渤南洼陷井-震速度误差分析和速度模型的建立及应用

罗胜元，何 生，宋国奇，王永诗，郝雪峰，张君立

(1.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉430074;2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司，山东东营257015)

速度是油气勘探地质研究最重要的信息之一，在地震资料变速成图、时深转换、偏移处理、反演成像及构造分析、岩石物性研究和含油气性预测方面都至关重要[1]。常用的地质速度包括声波测井、VSP测井、井间地震等井孔速度和地面地震速度，对于相同的地下地质体目标，井孔速度和地面地震速度测量的大小经常存在不可忽略的差异[2-3]。这与不同类型速度资料的观测手段和尺度、数据采集-处理-解释、声波传播空间、干扰波类型、能量吸收和衰减、速度场精度等多种因素有关[4-5]。地球物理学家对复杂地层介质条件下提高速度精度的分析方法和处理技术做了大量研究[6-8]，对降低由于数据采集和处理方式不同而产生的速度误差有很好的效果。针对井、震速度的匹配处理问题，前人提出了适用于不同情况的校正方法，包括：①经典的闭合差校正法[9]，需要有零偏VSP测井数据;②基于杨氏谐振Q模型的频散匹配法[10]，对速度闭合差为正偏差应用效果较好;③基于多分辨率的测井重采样校正方法[11]，对测井速度资料精度要求高，且需要制作准确的合成记录;④基于最小二乘原理的滤波匹配法[9]等。渤南洼陷的研究表明，井、震速度误差并非是简单的正偏差，而会随深度变化至负偏差。这一现象说明，频散现象并非井、震速度误差的唯一因素，这也对速度量化校正提出了技术挑战，制约着研究区不同尺度速度的联合应用。

渤南洼陷经历多年勘探，已全面进入以寻找微幅度构造圈闭和岩性圈闭为主的隐蔽油气藏勘探阶段，高精度速度场的应用是准确落实隐蔽圈闭构造形态以及岩性研究的必要条件。我们利用叠前时间偏移处理获得的地震速度，以VSP井孔速度为基准，比较了井孔速度和地震速度的差异，从地层介质的固有各向异性、诱发各向异性以及速度弥散的角度解释了井、震速度间的“剪刀差”现象;在此基础上对叠前偏移地震速度谱做了闭合差校正，从量化角度表明了井、震速度在趋势上的差异性和一致性。

1 区域地质概况

研究区位于沾化凹陷西部，包括渤南洼陷和四扣洼陷，属于沾化凹陷中的次级负向构造单元，是地层埋藏深度最大的次级洼陷。渤南洼陷为典型的伸展型洼陷，受西部义东断层、北部埕南断层和东部孤西断层强烈活动影响，断层下降盘剧烈沉降形成四扣洼陷和渤南洼陷，南部陈家庄凸起形成具鼻状构造的缓坡带，在两个洼陷间形成自罗家鼻状构造延伸下来的近南北向伸展的中央背斜构造带。该区断裂带走向为东西和北东向，数量众多，几乎贯穿整个新生界地层，断层剖面呈典型的犁形，新近系倾角可达60°～70°，进入古近系和基底后倾角变缓，为15°～20°。在演化期间受构造沉降、气候、沉积物供给等因素变化的影响，主要沉积了中、新生代碎屑岩地层，洼陷新生界最大沉积厚度达5.6km，地层自下而上依次为古近系、新近系和第四系。

研究区河口-陈家庄连片地震工区位于沾化凹陷西部，覆盖渤南-四扣洼陷(图1)。工区面积为1432.7km2;地震资料面元尺寸为25m×50m;覆盖次数为40次;最大炮检距为2000m;叠前偏移速度谱点约3400个;记录总长度为6000ms;采样率为2ms。三维地震资料在Inline和Crossline上速度谱点的纵、横向空间采样间隔分别为0.75km和1.00km。渤南洼陷有相当数量的钻井完钻，大部分井都进行了系列测井，并且积累了较多VSP速度测井资料。研究区丰富的地震、测井和测试资料，为高精度速度分析和速度场的建立提供了很好的基础条件。

图1 渤南洼陷VSP井位、地震速度谱点和AB测线分布情况

2 井、震速度比较与分析

油气藏勘探过程中获取速度信息的手段有很多种，常用的地质速度可以分为3类：①实验室测量的岩石样品速度;②井孔速度，包括VSP速度、井间地震速度和声波测井、偶极横波测井等获取的声波测井速度;③地震资料处理分析获得的速度。为了分析与比较常见地质速度间的联系与差异，首先简要介绍渤南洼陷叠前偏移速度的获取处理，然后提取并分析多尺度的地球物理资料的速度信息，以量化揭示研究区不同地质速度在趋势上的一致性和本质上的差异。

2.1 叠前偏移地震速度获取

常规的叠加速度处理虽简便易行，但在消除随机干扰和局部噪声干扰的同时，也压制了与这些噪声相同波长范围内有效的速度信息，实际改变了速度的变化趋势。地震偏移处理可以使绕射波收敛，将地下界面的地震反射波归位到实际的空间位置，最终得到反映地下界面形态的真实地震图像。与常规叠加时间偏移剖面相比，叠前偏移可以提高陡倾地层的成像质量，反映丰富的构造细节[12]。对于中、浅层地质条件相对较好而深层构造复杂的地区，如我国东部渤海湾盆地、西部的塔里木盆地，应用叠前偏移技术的条件已比较成熟[13]。

渤南洼陷常规地震偏移处理得到的资料主要存在两个方面的不足：一是二级断裂带普遍不清，如埕南大断层的断层面位置模糊，反射波场复杂，难以准确刻画断裂分布和结构特征，断层交互切割导致下盘砂砾岩体外形和内部结构无法分辨;二是地下深层地震反射波能量弱，中、深层成像差。研究区大部分常规地震偏移剖面上沙四段顶界(T6)下部的同相轴连续性差，层位难以追踪对比，导致深部地层认识程度很低。实际资料显示渤南洼陷北部构造破碎、断裂系统发育、断层倾角大，但地层连续可分辨、速度横向变化趋势平缓，适宜采用叠前时间偏移处理。

本文研究采用广泛应用于实际地震勘探中的流程来建立叠前偏移速度场，从建立时间域模型开始，对工区内所有的二维测线模型层位从浅至深进行并列处理，其关键环节有叠前去噪、振幅补偿、反褶积、静校正以及偏移速度分析与成像效果校检等。以下论及的地震速度即指叠前时间偏移地震速度。

2.2 不同尺度速度的比较与误差分析

测井时差、VSP、井间地震和地面地震资料从不同尺度反映地下目标体的性质，由这些不同地球物理资料得到的速度信息也呈现各自不同的特点。声波测井系列获取的速度理论上更接近真实地层速度，但声波测井通常受测井仪器、井径变化、岩性厚度、泥浆侵入、油气层显示等多种不确定因素的影响较大。尽管这些因素可以通过增加激发、接收仪器，改变观测方式得到一定程度的补偿和校正，但误差仍难以消除。VSP测井通过上行波或下行波贴近研究地层，通常认为具有高于地面地震的准确、直接的储层介质描述能力(速度、吸收衰减、VTI各向异性等)，基本上代表了地质条件下的真实速度。地面地震资料连续性好、分布范围最广，但受记录频带的限制，地震资料处理获得的速度纵向分辨率远低于井孔速度。速度场建立的主要资料来源于地震资料叠加速度谱，通常将井孔速度作适当处理(基准面校正、中值滤波、重采样等)，作为速度横向变化的控制点来约束地震速度。

图2给出了XBS1井、Y172井、L152井、Y942井和YS10井(5口探井的井位见图1)的井孔测量速度时差和井旁地震速度谱速度换算的时差随深度变化情况。由图2可以看出，5口井井孔速度的变化幅度和趋势基本相同，仅个别点变化不一致：VSP层速度反映的是大套地层的速度，具有很好的分段特征;声波测井速度对薄夹层、特殊岩性的探测更敏感、准确；地面地震速度分布比较稀疏，垂向分辨率不够，地震层速度与井孔速度存在细节偏差，但在地层达到一定厚度时两类速度的变化趋势相似。从图2中还可以看出，浅层通常表现出井孔速度大于井旁地震层速度，中、深层则正好相反。速度分析的误差与地层的厚度有关，地层厚度越小，速度转换误差的放大效应越明显。这种不同速度间的“剪刀差”现象在我国琼东南盆地[3]、渤海湾盆地[14]均有发现，其本质与介质的各向异性和速度弥散效应有关。

图2 单井泥岩测井声波时差、VSP层速度和井旁地震层速度换算的时差对比关系

2.2.1 介质各向异性

声波测井测量的是沿井壁方向传播的滑行波，得到的是地层的垂向速度。VSP测井获得地面震源到井中观测点的旅行时，然后换算成垂直方向上的旅行时间，求出的层速度除取决于地层垂向速度外，还与震源距井口的距离(井源距)有关[15];实际上VSP测井的井源距都不大，因此VSP层速度稍大于垂向地层速度，而小于水平速度。地震波射线有入射角，且入射角随深度的增加逐渐增大，地震波传播方向与地层斜交甚至沿层理方向。综上所述，井中速度测量得到的是垂向速度或近似垂向速度，而由地面地震资料得到的是水平速度。对地层不同方位的速度测量表明，垂直地层方向的速度通常比水平速度低，这与弹性介质的各向异性性质紧密相关[16-18]。

弹性介质的各向异性包括岩石的固有各向异性和诱发各向异性[19-20]。固有各向异性由弹性性质相差大的薄层(沉积层尺度大于地震波长)及细长碎屑颗粒、孔隙的结构排列方向引起[17,20]，除薄互层外的大多数储层可近似认为具有横向同性性质，由于压实作用，固有各向异性实际表现为纵向上的压实渐变。诱发各向异性与优选排列的裂缝和微裂隙相关，理论研究和物理试验均证明诱发各向异性对声波传播特征有重大影响[21-22]。分析表明，本研究区储层各向异性主要表现为：①在2200m浅部，地层以机械压实为主，碎屑颗粒多呈悬浮状、点状接触;孔隙压实速率高，孔隙度基本大于20%，且相互间是连通的，孔隙纵横比小;总体上地层固结程度差，各向异性较弱，对地震波能量吸收较多。②2200m以下的地层以化学压实(溶解和胶结)为主，随着上覆压力的增加，颗粒之间受挤压而以线状至凸凹接触为主;孔隙压实速率变慢，孔隙度低，且很多孔隙是不连通、随机分布的;岩石骨架构成了连续相，总体固结程度高，表现出频散弱、各向异性强的特点。③2200m以下地层存在显著的诱发各向异性，前人相关研究成果[23-24]和现场岩心观察结果均证实，渤南洼陷深层裂缝较发育，泥页岩裂缝带发育深度为2500～4000m，深层微裂缝以平行层理为主，还可见高角度裂缝，局部速度的降低明显与裂缝的存在有关。

2.2.2 速度弥散

速度弥散指地震波速度随频率变化导致地震波出现频散的现象[19]，通常用超声频率和零频率间的波速差代表弥散的数值大小。常规声波测井频率大于10kHz，最高达30kHz;地震波的频率一般小于100Hz。两种波频率至少存在1000倍的差异(图3)，导致对同一套地层测量的速度不同，与低频的地震速度相比，测井频率下测得的速度稍高。至今，包括使用显式外推算子的叠前偏移等速度处理过程都忽略了地震波的速度弥散。速度弥散的大小很难准确评估，已有的研究表明[19,25]，浅层或低应力条件下，零频率和超声波频率测量的速度误差在10%左右，在反射时间T0为1.0～1.5s时，速度间的相对误差最大可达15%左右;当埋深加大或应力继续增高时，速度弥散减小到百分之几。

图3 不同类型速度资料的地层尺度与频率关系示意图解

图4为渤南洼陷东部GD286井直达波振幅衰减曲线与VSP层速度对比。该井为零井源距VSP测井，震源的激发一致性很好，地震波(主要是下行直达波)振幅的变化基本上反映了地层的吸收规律。由图4可见，振幅衰减曲线与VSP层速度的变化有对应关系，直达波振幅随深度增加逐渐衰减，层速度随深度增加呈逐渐增大趋势;浅层层速度低，地层对地震波的吸收作用大，地震波振幅衰减快;深层层速度高，地层对地震波的吸收作用小，振幅衰减慢。对振幅衰减曲线做指数函数拟合，可以得到直达波振幅随深度变化的拟合曲线，该井区振幅衰减系数为0.0214，拟合公式相关系数较高。单井VSP求取的一维大地吸收衰减对研究地面地震衰减也具有指示作用。研究区地面地震记录的频带宽度为20～100Hz，主频为40Hz;而VSP测井记录的频宽为10～150Hz，主频约为60Hz。可见，与地面地震资料相比，VSP测井资料具有更多的高频成分和更宽的频带范围。

图4 渤南洼陷GD286井直达波振幅变化和VSP层速度变化对比结果

地层介质各向异性和速度弥散可以很好地解释井孔速度与地震速度随深度变化的“剪刀差”。在浅层，速度弥散起主导作用，地层介质各向异性不明显。由于浅部地层固结程度差，对地震波吸收系数较高，速度弥散强，高频的测井速度较低频的地震速度高。深层地层对地震波的吸收作用小、速度弥散弱，介质各向异性造成的速度差值大，能抵消甚至超过速度弥散造成的速度差。深层介质各向异性主要是由于具有入射角的地震射线速度大于零入射角井孔速度测得的垂向速度。从以上分析还可以看出，深、浅层不同频率间速度差异的主控因素不同，因此在进行速度分析时，对主、次要地质因素作有区别的处理是有必要的。

3 研究区三维速度场建立

3.1 叠前偏移速度的闭合差校正

速度的闭合差是指不同频率的声波对同一地质界面的旅行时间差值，基本表达式为

(1)

其中，ΔT(ω)为某深度处的闭合时间差;ωc为声波参考频率(一般为低频声波);T(ωc)为参考频率声波单程旅行时;ωi为高频率声波的频率值;T(ωi)为高频声波单程传播时间。

前文对速度的比较分析表明，地震速度能很好地控制区域速度横向与纵向的变化，但与井孔测量得到的层速度相比存在误差，需要对叠前偏移速度进行校正。VSP垂向测井获得的层速度精度最高，且与地面地震反射波法的频带基本一致，通常可用来标定其它地质速度[26]。图5为采用多项式回归计算图2所示5口单井的VSP层速度和井旁地震层速度的差值随深度变化的情况，由此建立全区统一的速度校正方程为

(2)

其中，H为地层埋深(单位为m);Δv为VSP层速度和速度谱层速度的差值(单位为m/s)；R为拟合相关系数。在0～5000m深度范围内，速度校正量Δv基本为-500～300m/s。

原则上应该逐点建立每口井的回归方程，然后采用平面网格化插值的方法，得到每个速度谱点的速度校正量。以叠前深度偏移速度谱为基础，结合计算的速度校正量，获得了每个网格节点的地震层速度。所建立的速度校正量版可以有效减小VSP速度与速度谱速度之间的“剪刀差”。以VSP层速度为标准，对校正后的井旁地震层速度作误差分析，井旁地震层速度换算的绝对误差不超过7.5%，表明在稀井条件下利用该校正方法提高了地震层速度的精度，且地震速度点覆盖面积大，能够更加客观地提供全面和丰富的纵、横向速度变化信息。

图5 5口单井VSP层速度与井旁地震层速度的误差与深度关系

3.2 高精度三维速度场建立

综合利用地震速度谱数据、VSP和声波测井资料可以建立高精度的三维速度体。叠加速度场在平面上分布均匀密集，纵、横向的变化是地下地质情况的综合反映。以叠前时间偏移速度谱为基础，运用上述速度校正方法，由三维空间速度体可以获得全区平均速度、均方根速度、地震层速度等三维数据体。建立全区速度模型时，采用空间反距离加权法对离散数据进行空间网格插值，运用Petrel油藏综合描述软件，建立了渤南洼陷三维空间的层速度、叠加速度等数据体(图6)。利用这些三维速度数据体，可以沿层提取各个反射层的速度数据，还可以了解研究区0～5000m深度范围内任意一点、任意测线的速度信息。

图6 渤南洼陷地震层速度三维数据体模型及其切片a 三维数据体展示的949测线剖面; b 栅状三维地震层速度数据体; c 地震层速度大于4500m/s的空间分布; d 地震层速度数据体4000ms反射时间水平切片

根据层速度的分布范围，可识别出两类不同的速度区域，分别是在洼陷周缘和若干凸起区发育的高速异常区(4000～5500m/s)和洼陷内部广泛发育的低速区(2700～3300m/s)。研究表明，低速异常区的范围长20km，宽16km，厚度至少2km;低速区范围与盆地内部储层分布、地层压力等因素密切相关。

4 速度数据体应用示例

实际工作中，利用地震波速度探测与岩石内部结构有关的地质信息是一种最为便捷和有效的方法。国内外学者在研究岩石的波速变化规律与地层参数的关系方面做了大量工作，建立了岩石物理参数与速度间直接或间接的相关关系，取得了很多有价值的成果[19-20]。获得三维速度数据体后，能够间接求取出地层的泊松比、杨氏模量、压缩模量等岩石弹性参数，这些参数可识别地层岩性、估算砂泥岩百分比、地层密度、孔隙度、裂隙分布、流体类型以及地层流体压力和破裂压力等油藏描述信息。

4.1 地层密度预测

沉积岩中地震波速度与岩石密度关系密切，密度预测的应用十分广泛。在合成地震记录过程中可用来代替缺失的密度、声波测井曲线;在不准确的测井区段，可相互转换来评价测井质量;可定量分析地震振幅变化来研究孔隙度的变化;可由纵波速度估算横波速度来作AVO分析;还可以识别远

景区的岩性分布。我们基于实测的地层密度与速度资料建立起两者间的关系，应用经校正的地震速度可以预测全区地层密度。

在渤南洼陷不同构造位置的若干口井中选取了古近系岩心样品110块，样品深度为1439～4671m，分属于馆陶组、东营组和沙河街组，所选砂岩样品粒径基本一致，具有较宽的孔隙度(2%～36%)、渗透率(9.87×10-6～302022.00×10-6μm2)和泥质含量(小于50%)物性变化范围，分别测试了不同流体饱和状态下岩样的纵、横波速度和密度及速度衰减等岩石物理参数。

渤南洼陷实测岩石纵、横波速度与地层密度的关系如图7所示，可见速度与密度之间存在很好的正相关关系，随着埋深的增加，纵、横波速度均随岩石密度的增加而增大。不同深度段岩石密度-速度变化趋势不一致，浅层岩石密度变化大，而速度基本保持稳定;深层岩石密度增加的趋势变缓，速度增加的趋势变快。这从另一个侧面证实了2.2节中介质各向异性的影响和速度弥散效应：浅部地层孔隙度大且呈指数迅速减小，导致岩石密度迅速增大、声波速度基本稳定;深层有效应力起主导作用，岩石密度缓慢增大、声波速度迅速增大。

图7中还给出了不同曲线的拟合结果，根据实测数据拟合出了适用于本区的纵波速度-密度经验公式①，与被广泛应用的Gardner经验公式[27]相比，转换式②过高地估计了研究区浅层密度值;横波的指数拟合结果③同样表现出浅层误差大的特点，而横波的多项式拟合④效果较好，相关系数高。根据全区的速度分布特点，应用纵波速度-密度拟合公式可以预测全区地层密度的分布特点。以图8 所示的AB测线为例，该测线位于洼陷中部，由南向北过陈家庄凸起、洼陷缓坡带、深洼陷区和埕东凸起(图8a);测线上新近系和古近系地层反射时间最大在3.5s内(图8b)，转换成深度约为4700m;图8c为南北向AB测线预测的地层密度展布情况，洼陷两侧凸起处中生界地层密度基本大于2.7g/cm3，向洼陷内地层密度减小。由于渤南洼陷缓坡深层3.2～4.0s反射时段存在异常地质体(图8中下方椭圆所示部分)，具有反射界面清晰、波组特征保持完好的特点，密度预测结果表明该异常地质体具有高地震速度、高地层密度的特点。

图7 渤南洼陷饱和流体岩石样品纵、横波速度与密度关系

图8 渤南洼陷南北向AB测线层速度剖面及其地层密度和压力预测a 地震剖面; b 层速度; c 地层密度; d 地层压力系数

4.2 地层压力预测

岩石越致密、地层埋深越大，地震波的传播速度越高，超压地层中通常表现出孔隙度偏高、地震速度偏低的特点[28-29]，这就是利用地震波速度预测地层压力的理论基础。利用校正后的三维地震叠加速度资料，根据Fillippone经验公式可以直接计算地层压力。改进后的Fillippone公式为

(3)

其中，P为地层压力(单位为MPa);vi为第i层的层速度(单位为m/s);vmax和vmin分别为最大和最小层速度(单位为m/s);D为深度(单位为m);ρ为地层密度(单位为g/cm3)。

利用经VSP校正的叠前偏移速度，对渤南洼陷现今的地层压力进行计算，预测AB测线剖面的地层压力展布如图8d所示。由图8d可见，纵向上，渤南洼陷地层压力表现出“双层结构”，埋深小于2000m的浅层表现出正常压力;埋深在2500m以下的深层表现出超压状态。超压封存箱主要发育在深洼陷处沙四段和沙三中、下亚段，压力系数最大达到1.55，剩余压力最大为15MPa，超压带主体与大套泥质岩和成熟烃源岩发育带一致，表现为低速特征。由剖面计算结果还可以推测4600m之下地层超压逐渐减弱，直至地层为常压。横向上，靠近洼陷中心部位的异常压力带厚度大、强度高;向斜坡部位处的超压带厚度逐渐减小，强度减弱;凸起处变为常压。由于地震垂向分辨率的限制，地震速度估算超压的识别精度有限。本文叠前时间偏移处理获得的层速度的频率约为40～100Hz，垂直分辨率约为200ms，故所识别的超压层厚度需大于190m[30]。由于地震分辨率不足以达到区分单层岩性的精度，地震速度只能预测大规模的超压体。值得注意的是，由于渤南洼陷缓坡深层异常地质体的存在，对速度造成极大影响，致使缓坡显示出异常高压的假象(图8d中下方蓝圈所示部分)。

5 结论与认识

1) 研究区测井速度和VSP速度变化的大小及趋势基本一致。浅层井孔速度大于井旁地震层速度;中、深层正好相反。浅层速度弥散、深层介质的各向异性是导致井、震速度“剪刀差”的主要原因。浅部地层固结差，对地震波吸收衰减强、速度弥散强，使高频测井速度较低频的地震速度高;深层地面地震的射线入射角大，而测量的井孔速度基本为零入射角，所以地面地震的射线速度要大于井孔测得的垂直速度。

2) 利用VSP测井优化技术，对叠前偏移速度的局部误差作闭合差校正，定量标定后的地震速度资料可靠，误差小于7.5%。在此基础上对离散速度数据进行空间插值，获得了全区地震层速度、均方根速度三维数据体。建立的全区速度模型可从任意方向切片观察速度空间展布，直观地反映了渤南洼陷宏观地层速度分布规律。

3) 三维速度资料为研究渤南洼陷整体的地层密度、压力系数等岩石和流体参数的空间展布与结构特征提供了可能。以渤南洼陷实测岩石物理资料为基础，建立了本区的纵波速度-密度拟合关系式，应用经校正的地震速度预测了全区地层密度。利用三维叠前偏移速度资料，根据Fillippone经验公式直接计算地层压力，获取了研究区地层压力系数模型，基本反映了渤南洼陷超压的空间分布和超压的幅度范围。

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