宋桂橋

(中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部,北京100728)

準噶爾盆地油氣資源豐富,從早期發(fā)現(xiàn)的克拉瑪依、車排子、哈山等油田,到最近新發(fā)現(xiàn)的瑪湖大油田,地震勘探的技術(shù)水平和解決地質(zhì)問題的能力不斷提高[1-2]。但由于盆地地表地下條件復(fù)雜,尤其盆地腹地的古爾班通古特巨厚沙漠區(qū)地表起伏劇烈,低降速帶巨厚,對地震波的激發(fā)接收、吸收衰減補償、靜校正等造成了很大的困難。地球物理工作者為此開展了多種技術(shù)攻關(guān),取得了一定的進步,比如在地震波激發(fā)方面,應(yīng)用了可控震源、深井激發(fā)以及避高就低的激發(fā)方式和高覆蓋次數(shù)觀測等技術(shù)[3-5],改善了資料質(zhì)量;在資料處理方面,綜合利用低降速帶調(diào)查數(shù)據(jù)和大炮初至建立近地表模型,進行層析靜校正[6-7]。但總體上看,已有的物探技術(shù)和方法缺少系統(tǒng)性,針對性也不夠強,在采集因素試驗和處理方法的選擇上還存在不確定性和局限性,地震資料信噪比低、成像質(zhì)量差等諸多難題還沒有得到較好的解決[8-12]。本文針對準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū)地震勘探采集和處理環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題,圍繞制約地震資料品質(zhì)提高的地震波激發(fā)接收、靜校正及表層吸收衰減補償?shù)燃夹g(shù)瓶頸開展研究,形成了適合該盆地巨厚沙漠區(qū)的地震勘探關(guān)鍵技術(shù)系列。主要包括在表層濕沙層優(yōu)選的地震組合激發(fā)接收技術(shù)、菲涅爾體層析反演高精度靜校正技術(shù)和基于表層Q調(diào)查的粘彈波動方程波場延拓近地表吸收補償技術(shù)等。

1 巨厚沙漠區(qū)地震勘探存在的問題

準噶爾盆地腹地古爾班通古特沙漠區(qū)屬于巨厚沙漠區(qū),地震勘探存在的主要問題有:①地表為大沙漠,高大沙丘廣泛分布,沙層巨厚,巖性松散,表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對地震波的激發(fā)接收、吸收衰減補償、畸變及時差校正帶來了很大的影響;②地下勘探目的層深,油藏隱蔽性強,對成像精度要求高,需要地震資料有較高的信噪比和分辨率、較高的信號能量、較寬的信號頻帶以及更精細的時差校正和信號頻率的表層吸收衰減補償?shù)取?/p>

2 巨厚沙漠區(qū)地震勘探關(guān)鍵技術(shù)

針對巨厚沙漠區(qū)地震勘探存在的問題,以調(diào)查分析巨厚沙漠區(qū)近地表結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ),逐步開展了激發(fā)接收、靜校正及表層吸收衰減補償?shù)雀黜椉夹g(shù)的研究分析:①通過精細的表層調(diào)查,落實巨厚沙漠區(qū)的表層結(jié)構(gòu)特點;②選擇合適的激發(fā)巖性和激發(fā)方式,激發(fā)高能量和寬頻帶的地震信號;③加強地震檢波器與沙漠的耦合,減少地震波的畸變,提高地震資料分辨率;④開展精細的靜校正技術(shù)研究,提高靜校正的精度;⑤開展表層吸收衰減補償技術(shù)研究,消除表層對高頻信號吸收衰減的影響,拓寬信號的頻帶,提高地震資料的分辨精度。

2.1 準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū)表層特征調(diào)查分析

2.1.1 精細超深微測井技術(shù)

準噶爾盆地以往近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查一般采用小折射和常規(guī)微測井方法,不能準確追蹤到高速層,且分析結(jié)果不夠精細。為此,在D2J北三維區(qū)塊開展了精細的超深微測井調(diào)查(最深達到195m),圖1為井中激發(fā)多點接收的超深微測井示意圖。井中激發(fā)均采用10發(fā)雷管,從井口至井深10m激發(fā),間隔為0.5m,井深10m至井底激發(fā)間隔為1.0m。在激發(fā)井周邊以5m為半徑的半圓形上布設(shè)了15口接收井,井間距1m,井深分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0m,每口井在井底放置一個常規(guī)檢波器進行單點接收。圖2是0.2m 深度點接收的微測井原始記錄(井中激發(fā),地面接收)、自相關(guān)子波以及頻譜。原始記錄上從左至右激發(fā)點深度逐漸變淺,可以看出巨厚沙漠區(qū)近地表可以分為三層:近地表的干沙層(3m以上)、低速的潮濕沙層(3～17m)和降速的干沙層(17～49m),49m以下為高速含水沙層。從波場特征看,下行初至波、上行波(反射波)、轉(zhuǎn)換波、下行多次波信息豐富,子波和振幅譜特性與近地表速度分層有良好的對應(yīng)關(guān)系,這主要是由該區(qū)獨特的表層結(jié)構(gòu)所決定的。根據(jù)微測井速度分析,低速層速度為601m/s,降速層速度為867m/s,高速層速度為2128m/s。

圖1 井中激發(fā)多點接收超深微測井

圖2 超深微測井記錄、自相關(guān)子波與頻譜

2.1.2 表層Q分析

從圖2所示的多點接收超深微測井資料可以看出,不同深度激發(fā)子波特征非常明顯,記錄子波和振幅均與各速度層界面有較好的對應(yīng)關(guān)系。為了計算巨厚沙漠區(qū)近地表的吸收衰減量,利用頻譜比法對不同檢波器、不同炮點埋深的品質(zhì)因子Q值進行了分析,提取的Q值分為三層,對應(yīng)近地表的三層速度結(jié)構(gòu)。其中,0～17m之間Q值為4～7;17～47m之間Q值為12～16;47m以下Q值為25～34。圖3是巨厚沙漠區(qū)近地表的三層Q值典型結(jié)構(gòu),每層均有明顯的拐點,低降速層的Q值均小于20,明確了沙漠區(qū)近地表品質(zhì)因子變化特征及其與速度的關(guān)系,為近地表吸收衰減補償提供了重要的基礎(chǔ)資料。

圖3 CH1J東三維多點接收超深微測井Q值-深度曲線

2.1.3 表層建模

根據(jù)以上近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果,可以建立準確的近地表結(jié)構(gòu)模型,反映低降速帶厚度和高速層頂界面高程分布(圖4)。以往老資料(圖4a)認為該區(qū)低降速帶厚度最大為100m左右,而新資料(圖4b)解釋低降速帶最大厚度接近200m,主要原因是以往調(diào)查方法和解釋方法不夠精細。從高速層頂界面高程分布(圖4c)看,全區(qū)高程相差較小,近于水平面。精確的調(diào)查分析結(jié)果為改進和完善采集、處理方法奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 CH1J東三維區(qū)塊新老低降速層厚度對比及高速層頂界面高程分布a 老資料低降速帶厚度; b 新資料低降速帶厚度; c 高速層頂界面高程分布

通過以上調(diào)查分析,獲得了巨厚沙漠區(qū)近地表特征新認識:一是該區(qū)高速層頂界面近似一個平緩的水平面,低降速帶巨厚(最厚達200m),改變了以往高速層頂界面隨地表起伏變化的認識;二是近地表存在“潮濕沙層”(圖2中3～17m),巖性錄井揭示,低速沙層比較潮濕,而降速層非常干燥,從地震波激發(fā)角度考慮,含水沙層激發(fā)效果要好于干沙層激發(fā)效果,因此改變了以往在降速層(干沙層)組合激發(fā)的方式,為大沙漠區(qū)組合激發(fā)井深的選擇提供了重要依據(jù);三是通過沙漠區(qū)近地表品質(zhì)因子變化特征及其與速度的關(guān)系,明確了大沙漠區(qū)近地表吸收衰減規(guī)律,為近地表吸收補償技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 巨厚沙漠區(qū)地震波激發(fā)技術(shù)

根據(jù)表層調(diào)查結(jié)果和以往激發(fā)試驗記錄,巨厚沙漠區(qū)潛水面以下單深井激發(fā)的效果最好。但在巨厚沙漠區(qū)潛水面較深的區(qū)域,打深井非常困難,特別是潛水面超過50m時,鉆井效率極低。人們采用多井降速層(干沙層)組合激發(fā)來代替單深井激發(fā),但激發(fā)信號品質(zhì)較差。我們通過微測井記錄可以看出,表層潮濕的沙層能夠激發(fā)出頻率較高的地震波,為此開展了多井潮濕沙層組合激發(fā)的試驗研究。

2.2.1 沙層注水試驗

首先開展了沙層注水激發(fā)試驗,研究沙層含水性對激發(fā)效果的影響。圖5對比了注水前后激發(fā)的地震記錄,可以明顯看出,注水后的潮濕沙層無論是激發(fā)能量還是激發(fā)頻帶都明顯好于注水前的干沙層激發(fā),這意味著沙層含水率高激發(fā)效果好。因此,改善激發(fā)質(zhì)量需要在相對潮濕的低速層激發(fā),而不是以往的降速層。以往2井×35m(降速層)組合激發(fā)效果差就是在降速層激發(fā)的原因。

圖5 注水前(a)、后(b)激發(fā)40～80Hz分頻記錄對比

2.2.2 激發(fā)井深選擇

根據(jù)表層調(diào)查結(jié)果,潮濕的沙層深度在3～17m,因此選擇了7、9、11、13、15m進行激發(fā)井深試驗,結(jié)果如圖6所示。根據(jù)單炮記錄、主要目的層信噪比、能量和頻譜綜合分析,選擇11m作為激發(fā)深度。

圖6 不同深度激發(fā)效果對比a 不同深度激發(fā)40～80Hz分頻掃描記錄; b 不同深度激發(fā)單炮信噪比、能量及頻譜

2.2.3 組合井數(shù)優(yōu)選

根據(jù)激發(fā)參數(shù)理論分析[13]和地震勘探檢波器組合低頻響應(yīng)問題研究[14]結(jié)果,當震檢組合有效反射方向特性相對固定的時候,干擾波方向特性越小信噪比提高越多。歸一化的震源或檢波器組合方向特性為:

(1)

(2)

式中,n為參與組合的單震源個數(shù),T*為地震波視周期,λ*為視波長,Δx為震源組合的組內(nèi)距。

由公式(1)可以刻畫出震源組合的方向特征(圖7)。當組合參量y=1/n,2/n,…,(n-1)/n時,P(y)接近于0,此時干擾波受到最大壓制。即設(shè)置y值使之位于[1/n,(n-1)/n]區(qū)間時,信噪比得到最大提升。圖7a中,n為奇數(shù),當n分別為13或15時,組合參量y最接近0;圖7b中,n為偶數(shù),當n為12、14或16時,組合參量y最接近0。所以,組合井數(shù)的理論最佳值為11～16。為了便于對稱設(shè)計組合井圖形,在野外現(xiàn)場對8、10、12、14、16、18等幾種偶數(shù)組合井數(shù)進行了對比試驗。圖8a為不同組合井數(shù)30～60Hz分頻記錄,結(jié)合信噪比和能量分析(圖8b)認為,12口井組合時信噪比最高,12、14口井組合時能量最強,因此,12口井組合效果最佳,這與理論分析結(jié)果吻合。

圖7 組合方向特性曲線a n為奇數(shù)時; b n為偶數(shù)時

2.2.4 多淺井組合圖形及參數(shù)優(yōu)選

在12井組合情況下,依據(jù)組合激發(fā)理論和爆炸半徑公式[15]設(shè)計出多種組內(nèi)距和組合形狀的多淺井組合圖形,通過爆炸能量和信噪比模擬分析優(yōu)選出線性組合、平行四邊形組合等6種組合圖形。圖9給出了6種多淺井組合圖形的試驗記錄,可以看出,組內(nèi)距為2m時的平行四邊形組合激發(fā)效果最好。同時,為滿足組合激發(fā)對鉆井效率的要求,野外采用新型反循環(huán)鉆機,解決了吹沙筒效率低、鉆深不足(僅鉆6～8m)、成井質(zhì)量差的問題。新型反循環(huán)鉆機使工作時效提高了81.6%,最大鉆深能力提高了近3倍。

圖8 不同組合井數(shù)30～60Hz分頻記錄對比(a)和信噪比、能量分析(b)

圖9 不同組合圖形的多淺井組合激發(fā)40～80Hz分頻記錄對比(井深11m,藥量3kg)a 組合1; b 組合2; c 組合3; d 組合4; e 組合5; f 組合6

2.3 巨厚沙漠區(qū)檢波器埋置試驗分析

巨厚沙漠區(qū)檢波器的耦合也是影響地震信號優(yōu)劣的關(guān)鍵,為此,進行了檢波器不同埋置深度試驗。圖10是檢波器不同埋置深度的記錄和相應(yīng)的頻譜,可以看出,隨著檢波器埋深的增加,頻譜變窄,且出現(xiàn)了一個嚴重的陷波。這是因為檢波器埋置地下使地面形成了一個很好的虛反射界面,壓制了某些頻率的信號。因此,檢波器不宜埋置太深。從不同記錄的頻譜來看,埋深為0.2m時的記錄頻帶最寬,由此確定了檢波器近地表埋置深度宜為0.2m,一般不超過0.4m。

圖10 檢波器不同埋置深度的記錄(a)與頻譜分析(b)

2.4 菲涅爾體層析反演高精度靜校正技術(shù)

巨厚沙漠區(qū)的靜校正影響到最終的成像精度,因此,研究高精度的靜校正方法是巨厚沙漠區(qū)地震資料處理的關(guān)鍵工作之一[16]。層析靜校正是當前解決復(fù)雜近地表靜校正問題的有效方法,常規(guī)層析靜校正方法主要有初至波走時層析和波動方程層析。波動方程層析對初始模型精度要求高,加上震源子波反演困難、地震信號的信噪比較低、實際地震波傳播難以準確描述等諸多問題,其在巨厚沙漠區(qū)的應(yīng)用受到嚴重制約。而初至波走時層析方法是利用地震記錄中的初至旅行時求取介質(zhì)的速度分布,不僅利用折射波時間,而且利用直達波、回折波、透射波等信息,得到的結(jié)果更加可靠,因而成為包括巨厚沙漠區(qū)在內(nèi)的各類復(fù)雜地表區(qū)的典型近地表靜校正方法。

鑒于初至波走時層析的優(yōu)點,本文采用了低降速帶調(diào)查數(shù)據(jù)約束的菲涅爾體層析靜校正技術(shù)[17-18]。

該技術(shù)將初至波走時和振幅信息沿著射線鄰域的第一菲涅爾帶反投影獲取近地表速度信息,不僅考慮高頻射線路徑上的介質(zhì)性質(zhì)對地震波走時的影響,而且考慮射線附近第一菲涅爾帶內(nèi)介質(zhì)對走時的影響,因此,比常規(guī)走時層析靜校正具有更高的精度,更加適合大沙漠復(fù)雜地表區(qū)的靜校正處理。該技術(shù)的關(guān)鍵是求取振幅層析核函數(shù)和走時層析核函數(shù),用來代替走時層析中的靈敏度核函數(shù),實現(xiàn)層析靜校正。

根據(jù)劉玉柱等[19]研究成果,建立了菲涅爾體層析反演技術(shù)流程(圖11),用核函數(shù)表示空間介質(zhì)對地震波走時的影響,通過走時計算圈定出菲涅爾范圍,即菲涅爾體,利用基于Rytov近似的旅行時殘差公式精確地刻畫地震波傳播旅行時。該流程在準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū)D2J北等三維實際資料應(yīng)用中取得了較好的效果。圖12顯示了D2J北三維菲涅爾體層析靜校正單炮記錄與成像剖面,可以看出,無論是單炮記錄,還是成像剖面,深淺層同相軸連續(xù)性都有較好的改善,精度明顯提高。圖13對比了D2J北常規(guī)層析靜校正方法與本文菲涅爾體層析靜校正方法的效果,可以看出,菲涅爾體層析靜校正效果更好,剖面同相軸連續(xù)性更好,信噪比更高。

圖11 菲涅爾體層析反演技術(shù)流程

圖12 D2J北三維菲涅爾體層析靜校正前(左)后(右)單炮記錄(a,b)與剖面(c,d)對比

圖13 D2J北三維常規(guī)層析靜校正(a)和菲涅爾體層析靜校正(b)效果對比

2.5 巨厚沙漠區(qū)表層吸收衰減補償技術(shù)

在前人研究的基礎(chǔ)上[20-24],本文采用了粘彈波動方程波場延拓近地表吸收補償技術(shù),通過波動方程延拓,將地表接收到的地震波場延拓到高速層頂,相當于將檢波器埋置在高速層頂,從而消除近地表對地震波吸收衰減的影響。利用微測井資料和頻譜比法計算近地表Q值,對求出的Q值與速度進行最小二乘法擬合,得到Q-v關(guān)系式:

(3)

式中,v是近地表層速度。由公式(3)可將近地表速度模型換算為Q模型。由實際測量資料的品質(zhì)因子與速度、頻率關(guān)系曲線可知,沙漠區(qū)近地表Q值與頻率基本無關(guān),僅與速度v有關(guān)。這樣,利用近地表層析反演得到的速度模型建立近地表三維Q模型,采用粘彈波動方程波場延拓技術(shù),就可以實現(xiàn)近地表吸收衰減補償。圖14對比了補償前、后的單炮記錄及對應(yīng)的頻譜,可以看出,補償后的單炮記錄有效頻帶得到明顯拓寬,地震分辨率得到提高,弱反射能量得到加強。圖15對比了補償前、后的地震剖面,可以看出,補償后剖面的分辨率(圖中紅線框和粉線圈處)和巖性識別能力(圖中藍線框處)得到大幅提高。

圖14 補償前(a)、后(b)單炮記錄及其頻譜對比

圖15 補償前(a)、后(b)地震剖面對比

3 巨厚沙漠區(qū)勘探實例與效果

將上述采集處理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū),完成了CH1J東、D2J北等6塊新資料的采集、處理,三維面積共計2189.91km2,合計256932炮,地震成像精度均有大幅度提高。同時,采用本文提出的高精度靜校正、吸收衰減補償?shù)燃夹g(shù)對征沙村等2221.2km2三維老資料進行了重新處理,明顯改善了地震資料品質(zhì),促進了石炭系的勘探突破。

3.1 CH1J東三維采集實例及效果

CH1J東三維新采集單炮記錄信噪比較以往得到明顯提高,地震成像精度有了較大提高(圖16),有效頻帶拓寬了16Hz,地震波組的巖性特征更加明顯,整體剖面品質(zhì)得到顯著提高。

3.2 D2J北三維采集實例與效果

圖17對比了準中D2J北新老地震剖面及對應(yīng)的頻譜,可以看出,新地震剖面信噪比明顯提高,成像剖面更加清晰,有效頻帶拓寬了12Hz,改善效果非常顯著。

在CH1J東、D2J北、D1J等三維區(qū)塊應(yīng)用巨厚沙漠區(qū)地震勘探關(guān)鍵技術(shù)后,較好地解決了地震勘探存在的技術(shù)難題,使地震資料品質(zhì)明顯提高,取得了良好的勘探效益。在D2J北三維描述圈閉148個,圈閉面積341km2,預(yù)測資源量9600×104t。在準中區(qū)塊部署完成了D7、D8、D701等多口探井,獲得良好的油氣顯示,其中D701井獲得高產(chǎn),上報控制儲量191×104t。

3.3 老三維資料目標處理取得顯著效果

將菲涅爾層析反演高精度靜校正技術(shù)和粘彈波動方程近地表吸收衰減補償技術(shù)應(yīng)用于準噶爾盆地ZSHC、D1J、ZH3J、SH1等區(qū)塊老三維地震資料重新處理后,成像精度得到明顯改善(圖18),河道砂體空間展布形態(tài)更加清楚可靠。老三維重新處理效果優(yōu)于老三維處理成果,新采集的三維處理成果也優(yōu)于老三維處理成果。利用三維連片重新處理成果,提出了新的地質(zhì)認識,促進了準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū)油氣勘探的突破。

圖16 CH1J東新老地震剖面與頻譜對比a 老成果; b 新成果

圖17 準中D2J北新老地震剖面及頻譜對比a 老成果; b 新成果

圖18 D1J和D2J北老三維處理成果(a)、重新處理成果(b)與新采集三維處理成果對比

4 結(jié)束語

通過本文研究,明確了準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū)的近地表結(jié)構(gòu)特征,查清了影響該區(qū)地震采集和處理質(zhì)量的主要因素,形成了適合準噶爾盆地巨厚沙漠區(qū)的表層濕沙層激發(fā)接收、菲涅爾體層析反演高精度靜校正及粘彈波動方程波場延拓近地表吸收衰減補償?shù)炔杉幚黻P(guān)鍵技術(shù),較好地解決了盆地巨厚沙漠區(qū)的勘探技術(shù)難題,明顯改善了地震資料品質(zhì),加快了該區(qū)的勘探進程,取得了較好的勘探效果。

文中所提出的技術(shù)方法不僅能夠大幅度提升新采集地震資料的品質(zhì),也可以應(yīng)用于老資料的重新處理,為地震精細解釋、疊前屬性分析、儲層精細預(yù)測等提供更好的地震資料。本文研究成果也為我國其它類似地表復(fù)雜區(qū)的地震勘探提供了有益的借鑒。

致謝:感謝中國石油化工集團公司石油工程地球物理有限公司呂公河、邸志欣和中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司宋明水、尚新民和呂小偉等在項目研究和論文編寫中給予的大力支持和幫助！