基于目标层速度扫描的缝洞成像技术研究

邓光校,段心标,王 震,马永强,马灵伟

(1.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院、湖北省地下多尺度成像重点实验室,湖北武汉430074;2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆乌鲁木齐830011;3.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)

碳酸盐岩缝洞型油气藏具有埋藏深、非均质性强等特点[1-3],溶洞体在地震成像剖面上表现为“串珠状”特征。王小卫等[4]和胡鹏飞[5]从资料处理的角度总结了碳酸盐岩缝洞储集体成像的处理技术和手段,指出速度建模精度是制约缝洞储集体“串珠”成像的重要因素。李鹏飞等[6]利用小尺度的网格层析速度建模策略,提高了碳酸盐岩储层速度建模精度,改善了缝洞体成像效果。崔永福等[7]将全波形反演技术应用于缝洞型储层探区的速度建模,提高了火成岩建模精度,间接改善了深部缝洞储层的成像质量。由于缝洞储层埋藏深,常规采集资料无法满足全波形反演对排列长度的要求,因此目前未见全波形反演应用于缝洞储层精细速度建模的公开文献。目前主要采用网格层析反演建模技术进行缝洞成像速度建模[8-10]。

利用基于成像道集拉平准则的网格层析建模技术,只能反演得到低波数的背景速度场,无法精细刻画实际地下介质的非均质特征。对缝洞储层速度建模而言,质控时主要考虑大、中尺度“串珠”收敛程度,往往忽略了对速度更敏感的小尺度缝洞体的成像质量,最终反演得到的速度模型难以使所有缝洞储集体成像收敛效果最佳。对于缝洞精细开发而言,大尺度缝洞不再是关注点,收敛效果不佳或未收敛的小尺度缝洞体更为重要,因此通过速度模型更新提高局部小尺度串珠的成像质量具有较强的实际意义。王世星等[11]提出了一种基于连续速度替换的时间域地震聚焦成像技术,该技术采用偏移速度连续替换扫描和缝洞体反射能量聚焦分析两种方法,调整缝洞体位置处的时间域偏移速度并完成叠前时间偏移成像处理,提高了时间域缝洞体成像质量。

本文首先基于风化壳模型数据对比不同速度误差对深度域成像质量的影响,分析成像剖面、成像道集与速度精度的敏感性关系,进而提出了基于目标区速度扫描的深度域缝洞成像方法,再对比Kirchhoff积分偏移、单程波偏移和逆时偏移的特征,优选了一种单程波偏移成像方案,并给出了目标区速度扫描单程波偏移成像技术流程,最后将其应用于塔河某实际资料处理,证明了本文方法的可行性和有效性。

1 不同速度风化壳缝洞成像分析

为了分析速度模型对缝洞成像精度的影响,设计了如图1所示的风化壳缝洞体速度模型。该模型包括随机分布的2～10m小尺度溶洞、20～50m中尺度孤立溶洞和100～200m大尺度孤立溶洞。溶洞体填充速度为4500～5000m/s,围岩速度为6100m/s。正演模拟参数与塔河实际采集参数基本一致,炮间距30m,道间距30m,采样记录长度7s,采样间隔1ms,地震子波主频30Hz。

图1 风化壳缝洞体速度模型

图2是利用准确速度模型进行逆时偏移(reverse time migration,RTM)获得的成像结果。由图2可见,大、中尺度溶洞均表现为明显的“串珠”状特征,小尺度溶洞则表现为弱反射特征,影响了风化壳顶面同相轴的下部分旁瓣,但整体而言,大、中尺度溶洞“串珠”收敛效果好,小尺度溶洞成像质量高。

图2 准确模型的逆时偏移(RTM)成像结果

图3给出了不同偏移速度模型对溶洞进行逆时偏移的成像结果,图3a至图3d的偏移速度依次为准确速度的99.0%,101.0%,99.5%和100.5%。图中“串珠”形态圆润、无上翘或下拉的“尾巴”时表示缝洞收敛最佳;“串珠”边缘有下拉“尾巴”表示偏移不足(图3a和图3c);“串珠”边缘有上翘“尾巴”表示偏移过度(图3b 和图3d)。由图3可知,当速度误差为1%时,“串珠”收敛质量很差,当速度误差为0.5%时,“串珠”收敛质量与准确模型“串珠”成像结果相差较大。由图3a和图3c可见,当偏移速度模型小于准确速度模型时,小尺度溶洞表现为杂乱反射特征;由图3b 和图3d可见,当偏移速度模型大于准确速度模型时,溶洞成像表现为过偏移,风化壳顶面同相轴的上部分旁瓣出现一系列能量异常。由此可见,“串珠”成像质量对速度模型精度非常敏感,速度误差即便为0.5%,依然会影响“串珠”成像的收敛效果。

图3 不同偏移速度模型的逆时偏移(RTM)成像结果a 99.0%; b 101.0%; c 99.5%; d 100.5%

速度建模基于成像道集拉平准则,速度更新依赖于成像道集的剩余时差。我们提取图2黄色线位置处(CDP点号为1100)不同偏移速度的成像道集,结果如图4所示,图4中与黄色水平直线重合的同相轴对应风化壳顶面,其下方的同相轴对应“串珠”,图4中两个道集的同相轴都很平,当速度误差为0.5%时,成像道集剩余时差非常小,此时无法利用剩余时差更新速度模型。分析可知,塔河缝洞体成像时若要获得精确的背景速度模型使“串珠”成像完全收敛非常困难。此外,由于缝洞储层非均质性强,速度横向差异大,故很难使所有“串珠”均能准确成像并收敛。

图4 不同偏移速度的成像道集a 整体偏移速度为准确速度; b 整体偏移速度为准确速度的99.5%

2 目标区速度扫描成像方法

对于缝洞地震资料而言,奥陶系碳酸盐岩地层非均质强、速度模型复杂,而其上覆地层层状沉积特征明显、速度相对简单。实际勘探中,假设影响“串珠”收敛的主要因素是储层速度建模精度,通常认为利用层析反演速度建模能够获得较高精度的上覆地层速度模型。基于上述假设,考虑到速度误差严重制约“串珠”成像质量,我们难以获得精确的速度模型,为此可以在深度上选定一个包含缝洞储层的目标区,在目标区范围内为层析反演速度模型选定一系列误差百分比,利用不同的偏移速度进行偏移成像,最终从多个偏移成像结果中寻找不同位置的“串珠”收敛最佳的结果。

由于扫描速度体数量通常比较多,因此偏移方法必须计算效率高,本文基于以下3个因素考虑选择单程波波动方程叠前深度偏移方法[12-16]:①单程波偏移成像精度高,能够适应横向变速介质成像,对于构造形态复杂程度不高的缝洞探区而言,其成像效果与逆时偏移基本相当,且效果明显优于Kirchhoff积分偏移方法;②单程波偏移计算效率高,比逆时偏移速度高5倍左右,其计算效率也优于Kirchhoff积分偏移方法;③单程波偏移沿着深度方向进行波场延拓和成像,在目标区深度以上速度精确的情况下,可以将波场延拓到目标区上方,再对目标区进行不同速度的速度扫描和偏移成像,整体计算量较小,而逆时偏移需要利用整体速度场进行波场传播,Kirchhoff积分偏移射线追踪时需要利用目标区以上的速度场,二者均无法快速进行目标区速度扫描成像。

单程波波场传播方程为:

(1)

式中:U(x,y,z;t)表示地下一点t时刻的地震波场;v(x,y,z)表示地下一点的介质速度。本文波场延拓时采用分步傅里叶算子(split-step Fourier,SSF),每步波场延拓包含频率波数域的相移和频率空间域的时移,表示如下:

(2)

(3)

基于单程波方程的目标区速度扫描成像流程如下:①给定目标区深度范围D1～D2,在D1以上逐层进行震源波场、记录波场延拓和相关成像,保存延拓到D1的两个波场;②在目标区范围内,将速度乘以扫描百分比,从D1到D2逐层进行震源波场、记录波场延拓和相关成像;③在D2深度成像后,再取之前延拓到D1深度的两个波场,按其它速度扫描比例再次从D1到D2逐层进行震源波场、记录波场延拓和相关成像。具体流程见图5。

图5 目标区速度扫描成像流程

3 应用实例

塔河油田某探区风化壳岩溶缝洞发育,随着精细勘探开发的不断深入,依靠大“串珠”开展井位部署的空间越来越受限,不足以满足塔河的稳产上产需求。为了探索小尺度缝洞体成像,选择该探区进行试验。地震数据共33000炮,数据量为2.1TB,面元大小为15m×15m。利用网格层析速度反演技术,获得如图6 所示的速度模型。由图6可见,速度场整体较为平滑,速度横向变化不大。根据风化壳成像要求,将目标区深度设置为5.0～7.0km。进行速度扫描测试,将局部目标区速度扫描范围设定为网格层析速度的97.0%～103.0%,即局部误差为±3%(前述数学模型分析时采用的是整体误差),扫描个数为11,频率范围2～70Hz,深度间隔10m,利用40个节点120个K10GPU卡完成全部偏移计算,耗时40.5h。

图6 网格层析反演速度模型

图7为目标区某条测线不同百分比速度扫描偏移成像剖面。由图7a至图7k发现“串珠”从欠偏移到过偏移的整个变化过程。图7f是网格层析原始速度成像剖面,其中绿色圈范围内“串珠”边缘略有上翘,表示略微过收敛,说明速度值略大,而黄色圈范围内“串珠”明显欠收敛,表明速度值偏低。利用97.0%速度扫描偏移成像时(图7a),绿色圈对应范围内的“串珠”收敛效果变好。当速度扫描百分比超过101.2%后(图7h),随着速度值的增大,黄色圈对应范围内的“串珠”成像效果逐渐变好,速度扫描百分比为103.0%时,成像质量明显优于原始速度的成像效果。对比图7f与图7k可见,风化壳内的小串珠成像质量明显提高,部分原收敛质量较差或未收敛的小“串珠”已较好地收敛归位,风化壳内的异常特征明显。由上述结果可知,目标区速度扫描偏移成像方法对于识别小尺度缝洞体具有重要的实际应用价值。

图7 目标区某条测线不同百分比速度扫描偏移成像剖面a 97.0%; b 97.6%; c 98.2%; d 98.8%; e 99.4%; f 100.0%; g 100.6%; h 101.2%; i 101.8%; j 102.4%; k 103.0%

本文方法提供了一系列成像结果,其中某个结果中部分“串珠”聚焦性更好,但部分“串珠”聚焦形态可能变差。如何从一系列成像结果中构建一个使得全部“串珠”都最佳收敛的速度模型,仍有待进一步研究。

4 结束语

碳酸盐岩缝洞成像效果依赖于速度模型精度,“串珠”成像质量对速度变化非常敏感。目前,基于成像道集拉平准则的层析反演速度建模技术通常只能反演得到低波数的背景速度场,无法精细刻画缝洞储层速度特征,难以实现不同尺度“串珠”的完全收敛。本文提出了一种基于目标区速度扫描的单程波波动方程叠前深度偏移方法,该方法基于目标区上覆地层速度模型精度较高的假设,将震源波场和记录波场延拓到目标区上方,利用不同百分比速度扫描逐次对目标区进行偏移成像,得到一系列目标区不同速度的成像结果,可用于提高部分“串珠”成像收敛精度。在塔河某探区的实际应用结果表明,本文方法可使原收敛质量较差或未收敛的小溶洞形成的“串珠”较好地收敛,在一定程度上提高了小溶洞“串珠”的识别能力。

从一系列地震成像剖面中选择合适的局部成像结果比较困难。我们下一步将研究自动化的“串珠”最佳收敛判别方法,以及如何得到每一个串珠都能最佳收敛的速度模型,利用该速度模型再次进行叠前深度偏移,最终可获得整体最佳收敛的成像结果,以进一步提升本文方法的实用性。