基于地震层位约束的速度建模技术在普光气田的应用

聂法健

(中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450000)

基于地震层位约束的速度建模技术在普光气田的应用

聂法健

(中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450000)

普光气田区内海相碳酸盐岩储层构造复杂，速度建模和偏移成像存在极大困难。本文采用基于地震层位约束的网格层析速度建模技术，通过拾取速度纵向变化明显的典型地震层位，从浅至深逐层约束网格层析反演，解决纵、横向构造变化对速度反演的影响，满足复杂构造速度反演精度，为逆时偏移提供精确的深度域速度模型。通过工区实际资料应用，该技术在普光气田实施良好，精确的深度域速度模型和逆时偏移成像的实施改善了负向构造影响的问题，对低信噪比地区构造成像有明显提升，解决了盐下构造成像畸变的问题，获得较好的成像效果。

普光气田；速度建模；网格层析；地震层位约束；逆时偏移

相比时间域成像方法，叠前深度偏移成像特别是逆时偏移能够很好地解决复杂构造的成像问题。逆时偏移(Reverse Time Migration，RTM)是目前地震成像中最好的、成像精度最高的叠前深度偏移的方法[1-3]。其采用的双程波动模拟方法有完整的波动理论支持，对构造倾角、地震速度纵横向变化没有任何限制，因此可对任意复杂的地下地质构造和陡倾角构造准确成像。

但是在实际地震资料成像中，相比时间偏移和射线类深度偏移成像方法，逆时偏移并没有表现出明显的成像优势。这是由于逆时偏移对速度的敏感性要高于时间偏移和射线类深度偏移方法，当速度场存在偏差时，逆时偏移很难得到位置准确、聚焦良好的成像效果，只有速度模型精确的前提下才能实现逆时偏移的准确成像。

普光探区中深层海相地层成像一直存在较大的困难，主要原因就在于复杂的地下构造严重影响了速度建模的准确性。普光探区中深层以嘉陵江祖上部至雷口坡组下部膏盐岩为上主滑脱层，以中下寒武纪统页岩为下主滑脱层，形成了上、中、下三个形态各异、构造特征不同的形变层。受多期构造运动影响，形变层内部地层断裂扭曲严重，逆掩断裂带的存在使得高陡构造边界成像不清楚、褶皱强烈地区成像精度低、速度反演可靠性低；另外，嘉陵江组发育硬石膏岩，厚度从200 m变化到1000 m，膏岩层厚度的剧烈变化导致地震速度横向变化剧烈，更是造成了下伏构造成像困难、地层不易准确归位成像。

针对普光探区逆时偏移成像问题，本文采用一种基于地震层位约束的网格层析速度建模技术，由浅至深逐层进行速度反演，有效克服了膏岩层和复杂形变层对速度反演的影响，满足复杂构造速度反演精度，为逆时偏移成像提供了精确的深度域速度模型。

1 基于地震层位约束的网格层析速度建模技术

地震速度建模是一个多信息综合分析的过程[4-5]，首先根据普光北工区的常规时间偏移所得到的地震剖面和均方根速度模型，结合区域地质认识和测井声波速度建立初始深度域层速度模型，在此基础上进行目标线叠前深度偏移，基于道集拉平原则，采用深度偏移与网格层析反演速度建模[6-10]交替迭代的方法进行速度反演，逐步逼近最优化模型，获得合理的深度-速度模型。

1.1 层析速度反演方法原理

深度域层速度建模是以网格层析速度反演为主要核心，偏移与层析交替迭代的方式进行速度更新。层析的理论基础是Radon变换，即旅行时残差。在层析反演中，观测数据与参考模型的旅行时残差可以通过慢度残差沿着射线路径的线性积分得到，即

(1)

式中Δt——旅行时残差向量；

dl——沿着射线路径的射线段长度；

Δs——参考模型与真实模型的慢度差向量，即慢度更新量，用于进行速度更新。

采用矩形网格离散化后，可以得到层析反演公式：

LΔs=Δt

(2)

式中L——灵敏度矩阵，其元素对应于射线在网格内的路径长度。

由于层析方程具有严重的病态性，其解不具有唯一性，为了提高计算的稳定性，减少反演的多解性，需要加入正则化方法对解进行约束。加入正则化的最小二乘法求解层析反演方程组，得到方程组：

(3)

式中D——正则化算子，常用的为常规基于差分的正则算子。由于层析反演的解不具有唯一性，纯数学的正则化约束可能使反演产生目标误判，这里利用地质构造特点进行自动约束反演，所产生的速度分布自然、合理、准确，速度变化与地质构造形态变化一致，反演也更稳定。

λ——正则化算子权重。

求解方程组(3)可得到慢度的变量，加入到初始速度模型后，重新偏移就可进行下一次迭代，若干次迭代后得到最终的层析后的速度模型。

1.2 普光气田速度建模难点分析

普光气田属于典型的双复杂地震地质条件，地下构造极其复杂，全局网格层析速度建模有两大难点：

(1)横向上构造多，变化快。从地震剖面上看，横向上从西至东依次有分水岭西构造、分水岭构造、毛坝构造、大湾构造、普光东洼构造、普光主体构造，地层产状、界面形态及地层接触关系都对地层速度有明显影响，横向上发育的多期复杂构造严重影响了全局剩余曲率的自动拾取，单一的拾取参数不能适应复杂的构造变化引起的CRP道集在一定深度范围内的振幅能量变化和连续性变化。

(2)整个工区速度空变复杂，横、纵向都存在剧烈变化。从地层看，嘉陵江组是高速层，绕射强；飞仙关组也是高速层，但其反射能力很弱，波组连续性差，许多部位被上面的嘉陵江组绕射所切割；下面的二叠系速度低。这三组地层的速度关系为“高—高—低”，存在层速度倒转；波组强弱关系为“强(绕射发育)—弱(被绕射切割)—强”，存在能量分布的不均，尤其是飞仙关组到二叠系，速度由高到低变化太快，两地层紧密相连没有过渡带，这给速度建模和偏移成像带来极大难度。

图1 普光地区主测线三维地震剖面

1.3 基于地震层位约束的速度建模技术

由于本区的速度变化趋势为：二叠系以上地层的速度基本随深度增加而逐渐增大，二叠系地层速度相对于飞仙关组高速地层变低，二叠系以下超深层海相地层速度又随深度增加而逐渐增大，因此可以根据速度的两段式特点，以二叠系底为界，先后反演，解决速度由高到低变化太快的难题。

依据本区构造特点，嘉陵江组厚度变化大的膏岩层对岩下地层成像影响较大，尤其是在厚度突变点处对下伏地层成像有较大干扰，因此可以在纵向沿海相嘉陵江组膏岩底边界首先获取准确的膏岩层速度，解决膏岩层对岩下地层成像的影响。

图2 用于约束速度反演的两套地震层位

综合以上分析，解释两套地震层位约束本区地下速度反演：嘉陵江组膏岩底、二叠系底，如图2所示，由浅至深逐层反演。第一轮速度反演，以嘉陵江组膏岩底边界为约束层，反演膏岩层及以上的地层速度；第二轮速度反演，以二叠系底为约束层，反演海相高速地层速度；第三轮速度反演，以二叠系底为界面，反演其下二叠系和寒武系地层速度。

同时在横向上对分水岭西构造、分水岭构造、毛坝构造、大湾构造、普光东洼构造、普光主体构造，根据信噪比差异、同相轴连续性差异、振幅能量差异，在地震层位约束的前提下分构造区域分别定义不同的拾取参数(图3)，以适应复杂构造带拾取的需求。

图4和图5分别为初始速度模型与深度偏移和基于地震层位约束更新后的速度模型。初始速度模型较平滑，由浅至深速度值平稳增加，横向上没有剧烈的速度变化，整体没有体现出膏岩层、碳酸盐储层和复杂构造对速度的影响。三次更新后深度域层速度模型显示速度不再是由浅至深逐渐增大的趋势，而是由嘉陵江组膏岩层开始速度增加明显，嘉陵江组下出现高速地层，在地质分析中对应海相碳酸盐岩地层。在高速碳酸盐岩地层下方速度出现反转，明显低于上覆海相碳酸盐岩地层速度，在横向上三次更新后深度域层速度模型与地层构造也显示出了较高的吻合性。在图5红色箭头所示的嘉陵江组膏岩地层，相对低速和相对高速的边界正是膏岩底界面。

图3 逐层、分构造区域拾取剩余曲率

图4 初始速度模型 (L1500线)

图5 基于地震层位约束更新后的速度模型 (L1500线)

2 逆时偏移成像效果

对普光工区实施逆时偏移成像处理，对比分析普光2井线老资料成像(图6)与逆时偏移成像(图7)可知：针对前言中提出的成像问题，逆时偏移成像效果明显改善。逆时偏移对发育膏岩的嘉陵江组岩底包络刻画清晰；实现了盐下断层的准确归位，改善了对弱反射能量的成像，更易于进行构造解释和异常体识别；对断背斜成像更加合理，断点清晰；消除了膏岩层和复杂形变层上拉的影响，消除了盐下构造畸变，对深层奥陶系-后寒武系界面成像有明显改善作用。

对1557线进行局部放大，对比老资料成像和逆时偏移成像效果，如图8和图9所示，老资料对茅口(p2m)、龙潭组(p2l)地层成像时绕射波未收敛，曲界面成像不足；逆时偏移成像改善了茅口(p2m)、龙潭组(p2l)地层成像准确性，绕射波收敛，同相轴连续稳定。受负向构造影响的大湾构造长兴(p2ch)、飞仙关组(f3、f4)资料信噪比低，基本未成像；逆时偏移则在一定程度上改善了负向构造影响的问题，对低信噪比地区构造成像有明显提升，构造特征明显，负向构造影响减弱。

普光7井逆断层，目的层飞仙关、长兴组地层位于断层下降盘，未钻遇良好油气层。后设计普光7井的侧钻井普光7-侧1，目的层位于上盘，未钻遇断层，油气显示较好。原处理剖面(图10a)上断层断点不明显，逆时偏移剖面上断层断点清晰(图10b)。

图6 过普光2井主测线老资料成像

图7 过普光2井主测线逆时偏移成像

图8 分水岭构造老资料成像

图9 分水岭构造逆时偏移成像

图10 老资料(a)和逆时偏移(b)对断层的成像

3 结论和展望

(1)叠前时间成像方法在油气田勘探中一直处于主要地位，目前油田勘探面临的复杂地下地质条件对地震成像方法有进一步的要求，叠前时间成像方法对如高陡构造、逆掩地层、膏岩地层、岩性横向变化大等情况存在应用上的不足。而叠前深度偏移，特别是逆时偏移能够更好地解决复杂构造和岩性的成像，能够准确地描述地震波在复杂构造和岩性中的传播规律，获得深层复杂构造的高精度成像结果，解决实际勘探中复杂构造成像和岩性成像的问题。

(2)速度建模是一个地质信息综合分析的过程，除了受建模方法本身算法的局限外，还会受到多种因素的影响，如地震资料信噪比、地下构造形态、叠前数据不规则性等。建立物探与地质相结合的思路，充分利用地质、测井等相关信息，开展基于井控、层控的处理技术，综合考虑速度建模的各种影响因素，为叠前深度偏移成像提供准确的速度模型。

(3)偏移成像作为地震资料处理的最后一步，同时又是地震构造解释、反演、储层预测等应用的基础，在物探到地质的应用流程中起着重要的连接作用。以时间偏移为目标的常规处理向地震构造解释、反演、储层预测等提供时间道集剖面，而深度偏移为目标的常规处理向地震构造解释、反演、储层预测等提供深度道集剖面。如何在地震构造解释、反演、储层预测中更好更广泛地使用深度域成果是物探研究人员和地质研究人员需要共同推进的方向。

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Application of Velocity Modeling Technology Based on Seismic Horizon Constraint in Puguang Gas Filed

Nie Fajian

(ResearchInstituteofExploration&Development,ZhongyuanOilfieldCompany,Sinopec,Zhengzhou,Henan450000,China)

The complex underground structure of Pugang gas filed brings great difficulties to velocity modeling and imaging.This article utilized grid tomography velocity modeling technology based on seismic horizon constraint, which selected typical seismic horizons where has obviously velocity change to restrict velocity inversion from shallow to deep.Velocity modeling based on seismic horizon constraint solved velocity inversion unreliability caused by complex structural and lateral velocity change, and contributes to accurate depth velocity model which helps to improve the quality of reversion time migration.And the real data application proposed that this technology is successfully used in Pugang gas filed, accurate velocity model in depth domain and reverse time migration method improved negative structure and low SNR region imaging quality, solved imaging distortion under salt layer to obtain good imaging results.

Puguang gas field; velocity modeling; grid chromatography; seismic horizon constraint; RTM

国家重大专项课题“深层礁滩相高含硫气藏稳产技术”(2016ZX05017001)资助。

聂法健(1980—)，男，高级工程师，2010年7月在中国石油大学(华东)获得工学博士学位，并进入中原油田博士后科研工作站从事博士后科研工作，目前在中原油田勘探开发研究院气驱地质研究项目组，主要从事石油天然气勘探开发方面的研究工作。邮箱：156353842@qq.com.

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