢波器接收的三分量地震數(shù)據(jù)縱波波場及其成像能力的差異,證明了三分量地震縱波成像可以滿足縫洞體串珠狀反射識(shí)別的需要。但是由于三分量采集信噪比較低,所以偏移處理后剖面在溶蝕孔洞的成像能量強(qiáng)度上與常規(guī)縱波相比稍有欠缺。由于國外不涉及相關(guān)類型儲(chǔ)集體,因而未見國外的相關(guān)采集技術(shù)研究的文獻(xiàn)。

繞射波的采集質(zhì)量是激發(fā)、接收和觀測系統(tǒng)三環(huán)節(jié)的綜合響應(yīng)。以往實(shí)踐表明,大藥量、大組合采集是提升縫洞體成像精度的有效手段[18],但是在小尺度縫洞體精細(xì)成像的需求下,以往激發(fā)、接收方式能否滿足保護(hù)和增強(qiáng)繞射波的能量需要進(jìn)一步研究。本文基于縫洞型儲(chǔ)層的波場響應(yīng)特征研究,提出適用于塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的激發(fā)、接收方法。

1 縫洞型儲(chǔ)層波場響應(yīng)特征

小尺度地質(zhì)體波場特征是地震勘探采集技術(shù)思路選擇與優(yōu)化的重要依據(jù)?？p洞型儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)與分布復(fù)雜,具有孔洞的多尺度、填充物的多樣性、幾何形狀的不規(guī)則性、空間變化劇烈等特征致,因而其地震波場復(fù)雜。曲壽利等[19]基于聲波方程,在忽略多次散射的情況下,給出了孔洞尺度、充填程度與地震振幅屬性之間的關(guān)系。馬靈偉等[20]定量分析了縫洞型儲(chǔ)層縱橫向發(fā)育尺度、充填物類型以及背景圍巖因素對反射特征的影響。本文重點(diǎn)針對小尺度縫洞體對地震子波主頻的能量響應(yīng)開展研究。

模擬資料研究表明,小尺度縫洞、走滑斷裂的波場均為繞射波,能量隨激發(fā)子波主頻提升而增強(qiáng),該認(rèn)識(shí)為合理選擇激發(fā)因素提供了重要依據(jù)。為了便于分析,采用簡單二維模型和粘彈性波動(dòng)方程數(shù)值模擬研究小尺度溶洞的波場特征。圖1a為兩層簡單模型,其中分別建立20m×20m,60m×60m,100m×100m 3種尺度溶洞模型,深度為8000m,模型包含兩套地層,淺層速度為3500m/s,深層速度為6200m/s。模擬采用雷克子波(下同),主頻20Hz,溶洞上覆地層平均速度4000m/s。由圖1b,圖1c和圖1d中t=2.2s時(shí)的波場快照可以看出,溶洞的波場響應(yīng)以繞射波為主,能量明顯弱于反射波,且隨著溶洞尺度的逐漸增大,繞射能量顯著增強(qiáng)。圖1e中將模擬子波主頻提升到25Hz,與圖1b子波主頻20Hz相比,可見繞射波能量得到增強(qiáng)。圖2a是在兩層簡單模型中設(shè)計(jì)走滑斷層,斷距分別為20,40,60m,模型包含兩套地層,淺層速度為3500m/s,深層速度6200m/s。圖2b、圖2c和圖2d中斷距分別為20,40,60m,t=2.2s。波場快照顯示,走滑斷層的波場同樣以繞射波為主,隨著斷距的增大,繞射波能量增強(qiáng);圖2b和圖2e子波主頻分別為20Hz和25Hz,可見隨著模擬子波主頻的提高,走滑斷層的繞射能量增強(qiáng)。

圖1 小尺度溶洞波場特征(t=2.2s時(shí)的波場快照)a 二維模型; b 地質(zhì)體長、寬為20m×20m,模擬主頻為20Hz; c 地質(zhì)體長、寬為60m×60m,模擬主頻為20Hz; d 地質(zhì)體長、寬為100m×100m,模擬主頻為20Hz; e 地質(zhì)體長、寬為20m×20m,模擬主頻為25Hz

圖2 小尺度走滑斷層波場特征(t=2.2s時(shí)的波場快照)a 二維模型; b 斷距為20m,模擬主頻為20Hz; c 斷距為40m,模擬主頻為20Hz; d 斷距為60m,模擬主頻為20Hz; e 斷距為20m,模擬主頻為25Hz

2 激發(fā)因素優(yōu)化

塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層埋藏深度一般在6000m以上,為保證采集到地質(zhì)目標(biāo)的波場能量,常把原始單炮深層目的層的反射能量(繞射信息一般不可見)作為地震采集激發(fā)因素選擇的評價(jià)指標(biāo)。從上述小尺度溶洞的波場響應(yīng)特征研究結(jié)論看,由于地層的反射能量顯著強(qiáng)于繞射波,反射波的能量強(qiáng)實(shí)際上并不能代表繞射波能量強(qiáng),上述評價(jià)指標(biāo)顯然不合理,從繞射波的波場響應(yīng)特征出發(fā),優(yōu)化激發(fā)因素的選取更加科學(xué)、有效。

地質(zhì)體尺度一定條件下,提高激發(fā)子波的主頻能夠增強(qiáng)繞射波波場能量。因而研究提高激發(fā)子波主頻的方法,對提升繞射波能量具有重要意義。陸上炸藥震源激發(fā),在爆炸的塑性帶以外就是彈性形變區(qū),在彈性區(qū)會(huì)形成彈性波。SHARPE[21]提出在距爆炸點(diǎn)一定距離處均勻彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)可以寫成：

式中：a為爆炸形成的球形孔穴半徑,單位為m;p0為作用于孔穴內(nèi)壁上的壓強(qiáng),單位為N/m2;μ為彈性常數(shù);r為傳播距離(一般為孔穴半徑的幾倍),單位為m;t為傳播時(shí)間,單位為s;k為圓頻率,單位為Hz。

基于激發(fā)介質(zhì)彈性參數(shù)和炸藥特性,利用(1)式模擬塔里木盆地不同激發(fā)藥量條件下的地震子波。下面給出不同球腔半徑(激發(fā)藥量)對應(yīng)的激發(fā)子波及頻譜特征(圖3)。隨著球腔半徑的縮小,激發(fā)子波的主頻明顯提升,因此采用小藥量激發(fā)提升激發(fā)子波主頻是可行的。

圖3 不同球腔半徑子波函數(shù)(a)與子波頻譜(b)

在塔河地區(qū)開展4,6,10kg共3種激發(fā)藥量的二維線試驗(yàn),因二維試驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)斷裂和縫洞的高精度成像,在此僅對比頻譜特征和波組特征。圖4為不同藥量疊前時(shí)間偏移成像頻譜分析結(jié)果。4kg和6kg激發(fā)藥量在30Hz左右優(yōu)勢明顯。圖5為3種藥量疊前時(shí)間偏移成像結(jié)果。4kg和6kg激發(fā)藥量的剖面在3.5～3.6s目的層段成像細(xì)節(jié)更加突出。總體而言,4kg和6kg藥量較10kg大藥量激發(fā)的高頻能量更強(qiáng),分辨率更高。

圖4 不同藥量的頻譜分析結(jié)果

圖5 3種藥量疊前時(shí)間偏移成像剖面a 4kg; b 6kg; c 10kg

在塔里木盆地沙漠區(qū),由于原始單炮經(jīng)過近地表吸收衰減,所以通常10kg左右藥量激發(fā)的單炮與16kg以上藥量相比頻譜沒有明顯優(yōu)勢。但本文所提小藥量激發(fā)的子波主頻的提升發(fā)生在子波的下行過程中,作用機(jī)理是增強(qiáng)了繞射波場能量而并非傳統(tǒng)意義的原始單炮主頻提升。因此,將以往大藥量激發(fā)拆分成多個(gè)小藥量單井激發(fā),保持總激發(fā)藥量不變,對提升縫洞型儲(chǔ)層繞射波能量至關(guān)重要。

3 接收因素優(yōu)化

李慶忠等[18]指出,單點(diǎn)采集技術(shù)對于中國西部的某些工區(qū)而言,面臨的主要問題是地震信噪比太低、大地對地震波的吸收太嚴(yán)重。若在野外采集階段未采用有效克服干擾波的措施,很難在提高信噪比方面取得突破,分辨率的提高更無從談起。受復(fù)雜近地表伴生及次生噪聲、目的層深度等諸多因素影響,塔里木盆地原始地震數(shù)據(jù)信噪比低。以往研究表明,采用較大的檢波器組合接收對近地表噪聲的壓制效果更好[22],因此長期以來地震采集堅(jiān)持采用組合基距為20m以上的接收方式,保證野外采集的原始數(shù)據(jù)具有較高的信噪比。

但是縫洞體波場以繞射波為主,具有能量弱、視速度低的特點(diǎn)。而組合接收是利用干擾波視速度低的特點(diǎn)進(jìn)行噪聲壓制,那么組合接收對繞射波和對高頻信號(hào)的影響需進(jìn)一步研究。

3.1 檢波器組合接收對塔里木盆地高頻信號(hào)的影響

檢波器組合采用多個(gè)檢波器疊加的方式壓制干擾波,不可避免會(huì)對高頻有效波形成壓制。組合接收對塔里木盆地高頻地震信號(hào)的壓制,則需根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)模型進(jìn)行研究。根據(jù)李慶忠提出的反射波時(shí)距曲線關(guān)系、視速度v*、壓制系數(shù)φ的計(jì)算公式((2)式～(4)式),研究組合對塔河碳酸鹽巖儲(chǔ)層高頻信號(hào)采集的影響。

(2)式～(4)式中,t為雙程反射時(shí)間;x為炮檢距;v為平均速度;H為界面深度;α為界面傾角;n為檢波器個(gè)數(shù);Δx為組內(nèi)距;ω為圓頻率。

表1為塔河地區(qū)的地球物理參數(shù)。圖6為根據(jù)(2)式～(4)式計(jì)算得到的T74層位的不同組合基距的有效壓制系數(shù)。基距為40m組合接收,對T74目的層60Hz和80Hz信號(hào)的壓制系數(shù)分別為0.08和0.15,可以認(rèn)為40m組合對高頻信號(hào)有較為明顯的壓制作用。當(dāng)基距為20m組合接收時(shí),對60Hz和80Hz的壓制系數(shù)分別為0.05和0.08,此時(shí)組合的壓制作用已較微弱。當(dāng)組合基距為8m和12m時(shí),對60Hz和80Hz的高頻信號(hào)的壓制系數(shù)均在0.05以內(nèi),甚至可以認(rèn)為對100Hz以下的地震信號(hào)的壓制作用可以忽略不計(jì)。因此,從組合對高頻信號(hào)的壓制角度考慮,采用12m以下組合基距接收不會(huì)影響高頻信號(hào)的接收。

表1 塔河地區(qū)地球物理參數(shù)

圖6 不同組合基距T74層位地震信號(hào)有效壓制系數(shù)

3.2 檢波器組合對繞射波的影響

為了研究組合接收對繞射波的影響,建立如圖7 所示二維模型,包含奧陶系不整合面和不同尺度的縫洞儲(chǔ)層,溶洞的橫向展布寬度為20～200m,高度為40～80m,填充速度為3000～4000m/s,圍巖速度為6250m/s,上覆地層速度為5280m/s。正演模擬采用吸收地表,道間距為1m、炮點(diǎn)距為300m、雷克子波主頻為25Hz,12000道接收。通過道組合的方式研究組合基距對溶洞繞射波的影響,并通過加權(quán)平均的方式保持組合與單道接收能量的一致性。

圖7 碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層a 二維模型; b 縫洞儲(chǔ)層局部放大

經(jīng)過對比不同組合基距接收的單炮記錄及成像剖面之間差異,研究組合對繞射波、縫洞儲(chǔ)層成像的影響。圖8為組合基距分別為4,12,20m模擬單炮與單點(diǎn)模擬單炮的差值。組合基距在4m和12m時(shí),該差值結(jié)果的深層繞射波不明顯,表明12m以內(nèi)組合基距接收對縫洞體繞射波沒有明顯傷害作用。當(dāng)組合基距增大到20m以后,該差值結(jié)果可見明顯繞射波殘留,表明20m組合對繞射波存在嚴(yán)重傷害。圖9是組合基距分別為4,12,20m共3種接收方式的理論速度疊前深度偏移成像結(jié)果對比。單點(diǎn)接收與12m組合接收的疊前深度偏移成像的溶洞聚焦能量基本一致,明顯強(qiáng)于20m組合基距。圖9d中12m組合基距偏移成像與單點(diǎn)接收偏移成像的差值能量較弱,圖9e中20m組合基距偏移成像與單點(diǎn)接收差值能量較強(qiáng),說明檢波器大組合基距接收對繞射波的影響較大,考慮原始數(shù)據(jù)信噪比需求,可以綜合采用相對較小的組合基距采集。

圖8 不同組合基距接收與單點(diǎn)接收的單炮相減結(jié)果a 組合基距為4m; b 組合基距為12m; c 組合基距為20m

圖9 單點(diǎn)接收與組合接收疊前深度偏移成像a 單點(diǎn)接收; b 組合基距為12m; c 組合基距為20m; d 組合基距12m接收與單點(diǎn)接收相減結(jié)果; e 組合基距20m接收與單點(diǎn)接收相減結(jié)果

4 應(yīng)用效果

野外試驗(yàn)位于塔里木盆地北部,地表以農(nóng)田為主,海拔為945～935m,低速層速度為350～500m/s,降速層速度為600～700m/s,高速層速度為1600～1750m/s,低降速帶總厚度為5～10m,潛水面穩(wěn)定。野外采集試驗(yàn)優(yōu)化了以往3串36個(gè)檢波器“品”字型21m×28m組合接收方式,采用1串12個(gè)檢波器“口”字型3m×3m組合基距接收,并優(yōu)化了以往單井12kg藥量的激發(fā)方式,采用單井6kg藥量激發(fā)。圖10對比了優(yōu)化激發(fā)接收因素前、后的疊前深度偏移成像剖面。兩者的觀測系統(tǒng)均為75×104道/km2炮道密度,15m×15m面元網(wǎng)格,采用相同的處理流程。激發(fā)接收因素優(yōu)化后,成像信噪比有所下降,但串珠的聚焦能量更強(qiáng),奧陶系內(nèi)幕的小斷裂成像更加清晰。圖11提高觀測炮道密度至200×104道/km2,與以往采集效果相比,洞體內(nèi)幕結(jié)構(gòu)更加清晰,斷裂、奧陶系內(nèi)幕小縫洞成像質(zhì)量均得到較大提升。說明采用小藥量激發(fā)、小組合接收,適當(dāng)提升觀測炮道密度,可以有效改善碳酸鹽巖縫洞體的成像效果。圖12為奧陶系風(fēng)化殼串珠分布預(yù)測,優(yōu)化后風(fēng)化殼縫洞儲(chǔ)集體的識(shí)別能力更強(qiáng),串珠異常更小,小串珠數(shù)量增加約30%。

圖10 激發(fā)接收因素優(yōu)化前(a)、后(b)疊前深度偏移成像剖面對比(炮道密度75×104道/km2)

圖11 激發(fā)接收因素優(yōu)化前(a)、后(b)疊前深度偏移成像剖面對比(炮道密度200×104道/km2)

圖12 奧陶系風(fēng)化殼串珠分布預(yù)測a 激發(fā)接收因素優(yōu)化前; b 激發(fā)接收因素優(yōu)化后

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

經(jīng)過理論模型研究和野外試驗(yàn),可以得到以下結(jié)論：

1) 小尺度地質(zhì)體的繞射能量與地震激發(fā)子波的主頻正相關(guān),在保持總藥量不變的條件下,采用小藥量激發(fā)能夠提升繞射波的能量,野外試驗(yàn)證明塔河地區(qū)6kg藥量可以滿足采集需求。

2) 大組合接收不利于高頻信號(hào)與繞射波的保護(hù),12m以內(nèi)組合基距接收能夠兼顧原始數(shù)據(jù)的信噪比和繞射波保護(hù)需求,為塔里木盆地改善奧陶系縫洞體成像精度較為理想的接收方式。

3) 塔河地區(qū)在75×104道/km2炮道密度觀測時(shí),小藥量激發(fā)、小組合接收地震成像剖面小斷裂、小串珠等細(xì)節(jié)更加豐富,但信噪比稍低。觀測炮道密度提升至200×104道/km2后,風(fēng)化殼縫洞儲(chǔ)集體識(shí)別能力更強(qiáng),串珠數(shù)量增加。

順北地區(qū)由于目的層較深,地表為沙漠,表層吸收衰減更嚴(yán)重,需要基于目的層埋深差異開展野外試驗(yàn),優(yōu)選激發(fā)藥量,但是選擇的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以繞射波的發(fā)育程度為主要依據(jù)。12m以內(nèi)組合接收的結(jié)論依然適用于順北地區(qū)。