玉北地区碳酸盐岩缝洞型储层精细成像方法应用研究

李 鹏,刘志成,杨 楠,刘小民,杨瑞娟

(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)

玉北地区碳酸盐岩缝洞型储层精细成像方法应用研究

李 鹏,刘志成,杨 楠,刘小民,杨瑞娟

(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)

针对新疆塔里木盆地玉北地区目标储层埋藏深、非均质性强以及地震资料信噪比低、波场复杂的特点,以逆时叠前深度偏移成像为核心、深度域速度建模为关键、保真的弱信号补偿为基础,建立了一套面向玉北碳酸盐岩缝洞型储层的高精度地震成像技术流程。将该技术流程应用于玉北6井区474km2实际三维地震资料处理,所得结果与传统叠前时间偏移结果对比分析表明,该技术流程对于复杂构造带成像、“串珠”成像、缝洞储层刻画等具有明显的优势,有效提高了研究区奥陶系碳酸盐岩缝洞型目标储层的成像精度。

逆时偏移(RTM)；速度建模；弱信号补偿；缝洞储层

玉北地区古地貌特征复杂,由于长期的风化淋滤及岩溶作用,风化面附近形成了良好的储层,为油气聚集提供了优越的储集空间,成为塔里木盆地具有勘探前景的油气聚集区带。但玉北地区奥陶系岩溶缝洞型目标储层埋藏深、类型复杂、储层非均性强的地质特点造成资料信噪比低、地震波场复杂等一系列地球物理难题,对后续的速度建模和地震成像带来更高要求。基于全声波方程的逆时偏移(RTM)技术克服了偏移倾角和偏移孔径的限制,具有相位准确、成像精度高、保幅性能好、对纵横向剧烈速度变化和高陡倾角构造适应性强、甚至可以利用回转波、多次波等特殊类型波场正确成像等优点,是目前高度复杂介质高精度地震成像的理想技术手段。

Whitemore[1]早在20世纪80年代就提出了RTM的概念,但受限于海量计算和存储以及特有低频噪声等技术瓶颈，RTM技术一直没有能够实现实用化。近年来随着计算机软硬件技术的飞速发展,RTM技术在实际生产中得到了越来越广泛的应用。借鉴求解波动方程的三类主流算法:有限差分法、伪谱法和有限元法,Wu等[2]、刘红伟等[3]、刘定进等[4]发展了高阶有限差分RTM技术,孙文博等[5]、薛东川等[6]和李信富等[7]分别发展了伪谱法RTM技术和有限元RTM技术,而董渊等[8]和王童奎等[9]根据这三类方法的优缺点又分别实现了RTM的有限元—有限差分混合解法和有限元—伪谱混合解法;为了解决RTM海量计算、海量存储、低频噪声等技术瓶颈问题,李博等[10]、赵磊等[11]在GPU平台上实现了RTM,刘红伟等[12]深入分析了RTM产生的特有低频噪声和存储需求并提出了解决方案;随着RTM的实用化程度的提高,一些学者又将该技术拓展到新的领域,张美根等[13]实现了各向异性RTM,底青云[14]、陈可洋[15]、张会星[16]等人实现了弹性波RTM,Zhang等[17-18]实现了真振幅RTM,刘红伟等[19]实现了起伏地表RTM。

本文根据玉北地区地震资料的特点和处理要求,从影响地震成像精度的3个要素:①正确反映地下地质情况的品质较好的地震数据;②与地下地质情况匹配较好的速度模型;③高精度偏移成像方法出发,建立了一套以RTM叠前深度偏移成像为核心、深度域速度建模为关键、保真的弱信号补偿为基础的面向玉北地区碳酸盐岩缝洞型储层的高精度地震成像技术流程。

1 地震资料的弱信号补偿

玉北地区地震资料一方面受地表沙丘的影响;

另一方面由于目标储层埋藏深、波阻抗差异小等原因,奥陶系内部信噪比低,有效波信号湮没在噪声中,常规的叠前去噪技术很难在去噪过程中对弱信号保护进行有效监控,容易损失有效信号而影响到最终的成像效果。弱信号补偿技术在原始单炮上对有效弱信号进行补偿,在此基础上再对不同类型的噪声进行压制,在压制过程中能够较好地实施质量控制,最大限度地保留有效信号,进而提高成像品质。其基本思路是利用原始数据CMP道集构建宏面元,通过Hilbert变换(公式(1))得到正弦、余弦相位(公式(2))道集和瞬时能量(公式(3))道集,经子波自识别和能量、相位以及频率恢复后实现保真重构(公式(4)),输出信号补偿道集用于后续处理。其优点是将振幅和相位进行分离,对相位处理的同时,能保护振幅的原始特性。

(1)

(2)

(3)

(4)

图1为弱信号补偿前、后的单炮记录对比,可以看到，经过弱信号补偿后单炮层间尤其是深层有效信息得到较明显的补偿,而在补偿前后单炮记录差值中也几乎看不到有效信息,进一步印证了本方法的振幅保真性。图2 为弱信号补偿前、后的速度谱和超道集对比,可以看到，补偿后速度谱的品质更高,有效信号能量团聚集得非常好,为后续速度分析与提高建模精度提供了保障。图3是弱信号补偿前、后叠加剖面对比,补偿后剖面信噪比明显提高,尤其碳酸盐岩目标储层(图中绿线框)的波场丰富,地层之间的接触关系更加清晰。而从信噪比模型对比图上(图4)可以看到，补偿后信噪比剖面较为均衡,信噪比明显提高,这有利于后续的地震偏移成像处理。

图1 弱信号补偿前(a)、后(b)单炮记录及单炮记录补偿前后的差值(c)

图2 弱信号补偿前(a)、后(b)的速度谱及超道集

图3 弱信号补偿前(a)、后(b)的叠加剖面

图4 弱信号补偿前(a)、后(b)信噪比模型对比

2 递进式深度域速度分析与建模

对于任何偏移方法,速度模型的正确性都是决定构造成像质量的关键,尤其是RTM算法对速度模型的依赖性更强、反应更敏感、要求更高。而玉北地区碳酸盐岩裂缝、溶蚀孔洞型目标储层的储集空间类型多样,空间配置复杂,而且规模、尺度不同,因而地震响应特征复杂,增加了速度分析与建模的难度。面向RTM的速度建模过程是一个处理解释一体化的过程,主要包括初始模型建立和模型优化迭代两个步骤。图5为面向RTM的递进式深度域速度分析与建模流程。

2.1 初始模型的建立

初始模型的建立非常关键,建立一个比较准确的初始模型直接决定了后期速度模型修正的精度和迭代效率。由于叠前时间偏移对速度的敏感度较小,我们首先进行基于叠前时间偏移的速度分析,并采用剩余速度自动拾取的方法修正偏移速度场,经多次迭代后得到最优的时间域瞬时层速度模型,为叠前深度偏移的初始模型的建立奠定良好的基础;然后以地质模型为约束条件,沿解释的层位从瞬时层速度体上提取各层的层速度,再经过平滑处理形成初始层速度;利用初始层速度，将时间域实体模型转化为深度域实体模型;将层速度充填到深度域实体模型中就得到了一个比较理想的初始深度域速度模型。图6分别为获得的深度域初始速度模型和对应的叠前深度偏移剖面与共成像点道集,可以看到剖面大套地层结构清晰,地震资料信噪比高,古生界以上地震反射资料品质好,说明建立的初始速度模型整体精度较高;但同时可以看到在中深层(尤其是奥陶系碳酸盐岩目标储层)成像品质不高、道集同相轴不平,说明该层位速度模型精度还有进一步提高的必要。

图5 面向RTM的递进式深度域速度分析与建模流程

图6 深度域初始速度模型(a)、叠前深度偏移剖面(b)和共成像点道集(c)

2.2 速度模型的迭代与修正

与叠前时间偏移相比,叠前深度偏移对速度的敏感性更高。为了获得精度更高的可靠速度模型,我们借助叠前深度偏移方法,采用递进式思路对速度模型进行进一步细化。首先利用垂向速度分析技术进行第一轮迭代,经过多次迭代可获得垂向变化的精度较高的连续介质模型;然后利用基于层位的层析成像技术进行第二轮迭代,这种技术引入了更多的地质解释方案,并考虑了联络线方向的闭合,由此获得的横向和垂向上均有变化的速度模型更加符合地质发育史的连续沉积和地层压实作用,能够保证成像结果在主要地质界面(即大套地层模型中的解释层)成像清楚;由于基于层位的层析成像主要考虑大套层位的平均层速度,对层速度具有平均效应,对层内大部分同相轴是合适的,而对那些层间速度异常或层间速度变化较大的区域却可能还有一些局部速度误差,因此我们再利用基于网格层析成像技术进行第三轮迭代,对速度模型进行精细修正,最终得到与地下地质构造匹配度较高的可靠速度模型，为RTM应用提供支撑。图7和图8分别为由初始速度模型和三轮迭代修正的最终速度模型获得的叠前深度偏移剖面与共成像点道集,可以看到经三轮迭代修正后，剖面(图8)的质量得到进一步提高,尤其是奥陶系碳酸盐岩目标储层的成像品质得到较大幅度改进,一些弱小缝洞异常体刻画得更清楚,成像道集也校得更平,说明速度模型的精度更高。图9 所示的最终速度模型与叠前深度偏移剖面叠合图也表明速度模型与地下的地质情况吻合非常好。

图7 初始速度模型叠前深度偏移剖面(a)与共成像点道集(b)

图8 经3轮迭代后的最终速度模型叠前深度偏移剖面(a)与共成像点道集(b)

图9 最终速度模型与叠前深度偏移剖面叠合显示

3 保幅的逆时偏移成像

玉北地区地震资料的整体品质较高,传统的叠前时间偏移剖面上大套地层结构清晰,信噪比高,古生界以上地震反射资料品质好。但奥陶系内幕目标储层在信噪比、缝洞成像精度、地层之间接触关系等方面无法满足储层精细描述的需求。究其原因，一方面在于碳酸盐岩储层速度横向变化剧烈、地震波场复杂,基于地下横向均匀理论的叠前时间偏移不再适用,需要理论更先进的成像方法提供支撑;另一方面小规模、小尺度缝洞储层对振幅保真性提出了更高的要求。基于双程波动理论的逆时偏移技术遵循了波的绕射、反射和折射定律,能够较好地处理复杂介质中的复杂波场问题,能自然地处理多路径问题以及由速度变化引起的聚焦或焦散效应,并具有很好的振幅保持特性,是玉北地区碳酸盐岩缝洞储层高精度地震成像的理想手段。

3.1 紧致差分波场延拓算子

选取一种计算精度好、效率高的正演算法是RTM技术的核心。现有的地震波正演手段大致可分为3类:有限差分法、有限元法和伪谱法。相对于另两种方法,有限差分法凭借其算法简单快速、对速度场任意变化适应性强的理论优势仍然占据工业应用的主要位置。

从全声波方程出发:

(5)

式中:c(x,y,z)表示地下介质速度；p(x,y,z,t)为地表接收波场，为了使波场延拓精度更高,平衡模拟精度与计算量,本文引入隐式的紧致差分格式对方程(5)进行求解,形成基于优化的五对角紧致差分RTM波场延拓算子,(6)式为该偏移波场延拓算子方程：

βp″i-2+αp″i-1+p″i+αp″i+1+βp″i+2=

(6)

式中：p为计算波场；i为离散化为空间坐标；h是空间采样间隔；α,β,a,b和c都是紧致差分系数。

图10为传统高阶有限差分和本文紧致差分算子在均匀介质中的脉冲响应,空间网格参数Δx和Δy都为20m,深度步长Δz为10m,均匀介质的速度为c=2000m/s,所用雷克子波主频为fpeak=30Hz。图10a为高阶有限差分RTM算子(时间2阶、空间8阶)的脉冲响应,可以看到频散比较严重,如果在此基础上提高精度就得减小空间网格参数,这样计算量和存储需求就会急剧上升。而本文紧致差分算子的脉冲响应频散压制比较干净,说明了紧致差分格式能够在相同的基架上构造出更高精度的差分格式,可以保证波场在传播过程中频散更小和递推过程更加稳定(图10b)。

3.2 动力学成像条件

成像条件是波动类地震偏移成像方法的另外一个核心要素。本文采用带阻尼因子的动力学成像条件,其理论公式可以表示为:

(7)

式中：tmax是最大记录时间；Ss(x,y,z,t)为正向外推的震源波场；Rs(x,y,z,t)为反向外推的记录波场；I(x,y,z)为点(x,y,z)的成像结果。

RTM波场延拓算子具有非常好的振幅保真性能,动力学成像条件也具有比较高的振幅保真性,两者结合形成了构造成像精度高、振幅保真性好的RTM技术。这种振幅保真性高的RTM技术系列不但有助于碳酸盐岩缝洞型特殊储层的精确成像,而且可以为后续的AVO等属性分析提供更真实的地震信息,促进更深层次的勘探开发。

图10 RTM算子在均匀介质中的脉冲响应

4 实际资料应用效果分析

本研究对塔里木盆地玉北地区玉北6井区474km2实际三维地震资料进行了常规叠前时间偏移处理(PSTM)和逆时叠前深度偏移处理(RTM),野外采集面元25m×25m,总炮数27929炮,采用的计算孔径纵向13600m和横向7000m,频带范围4～70Hz,时间延拓步长为0.5ms,最大延拓时间为8.0s。相干属性分析技术和振幅变化率属性分析技术被广泛应用于塔里木盆地碳酸盐岩缝洞型储层预测[20-24],本研究利用地震剖面对比、地震相干属性分析和振幅变化率属性分析等技术进行了PSTM和RTM偏移成像效果的对比。

PSTM和RTM偏移成像结果对比分析发现,逆时叠前深度偏移成像在高陡构造带的断面成像更加清晰、地震剖面中“串珠”成像更精细、“串珠”的形态更规整、“串珠”能量与围岩的差异更加明显(图11),平面相干属性分析图中(图12),逆时偏移对大断裂的成像更加清楚,局部小断裂成像更为清晰;通过振幅变化率属性分析(图13),在工区南部,逆时偏移结果中“串珠”的个数明显增多(图13b)。逆时偏移技术明显提高了玉北地区奥陶系碳酸盐岩缝洞储层成像的精度。

图11 PSTM成像结果(a)与RTM成像结果(b)对比

图12 鹰山组顶面沿层相干属性分析剖面

图13 鹰山组沿层振幅变化率属性分析

5 结束语

针对玉北地区碳酸盐岩目标储层埋藏深、类型复杂、储层非均性强的地质特点造成的资料信噪比低、地震波场复杂等一系列地球物理难题，本文采用弱信号补偿技术对碳酸盐岩目标储层中弱有效信号的能量、相位以及频率实现保真重构,有效地解决了埋藏深、波阻抗差异小导致的低信噪比问题,为后续的速度建模与地震成像奠定了良好的数据基础;采用递进式深度域速度建模技术为后续的RTM成像建立了与地下地质结构匹配较好的可靠速度模型;采用基于紧致差分的保幅RTM地震成像技术有效解决了碳酸盐岩缝洞储层非均性强、波场复杂问题,从而建立了一套以RTM逆时偏移技术为核心的高精度地震成像技术流程,并将该技术流程应用于玉北6井区474km2实际三维地震资料处理，取得了较好的应用效果。不仅提高了研究区小“串珠”、小断裂和奥陶系内幕地层成像的精度,同时,“串珠”的空间位置更加准确,为该区后续储层预测、井位部署等提供了高品质的地震资料。

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(编辑：朱文杰)

Application of fine target reservoir imaging in fractured-vuggy carbonate reservoir Yubei area

Li Peng,Liu Zhicheng,Yang Nan,Liu Xiaomin,Yang Ruijuan

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

The target reservoir of Yubei area in the Tarim Basin has complex characteristics,including deep buried,strong heterogeneity,complex reflected wavefield and low signal-to-noise ratio for seismic data.In view of this,we created a high resolution reverse time migration imaging technical workflow for Yubei fractured-vuggy carbonate reservoir based on depth domain velocity model building and high fidelity weak signal compensation.We applied the technology on an area of 474km23D seismic data in Yubei 6 well region.Compared with the conventional prestack time migration,our technique technology has obvious advantages in the complicated structure imaging,“moniliform” imaging and fractured-vuggy reservoir characterization,and effectively improve the imaging precision of Ordovician fractured-vuggy carbonate target reservoir.

reverse time migration,velocity model building,weak signal compensation,fractured-vuggy reservoir

2014-12-28;改回日期：2015-04-15。

李鹏(1979—),男,工程师,主要从事地震资料处理方法研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)04-0443-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.011