面向复杂山前带的平滑地表TTI各向异性速度建模

2020-07-25姚晓龙张永升蔡杰雄

石油物探 2020年4期

姚晓龙,张永升,齐鹏,蔡杰雄

(1.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103;2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司研究院,新疆乌鲁木齐830011)

随着地震勘探的不断深入,山前带已成为油气勘探开发的重点攻关区域之一,而山前带勘探难度远远高于常规勘探[1-4],特别是在速度建模方面。山前带地表起伏剧烈,速度横向变化快,并且地下通常发育复杂构造,地层产状变化大,这些都给高精度速度建模及构造成像带来很大困难[5-7]。

传统速度建模与偏移成像方法大多是基于固定基准面或是浮动基准面,但是对于山前带资料,水平的固定基准面与真实的起伏地表差异较大,而基于时间域静校正的浮动基准面进行了大尺度的平滑,且通过替换速度转换到深度域后没有明确的物理意义,不符合实际地表变化特征。这两种参考面方法都会引入速度和成像误差[8-11]。此外,工业界目前最常用的速度建模流程是采用回转波层析反演得到近地表速度,并在中深层与叠前时间偏移均方根速度转到深度域的层速度进行拼接处理,建立初始速度模型。然后对初始速度模型进行各向同性层析反演和偏移,逐步基于拉平成像道集准则,确定最终的各向同性速度。最后根据各向同性偏移结果与实际测井分层的井震深度误差计算各向异性参数,通过各向异性参数来消除井震深度误差[12-14]。但是,这种建模方法对于山前带数据并不适用,首先由于地形起伏剧烈,近地表与中深层的速度融合存在匹配性问题;其次在各向同性速度迭代和成像过程中,忽略了各向异性的影响,与实际波场传播不符,造成成像深度和产状与实际情况存在误差,同时仅利用各向异性参数来校正局部深度误差,没有充分发挥各向异性参数在波场传播中的作用[15-16]。

针对上述问题,本文提出了平滑地表TTI各向异性建模技术及流程。该流程采用基于地表高程低频趋势的平滑地表作为基准面,将近地表回转波层析与中深层常速填充相结合得到背景速度场,避免了速度融合存在的匹配性问题,再通过VSP测井速度标定和一维成像道集正演提取各向异性参数,建立复杂山前带TTI各向异性初始速度模型。并在各向异性参数约束下,采用层控层析反演技术,不断修正速度参数,建立高精度速度模型,最后应用于实际资料的处理验证该流程的有效性。

1 技术思路

西部某山前带工区是典型的双复杂探区。工区内地形起伏剧烈(图1),总体趋势南低北高,地表高程变化范围983～2089m,最大高差达到1100m,并且浅层发育巨厚的高速砾岩层,砾岩的速度和厚度都存在空间变化。此外,工区内地下构造多变,具有明显的双层结构,如图2所示,膏盐体上部是快速堆积的陆相地层,反射波组不连续,波组特征变化大;膏盐体下部是低幅度构造,东西向地层平缓、倾角小、南北向地层倾角略大,同时低幅构造上部发育低速的膏盐体,存在明显速度反转,使膏盐下伏构造成像质量较差(图2 蓝圈所示),膏盐体下伏边界难以识别,影响构造圈闭的可靠性。

图1 山前带工区高程立体显示

图2 山前带工区地层剖面

常规速度建模处理流程如图3所示,该流程在地形条件相对简单,尤其是地表平坦、横向速度变化小的地区可以取得较好效果,但是在双复杂的山前带地区会产生很多问题。首先,在建立初始速度模型时,常规方法利用近地表层析反演速度与叠前时间偏移转到深度域的层速度进行拼接处理建立初始速度模型。对于地形起伏剧烈的地区,近地表速度与叠前时间偏移转到深度域的层速度参考面通常会存在较大的差异,这样在中深层的拼接处理时容易产生拼接痕迹,引入速度误差。其次,常规速度建模方法先采用各向同性层析方法,逐步更新速度、拉平成像道集,再根据偏移结果与实际测井分层的井震误差引入各向异性参数,消除井震深度误差。对于复杂低幅构造,速度迭代更新过程中忽略各向异性的影响,仅利用各向异性参数来校正井震误差,会引起构造归位的不准确。最后,当地下发育特殊异常体时,常规全局网格层析反演方法难以刻画异常体的速度边界,从而产生成像误差。

图3 常规速度建模处理流程

针对以上常规速度建模处理流程的不足,本文提出了面向复杂山前带的速度建模技术流程,主要包括:①采用基于近地表最大有效反演深度的填充延拓法建立初始速度模型,避免速度拼接引入的速度误差;②采用全程TTI层析反演技术,始终在各向异性参数约束下反演速度,确保低幅构造归位的可靠性;③采用层位约束的层析反演方法,引入先验地质层位信息控制速度网格划分,实现对地下复杂构造或特殊地质体的精细反演。

2 关键处理技术

2.1 平滑地表基准面建立

地形起伏剧烈是制约山前带资料速度建模精度和成像效果的一个重要因素,在理想情况下,基于真实地表进行深度域速度建模是最合理的方法。但是,受数据空间采样以及近地表建模技术本身分辨率的限制,目前近地表速度建模方法无法解决高频问题,只能建立一个中、低波数速度模型,这样残余的高频道间时差会降低叠加成像质量。

因此,结合山前带实际特点,本文采用“平滑地表”处理思路,对地表高程进行小尺度平滑,消除资料中起伏地表的高频量,保留地表低频趋势。同时,从原始总静校正量中提取相应的高频分量进行高频静校正以消除道间高频时差,从而建立一个接近真实地表特征的平滑地表面以及与之相匹配的仅包含中低频道间时差的叠前数据,用于后续速度建模和偏移成像。这种处理方式对叠前地震数据走时改造小,后续建模和成像更接近真实情况。

如何选取平滑尺度是建立平滑地表面的关键,原则上平滑后的地表高程在炮点和检波点之间不能有剧烈的起伏变化。具体的选取依据要结合工区实际地震数据采集观测系统,一般选择与炮线距或检波线距相当的尺度。如果平滑尺度过大,就失去平滑地表的意义,而平滑尺度过小,炮点和检波点之间的高频变化难以通过反演的速度模型予以描述。图4显示了采用炮线之间的距离作为平滑参数建立的平滑地表面,可以看出,通过小尺度平滑消除了地表高程的高频抖动,同时较好地保留了地表的中低频变化趋势。图5显示了沿工区北部山区地表面平滑前后的水平切线。

图4 真实地表面(a)与平滑地表面(b)的立体显示

图5 沿工区北部山区的真实地表面与平滑地表面的水平切线

确定了平滑地表面后,借助于近地表速度建模与静校正的耦合关系来解决起伏地表问题。首先从工区总静校正量(图6a)中分离出起伏地表及低降速带对应的中、低频静校正量(图6b),这部分中低频静校正量可以通过后续近地表速度建模来描述。然后将残余的高频静校正量(图6c)应用到地表数据中,解决地震道间时差抖动,提高叠加质量。

图6 高频静校正提取a 工区总静校正量; b 起伏地表面及低降速带对应的中、低频静校正量; c 高频静校正量

图7为应用高频静校正量前、后的单炮记录,可以看到,经高频静校正后,数据位于平滑地表面上,只消除了道间时差的高频量,单炮同相轴高频抖动被消除、连续性得以提高。同时与起伏地表及近地表相关的类双曲线特征得到很好地保持,这些中长波长道间时差仍然保留,用于深度域速度建模及成像。

图7 高频静校正前(a)、后(b)的单炮记录

2.2 平滑地表TTI各向异性初始模型建立

2.2.1 初始速度模型建立

初始速度作为速度建模的出发点,对最终速度模型的可靠性至关重要。特别是对于复杂山前带数据,地形起伏剧烈、速度横向变化大,地下构造产状变化大,局部存在速度反转。如果初始速度不准确,会带来速度误差,在后续迭代更新中往往难以消除,给建模和成像带来很大的不确定性。

针对山前带数据“复杂地表、复杂构造”的特点,本文基于平滑地表面,采用近地表速度模型与中深层常速填充的深度域初始速度建模思路。山前带数据浅层信噪比和覆盖次数比较低,传统的反射波走时层析成像难以准确求取浅层速度,为此采用基于初至回转波层析反演技术来建立近地表速度模型;对于中深层速度,为了避免近地表与中深层速度融合时的匹配性问题,利用近地表速度模型最大有效反演深度的速度值进行向下延拓填充至模型最大深度,建立一个稳定的初始速度模型。

回转波层析反演利用观测初至与模拟初至的走时残差进行反演,克服了浅层同相轴信噪比和覆盖次数低的问题,可以建立准确的近地表速度模型。如图8 所示,图8a为基于平滑地表的初始速度模型,为了保证深层反演的射线密度,初始模型通常选取一个速度偏高的梯度模型,网格大小为2倍的炮线距乘以2倍的检波线距。在反演迭代的过程中,不断减小速度网格大小(图8b,图8c),提升反演分辨率,得到最终近地表速度模型(图8d)。可以看到,经过三轮的迭代反演,近地表速度细节特征丰富,特别是近地表发育的高速砾岩轮廓刻画得较为清晰。

图8 回转波层析反演不同迭代次数速度模型对比a 初始速度模型(600m×600m); b 第一轮迭代结果(600m×600m); c 第二轮迭代结果(300m×300m);d 第三轮迭代结果(150m×150m)

图9a对比了X1和X2井的井口位置初始速度(蓝线)、近地表反演速度(绿线)以及测井速度(红线),可以看到在深度小于1800m的范围回转波层析反演速度与测井速度趋势吻合较好,深度超过1800m时,由于受最大偏移距的限制,近地表反演速度比测井速度偏高。

关于初始速度建模,本文采用近地表层析反演与中深层常速填充的方法。首先,保留地表到地下1800m深度内近地表回转波层析速度模型,然后利用1800m深度处的反演速度4800m/s(图9a)进行速度外推,得到TTI各向异性初始速度模型(图9b)。

图9 X1井和X2井初始速度、近地表反演速度与测井速度对比(a)及TTI各向异性初始速度模型(b)

2.2.2 各向异性参数场求取

本文基于初始速度模型采用一维VTI正演模拟的方法直接求取各向异性参数,这样在速度层析反演初期就引入各向异性参数,并在各向异性参数场的约束下对速度场进行反演,从而确保最终速度场的可靠性。

首先利用工区VSP测井速度对地震速度进行标定,使其与地下真实速度趋势一致(图10a)。然后先将井口成像道集转换到时间域,再用新的标定速度通过一维VTI两点射线追踪转回深度域,如图10b左侧道集所示。可以看到浅层同相轴在远偏移距出现上翘现象。此时由于标定后的速度与真实地下速度一致,因此这种上翘可以归结于各向异性参数的影响。随着深度增加上翘程度不断增大,当至某个深度时上翘最严重(如图10红色虚线位置),此时受各向异性参数影响最大,该深度位置被称为各向异性参数饱和点位置。下面在标定速度基础上加入各向异性参数ε和δ,通过测试不同ε和δ组合,使远偏移距同相轴拉平(如图10b右侧道集所示),得到最优的各向异性参数。各向异性参数的基本趋势是从地表为0开始逐渐增大至饱和点深度达到最大值(图10c)。对于饱和点以下的深度,在偏移距有限的情况下,深层的各向异性参数在小偏移距无法观测到。同时随地层深度增加,地质压实作用逐渐大于成层作用,各向异性参数影响减小,因此假设饱和点深度以下各向异性区域稳定,参数保持不变,低频趋势主要随地表起伏变化,结合平滑地表建立各向异性参数模型(图11)。

图10 各向异性参数求取a 地震速度标定; b 一维正演道集(左侧为标定速度正演道集、右侧为加入各向异性参数后的正演道集、红色虚线表示各向异性参数饱和点深度); c 各向异性参数

图11 采用本文方法建立的各向异性参数模型a δ; b ε; c 倾角; d 方位角

2.3 基于层位约束的层析方法

目前生产中常用反射波网格层析反演技术修正深度域速度模型,该方法主要基于数据驱动,不需要层位先验信息,通过全局速度优化来进行速度模型迭代。但是当地下结构复杂,特别是存在速度异常体时,这种全局网格层析方法通常难以刻画速度突变边界,容易产生构造假象。而层位约束的层析反演方法引入先验地质层位信息控制速度网格划分,可以实现对地下复杂构造或特殊地质体的精细反演。

本文基于平滑地表TTI各向异性初始速度模型,采用层位约束的层析反演技术,可以分层实现速度收敛,同时可以对地下复杂异常体进行精细刻画,为后续的高精度地震成像提供了与地下构造匹配较好的速度模型。图12分别显示了浅、中层层位约束网格层析反演的效果,根据地下双层构造特点,采用层位约束网格层析实现对浅中层速度的迭代更新,图13为对应的成像道集。可以看到在地质层位约束下,浅、中层速度得到更新校正,成像道集同相轴得到拉平。在准确的浅、中层速度基础上,继续对深部低速膏盐体进行速度更新。图14显示了深层膏盐体速度精细反演的过程,可以看到在膏盐体顶、底层位约束下,可以对膏盐体进行局部速度更新。通过对比可以看到,常规全局网格层析方法(图15a)在处理低速膏盐体速度迭代时,由于缺少层位约束,在全局速度更新的过程中,围岩的高速更新量会“污染”膏盐体速度更新(蓝圈所示),影响构造归位的可靠性。而基于层位约束的局部层析方法(图15b)可以单独对膏盐异常体进行速度更新,不受周围高速围岩影响。

图12 浅、中层层位约束的网格层析效果a 初始模型; b 浅、中层速度更新量; c 更新后模型

图13 初始模型(a)与浅中、层迭代更新后模型(b)的成像道集

图14 深层膏盐体层位约束速度精细反演a 膏盐体更新前速度与剖面叠合显示; b 膏盐体速度更新量与剖面叠合显示; c 膏盐体更新后速度与剖面叠合显示

图15 全局网格层析(a)与层位约束层析(b)的膏盐体速度更新量与剖面叠合显示

3 实际应用效果

利用本文面向复杂山前带的平滑地表TTI各向异性建模流程对西部某山前带工区实际资料进行了攻关处理。该区属于典型的双复杂工区,地表起伏剧烈、高差大,近地表发育巨厚砾岩层,地下双层结构、发育低速膏盐体,盐下构造前期成像效果较差。采用相同偏移参数的逆时偏移方法分别对常规速度建模流程与本文建模流程建立的模型进行偏移效果对比,图16和图17 为其中两条测线(测线1和测线2)处理结果剖面,可以看到相比于常规速度建模方法,采用基于平滑地表的TTI各向异性建模流程获得的偏移剖面整体上归位更加收敛,同相轴连续性明显提高。图18为近地表巨厚砾岩速度与偏移剖面叠合显示,可以看出,巨厚砾岩层的空间厚度变化在速度模型上得到很好的体现,砾岩层与围岩的速度边界清晰,从工区内多口测井速度上看(图19),速度模型在近地表由高速砾岩与低速围岩的速度反转趋势与测井速度吻合较好。图20为图17深层膏盐局部放大显示,可以看到新处理剖面膏盐与围岩边界成像更加清晰,盐下构造成像质量显著提高。