基于目標(biāo)層速度掃描的縫洞成像技術(shù)研究

鄧光校,段心標(biāo),王 震,馬永強(qiáng),馬靈偉

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院、湖北省地下多尺度成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011;3.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)

碳酸鹽巖縫洞型油氣藏具有埋藏深、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3],溶洞體在地震成像剖面上表現(xiàn)為“串珠狀”特征。王小衛(wèi)等[4]和胡鵬飛[5]從資料處理的角度總結(jié)了碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)集體成像的處理技術(shù)和手段,指出速度建模精度是制約縫洞儲(chǔ)集體“串珠”成像的重要因素。李鵬飛等[6]利用小尺度的網(wǎng)格層析速度建模策略,提高了碳酸鹽巖儲(chǔ)層速度建模精度,改善了縫洞體成像效果。崔永福等[7]將全波形反演技術(shù)應(yīng)用于縫洞型儲(chǔ)層探區(qū)的速度建模,提高了火成巖建模精度,間接改善了深部縫洞儲(chǔ)層的成像質(zhì)量。由于縫洞儲(chǔ)層埋藏深,常規(guī)采集資料無法滿足全波形反演對(duì)排列長度的要求,因此目前未見全波形反演應(yīng)用于縫洞儲(chǔ)層精細(xì)速度建模的公開文獻(xiàn)。目前主要采用網(wǎng)格層析反演建模技術(shù)進(jìn)行縫洞成像速度建模[8-10]。

利用基于成像道集拉平準(zhǔn)則的網(wǎng)格層析建模技術(shù),只能反演得到低波數(shù)的背景速度場(chǎng),無法精細(xì)刻畫實(shí)際地下介質(zhì)的非均質(zhì)特征。對(duì)縫洞儲(chǔ)層速度建模而言,質(zhì)控時(shí)主要考慮大、中尺度“串珠”收斂程度,往往忽略了對(duì)速度更敏感的小尺度縫洞體的成像質(zhì)量,最終反演得到的速度模型難以使所有縫洞儲(chǔ)集體成像收斂效果最佳。對(duì)于縫洞精細(xì)開發(fā)而言,大尺度縫洞不再是關(guān)注點(diǎn),收斂效果不佳或未收斂的小尺度縫洞體更為重要,因此通過速度模型更新提高局部小尺度串珠的成像質(zhì)量具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。王世星等[11]提出了一種基于連續(xù)速度替換的時(shí)間域地震聚焦成像技術(shù),該技術(shù)采用偏移速度連續(xù)替換掃描和縫洞體反射能量聚焦分析兩種方法,調(diào)整縫洞體位置處的時(shí)間域偏移速度并完成疊前時(shí)間偏移成像處理,提高了時(shí)間域縫洞體成像質(zhì)量。

本文首先基于風(fēng)化殼模型數(shù)據(jù)對(duì)比不同速度誤差對(duì)深度域成像質(zhì)量的影響,分析成像剖面、成像道集與速度精度的敏感性關(guān)系,進(jìn)而提出了基于目標(biāo)區(qū)速度掃描的深度域縫洞成像方法,再對(duì)比Kirchhoff積分偏移、單程波偏移和逆時(shí)偏移的特征,優(yōu)選了一種單程波偏移成像方案,并給出了目標(biāo)區(qū)速度掃描單程波偏移成像技術(shù)流程,最后將其應(yīng)用于塔河某實(shí)際資料處理,證明了本文方法的可行性和有效性。

1 不同速度風(fēng)化殼縫洞成像分析

為了分析速度模型對(duì)縫洞成像精度的影響,設(shè)計(jì)了如圖1所示的風(fēng)化殼縫洞體速度模型。該模型包括隨機(jī)分布的2～10m小尺度溶洞、20～50m中尺度孤立溶洞和100～200m大尺度孤立溶洞。溶洞體填充速度為4500～5000m/s,圍巖速度為6100m/s。正演模擬參數(shù)與塔河實(shí)際采集參數(shù)基本一致,炮間距30m,道間距30m,采樣記錄長度7s,采樣間隔1ms,地震子波主頻30Hz。

圖1 風(fēng)化殼縫洞體速度模型

圖2是利用準(zhǔn)確速度模型進(jìn)行逆時(shí)偏移(reverse time migration,RTM)獲得的成像結(jié)果。由圖2可見,大、中尺度溶洞均表現(xiàn)為明顯的“串珠”狀特征,小尺度溶洞則表現(xiàn)為弱反射特征,影響了風(fēng)化殼頂面同相軸的下部分旁瓣,但整體而言,大、中尺度溶洞“串珠”收斂效果好,小尺度溶洞成像質(zhì)量高。

圖2 準(zhǔn)確模型的逆時(shí)偏移(RTM)成像結(jié)果

圖3給出了不同偏移速度模型對(duì)溶洞進(jìn)行逆時(shí)偏移的成像結(jié)果,圖3a至圖3d的偏移速度依次為準(zhǔn)確速度的99.0%,101.0%,99.5%和100.5%。圖中“串珠”形態(tài)圓潤、無上翹或下拉的“尾巴”時(shí)表示縫洞收斂最佳;“串珠”邊緣有下拉“尾巴”表示偏移不足(圖3a和圖3c);“串珠”邊緣有上翹“尾巴”表示偏移過度(圖3b 和圖3d)。由圖3可知,當(dāng)速度誤差為1%時(shí),“串珠”收斂質(zhì)量很差,當(dāng)速度誤差為0.5%時(shí),“串珠”收斂質(zhì)量與準(zhǔn)確模型“串珠”成像結(jié)果相差較大。由圖3a和圖3c可見,當(dāng)偏移速度模型小于準(zhǔn)確速度模型時(shí),小尺度溶洞表現(xiàn)為雜亂反射特征;由圖3b 和圖3d可見,當(dāng)偏移速度模型大于準(zhǔn)確速度模型時(shí),溶洞成像表現(xiàn)為過偏移,風(fēng)化殼頂面同相軸的上部分旁瓣出現(xiàn)一系列能量異常。由此可見,“串珠”成像質(zhì)量對(duì)速度模型精度非常敏感,速度誤差即便為0.5%,依然會(huì)影響“串珠”成像的收斂效果。

圖3 不同偏移速度模型的逆時(shí)偏移(RTM)成像結(jié)果a 99.0%; b 101.0%; c 99.5%; d 100.5%

速度建?；诔上竦兰綔?zhǔn)則,速度更新依賴于成像道集的剩余時(shí)差。我們提取圖2黃色線位置處(CDP點(diǎn)號(hào)為1100)不同偏移速度的成像道集,結(jié)果如圖4所示,圖4中與黃色水平直線重合的同相軸對(duì)應(yīng)風(fēng)化殼頂面,其下方的同相軸對(duì)應(yīng)“串珠”,圖4中兩個(gè)道集的同相軸都很平,當(dāng)速度誤差為0.5%時(shí),成像道集剩余時(shí)差非常小,此時(shí)無法利用剩余時(shí)差更新速度模型。分析可知,塔河縫洞體成像時(shí)若要獲得精確的背景速度模型使“串珠”成像完全收斂非常困難。此外,由于縫洞儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),速度橫向差異大,故很難使所有“串珠”均能準(zhǔn)確成像并收斂。

圖4 不同偏移速度的成像道集a 整體偏移速度為準(zhǔn)確速度; b 整體偏移速度為準(zhǔn)確速度的99.5%

2 目標(biāo)區(qū)速度掃描成像方法

對(duì)于縫洞地震資料而言,奧陶系碳酸鹽巖地層非均質(zhì)強(qiáng)、速度模型復(fù)雜,而其上覆地層層狀沉積特征明顯、速度相對(duì)簡單。實(shí)際勘探中,假設(shè)影響“串珠”收斂的主要因素是儲(chǔ)層速度建模精度,通常認(rèn)為利用層析反演速度建模能夠獲得較高精度的上覆地層速度模型?；谏鲜黾僭O(shè),考慮到速度誤差嚴(yán)重制約“串珠”成像質(zhì)量,我們難以獲得精確的速度模型,為此可以在深度上選定一個(gè)包含縫洞儲(chǔ)層的目標(biāo)區(qū),在目標(biāo)區(qū)范圍內(nèi)為層析反演速度模型選定一系列誤差百分比,利用不同的偏移速度進(jìn)行偏移成像,最終從多個(gè)偏移成像結(jié)果中尋找不同位置的“串珠”收斂最佳的結(jié)果。

由于掃描速度體數(shù)量通常比較多,因此偏移方法必須計(jì)算效率高,本文基于以下3個(gè)因素考慮選擇單程波波動(dòng)方程疊前深度偏移方法[12-16]:①單程波偏移成像精度高,能夠適應(yīng)橫向變速介質(zhì)成像,對(duì)于構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜程度不高的縫洞探區(qū)而言,其成像效果與逆時(shí)偏移基本相當(dāng),且效果明顯優(yōu)于Kirchhoff積分偏移方法;②單程波偏移計(jì)算效率高,比逆時(shí)偏移速度高5倍左右,其計(jì)算效率也優(yōu)于Kirchhoff積分偏移方法;③單程波偏移沿著深度方向進(jìn)行波場(chǎng)延拓和成像,在目標(biāo)區(qū)深度以上速度精確的情況下,可以將波場(chǎng)延拓到目標(biāo)區(qū)上方,再對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行不同速度的速度掃描和偏移成像,整體計(jì)算量較小,而逆時(shí)偏移需要利用整體速度場(chǎng)進(jìn)行波場(chǎng)傳播,Kirchhoff積分偏移射線追蹤時(shí)需要利用目標(biāo)區(qū)以上的速度場(chǎng),二者均無法快速進(jìn)行目標(biāo)區(qū)速度掃描成像。

單程波波場(chǎng)傳播方程為:

(1)

式中:U(x,y,z;t)表示地下一點(diǎn)t時(shí)刻的地震波場(chǎng);v(x,y,z)表示地下一點(diǎn)的介質(zhì)速度。本文波場(chǎng)延拓時(shí)采用分步傅里葉算子(split-step Fourier,SSF),每步波場(chǎng)延拓包含頻率波數(shù)域的相移和頻率空間域的時(shí)移,表示如下:

(2)

(3)

基于單程波方程的目標(biāo)區(qū)速度掃描成像流程如下:①給定目標(biāo)區(qū)深度范圍D1～D2,在D1以上逐層進(jìn)行震源波場(chǎng)、記錄波場(chǎng)延拓和相關(guān)成像,保存延拓到D1的兩個(gè)波場(chǎng);②在目標(biāo)區(qū)范圍內(nèi),將速度乘以掃描百分比,從D1到D2逐層進(jìn)行震源波場(chǎng)、記錄波場(chǎng)延拓和相關(guān)成像;③在D2深度成像后,再取之前延拓到D1深度的兩個(gè)波場(chǎng),按其它速度掃描比例再次從D1到D2逐層進(jìn)行震源波場(chǎng)、記錄波場(chǎng)延拓和相關(guān)成像。具體流程見圖5。

圖5 目標(biāo)區(qū)速度掃描成像流程

3 應(yīng)用實(shí)例

塔河油田某探區(qū)風(fēng)化殼巖溶縫洞發(fā)育,隨著精細(xì)勘探開發(fā)的不斷深入,依靠大“串珠”開展井位部署的空間越來越受限,不足以滿足塔河的穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)需求。為了探索小尺度縫洞體成像,選擇該探區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。地震數(shù)據(jù)共33000炮,數(shù)據(jù)量為2.1TB,面元大小為15m×15m。利用網(wǎng)格層析速度反演技術(shù),獲得如圖6 所示的速度模型。由圖6可見,速度場(chǎng)整體較為平滑,速度橫向變化不大。根據(jù)風(fēng)化殼成像要求,將目標(biāo)區(qū)深度設(shè)置為5.0～7.0km。進(jìn)行速度掃描測(cè)試,將局部目標(biāo)區(qū)速度掃描范圍設(shè)定為網(wǎng)格層析速度的97.0%～103.0%,即局部誤差為±3%(前述數(shù)學(xué)模型分析時(shí)采用的是整體誤差),掃描個(gè)數(shù)為11,頻率范圍2～70Hz,深度間隔10m,利用40個(gè)節(jié)點(diǎn)120個(gè)K10GPU卡完成全部偏移計(jì)算,耗時(shí)40.5h。

圖6 網(wǎng)格層析反演速度模型

圖7為目標(biāo)區(qū)某條測(cè)線不同百分比速度掃描偏移成像剖面。由圖7a至圖7k發(fā)現(xiàn)“串珠”從欠偏移到過偏移的整個(gè)變化過程。圖7f是網(wǎng)格層析原始速度成像剖面,其中綠色圈范圍內(nèi)“串珠”邊緣略有上翹,表示略微過收斂,說明速度值略大,而黃色圈范圍內(nèi)“串珠”明顯欠收斂,表明速度值偏低。利用97.0%速度掃描偏移成像時(shí)(圖7a),綠色圈對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的“串珠”收斂效果變好。當(dāng)速度掃描百分比超過101.2%后(圖7h),隨著速度值的增大,黃色圈對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的“串珠”成像效果逐漸變好,速度掃描百分比為103.0%時(shí),成像質(zhì)量明顯優(yōu)于原始速度的成像效果。對(duì)比圖7f與圖7k可見,風(fēng)化殼內(nèi)的小串珠成像質(zhì)量明顯提高,部分原收斂質(zhì)量較差或未收斂的小“串珠”已較好地收斂歸位,風(fēng)化殼內(nèi)的異常特征明顯。由上述結(jié)果可知,目標(biāo)區(qū)速度掃描偏移成像方法對(duì)于識(shí)別小尺度縫洞體具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖7 目標(biāo)區(qū)某條測(cè)線不同百分比速度掃描偏移成像剖面a 97.0%; b 97.6%; c 98.2%; d 98.8%; e 99.4%; f 100.0%; g 100.6%; h 101.2%; i 101.8%; j 102.4%; k 103.0%

本文方法提供了一系列成像結(jié)果,其中某個(gè)結(jié)果中部分“串珠”聚焦性更好,但部分“串珠”聚焦形態(tài)可能變差。如何從一系列成像結(jié)果中構(gòu)建一個(gè)使得全部“串珠”都最佳收斂的速度模型,仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

碳酸鹽巖縫洞成像效果依賴于速度模型精度,“串珠”成像質(zhì)量對(duì)速度變化非常敏感。目前,基于成像道集拉平準(zhǔn)則的層析反演速度建模技術(shù)通常只能反演得到低波數(shù)的背景速度場(chǎng),無法精細(xì)刻畫縫洞儲(chǔ)層速度特征,難以實(shí)現(xiàn)不同尺度“串珠”的完全收斂。本文提出了一種基于目標(biāo)區(qū)速度掃描的單程波波動(dòng)方程疊前深度偏移方法,該方法基于目標(biāo)區(qū)上覆地層速度模型精度較高的假設(shè),將震源波場(chǎng)和記錄波場(chǎng)延拓到目標(biāo)區(qū)上方,利用不同百分比速度掃描逐次對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行偏移成像,得到一系列目標(biāo)區(qū)不同速度的成像結(jié)果,可用于提高部分“串珠”成像收斂精度。在塔河某探區(qū)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,本文方法可使原收斂質(zhì)量較差或未收斂的小溶洞形成的“串珠”較好地收斂,在一定程度上提高了小溶洞“串珠”的識(shí)別能力。

從一系列地震成像剖面中選擇合適的局部成像結(jié)果比較困難。我們下一步將研究自動(dòng)化的“串珠”最佳收斂判別方法,以及如何得到每一個(gè)串珠都能最佳收斂的速度模型,利用該速度模型再次進(jìn)行疊前深度偏移,最終可獲得整體最佳收斂的成像結(jié)果,以進(jìn)一步提升本文方法的實(shí)用性。