山前带复杂浅表层建模研究

黄 鹏,殷厚成,薛维忠,曾昭翰,彭代平,肖云飞

(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)

山前带指造山带与前陆盆地间的弱构造变形带。其典型特征是地表高程起伏剧烈,基岩以高角度出露地表,地层年代横向跨度大,近地表纵、横向速度变化大。随着山前带地震勘探的不断深入,山前带浅表层结构越来越受到地球物理学家们的关注。山前带复杂浅表层结构导致采集的地震数据信噪比低、道间时差变化剧烈,从而制约了山前带探区地震成像和进一步的油气预测[1]。因此,获得精细的近地表结构特征及准确的速度模型是解决这些问题的关键[2]。

研究山前带浅表层特征,是理论研究和实际生产的需要。理论研究方面,获得精细的山前带浅表层特征,可以在模型条件下,研究山前带波场的特征及传播规律,干扰波的特点与资料低信噪比产生的原因,为开展方法技术的适应性研究提供依据。实际生产中,精确的浅表层模型不仅是做好复杂山前带静校正的基础,也是复杂山前带地震成像的需要[3-4]。

如何获得准确的浅表层模型是山前带地震勘探迫切需要解决的问题。本文在镇巴山前带灰岩高陡构造出露区开展了二维高密度地震、高密度电法、深井微测井等多种方法的浅表层调查试验和模型研究,分析了观测系统参数对浅表层速度建模精度的影响,提出了浅表层结构约束的浅层速度建模方法,为山前带及复杂浅表层地区的浅表层速度建模提供指导。

1 野外试验方法综述

为了精细调查山前带浅表层模型特征,在镇巴山前带高陡构造灰岩出露区开展了浅表层结构调查与建模研究。

相同的岩性具有相近的孔隙度和含水饱和度,其电性特征变化较小,或具有稳定的变化趋势,所以通常用高密度电法观测结构模型的变化。王勤勇[5]在碳酸盐岩裸露区采用高密度电法调查近地表结构,结果显示,该方法在岩性和含水性调查方面有较好的应用效果。

浅表层速度建模的方式可以分为测量法和反演法两种[2]。测量法是指采用微测井等近地表调查方法获得浅表层速度,再进行线性插值,建立速度模型。反演法指利用地震波携带的信息重建地下速度模型。反演法有初至波走时层析反演、初至波波形层析反演、初至波走时/波形联合层析反演、全波形反演和面波频散曲线反演等多种方法[2]。其中,初至波走时层析是目前应用较为广泛且成熟的近地表建模技术[6-14]。尚新民等[15]在准南缘米泉山前带采用二维浅层地震层析的方法,得到了精细的近地表速度模型。

综上所述,本文野外试验采用的具体方法如下:

1) 高密度电法调查的水平长度为4km,采用温纳装置(α排列),点距2m,电极隔离系数16～30,接收道数160道,探测深度55m;

2) 二维高密度地震满覆盖次数的水平长度为4km,接收点距2m,激发点距4m,偏移距300～800m;

3) 为控制区域内不同岩性的速度变化,选择在岩性分界面两侧,布设井深50m的井中激发、地面接收微测井8口。0～5m范围激发点距0.5m,5～20m范围激发点距1m,20～50m范围激发点距2m。

2 镇巴山前带浅表层模型

山前带的浅表层模型包括结构模型和速度模型。结构模型是指浅表层岩性及结构的变化,与地表出露的地层、岩性、岩石的风化程度及断裂发育的程度相关。速度模型是指浅表层速度的变化,与地表出露的地层、岩性及岩石的风化程度有关。

2.1 结构模型

图1给出了镇巴工区高密度电法的电阻率反演剖面。根据电阻率及实际岩性的变化,试验区分为4段:第1段为连续的低阻区,电阻率主要在200Ω·m以下,显示岩体含水性好,出露侏罗系砂泥岩;第2段呈较连续的低阻特征,浅表20～200Ω·m团块是地表及碎石,深部20～200Ω·m区域是较完整的岩石,该段出露三叠系须家河粗砂岩;第3段呈较连续的中高阻特征,电阻率为40～400Ω·m,浅表20～200Ω·m 团块是地表及碎石,深部电阻率值大于200Ω·m的区域是较完整的灰岩,该段出露二叠系雷口坡组灰岩;第4段为连续的中阻区,电阻率值主要在40～300Ω·m,该段出露致密的石英砂岩。第2段和第3段电阻率小于20Ω·m的区域为破碎、富水的岩体。局部线性的低阻区是断层和沿断裂的溶蚀作用形成的富水带。

图1 高密度电法电阻率反演剖面

微测井获得的近地表结构及参数是准确的,尤其对于低降速层较厚、速度变化大的表层结构[2,16-17]。图2 是微测井解释结果与电阻率反演剖面对比图,前者解释的风化层厚度约为10m(速度<1000m/s),与电阻率20～200Ω·m左右的风化层厚度对应较好。微测井20～25m深度显示低速异常,电阻率反演剖面也出现了低阻异常。表1对比了8口微测井与高密度电法解释的风化层厚度(微测井速度小于1000m/s),误差均在2m以内。高密度电法获得了较为准确的近地表结构模型。

图2 微测井与电阻率剖面对比

表1 微测井与高密度电法解释的风化层厚度对比

图3给出了高密度电法解释的浅表层结构模型。从模型可以看出,山前带浅表层结构是由连续稳定的风化层、不连续的半风化层和完整的基岩层组成,符合山前带浅表层岩性、地层产状横向变化大及断层发育的地质客观情况。

2.2 速度模型

图4是利用微测井解释结果线性内插构建的速度模型(简称微测井模型)。其中,v0为460～700m/s,厚度1.20～5.09m,平均厚度为2.42m,变化相对稳定,为完全风化层,与岩性无关;v1为767～4200m/s,厚度3.1～11.8m,变化剧烈;v2为2500～4600m/s,受岩性或地层控制。微测井速度由浅至深,由连续的层状结构向不连续的块状结构变化,反映了浅表层受风化作用以及地层和岩性控制的变化规律。

图5为二维高密度地震初至波走时层析速度模型(以下简称走时层析模型)。与微测井模型(图4)相比,横向上速度变化趋势一致,但层析模型能够连续刻画速度的横向变化。图6为微测井速度与层析速度的纵向对比。图6a中微测井速度在15～30m深度存在速度反转层,走时层析速度也呈现出明显的速度反转趋势,纵向上走时层析与微测井速度变化趋势一致。

图3 高密度电法解释的山前带浅表层结构模型

图4 微测井模型

图5 走时层析模型

图6 微测井速度(a)与走时层析速度(b)对比

初至波走时层析速度是一种基于走时相等的等效速度,与真实的地层速度不同,但可以用走时误差来衡量反演速度与真实速度的差异。图7对比了不同岩性微测井与层析速度的走时误差。当深度大于30m时,砂岩微测井与走时层析速度的走时误差小于1ms;当深度大于10m时,灰岩微测井与走时层析速度的走时误差小于1ms。从静校正或成像的角度,可以认为两者是完全等效的。高密度二维地震初至波走时层析反演的连续近地表速度模型,能够描述山前带不连续的岩性结构引起的速度纵、横向变化。

综上所述,山前带浅表层结构模型由相对连续的风化层、不连续的半风化层和基岩组成。速度模型由浅及深,由连续的层状结构向不连续的块状结构变化。山前带浅表层结构可以用连续、非均匀的速度模型来描述。

图7 不同岩性微测井与走时层析速度的走时误差对比

3 近地表速度建模精度与观测系统

实际生产中通常利用大炮初至走时层析反演近地表速度模型。初至波走时层析反演的精度受网格划分、射线路径等多种因素影响[2],但是却很少有初至波走时层析反演的精度与地震采集观测系统参数关系的相关研究。尚新民等[15]在准南缘米泉山前带开展表层调查研究,指出小道距、小炮点距、小偏移距的浅层二维初至波走时层析反演结果可以准确反映近地表结构。

镇巴二维高密度地震调查表明,相对于炮点距,初至波走时层析速度建模精度对道距更加敏感。图8 给出了走时层析速度随道距、炮点距的变化及其与微测井速度的对比。图8a中道距为2m,炮点距由4m增大到16m,走时层析速度变化趋势与图8b中微测井速度一致;图8c中炮点距为4m,当道距为2m时,反演的速度与微测井速度变化趋势一致,随着道距逐渐增大,走时层析速度的变化趋势与微测井速度的差异迅速增大。

一般情况下,初至波走时层析划分网格内的射线密度越高,反演稳定性越好[2]。较小的道距、接收线距、炮点距、炮线距能够提高反演网格的射线密度,因此反演精度越高。对比不同观测系统参数反演速度的变化,可以确定影响反演精度的关键参数及有利于提高山前带近地表建模精度的参数范围。三维弹性波数值模拟资料研究表明,影响初至波走时层析近地表建模精度的观测系统参数依次为道距、接收线距、炮点距、炮线距。道距≤10m、接收线距≤240m、炮点距≤20m、炮线距≤200m的观测系统参数有利于提高近地表建模精度。图9对比了不同道距、炮点距、接收线距、炮线距的初至波走时层析速度。图9a为不同道距的反演速度对比(从左至右道距分别为5,10,20,40m),由图9a可见,道距为5m和10m的速度变化趋势和速度值基本一致,道距增大到20m后,反演的最低速度增大到1500m/s,对速度分界面的分辨率降低。图9b为不同炮点距的反演速度对比(从左至右炮点距分别为10,20,40m),由图9b可见,炮点距为10m与20m的速度变化趋势和速度值基本一致,炮点距增大到40m后,反演得到的3000m/s速度界面与炮点距为10m和20m反演得到的速度界面位置差异较大。图9c为不同接收线距的反演速度对比(从左至右接收线距分别为120,240,480m),由图9c可见,接收线距为120m和240m的速度变化趋势和速度值基本一致,接收线距增加到480m后,反演得到的3000m/s速度界面与接收线距为120m和240m反演的速度界面位置差异较大。图9d为不同炮线距的反演速度对比(从左至右炮线距分别为100,200,300,400m),由图9d可见,炮线距为100m和200m的速度变化趋势和速度值基本一致,炮线距增大到300m和400m时,深度50m左右的反演速度有一定程度降低,但总体趋势差异相对较小,说明初至波走时层析对炮线距的敏感度较低。

图8 走时层析速度随道距、炮点距的变化及其与微测井速度的对比a 道距为2m走时层析速度随炮点距的变化; b 微测井速度; c 炮点距为4m走时层析速度随道距的变化

图9 不同道距(a)、炮点距(b)、接收线距(c)、炮线距(d)初至波走时层析速度对比

4 结构约束近地表建模

实际生产中很难实现2m道距的近地表建模。通常在大炮初至走时层析反演中采取有效的措施加以约束,从而提高反演的稳定性和精确性[2]。微测井约束走时层析是较为常用的做法,由于微测井调查的密度和深度限制,走时层析反演结果与实际情况还有一定差异。

图10a显示的是山前带数值近地表模型;图10b显示的是道距为5m、炮点距为10m、接收线距为120m、炮线距为100m的高密度地震模拟资料在50m深度微测井约束下的初至波走时层析速度模型。对比图10a和图10b可以看出,走时层析模型在浅层与数值模型一致性较好,但是在较深部位的高倾角地层形态与数值模型存在较大差异。

与微测井约束相比,结构约束走时层析建模精度更高。图11a和图11b分别给出了山前带数值模型和结构约束的初至波走时层析模型。对比图11a和图11b可以看出,结构约束的走时层析模型的结构与数值模型一致性较好。

图10 山前带数值模型(a)和走时层析模型(b)

图11 山前带数值模型(a)和结构约束的初至波走时层析模型(b)

实际生产中,利用地质调查取得的浅层地质结构约束近地表建模取得了较好的应用效果。图12a和图12b分别给出了结构约束前的初至波走时层析速度模型和叠前深度偏移剖面;图12c和图12d分别给出了结构约束后的初至波走时层析速度模型和叠前深度偏移剖面。由图12可见,结构约束后,叠前深度偏移成像剖面的信噪比更高。

图12 结构约束前、后初至波走时层析速度模型及叠前深度偏移剖面a 结构约束前的速度模型; b 结构约束前的叠前深度偏移剖面; c 结构约束后的速度模型; d 结构约束后的叠前深度偏移剖面

5 结束语

山前带浅表层结构模型由相对连续的风化层、不连续的半风化层和基岩组成。速度模型由浅及深由连续的层状结构向不连续的块状结构变化。山前带浅表层结构可以用连续、非均匀的速度模型来描述。

影响浅表层建模精度的观测系统参数依次为道距、接收线距、炮点距、炮线距,其中道距最为关键。

山前带勘探中,采用高密度电法获得浅表层结构模型,采用道距≤10m、接收线距≤240m、炮点距≤20m、炮线距≤200m的观测系统进行地震采集,联合开展结构约束的初至波走时层析,能够提高近地表速度建模精度。