基于小平滑面的非線性網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)
——以四川盆地雙魚石區(qū)塊為例

曾 鳴 狄貴東 彭浩天 屠志慧 孔令霞 韓 嵩

中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

2012年11月，中國石油西南油氣田公司在雙魚石構(gòu)造部署了ST1井，并在中二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組分別測試獲氣87.6 104m3/d、126.77 104m3/d，顯示出川西北部雙魚石地區(qū)中二疊統(tǒng)廣闊的勘探前景?？碧酵黄坪螅瑸榱藵M足構(gòu)造精細(xì)解釋和儲層預(yù)測的需要、落實(shí)地質(zhì)研究及勘探部署的要求，在雙魚石區(qū)塊部署滿覆蓋面積225.6 km2三維地震勘探。隨著SYX131和SYX133連獲得超100 104m3/d的測試產(chǎn)量，進(jìn)一步證實(shí)川西北部中二疊統(tǒng)棲霞組灘相白云巖儲層具有大面積分布，充分展示了雙魚石區(qū)塊棲霞組氣藏良好的勘探開發(fā)潛力[1-5]。

隨著四川盆地川西北雙魚石區(qū)塊勘探開發(fā)一體化進(jìn)程，鉆井工程逐漸由早期勘探期直井向開發(fā)期大斜度水平井轉(zhuǎn)變。目前，在川西北地區(qū)部署一批以ST6為代表的勘探開發(fā)井，在鉆井過程中，出現(xiàn)了鉆遇斷裂陡帶、構(gòu)造高點(diǎn)不準(zhǔn)、儲層鉆遇率低等問題，使得推覆構(gòu)造帶準(zhǔn)確落實(shí)和小斷塊準(zhǔn)確刻畫精度降低，制約該區(qū)勘探開發(fā)進(jìn)程。分析造成這一現(xiàn)象的原因是由于雙魚石區(qū)塊屬于“雙復(fù)雜”地區(qū)，工區(qū)橫向速度變化大，而目前支撐井位部署的疊前時(shí)間偏移地震資料在這類地區(qū)構(gòu)造精確成像有其局限性，雖然剖面整體能取得良好成像效果，但是在陡傾角區(qū)域構(gòu)造空間位置依然出現(xiàn)偏差，影響鉆井成功率。

圖1 四川盆地北部地區(qū)雙魚石區(qū)塊區(qū)域位置圖

疊前深度偏移技術(shù)在橫向速度模型劇烈變化的介質(zhì)中成像效果比疊前時(shí)間偏移更精確[6-8]，可以較好成像構(gòu)造空間位置。采用近似真地表的小平滑面預(yù)處理，在速度模型建立時(shí)利用構(gòu)造層位、測井速度及非線性反演方法提高模型精度，并應(yīng)用高斯射線束疊前深度偏移改善剖面成像效果，提高構(gòu)造成像精度。

1 技術(shù)思路

川西北部地區(qū)雙魚石區(qū)塊位于四川盆地川北古中坳陷低緩構(gòu)造區(qū)北緣，跨越龍門山山前斷褶構(gòu)造帶，大地構(gòu)造位置隸屬上揚(yáng)子克拉通北緣龍門山山前褶皺帶，位于四川省西北部的廣元市青川縣、劍閣縣和江油市境內(nèi)（圖1）。四川盆地川西北雙魚石區(qū)塊受龍門山推覆帶影響，地表起伏劇烈、地下斷裂發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜、地震波場復(fù)雜，因此這類地區(qū)的地震資料往往存在靜校正問題突出、信噪比低、速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。四川盆地早在20世紀(jì)90年代開始引入疊前深度偏移技術(shù)，2003年蔣曉光等人[9]已經(jīng)在川東地區(qū)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作，提升了地震成像可靠性，與實(shí)際構(gòu)造形態(tài)吻合度提高，提高了鉆探符合率及成功率，至此之后深度偏移在四川盆地周邊復(fù)雜構(gòu)造帶開始得到陸續(xù)應(yīng)用[10-12]。目前在四川地區(qū)使用的深度偏移方法大都是通過區(qū)域?qū)铀俣忍畛錁?gòu)造實(shí)體模型建立初始模型，通過沿層分析速度剩余時(shí)差優(yōu)化模型，利用Kirchhoff積分法完成最終偏移成像。該思路在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)會存在浮動(dòng)面數(shù)據(jù)炮檢點(diǎn)偏移地表真實(shí)位置、速度模型誤差較大和復(fù)雜帶資料難以成像等問題。針對上述問題，在時(shí)間域基于小平滑面的近地表建模處理[13-16]；深度域建模方面采用多信息約束建模及非線性層析反演迭代；偏移算法上基于運(yùn)算效率、復(fù)雜構(gòu)造適應(yīng)性及成像效果等綜合考慮采用高斯射線束疊前深度偏移算法，開展以深層高陡復(fù)雜地質(zhì)體為目標(biāo)的疊前深度偏移成像處理。

2 關(guān)鍵處理技術(shù)

2.1 基于小平滑面時(shí)間域預(yù)處理

克?；舴虔B前深度偏移是通過兩步完成的：旅行時(shí)的計(jì)算 （射線追蹤）與偏移積分求和。計(jì)算旅行時(shí)需要已知其炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的位置，因此處理過程中保持炮檢點(diǎn)位置真實(shí)性對于旅行時(shí)計(jì)算準(zhǔn)確性尤為重要。常規(guī)的動(dòng)校正法采用的是單平方根方程，這里隱含了兩個(gè)假設(shè)條件：①近地表無低降速帶；②在同一個(gè)CMP位置，炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)和CMP是處于同一水平面（水平層狀介質(zhì)假設(shè)）。而在實(shí)際山地復(fù)雜構(gòu)造工區(qū)中，近地表均有低降速帶存在，且高程變化往往是十分劇烈的。對于低降速帶問題，可以通過靜校正的方法予以解決，而地表高程劇烈變化問題則無法用該公式處理。因?yàn)樵谕籆MP位置的不同偏移距中，炮檢點(diǎn)均不是處于同一海拔高程，且高差越大，誤差越大，以至于造成成像假象。

同樣應(yīng)用大平滑面在地炮檢點(diǎn)高差200 m的情況下誤差僅0.45 ms，當(dāng)高差達(dá)到1 400 m的時(shí)候誤差高達(dá)118.20 ms，差異過大。大平滑面不適應(yīng)地表起伏劇烈的地區(qū)，為了消除該因素影響，采用基于小平滑面對高程進(jìn)行平滑，達(dá)到接近于真實(shí)地表的效果，更好地保持了波場動(dòng)力學(xué)特征，數(shù)據(jù)基于時(shí)間域小平滑面處理，保持炮、檢點(diǎn)位置真實(shí)性，將數(shù)據(jù)校正到小平滑面以后，在同一位置，CMP點(diǎn)，炮點(diǎn)，檢波點(diǎn)均處于不同的高程位置（圖2），所以在計(jì)算旅行時(shí)需要將下行波的旅行時(shí)和上行波的旅行時(shí)分開考慮，即為雙平方根動(dòng)校正公式。該假設(shè)條件更符合真實(shí)的地質(zhì)情況，更能保持住波場的動(dòng)力學(xué)信息，確保后續(xù)疊前深度偏移旅行時(shí)計(jì)算的可靠性。

圖2 起伏地表下炮檢點(diǎn)、CMP點(diǎn)與小浮動(dòng)面關(guān)系示意圖

2.2 深度域速度建模

疊前深度偏移之所以能準(zhǔn)確成像除了本身算法的適應(yīng)性，速度模型的精度也尤為關(guān)鍵[17-18]。張宇[19]對偏移方法的發(fā)展歷程和基本原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且指出越先進(jìn)的偏移算法對模型精度要求越高，在速度模型精度不高的情況下，先進(jìn)算法成像效果還不如傳統(tǒng)方法，因此提高速度模型的精度在疊前深度偏移工作中十分重要。

在速度建模過程中，初始模型越接近地下真實(shí)情況，后期的反演收斂越好，速度越快；同時(shí)層析反演過程中盡可能拉平道集，并加入構(gòu)造、測井等約束條件可以進(jìn)一步減少反演結(jié)果的多解性。

1）初始速度模型建立

整個(gè)速度模型的建立過程中，初始模型的準(zhǔn)確性直接決定了后期速度迭代優(yōu)化的效果。以往建模通常是直接把時(shí)間域均方根速度轉(zhuǎn)化為深度域的速度或者通過地質(zhì)層位結(jié)合層速度和速度梯度建立初始模型，模型精度和分辨率低。目前工區(qū)有鉆井10余口，分布廣，初始模型采用構(gòu)造層位加測井聲波速度約束的方式來建立。為提高淺層模型精度，融合了靜校正處理中近地表速度模型。最終建立的初始速度模型含有構(gòu)造信息、近地表速度、測井速度，符合地質(zhì)情況（圖3），橫向變化合理，縱向分辨率高，保證后續(xù)模型層析反演收斂效果。

2）速度模型迭代及優(yōu)化

在速度模型的迭代優(yōu)化過程中，采用了非線性層析反演技術(shù)。該技術(shù)有別于傳統(tǒng)的線性網(wǎng)格層析反演，在線性反演的過程中，由于深度偏移成像不是由單點(diǎn)速度影響，受周圍速度及淺層速度影響，因此需要反復(fù)用反演出的新模型重新偏移深度域道集，拾取剩余時(shí)差，再進(jìn)行下一輪反演。而非線性反演則在該基礎(chǔ)上多了一步求取時(shí)間域的不變量，線性反演輸出更新后的模型是這些不變量偏移以后的結(jié)果，這個(gè)過程為下一次的線性反演提供了一組新的剩余時(shí)差，因此迭代過程可以不重新偏移道集和重新拾取剩余時(shí)差。該方法優(yōu)勢在于整個(gè)反演過程中只需要計(jì)算一次疊前深度偏移，在得到最終優(yōu)化后的速度模型即可進(jìn)行疊前深度整體偏移，大大降低計(jì)算周期和運(yùn)行成本，流程圖如下所示（圖4）。

圖3 初始速度模型及速度鉆井匹配圖

圖4 非線性層析反演流程圖

在對速度模型實(shí)際非線性層析反演過程中，加入地層傾角、測井速度、層位標(biāo)定等多重約束條件，保證了更新后的速度符合地質(zhì)變化規(guī)律的同時(shí)又和測井信息具有較高吻合度。從速度更新前后的深度偏移道集可以看出，之前由于速度不準(zhǔn)確存在的道集校正不足和校正過量的情況得到有效改善，該反演方法所得共成像點(diǎn)道集波組特征更豐富，同相軸更平整（圖5）。

2.3 高斯射線束疊前深度偏移

圖5 速度模型優(yōu)化前后共成像點(diǎn)道集對比圖

高斯射線束所使用的格林函數(shù)是一系列高斯束的疊加，每條高斯束代表地下的局部波場且處處正則，因此其成像效果在大多數(shù)情況下都優(yōu)于Kirchhoff偏移[6]。這些優(yōu)點(diǎn)對于復(fù)雜地區(qū)偏移成像來說顯得尤為重要，可以克服速度橫向變化區(qū)域偏移歸位不準(zhǔn)確的問題，非常適合復(fù)雜介質(zhì)條件下的成像。并且高斯射線束偏移仍然保持了Kirchhoff偏移的高效性和靈活性。雙魚石區(qū)塊“雙復(fù)雜”的地質(zhì)特征決定了該區(qū)地震資料地下波場十分復(fù)雜，采用高斯射線束偏移方法能克服標(biāo)準(zhǔn)射線方法在不規(guī)則區(qū)域不成像的缺點(diǎn)，有效改善高陡構(gòu)造區(qū)成像質(zhì)量，尤其是復(fù)雜斷裂帶區(qū)域成像效果（圖6），同時(shí)顯著提升資料信噪比。

圖6 Kirchhoff疊前深度偏移和束線法疊前深度偏移對比圖

圖7 過ST6井疊前定井時(shí)間偏移定井剖面及井旁構(gòu)造恢復(fù)示意圖

3 應(yīng)用效果

ST6井為一口部署于秀鐘構(gòu)造的開發(fā)井，井底鉆至棲霞組7 778 m。從過ST6井的疊前時(shí)間偏移剖面可以看出，目前井底位于構(gòu)造高點(diǎn)位置，且地層傾角較緩（圖7a）。但實(shí)鉆結(jié)果證實(shí)構(gòu)造軸線和定井剖面差異較大，利用傾角測井資料，開展井旁構(gòu)造恢復(fù)（圖7c），鉆井軌跡所達(dá)構(gòu)造位置與疊前時(shí)間偏移剖面有明顯差異，電成像成果圖表明（圖7b），在井段6 820～7 776 m，地層傾向?yàn)楸北蔽飨?，平均地層傾角為43°左右，說明目前井底位于構(gòu)造北西翼，且地層傾角較陡。證實(shí)構(gòu)造高點(diǎn)在疊前時(shí)間偏移剖面上向東發(fā)生了偏差，斷裂復(fù)雜帶的成果剖面不能準(zhǔn)確反映地下真實(shí)構(gòu)造形態(tài)。在雙魚石區(qū)塊，疊前時(shí)間偏移方法不能完全解決該區(qū)域精確構(gòu)造成像問題。

在疊前深度偏移剖面投影為構(gòu)造翼部，其軌跡與井旁構(gòu)造恢復(fù)結(jié)果整體符合。從深度偏移剖面分析得出，構(gòu)造位置向下傾方向移動(dòng)約230 m，且新解釋斷層斷點(diǎn)向南東偏移200～250 m（圖8），根據(jù)最新的疊前深度偏移資料，認(rèn)為若按照原軌跡繼續(xù)鉆進(jìn)，可能鉆遇棲霞組陡帶，根據(jù)疊前深度偏移資料解釋新的構(gòu)造高點(diǎn)，對ST6井進(jìn)行了側(cè)鉆建議并得到實(shí)施（圖9）。實(shí)鉆過程中沒有出現(xiàn)明顯的井漏，鉆井過程順利，側(cè)鉆點(diǎn)實(shí)鉆棲霞組頂界垂深6 607.8 m，地層傾角南東傾6°，海拔值與疊前深度偏移預(yù)測海拔值絕對誤差僅為29 m，相對誤差0.43 %，順利鉆遇構(gòu)造頂部。

圖8 ST6井區(qū)新老資料處理解釋棲霞組頂界構(gòu)造成果對比圖

圖9 過ST6井疊前深度偏移剖面圖

4 結(jié)論

在雙魚石區(qū)塊應(yīng)用基于小平滑面的非線性網(wǎng)格層析速度建模技術(shù)開展疊前深度偏移成像處理有效解決了“雙復(fù)雜”地區(qū)時(shí)間域成像不準(zhǔn)的問題，根據(jù)新的疊前深度偏移資料，修正斷層和構(gòu)造高點(diǎn)位置對ST6井進(jìn)行了側(cè)鉆建議并得到實(shí)施，實(shí)鉆證實(shí)疊前深度偏移預(yù)測成果的可靠性。該成像技術(shù)的推廣對雙魚石區(qū)塊后期勘探開發(fā)井位部署及井軌跡優(yōu)化具有指導(dǎo)作用，并得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1）基于小平滑面處理的數(shù)據(jù)可以有效保持炮檢點(diǎn)位置真實(shí)性，并對旅行時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算必不可少。

2）在構(gòu)造模式認(rèn)識較清晰，鉆井分布較廣的工區(qū)，可采用構(gòu)造層位加測井速度及近地表融合聯(lián)合建模的方式獲取初始速度模型，速度模型迭代過程中采用非線性反演技術(shù)，通過地質(zhì)和鉆井約束，提高模型精度并大大縮短運(yùn)行周期。

3）射線束法疊前深度偏移在高陡復(fù)雜區(qū)較Kirchhoff深度偏移成像效果更好，對微小斷裂刻畫精度更高，偏移噪音更少，信噪比更高。