井控與構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)及應(yīng)用

張在金,陳可洋,范興才,趙海波

(中國石油天然氣集團股份有限公司大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

斷層陰影作為普遍存在的構(gòu)造假象,出現(xiàn)在斷層下部的地震成像不可靠區(qū)。斷層兩側(cè)速度的不準確及時間偏移成像會導(dǎo)致地震成像不可靠區(qū)的同相軸出現(xiàn)上凸或下拉現(xiàn)象,嚴重時會出現(xiàn)同相軸錯斷。同相軸上凸現(xiàn)象會造成假構(gòu)造高點,此類假微幅構(gòu)造會影響解釋以及井位部署。FAGIN[1]首次提出斷層陰影形成機理,并從模型正演角度,通過分別設(shè)置高速層和低速層的方式分析斷層下部地層出現(xiàn)上凸和下拉現(xiàn)象的原因,進而指出準確的速度建模以及深度域成像可以解決斷層陰影問題;TRINCHERO[2],GOCHIOCO等[3],NAWAB等[4]分別通過地震波場正演分析斷層陰影形成機理,提出地球物理、地質(zhì)學(xué)和油藏工程聯(lián)合判斷斷層陰影的方法,從而避免了鉆井失誤;BIRDUS等[5-6]通過分析三維正演結(jié)果,提出采用寬方位采集以及深度域?qū)游鏊俣冉＝鉀Q斷層陰影問題;SOLANKE[7]認為合理的靜校正處理、近地表速度模型建立、寬頻帶噪聲壓制、各向異性分析以及合適的成像方法有助于解決斷層陰影的問題;姜巖等[8]從解釋角度,分析斷層斷距、低速帶或高速帶等對斷層陰影的影響程度,提出油田開發(fā)過程中應(yīng)重點關(guān)注斷層陰影問題,并通過井震結(jié)合的方式建立空變速度場對時間域地震資料進行時深轉(zhuǎn)換以消除斷層陰影。國內(nèi)外研究表明解決斷層陰影問題的關(guān)鍵是疊前深度偏移,而疊前深度偏移的關(guān)鍵是準確的速度建模技術(shù)[9]。基于層析反演的速度建模[10-13]方法較為常用,此類方法雖然能提供合理的速度模型,但由于斷層兩側(cè)速度不具有連續(xù)性,層析反演難以獲得斷層附近的準確速度;彭海龍等[14]在層析反演速度建模的基礎(chǔ)上引入斷層控制,使得速度更新不能跨越斷面,該方法可以提高斷塊區(qū)域速度場精度,但未考慮構(gòu)造建模的準確性。

本文在波場正演指導(dǎo)下,采用VSP速度、測井曲線及地面地震層位、斷層聯(lián)合約束反演方法進行速度建模及疊前深度偏移成像,消除了由斷層引起的斷層陰影構(gòu)造假象。首先介紹斷層陰影形成機理及消除方式,然后在VSP速度及測井曲線約束下建立初始深度域速度模型并提出構(gòu)造約束(層控、斷控)條件下的網(wǎng)格層析速度建模技術(shù),最后將該技術(shù)應(yīng)用于YX工區(qū)三維地震資料的速度建模,利用井控和構(gòu)造約束條件下的各向異性速度模型進行疊前深度偏移,較好地解決了該工區(qū)的斷層陰影構(gòu)造假象問題。

1 斷層陰影波場特征正演分析

1.1 斷層陰影形成機理分析

斷層兩側(cè)的速度差異導(dǎo)致時間域成像時出現(xiàn)斷層陰影,如斷層下部出現(xiàn)直立斷層,在構(gòu)造上表現(xiàn)為“雙眼皮”現(xiàn)象,影響構(gòu)造解釋,斷層下部出現(xiàn)上凸或者下凹的微幅構(gòu)造。斷層陰影引起的局部構(gòu)造高點易導(dǎo)致鉆井失誤。

為分析斷層陰影的形成機制,設(shè)計了如圖1a所示的模型,含有低速層(紫色和淺灰色地層)的水平地層模型被斷層斷開,斷層兩側(cè)地層仍呈水平,該模型的正演結(jié)果如圖1b所示,可以看出斷層上部成像結(jié)果準確,同相軸未發(fā)生畸變;斷層下部受斷層附近速度突變的影響,同相軸畸變明顯,下部地層出現(xiàn)假微幅構(gòu)造,影響地震解釋工作。

1.2 斷層陰影消除方法分析

通常采用疊前深度偏移成像技術(shù)解決斷層下部構(gòu)造陰影問題,為分析速度、疊前時間偏移及疊前深度偏移對斷層下部地層成像的影響,利用圖2a所示速度模型進行二維正演,并對正演結(jié)果進行速度分析、Kirchhoff疊前時間偏移成像及Kirchhoff疊前深度偏移成像,結(jié)果分別如圖2b,圖2c,圖2d,圖2e和圖2f 所示。

圖2a為正演采用的深度域速度模型,圖2b是根據(jù)圖2a的層速度利用DIX公式轉(zhuǎn)換得到的時間域均方根速度模型,圖2c是速度分析得到的深度域速度模型,首先利用時間域均方根速度分析結(jié)果建立時間域均方根速度模型,然后通過約束速度反演建立深度域初始速度模型,最后采用層位約束層析建模方法建立深度域速度模型,圖2d是將圖2a模型直接進行Kirchhoff疊前深度偏移的結(jié)果,圖2e是利用圖2b模型進行Kirchhoff疊前時間偏移的結(jié)果,圖2f是利用圖2c模型進行Kirchhoff疊前深度偏移的結(jié)果,可以看出疊前深度偏移可以消除斷層陰影,而時間域偏移成像時由于該偏移算法未考慮速度橫向變化,所以采用高精度的均方根速度模型會造成同相軸畸變;不合理的深度域速度模型會導(dǎo)致深度域成像結(jié)果的同相軸畸變,因此利用疊前深度偏移解決斷層陰影問題的關(guān)鍵是深度域速度建模技術(shù)及疊前深度偏移技術(shù),本文只討論前者。

圖1 斷層陰影區(qū)地質(zhì)模型(a)及正演結(jié)果(b)

圖2 速度模型、時間偏移及深度偏移結(jié)果a 正演采用的深度域速度模型; b 時間域均方根速度模型; c 速度分析得到的深度域速度模型; d 對圖2a模型進行Kirchhoff疊前深度偏移的結(jié)果; e 對圖2b模型進行Kirchhoff疊前時間偏移的結(jié)果; f 對圖2c模型進行Kirchhoff疊前深度偏移的結(jié)果

2 井控與構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)

2.1 網(wǎng)格層析建模原理

網(wǎng)格層析速度反演利用實測數(shù)據(jù)的旅行時和預(yù)測數(shù)據(jù)旅行時差的反投影來更新波傳播路徑上每一點的速度值,據(jù)此可以建立如下方程:

(1)

式中:s為慢度;δs是慢度修正量;L為偏移速度射線路徑;L′為真實射線路徑;dl為沿射線路徑上的微分。方程(1)經(jīng)過變換可以得到如下方程:

(2)

式中:ΔT為剩余時差。方程(2)的離散形式如下:

(3)

式中:Δt為剩余時差的離散形式,Δsi為第i個網(wǎng)格點慢度擾動;li為該射線在第i個網(wǎng)格內(nèi)的射線長度,這樣每個拾取剩余深度差都會對應(yīng)一個剩余時間差,即對應(yīng)一條射線路徑,所有射線可組成如下的大型稀疏矩陣方程:

L·ΔS=ΔT

(4)

式中:ΔS,ΔT分別為s,ΔT組成的系數(shù)矩陣。通過求解方程(4)進行速度反演和迭代更新。

2.2 井控與構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度建模

2.2.1 井控初始層速度建模

疊前深度偏移的關(guān)鍵是建立準確的層速度模型,時間域?qū)铀俣饶Ｐ蜁r深轉(zhuǎn)換得到常規(guī)深度域初始速度模型,但由時間域?qū)铀俣饶Ｐ椭苯愚D(zhuǎn)換得到的深度域?qū)铀俣扰c實際地層層速度差異較大,影響后期速度迭代收斂的效率和精度,甚至迭代過程會陷入局部極小值。為得到合理的深度域初始層速度模型,先對時間偏移成像結(jié)果進行層位標定,確定地質(zhì)分層與偏移剖面同相軸對應(yīng)關(guān)系;然后進行構(gòu)造解釋,利用解釋層位提取疊前時間偏移域沿層層速度平面圖,然后分析工區(qū)內(nèi)零偏垂直地震剖面(zero vertical seismic profile,ZVSP)的井層速度信息及測井曲線層速度信息,統(tǒng)計提取的沿層層速度平面圖與ZVSP速度及測井曲線層速度之間的差異,對統(tǒng)計的速度差異插值得到沿層層速度差異平面圖,再對沿層層速度模型進行校正,最后利用校正后的沿層層速度平面圖將疊前時間偏移域?qū)游晦D(zhuǎn)換到深度域,得到深度域初始層速度模型。

2.2.2 層控、斷控網(wǎng)格層析速度建模

利用網(wǎng)格層析技術(shù)進行全局速度模型更新時,不考慮斷層的影響,對斷層兩側(cè)速度同時更新,會導(dǎo)致斷層兩側(cè)速度描述不準確,并且偏移成像結(jié)果出現(xiàn)斷層陰影假象。結(jié)合理論模型及實際工區(qū)處理情況建立如圖3所示的井控與構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度建模流程,以消除實際資料中的斷層陰影。本文首先利用前文建立的井控深度域初始層速度進行疊前深度偏移成像;然后在深度偏移疊加剖面上進行層位和斷層解釋,利用解釋的層位和斷層建立構(gòu)造模型;再利用構(gòu)造模型插值得到帶層位和斷層的實體模型,層析劃分網(wǎng)格時將斷層兩側(cè)劃分為不同的網(wǎng)格,以斷層為分界面展開分塊速度更新,避免了常規(guī)網(wǎng)格層析方式在斷層附近的速度模糊特性;然后對更新后的速度再次進行疊前深度偏移,重新構(gòu)造解釋、提取構(gòu)造屬性、拾取CIP道集剩余深度差,以及迭代更新各向同性速度模型;接著在各向同性速度模型合理的情況下統(tǒng)計地震層位與測井分層的深度差,利用該深度差與各向同性速度、各向異性速度的關(guān)系建立各向異性參數(shù)模型;最后經(jīng)多次迭代得到符合地質(zhì)規(guī)律的深度域速度模型。

圖3 井控和構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度建模流程

在上述建模過程中,重點步驟是井控初始速度建模以及斷控、層控構(gòu)造建模(圖3黃色框)。

3 應(yīng)用實例及效果分析

高覆蓋寬方位地震采集得到的YX工區(qū)三維地震資料層位解釋成果如圖4所示,工區(qū)內(nèi)存在兩條較大斷裂。由斷層引起的構(gòu)造假象造成了目的層深度預(yù)測結(jié)果與實際鉆井深度差異較大,為消除該構(gòu)造假象,采用本文方法先進行速度建模,再進行Kirchhoff疊前深度偏移成像。

3.1 井控初始層速度建模

深度域速度建模的關(guān)鍵是時間域?qū)游痪殬硕?本工區(qū)存在1口ZVSP井(XS6),對該井的ZVSP數(shù)據(jù)進行處理,建立井點處深度域?qū)铀俣纫约白呃券B加道,圖5a 為ZVSP與地面地震綜合標定結(jié)果,圖5b為速度曲線。圖5b左側(cè)綠線為ZVSP平均速度曲線,中間黑線為測井速度曲線,中間紅線為ZVSP層速度曲線,右側(cè)黑線為常規(guī)地面地震深度域?qū)铀俣惹€,右側(cè)紅線為ZVSP層速度曲線,可以看出,ZVSP層速度與測井速度有著良好的對應(yīng)關(guān)系,因常規(guī)地面地震層速度代表了地層速度的低頻趨勢,不能很好地體現(xiàn)速度細節(jié)變化,因此,利用ZVSP層速度可以為地面地震速度校正提供合理的初始偏移速度。結(jié)合工區(qū)其他測井資料綜合標定,可確定地面地震解釋層位與測井分層的對應(yīng)關(guān)系(圖6a),在此基礎(chǔ)上進行時間域?qū)游唤忉?圖6b),然后提取時間域沿層層速度平面圖(圖6c),對圖6c插值平滑得到圖6d所示的時間域沿層層速度平面展布,經(jīng)ZVSP層速度及測井速度(井控速度誤差)校正后的時間域?qū)铀俣绕矫嫒鐖D6e所示,井控速度誤差校正處理后,XU14井點處的速度由圖6d的3521m/s校正為圖6e的2594m/s,符合井點處速度變化特征,校正后的時間域沿層層速度模型如圖6f所示,將圖6f的時間域沿層層速度轉(zhuǎn)換到深度域得到深度域沿層層速度,然后利用沿層插值方式建立如圖6g所示初始深度域?qū)铀俣饶Ｐ汀?/p>

圖4 工區(qū)T2解釋層位

3.2 構(gòu)造約束條件下的高精度網(wǎng)格層析建模及偏移成像

首先采用初始深度域速度模型(圖6g)進行疊前深度偏移,在偏移成像結(jié)果上進行層位和斷層解釋,根據(jù)解釋成果建立的構(gòu)造模型如圖7a所示,進而形成實體模型(圖7b),對偏移結(jié)果提取傾角、方位角和連續(xù)體3個屬性并形成種子點(圖7c),利用種子點拾取剩余深度差(圖7d)。與初始深度域速度模型對比可以看出,在建模構(gòu)造約束條件下進行高精度網(wǎng)格層析得到的深度域速度模型剩余速度小,疊前深度偏移共成像點道集被拉平(圖8)。

為了證明本文方法建立的速度模型能更好地解決斷層陰影問題,對利用常規(guī)網(wǎng)格層析建立的速度模型(圖9a)及本文方法建立的速度模型(圖9b)進行疊前深度偏移,偏移成像結(jié)果如圖9c和圖9d所示,可以看出,利用本文方法建立的速度模型可以較好地消除斷層陰影構(gòu)造假象。為了校正解釋層位與測井分層的深度差,展開了各向異性速度及各向異性參數(shù)反演,最終建立的速度模型如圖10所示,可以看出,圖10b 中速度分界面與測井分層對應(yīng)情況更好。本文比較了疊前時間偏移及各向異性疊前深度偏移成像結(jié)果,可以看出,時間域剖面XU14井處存在從上到下的構(gòu)造假象(圖11a),井控和構(gòu)造約束條件下網(wǎng)格層析得到的各向異性速度疊前深度偏移結(jié)果如圖11b 所示,斷層陰影引起的構(gòu)造假象得到消除。分別采用常規(guī)層析方法和本文方法建立速度模型,對上述速度模型的偏移成像結(jié)果提取沿T2層相干屬性,得到的結(jié)果如圖12所示,可以看出,圖12b中XU14井點處構(gòu)造假象得到消除,其它位置的斷層陰影假象也得到一定程度的壓制。

圖5 XS6井ZVSP與地面地震綜合標定結(jié)果(a)及速度曲線(b)

圖6 井控初始深度域速度建模過程a 井震標定; b 解釋層位; c 時間域沿層層速度平面展布; d 插值平滑后的時間域沿層層速度平面展布; e 井控速度誤差校正后的時間域沿層層速度平面展布; f 深度域沿層層速度模型; g 初始深度域?qū)铀俣饶Ｐ?/p>

圖7 構(gòu)造約束網(wǎng)格層析速度建模a 構(gòu)造模型; b 實體模型; c 種子點; d 剩余深度差

圖8 構(gòu)造約束條件下網(wǎng)格層析前(a)、后(b)深度域速度、剩余速度及共成像點道集

圖9 常規(guī)網(wǎng)格層析與井控和構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度模型及疊前深度偏移成像結(jié)果a 常規(guī)網(wǎng)格層析速度模型; b 井控和構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度模型; c 常規(guī)網(wǎng)格層析速度建模疊前深度偏移成像結(jié)果; d 井控和構(gòu)造約束條件下的網(wǎng)格層析速度建模疊前深度偏移成像結(jié)果

圖10 各向異性速度及各向異性參數(shù)反演前(a)、后(b)的速度模型

圖11 疊前時間偏移(a)及井控和構(gòu)造約束條件下網(wǎng)格層析各向異性速度疊前深度偏移(b)成像結(jié)果

圖12 采用常規(guī)層析方法(a)和本文方法得到的(b)沿T2層相干屬性

4 認識與結(jié)論

1) 斷層兩側(cè)速度不準確及時間域成像產(chǎn)生斷層陰影構(gòu)造假象,本文方法利用VSP信息及測井信息建立符合實際地質(zhì)情況的初始速度模型,利用斷層控制使網(wǎng)格層析跨越斷層,并得到斷層兩側(cè)準確的速度信息,利用該速度信息進行疊前深度偏移可以較好地解決斷層陰影構(gòu)造假象問題,為下一步的地震解釋及井位部署提供準確的地震成像結(jié)果。

2) 速度一直是制約地震技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,速度模型建立過程中需要地質(zhì)認識的指導(dǎo),通常處理人員從地震資料出發(fā)進行速度分析,未充分利用工區(qū)地質(zhì)、測井、VSP和微地震信息,因此綜合利用各種資料進行井地聯(lián)合處理解釋一體化建模技術(shù)尤為重要。