米仓-大巴山山前带地震勘探进展及下一步攻关方向探讨

齐中山,王静波,张文军,郑天发,敬朋贵

(中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

米仓-大巴山山前带位于四川盆地东北部,构造位置处于秦岭造山带南缘,属于上扬子板块西北缘。其北侧为秦岭造山带南缘的米仓山隆起带,东北侧为大巴山弧形造山带,西北侧为龙门山造山带。地质研究表明,米仓-大巴山山前带发育三套优质烃源岩和多套海相碳酸盐岩优质储层,二、三叠系台缘礁滩储层和震旦系灯影组藻屑丘滩储层是最具潜力的两套勘探层系,具有优越的石油地质条件,油气资源丰富。

米仓-大巴山山前带探区经历了多期构造运动的持续改造,地表、地下地震地质条件复杂,是典型的地表、地下“双复杂”探区[1]。前期二维地震勘探及野外地质踏勘揭示,米仓山山前带地腹构造以膏盐岩层为界,呈陆相、膏盐岩、海相地层三重结构特征,膏盐岩之上地层呈单斜,向北抬升出露地表,膏盐岩之下地层构造变形严重;大巴山山前带山、盆之间为渐变过渡关系,地层主体倾向南西,构造样式以断展褶皱和规模较大的逆冲断层为主,造成近地表砂泥岩和灰岩交替出露,较米仓山山前带地震地质条件更加复杂。

米仓-大巴山山前带双复杂地震地质条件给地震数据采集、处理带来了很大的挑战[2]。主要体现在两个方面:①灰岩裸露区原始资料信噪比低;②构造和地震波传播路径极其复杂,地震成像困难。2000年以来围绕米仓-大巴山山前带二、三叠系台缘礁滩相油气勘探开展了大量的地震攻关工作,截至2016年底,共实施二维地震5000多km,三维地震3000多km2,取得了以下成果:①明确了灰岩介质“弹性差、位移小、吸收重、耦合差、干扰强”的特性是影响地震激发、接收效果的主要因素,形成了“深井、大药量、垫桩、浸水”和“高灵敏度检波器、双串面积组合、电钻打眼埋置检波器”的灰岩裸露区地震激发、接收技术以及“宽方位、高覆盖”三维观测技术,提高了原始资料品质和山前带复杂构造叠前深度域成像的效果;②资料处理流程从叠后、叠前时间偏移转变为叠前深度偏移,形成了拟真地表速度建模和拟真地表逆时偏移(RTM)等关键处理技术,偏移成像效果明显改善。根据最新地震成像资料建立了米仓-大巴山山前带构造样式,通过圈闭评价及井位论证部署实施了J-2井和C-1井,但钻探结果揭示米仓-大巴山山前带勘探仍然存在诸多问题和难题需要进行深入攻关。本文首先介绍了米仓-大巴山山前带地震采集、处理技术攻关取得的最新进展,然后结合南江和镇巴探区实钻地质认识分析了目前山前带勘探存在的问题,最后针对这些问题探讨了下一步攻关方向。

1 主要攻关进展

1.1 地震采集技术进展

针对米仓-大巴山山前带灰岩裸露区地震激发、接收效果差的问题,首先进行了灰岩特性及激发、传播、接收机理研究,明确了灰岩介质“弹性差、位移小、吸收重、耦合差、干扰强”的特性。为了提高地震采集资料品质,进行了大量地震激发、接收工艺试验,并针对地下地质条件复杂、成像难度大的问题,在观测系统设计方面开展了技术攻关。

1.1.1 激发方面

分析了影响灰岩裸露区地震激发效果的原因,其主要包括如下几个方面:①灰岩脆性强、弹性差,不利于形成弹性波;②炸药爆炸后大部分能量用于破碎岩石和形成过高频率的弹性波,过高频率的弹性波在传播中很快被岩石吸收;③炸药性能与灰岩不匹配[3]。为了提高灰岩裸露区的激发效果,进行了延迟激发、深井及超深井激发、大药量和小药量激发、多井组合激发、水泥闷井激发、相控方式激发、垫桩及浸水激发等试验,结果表明:深井、大药量、垫桩、浸水激发效果较好,有利于提高灰岩裸露区地震波能量和地震记录的信噪比,地势低的部位井深≥22m,药量≥14kg,地势高的部位井深≥24m,药量≥18kg。图1给出了深井大药量激发(22m,16kg)和浅井小药量激发(15m,8kg)的单炮记录和频谱。对比图1a和图1b可见,深井大药量单炮记录明显比浅井小药量单炮记录能量强。对比图1c和图1d可见,10Hz处深井大药量的振幅达到浅井小药量的1.5倍,20Hz处深井大药量的振幅达到浅井小药量的2.8倍,30Hz处深井大药量的振幅达到浅井小药量的2倍,40Hz和50Hz处深井大药量与浅井小药量的振幅基本相当,说明深井大药量有利于提高10～30Hz有效频段的能量。图2给出了垫桩激发的单炮记录与能量分析、频谱分析结果,由图2a至图2c可见,药柱下方垫入3m长水泥柱激发的单炮记录和药柱下方垫入3m长砂岩岩心激发的单炮记录均较常规激发的单炮记录能量强、信噪比高。从图2d可以看出,药柱下方垫入水泥柱激发相对常规激发均方根振幅提高了75%,药柱下方垫入砂岩岩心激发相对常规激发均方根振幅提高了100%。从图2e可以看出,药柱下方垫入水泥柱激发相对常规激发在10Hz处振幅提高135%,在20Hz处振幅提高50%,在30Hz处振幅提高30%;药柱下方垫入砂岩岩心激发相对常规激发在10Hz处振幅提高150%,在20Hz处振幅提高40%,在30Hz处振幅提高43%;40Hz以上药柱下方垫入水泥柱和垫入砂岩岩心激发与常规激发振幅差异不明显,说明药柱下方垫入水泥柱和垫入砂岩岩心有利于提高10～30Hz有效频段的能量。图3分析了井中浸水后激发的效果,图3a为井中浸水后激发的单炮记录,图3b为井中未浸水(干井)激发的单炮记录,图3c为两者浅、中、深层能量分析结果,图3d 为两者浅、中、深层信噪比分析结果,可以看出井中浸水激发的能量和信噪比均较未浸水的干井激发效果好[3]。

图1 不同井深和药量的单炮记录及频谱分析a 深井大药量单炮记录(22m,16kg); b 浅井小药量单炮记录(15m,8kg); c 深井大药量频谱; d 浅井小药量频谱

图2 垫桩激发效果分析a 常规激发的单炮记录; b 药柱下方垫入3m长水泥柱激发的单炮记录; c 药柱下方垫入3m长砂岩岩心激发的单炮记录; d 不同方式激发能量分析; e 不同方式激发频谱分析

1.1.2 接收方面

通过地震波接收机理研究,明确了灰岩裸露区接收效果差的原因,主要包括:①灰岩为高阻抗介质,应力波在灰岩中传播时应变量小,质点运动的幅度小,地震波能量弱;②灰岩介质因风化、溶蚀作用,孔洞、裂缝发育,对地震波吸收衰减作用强烈;③灰岩地区表层宏观结构复杂,地震波传播过程中易受孔洞、裂缝、地形、地貌影响,干扰波异常发育且能量较强,同时微观结构也很复杂,导致不同检波器接收的信息不一致,降低了组合抗噪效果;④大部分情况下,灰岩之上均有沙土覆盖层,检波器与灰岩覆盖层之间以及覆盖层与灰岩之间存在耦合谐振问题[4];⑤常规检波器的动态范围有限,接收微弱地震信号的能力差。

图3 浸水激发效果分析a 浸水激发单炮记录; b 未浸水激发单炮记录; c 浸水激发与未浸水激发单炮记录能量分析; d 浸水激发与未浸水激发单炮记录信噪比分析

形成了“高灵敏度检波器、双串面积组合、电钻打眼埋置检波器”的接收技术及施工工艺。为了提高灰岩裸露区接收效果,开展了超级检波器接收、高灵敏度检波器接收、数字检波器接收、井下接收、不同检波器串数接收、不同组合图形接收、大组合基距接收等试验,结果表明,采用两串(24个检波器)高灵敏度检波器面积组合(三维为圆形或方形面积组合,二维为沿排列矩形面积组合)接收效果较好,两串以上检波器组合效果不明显,大组合基距较小组合基距效果好。图4对比了两串常规检波器(20DX-10Hz)接收单炮记录和两串高灵敏度检波器(SN7C-10Hz)接收单炮记录,可见后者信噪比较高(图中红框内和黑色箭头所指)。该检波器已在镇巴探区三维攻关生产中批量应用。对不同检波器埋置方式的试验结果进行了分析,图5a为检波器不同埋置方式激发的原始记录,图5b为其能量分析结果,图5c为其信噪比分析结果,图5d 为其频谱分析结果。可以看出,电钻打眼固定检波器的方式效果最好(如图5a中红框内所示),检波器插在石缝中效果次之,袋子装土和岩石堆土的方式效果均较差。因此,灰岩裸露区应采取电钻打眼的方法埋置检波器,在有覆盖层的灰岩区,为了避免覆盖层与灰岩之间产生耦合谐振问题[4],应尽力剥开覆盖层再采用电钻打眼的方法固定检波器。

图4 两串常规检波器(a)与两串高灵敏度检波器(b)接收单炮记录对比

1.1.3 观测方式

针对山前带资料信噪比低且构造复杂的问题,对观测系统实施方案进行了覆盖次数由低到高、观测排列由线到面、观测方位由窄到宽的持续优化,形成了面向复杂构造高精度成像的“宽方位、高覆盖”三维地震观测技术,地震成像效果不断改善[5]。主要包括如下三个阶段。

第一阶段:由二维单线低覆盖次数向宽线高覆盖次数发展的阶段,宽线叠加资料的信噪比较单线有较大提升。如图6所示,镇巴探区四线三炮宽线1968次覆盖叠加剖面信噪比较单线164次覆盖叠加剖面信噪比明显提高。

图5 不同检波器埋置方式试验记录及定量分析a 原始记录; b 能量分析; c 信噪比分析; d 频谱分析

图6 镇巴探区164次覆盖(a)和1968次覆盖(b)二维叠加剖面对比

第二阶段:由二维宽线采集向三维采集发展的阶段,三维采集资料的成像效果较二维宽线采集资料有明显改善。如图7所示,镇巴探区二维宽线960次覆盖叠后偏移结果与三维120次覆盖叠后偏移结果(对应二维测线位置)相比,后者覆盖次数虽然只有前者的1/8,但成像效果却有明显改善。

第三阶段:由窄方位、低覆盖三维采集(2009年横纵比0.28,覆盖次数120次;2010年横纵比0.35,覆盖次数150次)向宽方位、高覆盖三维采集(2011年横纵比0.58,覆盖次数336次)发展的阶段,三维宽方位、高覆盖观测较窄方位、低覆盖观测的波场信息更加丰富,成像效果更好。图8对比了镇巴探区三维攻关前后的叠加剖面,图8a为2009年采集资料的叠加结果,图8b为2011年采集资料的叠加结果,后者不仅较前者信噪比高,而且波场信息更加完整,为叠前、叠后偏移奠定了较好的资料基础。

图7 镇巴探区二维宽线960次覆盖偏移结果(a)与三维120次覆盖偏移结果(b)对比

图8 镇巴探区攻关前(a)后(b)叠加剖面对比

1.2 地震处理技术

米仓-大巴山山前带不仅地震采集困难,室内资料处理也面临严峻挑战。2004年以来,开展了多轮次的处理攻关,资料处理技术不断发展,处理复杂问题的能力不断增强,主要体现在静校正、叠前去噪、振幅处理、速度建模、偏移成像五个方面。静校正由折射波静校正+剩余静校正发展为层析静校正+剩余静校正+模拟退火剩余静校正,形成了适合复杂山地的组合静校正技术;叠前去噪由简单的去除面波、斜干扰及大值干扰技术发展到叠前多域去噪+四维去噪的联合去噪技术;振幅处理由常规的球面扩散补偿+地表一致性振幅补偿技术发展到球面扩散补偿+地表一致性振幅补偿+基于矢量面元的弱信号恢复技术;速度建模由常规建模方法发展到初至波网格层析+层位约束网格层析的浅、深层融合建模技术;偏移成像由叠后时间偏移、叠前时间偏移技术发展到叠前深度偏移直至拟真地表逆时偏移技术。组合静校正技术、联合去噪技术以及振幅处理技术已成为山地资料常用处理技术,其应用效果以及对后续处理的作用不再赘述,在此仅对速度建模及偏移成像方法进行阐述。

1.2.1 拟真地表叠前深度偏移速度建模

建立高精度层速度模型是叠前深度偏移的关键和实现复杂构造成像的前提[6]。叠前深度域浅层成像精度直接影响中、深层成像效果,因此浅层速度模型的建立以及浅、深层速度模型的融合不可忽视。根据山前带地震资料的特点,形成了一套实用的拟真地表叠前深度偏移速度建模技术,主要包括两个步骤:①将“高密度电法+微测井”得到的高精度近地表调查结果与初至波信息结合,采用初至波网格层析反演技术构建近地表速度模型,并将其与转换到深度域的叠前时间偏移速度场融合,建立拟真地表深度域初始速度模型;②采用基于层位约束的网格层析成像速度建模技术对速度模型进行迭代修正,通过偏移和速度建模同步优化,最终使得速度模型和成像剖面在构造样式上能够最佳叠合。图9a为浅层速度模型与叠前时间偏移速度模型(转换到深度域)融合后建立的叠前深度偏移初始模型与叠前深度偏移剖面叠合的结果,图9b为浅、深层速度融合并经过5次迭代的速度模型与叠前深度偏移剖面叠合的结果,可见浅、深层速度融合并经过迭代后,不仅使深层速度模型发生了很大变化,而且使成像剖面有较大改善。

图9 拟真地表叠前深度偏移速度建模a 浅、深层融合后的初始速度模型与叠前深度偏移剖面叠合; b 浅、深层融合并经5次迭代后的速度模型与叠前深度偏移剖面叠合

1.2.2 拟真地表叠前深度偏移

由于地表-地下的双复杂性,米仓-大巴山山前带前期采用时间域处理难以获得较好的成像剖面。2012年以来,在该区进行叠前深度域处理攻关,从单程波到双程波、从固定面到拟真地表,形成了以高斯束偏移(GBM)、逆时偏移为核心的拟真地表叠前深度偏移成像技术。该方法从接近地表的浮动基准面开始偏移延拓,与固定面叠前偏移相比,较大程度上避免了静校正对射线路径的改造,更有利于提高成像精度[7]。高斯束偏移是基于动力学射线理论描述波场特征的一种成像方法,且保留了射线偏移的灵活性,在处理起伏地表、不规则数据体、低信噪比地震资料等方面均有较大优势,更利于复杂构造的成像。但该方法对层间弱信号的保幅性要弱于波动方程类偏移,成像结果的分辨率偏低[8]。逆时偏移是基于双程波波动方程进行波场逆时外推的全波场偏移成像方法,比单程波波动方程偏移、高斯束偏移和Kirchhoff积分法偏移更加接近波的传播过程,能避免射线追踪的多路径问题,适应陡倾角及速度场的横向剧烈变化和复杂波场,并能利用多次波、棱镜波等有效波提高复杂构造的成像精度[9-13]。图10对比了研究区高斯束偏移、逆时偏移和Kirchhoff偏移方法的叠前深度偏移剖面,可见高斯束偏移方法(图10b)、逆时偏移方法(图10c)的成像效果和信噪比均明显好于Kirchhoff偏移方法(图10a),高斯束偏移方法与逆时偏移方法相比信噪比较高,但保幅性较差。因此,在地下构造特征不清楚、速度建模能力有限的情况下,先进行高斯束叠前深度偏移成像,并以此为质控优化速度模型,再进行逆时偏移成像处理,有助于改善成像效果。

1.3 构造解释与目标评价

综上所述,米仓-大巴山山前带地震攻关取得了以下进展:一是基于灰岩特征的激发、接收技术改进使得灰岩裸露区原始资料信噪比明显提高;二是利用宽方位、高覆盖三维观测方式采集到了更加丰富的波场信息,叠加剖面信噪比明显提高,更有利于叠前偏移成像;三是基于复杂地表和复杂构造的静校正、速度建模和叠前深度偏移处理技术使得地震成像效果明显提高,可解释性明显增强。尤其是三维地震攻关成果对于落实米仓-大巴山山前带的构造样式、勘探评价起到了至关重要的作用。该区前期二维地震剖面信噪比低、成像效果差、地层与构造结构不清楚,无法进行目标评价,而经过三维地震攻关后,米仓山山前叠前深度偏移剖面上盆内构造清晰,盆、山之间被解释为三断块叠置构造样式,标志层明确,据此部署了J-2井。大巴山山前三维叠前逆时偏移剖面上构造结构清楚,标志层也比较明确,解释认为该区纵向上受嘉陵江组膏盐岩层以及中下寒武统泥页岩的控制,呈“三层楼”结构,且分层变形,浅层以膏盐岩滑脱层为底板,发育断展背斜、箱状背斜等构造样式,深层以膏盐岩层为顶板,寒武系泥页岩为底板,发育断褶、反冲、冲起和断背斜等构造样式;横向上划分为前陆坳陷带、滑脱构造带和冲断构造带、推覆构造带,落实了构造样式与有利相带,据此部署了C-1井。

图10 Kirchhoff(a)、高斯束(b)、逆时(c)偏移方法的叠前深度偏移剖面

2 存在的问题与分析

米仓-大巴山山前带经过三维地震攻关后,地震剖面可解释性明显增强,在构造变形不甚剧烈的区域,对构造形态的解释结果基本与地下实际情况相符,但在二、三叠系及以下构造变形强烈区,偏移成像精度仍有待提高,实钻钻遇地层及地下结构与钻前预测差异较大。

2.1 南江探区

J-2井揭示井区地层高陡倒转、层位异常复杂,钻遇台缘相储层含水,保存条件差,与钻前预测的地层、构造及保存条件差异大。图11对比了J-2井区钻前、钻后地震解释结果,钻前解释为三断块叠置,地层层序正常,实钻表现为地层高陡且倒转,地层多次重复,钻前、钻后解释结果有较大差异。经钻后分析,造成该差异的原因主要是资料准确成像难度大。图12a 为钻后建立的构造模型;图12b为根据图12a模型正演波场数据的逆时偏移结果,在地层倒转区反射波能量极弱;图12c为实际资料根据图12a模型逆时偏移结果,更难反映地层倒转的特征。图12d和图12e 分别为模型射线追踪和波场照明结果,可以看出,地层高陡倒转区存在明显的观测盲区。图13为陡倾角地层的射线路径示意图,可以看出,对于45°以上产状地层,其下倾方向排列长度和接收时间均需要大幅增加。按照公式(1)和公式(2),以5000m/s的传播速度计算,对于3000m深度、85°倾角的地层,地面接收距离要达到17013.84m,记录时间要达到13.77s才能满足成像需求。在没有井资料的情况下,仅靠二维资料论证的最大炮检距为6200m、记录长度为8s远远不够。另外,采用的观测系统也没有针对地下如此复杂情况的RTM进行设计,因此,用钻后建立的构造模型和速度模型仍然无法获得理想的RTM成像效果。

图11 J-2井区钻前(a)、钻后(b)解释结果

图12 J-2井倒转构造模型正演与成像分析a J-2井钻后构造模式; b 模型RTM结果; c 实际资料RTM结果; d 模型射线追踪结果; e 模型波场照明结果

式中:S1,S2为射线路径长度,单位m;v为地层速度,单位m/s。

2.2 镇巴探区

镇巴探区C-1井未钻遇台缘相储层,且嘉陵江组漏失严重,钻遇放空,与钻前预测的地层、构造及相带等均存在较大差异。尤其是海相主要目的层二、三叠系,钻前、钻后地震解释结果差异较大。图14a为过C-1井叠前深度偏移剖面钻前解释结果,图14b为根据C-1井实钻情况重新解释的结果,图14c 和图14d为钻前和钻后解释的构造模式(蓝色区为膏盐层)。可以看出,在断块较大的区域钻前、钻后解释结果差异不大,在断块较小的区域差异较大。从过C-1井叠加剖面看(图15a),C-1井附近反射、绕射混叠程度高,散射噪声发育,从C-1井VSP桥式剖面(图15b)看,数百米范围内无一能够稳定追踪的海相主要目的层,均揭示C-1井附近地下地层破碎、断块小而多、断裂关系复杂。钻前、钻后解释结果差异大的主要原因是小断块及复杂的断裂关系精确成像难度大,地震剖面存在多解性。

图13 陡倾角地层的射线路径示意

图14 C-1井钻前、钻后地震解释结果及构造模式a 过C-1井钻前地震解释结果; b 过C-1井钻后地震解释结果; c 过C-1井钻前解释的构造模式; d 过C-1井钻后解释的构造模式

图15 过C-1井三维叠加剖面(a)与C-1井VSP桥式剖面(b)

3 下一步攻关方向探讨

在钻后获得新认识的基础上,针对米仓-大巴山山前带地震勘探存在的问题,首先应从地震采集出发,开展新一轮复杂地表和地下条件的地震采集技术攻关[20],使地震采集的资料能满足地震成像处理技术的需要,然后再进一步研究新的地震处理方法来不断改善复杂构造的成像质量。具体如下:

1) 基于南江、镇巴实钻后获得的构造模式新认识,构建三维地震-地质模型,开展高精度正演模拟和波场分析研究;

2) 针对南江地区构造高陡、倒转问题,在充分论证的基础上,开展“超长排列、超长记录长度”试验与攻关;

3) 针对镇巴山前带小断块及其复杂的断裂关系难以成像的问题,在“全方位、高覆盖、高密度”三维波场观测技术研究与试验的基础上,研究基于绕射波、转换波、散射波等特殊波场的成像技术;

4) 针对山前带复杂近地表问题,开展基于地震波动力学信息反演的近地表高精度速度建模技术研究及基于波动方程波场延拓的非地表一致性静校正方法研究;

5) 针对倒转构造速度建模难的问题,研究以全波形速度反演技术为核心的速度建模方法;

6) 针对米仓-大巴山山前带存在的各向异性问题,进行各向异性叠前深度偏移成像攻关。

4 结论

米仓-大巴山山前带攻关虽然取得了一定进展,形成了“深井、大药量、垫桩、浸水”和“高灵敏度检波器、双串面积组合、电钻打眼埋置检波器”的激发和接收技术以及“宽方位、高覆盖”三维观测技术及组合静校正、拟真地表速度建模、拟真地表叠前深度偏移等处理关键技术,使得偏移成像效果明显改善,但是南江探区倒转地层和镇巴探区小断块构造成像精度仍难以满足目标精细解释评价的需求。因此,还需要在井资料的指导下,展开新一轮攻关,在采集、处理、解释一体化思想的指导下,加强真实地表条件下三维波场正演分析研究,开展“超长排列、高密度、均匀、对称、全方位”三维波场观测技术攻关和基于绕射波、转换波、散射波等特殊波场的成像技术研究,促使山前带勘探取得更大进展。

参 考 文 献

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