陳 偉, 李 霞, 李紅敬, 楊瑞娟, 黎 娜, 周小慧, 楊江峰
(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院, 南京 211103)
油氣地球物理技術(shù)(又稱(chēng)物探技術(shù))是油氣勘探開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵支撐技術(shù)。物探技術(shù)的進(jìn)步,是油氣行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心推動(dòng)力。物探技術(shù)在識(shí)別成藏遠(yuǎn)景區(qū)、揭示復(fù)雜構(gòu)造細(xì)節(jié)、發(fā)現(xiàn)與精細(xì)刻畫(huà)油氣藏目標(biāo),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估開(kāi)發(fā)效果,實(shí)時(shí)油藏管理決策等油氣勘探開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)都獲得了成功應(yīng)用。隨著勘探開(kāi)發(fā)的推進(jìn),目標(biāo)體的地質(zhì)條件、地球物理?xiàng)l件更為復(fù)雜,物探技術(shù)的作用愈加重要。油氣行業(yè)高效、綠色發(fā)展的要求,也迫切需要不斷提高物探技術(shù)水平。
油氣地球物理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在:在信息技術(shù)等高新技術(shù)的支持下,多學(xué)科融合進(jìn)程顯著加快,以海量地震數(shù)據(jù)為特征,逐步實(shí)現(xiàn)物探技術(shù)的采集、處理、解釋一體化。地球物理技術(shù)分辨率更高,成像更精確,更逼近真實(shí)油藏,解決地質(zhì)、工程問(wèn)題的能力不斷增強(qiáng)。圍繞高精度地下成像、精細(xì)儲(chǔ)層描述和流體檢測(cè),開(kāi)展多學(xué)科、多尺度、多屬性信息的聯(lián)合處理和綜合分析。深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)的引入,引發(fā)了物探技術(shù)自動(dòng)化智能化的研究應(yīng)用熱潮。百萬(wàn)道地震采集系統(tǒng),多源高效采集技術(shù),高密度三維地震,多波多分量地震,以及3D-VSP、微地震、井間地震、時(shí)延地震、隨鉆地震等油藏地球物理技術(shù),使得石油物探技術(shù)的應(yīng)用從油氣勘探向開(kāi)發(fā)階段延伸,由常規(guī)油氣向煤層氣、頁(yè)巖氣、深層致密氣、地?zé)岬确浅R?guī)油氣、能源的勘探開(kāi)發(fā)拓展。
物探技術(shù)正向勘探開(kāi)發(fā)的全過(guò)程滲透,高效地震采集、精細(xì)偏移成像、全波形反演、油藏地球物理、智能化自動(dòng)化物探技術(shù)的研究應(yīng)用為代表發(fā)展方向。
近年來(lái),地震采集技術(shù)在采集理念、觀測(cè)方式、觀測(cè)資料數(shù)量和質(zhì)量上發(fā)生了巨大而深刻的變化??煽卣鹪囱b備和激發(fā)方式、高密度地震、多源地震、無(wú)線采集、百萬(wàn)道地震采集系統(tǒng)、隨機(jī)稀疏采樣等技術(shù)取得較大進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)久以來(lái)的諸多設(shè)想,這部分得益于采樣理論、電磁控制等相關(guān)學(xué)科技術(shù)新成果的引入。寬頻、寬(全)方位、高密度采集成為主流,采集資料質(zhì)量的提高為提高資料處理解釋質(zhì)量、提高地震的精度和分辨率打下了良好的基礎(chǔ)。
地震采集理念正在更新,由傳統(tǒng)的注重覆蓋次數(shù)轉(zhuǎn)向以波場(chǎng)為中心,爭(zhēng)取全面地反映波場(chǎng),并出現(xiàn)了按需采集[1]等新的嘗試,用更合理的代價(jià)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、工程目標(biāo)。
經(jīng)過(guò)多年技術(shù)、裝備研發(fā)和市場(chǎng)耕耘,中國(guó)石油東方地球物理公司已經(jīng)成為全球最大的物探技術(shù)服務(wù)公司,研發(fā)出了高精度可控震源等裝備,陸地地震采集業(yè)務(wù)份額連續(xù)多年全球領(lǐng)先,并逐漸占據(jù)海洋采集等高端市場(chǎng)。
地震采集技術(shù)的進(jìn)步,是在可控震源技術(shù)的發(fā)展的帶動(dòng)下取得的??煽卣鹪淳哂姓鹪葱盘?hào)可記錄和可重復(fù),信號(hào)頻帶、相位、出力易調(diào)整,激發(fā)效率高,更加安全、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),是炸藥震源的比較理想的替代者。不僅在人文等條件不允許使用炸藥震源的特殊情況下,可控震源在中外的地震采集中已經(jīng)成為常規(guī)使用的震源,海上主動(dòng)源采集已全部使用氣槍等可控震源。
可控震源裝備向著兩個(gè)方向發(fā)展,一是大型寬頻(最寬6~8個(gè)倍頻程)、大出力(最高90 000磅)震源;二是靈活方便的小型、窄帶震源。前者能提高儲(chǔ)層分辨率,改善深部成像、鹽下成像以及火成巖地表下的地質(zhì)目標(biāo)成像。后者更能適應(yīng)復(fù)雜施工環(huán)境,布置和使用更加方便,也更適合分布震源組合(DSA)采集的需求。低頻震源已逐漸成為主流趨勢(shì),部分震源的最低激發(fā)頻率已低至0.5 Hz。
隨著可控震源設(shè)備的不斷改進(jìn),可控震源激發(fā)技術(shù)獲得較大進(jìn)展。目前可控震源激發(fā)技術(shù)主要有:滑動(dòng)掃描(slip-sweep)、高保真采集(HFVS)、獨(dú)立同時(shí)掃描(ISS)[2]、分組同時(shí)掃描(DSSS)[3]、分頻同時(shí)掃描(FSSS)[4]和同時(shí)偽隨機(jī)掃描(SPST)[5]等。新技術(shù)提高了采集效率,顯著降低了采集費(fèi)用,在采集施工中能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。
可控震源及激發(fā)方法的進(jìn)步,促使高效地震采集技術(shù)快速發(fā)展,采集的效率、數(shù)據(jù)量都呈數(shù)量級(jí)提高,頻帶寬度、方位角-偏移距分布了也得到改善。
中石油東方物探公司的EV56高精度可控震源,激發(fā)信號(hào)頻寬達(dá)到1.5~160 Hz,出力達(dá)到7 000磅級(jí)常規(guī)震源的水平[6]。在高密度寬頻地震采集生產(chǎn)中,EV56可產(chǎn)生90 Hz以上的高頻率信號(hào),與常規(guī)可控震源相比,高頻端可擴(kuò)頻15~20 Hz、中低頻部分可擴(kuò)頻5~10 Hz,在實(shí)際應(yīng)用中取得優(yōu)異的勘探效果,持續(xù)保持全球行業(yè)領(lǐng)先地位。
光纖分布式聲波傳感器(DAS)是一項(xiàng)發(fā)展迅速的技術(shù),最早應(yīng)用于軍事、通信、工程領(lǐng)域。DAS采用激光脈沖激發(fā)、相干光反射測(cè)量的原理。DAS光纖受到外界振動(dòng)作用時(shí),由于彈性-光學(xué)效應(yīng),光纖形狀產(chǎn)生微小變化,在光纖中傳播的短脈沖激光及其背向散射光發(fā)生變化,將接收到的傳播光信號(hào)、背向散射光信號(hào)與原始光信號(hào)進(jìn)行比較,即可測(cè)量應(yīng)變發(fā)生的時(shí)間、位置和強(qiáng)度等信息。DAS系統(tǒng)主要包括激發(fā)單元、處理單元和使用界面。
DAS傳感具有以下優(yōu)點(diǎn):不需要單獨(dú)的傳感器、傳感電纜,成本低;耐高溫高壓等極端條件、抗電磁干擾;布設(shè)方便;排列長(zhǎng)度長(zhǎng)(可達(dá)數(shù)十千米或全井);采集效率高(特別是井中,可一次完成全井段采集);線內(nèi)采樣率高(可小于1 m);采集腳印??;光纖壽命長(zhǎng),基本無(wú)需維護(hù),更能勝任永久監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)的DAS只能測(cè)量平行于光纖方向的應(yīng)變,螺旋纏繞DAS光纖等技術(shù)克服了這一問(wèn)題,在各個(gè)方向都比較靈敏,從而使在地表采用水平DAS光纖采集地震反射數(shù)據(jù)成為可能。
目前,DAS較多應(yīng)用于VSP及時(shí)延VSP、地震監(jiān)測(cè)、水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[7-10]。中國(guó)也開(kāi)展了光纖地震傳感器的研究[11]。中石油東方物探公司推出的uDAS系統(tǒng),大幅提高了全井段觀測(cè)及成像能力,在應(yīng)力感應(yīng)靈敏度、最小采樣間距、最大傳輸距離、生產(chǎn)成本等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,已在中國(guó)多個(gè)油氣田開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用,在構(gòu)造成像、小斷層識(shí)別、砂體描述、壓裂微地震監(jiān)測(cè)、油藏時(shí)延監(jiān)測(cè)等方面取得良好效果,具備了工業(yè)化應(yīng)用條件。
DAS在地震領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,有望成為一種新的認(rèn)識(shí)、管理油藏的手段,與人工智能相結(jié)合,DAS地震能夠推進(jìn)智慧油田的建設(shè)、提高油氣最終采收率。
可控震源高效激發(fā)技術(shù)帶來(lái)了采集技術(shù)的突破,以往的逐炮采集發(fā)展成多震源同時(shí)激發(fā)、檢波器連續(xù)記錄多炮的疊加波場(chǎng)的多源地震采集,在相同的時(shí)間內(nèi)能夠記錄到更多的地震數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的冗余有利于降低假頻,提高資料質(zhì)量。
多源地震的優(yōu)勢(shì)是每個(gè)震源的效率提高,多個(gè)震源同時(shí)工作。多源地震減小炮線上的炮距、共偏移距域中的道距,與寬頻、寬方位、高密度采集相結(jié)合,縮短了采集工期,能夠降低地震成本。
陸地多源地震在目前都是可控震源按一定方式編碼激發(fā)進(jìn)行采集的。海上多源采集形式多樣,根據(jù)震源船、拖纜船的不同組合以及震源船上的震源配備,形成了環(huán)形、雙環(huán)形、多環(huán)形多船地震采集技術(shù)。海洋多源地震還可與雙纜、斜纜等技術(shù)結(jié)合,提高采集質(zhì)量[12-14]。多源長(zhǎng)偏移距雙方位角采集、海上中間放炮拖纜采集等技術(shù)也在實(shí)際應(yīng)用中提高了復(fù)雜區(qū)域的成像質(zhì)量和分辨能力。
多震源混疊采集得到的地震數(shù)據(jù)有兩種處理方式:數(shù)據(jù)分離,得到單炮記錄,然后采用與常規(guī)單炮處理方式一樣的處理流程。炮分離可以通過(guò)濾波[15]、反演[16-18]等進(jìn)行;直接處理超級(jí)炮,有多源偏移[19-20]、反演(全波場(chǎng)反演[21]、最小二乘反演[22]、多源全波形反演[23-24])等技術(shù)。
多源地震面臨著不同采集方式的選擇和改進(jìn)、海量資料的處理等技術(shù)難題。通過(guò)下列手段能夠進(jìn)一步提高多源地震的效能:縮短震源的激發(fā)預(yù)備時(shí)間,降低在炮點(diǎn)間移動(dòng)震源所需要的時(shí)間,以縮短震源激發(fā)周期,在相同的施工時(shí)間內(nèi)激發(fā)出更多的炮;選擇合適的震源激發(fā)方式,設(shè)計(jì)合理的混疊編碼,提高震源激發(fā)效率;研究混疊數(shù)據(jù)的解混疊方法,使得炮分離結(jié)果盡可能地消除或減輕道間串?dāng)_的影響。
多源地震代表了地震采集的方向,將成為下一代地震采集方式——“分布震源組合”(DSA)的主流。
節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)[25]是從海洋地震發(fā)展而來(lái)的,具有可以在鉆井平臺(tái)密集或有其他障礙物的地方實(shí)施采集、觀測(cè)點(diǎn)位置準(zhǔn)確、采集的可重復(fù)性高、減少環(huán)境的干擾、易于消除鬼波、適于高密度布設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。深水勘探、油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中,節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為明顯,很多油田已用節(jié)點(diǎn)技術(shù)取代了拖纜采集。陸上節(jié)點(diǎn)采集則可以減輕復(fù)雜地表?xiàng)l件下的采集施工難度,提高效率。隨著集成電路、實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器、小體積大容量電池等技術(shù)的發(fā)展,節(jié)點(diǎn)設(shè)備有一體化和微型化的趨勢(shì)。
水下節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方法不斷改進(jìn),由遙控水下飛行器(ROV)等水下機(jī)器人發(fā)展到“飛行節(jié)點(diǎn)”[26]技術(shù),節(jié)點(diǎn)布設(shè)和回收效率、定位精度和能夠布設(shè)的檢波點(diǎn)密度都更高。
節(jié)點(diǎn)地震技術(shù)與可控源高效激發(fā)技術(shù)、稀疏采集技術(shù)相結(jié)合,能夠進(jìn)一步提高采集效率、降低采集成本,具有很大的發(fā)展前景。
1.5.1 壓縮感知采集
基于信號(hào)稀疏采樣理論的壓縮感知(compressed sensing,CS)在圖像壓縮、無(wú)線通信、模式識(shí)別和醫(yī)療成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
壓縮感知技術(shù)利用信號(hào)的稀疏特性進(jìn)行非規(guī)則稀疏采樣,突破了Shannon-Nyquist采樣定理的限制,減少了數(shù)據(jù)表達(dá)和處理的工作量。在油氣地球物理領(lǐng)域,在滿足CS要求的前提下,可以用它進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)的恢復(fù)和數(shù)據(jù)插值加密,還可以減少資料采集工作量,降低采集成本。CS成為提高地震勘探效率的重要方法[27-30]。
目前,壓縮感知理論在油氣地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用已從數(shù)據(jù)恢復(fù)和加密向稀疏觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[31-32]、地震數(shù)據(jù)處理[33-37]方向發(fā)展。
1.5.2 “分布震源組合”(DSA)采集
多源地震提高了地震采集的效率,充分利用該優(yōu)勢(shì),將目前使用的寬(全)頻帶震源改為窄帶或單頻震源,出現(xiàn)了DSA采集的思路[38]。
DSA有下列顯著特征:?jiǎn)晤l或窄帶震源(易于實(shí)現(xiàn),且輕便化)的分布式組合,寬頻檢波器[記錄寬(全)頻段地震數(shù)據(jù)],源、檢的隨機(jī)分布(減輕布設(shè)和回收的工作量)和連續(xù)采集(在獲得巨量數(shù)據(jù)的同時(shí)提高采集效率)。研究表明,在DSA中,采用不同頻帶范圍內(nèi)的單頻或窄頻震源進(jìn)行分布式組合,其響應(yīng)與寬頻震源相似,地震記錄的頻譜范圍很寬,但采集成本要小很多,效率也高,特別有利于重復(fù)采集。DSA資料處理的方法正在討論中[39-40]。
DSA中需要解決的主要問(wèn)題有:震源組合及激發(fā)設(shè)計(jì),寬頻、能長(zhǎng)時(shí)間記錄和運(yùn)行的檢波器(如光纖等),隨機(jī)采樣方法,空間、時(shí)間上的隨機(jī)采樣巨量資料的數(shù)據(jù)處理。
DSA將大大提高地震的經(jīng)濟(jì)性,通過(guò)數(shù)據(jù)的冗余,提高地震資料反映地質(zhì)情況的能力。DSA可能是新一代地震采集方法的代表,目前的多源地震可以認(rèn)為是DSA的初步實(shí)現(xiàn)形式。
地震資料處理中,更加注意流程規(guī)劃、方法選擇、參數(shù)選取時(shí)的地質(zhì)、地球物理意義,為后續(xù)解釋和重新采集處理過(guò)程提供可靠的資料,體現(xiàn)了采集、處理、解釋一體化的趨勢(shì)。地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究應(yīng)用的主要內(nèi)容包括高密度、寬方位資料的插值與規(guī)則化[41-42]、靜校正[43]、去噪[44-46]、建模[47-49]、偏移成像[50]、反演[51-53]、OVT域處理[54]、針對(duì)性屬性計(jì)算[55-57]等,技術(shù)進(jìn)展中主要集中于偏移技術(shù)和全波形反演技術(shù)。
偏移和反演是求解波動(dòng)方程的不同途徑。一般而言,偏移給出地下構(gòu)造情況,反演能揭示地下物性分布,偏移與反演的融合是發(fā)展大方向。聯(lián)合偏移反演(JMI)[58-61]是朝著這個(gè)方向的努力之一。
地震偏移成像是地震資料處理中的關(guān)鍵一步,偏移成像結(jié)果直接決定了構(gòu)造解釋、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷加深,地震勘探逐漸走向更加復(fù)雜的地下構(gòu)造和復(fù)雜儲(chǔ)層區(qū)域。復(fù)雜幾何形態(tài)的鹽體、不同噴發(fā)形式形成的火山巖、古潛山等構(gòu)造體的存在使得地震波場(chǎng)十分復(fù)雜,建模和偏移難度加大,這些地質(zhì)體的底邊界、側(cè)翼、下覆構(gòu)造的成像更為困難。偏移技術(shù)的研究聚焦于提高解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的能力(復(fù)雜地表、復(fù)雜目標(biāo)體等艱難條件下的成像能力、成像結(jié)果的精度和分辨率等)、偏移成像的計(jì)算效率。疊前深度偏移(PSDM)已經(jīng)成為常規(guī)流程。逆時(shí)偏移[62-63]、束偏移的研究不斷深入,并取得很多成功應(yīng)用。最小二乘偏移重新受到重視。
2.1.1 最小二乘偏移
標(biāo)準(zhǔn)的偏移方法(包括逆時(shí)偏移)是基于正演模擬算子的共軛轉(zhuǎn)置,使得成像結(jié)果受假像、不均勻照明的影響,特別是在復(fù)雜地區(qū)。最小二乘偏移(LSM)則是對(duì)正演模擬算子的逆的近似,因而能減輕上述問(wèn)題。
LSM的優(yōu)勢(shì)有:提高成像分辨率;減少觀測(cè)不規(guī)則、采樣稀疏、孔徑不足時(shí)的偏移假象,改善成像聚焦;補(bǔ)償吸收衰減、幾何擴(kuò)散、各向異性等引起的振幅問(wèn)題,提高成像保幅性。
聲波、彈性波最小二乘成像都有新的成果。最小二乘全波場(chǎng)偏移技術(shù)(LS-FWM),考慮一次波和高階反射能量,顯著增強(qiáng)了成像的照明度和分辨率,成像較少受串音干擾,并改善了波數(shù)成分,振幅更加均衡,斷層、構(gòu)造落實(shí)效果更好[64]。LSM和稀疏反演相結(jié)合[65],能降低計(jì)算成本。最小二乘Q偏移(LSQKir)方法,能進(jìn)行Q補(bǔ)償,改善照明度、振幅保真度、成像分辨率[66]。單次迭代(非迭代)最小二乘深度偏移[67]能改進(jìn)偏移結(jié)果的保幅性,提高分辨率和照明補(bǔ)償效果,并考慮衰減問(wèn)題。單次迭代最小二乘深度偏移計(jì)算量小于常規(guī)的迭代最小二乘偏移方法(常規(guī)迭代LSM的計(jì)算量約為常規(guī)偏移的2N倍,N為迭代次數(shù))?;诜瓷渎实姆瓷涞卣鸩▊鞑シ匠?反射波動(dòng)方程)的LSM方法能夠得到地下反射層界面的物性參數(shù),而常規(guī)LSM得到的是地下反射層的物性參數(shù)[68]。
LSM也存在一些不足。一是計(jì)算量大。二是偏移約束條件的選取困難,目前仍然沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。
LSM的應(yīng)用必須尋求效果與效率的平衡。主要有兩條路徑:利用高效求解Hessian矩陣逆方法代替多次迭代法;LSM偏移與高效偏移算子相結(jié)合(如最小二乘逆時(shí)偏移成像,LSRTM),在實(shí)現(xiàn)高精度成像的同時(shí)兼顧效率。LSRTM還能夠克服采集假頻、補(bǔ)償照明不足[69]。
通過(guò)解線性化的彈性波方程或采用新的擾動(dòng)成像條件等方法[70-72],彈性LSRTM能夠得到縱、橫波反射系數(shù),結(jié)果的分辨率、信噪比、振幅平衡性等都優(yōu)于彈性RTM和聲波LSRTM,振幅信息更加準(zhǔn)確,有利于油藏描述。黏彈介質(zhì)的最小二乘逆時(shí)偏移(QLSRTM)也正在研究之中[73]。
雖然LSRTM相比常規(guī)偏移具有較大的優(yōu)勢(shì),但仍然面臨著速度場(chǎng)的精度、震源子波估計(jì)等問(wèn)題。為此發(fā)展出了不依賴(lài)子波的LSRTM(SILSRTM)等算法。SILSRTM用觀測(cè)波場(chǎng)卷積模擬波場(chǎng)的參考道、模擬波場(chǎng)卷積觀測(cè)波場(chǎng)的參考道形成目標(biāo)泛函,目標(biāo)泛函的兩項(xiàng)中同時(shí)存在觀測(cè)子波和模擬子波,從而去除子波影響[74]。
2.1.2 無(wú)需速度模型的偏移成像技術(shù)
對(duì)于速度模型的依賴(lài),是偏移技術(shù)一直未能擺脫的困境之一,越是成像能力強(qiáng)的方法,對(duì)輸入速度模型的準(zhǔn)確性要求就越高。
解決上述問(wèn)題,至少有三條途徑可以同時(shí)努力:改善速度估計(jì)方法,建立盡量準(zhǔn)確的初始模型;研究反演方法(比如全波形反演等),提供接近實(shí)際的物性分布情況;尋求弱速度依賴(lài)性甚至無(wú)需速度模型的偏移技術(shù)。在第三條路徑中[75],逆散射子級(jí)數(shù)(inverse scatting subseries,ISS)法[76]、小曲線(curvelet)法[77]研究較多。ISS考慮了逆散射序列中的高階項(xiàng),突破了基于Born線性化近似的逆散射成像僅對(duì)小擾動(dòng)速度模型有效的局限性,并且無(wú)需水平層狀介質(zhì)的假設(shè),可以實(shí)現(xiàn)速度橫向變化下的PSDM。Curvelet變換實(shí)際上是一個(gè)分解、壓縮過(guò)程,提供了關(guān)于局部?jī)A斜的內(nèi)在信息,得到地震數(shù)據(jù)的一系列含有方向信息的系數(shù)(非零系數(shù)的個(gè)數(shù)很少)。使用這些系數(shù)可以進(jìn)行各向異性偏移,而計(jì)算量則大大降低,成像過(guò)程中無(wú)需建立速度模型。除了偏移成像,ISS、Curvelet變換在地震中還有非常廣泛的應(yīng)用。
2.1.3 Marchenko成像
Marchenko成像[78-79]是一種不含有多次反射假象的成像技術(shù),它是基于Marchenko基準(zhǔn)面重建的,用地面地震記錄、背景速度模型,將地面地震震源和檢波器延拓到地下任意深度,重建出反射響應(yīng)的基準(zhǔn)面。重建出的資料只包含新基準(zhǔn)面深度以下的反射響應(yīng),基準(zhǔn)面以上的介質(zhì)與反射記錄無(wú)關(guān)。
Marchenko重建基準(zhǔn)面、成像方法已應(yīng)用于實(shí)際資料,有效壓制了層間多次波引起的成像假象。
Marchenko方法在波場(chǎng)分解、震源子波估計(jì)等方面也有應(yīng)用。
全波形反演(FWI)[80]利用了地震資料的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,對(duì)提高成像精度和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)可靠性具有重要意義,獲得廣泛的研究,并在海上[81-82]、陸上[83]取得較好應(yīng)用成果。全波形反演是一種利用迭代的線性化反演方法進(jìn)行求解的強(qiáng)非線性反演,具有計(jì)算量大與局部極值高風(fēng)險(xiǎn)性的特點(diǎn)。其成功應(yīng)用主要依賴(lài)于長(zhǎng)偏移距、低頻信息豐富、采集系統(tǒng)規(guī)則、高信噪比的優(yōu)質(zhì)地震數(shù)據(jù),精確的初始速度,準(zhǔn)確的子波估計(jì)等關(guān)鍵信息。
2.2.1 反射波全波形反演
反射波全波形反演(RFWI)方法能補(bǔ)償背景速度模型的長(zhǎng)波長(zhǎng),并能提供使用潛波時(shí)難以得到的速度更新。RFWI用分解的全波形反演(FWI)的斜率高波數(shù)成分首先更新密度,然后使用低波數(shù)成分更新速度。RFWI能夠改善一般方法難以確定的微型盆地中鹽上的變化的頁(yè)巖速度,識(shí)別淺層慢速頁(yè)巖體、高速碳酸鹽巖,改善鹽內(nèi)和鹽下速度,減輕鹽體解釋的模糊性,成像道集連貫平滑,構(gòu)造連續(xù)性更好[84-85]。使用數(shù)據(jù)域微分相似系數(shù)最優(yōu)化方法來(lái)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)信息校正模型,能夠改進(jìn)RFWI流程的穩(wěn)健性[86]。擴(kuò)展源時(shí)間域RFWI方法能夠避免周期跳躍問(wèn)題,克服局部最小值問(wèn)題,放松了常規(guī)FWI由于局部最小值限制對(duì)應(yīng)用的苛刻要求,擴(kuò)展了解空間。RFWI還適用于存在強(qiáng)反射界面的地區(qū),以及初始模型不準(zhǔn)、原始數(shù)據(jù)缺失低頻等情況[87]。各向異性多參數(shù)全波形反演可獲得信噪比高、道集品質(zhì)好的成像結(jié)果[88-89]。廻折波FWI和RFWI相結(jié)合,已廣泛應(yīng)用于墨西哥灣鹽下建模等[90]。
2.2.2 參數(shù)化FWI
進(jìn)行多參數(shù)FWI時(shí),由于模型參數(shù)多,參數(shù)之間不得不進(jìn)行折中,從而影響反演結(jié)果。在正交各向異性介質(zhì)中的彈性近似甚至聲波近似時(shí),這種影響也被放大得更嚴(yán)重??梢詫WI問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求最影響數(shù)據(jù)(即數(shù)據(jù)對(duì)其最敏感)的那些參數(shù),這些參數(shù)的類(lèi)型依模型的不同詳細(xì)程度、尺度和所反映的地質(zhì)特征而不同。
現(xiàn)有研究指出,對(duì)ORT介質(zhì),數(shù)據(jù)將主要對(duì)四個(gè)參數(shù)的散射特性比較敏感:x1方向的水平速度、ε(主要是x-z平面的近零偏移距處的散射)、εd(x1、x2方向的水平速度的平方的比)、δ3(水平面上的非橢圓率的參數(shù))。采用這種參數(shù)組合,水平速度和ε的散射特性都與方位無(wú)關(guān)了,可以對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行VTI反演求得初始值,用上述另外的兩個(gè)參數(shù)來(lái)擬合資料的方位變化[91]。
2.2.3 自動(dòng)化FWI
基于機(jī)器學(xué)習(xí)引入FWI實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)時(shí)窗拾取FWI方法,提高了全波形反演的計(jì)算效率[92]。而FWI方法的性質(zhì),暗示著FWI方法的自動(dòng)化是非常有希望實(shí)現(xiàn)的。
FWI已經(jīng)在海上地震資料中實(shí)用化,陸上資料的應(yīng)用主要還以淺、中層為主。FWI還需解決近地表問(wèn)題,斷層成像不準(zhǔn)確等問(wèn)題。需要繼續(xù)研究的技術(shù)難點(diǎn)有初始模型建立、子波估計(jì)、缺失低頻和長(zhǎng)偏移距數(shù)據(jù)的FWI、避免局部最小陷阱、快速全局尋優(yōu)、提高計(jì)算效率等。
地震解釋技術(shù)由定性、半定量向定量化解釋發(fā)展。定量解釋技術(shù)的進(jìn)展主要是發(fā)展了新的反演方法,例如一維隨機(jī)反演方法、儲(chǔ)層物性反演、基于貝葉斯隨機(jī)地震反演的薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)新方法等。深度域反演方法從深度偏移數(shù)據(jù)體反演輸出反射率和聲阻抗。提高復(fù)雜環(huán)境下地震構(gòu)造解釋和定量地震解釋的可靠性與一致性,有助于降低復(fù)雜儲(chǔ)層環(huán)境下的不確定性,改進(jìn)儲(chǔ)層定量解釋。
目前,疊前地震反演已經(jīng)成為定量地震解釋的常規(guī)流程。近年來(lái),定量地震解釋方面又涌現(xiàn)出新的方法研究和應(yīng)用。
(1)一維隨機(jī)反演方法(ODiSI)估算儲(chǔ)層物性、巖相和結(jié)果的不確定性。ODiSI已成功應(yīng)用于多個(gè)地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的硅質(zhì)碎屑巖地區(qū)。反演得到的凈毛比和孔隙度數(shù)據(jù)體已經(jīng)成功的用于井位部署,同時(shí)也可以更好地了解儲(chǔ)層地質(zhì)特征、直接輸入儲(chǔ)層模型中[93]。
(2)疊前同步反演已擴(kuò)展到同時(shí)方位反演并成功應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)[94],如:壓力和裂縫方向的方位定量反演。
(3)基于確定性模型的疊前地震反演。傳統(tǒng)疊前地震反演的通常是縱波阻抗(PI)、橫波阻抗(SI)和密度,新方法則將PI、SI和密度等參數(shù)轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)層物性(巖性、孔隙度和含水飽和度),用于定量解釋[95]。
(4)貝葉斯隨機(jī)反演。利用了子波、調(diào)諧和頻譜分析、測(cè)井和局部變化的各向異性(LVA)等信息作為約束,貝葉斯地震反演能夠給出流體、裂縫參數(shù),預(yù)測(cè)薄儲(chǔ)層[96-100]。該方法的彈性阻抗反演結(jié)果非常接近實(shí)際測(cè)井,并可給出定量的誤差或不確定性估計(jì),減小開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
深度域反演提高了復(fù)雜環(huán)境下地震構(gòu)造解釋和定量地震解釋的可靠性和一致性,能夠給出反射系數(shù)和照明補(bǔ)償后的聲波阻抗,從而由深度偏移數(shù)據(jù)體得到更一致、可靠的成像結(jié)果和巖石屬性。深度域反演已得到成功應(yīng)用。深度域聲阻抗反演改進(jìn)了砂巖侵入體的振幅保真度和分辨率,提高了巖石聲學(xué)參數(shù)、地震振幅的可靠性,進(jìn)而改進(jìn)儲(chǔ)層定量解釋[100-103]。
地震解釋技術(shù)將向深度域地震解釋和智能化解釋發(fā)展。
油氣地球物理理論研究中進(jìn)展最大的是各向異性研究,不確定性問(wèn)題的研究仍需投入更大的關(guān)注。巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)中,不同尺度、頻段的巖石物理響應(yīng)的關(guān)系,數(shù)字巖心技術(shù),物理模型制作與測(cè)試等技術(shù)均有進(jìn)展。以下介紹各向異性、數(shù)字巖心技術(shù)進(jìn)展。
各向異性是一種重要的地球介質(zhì)物理性質(zhì),會(huì)比較顯著的影響地震波旅行時(shí)及振幅信息,對(duì)地震波高精度建模和成像具有重要影響。完全各向異性介質(zhì)必須用21個(gè)獨(dú)立的彈性參數(shù)才能準(zhǔn)確描述,對(duì)地震資料、計(jì)算能力的要求非常高,各向異性研究也一直是一個(gè)難題。
多波多分量、寬方位、長(zhǎng)偏移距數(shù)據(jù)對(duì)各向異性研究非常重要。在勘探地震領(lǐng)域,各向異性研究主要集中在各向異性介質(zhì)中波現(xiàn)象模擬及分析、各向異性介質(zhì)的簡(jiǎn)化與近似、背景參數(shù)建模、反演成像及儲(chǔ)層參數(shù)建模等方面。
各向異性介質(zhì)的簡(jiǎn)化,包括了對(duì)介質(zhì)的簡(jiǎn)化和對(duì)介質(zhì)的表示方法的簡(jiǎn)化。前者如橫向各向同性(HTI)介質(zhì)、正交各向異性(ORT)介質(zhì)、用相對(duì)簡(jiǎn)單的介質(zhì)近似更復(fù)雜介質(zhì)(如:用TTI、ORT介質(zhì)近似TORT介質(zhì)[104])等。后者即所謂的“參數(shù)化”,根據(jù)地震資料、所要解決的地質(zhì)和工程問(wèn)題,選取合適的彈性參數(shù)及其組合,降低問(wèn)題求解的難度和計(jì)算代價(jià)(參見(jiàn)文獻(xiàn)[91])。
波場(chǎng)模擬和分析方面,TORT等各向異性介質(zhì)中高效的旅行時(shí)計(jì)算、同時(shí)考慮吸收衰減與速度各向異性的波場(chǎng)正演進(jìn)展明顯[105-108]。
參數(shù)建模方面,各向異性介質(zhì)背景參數(shù)建模和儲(chǔ)層參數(shù)建模都有所進(jìn)展[109-110]。利用角度道集的旅行時(shí)層析TORT介質(zhì)背景參數(shù)建模技術(shù)逐步成熟,在實(shí)際資料中取得了一些地質(zhì)效果。
TTI或TORT介質(zhì)的PSDM算法已發(fā)展較為成熟。成像逐步向反演方向發(fā)展(這與整體油氣地球物理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)一致),將背景速度建模與高波數(shù)反射系數(shù)估計(jì)合為一體,利用全波場(chǎng)信息進(jìn)行反演成像。對(duì)于越來(lái)越復(fù)雜的波現(xiàn)象,如何提取波場(chǎng)中的特征量(不同波型、不同傳播角度等)以降低反演成像問(wèn)題的非線性是進(jìn)一步研究的方向。
數(shù)字巖心技術(shù)是一種新興的數(shù)值模擬計(jì)算方法。數(shù)字巖心技術(shù)用掃描電子顯微鏡、微納米計(jì)算機(jī)斷層掃描等采集巖心實(shí)物的高分辨率、高保真度圖像,通過(guò)數(shù)學(xué)建模,刻畫(huà)巖心微觀結(jié)構(gòu),有效地模擬巖心內(nèi)部的物理性質(zhì)及其變化,定量分析和模擬地層的各種特性,為三維巖心建模、巖石物理數(shù)值模擬、多尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)及三維連通性表征、儲(chǔ)層多尺度表征關(guān)鍵參數(shù)提取優(yōu)化等提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。數(shù)字巖心技術(shù)有助于更好地了解油藏,提高油氣開(kāi)發(fā)效率及采收率[111-112]。
地震采集的自動(dòng)化、智能化起步較早,目前,陸上已經(jīng)能夠運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行裝備的布設(shè),海上已實(shí)現(xiàn)飛行節(jié)點(diǎn)自動(dòng)定位、采集。相對(duì)而言,處理、解釋環(huán)節(jié)(特別是解釋)的自動(dòng)化、智能化在近年飛速發(fā)展,其勢(shì)頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了采集自動(dòng)化智能化,這是由深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)自身的特質(zhì)以及計(jì)算能力的快速發(fā)展所決定的。
油氣地球物理中使用的自動(dòng)化智能化技術(shù)主要包括大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)、深度學(xué)習(xí)(DL)等。
深度學(xué)習(xí)等智能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋了物探數(shù)據(jù)處理與綜合解釋、井孔與巖石物理數(shù)據(jù)分析、油藏表征與油氣開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析等方面,主要集中于地震數(shù)據(jù)處理與解釋領(lǐng)域。
在地震處理方面,噪聲壓制與信號(hào)增強(qiáng)、儲(chǔ)層參數(shù)預(yù)測(cè)、地震反演、初至拾取、數(shù)據(jù)規(guī)則化、去噪及反演[113]、微地震數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化進(jìn)展較快,未來(lái),全波形反演的自動(dòng)化值得期待。
在地震解釋方面,人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)主要應(yīng)用于斷層自動(dòng)解釋、層位自動(dòng)追蹤、地震相識(shí)別[114]、鹽體識(shí)別及鹽丘頂?shù)捉忉孾115]、河道或溶洞解釋、地質(zhì)體識(shí)別[116]、含油氣性預(yù)測(cè)和非常規(guī)頁(yè)巖脆性預(yù)測(cè)[117]、綜合解釋等,大大提高了解釋效率并取得良好解釋效果。
層位自動(dòng)追蹤方法通過(guò)求解不均勻各向異性泊松方程從三維地震體中自動(dòng)提取和恢復(fù)有斷層的地層。改進(jìn)后的技術(shù)能進(jìn)行跨斷層、多斷塊區(qū)域的層位自動(dòng)追蹤建模,也可以應(yīng)用于噪聲數(shù)據(jù)或不整合界面周?chē)膶游惶崛。纫酝姆椒ǜ臃€(wěn)定、有效。由多屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拾取、解釋的研究仍在推進(jìn)[118-119]。深度學(xué)習(xí)可調(diào)整近偏移距地震層位解釋方案以適合于遠(yuǎn)偏移距地震數(shù)據(jù)體,不確定性圖可以幫助解釋人員更容易地選擇層位解釋的最佳方案[120]。
3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在斷層自動(dòng)解釋中取得較好成果[121],解釋結(jié)果符合地震剖面上的地質(zhì)特征。三維實(shí)際地震數(shù)據(jù)體斷層解釋實(shí)例中,斷層位置的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為88%[122]。
數(shù)據(jù)重抽樣(bootstrapping)機(jī)器學(xué)習(xí)法(卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN、深度卷積生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)DCGAN等)進(jìn)行斷層解釋[123],有助于克服地震數(shù)據(jù)量大、解釋結(jié)果(有標(biāo)簽的數(shù)據(jù))少這種短期內(nèi)不大可能改變的現(xiàn)實(shí)困難。
地震相自動(dòng)化解釋方法主要有自組織映射(SOM)、深度學(xué)習(xí)等。
SOM是基于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。測(cè)井、地震資料解釋結(jié)果表明,SOM能識(shí)別地震相,并且可預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的物性,更充分地表示輸入地震資料的地質(zhì)信息[124]。
深度學(xué)習(xí)方法區(qū)分不同的地震相,能在地震成像的地層圖上以像素級(jí)別的分辨率進(jìn)行自動(dòng)解釋。荷蘭海上資料的自動(dòng)定量解釋結(jié)果接近人工解釋[125]。
鹽體邊界通常不規(guī)則,手動(dòng)解釋耗時(shí)并且準(zhǔn)確性可能不高。傳統(tǒng)方法主要是選取鹽體特征的敏感屬性,用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練分類(lèi)算法區(qū)分鹽體與圍巖,實(shí)現(xiàn)鹽體分類(lèi)。CNN用于鹽丘頂界面自動(dòng)解釋的效果與人工解釋相當(dāng),解釋周期從大約一個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間減少到幾個(gè)小時(shí)[126]。將DNA激勵(lì)搜索算法與種子3D極值表面序列提取方法結(jié)合可以有效地進(jìn)行鹽體自動(dòng)解釋?zhuān)谀鞲鐬车亩嗫蛻?hù)地震數(shù)據(jù)中獲得了成功應(yīng)用[127]。
深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)技術(shù)刻畫(huà)鹽體的研究取得初步成果[128],含有復(fù)雜侵入體的褶皺第三系盆地SEG-SEAM模型的合成資料DCNN數(shù)值測(cè)試結(jié)果與原始地震成像非常吻合,特別是在以往用地震屬性較難分辨清楚的弱反射振幅區(qū)效果更好。
先進(jìn)的圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到地震解釋中[129],如在圖像標(biāo)注、機(jī)器翻譯、語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域已取得較好應(yīng)用成果的注意力機(jī)制模型(attention model,AM)。AM基于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng),模仿和預(yù)測(cè)解釋人員查看地震剖面的行為,利用記錄到的人類(lèi)觀察自然場(chǎng)景時(shí)的眼球注視模式,用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)完成自動(dòng)化的AM建模。實(shí)際資料應(yīng)用表明,該方法能從大規(guī)模地震數(shù)據(jù)體中有效、準(zhǔn)確地識(shí)別出斷層、鹽穹等重要構(gòu)造,也具有識(shí)別其他地質(zhì)特征的潛力[130]?;谝曈X(jué)特征多通道結(jié)構(gòu)理論的地震資料品質(zhì)分析方法,實(shí)際資料應(yīng)用效果基本符合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果[131]。
基于局部二值模式(local binary pattern,LBP)的圖像紋理相似性也可用于輔助地震解釋[132],能夠從地震數(shù)據(jù)體中選出關(guān)鍵地震剖面,建立非規(guī)則的網(wǎng)格,更容易地捕捉到地震資料的底層結(jié)構(gòu),更快、更準(zhǔn)確地完成解釋。實(shí)際資料的應(yīng)用說(shuō)明,該方法除了加速地震解釋外,還可突出地震測(cè)量中的差異區(qū)域,或者用搜索到的相似性比較不同的3D地震數(shù)據(jù)。
復(fù)雜地質(zhì)情況下的地震采集、處理、解釋的智能化仍需進(jìn)一步攻關(guān)。
油氣地球物理與深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)相結(jié)合的主要困難在于:地球物理數(shù)據(jù)解釋成果(特別是成功的實(shí)例)相對(duì)較少,也就是標(biāo)簽數(shù)據(jù)量??;各探區(qū)間地質(zhì)、物探條件差異較大。相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)這一現(xiàn)狀還難以改觀,能夠克服這些實(shí)際困難的方法將脫穎而出。
此外,如何保證學(xué)習(xí)結(jié)果的質(zhì)量,如何加入模型、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等先驗(yàn)信息的約束,也是深度學(xué)習(xí)等應(yīng)用于油氣地球物理技術(shù)時(shí)必須考慮的。
自動(dòng)化智能化物探技術(shù),將在“單個(gè)方法技術(shù)”(如全波形反演)、“采集處理解釋中的某一技術(shù)環(huán)節(jié)”(如斷層識(shí)別等)、“整個(gè)物探作業(yè)鏈”等多個(gè)層面上并行發(fā)展,逐步形成一體化的智能化物探技術(shù)體系。
在油價(jià)震蕩、業(yè)主對(duì)方法技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益要求非常高的情況下,物探技術(shù)的作用仍然得到了油公司、油服公司的高度重視,發(fā)展物探技術(shù)是提高油氣行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略選擇。
(1)可控震源裝備及激發(fā)技術(shù)的發(fā)展,為海上、陸上的多源地震等高效地震采集新技術(shù)提供了可能。高效采集大大縮短了采集周期、降低了成本,增加了信息冗余,有利于提高地震資料質(zhì)量。
(2)采集理念的變化推動(dòng)了寬頻、寬(全)方位、高密度地震技術(shù)的發(fā)展。分布式震源組合(DSA)可能是下一代地震采集技術(shù)。節(jié)點(diǎn)地震技術(shù)發(fā)展前景廣闊,與可控源高效激發(fā)技術(shù)、稀疏采集技術(shù)相結(jié)合,能夠大大提高采集效率、降低采集成本。壓縮感知、光纖傳感器等其他領(lǐng)域新技術(shù)成果的引入,加速提升了地震技術(shù)的能效。
(3)各向異性偏移、最小二乘偏移與其他偏移技術(shù)的結(jié)合,是成像技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)。全波形反演在淺中層建模中應(yīng)用效果顯著。聯(lián)合偏移反演是發(fā)展方向。
(4)在新的反演方法的支持下,地震解釋技術(shù)由定性半定量發(fā)展為定量化解釋?zhuān)瑢?duì)油藏的描述更為精細(xì)、可靠。
(5)各向異性是地震理論研究熱點(diǎn),TORT等介質(zhì)的參數(shù)化表達(dá)、波場(chǎng)模擬和分析、偏移成像、參數(shù)建模等,比以往使用的TTI等更加接近真實(shí)的各向異性。數(shù)字巖心是新型巖石物理技術(shù),有助于更好地了解油藏,提高油氣開(kāi)發(fā)效率及采收率。
(6)自動(dòng)化智能化物探技術(shù)研究熱潮來(lái)襲,滲透到物探數(shù)據(jù)處理與綜合解釋、巖石物理研究、油藏表征等領(lǐng)域,將向整個(gè)物探作業(yè)鏈的一體智能化方向迅速發(fā)展。近期的重點(diǎn)是復(fù)雜地質(zhì)條件下的地震智能化解釋。