斷陷盆地復雜地表潛山地震勘探技術研究與應用

李海東，王瑞貞，張學銀，晏 豐，張萬福，王冬雯，劉 穎，王金寬，王澤群

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 華北物探處,河北 任丘 062552;2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院 華北分院,河北 任丘 062552;3.成都理工大學 環境與土木工程學院,四川 成都 610059)

1 引言

華北油田潛山勘探開發自20世紀70年代突破后,經歷了四十多年的持續勘探,已經發現了任丘、南孟、龍虎莊、留北、蘇橋等一批寒武系、奧陶系潛山油氣田,累計探明儲量超過5.5億噸,最高年產量達到1 723萬噸。潛山油氣產量占油田總產量的60 %以上,面積較大、埋藏適中的潛山圈閉勘探程度很高,進一步發現新的規模儲量難度較大[1]。

前人對渤海灣盆地潛山油氣成藏進行了大量的研究,取得了豐碩的理論成果,如遼河油田建立的“變質巖、 花崗巖潛山內幕成藏理論”,華北油田提出的“隱蔽型潛山油氣成藏理論”以及勝利油田提出的“多樣性潛山成因、 成藏理論”均不同程度指導了潛山油氣勘探[1]。隨著勘探程度的不斷提高,埋藏淺、構造容易落實、儲集性能較好的巖溶孔洞型潛山已經勘探殆盡[2]。近年來,由于潛山勘探技術的提高和勘探思路的轉變,冀中坳陷潛山內幕勘探不斷獲得新發現,華北油田在新一輪資源評價認為,冀中、二連富油凹陷剩余資源潛力仍然巨大,超深潛山、高阻抗體覆蓋潛山及火成巖覆蓋潛山勘探程度低,是下一步潛山勘探的重點[3,4]。面對新形勢、新任務,切實開展針對華北探區復雜勘探目標的地震勘探技術研究,完善配套技術系列,形成斷陷盆地復雜地表潛山地震勘探配套新技術意義重大。

2 勘探難點

華北探區主要包括渤海灣盆地冀中坳陷和二連盆地,都是典型的斷陷盆地特征,構造復雜,斷裂破碎[5,6]。此外,冀中探區多數的有利勘探部位處于城鎮建設群帶,改革開放以來,城鎮化進程明顯加快并取得顯著進展,城市快速的規?；?、現代化建設給該區油氣勘探帶來了更加復雜的地表地震勘探條件,油氣資源的勘探力度與規模的加大與嚴苛的地表、地下勘探條件的矛盾日益突出。歸結起來,目前華北探區潛山勘探受地表、地下勘探條件的影響,勘探難點主要體現在以下幾個方面。

2.1 大型城礦區

以冀中坳陷為例,部分有利勘探目標地表為大型城礦區,城市復雜的地表條件,如建筑物、道路、管道等,不僅干擾嚴重而且影響炮檢點的布設,受限于以往的勘探技術及儀器裝備,出現了大規模的城礦區資料空白帶,觀測系統屬性不均勻導致資料的缺失以及資料信噪比低,資料成果精度低導致規?；堑V區勘探、評價難以開展,整體勘探難以推動[7]。

2.2 深潛山

以往勘探技術針對潛山淺中層的勘探效果較好,但對于深潛山及其內幕效果不佳。深潛山及內幕地層埋藏深(≥5 000 m),地震波吸收衰減嚴重;波場復雜,準確成像困難。早期三維地震深層資料的信噪比都小于1,難以準確落實潛山及內幕圈閉,更無法對潛山內幕非均質性儲層進行準確預測[8]。

2.3 高阻抗體覆蓋潛山

高阻抗體覆蓋潛山頂面波阻抗差異小,難以形成良好的波阻抗界面,分辨率低,使得地質目標識別困難,目前存在缺少融合處理的空變時差校正技術,處理成果資料分辨能力不夠,高阻抗體覆蓋潛山頂面反射難以識別,潛山裂縫預測精度低的問題。

2.4 巨厚火成巖覆蓋區

巨厚火成巖覆蓋區由于地表存在巨厚異常高速介質覆蓋[9],往往得不到真實的近地表速度模型,靜校正效果差,低信噪比區成像精度低,潛山非均質儲層預測難度大。該類型勘探條件在華北二連潛山較為常見,二連潛山探明石油儲量2.8億噸,約占華北油田探明石油儲量的20.4 %,潛力巨大,但該類難題長期以來影響著該區的勘探與開發進程。

3 關鍵技術

3.1 大型城礦區地震采集技術

3.1.1 復雜地表區激發點優化技術

3.1.1.1 “片激發” 采集、處理技術

在野外采集階段,以往只能通過逐段采集,沿排列方向多炮激發,用CMP(Common Middle Point,CMP)疊加剖面以反映這段的地質情況[10]?！捌ぐl”采集改變了傳統的施工模式,如圖1所示,通過采集炮點片,排列不變就能反映該段的地質情況,大大提高了施工效率。

圖1 片激發施工方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of segment shooting construction method

圖2 “片激發”方式處理的任意覆蓋次數CMP疊加資料Fig.2 CMP stack data with any number of coverage processed using the“segment shooting” method

在室內處理階段,通過對排列段選取的單炮進行NMO(Normal Move Out,NMO)校正,可以形成共炮點域一次道集或多次道集(圖2)。由于沿排列方向上炮點距較小,共炮點域的道集可以近似認為是排列段上連續的剖面。對比這種井炮和可控震源剖面,可以進行精確的量化分析,野外采集實現快速高效。

由于施工方式與常規采集施工方式的差異性,片激發采集的資料若按照常規處理流程會存在覆蓋次數差異大、能量不均、疊加效果差等問題,而如圖3所示,該項技術將一個激發片分解成若干個小激發片,然后再進行疊加形成超炮集,所得到的剖面一致性得到明顯改善,能量及覆蓋次數更加均衡。

圖3 正常處理與超炮集處理疊加剖面效果對比Fig.3 Comparison of stacked profiles between normal processing and super shot set processing

3.1.1.2 基于自動避障的炮點預設計技術

一直以來,為了彌補城礦障礙區覆蓋次數和開口問題,采用手工和軟件相結合方法進行大面積加炮,由于算法的問題產生大量的冗余炮點,導致觀測系統屬性不均勻,造成對采集資源的浪費。

針對大型城礦區地表障礙物密集導致觀測系統實施難度大的問題,基于KLSeisⅡ軟件,研發了“地震采集工程實施模擬系統”,提高了炮點預設計的精度。在此過程中,一是提出了“就近+互補線”自動偏點方法,即按照“波場均勻性采樣”原則,首先沿當前線就近偏移,然后再沿互補線就近偏移炮點,最大程度保持偏移距均勻分布,面元屬性均勻性明顯提高;二是提出了基于“貢獻度”的炮點輔助加密方法。根據面元屬性信息缺失情況,反向設計炮點位置,有效減少了炮點的冗余量,最大限度地降低加炮率。由圖4可見,與目前主流設計軟件偏移結果相比,本技術采用的軟件偏移炮點后觀測系統屬性更加均勻。

圖4 研發軟件與主流軟件偏移效果對比Fig.4 Comparison of deviation effects between programming software and mainstream software

3.1.2 基于PPV的激發參數設計技術

復雜障礙區施工時,激發產生的地震波可能會對炮點周邊建筑物、地面設施造成損壞[11-13],一直以來也是業界的施工難題,該技術首次在國內開展了炸藥震源、可控震源不同激發參數的PPV(PPV,Peak Particle Velocity,質點震動速度)測試。測試的儀器由記錄儀和SIGMA節點儀器組成,同時采用三分量檢波器接收,按著測試方案中距離的要求同時擺放多個檢波器,將PPV記錄儀放置在其中一個三分量檢波器上,通過PPV記錄結果與三分量檢波器采集結果的標定,使PPV野外試驗工作量大大減少。通過PPV測試,可以得出激發參數、炮點與建筑物距離、地表建筑物運動參數之間的關系曲線,對照《中國地震烈度表》和《建筑抗震設計規范》,即可選擇合適的激發參數,確保安全施工。

3.1.3 “節點+有線”聯合采集技術

目前“兩寬一高”地震采集技術已成趨勢,然而復雜的地表條件凸顯了有線儀器在“兩寬一高”應用中的局限性。反觀節點儀器具有輕便、通過能力強的特點[14],能夠很好地解決城市由于障礙物眾多,有線排列繞道多,占用設備資源量大,布設困難等難題。因此有線儀器和節點儀器混合接收,可以充分集合有線、節點儀器的優點,使得地震數據采集施工更加靈活,具有較為明顯的技術優勢:大型城礦區三維采用“節點+有線”聯合采集技術,城礦區內地表復雜區布設節點,地表通過能力強,方便施工;城礦區外地表簡單區布設有線排列,監控背景噪音,提高資料品質,該技術有效解決了有線儀器在城礦區施工占用設備資源量大、布設困難、生產效率低等難題。

3.2 深潛山地震勘探技術

3.2.1 “兩寬一高”與激發參數優化技術

超深潛山勘探目的層可達5 000 m以上,波場復雜,內幕斷層難以準確歸位。以華北探區楊稅務潛山為例,其潛山內幕埋藏深度大,達到了6 000 m左右,且楊稅務潛山帶位于廊坊城區,地表施工環境極其復雜,鑒于復雜的地表、地下條件,需要較高采集密度和覆蓋次數壓制干擾,提高資料信噪比,因此采用“加寬排列片、加密接收線、加大排列長度”等方式,實施過程中,物理點的選擇按照城區道路上采用震源激發,城中空地、城區外圍采用井炮激發的原則進行,即廊坊城區的炮點距由50 m加密到25 m,接收線距由200 m加密到100 m,確保觀測系統屬性的均勻性及資料品質,保證了楊稅務潛山及內幕資料的精確成像。廊坊城區設計覆蓋次數達到800次,覆蓋密度達到128萬次/km2,重點勘探目標的橫縱比達到0.9以上,實現了高密度、寬方位采集,有利于提高深潛山及內幕地震資料的信噪比及成像精度,滿足OVT(Offset Vector Tile,OVT)域處理、疊前深度偏移、AVO(Amplitude Variation with Offset,AVO)含油氣檢測的需求。

3.2.2 OVT處理技術

針對奧陶系非均質性充分利用“兩寬一高”大數據在OVT域進行處理工作,其中在OVT域處理環節,首次應用五維數據規則化,可消除城區變觀引起的炮檢距不均,并保留了方位角信息,具有更高的保真度,OVT域處理成果可以為楊稅務潛山奧陶系開展各向異性特征分析或非均質性儲層預測工作提供多維地震成果數據。

3.2.3 多尺度網格層析建模技術

針對潛山及內幕速度建模難度大的問題,開展多尺度速度建模攻關研究,即通過大尺度沿層模型優化控制速度背景趨勢,通過井約束速度調整,進一步提高井旁速度精度,小尺度多方位網格層析修正層間速度細節,具體思路如下:與地質人員緊密結合,從建立地質層位模型入手,不斷地優化修改層速度,并充分利用鉆井信息進行約束,通過網格層析成像技術完成整體的速度建模,為深度偏移建立良好的基礎。

3.2.4 多維解釋技術

該技術直接利用蝸牛道集為數據基礎,在多維道集柱狀顯示的(圖5a)基礎上,抽取并分析方位角道集和偏移距道集的各向異性特征,進而對道集振幅切片和時差切片進行解讀,進一步預測儲層的各向異性強度,并繪制裂縫玫瑰圖。沿層提取的道集振幅屬性和時差屬性有明顯的各向異性特征(圖5),將振幅和時差的變化分別編制時差屬性玫瑰圖(圖6c)和振幅屬性玫瑰圖(圖6d),實現了裂縫方位的定量預測。

圖5 道集柱狀顯示及方位角和偏移距道集各向異性特征Fig.5 The columnar display of gathers and the anisotropic characteristics of azimuth and offset gathers

圖6 道集同相軸自動追蹤的時差及振幅平面Fig.6 Time difference and amplitude plane diagram for automatic tracking of event events in gathers

3.2.5 基于聲波時差測井資料的地層層速度校正技術

目前國內外時深轉換常用的方法是層位控制法、時深關系法。二者均忽略了因內部地層巖性、密度、埋藏深度等影響,無法精確描述層速度的縱、橫向變化[15-17]。該技術利用單井各地層的平均層速度,求取各層平均層速度與測井層速度的比值作為校正因子,對原始聲波時差測井曲線進行校正;然后利用校正后的單井層速度曲線進行速度建場得到層速度體;最后利用其結果對目的層位進行時深轉換,提高了井間層速度預測精度,誤差小于1 %。

3.3 高阻抗體覆蓋潛山地震勘探技術

3.3.1 基于多道匹配追蹤的近地表Q值反演及三維Q場建立技術

2010年 Wang 提出了多道匹配追蹤算法,在多道模式下實施匹配追蹤算法,以利用地震同相軸的側向連續性,并且其間壓制噪聲在分解中的影響[18]。但在Wang的方法中,每次迭代提取的子波原子是被組內L個相鄰地震道數據所共享的,雖然對應于組內的每一個地震道的提取原子都有相應的振幅參數,但是每道提取的子波原子的其他參數是完全相同的。這會導致不同的地震道的數據之間的差異性消失。

該技術對MCMP(MCMP:Multi Channel Matching Pursuit,多道匹配追蹤)算法進行了改進。改進的算法獲取的時頻原子不僅包含利用相鄰地震道同相軸的側向連貫特性,而且還能適應地震道間不同的個性性質。改進的算法共需要四步:①對組內的平均地震道,并采用常規匹配追蹤預算出一個匹配時頻原子的參數;②采用多道模式來改進原子的參數;③根據每個地震道的個性特征來調整,得到適合于各地震道的時頻原子;④計算每個地震道提取的原子的振幅值。

圖7 多道匹配追蹤時頻分解的流程Fig.7 Flow chart of multi-channel matching pursuit time-frequency decomposition

圖8 使用改進的MCMP 算法對合成剖面的重構結果和殘量Fig.8 Multiple use of improved MCMP algorithm for reconstruction results of composite profiles and residual

利用改進的多道匹配追蹤算法對處理地震數據有很多作用,如圖7所示,可以根據多道匹配具有抗噪的能力來做去除隨機噪聲的處理,也可以與 Wigner-Ville 分布聯合來求取高分辨率時頻譜,也可以來提取頻率屬性。其中WVD是魏格納-維爾分布。即,Wigner-Ville Distribution。

如圖8所示,使用改進的 MCMP 方法重構的剖面效果較好,在殘余剖面中基本只剩下隨機噪聲,不含任何有效信號。完成基于改進的多道匹配追蹤的近地表地震信號的時頻分析后,進行基于近地表地震信號的時頻譜,逐點、逐炮進行近地表反演Q值(Q值,品質因子),隨后將工區所有表層調查控制點反演的Q值進行合并,形成全區統一Q值數據體。結合近地表速度和地層結構,建立三維Q值模型。

3.3.2 多期次三維空變時差校正技術

由于同一區塊不同期次采集三維由于采集年度跨度大,地表潛水面及低降速帶變化較大,導致同一區塊不同位置的兩套資料時差校正量不一致。以往融合處理利用質控線互相關法求取平均校正時差,按照同一時差值進行校正,難以實現所有CDP(CDP,Common Depth Point,共深度點)點位的準確時差校正,導致融合結果資料子波一致性差,信噪比降低[19-23]。

針對連片融合處理單一時差校正存在的不足,采用基于空變的時差校正技術,提高子波一致性,進一步提高資料信噪比,本技術主要實施步驟分為兩步:

1)互相關網格化時差調查:根據實際情況選取調查網格,構造變化劇烈時,采用100 m×100 m網格,構造變化平緩時,采用200 m×200 m網格,利用不同期次疊加地震道開展互相關時差調查分析,形成時差調查統計表;

2)克里金時差插值及校正:利用克里金插值技術將第一步形成的時差調查結果按三維處理面元生成每個CDP點的時差校正量,形成三維空變靜校正量庫。

應用插值得到的不同的靜校正量庫對校正好的不同期次的資料進行疊加檢查,應用后,融合區空變時差問題得到完全解決,子波一致性得到改善,信噪比顯著提高。

3.3.3 TTI各向異性疊前深度偏移技術

該技術采用處理解釋一體化運作模式,處理與解釋相結合,充分利用地質解釋的層位建立時間域實體模型,并根據地質解釋層位、近地表調查資料及測井速度約束速度變化趨勢。盡量提高用于疊前深度偏移速度分析的疊前道集信噪比,以提高層速度反演的精度,使用疊前時間偏移速度建立初始的深度偏移速度場,再用沿層層析迭代偏移速度場。在進行速度模型迭代時,采用基于模型的層析成像反演法,逐層更新速度,在確保第一層的速度基本準確后再開始下一層,直到得到最終速度場,同時在模型優化過程中充分利用測井資料來約束速度場。在沿層迭代的層速度場的基礎上進行網格層析處理,進一步地優化層速度模型,得到各向同性速度模型。利用井震誤差求取delta 和epsilon并進行迭代,求得VTI各向異性參數,然后利用地震資料,提取出地層傾角和方位角信息,再結合各向同性速度模型求得各向異性速度模型,最后進行TTI各向異性疊前深度偏移。

3.3.4 地質統計反演及疊前裂縫預測技術

華北探區楊稅務潛山奧陶系儲層橫向變化快、連通性較差、儲層非均性強,因此針對楊稅務潛山及潛山內幕儲層預測及含油氣檢測工作,結合了構造演化特征及儲蓋組合研究,以高品質地震資料(含OVT處理資料)為依托,在精細潛山層位解釋基礎上,結合已鉆井情況,開展地震屬性敏感參數分析,優選預測方法,針對潛山及內幕主要目的層,開展精細地震屬性分析、地震反演,預測潛山及內幕有利儲層發育區,同時以錄井油氣顯示為線索,通過測井與地震資料有機結合,提取適合含油氣性檢測的敏感參數,開展小時窗的含油氣檢測(如圖9的AVO檢測、衰頻分析等)。該技術研究主要針對巖性和裂縫兩種控制儲層的因素,多種技術手段并用,包括疊前反演、神經網絡反演、地震屬性、五維數據解釋、數值模擬等,預測了巖性和裂縫發育情況。

圖9 楊稅務潛山亮甲山組AVO油氣檢測平面Fig.9 AVO oil and gas detection plan of the Liangjiashan formation in Yangshui buried hill

3.4 巨厚火成巖覆蓋區提高信噪比勘探技術

3.4.1 “兩步法”地震—非地震聯合靜校正技術

華北探區二連盆地烏蘭花凹陷地表存在大面積的高速火成巖覆蓋區,資料信噪比極低,靜校正問題成為提高信噪比的關鍵。以往的折射、模型、層析等靜校正方法能解決高速出露地層靜校正問題,但針對高速火成巖覆蓋地表的靜校正效果差,原因在于這種高速火成巖出露地表與常規的高速老地層出露地表是兩種截然不同的靜校正問題。二者相同點在于均為高速出露地表,而不同點在于前者下伏有低降速層,后者下伏沒有低降速層。

通過分析認為,同時消除地表高速火成巖及下伏的低降速帶對地震波旅行時的影響是解決該區域靜校正問題的關鍵,因此,本次技術研究轉變以往靜校正處理思路,將靜校正問題分解為兩部分,即地表高速火成巖部分和下伏低降速帶部分,采用“兩步法”地震—非地震聯合靜校正技術解決地表高速火成巖覆蓋區靜校正難題。

首先,利用該區非地震勘探成果-地表火成巖厚度數據,結合地震單炮高速直達波速度,對地震數據進行炮檢點時差校正,將原來山上激發接收的數據近似轉變為山底激發山底接收的數據。然后,對校正后的數據進行初至拾取,此時要避免拾取高速直達波的初至信息,層析反演,計算轉化后數據層析靜校正量,進而實現了第二部分的校正。如圖11所示,在“兩步法”地震-非地震聯合靜校正技術基礎上得到的攻關處理成果較老成果改善明顯,為該地區靜校正問題久攻不破的局面取得了突破。

圖10 高速火成巖出露地表近地表結構與高速老地層出露地表近地表結構對比Fig.10 Comparison between near surface structure of high-speed igneous rock exposed surface and near surface structure of high-speed old stratum exposed surface

圖11 新老疊前時間偏移成果對比Fig.11 Comparison of new and old PSTM

圖12 線性噪聲全方位識別壓制示意圖Fig.12 Schematic diagram of linear noise omnidirectional recognition and suppression

3.4.2 360全方位噪音壓制技術

火成巖覆蓋區噪音嚴重,該技術充分分析并利用原始資料中不同類型干擾波的振幅、頻率、相干性等與有效波在時間、空間上的差異,在保幅保真的前提下,采用疊前多域多方法的系列去噪技術,壓制干擾波,提高資料的信噪比。如圖12所示,該技術利用了數據寬方位采集的特點分別在炮域檢波線方向、檢波點域炮線方向對其進行了識別壓制,并取得了很好的效果。

4 應用效果

截至2019年,斷陷盆地復雜地表區潛山地震勘探技術研究成果已在華北探區冀中坳陷、二連盆地9個三維地震采集項目中推廣應用,應用成果顯示復雜地表區潛山勘探地震資料頻寬拓展了10～15 Hz,地震成果資料信噪比提高了2倍,如圖13所示,復雜潛山及內幕深度偏移成像精度顯著提高,潛山面埋深3 000 m以淺誤差小于0.7%,3 000 m以深誤差小于1 %。

基于以上技術應用,華北探區潛山圈閉落實程度得到了提高,非均質儲層預測符合率達到79.5 %;落實圈閉20個,面積200 km2,提供并采納井位15口,探井成功率達65 %,助推華北探區楊稅務-泗村店潛山、束鹿斜坡帶、烏蘭花凹陷、巴彥河套盆地地區等多個潛山勘探領域取得突破[24]。

圖13 復雜地表區超深潛山及內幕新老成果剖面對比Fig.13 Comparison of ultradeep buried hill and insider new and old achievements sections in complex surface areas

圖14 束鹿凹陷潛山頂面新老構造圖對比Fig.14 Comparison of new and old structural maps on the top of buried hill in Shulu depression

5 結論

1)依托于“采集、處理、解釋一體化”技術系列的斷陷盆地復雜地表潛山地震勘探技術,可有效解決華北探區大型城礦、深潛山、高阻抗體覆蓋潛山及巨厚火成巖覆蓋區資料信噪比低、成像精度低等問題。

2)高精度三維地震資料是潛山高效勘探突破的保障。通過利用高精度地震資料,精細落實潛山結構,準確預測潛山內幕有利儲層,提高深潛山鉆探成功率。

3)復雜地表區激發點優化技術、多道匹配追蹤近地表Q值反演及三維建模技術、多期次三維空變時差校正技術、地震與非地震聯合“兩步法”高精度靜校正技術、基于聲波時差測井資料的層速度校正等斷陷盆地復雜地表潛山地震勘探配套技術,提高了復雜潛山及內幕深度偏移成像精度、非均質儲層預測符合率。

4)“十三五”期間,斷陷盆地復雜地表潛山地震勘探技術為保障華北探區持續“增儲上產”做出了突出貢獻,隨著成果認識的不斷刷新、勘探技術及儀器裝備的不斷提高,該項配套技術將在“十四五”期間為華北探區油氣穩步增長,保障能源安全中發揮更大的作用。