塔河地区火成岩下成像精细速度建模方法应用

2020-05-20史飞洲高厚强邵文潮李晶晶

科学技术与工程 2020年9期

穆洁，史飞洲，徐颖，高厚强，邵文潮，李晶晶

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，南京 211103)

塔河油田油气储量丰富，奥陶系的古岩溶缝洞是良好的储集空间[1-4]，奥陶系内幕的小缝洞精细成像就成为多年来一直研究的问题。塔河地区资料的处理难点除了要聚焦形态各异的“串珠”，以及识别淹没在风化壳不整合面中的小缝洞体以外，二叠系的火成岩在塔河油田也广泛分布。由于二叠系火成岩速度和厚度在横向上巨变[5]，导致下伏地层在构造特征上表现为高频的扭动，这给奥陶系内幕缝洞的识别以及精细解释带来了困难。近年来，针对火成岩的影响，学者们进行了不同方法的研究。李国发等[6]、韩站一等[7]通过正演模拟，研究了火成岩对下伏地层的影响，为后续的火成岩下成像研究奠定了基础；周刚等[8]、刘立民等[9]、蒲波[10]、高厚强等[11]、王丽等[12]认为深度偏移可以较好地消除火成岩产生的影响，较真实反演地层横向速度变化，并验证了不同叠前深度偏移算法对火成岩区精细成像的精度。目前叠前深度偏移算法已经相对成熟，在解决火成岩目标成像方面已成为较为主流的方法。在深度域成像领域，速度建模至关重要[10,13]，因此火成岩速度模型已成为研究热点。蒲波[10]应用传统的网格层析成像法，并取得了一定的效果；张涛等[14]利用三维网格层析技术对速度-深度模型进行了全局优化，得到了火成岩体速度的高频分量；马一鸣等[15]、崔永福等[16-17]在速度反演的基础上将反演算法和地质层位解释结合，进一步提高了速度模型和成像的精度；杜开鹏[18]综合多种地震和地质资料，通过划分地震岩相，筛选敏感的参数，建立了较为高精度的火成岩速度场，是一种综合多学科建立速度场的过程；黄棱等[19]运用GeoEast处理解释一体化系统对火山岩速度模型进行优化迭代，提高了速度模型精度。前人通过成像方法和速度建模的改进，以及综合多学科应用先进处理软件的方法，从各方面不断提高了岩下成像的精度。但在塔河地区综合应用多种建模方法较准确刻画火成岩速度以及消除下伏假构造和假断裂成像的研究还较少。在前人研究基础上，基于深度偏移算法，重点对研究区火成岩下伏地层成像开展速度建模的研究，通过变尺度的网格层析反演和多信息约束的目标反演构建高精度的速度模型，并用于偏移成像。结果表明该速度建模技术能有效消除火成岩对下伏地层的影响，消除假构造、假断裂，恢复地层的真实构造形态；同时，对缝洞体的刻画更加清晰。

1 火成岩高精度速度建模流程

常规的深度域速度建模方法主要通过拾取共成像点道集的剩余曲率来建立目标函数，并利用网格层析成像得到速度模型的更新量，从而反演出背景场的速度趋势。该方法对大套地层和大尺度的地质体具有较好的适用性。但是火成岩等特殊岩体的横向展布只有两三百米甚至更小，且横向的速度和岩性变化剧烈，从而使得常规的速度建模方法无法准确反演出岩体的速度和横向展布特征。

针对火成岩下成像的精细速度建模流程如图1所示。首先，对时间域均方根速度进行一系列平滑、时深转换、外推、插值等处理，从而得到深度域初始速度；然后，对初始速度进行变尺度的网格层析迭代，由大尺度向小尺度迭代转变，刻画出火成岩的基本轮廓[20]；随后，在速度建模的目标函数项上加入井约束和构造约束项，得到新的目标函数，从而刻画出更加精细的火成岩速度的纵、横向变化特征；最后，利用深度偏移进行成像。

图1 针对火成岩下成像的速度建模流程图Fig.1 Flow chart of velocity modeling for imaging under igneous rock

2 基本原理

2.1 网格层析反演原理

射线通过炮点激发检波点接收，在地下传播的旅行时组成旅行时方程，对积分方程(1)进行空间离散后得到方程组(2)。

(1)

AΔs=Δt

(2)

式中：Δs为参考模型与真实模型的慢度差向量；dl为沿射线路径l的射线段长度；Δt为旅行时残差向量；A为灵敏度矩阵，其元素对应于射线在网格内的射线路径长度。对方程组(2)进行反复迭代，得到灵敏度矩阵A，速度模型即为慢度函数的倒数。网格层析反演即需要通过拾取走时残差，并沿网格单元内射线路径对残差进行反投影来得到模型的更新量[11,21-22]。求取目标函数如式(3)所示：

L(s)=‖AΔs-Δt‖2

(3)

式(3)中：L(s)为层析目标泛函；Δs为慢度更新量；Δt为旅行时残差向量。经过反复迭代更新，即可求得反演后的速度模型。

2.2 变尺度网格层析迭代

网格层析反演迭代过程遵循以下原则：由浅层到深层，由大尺度到小尺度，由沿层低频到局部高频。利用初始速度模型进行偏移成像，对生成的共成像点道集进行剩余曲率的拾取，逐渐反演出每一轮的速度更新量。由于深度域速度从浅到深是累积的过程，所以浅层速度不准直接影响深层速度的准确性，这也进一步说明二叠系的火成岩速度的不准确直接影响到下伏地层的成像和假构造的出现。大尺度反演主要求取沿层状的低频信息，对背景速度的准确求取起到了至关重要的作用，因此前几轮的速度更新迭代需采用大尺度反演。而当背景速度较为准确时，即剩余延迟几乎为零时，可以逐渐缩小反演尺度，增加射线密度以及加密剩余曲率的拾取来反演出局部小尺度的细节。

2.3 多信息约束目标反演

常规的网格层析反演是基于数据驱动的目标反演，通过变尺度的反演迭代，能够获得较为高精度的速度模型和成像结果。但是地震的分辨尺度是有限度的，常规的速度反演只能由剩余时差建立目标函数，对于火成岩的高频抖动，需要借助对地质认识以及测井曲线进一步约束目标反演，得到新的目标函数，并通过网格层析，得到新的高频的模型[14]。

常规速度层析反演的目标函数为

(4)

在常规针对成像道集进行拾取的基础上，加入了井约束的残差和构造约束的残差，得到多信息约束的目标函数：

(5)

式中：x,y为网格中心点坐标；h为炮检距；href为参考炮检距；zevents(h)为偏移距href处的目标轴深度；zevents(href)为参考偏移距h处的目标轴深度；zmig为偏移剖面地震深度；zwell为测井上对应的分层深度；minit为真实的构造地层层位；mcurrent为偏移的地层层位；α、β为构造约束的权系数。

加入了先验地质识别和测井曲线的信息，新的约束目标函数w(m)在迭代中收敛得更好，反演的精度更高。

3 实例应用效果

3.1 研究区地质概况

研究区位于天山南部、地处塔克拉玛干沙漠北缘的戈壁荒漠地区，区域内二叠系发育大套火成岩。该区火成岩主要分三期发育，最早期为凝灰岩，速度最低，继而发育英安岩，速度次之，最后一期发育高速玄武岩。由于火成岩的成分和岩相都大不相同，厚度变化不均匀，导致纵横向速度高速变化。边界和形态很难刻画，精细的火成岩速度模型就很难建立。在速度建模过程中，利用地质信息对火成岩岩性和范围划分很有必要。

二叠系火成岩在整个宏观地层上看是属于中小尺度特殊地质体，且速度和厚度在横向上变化较快，导致成像反射点分布不规则，层析反演中的射线路径不均匀且非常稀疏，造成结果的多解性。基于反射和层析的方法往往求取不出高频分量，因此火成岩在背景速度下的成像表现为同相轴剧烈的抖动，同时引起下伏地层的构造变形和不连续。假构造和假断裂给构造精细解释带来很大障碍，从而影响储层的识别和钻井的部署。

3.2 变尺度网格层析反演效果

图2 初始速度偏移剖面和第三轮大尺度迭代后偏移剖面对比Fig.2 Comparison of initial velocity migration section and migration section of the third large-scale iteration

将每一轮迭代更新的速度模型加入上一轮模型中进行叠前深度偏移成像，图2(a)为初始模型的深度偏移剖面，图2(b)为经过一轮迭代反演后的深度偏移剖面。大尺度的反演主要对于浅层及大套层位的成像有影响。图2(b)中黄色框内和箭头所指处右图波组的一致性更强，信噪比更高。

通过缩小反演尺度，增加射线密度和加密剩余残差的拾取，获得了更精细的速度场。图3(a)为进行了三轮大尺度迭代后的深度偏移剖面，图3(b)为缩小反演尺度后第五轮深度偏移剖面。图3(b)较图3(a)的优势在于：绿色框内二叠系火成岩的形态更简单，没有剧烈的起伏抖动；在黄色圈内的成像质量更高，地层连续性明显变好。

图3 第三轮大尺度迭代后偏移剖面和第五轮小尺度迭代后偏移剖面对比Fig.3 Comparison of migration sections of the third large-scale iteration and the fifth small-scale iteration

3.3 多信息约束网格层析反演效果

在常规网格层析迭代的基础上，利用地质信息对火成岩在平面上的展布进行识别，加入测井约束，构建目标函数。图4为利用多信息约束网格层析反演迭代出的高频速度更新量和地震剖面叠合图，在二叠系火成岩区域(红色框内)，能较好刻画出火成岩的横向速度变化。利用反演求得的高精度速度模型进行叠前深度偏移成像。图5(a)为常规网格层析反演后的偏移剖面，图5(b)为多信息网格层析约束后的偏移剖面。随着火成岩影响的进一步消除，小尺度的弱串珠进一步突显出来(绿色圈内)。图6所示为图5成像剖面上黄色线处的偏移成像道集对比，图6(b)的黄色框内能明显看到弱的远偏移距信息和串珠状反射特征。

图4 约束网格层析反演后速度更新量Fig.4 Updated velocity after constrained grid tomography inversion

图6 约束网格层析反演前后偏移道集对比Fig.6 Comparison of migration gathers before and after constrained grid tomography inversion

3.4 偏移成像对比

图7(a)为基于常规网格层析反演的叠前深度偏移成像剖面，图7(b)为基于变尺度多信息约束的网格层析反演的叠前深度偏移成像剖面。基于多信息约束的网格层析反演的深度偏移有着诸多优势：构造特征更简单合理，符合地层沉积规律；波组特征更加清晰，同相轴更连续，地层连续可追踪；消除了由于上覆火成岩引起的继承性假构造(箭头处)；奥陶系缝洞成像和内幕小断裂更加清晰(黄色圈内)。

图7 常规层析反演偏移与变尺度多信息约束层析反演偏移对比剖面Fig.7 Migration contrast sections of conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

3.5 综合属性对比

对图7中的偏移剖面沿二叠系提取水平切片，同时与地震速度叠合，得到图8。图8(a)为常规层析反演水平切片，图8(b)为变尺度多信息约束层析反演水平切片，图8(b)中火成岩(红色圈内)的高频速度可以反演出来。

为进一步分析两种速度建模后的偏移成像效果，对图7中的偏移剖面沿T74提取相干属性。相干属性是一种对地震数据进行不连续检测并提取振幅的方法，在相干切片上能直接反应构造和断层的分布情况。图9(a)为利用常规层析反演偏移数据提取的相干切片，图9(b)为基于变尺度多信息约束层析反演偏移数据体提取的相干切片，黑色的线为提取出的断裂和不连续构造。图9(a)中红色框内为上覆火成岩对下伏地层继承性的影响，图9(b)中火成岩的影响明显消除了很多，并且图9(b)在断裂的刻画方面更清晰。

图8 常规层析反演与变尺度多信息约束层析反演二叠系水平切片对比Fig.8 Comparison of Permian horizontal slices between conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

图9 常规层析反演偏移与变尺度多信息约束偏移相干切片对比Fig.9 Coherent slices comparison between conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

3.6 井旁速度对比

图10 过井处测井曲线与常规网格层析反演速度曲线、约束网格层析反演速度曲线对比Fig.10 Comparisons of logging curves at crosshole with conventional grid tomography inversion velocity curves and constrained grid tomography inversion velocity curves

基于不同速度建模方法得到的速度模型，分别抽取工区内一口井处的速度模型道与实际测井速度值进行对比。图10中黑色线为实际测井速度，蓝色线为常规反演的井旁速度，枚红色虚线为运用约束反演后的井旁速度。结果表明利用变尺度网格层析和多信息约束的网格层析相结合的方式进行速度反演，得到的速度模型比常规反演得到的速度模型更趋近于实测井速度。