基于地震正演的断层阴影校正技术及其在南海A油田的应用研究

宋亚民，赵红娟，董　政

(中国海洋石油有限公司 深圳分公司研究院,广东 深圳 510240)



基于地震正演的断层阴影校正技术及其在南海A油田的应用研究

宋亚民，赵红娟，董政

(中国海洋石油有限公司 深圳分公司研究院,广东 深圳 510240)

断层阴影问题在南海东部地区是普遍存在的，当油藏位于断层阴影带范围内时，不论是时间域还是深度域地震成像都常常出现偏离真实构造形态的情况，对油田勘探开发过程中的井位部署及储量估算都有较大的影响，在地震资料解释过程中，有必要对断层阴影问题开展深入研究，合理预判断层阴影有无，并尽可能消除断层阴影的影响，还原真实的构造形态。为此，以南海A油田开发阶段遇到的具有一定代表性的断层阴影问题为出发点，结合海相地层通常横向分布稳定的特点，根据井、震资料构建二维地质模型，从波动方程模型正演入手，对比分析了真实速度情况下利用Kirchhoff叠前时间偏移和叠前深度偏移方法对断层阴影带的构造成像差异，指出该差异正是断层阴影区存在横向速度突变的结果，可以作为定性判断断层阴影有无的直观依据，并进一步提出了一套基于地震正演模拟的断层阴影定量校正方法，在油田生产实践中取得了较好的应用效果，为地震资料解释过程中预判及消除断层阴影提供了新的研究思路和经济的技术手段，对南海东部地区类似断层阴影问题的研究具有一定的指导借鉴意义。

断层阴影校正；波动方程正演；叠前时间偏移；叠前深度偏移

1　引　言

通常所谓的断层阴影是指断层下方三角形区域内的地震成像畸变，畸变在时间域地震剖面上通常表现为地震同相轴的“上拉、下拉”以及由此引起的同相轴错断现象。受断层控制的油气藏广泛存在，在油田实际勘探开发中，经常见到钻在断层下方时间高点的井明显偏离深度构造的例子。

断层阴影问题本质上是速度横向突变问题。一方面，断层导致的地层缺失使得断层区域内地层速度横向变化异常。另一方面，对于具有控制沉积作用的断层，其上、下盘地层沉积差异也会使得地层横向速度突变。因此，断层倾角通常控制了断层阴影的范围，断层断距及断层性质控制了断层阴影的大小。在地震资料处理过程中，当地层存在横向速度变化时，无法满足时间域地震偏移成像所要求的层状均匀介质模型的假设，从而导致时间域地震偏移成像与真实的构造形态不符。这种时间偏移成像畸变通过真实的速度模型进行时深转换，无法消除。目前对于时间域偏移成像产生的畸变问题，普遍采用叠前深度偏移方法来解决[1]，并且取得了较好的效果[2-4]。理论上来讲，叠前深度偏移是理想的改善复杂地区和强横向速度变化的地震资料成像技术[5]，但其成像过程对层速度场比较敏感，当速度场不准确时，叠前深度偏移效果不佳[6,7]。然而在实际地震资料处理过程中，往往难以建立精确的层速度模型，因此，叠前深度偏移方法在实际生产应用中也常会出现无法解决断层阴影问题的情况。

断层阴影问题仍然是当前油田勘探开发进程中的一大难题，目前针对该难题主要是从地震资料处理方法入手，主要包括偏移方法的研究以及速度建模方法的研究等[8-10]。在地震资料解释过程中，对于断层阴影的定性判别及定量校正方法则探讨较少。在油田勘探开发过程中，当实际地震资料不满足需求时，由于缺少断层阴影的定性预判及定量校正方法，常常导致断层阴影区的构造认识难以落实，甚至认识出现偏差，往往需要依靠钻井才能进一步落实构造，大大增加了经济成本，给油田勘探开发的井位部署和地质储量的准确估算带来了较大的影响。

波动方程正演模拟技术是帮助人们认识地震波场传播过程中的运动学及动力学特征的有效手段，在地震资料采集观测系统设计[11]、地震资料解释[12,13]、储层地震响应特征研究[14,15]等方面都取得了较好的应用效果。本文以南海A油田为例，针对断层下方构造假高点问题，在波动方程模型正演基础上，对比分析了利用真实速度场进行Kirchhoff叠前时间偏移及叠前深度偏移处理对断层阴影带的构造成像造成的差异，揭示了该油田断层阴影的特点，指出利用真实速度场进行Kirchhoff叠前时间偏移和叠前深度偏移得到的结果所反映出的断层阴影带的构造差异，可以作为判断断层阴影存在依据，并在此基础上提出了一套定量的断层阴影校正技术，在油田的实际生产应用中取得了较好的效果，为地震资料解释过程中预判及消除断层阴影提供了新的研究思路和经济的技术手段，对南海东部地区断层阴影问题的研究具有一定的指导借鉴意义。

2　工区构造假高点

南海A油田位于北断南超的箕状断陷的缓坡带，为一断层遮挡的翘倾断背斜油藏，其叠前时间偏移地震剖面上断层下方构造高点特征明显(图1a中黑框所示)， 叠前深度偏移地震剖面上也有类似特征(图1b中黑框所示)。在油田开发早期，普遍认为该构造高点是真实存在的，但考虑到断层的影响以及该部位地震反射杂乱的特点，也不排除是断层阴影导致的构造畸变的可能，其真实性在现有地震资料及偏移叠加速度等资料基础上都无法做出准确的判别，这将直接影响到地质储量的评估及开发方案的部署。面对这一难题，普遍的应对策略是针对油田区域开展地震资料重处理或者依靠进一步的钻井来证实。

图1　叠前时间偏移和叠前深度偏移剖面Fig.1　Pre-stack time migration section and pre-stack depth migration section

在南海A油田的开发阶段，采取了打大斜度井的方式，在兼顾浅层开发的同时预探该部位的构造特征，钻井结果表明，实钻结果较预测偏深，该构造高点事实上并不存在。钻后综合分析认为，地震剖面上的构造高点是断层阴影导致的地震成像畸变，断层区域由于地层断失以及断层上、下盘沉积差异，导致地层速度横向变化，因而处理过程中无法建立真实的速度模型，使得叠前深度偏移结果不能真实地反映构造特征。

对于类似的断层阴影问题，若单纯依靠钻井来落实构造的有无，无疑会大大增加油田的开采成本，并影响到开发方案的合理部署。在油田开发早期，采用相对经济的技术手段对断层阴影是否存在及影响大小进行提前预判，并予以消除是很有必要的，当依靠现有的叠前深度偏移资料不能对断层阴影的有无及影响大小作出判断时，有必要寻求新的方法来落实断层阴影带的构造特征。

3　技术思路

地震正演技术是以弹性介质中的波场传播理论为基础，在计算机环境下，模拟地震资料的采集和处理过程，以指导实际地震资料采集、处理及解释的技术。对于前文所述的断层阴影问题，考虑从地震正演入手，首先利用实钻井资料和地震资料构建地质模型，通过模拟人工地震资料采集的方式获取模拟炮记录；然后在真实模型速度情况下对炮纪录分别进行叠前时间偏移和叠前深度偏移处理，得到类似于实际地震资料的正演地震剖面；最后在此基础上通过对比分析及计算，判断断层阴影的有无，并计算断层阴影的大小。

理论上，叠前时间偏移对速度不敏感，若模型构建合理，则正演时间剖面和实际叠前时间偏移剖面具有类似特征；而叠前深度偏移方法对速度敏感，当实际资料处理过程中深度—速度模型构建不准时，实际的叠前深度偏移剖面和利用真实模型速度偏移得到的正演深度剖面会有较大的差异，在这种情况下，利用实际的叠前深度偏移资料无法辅助断层阴影的解释。当正演叠前时间偏移和深度偏移剖面所反映的构造特征在断层三角带存在较大差异时，表明断层附近存在横向速度突变，即存在断层阴影问题。由于断层阴影问题本质上是断层附近横向速度突变的结果，并且断层附近的速度往往难以准确获取。因此，首先考虑用断层三角带之外不受断层阴影影响的已钻井(标准井)的时深关系代替断层阴影区的时深关系，进而对实际叠前时间偏移资料的层位解释结果进行时深转换；然后利用地震正演的结果和标准井的时深关系，对正演得到的Kirchhoff叠前时间偏移剖面上最大畸变点处的时间转深，得到最大畸变点的模拟深度；并与最大畸变点对应的地质模型深度求差，求取相应层位最大畸变点处的相对校正量(最大校正量)；再结合畸变边界，在时间层位解释结果约束下插值构建校正量网格；最后用该校正量网格对断层阴影区进行校正。具体技术路线如图2所示。

图2　技术路线Fig.2　Technology roadmap

4　模型建立与波动方程正演模拟

在依靠现有地震资料无法判定构造高点是断层阴影导致的构造畸变还是真实的构造形态时，考虑从地震正演入手进行研究。首先选取过目标区和实钻井的地震剖面作为研究对象，根据各层钻井深度和叠前时间偏移地震剖面上相应层位的解释结果，计算得到各层段的层速度；然后用Gardner公式转换得到各层段密度；最后结合各层段的层速度、密度信息以及叠前深度偏移剖面上解释的层位趋势构建二维正演模型(图3)，并开展波动方程正演模拟，各层段的层速度参数如图3右侧表中所示。

对图3所示的地质模型进行波动方程正演模拟，得到的单炮记录如图4 所示。模拟采用的观测系统参数为炮间距100 m，道间距20 m，采用30 Hz雷克子波，1 ms采样。为了消除采集方向的影响，采用固定接收排列，移动炮点的方式模拟采集。

为了便于与实际地震资料对比，采用与实际地震资料处理相同的方法， 对正演所得的炮集记录分别进行Kirchhoff叠前时间偏移和叠前深度偏移，时间和深度偏移速度分别采用图3地质模型转换得到的真实的均方根速度和层速度，偏移处理得到主要目的层段(HJ2-17至ZJ2-11)的叠前深度偏移剖面如图5(a)所示、叠前时间偏移剖面如图5(b)所示。对比图5(a)和图5(b)可见，正演得到的叠前时间偏移和叠前深度偏移剖面在断层附近成像差异较大，叠前深度偏移剖面断层下方无构造高点现象，和图3所示的地质模型吻合得较好，能够反映真实的构造形态特征；叠前时间偏移剖面上断层下方构造高点特征明显，各层高点分布在一条竖直的直线上(如图5b中黄色框部位所示)，和实际地震资料(如图1a中黑框部位)所反映的构造特征相似，与真实的构造形态差异较大。

图3　二维正演模型及层速度参数Fig.3　Two dimension forward model and interval velocity parameters

图4　正演炮纪录Fig.4　Shot gather of the forward model

对比地震正演结果及实际地震资料特征，可以得到以下两点认识：1)研究区存在断层阴影问题，Kirchhoff叠前时间偏移方法无法对断层阴影部位的构造进行准确成像，并且会出现假构造高点特征；2)当速度场准确时，叠前深度偏移可以消除断层阴影的影响，呈现真实的构造形态特征，而叠前时间偏移无法消除断层阴影的影响，表现为假构造特征。总之，在地震正演得到的真实速度场情况下，其叠前时间偏移和叠前深度偏移结果所反映的构造形态有无差异可以作为定性判断断层阴影有无的依据。实际的叠前深度偏移资料并没有消除断层阴影的影响，其原因可能是叠前深度偏移处理过程中无法建立准确的速度场。

图5　目的层段正演Kirchhoff 叠前深度偏移和叠前时间偏移剖面Fig.5　Kirchhoff pre-stack depth migration section and pre-stack time migration section by forward modeling

5　断层阴影校正技术

在油田实际勘探开发过程中，除了需要定性判断断层阴影的有无外，还需要定量求取断层阴影校正量，进而得到真实的构造认识。叠前深度偏移处理没能消除断层阴影的主要原因在于对断层区域速度的求取不准，在速度无法准确求取的情况下，对断层阴影区用时间域地震解释结果通过时深转换构造成图得到的构造认识，往往与真实构造有较大偏差，这种偏差一方面是因为用于时深转换的速度场难以准确求取，另一方面是因为时间域偏移成像有缺陷。为了同时消除这两方面的影响，还原断层下方的真实构造形态，考虑用断层区域附近不受断层影响的实钻井的时深关系代替断层区域求取的不准的时深关系，对时间域构造解释结果进行时深转换，并对断层附近的深度构造进行校正，校正量利用地震正演结果求取。具体步骤如下：

1)选取断层区域附近尽量靠近断层但不受断层影响的井作为标准井，选取过标准井和断层阴影区构造畸变最明显部位的叠前深度偏移剖面等比例构建地层趋势模型，用该井的实钻结果赋予模型各层段厚度、层速度和密度参数，使得模型尽量符合真实地质形态，同时也确保模型参数与实钻井吻合。

2)结合工区实际，选择合适的采集参数对建好的模型进行波动方程正演，并采用与实际地震资料一致的处理方法对正演得到的炮纪录进行时间域偏移处理。

3)在正演得到的时间偏移剖面上标定出各层对应的同相轴(如图5b所示)，检查与标准井对应位置的正演地震道的时深关系是否与井点时深关系一致，若差别较大，需检查模型参数的设置是否与井资料吻合。

4)在正演得到的时间偏移剖面上拾取断层阴影区各层构造畸变最明显部位的时间Ti及对应的正演模型上的深度Di，将Ti代入标准井的时深关系计算出相应的深度Dir，则该点的校正量为H=Di-Dir。若校正量为正值，表示同相轴上拉畸变；反之为下拉畸变。

5)用标准井的时深关系对断层阴影区叠前时间偏移资料上层位解释结果进行时深转换，得到各层的构造深度，并从原始时间域地震剖面上识别出畸变边界，沿边界定义校正量零线，以4)中得到的各层校正量为中心，以校正量零线为边界，以时间域等T0构造趋势为约束，插值得到各层校正量网格，用该校正量网格对相应层的断层阴影区域进行校正。

6　应用效果分析

ZJ2-07层为南海A油田的主力油层，从时间域等T0图(图6)上可见，西南断层附近有明显的构造高点，用X-1井的时深关系对其进行时深转换后得到深度域构造图(图7)，该图上同样具有明显的高点特征，并且X-2井实钻结果与用X-1井的时深关系进行时深转换后得到的结果基本一致，表明在油田范围内地层横向相对稳定。因此在油田开发初期，落实西南断层附近的构造将直接影响到开发井位的部署以及储量的估算。

前文的波动方程正演成果足以说明油田西南断层附近的构造高点为断层阴影导致的假构造高点，为了落实该部位构造认识，还需进一步求取断层阴影的校正量网格，并对该部位构造进行校正。

图7　ZJ2-07校正前构造Fig.7　Structural map of ZJ2-07 before correction

图8　校正量网格Fig.8　Correction mesh

图9　ZJ2-07校正后构造Fig.9　Structural map of ZJ2-07 after correction

因此在前文研究基础上，按照断层阴影校正量的求取方法，求得畸变最明显位置的断层阴影校正量为20 m；并从实际地震剖面上拾取构造畸变零线，在等T0 构造趋势约束下，插值得到校正量网格，如图8所示；再用该校正量网格对深度构造图(图7)进行校正，结果如图9所示。后期X-3井实钻结果表明，断层阴影部位经校正后构造误差在1 m以内。

7　结　论

1)基于绕射积分理论的叠前时间偏移方法无法对断层阴影部位的构造特征进行真实成像，在速度不准的情况下，叠前深度偏移的结果也不可靠。在实际工作中，对地震反射特征及地质情况需要综合考虑，注意甄别真假构造。当依靠叠前时间偏移和叠前深度偏移资料均无法提前预判断层阴影的有无及影响大小时，可以综合利用已有钻井和地震资料构建地质模型，开展地震正演研究，并通过对比正演得到的真实速度情况下叠前时间偏移和叠前深度偏移剖面所反映的构造形态异同，得到断层阴影是否存在的定性判断。

2)基于波动方程正演定量求取断层阴影校正量的方法操作简单、经济适用，在油田开发阶段，可以充分发挥井、地震资料结合的优势，弥补现有地震资料的不足。尽管该方法受到正演模型精度、人为解释误差以及采集、处理参数一致性等因素的综合影响，求取的校正量值和真实值在理论上存在一定偏差，但从实际应用效果来看，对于类似南海东部地区地层横向变化不大的区域，这种偏差不会影响直观的构造认识，对识别真假构造、落实构造圈闭具有一定的指导、借鉴意义。

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Seismic Wave Forward Modeling Based on Fault Shadow Correction Technology and Its Application to South China Sea A Oilfield

Song Yamin,Zhao Hongjuan,Dong Zheng

(ResearchInstituteofShenzhenBranch,CNOOCLtd.,ShenzhenGuangdong510240,China)

The problem of fault shadow is ubiquitous in eastern South China Sea. When the reservoir is located in the shadow zone of the fault, the seismic imaging in both time domain and depth domain is often deviated from the real structural position, which has great effects on the estimation of reserves and well placement during the oilfield development stage, so it is necessary to carry out deep research about fault shadow problem during the process of seismic data interpretation, and give reasonable prediction of fault shadow and eliminate its influence in order to reveal real structural feature. Base on this consideration, taking the typical fault shadow problem during the development stage of South China Sea A oilfield as an example, a two-dimensional geological model with both well and seismic data is constructed starting with wave equation forward modeling, the seismic imaging difference of the shadow zone between the commonly used Kirchhoff pre-stack time migration and pre-stack depth migration under the real velocity field was compared and analyzed, which indicated that the difference is the basis for determining whether fault shadow exists. And a seismic forward simulation based approach for the quantitative correction of the fault shadow was put forward. The approach has offered a new economical way to predict and eliminate fault shadow during seismic interpretation process and has been applied to the oilfield development successfully, which might also give some guiding significance to the research of similar fault shadow problems in eastern South China Sea.

fault shadow correction; wave equation forward modeling; pre-stack time migration; pre-stack depth migration

1672—7940(2016)04—0521—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.020

宋亚民(1985-)，男，主要从事地震资料解释及储层预测研究的工作。E-mail：songym8@cnooc.com.cn

P631.4

A

2016-01-20