高密度三維地震觀測系統(tǒng)設計技術與應用

崔慶輝,尚新民,滕厚華,關 鍵,芮擁軍

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勝利物探研究院,山東東營257055)

高密度三維地震采集代表著當前我國地震勘探技術的發(fā)展方向,國內各大油田正逐步向高密度三維地震勘探過渡[1],勝利油田經過幾年的探索,目前已經全面進入高密度地震采集階段[2]。觀測系統(tǒng)設計是地震采集中的關鍵環(huán)節(jié),針對高密度地震采集觀測系統(tǒng)設計,國內許多學者開展了相關研究,并將研究成果應用于各個油田,取得了良好的效果。姜福豪等[3]從信噪比、分辨率和空間采樣等幾個方面論述了高密度三維地震觀測系統(tǒng)設計的基本方法;邸志欣等[4]建立了塔河油田典型的“串珠”地質模型,通過正演模擬方法對面元大小和排列滾動距離進行了重點分析;陳學強等[5]對沙漠地表條件下小縫洞型儲層展開地震勘探,提出了面元屬性均勻的主要原則,給出了炮道密度設計公式;劉依謀等[6]詳細分析了面元大小、覆蓋次數和橫縱比等主要觀測參數對縫洞儲層成像和油藏精細描述的影響,通過高密度地震采集實例證明了“小道距、寬方位、高覆蓋次數”可明顯改善縫洞儲層成像效果和油藏精細描述,研究成果對于同類地區(qū)具有指導意義;郭念民等[7]進一步發(fā)展了劉依謀等[6]的研究成果,大幅減小面元、加寬方位、提高覆蓋次數,并利用單點接收方法更好地提高了碳酸鹽巖儲層勘探精度。

相較于常規(guī)三維地震采集,高密度三維地震采集對觀測系統(tǒng)設計提出了更高的要求,需要解決以下問題:一是如何實現地質任務與經濟成本的平衡;二是如何針對地質目標進行觀測系統(tǒng)設計。對于第一個問題,有些學者提出了“退化處理”的思路,該思路對于此類問題的研究具有指導意義[8-10]。對于第二個問題,目前主要采用“點”論證方法、射線類模擬或照明分析等方法,但這些方法已不能適應當前勘探精度的要求。

為解決以上問題,本文提出了面向地質目標的高密度三維地震觀測系統(tǒng)設計技術,在深入分析老資料和提升地質認識的基礎上,對基于實際高密度地震采集資料退化處理后的參數優(yōu)化、基于目的層的全區(qū)觀測系統(tǒng)參數宏觀論證、基于正演模擬的觀測系統(tǒng)參數精細論證,平衡經濟與地質效果,獲得最佳觀測系統(tǒng)方案。

1 技術方法

基于疊后偏移的常規(guī)觀測系統(tǒng)設計中,主要考慮覆蓋次數對資料信噪比的影響。炮道密度可用于檢驗高密度地震采集觀測系統(tǒng)疊前成像效果[8],同時炮道密度也是影響采集成本的主要指標之一。目前高密度三維地震采集處于過渡期,對于多大的炮道密度能夠滿足當前的地質任務并無明確認識,而且影響炮道密度的因素較多,如工區(qū)原始資料的信噪比、工區(qū)地表激發(fā)接收條件、地下構造復雜程度等?？赏ㄟ^對已有高密度地震采集資料的退化處理實現炮道密度的優(yōu)化,進而找到地質任務與采集成本之間的平衡點,得到適用于同一地區(qū)的宏觀指導原則。

根據上述指導原則,首先充分利用工區(qū)已有的地震、地質資料成果,建立目的層系地震、地質綜合模型,進而展開全區(qū)觀測系統(tǒng)參數的宏觀論證,得到各參數的合理分布范圍,然后建立工區(qū)典型地質目標精細模型,再通過波動方程正演對觀測系統(tǒng)參數進行精細的分析論證,最后結合經濟成本和施工條件得出最佳的觀測系統(tǒng)方案。該技術流程如圖1所示。

圖1 面向地質目標的高密度地震采集三維觀測系統(tǒng)設計技術流程

1.1 基于實際地震資料退化處理的炮道密度優(yōu)化

屠世杰[8]對高密度三維地震資料進行退化處理并選取合適的炮道密度,張偉等[9]對實際地震資料進行面元、炮數和排列長度等采集參數的“退化性”處理試驗,徐輝等[10]對實際資料觀測系統(tǒng)進行退化分析,得到了覆蓋次數與信噪比的關系。本文借助前人的研究成果與思想,以勝利油田高密度三維地震采集資料為基礎,以炮道密度作為主要變量,逐步退化觀測系統(tǒng),并根據退化后的地震資料成像情況,得出成像精度與炮道密度之間的關系,作為該地區(qū)今后高密度地震采集觀測系統(tǒng)設計的重要依據。

L工區(qū)高密度三維地震采集資料是目前勝利油田炮道密度最高、面元最小的一塊三維地震資料。在保持偏移距與方位角分布規(guī)律基本不變的前提下,采用抽稀炮排和道距的方式使炮道密度隨機退化,分析炮道密度在35.8～358.4萬道/km2的變化過程中,疊前時間偏移成像剖面信噪比的變化規(guī)律。

對L工區(qū)高密度三維地震采集資料進行退化處理,得到不同炮道密度條件下的疊前時間偏移剖面如圖2所示,圖3a為該工區(qū)1600～2200ms地震數據統(tǒng)計得到的偏移剖面信噪比與炮道密度的變化曲線,紅色曲線為全頻帶統(tǒng)計結果,藍色曲線為對數據進行60Hz高通濾波后的統(tǒng)計結果。為了更直觀呈現信噪比隨炮道密度增加產生的變化,將每一個炮道密度的信噪比與上一炮道密度的信噪比之差作為信噪比增速,得到的變化曲線如圖3b所示?？梢钥闯?炮道密度為0～120萬道/km2時,隨著炮道密度的提高,偏移剖面信噪比迅速增加,此時通過增加炮道密度提高成像質量,性價比最高;炮道密度為120～220萬道/km2時,隨著炮道密度的增加,偏移剖面信噪比增速減小;炮道密度為220～320萬道/km2時,隨著炮道密度的提高,偏移剖面信噪比增速明顯變緩;炮道密度>320萬道/km2時,偏移剖面信噪比增速接近停滯。為此本文將120萬道/km2的炮道密度作為高密度三維地震采集的一個重要參考指標,用于指導勝利油田東部地區(qū)高密度三維地震采集觀測系統(tǒng)設計。

1.2 基于目的層的全區(qū)觀測系統(tǒng)參數宏觀論證

常規(guī)的觀測系統(tǒng)參數論證一般基于“點論證”,即選取具有代表性的論證點,根據以往勘探成果提取論證點的目的層埋深、地層傾角、速度、雙程旅行時等地震地質信息,對觀測系統(tǒng)參數進行論證。對于地質目標復雜的高密度三維地震采集觀測系統(tǒng),常規(guī)的“點論證”方式已經不再適用,本文提出了基于目的層的全區(qū)高密度三維觀測系統(tǒng)參數宏觀論證方法,并采用該方法得到了主要觀測系統(tǒng)參數的合理范圍。

圖2 L工區(qū)不同炮道密度條件下的疊前時間偏移剖面a 全頻帶; b 60Hz高通濾波后

圖3 L工區(qū)1600～2200ms地震數據統(tǒng)計得到的偏移剖面信噪比與炮道密度(a)以及偏移剖面信噪比增速與炮道密度(b)的變化曲線

1.2.1 目的層地震地質綜合參數模型建立

首先根據工區(qū)老資料處理得到的地震速度和解釋的層位信息,對目的層進行網格化,再利用層位信息賦予網格化后的地層深度值,將所有層位控制點的地震均方根速度由“時間-速度”對轉換成“深度-速度”對,然后根據該層位控制點的地層深度進行計算獲得該點的傾角、雙層旅行時和均方根速度,最后遍歷所有層位網格,利用基于網格索引的逐步外推等距離反比加權插值方法給沒有雙程旅行時和均方根速度的層位網格賦值,最終建立具有深度、傾角、雙程旅行時和均方根速度信息的綜合層位模型,具體流程見圖4。圖5為L工區(qū)T7目的層地震地質參數模型平面顯示。

圖4 目的層地震地質綜合層位模型建立流程

1.2.2 基于目的層的全區(qū)觀測系統(tǒng)參數論證

觀測系統(tǒng)設計時需要考慮的主要參數包括面元邊長、最大炮檢距、接收線距、最大非縱距,基于建立的目的層地震地質綜合模型,對目的層上每個論證網格點依據理論公式計算上述參數,最終得到全目的層觀測系統(tǒng)參數論證結果。

1) 面元邊長。

面元邊長是觀測系統(tǒng)中的關鍵參數之一,與分辨率和信噪比有直接關系。面元邊長確定后可進一步確定出炮間距和道間距。面元邊長需要滿足最高無混疊頻率和橫向分辨率的要求。

為了使偏移成像時不產生假頻噪聲,面元邊長需要滿足以下條件:

b1≤vRMS/(4×fmax×sinθ)

(1)

式中:b1為滿足最高無混疊頻率要求的面元邊長;vRMS為目的層論證網格點上覆地層均方根速度;fmax為目的層論證網格點最高無混疊頻率;θ為目的層論證網格點的地層傾角。vRMS,θ均根據目的層地震地質綜合參數模型得到,fmax根據所需解決的地質任務確定。

圖5 L工區(qū)T7目的層地震地質參數模型平面顯示a 深度; b 傾角; c 均方根速度; d 雙程旅行時

根據空間采樣原理,當地震信號每個優(yōu)勢頻率的波長內有2個以上的采樣點時,才能保證地震資料在空間上具有良好的橫向分辨率,因此面元的邊長需要滿足以下條件[11]:

b2≤vRMS/(2×fp)

(2)

式中:b2為滿足橫向分辨率要求的面元邊長;fp為目的層論證網格點主頻,根據所需解決的地質任務確定。

對目的層上所有論證網格點的面元邊長分別按照公式(1)和(2)計算,將單一論證網格點的面元最小值作為最終結果,并對全區(qū)目的層論證網格點的最終結果進行統(tǒng)計,設定百分比門檻值以得到一個適用于全區(qū)目的層的面元邊長。

2) 最大炮檢距。

大炮檢距有利于提高速度分析精度,對于深層成像也必不可少,但考慮到動校正拉伸的影響,炮檢距不宜過大,綜合目的層埋深、速度分析精度、動校正拉伸等因素對最大炮檢距進行論證。

大炮檢距處動校正造成的波形拉伸畸變較為嚴重,在論證最大炮檢距時必須將有效波畸變限定在一定范圍內,并應盡量減少動校正拉伸對頻率的影響,一般將動校正拉伸率控制在12.5%?？紤]動校正拉伸影響的最大炮檢距如下[12]:

(3)

式中:O1為滿足動校拉伸限制的最大炮檢距;t0為雙程旅行時;d為動校正拉伸率。

足夠的排列長度能保證疊加速度分析的精度,速度分析精度與最大炮檢距有如下關系[11]:

(4)

式中:O2為滿足速度分析精度的最大炮檢距;P為速度分析誤差,其大小根據地質任務確定,一般取2%～4%。

對目的層上所有論證網格點的最大炮檢距分別按照(1)式和(2)式計算并統(tǒng)計,得到全區(qū)目的層的最大炮檢距范圍。

3) 接收線距和最大非縱距。

為了滿足后續(xù)處理時的速度分析、AVO分析、空間插值等要求,接收線距通常不大于垂直入射時的菲涅爾帶半徑[12],即:

(5)

式中:R為接收線距。

隨著非縱距的增加,方位角分布范圍更寬,非縱觀測誤差也隨之增大。因此在設計三維地震觀測系統(tǒng)時,除非對方位有特殊要求,否則應對最大非縱距加以限制。從減小非縱觀測誤差角度考慮,最大非縱距應滿足以下條件:

(6)

式中:Ymax為最大非縱距。

以L工區(qū)某目的層為例,說明以上參數論證方法的效果。圖6為針對該目的層的面元論證結果,圖6 中L工區(qū)某目的層每個論證網格需要的面元邊長以不同顏色標注,斷層及大傾角區(qū)域需要的面元邊長明顯小于其它區(qū)域需要的面元邊長,因此最終選取的結果只需滿足斷層及大傾角區(qū)域即可,本例中斷層和地層的大傾角區(qū)域的面元邊長約為8m。

圖6 L工區(qū)某目的層的面元論證結果

為了更好地分析參數論證結果,本文對參數論證結果與目的層地質參數進行交會顯示,以找出對觀測系統(tǒng)參數最敏感的地層信息,再根據敏感地層信息對觀測系統(tǒng)參數進行論證。圖7為L工區(qū)某目的層面元邊長、接收線距分別與目的層傾角的交會分析結果,可以看出面元長度和接收線距均對地層傾角敏感性高,在實際設計中可以根據目的層地層和斷層傾角,選擇合適的面元長度和接收線距。以圖7a 為例,該目的層斷層傾角約為45°,對應的面元為10m,接收線距為110m。

1.3 基于正演模擬的精細觀測系統(tǒng)參數論證

基于L工區(qū)目的層地震地質模型的宏觀參數論證得到的是各觀測系統(tǒng)參數的大概范圍,為了精確地設計觀測系統(tǒng),可根據已有地質認識建立精細目標地質模型,設定不同的觀測系統(tǒng)參數,根據正演單炮記錄疊前偏移成像和疊前屬性反演的結果確定最佳的觀測系統(tǒng)參數。

圖7 L工區(qū)某目的層觀測系統(tǒng)參數-地質參數交會顯示結果a 面元邊長與地層傾角; b 接收線距與地層傾角

常規(guī)的二維波動方程正演模擬或者三維射線追蹤正演模擬,不能得到復雜地下構造和精細儲層結構的真實波場特征,三維波動方程正演模擬是最佳選擇。基于三維波動方程正演模擬的觀測系統(tǒng)設計主要包括三維地震數據正演和地震照明計算兩種方法[13-16]。將三維波動方程正演模擬應用于高密度地震采集觀測系統(tǒng)設計,其關鍵在于實現三維復雜地質建模和提高三維正演的效率,為此本文研究了基于CPU/GPU并行的三維波動方程正演模擬技術。

1.3.1 三維精細地質建模

將地質人員已有的認知融入三維精細地質模型,是驗證觀測系統(tǒng)模擬效果的前提,為此提出以下技術思路:加入解釋的斷層與層位等數據,利用自動曲面融合算法得到多個封閉的“塊體”;加入解釋的薄層、砂體等小地質體數據,結合井數據進行交互精細建模。圖8為根據以上方法建立的L工區(qū)三維精細地質模型。

1.3.2 基于CPU/GPU并行的三維波動方程正演

有限差分模擬是目前理論最成熟、應用最廣泛的波動方程正演數值模擬方法。該方法理論簡單,但是計算效率低,特別是三維正演模擬時計算量巨大,難以在實際生產中得到應用。該方法對每個網格點上的時間層更新計算時,只涉及與該網格點相鄰的若干網格點的上一時間層的波場值,因此每個網格點上的計算都是獨立的,可以進行并行計算[17-18]。利用這一特點,考慮到算法的多重嵌套循環(huán)結構,基于CPU+GPU的異構平臺,設計使用MPI+CUDA的并行程序設計,可實現算法的多級并行加速。另外,為解決三維正演算法內存需求大的問題,采用了區(qū)域分解策略,即將同一炮的計算分配到多個節(jié)點上并行執(zhí)行,這不僅分攤了各個節(jié)點的內存壓力,還加大了算法的并行力度,進一步提高了計算效率。經過加速改造后,較常規(guī)的三維有限差分正演模擬方法,該方法加速比超過700。

圖8 L工區(qū)三維精細地質模型

1.3.3 基于模型正演的觀測系統(tǒng)參數設計

將三維精細地質建模和三維波動方程正演模擬用于L工區(qū)觀測系統(tǒng)設計。該地區(qū)面臨的主要地質問題為:縱向目的層段的薄儲層無法識別,橫向展布范圍和尖滅點位置難以落實,針對以上問題建立薄儲層地質模型,圖9為該模型一條南北向剖面的局部顯示?；谠撃Ｐ驮O計不同的觀測系統(tǒng)參數進行波動方程正演,根據正演得到的單炮數據進行偏移成像和波阻抗反演。

圖9 L工區(qū)薄儲層模型南北向剖面的局部顯示

首先對L工區(qū)地震子波主頻45Hz時不同道間距的正演模擬數據為疊前深度偏移,圖10為局部疊前深度偏移剖面,圖11為不同道間距尖滅點識別誤差曲線,可以看出道間距>25m時誤差快速增加,道間距<25m時誤差增加趨于平緩,道間距<10m時誤差基本不變,因此本文將道間距設定為≤25m。

圖10 L工區(qū)不同道間距正演模擬數據的局部疊前深度偏移剖面a 道間距50m; b 道間距25m; c 道間距20m; d 道間距10m

圖11 不同道間距尖滅點識別誤差曲線

針對薄砂體和尖滅點,通過不同地震子波主頻的正演模擬、疊前深度偏移和波阻抗反演處理,可以得到最佳的激發(fā)地震子波主頻。表1為不同主頻地震子波正演數據偏移和反演分辨率及尖滅點識別誤差統(tǒng)計結果,圖12為不同主頻地震子波正演模擬數據的波阻抗反演剖面。從圖12可以看出,地震子波主頻越高,目的層成像縱向分辨率越高,尖滅點識別誤差越小,與井的吻合程度越高(圖12中紫色曲線為測井曲線)。結合表1和圖12b可以看出,主頻45Hz的地震子波正演數據成像剖面上目的層段可識別,可分辨18m左右的砂體,利用稀疏脈沖反演,縱向分辨率可進一步提高到9m。消除了地震子波干涉和調諧影響,儲層表征能力更強。從圖12中黑色圓圈內可以看出,第2套薄儲層在主頻45Hz地震子波正演數據的反演剖面上更加清晰。考慮實際激發(fā)因素,45Hz的地震子波具有可行性。

表1 不同主頻地震子波正演數據偏移和反演分辨率及尖滅點識別誤差

圖12 不同主頻地震子波正演模擬數據的波阻抗反演剖面a 30Hz; b 45Hz

2 實際應用效果

將本文提出的高密度三維地震觀測系統(tǒng)設計技術應用于勝利油田近年的三維地震采集觀測系統(tǒng)設計,以L工區(qū)為例,采用本文方法設計得到的正交觀測系統(tǒng)參數見表2。從圖13可以看出,新采集地震資料信噪比大幅提升,小斷層、斷塊成像效果得到了明顯改善,目的層分辨率明顯提高。

表2 L工區(qū)高密度地震采集觀測系統(tǒng)參數

從圖14可以看出,得益于小面元、高覆蓋次數、大炮檢距的優(yōu)勢,淺層的河道在新采集資料的處理剖面上得到了更加清晰的展現(圖14a和圖14b),深層的地層反射信噪比明顯提高(圖14c和圖14d)。利用新采集資料進行解釋,部署探井1口,單井控制儲量為1.36×106t。目前共落實有利圈閉面積54.6km2,預測資源量為3.494×107t。

圖13 L工區(qū)地震資料的疊前時間偏移剖面a 老資料; b 新采集資料

圖14 L工區(qū)地震資料疊前時間偏移剖面的時間切片a 老資料(940ms); b 新采集資料(940ms); c 老資料(3040ms); d 新采集資料(3040ms)

3 結束語

本文面向地質目標,充分挖掘東部老產油區(qū)地震地質資料豐富的優(yōu)勢,以實際資料為驅動、理論公式為依據、精細建模和正演為手段,針對目的層進行全區(qū)觀測系統(tǒng)參數詳細論證,提出了適用于高密度地震采集的觀測系統(tǒng)設計技術,在勝利油田近幾年的高密度地震勘探中取得了良好效果,并得到以下3點認識。

1) 炮道密度是高密度地震采集觀測系統(tǒng)設計中關鍵的參數,通過對實際高密度地震采集資料進行炮道密度退化處理,找出地質任務與經濟成本之間的平衡點,進而指導同一地區(qū)高密度地震采集觀測系統(tǒng)的設計。對于大多數尚未進行過高密度地震采集的地區(qū),建議選取典型區(qū)塊開展試驗性采集,為后續(xù)高密度地震采集觀測系統(tǒng)參數優(yōu)化提供重要依據。對建立的三維地震地質模型,進行三維波動方程正演模擬得到單炮數據,再進行觀測系統(tǒng)退化處理,也能對炮道密度的優(yōu)化設計起到一定的指導作用。

2) 以工區(qū)原有的地震地質成果資料為依據,基于目的層地震地質綜合模型,利用理論公式對觀測系統(tǒng)參數進行全區(qū)宏觀論證,并利用交會分析方法建立觀測系統(tǒng)參數和目的層地震地質參數之間的聯系,相對于常規(guī)的“點論證”方式,上述方法精度更高,結果更合理。

3) 高密度三維地震采集時面對的是復雜地下目標體,常規(guī)的建模和正演模擬方法已經不再適用,三維精細地質建模和正演是高密度三維地震采集觀測系統(tǒng)設計的有效工具,但目前三維波動方程正演的計算效率還需要進一步提高以適應實際生產需要。

致謝:感謝勝利油田物探院的同事對本文提供的幫助。