优势角度叠加数据在复杂断块油田地震解释中的应用

杨 帅, 陈洪德, 陈安清, 钟怡江, 张成弓, 程立雪

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.中国石化 勘探南方分公司，成都 610041)

地震资料解释是油气地球物理勘探的基础和重要手段，传统的地震资料解释是通过叠后地震资料与测井资料的标定解释，从而描绘地下地质构造形态，也可深入到对储层进行精细描述，最终为油气勘探提供准确可靠的目标。常规的地震资料解释是基于全叠加的叠后数据来开展解释工作的，而不同尺度的地质体，具有不同的成像角度，所以全叠加资料容易模糊掉一些小尺度地质体的反射信息。虽然在资料处理过程中，叠前道集的处理技术可以提高道集的品质，但是由于叠前资料一般较大，且处理算法一般也比较复杂，重新处理或修饰性处理的代价非常大。

张军华等通过模型实验研究证实了角度域叠加资料的抗噪能力明显强于CMP叠加资料[1]，所以运用现有的叠前道集资料，对目的层成像角度进行分析，选择优势角度进行叠加，用优势角度叠加资料开展目的层的解释工作是一种快捷有效的办法。优势角度叠加的基本原则为：首先保证大角度不能超出最大偏移距范围，还需要保证大角度和小角度所对应的射线路径全都能扫描覆盖到目的层段，最后角度范围选择应该为目的层信噪比最高的部分。与全叠加资料相比, 优势角度叠加资料是一定角度范围内的地震资料部分叠加, 从而可以避免弱相位以及相位反转等异常在相互叠加中被抵消的缺陷, 具有信息量足和分辨率高的特点[2]。

要完成优势角度叠加，需要对叠前道集上的入射角与偏移距关系进行研究，然而随着偏移距的增大，入射角的估计引起的误差也会越来越大；加上由于资料处理过程中引起的振幅保真度也在逐渐降低，而且远偏移距地震资料的信噪比也较低，叠前反演中过多地应用远道数据资料反而会使反演结果的可靠性降低。所以有必要选择优势角度的叠加数据进行叠前反演。在纵波阻抗不能反映岩性差别时，优势角度叠加数据的叠前反演所获得的弹性阻抗及弹性参数对岩性预测非常有用。J.F.Ma提出的广义弹性阻抗克服了弹性阻抗的需要归一化[3]，假设纵横波速度之比为常数等不足。相对于纵波阻抗，在北部湾盆地复杂断块油田南块，通过敏感角度分析，敏感角度的广义弹性阻抗能够更好地区分砂泥岩，为优势角度、敏感角度广义弹性阻抗反演结果来识别岩性，预测砂岩分布范围奠定了基础。

1 研究区地震地质概况及问题

研究区位于南海西部北部湾盆地(图1)。该油田是一个典型的复杂陆相沉积断块油田，断块及油藏类型多，储层分布及连通性复杂，非均质性较强，导致油田各区块开发效果不一，剩余油分布情况复杂，产量下降快，因此有必要开展针对性的研究。

在该复杂断块油田的北块地区是以构造控制为主、受岩性分布影响的层状油藏，且后期受到断层的影响，导致区块与区块之间、砂体与砂体之间的连通性十分复杂，对目的层的储层砂体分布认识不清。探井A井与B井之间仅相距150 m，从目前B井的生产动态资料分析，其与A井并不连通，但地震剖面上反映不出(图2红圈)。根据沉积环境分析，该储层段沉积相模式为扇三角洲，A、B两井的砂岩为多期扇体叠置(图3)。由于A井与B井不连通，为两套砂体，推测为多期扇体叠置的砂岩中有泥岩隔层(图4)。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

全叠加地震数据受大角度(或大偏移距)资料的影响，难以区分储层间细微变化。因为大角度(或者大偏移距)资料在地震波传播过程中受地层的吸收衰减作用更强，在资料处理时动校正拉伸效应也更为严重。由于全叠加数据模糊了地震波的一些信息，无法反映砂体内部结构，因此，很难将一些细微变化体现出来，在全叠加剖面上，A井和B井表现为连通砂体。全叠加资料从波阻抗反演也很难区分开2口井的砂体叠置关系，这样就不利于储层连通性及储集空间的认识，储量估算及剩余油的分布情况也很难得到准确可靠的推断。因此，需要对叠前地震数据进行品质分析，选择优势成像角度，通过优势叠加资料重新对储层分布、砂体展布及连通性进行研究解释工作。

在该油田南块，目的层的岩性为砂泥岩的互层，砂层较薄且横向变化比较大，但是波阻抗差异小。根据钻井资料分析，常规波阻抗难以对砂泥岩进行区分，所以用传统叠后波阻抗反演和拟声波阻抗反演的方法进行储层分布预测效果不甚理想。而敏感角度的广义弹性阻抗能够很好地区分砂泥岩。为此采用优势角度叠加资料进行敏感角度的广义弹性阻抗反演，对目的层的砂岩分布进行了预测。

图2 过A井和B井的全叠加地震剖面Fig.2 Full stack seismic profile passing Well A and Well B

图3 多期扇体叠置平面分布示意图Fig.3 Plane distribution diagram of multi-phase fan stacking

图4 具泥岩隔层的多期扇体叠置剖面分布示意图Fig.4 Profile distribution diagram of multi-phase fan stacking with restraining barrier of shale

2 角度叠加原理与广义弹性阻抗

为了进行叠前道集的优势角度叠加，必须把t-x域的固定偏移距CDP道集的偏移距信息转换为入射角信息，再根据分析所得的优势角度范围进行资料重新叠加(图5)，所以需要研究偏移距x和入射角θ的关系。

2.1 入射角度与偏移距的关系

当地下介质假设为单层水平均匀介质时，如图6所示，入射角与偏移距的关系可用下式表示

tanθ=x/2z(1)

图5 角度叠加示意图Fig.5 Schematic diagram of the angle stack

图6 水平均匀介质反射示意图Fig.6 Schematic diagram of the level uniform medium reflection

其中：θ为入射角；x为偏移距；z为深度。

如果知道层速度，则

tanθ=x/vt0(2)

其中：v为层速度，也可用均方根速度或平均速度代替；t0为垂直入射双程旅行时间。利用上式可以将偏移距转换为入射角信息。

而实际地质模型为复杂的多层介质模型，此时采用射线参数法[4]来获得入射角信息。射线参数法以反射波时距曲线方程为基础，依据射线原理和Snell定律来推导入射角与偏移距的关系[5]，其最终表达式如下

(3)

上式表明，通过偏移距、层速度vint、均方根速度vRMS、垂直入射的双程旅行时间，即可获得复杂多层介质地震波传播的入射角信息。

2.2 广义弹性阻抗定义

常规的叠后波阻抗反演预测技术以地震波垂直入射的假设为基础；但实际的地震资料并非是自激自收的，地震资料的反射振幅是通过共反射点叠前道集叠加平均的结果，这样就不能够反映出地震反射振幅伴随偏移距或入射角度不同所产生的变化。为了克服这个缺点，Connolly(1999)提出了弹性阻抗(ZE)的概念[6]；而后来也出现了相对应的叠前弹性阻抗反演技术，即采用近偏移距地震叠加资料和测井资料反演出声波阻抗(ZA)，采用远偏移距地震叠加资料和测井资料反演出ZE。虽然这种方法对于获取AVO信息是有用的，但是这种方法假设纵波速度与横波速度的比值(K值)从浅层到深层保持某一常数不变，显然不切合实际情况，在实践中也证明了弹性阻抗ZE具有归一化不准确的问题。为克服这种局限性，针对弹性阻抗的不足， Whitcombe等提出了改进的弹性阻抗公式[7]。J.F.Ma(2003)在研究和实践的基础上，又提出了一种广义弹性阻抗(ZGE)的概念[3]。

所谓的广义弹性阻抗是对弹性阻抗概念的一种扩展，它不仅包括声阻抗(ZA)，而且也包括横波速度和另外的岩性参数，所以有利于岩性解释。广义弹性阻抗克服了弹性阻抗关于纵波与横波速度之比从浅层到深层保持某一常数不变的假设，随着入射角度的变化，其量纲不会发生很大变化[3]，所以就不需要像弹性阻抗作归一化的处理。J.F.Ma通过推导，给出了广义弹性阻抗的具体表达式如下

(4)

广义弹性阻抗的表达式具有直觉上的优势，很容易被使用。因为通过2个优势角度叠加地震数据可以反演获得2个不同角度的广义弹性阻抗ZGE(θ1)、ZGE(θ2)，这样就可以联合计算出纵横波速度比(vP/vS)、泊松比(μ)、声波阻抗(ZA)、横波阻抗(ZS)等岩性预测的有效参数，在声波阻抗不能对岩性进行有效区分的地区非常实用。

3 优势角度叠加数据的应用

3.1 研究区叠前偏移距道集资料分析

图7为A井与B井之间的4个叠前偏移距道集，彩色反映的是通过偏移距及速度、旅行时间所计算出来的角度信息，角度信息通过公式(3)计算求得。从图中可以看出角度大小和偏移距大小是一致的，即同一时间深度，大偏移距点对应大的入射角。另外，大角度(或远偏移距)的资料受更强的地层吸收衰减作用，或在资料处理时受动校正拉伸等因素的影响，在目的层入射角>40°的部分出现了明显的畸形及杂乱的特征(图7青绿色框内部)，所以对全叠加资料有很大的影响，不利于微小构造的分析及储层的精细解释。在目的层入射角<20°的部分，叠前道集的信噪比最高，在小角度部分(图7红色框内部)有几条同相轴，在大角度部分减弱或者消失。

3.2 优势角度叠加数据隔层识别及砂体分布预测

从图7中显示的角度信息及道集品质，在入射角<20°时，叠前偏移距道集上的波形特征较为稳定，其振幅和相位也相对可靠。为保证小角度所对应的射线路径在目的层段内，避免浅层小角度信息不全的影响，选择5°～20°作为优势角度进行叠加。过A井、B井的叠加效果剖面如图8所示，目的层段出现了一个明显的隔层(图8红圈内)，从而有利于解释2口井的连通性：A井和B井为2套砂体，砂体相互叠置，中间有隔层。

3.3 优势角度叠加数据在岩性预测中的应用

3.3.1 广义弹性阻抗对于岩性的敏感角度分析

通过对该复杂断块油田南区块目的层4段的测井资料研究分析(图9)，在目的层段，GR测井曲线能够很好地区分砂泥岩，而传统的波阻抗不能对砂泥岩进行有效的区分。

为了获得敏感角度，测试计算了多个角度的广义弹性阻抗结果，图9包含了ZGE(10°)、ZGE(18°)在目的层的计算结果，可以看出砂岩均表现为低值特征，泥岩表现为高值特征，相比较ZGE(18°)对于岩性变化更为敏感，可以有效地对砂泥岩进行区分，砂泥岩的门槛值界限可大致定于8 000。

图7 目的层的叠前偏移距道集及角度信息Fig.7 Pre-stack offset gathers and angle information of the purpose layer

3.3.2 反演及岩性预测

图10是研究区南块的叠前道集优势角度14°～22°(即敏感角度18°，部分角度叠加资料以中心角度作为其代表的角度)的叠加剖面，可以看出其信噪比较高，同相轴较连续，地震反射特征与岩性曲线(GR)吻合度高。通过基于模型的反演，获得其广义弹性阻抗反演结果(图11)，反演剖面基本保持了原始剖面的产状信息，与岩性对应较好。图12是沿目的层上层位的广义弹性阻抗反演结果的切片，色标设置依据8 000的门槛值，很明显地看出沿该层位的砂岩展布范围及特征。

图8 5°～20°叠加剖面Fig.8 5°～20° stack profile

图9 1井目的层测井曲线及敏感角度特征Fig.9 Logs and sensitive angle characteristics of Well 1 purpose layer

图10 过1井和2井的18°叠加剖面(14°～22°)Fig.10 18° stack profile passing Well 1 and Well 2

图11 过1井和2井的18°广义弹性阻抗反演剖面Fig.11 18° inversion profile of the generalized elastic impedance passing Well 1 and Well 2

图12 目的层上层位广义弹性阻抗反演切片Fig.12 Slice of the generalized elastic impedance on the top of the purpose layer

4 结 论

通过将偏移距信息转换为入射角信息来获得优势角度叠加数据，及其在研究区的2块资料解释中的应用效果表明：

a．在全叠加资料不能很好地解释储层分布特征，砂体连通性及其地震相特征不符合综合地质条件时，可以通过分析地震资料的叠前偏移距道集品质特征，选择优势成像角度资料进行叠加，这样获得的地震资料有利于储集空间的重新认识。

b．在敏感角度的广义弹性阻抗分析基础上，结合优势角度范围，获取的叠加资料用于广义弹性波阻抗反演，在常规波阻抗不能很好地区分岩性的工区，广义弹性阻抗的反演结果可作为岩性预测的重要资料。

[参考文献]

[1] 张军华，王静，梁晓腾，等.叠前去噪对角道集资料影响的定量评价研究[J].石油物探，2011，50(5)：434-443.

Zhang J H, Wang J, Liang X T,etal. Quantitative evaluation on the effect of prestack noise attenuation on angle gathers[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2011, 50(5): 434-443. (In Chinese)

[2] 郭栋，吴国忱.基于弹性波阻抗理论的岩性参数提取方法及应用[J].油气地球物理，2008，6(1)：16-20.

Guo D, Wu G S. The method and application of lithology parameter extraction based on elastic wave impedance[J]. Petroleum Geophysics, 2008, 6(1): 16-20. (In Chinese)

[3] 马劲风.地震勘探中广义弹性阻抗的正反演[J].地球物理学报，2003，46(1):118-124.

Ma J F. Forward modeling and inversion method of generalized elastic impedance in seismic exploration[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2003, 46(1): 118-124. (In Chinese)

[4] Bale R, Leaney S, Dumitru G. Offset-to-angle transformations for PP and PS AVO analysis[C]// SEG Int’l Exposition and Annual Meeting, San Antonio. 2001: 235-238.

[5] 贺振华，黄德济，文晓涛.裂缝油气藏地球物理预测[M].四川：四川科学技术出版社，2007.

He Z H, Huang D J, Wen X T. Geophysical Predictive Theory and Technique on Fractured Reservoir[M]. Chengdu: Sichuan Science and Technology Press, 2007. (In Chinese)

[6] Connolly P. Elastic impedance[J]. The Leading Edge, 1999, 18(4): 438-452.

[7] Whitcombe D N. Elastic impedance normalization[J]. Geophysics, 2002, 67: 60-62.

[8] Whitcombe D N, Connolly P, Reagan R L,etal. Extended elastic impedance for fluid and lithology prediction[J]. Geophysics, 2002, 67: 63-67.

[9] Ma J F. Generalized elastic impedance[C]//73th SEG Annual Meeting, Expanded Abstracts. Dallas: AVO, 2003: 254-257.

[10] Ma J F, Morozov I B. Ray-path elastic impedance[C]//CSEG National Convention. Calgary: AVO, 2004: 1-4.

[11] 周义军，李喜瑞.敏感角度弹性阻抗在流体预测中的应用[J].石油地球物理勘探，2010，45(5):710-713.

Zhou Y J, Li X R. Application of sensitive angle elastic impedance in fluid prediction[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2010, 45(5): 710-713. (In Chinese)

[12] 王端平，柳强.复杂断块油田精细油藏描述[J].石油学报，2000,21(6)：111-116.

Wang D P, Liu Q. Fine reservoir description of complex fault-block oil field[J]. Acta Petrolei Sinica, 2000, 21(6): 111-116. (In Chinese)

[13] 陆基孟.地震勘探原理[M].北京：中国石油大学出版社，1993.

Lu J M. The Principle of Seismic Exploration[M]. Beijing: China University of Petroleum Press, 1993. (In Chinese)

[14] 熊翥.复杂地区地震数据处理思路[M].北京:石油工业出版社,2002.

Xiong Z. Idea of Seismic Data Processing in Complex Area[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2002. (In Chinese)

[15] 程玉坤，冉建斌，肖伟.基于CRP道集的叠前处理技术及应用[J].勘探地球物理进展，2008，31(1):38-43.

Chen Y K, Ran J B, Xiao W. CRP gather based prestack data processing and its application[J]. Progress in Exploration Geophysics, 2008, 31(1): 38-43. (In Chinese)

[16] 唐湘容，贺振华，黄德济.扩展弹性阻抗理论入射角与实际入射角的等效关系研究[J].石油物探，2008，47(6):559-562.

Tang X R, He Z H, Huang D J. Study of equivalent relation of extended elastic impedance theoretical angle and actual incident angle[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2008, 47(6): 559-562. (In Chinese)