四维地震技术的发展与前景探析

2022-05-05杨泽昊高尔根孟俊霞安徽建筑大学土木工程学院安徽合肥230000

安徽建筑 2022年4期

杨泽昊，高尔根，孟俊霞（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230000）

1 引言

时间推移地震（time lapse seismic，TLS）是指在每过一段时间就来观测油气田的地震数据、监测区域内油气的开采量以及开采的状况，勘探这个地方是否还分布着剩余的油田，修改优化注采石油的方案，从而使油气达到高采收率的一整套技术[1]。时间推移地震（简称时移地震）观测时，所采用的技术基本上是建立在三维地震的基础上提升的，所以这种技术又被称之为四维地震。在20世纪初，诸多的物理学研究表明，只有把空间和时间都糅合成一个整体看待，从三维视角转化为四维视角，才能正确地研究清楚客观世界[2]。因为油气的分布、开采的状态等一系列方面都会由于时间的推移从而产生出截然相反的结果，所以把握好正确的时间，从而掌握四维技术，才是我们能够完美观测油气田的必备良方。在20世纪70年代初，时移地震才初步展开了研究，它使我们从一开始对地震、油气藏的静态的描述和归纳转变成为现在的动态视图来研究，把以前不具备的时间和空间相结合的概念，带入到油田开发里，从此之后，摈弃了原有的油田生产方式，转换成了这种新的、具有时空观的生产途径。在当时四维地震的研究和进展虽然还处在最基础、片面的阶段，但是数据显示这一新型技术的研究经费却在持续不断地提高[3]。就现在而言，四维地震技术主要运用在大油田或者是深海里的大气油田[4]。从上世界60年代到2015年左右，全世界的石油产量持续下降，就是因为石油勘探技术的局限性，使开发开采达不到应有的效率。而2015年后，美国创新了石油勘探技术，才让石油开采量逐步上升。

图1 1900年到2019年世界各国石油产量

全世界的石油地震勘探在1997年这一年共花费了35亿美元，其中仅是时移地震的花费就高达5亿美元，而到了2005年时移地震费用就已经达到了35亿美元，乃至今天，花费在时移地震上的费用已经是一个天文数字[5]。本文围绕新型四维地震的技术原理、数据的采集、处理、解释等方面来进行系统的介绍。

2 四维地震的技术原理

四维地震技术是分隔出不同的时间段，在这些时间段里来监测和采集三维地震数据的信息，从而得出其中的差异，通过运用地球物理方法分析和观测油气藏内部的流体变化以及有利储层预测，进行反复的勘探，最后通过特殊的方法去处理得到的数据，解释数据的物理意义[6～7]。因为随着时间的流逝，油气藏也会不停地发生着变化，就要按照这种变化去探寻其所对应的地震响应，而不是去一味地勘探、找寻是否还有油气藏的存在。这也就是三维地震比较适合看作是一种静态的、用来展示油气藏状态的工具，而四维地震则被用来当作是体现一种全面的、动态的油气藏管理的根本原因[8]。理论上，如果仅仅只是体现高水准、高精度，四维地震完全能够达到，但是前提是我们必须弄明白为什么会引起这些差异性的变化。通过现代的三维地震技术，能够清晰地观测出油藏内部各种动态性因素（流体因素，油井地层压力，地层内部温度）在平面上、剖面上分布的变化，这就是四维地震技术发展的基础。若是以四维地震的层次视角来观测检验，其就构成了油藏开采状况随着流体调整时间而变化的函数图像。在油藏的开发过程中，要时刻注意流体的变化趋势，监测油藏的原始油水界面，把油藏随时间变化的状态捕捉清楚，把勘探开发油气田的措施优化革新，根据实时情况不断地调整，更新切合的方案去实施。这样，既能大大地提高油气采收率，同时又能使油气田的使用寿命得到极大程度的增加。时移地震十分重视数据的振幅、频率和相位，并对其进行归一化处理[9]。研究瞬时属性如瞬时振幅和瞬时频率的斜率的变化，进行波阻抗属性分析及研究油藏流体变化所引起的时移地震差异，也可以借用计算机的可视化功能，对修井方案不断改进，同时也要注意到注水井和生产井，其配置也是要着重考虑，以此来增加油气采收率。

3 四维地震的数据采集

到目前为止，已有的研究表明，必须要求四维地震采集到的数据与其对应的三维地震的测量数据，应该在完全一致的条件下，只有时间这一个属性是不同的，其他的变量保持完全一致，这样才能达到理想中的实验状态。

在四维地震技术中，野外采集到的参数对收集四维地震的数据起着非常重要的作用，采集到的参数是否合适、有实验意义，将直接导致四维地震数据采集的成功和失败。这部分参数基本包括：①定位系统和精度要求；②震源深度(指炸药埋放的深度和空气枪系统设置的位置)；③震源组合(长度、宽度、采集点)；④震源时使用炸药的药量多少；⑤可控震源参数(起始和终止频率、相位控制等)；⑥接收器道数与排列长度距离；⑦道间距；⑧检波器线距；⑨检波器组合；⑩拖缆数目(海上采集)；⑪炮线距；⑫炮检距；⑬覆盖次数；⑭炮检距分布的变化；⑮三维地震中采集到的炮线和检波线模式[10]。

4 四维地震的数据处理

四维地震技术从理论上出发得出的结论是在我们得出成像的内容后，把计算出的结果相减，油气藏的静态性质(如土层的构造、岩性性质等)被消去，从而使油气藏动态流体性质(流体因素、油井地层的压力、地层油气藏的温度等)可以直接成像[11]。因此，在油气藏生产过程中，运用延迟时间的措施持续不断地进行三维(二维或者其他)地震勘探，可以持续地观测油气藏的生产过程，从中探寻随着生产而产生的内部属性的变化，详细地描绘出便于观测的图像，并且可以追寻流体流动的来源方式，用动态的方式去观测油气藏，处理数据。但是在实际操作中，却很难办到。四维地震数据是相隔一段时间进行的、分层次的采集收理，两次采集看起来完全一样的信息，反而可能会很难确保各项环境因素、内部数据完全一致。例如定位系统和精度要求是否一致，震源深度和震源组合的参数是否相差过大，接收器道数和排列长度的不同，覆盖次数的差异和炮检距炮线距不同等。所有这些因素的差异都会造成演示结果之间的迥异，可能有时候得出的数据误差过大，导致实验没有物理意义。特别是由于地震技术的进步，我们观测勘探新的地震不可能与原有的地震采用同样的采集、处理方式。时代在不断变化，技术也在一直革新，地震也在往多样性、复杂性去演变。这就决定了时移地震的监测观察，必须大力发展技术研究，提高采集信息数据的能力，不再是仅仅局限于一种或两种勘探方式，而是多种科技结合，共同加强对地震技术的研究，把由各种非地质因素引起的实验误差、测量误差降到最低限度。

四维地震数据处理主要采用归一化处理方法。把数据的时间、振幅、频率和相位归一化，是四维地震能不能成功处理好数据的重要部分。针对四维地震数据各个方面的差异，通过多个校正归一化算子分别对地震剖面的主要问题等方面进行匹配校正。要想正确处理校正差异，运用一种可以实现最高匹配度的滤波器，对着每条测线的有效震源信号来进行整改，使其与设置的用来参考的测线震源信号一致，从而计算出相匹配的校正匹配算子，最后再来进行校正[12]。然后通过石油随时间流逝，观测其开采量和注水量的变化，从而分析地震属性和差异性分布特征随时间变化的趋势。运用地震波阻抗有色反演技术获得地震波数据和油藏波数据，迅速有效地处理地震数据，提出合理高效的开发方案[13～14]。

5 四维地震的数据解释

数据采集是基础，数据处理则是维系的关系与纽带，而数据的分析与解释是展示勘探成果的关键阶段[15]。

把四维地震的数据解释看作是一个描述油藏变化过程的动态视图。四维地震数据解释不仅要把井位处的储集层信息推广至井间数据体，而且还要通过如差异性、相似性技术、储集层描述、地震模拟和储集层模拟等分析手段，辨析储集层中的流体驱替和泄油路径，根据油藏流体的特性，来动态地展示出直接图像，用来分辨当前区域是否是剩余油区[16]。由目前已有的资料得出，四维地震资料解释的方法可以分为三种。

5.1 直接分析方法

因为油气的产生会导致储集层物理性质（如流体因素、油井地层的压力和地层油气藏的温度等）的变化，这些变化就有可能会使监测三维地震资料时，收集到的储集层层间时差、速度振幅和分位点频率的数据不同甚至是迥异。通过对基础测量和监测测量这些特征的差值进行直接分析，就有概率可以辨别出流体驱替，来对采油增产的过程进行全方面的观测检查。其中有几个小方法：①层间时差分析法；②振幅分析法；③速度分析法；④频谱分析法。

5.2 地震属性分析方法

在四维地震资料的解释中，有时候会比较片面地运用时差、振幅和波阻抗，这就导致当储集层流体出现了特殊变化时，上述的方法就比较难以去详尽地描述。四维地震属性分析技术应包括四个方面：①地震属性的计算；②地震属性特征的优化；③地震属性特征的标定；④四维地震属性的聚类分析。

5.3 动态储集层描述方法

勘探与生产机构的最终方向是通过提高储量和通过增加投资效益的方式来扩大改良生产。如果想要实施高效的油藏管理，就要求对储集层特性及其在油田内的分布有着较为深入的研究了解。通过阐述该模型的通用性、相关性及动态性的活动范围，将其输入到项目软件中。最后通过运用各种项目原理和方法,可以对各种方面的观点、工作流程和数据传输进行深刻的思考与讨论[17]。

6 四维地震的前景与未来

四维地震技术是在三维地震技术的基础上带入了时空观念，对油田的管理与开采带来了新思想与新方法，对油气藏正确的布局和开采油气藏提供了良好的理论基础与实践。而四维地震之所以受到诸多石油公司的普遍重视，原因是目前世界上油田的平均采收率在35%左右，而其中大部分储量都是在老油区里面，如果采用适当的增产措施，四维地震技术可能会将平均采收率提高到70%左右，这是一个很惊人的数字。从老油田开采出更多的石油，这是有着重大意义的行为，和在新的地方勘探出新石油同样重要，而且前者还是一个回报率更突出的有效途径。四维地震项目的成功实现需要把多种技术结合起来，并且娴熟地使用各项技能，同时也要和各部门保持密切配合。对这种跨学科的决策和分析，要求四维地震的项目必须是综合性的。资料分析的性质也决定了四维地震项目组的组成同样是综合性的。从实际的角度来说，在对四维地震数据的分析与解释的过程中，就要求地质学家、地球物理学家、油藏工程师和油气物理学家互通有无，共同解决一个项目难题。同时，又因为所面对的是一个动态的、不断变化的问题，所以对资料的快速分析和解释也是必须放在首位去思考的问题。有数据证明，四维地震技术在勘探、开采、管理油气田上正在逐步地取代三维地震技术，并且将在未来的技术开发研究中起到至关重要的作用。目前，从全世界各国的人均石油开采率来看，我国还是处于中下游阶段，和西方国家还存在着技术上的差距。