地震资料信噪比在K油田潜山内幕时深转换中的应用研究

2018-11-02高文博薛明星

物探化探计算技术 2018年5期

高文博, 刘欢，邬静，薛明星

(中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300459)

0 引言

时深转换是地震-地质解释的必经环节，其准确度和精度直接影响到地震解释结果的优劣[1]。虽然古潜山是油田地质基础研究的重要内容，但古潜山埋深大、钻遇井少，为钻井所揭示的层段厚度较薄[2]，造成古潜山速度研究资料不足。这些都给古潜山时深转换造成了难以克服的困难[3]。

图1 K油田区域位置图Fig.1 The regional position of K oilfield

渤海K油田古潜山位于L凸起边界断层上升盘(图1)，紧邻LZ凹陷，该潜山古生界、太古界地层直接与L凹陷沙三段烃源岩广泛接触，具有较大的供烃窗口，油气运移通畅。区域综合地质研究表明，渤海K油田潜山古生界灰岩在长期风化淋滤作用下，容易在断面附近形成溶蚀孔洞发育带，而变质花岗岩的断面附近则容易形成构造裂缝发育区，因此，认为渤海K油田潜山具有较好的储层条件。渤海K油田潜山勘探程度低，无井钻穿中生界，该区域古生界顶面时深转换存在较大不确定性。

1 不同时深转换方法存在的问题

由图2可以看出，边界断层两侧地层沉积年代不同、岩性不同，边界断层下降盘主要沉积的是古近系时期形成的砂泥岩；上升盘为中生界和古生界形成的花岗岩。两者速度差异较大，造成横向上地层速度差异大。纵向上中生界地层与上覆地层及古生界地层速度差异也较大，为时深转换造成了较大难题。

图2 K油田潜山典型地震剖面图Fig.2 Typical seismic profiles of buried hill in K oilfield

1.1 地震波速度

地震勘探是以研究地震波在岩层中的传播为基础的，地震波是弹性波，它分为体波和面波。面波是在两种介质的分界面上产生的，在地表衰减快。体波又包括纵波P波(压缩波)和横波S波(剪切波)2种,目前的油气地震勘探主要利用纵波[4]。

一般情况下，岩石的弹性性质不同，地震波在其中传播速度也就不相同。该传播速度与岩石的埋深、地质年代、岩性以及岩石密度、孔隙度和所含流体性质因素有关。岩石越致密，密度越大，地质年代越老，埋藏深度越深，则地震波在其中传播的速度越高。

地震波的传播速度精确地表示应当是地层中各点坐标的函数，即V=V(x，y，z)，可分为平均速度、层速度、叠加速度、均方根速度等。

在应用地震资料进行油气勘探研究工作时，特别是在构造解释及油藏描述方面，最常用的速度是平均速度、层速度和叠加速度。根据不同速度和方法进行时深转换，得到构造图[5]。

1.2 K油田潜山时深转换

根据现有叠加速度场和已钻井速度资料，结合两种速度资料对应的时深转换方法，对渤海K油田潜山地震层位进行了如下两种时深转换。

图3 K油田潜山地震速度场剖面Fig.3 Seismic velocity profile of buried hill in K oilfield

图4 K油田潜山变速成图法转换构造图Fig.4 Variable velocity mapping of buried hill in K oilfield

1.2.1 叠加速度场重建法构造成图

利用叠加速度反演并建立空间速度场(图3)，通过空间变速偏移来消除速度变化引起的时间剖面畸变，其核心问题是空间速度场的求取[5]。但该方法对空间速度场精度要求高，在井少或者无井条件下，无法对速度场精度进行有效判断。

1.2.2 层剥离时深转换方法

层剥离法时深转换分为两部分：

1)利用已钻井拟合古生界顶面之上时深关系得到中生界顶面构造。渤海K油田周边区块中生界构造沉积稳定，速度变化不大。如图5所示，根据中生界已钻井速度统计来看中生界层速度在4 100 m/s左右。

图5 K油田周边构造已钻井中生界统计速度图Fig.5 Velocity in mesozoic of drilled well around K oilfield

图6 K油田潜山层剥离法转换构造图Fig.6 Layer stripped mapping of buried hill in K oilfield

2)根据中生界厚度时间域与统计的层速度相乘，求取中生界厚度。中生界厚度与顶面深度相加即得到上古生界顶面构造图(图6)。但该方法忽略了中生界地层横向变化问题，同样无井验证中生界厚度的准确性。

1.3 不同时深转换方法结果存在的矛盾

对比图4、图6可知，两者构造转换结果差异较大。从构造图上来看，变速成图法最终得到的是断背斜构造形态(图4)，而层剥离法得到的是断块山构造形态(图6)。两者构造高点位置不一致，同时渤海K油田潜山无井钻穿古生界，无法通过井资料验证变速成图中的速度场和层剥离法中中生界厚度的准确性,所以只能通过其他方法评价、优选合适的转换结果。

2 正演分析

根据两种不同时深转换结果，过构造高部位建立断背斜(图7)和断块山模型(图8)。根据统计的地层信息建立模型，选取古近系地层速度取3 500 m/s,中生界地层速度取4 000 m/s，古生界地层速度取4 500 m/s。根据实际地震资料采集参数建立采集参数模型。其中炮间距为25 m，道间距为12.5 m，排列长度为4 600 m。

图7 断背斜模型射线追踪图Fig.7 Faulted anticline model ray tracing

图8 断块山模型射线追踪图Fig.8 Fault block mountain model ray tracing

利用Tesseral软件进行射线追踪分析。从图7、图8中可以看出：对于断背斜，射线在边界断层下面的地层反射射线分布零散、不均匀；而对于断块山模型，潜山界面射线分布均匀。在两种地质条件下，在地震采集过程中边界断层下方地层的实际覆盖次数存在较大差异，覆盖次数的不同会造成地震资料信噪比的差异：覆盖次数增加N次时，有效信号能量会增加N倍，而噪音存在不相关性，噪音能量只增加倍，最终信噪比增加倍[6]。

对于断背斜，构造高部位与构造低部位覆盖次数差异大，信噪比相差大；对于断块山模型，构造高部位与构造低部位覆盖次数差异小，信噪比相差小。所以根据目的层段地震资料信噪比分析地层的构造类型，从而选择最优的时深转换结果。

3 地震资料信噪比

信噪比的估算方法主要有①能量叠加法；②频谱估算法；③互相关法；④功率谱法；⑤特征值法。我们采用频谱估算法进行信噪比分析[7]。

频谱估算法是物理意义非常明确的信噪比计算方法。该方法假定地震信号有一定的频带范围，过高和过低的频率是噪声；对于随机噪声，可认为其幅值较小、在频带内分布均匀。如果能确定信号频带范围，就能估算信号和噪声的能量[8]。

若主要考虑低频和高频噪声，不考虑有效频带内的噪声，信噪比(R1)计算可表示为：

式中：f1和f2分别为随机噪声的低截频和高截频[9]。

3.1 正演分析不同构造模式地震资料信噪比变化

通过建立不同观察系统下的水平层状模型(图9)，进行波动方程正演模拟并加入噪音，得到含噪音的模拟叠后地震剖面(图10)，得到不同覆盖次数条件下的信噪比剖面(图11)。

图9 水平层状模型Fig.9 Horizontal layered model

图10 加入噪音的波动方程模拟地震剖面Fig.10 Wave equation simulation of seismic profiles with noise

图11 水平层状模型估算信噪比剖面Fig.11 Estimation of SNR profile of horizontal layered model

图12 信噪比与噪音百分比含量关系图Fig.12 Relation between SNR and percentage of noise

图13 覆盖次数与信噪比关系图Fig.13 Relation between coverage times and signal to noise ratio

分析不同噪音百分比含量下，频谱估算法计算信噪比(图12)。从图12中可以看到，随着噪音含量的增加计算信噪比降低，结果与理论一直，说明频谱估算法计算可靠。

通过建立水平层状模型，分析在相同噪音百分比含量下，不同覆盖次数与计算信噪比的关系(图13)。从图13中可以看到，随着覆盖次数的增加，计算信噪比增加；当覆盖次数低时，计算信噪比增加快；当覆盖次数高时，计算信噪比增加慢；覆盖次数增加到一定次数后，计算信噪比增加不明显。

图14 断块山模型模拟地震剖面与估算信噪比剖面Fig.14 Simulated seismic profile and estimated signal-to-noise ratio of fault block mountain model(a)断块山偏移剖面；(b)断块山信噪比剖面

图15 断背斜模型模拟地震剖面与估算信噪比剖面Fig.15 Simulated seismic profile and estimated signal-to-noise ratio of faulted anticline model(a)断背斜偏移剖面；(b)断背斜信噪比剖面

3.2 不同构造模式对地震资料覆盖次数的影响

通过K油田实际资料，建立断背斜和断背山模型。分别分析在实际采集后地震资料信噪比。图14为断块山信噪比剖面，图15为断背斜信噪比剖面。从图15中可以看到，对于断背斜信噪比剖面，由于背斜两侧覆盖次数不同，造成两侧信噪比差异大；而断块山信噪比剖面，覆盖次数差别不大，信噪比差别不大，可以根据信噪比剖面的不同选择正确的时深关系转换方法。

3.3 偏移速度对估算信噪比的影响

以上分析是基于偏移速度是完全准确的情况下进行的研究，但在实际情况中，叠后地震资料会结果偏移处理，在处理中，偏移速度时带有多解性的。偏移速度的拾取、尤其是潜山的偏移速度拾取不可能完全准确，这对信噪比会造成影响。

图17 断块山模型不同偏移速度估算信噪比剖面Fig.17 Estimated signal-to-noise ratio profile with different migration velocity by fault block mountain model(a)0.6倍偏移速度；(b)0.8倍偏移速度；(c)1.2倍偏移速度；(d)1.4倍偏移速度

图18 断背斜模型不同偏移速度估算信噪比剖面Fig.18 Estimated signal-to-noise ratio profile with different migration velocity by faulted anticline model(a)0.6倍偏移速度；(b)0.8倍偏移速度；(c)1.2倍偏移速度；(d)1.4倍偏移速度

从图16中可以看到，偏移速度变化将对信噪比估算结果造成影响。当噪音含量较小时，随着偏移速度的变化，信噪比波动较大；噪音含量较大时，随着偏移速度的变化，信噪比波动较小。在噪音含量为10%、偏移速度在0.5倍～1.9倍的准确速度之间(除准确偏移速度)，信噪比值差异在1 db～2 db之间，信噪比波动较小。当地层为水平层状模型时，和覆盖次数相比，偏移速度对估算信噪比影响小。

实际地层特别是潜山地层产状并不是水平层状。根据分析，由于断块山和断背斜模型高部位覆盖次数存在较大差异，断块山和断背斜高部位估算信噪比也应存在较大差异。

图17为断块山模型不同偏移速度估算信噪比剖面图，可以看到不管偏移速度如何变化，高部位和低部位估算信噪比差异小；而对于断背斜模型(图18)，可以发现不同偏移速度条件下，高部位和低部位估算信噪比剖面差异依然较大。

所以实际地震资料的叠加速度差异对潜山地层的信噪比影响不大，而潜山地层产状的不同，会造成地震资料的实际覆盖次数差异。覆盖次数的差异又会影响到地震资料的信噪比。潜山的不同信噪比情况，我们可以推断出实际的地层产状，进而选择合适的时深转换方法。

4 应用分析

利用频谱估算法求取地震资料信噪比，选取时窗较宽，计算结果稳定，能真实有效反映地震资料不同部位信噪比的相对关系。根据地震资料子波频带统计结果，K油田潜山有效信号频带宽度在5 Hz～16 Hz之间(图19)。将2 Hz～16 Hz频带范围内作为有效信号，其他范围视为噪音信号。

利用频谱估算法求取的实际地震资料信噪比。图20为过潜山构造高部位的信噪比剖面图。从图20可以看出，在边界断层上升盘，上古生界顶面信噪比差异小，其构造类型为断块山可能性较大，在选取时深转换方法时应利用层剥离法。而下古生界顶面两侧信噪比差异大，其构造类型为断背斜的可能性较大，在选取时深转换方法时应利用变速成图法。

图19 K油田潜山地震资料频带图Fig.19 Seismic data frequency band map of burced hill data in K oilfiele

图20 K油田潜山信噪比剖面Fig.20 Signal-to-noise ratio profile by buried hill in K oilfield

根据以上分析，古潜山地震资料信噪比能有效反映潜山顶面的构造类型。可以利用这一特征对渤海K油田潜山顶面时深转换结果进行评价。

分别采用叠加速度场重构法和层剥离法对K油田中生界顶面和古生界顶面进行时深转换。其中利用叠加速度场重构法以地震资料的叠加速度为基础，并根据围区速度变化情况进行相应调整得到速度场，从而进行时深转换。由于K油田中生界地层之上已钻遇多口探井，层剥离法在中生界之上速度场主要参考这些已钻井的速度。而在中生界之下，考虑到围区中生界和古生界速度相对稳定，主要参考已钻井中生界和古生界地层平均速度，其中上古生界地层平均速度取4 500 m/s，下古生界地层平均速度取4 800 m/s。根据已钻的唯一一口钻至古生界地层的地层实际界面分析该方法的预测精度。如表1所示，上古生界顶面时深转换利用层剥离法误差小，而下古生界顶面利用叠加速度场时深转换误差小。与利用地震资料信噪比选取相应时深转换方法结论一致。