面向復(fù)雜山前帶的平滑地表TTI各向異性速度建模

姚曉龍,張永升,齊 鵬,蔡杰雄

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司研究院,新疆烏魯木齊830011)

隨著地震勘探的不斷深入,山前帶已成為油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)攻關(guān)區(qū)域之一,而山前帶勘探難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)勘探[1-4],特別是在速度建模方面。山前帶地表起伏劇烈,速度橫向變化快,并且地下通常發(fā)育復(fù)雜構(gòu)造,地層產(chǎn)狀變化大,這些都給高精度速度建模及構(gòu)造成像帶來很大困難[5-7]。

傳統(tǒng)速度建模與偏移成像方法大多是基于固定基準(zhǔn)面或是浮動基準(zhǔn)面,但是對于山前帶資料,水平的固定基準(zhǔn)面與真實(shí)的起伏地表差異較大,而基于時間域靜校正的浮動基準(zhǔn)面進(jìn)行了大尺度的平滑,且通過替換速度轉(zhuǎn)換到深度域后沒有明確的物理意義,不符合實(shí)際地表變化特征。這兩種參考面方法都會引入速度和成像誤差[8-11]。此外,工業(yè)界目前最常用的速度建模流程是采用回轉(zhuǎn)波層析反演得到近地表速度,并在中深層與疊前時間偏移均方根速度轉(zhuǎn)到深度域的層速度進(jìn)行拼接處理,建立初始速度模型。然后對初始速度模型進(jìn)行各向同性層析反演和偏移,逐步基于拉平成像道集準(zhǔn)則,確定最終的各向同性速度。最后根據(jù)各向同性偏移結(jié)果與實(shí)際測井分層的井震深度誤差計算各向異性參數(shù),通過各向異性參數(shù)來消除井震深度誤差[12-14]。但是,這種建模方法對于山前帶數(shù)據(jù)并不適用,首先由于地形起伏劇烈,近地表與中深層的速度融合存在匹配性問題;其次在各向同性速度迭代和成像過程中,忽略了各向異性的影響,與實(shí)際波場傳播不符,造成成像深度和產(chǎn)狀與實(shí)際情況存在誤差,同時僅利用各向異性參數(shù)來校正局部深度誤差,沒有充分發(fā)揮各向異性參數(shù)在波場傳播中的作用[15-16]。

針對上述問題,本文提出了平滑地表TTI各向異性建模技術(shù)及流程。該流程采用基于地表高程低頻趨勢的平滑地表作為基準(zhǔn)面,將近地表回轉(zhuǎn)波層析與中深層常速填充相結(jié)合得到背景速度場,避免了速度融合存在的匹配性問題,再通過VSP測井速度標(biāo)定和一維成像道集正演提取各向異性參數(shù),建立復(fù)雜山前帶TTI各向異性初始速度模型。并在各向異性參數(shù)約束下,采用層控層析反演技術(shù),不斷修正速度參數(shù),建立高精度速度模型,最后應(yīng)用于實(shí)際資料的處理驗(yàn)證該流程的有效性。

1 技術(shù)思路

西部某山前帶工區(qū)是典型的雙復(fù)雜探區(qū)。工區(qū)內(nèi)地形起伏劇烈(圖1),總體趨勢南低北高,地表高程變化范圍983～2089m,最大高差達(dá)到1100m,并且淺層發(fā)育巨厚的高速礫巖層,礫巖的速度和厚度都存在空間變化。此外,工區(qū)內(nèi)地下構(gòu)造多變,具有明顯的雙層結(jié)構(gòu),如圖2所示,膏鹽體上部是快速堆積的陸相地層,反射波組不連續(xù),波組特征變化大;膏鹽體下部是低幅度構(gòu)造,東西向地層平緩、傾角小、南北向地層傾角略大,同時低幅構(gòu)造上部發(fā)育低速的膏鹽體,存在明顯速度反轉(zhuǎn),使膏鹽下伏構(gòu)造成像質(zhì)量較差(圖2 藍(lán)圈所示),膏鹽體下伏邊界難以識別,影響構(gòu)造圈閉的可靠性。

圖1 山前帶工區(qū)高程立體顯示

圖2 山前帶工區(qū)地層剖面

常規(guī)速度建模處理流程如圖3所示,該流程在地形條件相對簡單,尤其是地表平坦、橫向速度變化小的地區(qū)可以取得較好效果,但是在雙復(fù)雜的山前帶地區(qū)會產(chǎn)生很多問題。首先,在建立初始速度模型時,常規(guī)方法利用近地表層析反演速度與疊前時間偏移轉(zhuǎn)到深度域的層速度進(jìn)行拼接處理建立初始速度模型。對于地形起伏劇烈的地區(qū),近地表速度與疊前時間偏移轉(zhuǎn)到深度域的層速度參考面通常會存在較大的差異,這樣在中深層的拼接處理時容易產(chǎn)生拼接痕跡,引入速度誤差。其次,常規(guī)速度建模方法先采用各向同性層析方法,逐步更新速度、拉平成像道集,再根據(jù)偏移結(jié)果與實(shí)際測井分層的井震誤差引入各向異性參數(shù),消除井震深度誤差。對于復(fù)雜低幅構(gòu)造,速度迭代更新過程中忽略各向異性的影響,僅利用各向異性參數(shù)來校正井震誤差,會引起構(gòu)造歸位的不準(zhǔn)確。最后,當(dāng)?shù)叵掳l(fā)育特殊異常體時,常規(guī)全局網(wǎng)格層析反演方法難以刻畫異常體的速度邊界,從而產(chǎn)生成像誤差。

圖3 常規(guī)速度建模處理流程

針對以上常規(guī)速度建模處理流程的不足,本文提出了面向復(fù)雜山前帶的速度建模技術(shù)流程,主要包括:①采用基于近地表最大有效反演深度的填充延拓法建立初始速度模型,避免速度拼接引入的速度誤差;②采用全程TTI層析反演技術(shù),始終在各向異性參數(shù)約束下反演速度,確保低幅構(gòu)造歸位的可靠性;③采用層位約束的層析反演方法,引入先驗(yàn)地質(zhì)層位信息控制速度網(wǎng)格劃分,實(shí)現(xiàn)對地下復(fù)雜構(gòu)造或特殊地質(zhì)體的精細(xì)反演。

2 關(guān)鍵處理技術(shù)

2.1 平滑地表基準(zhǔn)面建立

地形起伏劇烈是制約山前帶資料速度建模精度和成像效果的一個重要因素,在理想情況下,基于真實(shí)地表進(jìn)行深度域速度建模是最合理的方法。但是,受數(shù)據(jù)空間采樣以及近地表建模技術(shù)本身分辨率的限制,目前近地表速度建模方法無法解決高頻問題,只能建立一個中、低波數(shù)速度模型,這樣殘余的高頻道間時差會降低疊加成像質(zhì)量。

因此,結(jié)合山前帶實(shí)際特點(diǎn),本文采用“平滑地表”處理思路,對地表高程進(jìn)行小尺度平滑,消除資料中起伏地表的高頻量,保留地表低頻趨勢。同時,從原始總靜校正量中提取相應(yīng)的高頻分量進(jìn)行高頻靜校正以消除道間高頻時差,從而建立一個接近真實(shí)地表特征的平滑地表面以及與之相匹配的僅包含中低頻道間時差的疊前數(shù)據(jù),用于后續(xù)速度建模和偏移成像。這種處理方式對疊前地震數(shù)據(jù)走時改造小,后續(xù)建模和成像更接近真實(shí)情況。

如何選取平滑尺度是建立平滑地表面的關(guān)鍵,原則上平滑后的地表高程在炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)之間不能有劇烈的起伏變化。具體的選取依據(jù)要結(jié)合工區(qū)實(shí)際地震數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng),一般選擇與炮線距或檢波線距相當(dāng)?shù)某叨?。如果平滑尺度過大,就失去平滑地表的意義,而平滑尺度過小,炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)之間的高頻變化難以通過反演的速度模型予以描述。圖4顯示了采用炮線之間的距離作為平滑參數(shù)建立的平滑地表面,可以看出,通過小尺度平滑消除了地表高程的高頻抖動,同時較好地保留了地表的中低頻變化趨勢。圖5顯示了沿工區(qū)北部山區(qū)地表面平滑前后的水平切線。

圖4 真實(shí)地表面(a)與平滑地表面(b)的立體顯示

圖5 沿工區(qū)北部山區(qū)的真實(shí)地表面與平滑地表面的水平切線

確定了平滑地表面后,借助于近地表速度建模與靜校正的耦合關(guān)系來解決起伏地表問題。首先從工區(qū)總靜校正量(圖6a)中分離出起伏地表及低降速帶對應(yīng)的中、低頻靜校正量(圖6b),這部分中低頻靜校正量可以通過后續(xù)近地表速度建模來描述。然后將殘余的高頻靜校正量(圖6c)應(yīng)用到地表數(shù)據(jù)中,解決地震道間時差抖動,提高疊加質(zhì)量。

圖6 高頻靜校正提取a 工區(qū)總靜校正量; b 起伏地表面及低降速帶對應(yīng)的中、低頻靜校正量; c 高頻靜校正量

圖7為應(yīng)用高頻靜校正量前、后的單炮記錄,可以看到,經(jīng)高頻靜校正后,數(shù)據(jù)位于平滑地表面上,只消除了道間時差的高頻量,單炮同相軸高頻抖動被消除、連續(xù)性得以提高。同時與起伏地表及近地表相關(guān)的類雙曲線特征得到很好地保持,這些中長波長道間時差仍然保留,用于深度域速度建模及成像。

圖7 高頻靜校正前(a)、后(b)的單炮記錄

2.2 平滑地表TTI各向異性初始模型建立

2.2.1 初始速度模型建立

初始速度作為速度建模的出發(fā)點(diǎn),對最終速度模型的可靠性至關(guān)重要。特別是對于復(fù)雜山前帶數(shù)據(jù),地形起伏劇烈、速度橫向變化大,地下構(gòu)造產(chǎn)狀變化大,局部存在速度反轉(zhuǎn)。如果初始速度不準(zhǔn)確,會帶來速度誤差,在后續(xù)迭代更新中往往難以消除,給建模和成像帶來很大的不確定性。

針對山前帶數(shù)據(jù)“復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造”的特點(diǎn),本文基于平滑地表面,采用近地表速度模型與中深層常速填充的深度域初始速度建模思路。山前帶數(shù)據(jù)淺層信噪比和覆蓋次數(shù)比較低,傳統(tǒng)的反射波走時層析成像難以準(zhǔn)確求取淺層速度,為此采用基于初至回轉(zhuǎn)波層析反演技術(shù)來建立近地表速度模型;對于中深層速度,為了避免近地表與中深層速度融合時的匹配性問題,利用近地表速度模型最大有效反演深度的速度值進(jìn)行向下延拓填充至模型最大深度,建立一個穩(wěn)定的初始速度模型。

回轉(zhuǎn)波層析反演利用觀測初至與模擬初至的走時殘差進(jìn)行反演,克服了淺層同相軸信噪比和覆蓋次數(shù)低的問題,可以建立準(zhǔn)確的近地表速度模型。如圖8 所示,圖8a為基于平滑地表的初始速度模型,為了保證深層反演的射線密度,初始模型通常選取一個速度偏高的梯度模型,網(wǎng)格大小為2倍的炮線距乘以2倍的檢波線距。在反演迭代的過程中,不斷減小速度網(wǎng)格大小(圖8b,圖8c),提升反演分辨率,得到最終近地表速度模型(圖8d)?？梢钥吹?經(jīng)過三輪的迭代反演,近地表速度細(xì)節(jié)特征豐富,特別是近地表發(fā)育的高速礫巖輪廓刻畫得較為清晰。

圖8 回轉(zhuǎn)波層析反演不同迭代次數(shù)速度模型對比a 初始速度模型(600m×600m); b 第一輪迭代結(jié)果(600m×600m); c 第二輪迭代結(jié)果(300m×300m);d 第三輪迭代結(jié)果(150m×150m)

圖9a對比了X1和X2井的井口位置初始速度(藍(lán)線)、近地表反演速度(綠線)以及測井速度(紅線),可以看到在深度小于1800m的范圍回轉(zhuǎn)波層析反演速度與測井速度趨勢吻合較好,深度超過1800m時,由于受最大偏移距的限制,近地表反演速度比測井速度偏高。

關(guān)于初始速度建模,本文采用近地表層析反演與中深層常速填充的方法。首先,保留地表到地下1800m深度內(nèi)近地表回轉(zhuǎn)波層析速度模型,然后利用1800m深度處的反演速度4800m/s(圖9a)進(jìn)行速度外推,得到TTI各向異性初始速度模型(圖9b)。

圖9 X1井和X2井初始速度、近地表反演速度與測井速度對比(a)及TTI各向異性初始速度模型(b)

2.2.2 各向異性參數(shù)場求取

本文基于初始速度模型采用一維VTI正演模擬的方法直接求取各向異性參數(shù),這樣在速度層析反演初期就引入各向異性參數(shù),并在各向異性參數(shù)場的約束下對速度場進(jìn)行反演,從而確保最終速度場的可靠性。

首先利用工區(qū)VSP測井速度對地震速度進(jìn)行標(biāo)定,使其與地下真實(shí)速度趨勢一致(圖10a)。然后先將井口成像道集轉(zhuǎn)換到時間域,再用新的標(biāo)定速度通過一維VTI兩點(diǎn)射線追蹤轉(zhuǎn)回深度域,如圖10b左側(cè)道集所示?？梢钥吹綔\層同相軸在遠(yuǎn)偏移距出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。此時由于標(biāo)定后的速度與真實(shí)地下速度一致,因此這種上翹可以歸結(jié)于各向異性參數(shù)的影響。隨著深度增加上翹程度不斷增大,當(dāng)至某個深度時上翹最嚴(yán)重(如圖10紅色虛線位置),此時受各向異性參數(shù)影響最大,該深度位置被稱為各向異性參數(shù)飽和點(diǎn)位置。下面在標(biāo)定速度基礎(chǔ)上加入各向異性參數(shù)ε和δ,通過測試不同ε和δ組合,使遠(yuǎn)偏移距同相軸拉平(如圖10b右側(cè)道集所示),得到最優(yōu)的各向異性參數(shù)。各向異性參數(shù)的基本趨勢是從地表為0開始逐漸增大至飽和點(diǎn)深度達(dá)到最大值(圖10c)。對于飽和點(diǎn)以下的深度,在偏移距有限的情況下,深層的各向異性參數(shù)在小偏移距無法觀測到。同時隨地層深度增加,地質(zhì)壓實(shí)作用逐漸大于成層作用,各向異性參數(shù)影響減小,因此假設(shè)飽和點(diǎn)深度以下各向異性區(qū)域穩(wěn)定,參數(shù)保持不變,低頻趨勢主要隨地表起伏變化,結(jié)合平滑地表建立各向異性參數(shù)模型(圖11)。

圖10 各向異性參數(shù)求取a 地震速度標(biāo)定; b 一維正演道集(左側(cè)為標(biāo)定速度正演道集、右側(cè)為加入各向異性參數(shù)后的正演道集、紅色虛線表示各向異性參數(shù)飽和點(diǎn)深度); c 各向異性參數(shù)

圖11 采用本文方法建立的各向異性參數(shù)模型a δ; b ε; c 傾角; d 方位角

2.3 基于層位約束的層析方法

目前生產(chǎn)中常用反射波網(wǎng)格層析反演技術(shù)修正深度域速度模型,該方法主要基于數(shù)據(jù)驅(qū)動,不需要層位先驗(yàn)信息,通過全局速度優(yōu)化來進(jìn)行速度模型迭代。但是當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,特別是存在速度異常體時,這種全局網(wǎng)格層析方法通常難以刻畫速度突變邊界,容易產(chǎn)生構(gòu)造假象。而層位約束的層析反演方法引入先驗(yàn)地質(zhì)層位信息控制速度網(wǎng)格劃分,可以實(shí)現(xiàn)對地下復(fù)雜構(gòu)造或特殊地質(zhì)體的精細(xì)反演。

本文基于平滑地表TTI各向異性初始速度模型,采用層位約束的層析反演技術(shù),可以分層實(shí)現(xiàn)速度收斂,同時可以對地下復(fù)雜異常體進(jìn)行精細(xì)刻畫,為后續(xù)的高精度地震成像提供了與地下構(gòu)造匹配較好的速度模型。圖12分別顯示了淺、中層層位約束網(wǎng)格層析反演的效果,根據(jù)地下雙層構(gòu)造特點(diǎn),采用層位約束網(wǎng)格層析實(shí)現(xiàn)對淺中層速度的迭代更新,圖13為對應(yīng)的成像道集。可以看到在地質(zhì)層位約束下,淺、中層速度得到更新校正,成像道集同相軸得到拉平。在準(zhǔn)確的淺、中層速度基礎(chǔ)上,繼續(xù)對深部低速膏鹽體進(jìn)行速度更新。圖14顯示了深層膏鹽體速度精細(xì)反演的過程,可以看到在膏鹽體頂、底層位約束下,可以對膏鹽體進(jìn)行局部速度更新。通過對比可以看到,常規(guī)全局網(wǎng)格層析方法(圖15a)在處理低速膏鹽體速度迭代時,由于缺少層位約束,在全局速度更新的過程中,圍巖的高速更新量會“污染”膏鹽體速度更新(藍(lán)圈所示),影響構(gòu)造歸位的可靠性。而基于層位約束的局部層析方法(圖15b)可以單獨(dú)對膏鹽異常體進(jìn)行速度更新,不受周圍高速圍巖影響。

圖12 淺、中層層位約束的網(wǎng)格層析效果a 初始模型; b 淺、中層速度更新量; c 更新后模型

圖13 初始模型(a)與淺中、層迭代更新后模型(b)的成像道集

圖14 深層膏鹽體層位約束速度精細(xì)反演a 膏鹽體更新前速度與剖面疊合顯示; b 膏鹽體速度更新量與剖面疊合顯示; c 膏鹽體更新后速度與剖面疊合顯示

圖15 全局網(wǎng)格層析(a)與層位約束層析(b)的膏鹽體速度更新量與剖面疊合顯示

3 實(shí)際應(yīng)用效果

利用本文面向復(fù)雜山前帶的平滑地表TTI各向異性建模流程對西部某山前帶工區(qū)實(shí)際資料進(jìn)行了攻關(guān)處理。該區(qū)屬于典型的雙復(fù)雜工區(qū),地表起伏劇烈、高差大,近地表發(fā)育巨厚礫巖層,地下雙層結(jié)構(gòu)、發(fā)育低速膏鹽體,鹽下構(gòu)造前期成像效果較差。采用相同偏移參數(shù)的逆時偏移方法分別對常規(guī)速度建模流程與本文建模流程建立的模型進(jìn)行偏移效果對比,圖16和圖17 為其中兩條測線(測線1和測線2)處理結(jié)果剖面,可以看到相比于常規(guī)速度建模方法,采用基于平滑地表的TTI各向異性建模流程獲得的偏移剖面整體上歸位更加收斂,同相軸連續(xù)性明顯提高。圖18為近地表巨厚礫巖速度與偏移剖面疊合顯示,可以看出,巨厚礫巖層的空間厚度變化在速度模型上得到很好的體現(xiàn),礫巖層與圍巖的速度邊界清晰,從工區(qū)內(nèi)多口測井速度上看(圖19),速度模型在近地表由高速礫巖與低速圍巖的速度反轉(zhuǎn)趨勢與測井速度吻合較好。圖20為圖17深層膏鹽局部放大顯示,可以看到新處理剖面膏鹽與圍巖邊界成像更加清晰,鹽下構(gòu)造成像質(zhì)量顯著提高。

圖16 測線1前期(a)與本次(b)處理結(jié)果剖面

圖17 測線2前期(a)與本次(b)處理結(jié)果剖面

圖18 近地表巨厚礫巖速度與偏移剖面疊合顯示

圖19 近地表巨厚礫巖速度模型速度(黑色)與工區(qū)內(nèi)多口井的測井速度(紅色)

圖20 深層膏鹽區(qū)前期(a)與本次(b)處理結(jié)果剖面局部放大顯示(圖17中藍(lán)色線圈位置)

4 結(jié)束語

“復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造”的雙復(fù)雜地質(zhì)背景條件是制約山前帶油氣勘探的重要因素之一。本文建立了面向復(fù)雜山前帶的平滑地表TTI各向異性建模處理流程,并將其應(yīng)用于西部某山前帶工區(qū)的資料處理中,取得了以下成果與認(rèn)識:

1) 針對復(fù)雜的低幅構(gòu)造初始速度模型,可以利用近地表最大有效速度反演深度對中深層進(jìn)行速度填充延拓,建立一個中深層常速的初始速度模型,避免速度拼接對低幅構(gòu)造成像的影響。結(jié)合后續(xù)層位約束層析反演,可以實(shí)現(xiàn)速度模型反演的快速收斂。

2) 采用全程TTI層析反演技術(shù),避免各向同性速度迭代引起的構(gòu)造誤差和深度誤差,在建模前期就引入各向異性參數(shù),在各向異性參數(shù)約束下通過不斷反演速度,提升低幅構(gòu)造歸位的可靠性。

3) 對于地下膏鹽異常體,全局網(wǎng)格層析方法難以刻畫膏鹽速度異常體邊界。采用層位約束層析方法,可以將膏鹽體與圍巖分開,實(shí)現(xiàn)對地下膏鹽異常體的精細(xì)反演,有效提升鹽下構(gòu)造成像質(zhì)量。