近年来全球新增油气资源主要来自于海上, 尤其是深水和超深水区。中国的深水油气资源十分丰富, 近海珠江口盆地及琼东南盆地深水区天然气资源量合计可达2.8×10¹²m³, 勘探潜力巨大。2014年在琼东南盆地深水区钻探的陵水17-2井获重大发现, 2015年在盆地中央峡谷东区、水深超1500m的超深水海域又成功发现我国首个超深水天然气田陵水18-1, 进一步展示了近海深水区的勘探前景。伴随着中国“建设海洋强国、提高海洋资源开发能力”的战略部署, 未来中国的深水油气勘探开发前景广阔。2012年“海洋石油981”钻井平台投入使用, 使中国具备了在3000m超深海勘探开发油气的能力, 未来十年, 中国海上油气资源勘探开发的主要攻关对象是500m以上的深海、超深海^[1-2]。

随着海洋油气勘探逐渐向深水区发展, 勘探目标也逐渐由浅层走向中深层, 这对地震勘探技术提出了更高的要求。“十一五”和“十二五”期间, 为满足海洋油气勘探开发的迫切需求, 海洋油气勘探在地震采集装备、地震处理解释技术和开发地震技术等方面开展技术攻关, 研发形成了多项技术成果:具有自主知识产权的地震采集装备、宽频地震采集和处理技术、中深层复杂构造成像技术(中深层, 盐下)、碳酸盐岩储层地震预测及测井评价技术、深水复杂储层预测及油气检测技术、海上多波多分量地震勘探技术、海上时移地震技术等, 这些成果加快了深水油气勘探的步伐, 使南海成为中国能源供应的重要接替区成为可能, 为实现中国海上油气勘探增储上产提供了技术保障^[3-4]。本文主要介绍海上宽频地震勘探技术和海上时移地震技术获得的突破性进展, 并展望了海上地震勘探技术的发展方向。

1 海上宽频地震勘探技术

海上常规拖缆地震采集得到的地震资料普遍缺失低频成分, 中高频不足, 频带宽度较窄, 影响了中深层复杂构造的成像及地层解释。近几年, 宽频地震勘探技术得到迅猛发展, 国际地球物理服务公司均推出了有效压制鬼波的海上宽频地震勘探技术, 如:上下缆采集技术, 利用上下缆合并压制鬼波; 变深度缆采集技术, 利用镜像偏移处理等方法有效压制鬼波; 双检波器拖缆采集系统, 通过将水陆检数据合并进行上、下行波场信号分离, 同时去除鬼波, 从而得到宽频地震数据^[5-9]。

相对于常规拖缆地震资料处理, 海上宽频地震资料处理技术主要攻关目标之一是如何压制鬼波、消除陷波影响, 从而获得更宽频带的地震数据^[10-15]。针对常规拖缆采集的陷波问题, 从硬件到软件系统优化地震采集方案, 形成了海洋“犁式”拖缆地震采集装备和采集处理技术, 在南海北部深水区采集了4210.85km二维地震资料, 频带宽度达到5个倍频程, 低频可达3Hz, 在一定程度上解决了无法获得低频信息这个一直困扰地震勘探的难题。

1.1 海上高精度地震勘探系统成套装备

我国从“十五”开始, “海亮”拖缆采集记录系统、“海途”综合导航系统、“海燕”拖缆控制与定位系统和“海源”气枪震源控制系统这4套具有自主知识产权的海上高精度地震勘探系统成套装备(物探船4套核心设备)相继研制成功, 并进行了先导性示范应用^[16]。目前, 具有自主知识产权的海上高精度拖缆地震采集系统经过大量地震采集作业的实际海试证明, 水下大数据量的采集传输可靠, 室内操作控制和记录存储系统运行稳定, 各项指标与国外同类产品基本持平(表 1), 打破了国外公司在海上地震勘探装备方面长期的技术限制与垄断, 填补了我国在该领域的技术空白。现已正式装配海洋石油707船和760船, 投入生产应用。作业海域涉及渤海、东海和南海, 完成10个地震采集作业, 采集二维地震资料6708km、三维地震资料423km²。

1.2 “犁式”海洋宽频地震资料采集技术

针对海上拖缆地震采集特点, 创新提出一种“犁式”电缆采集技术^[6-7], 该技术是将不同段的电缆沉放在不同深度, 如图 1所示, 拖缆前段, 检波器沉放深度随炮检距的增加而线性递增, 拖缆后段近似处于同一深度, 不同沉放深度的检波器接收到的地震资料具有频率多样性、丰富性。因为“犁式”电缆后段呈水平状, 所以可根据实际采集区地质情况调整水平段沉放深度及长度, 但需要保持固定的沉放角度和深度, 这对拖缆控制技术有较高要求。“犁式”电缆地震采集技术采用国产“海亮”拖缆采集系统, 首次实现电缆沉放深度为60m水深, 突破了进口电缆的20m水深沉放深度的限制。

“犁式”电缆采集的前段电缆沉放深度不同, 所以具有不同的陷波频率, 且陷波频率随沉放深度增加向低频方向移动, 不同接收点的频率是分散的。另外, 随着检波器沉放深度不断增加, 地震同相轴的鬼波与反射波到达时差不断增大, 呈现出不断分离的趋势。当时差很小时, 陷波频率较大, 当时差较大时, 陷波频率较小, 将各接收道的鬼波频谱叠加, 得到鬼波平均振幅谱, 即叠加平均脉冲响应谱, 以此来衡量“犁式”电缆采集的鬼波滤波特性^[8-9]。“犁式”电缆采集的叠加平均脉冲响应谱G_n(f)可表示为:

$ {G_n}\left( f \right) = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {|G({X_i}, f)|} $

(1)

式中:n为接收道数; i为接收道序号; f为陷波频率, 单位Hz; X为偏移距, 单位m。

图 2为南海北部深水区“犁式”电缆采集地震资料单炮记录及不同偏移距的频谱, 可以看出, 随着检波器沉放深度不断增加, 电缆鬼波与一次波、震源鬼波逐渐分离。另外, 不同偏移距道集对应的频谱显示, 不同电缆沉放深度对应的第一陷波频率不同, 使“犁式”电缆地震资料的陷波频率具有显著的多样性, 从而获取到了更多的低频和高频信息, 达到了宽频地震采集的目的。

1.3 宽频资料鬼波压制技术

针对“犁式”斜缆采集得到的资料特点, 开展宽频处理技术攻关, 研发了“犁式”电缆采集地震资料τ-p域鬼波压制方法。

图 3为“犁式”电缆采集平面波传播示意图, 采用“犁式”电缆采集, 鬼波产生的陷波点会随电缆深度的变化而变化, 利用波场延拓的方法, 将“犁式”电缆数据延拓到海平面, 对延拓数据进行τ-p变换, 在τ-p域压制鬼波, 这也是上行波和下行波分离的过程。在τ-p域中, 设斜缆数据中的上行波波场为L_pr^H, 下行波波场为L_gh^H, 则斜缆数据的τ-p变换为:

$ {L^H} = L_{pr}^H + {R^*}L_{gh}^H = {e^{\rm{i}}}^{\omega {\tau _{pr}}} + {R^*}{e^{\rm{i}}}^{\omega {\tau _{gh}}} $

(2)

式中:τ_pr为一次波变换算子; τ_gh为鬼波的变换算子; R为海平面反射系数。

当R=0时, L^H=L_pr^H, 得到海平面无虚反射的τ-p域模型; 当R≠0时, L^H=L_pr^H+R^*L_gh^H, 利用斜缆的正变换算子得到海平面含虚反射的τ-p域模型。通常, 认为海平面反射系数R=-1, 根据斜缆数据中的上行波波场和下行波波场(鬼波)在τ-p域的差异, 滤除下行波后得到无虚反射的τ-p域数据, 再进行τ-p反变换, 就可以得到压制鬼波后的斜缆地震数据。

利用“犁式”电缆在跨琼东南水道、过长昌凹陷测线进行了宽频采集和处理实验, 对比常规地震数据(图 4a)与宽频地震数据(图 4b)处理结果可以看出, 常规地震剖面上河道轮廓不清晰, 频带和波组特征单一, 而“犁式”斜缆宽频处理结果中地震频带有了很大的拓宽(图 4c), 分辨率有了较明显的提高, 同相轴锐化程度提高了, 断层成像清楚, 可以提供更多的地层结构及细节信息, 对河道轮廓及内部沉积地层的成像更加清晰。宽频地震数据突出了构造和沉积特征, 更加适合层序地层解释, 为沉积体精细刻画和小层解释提供了良好的数据基础。

2 海上时移地震技术

中国海上时移地震技术研究从“十五”开始, 针对海上油田的特点, 持续开展了时移地震技术及应用攻关, 形成了时移地震可行性评价、时移地震资料处理和时移地震资料剩余油解释等关键技术体系, 并且在绥中36-1油田、东方1-1气田、西江24-1油田等开展了大量的应用实践, 尤其在2013—2015年西江24-1油田井位优化研究中, 新钻井结果与剩余油预测结果吻合良好, 证实了时移地震关键技术的有效性。

2.1 时移地震可行性评价技术

在地质、油藏条件和岩石物理条件评价基础上, 研发了基于三维油藏数模的时移地震响应模拟技术, 通过将油藏数模的孔隙度、饱和度等油藏参数转换为速度、密度等地球物理参数, 实现了三维油藏数模和三维地震模拟数据的紧密结合, 为后续时移地震差异的处理和解释提供了参考依据。

图 5为西江24-1油田基于油藏数值模拟模型的的时移地震响应模拟结果, 根据沿层波阻抗差异图 5d可解释含油饱和度的变化, 该油田主要产层的波阻抗差异达到了6%以上, 高于国际通用可监测门槛值3%, 表明该油田具备较好的开展时移地震应用的条件, 解释结果与生产数据也有很高的一致性。

2.2 时移地震资料处理技术

时移地震资料处理的主要目的是消除两次地震采集等多种非油藏变化因素带来的地震差异, 提高非油藏区域数据的一致性, 增强油藏变化区域差异的可靠性。时移地震资料处理的关键技术主要包括:叠前一致性处理、叠后匹配处理及针对性的质控方法。

2.2.1 时移地震叠前一致性处理技术

结合常规地震资料3D保幅处理技术, 研发了基于潮位值预测的潮汐校正、检波器位置误差校正、面元一致性抽取等叠前一致性关键处理技术, 大幅度提高了时移地震资料的一致性, 实现了非重复性采集条件下的时移地震处理技术应用。

1) 潮汐校正技术^[17]。研发了一种基于潮位值预测的潮汐校正方法, 潮汐是由天体的万有引力产生的, 引潮力场可用下式表达:

$ H\left( t \right) = \sum\limits_{j = 1}^N {{R_j}{\rm{cos}}(2{\rm{ \mathsf{ π} }}{f_j}t - {\theta _j} - {k_j})} $

(3)

式中:R_j表示不同天体引起的潮位变化; f_j表示潮位变化的频率, 其倒数为潮位变化的周期; θ_j为初相角。为了描述不同地点发生潮位高潮时刻的落后现象, 公式(3)中加入了迟角k_j。R_j和k_j表示分潮的调和常数, 是求准潮汐值的关键参数。根据历年验潮站以及油田开发过程中取得的临时验潮站等资料确定合适的调和常数, 预测时移地震工区任意位置在不同采集年份的潮位数据进行潮汐校正。

图 6为西江24-1油田水深曲线在应用潮汐校正前后的效果对比, 校正后两次资料的水深接近一致, 表明该方法预测的潮汐值合理。由于该方法计算的潮汐量参考了相同的基准面, 因此, 在校正潮汐量差异的同时, 还将两次资料校正到了统一的参考基准面上, 等同于进行了一次全区低频静校正, 有利于后续时移地震差异的求取。

2) 检波器位置误差校正技术^[18]。在海上拖缆地震数据采集过程中, 接收点位移会使成像剖面产生与采集船航向相反的偏移, 越晚到达的信号越偏离实际位置。检波器位置误差校正技术针对常规P1/90导航文件提供的时间信息只精确到1s、精度较低的问题, 采用具有更高精度的P2/94导航文件的时间信息计算船速, 逐条电缆校正地震数据; 利用建立弧长坐标的方法, 将平面上的曲线映射为弧长坐标中的直线, 降低数据插值的复杂性。如图 7所示, 采集船沿某航线行驶时, 船速可由炮间距除以放炮时间间隔求取, 利用P2/94导航文件提取的放炮时间间隔分选性较好, 求取的采集船船速变化符合实际情况。检波器位置误差校正处理可减小时移地震资料两次采集时船速不同导致的成像误差, 使资料的一致性更好, 提高油气藏变化监测的精度。该方法不仅针对海上时移地震资料一致性处理有效, 对常规深水地震勘探同样具有借鉴意义。

3) 九面元一致性抽取技术。非重复时移地震的一致性抽取技术是针对时移地震的关键技术, 通过从监测地震数据的高冗余度信息中提取和基准地震数据一致性高的信息, 在一致性抽取的过程中实现地震道的优选。九面元一致性处理方法首先读入基准数据中单个面元中的CMP道集数据, 然后从监测数据中读入与该面元相对应的九个拓展面元(对应面元及相邻的八个面元)中的地震数据, 随后依据震源距离与检波器距离之和最小、中心点距离最小、方位角相差最小等准则(如图 8a所示)对这两块数据进行匹配和抽取, 得到该面元中新的基准数据和监测数据。通过依次处理基准数据中的所有面元, 最终完成地震资料的九面元一致性处理。抽取过程中考虑的一致性因素有炮点位置、检波点位置、面元中心点位置、方位角大小和采集方向。面元一致性处理后同一面元内的两次地震数据的炮检点位置差异更小、炮检距和方位角分布更一致(图 8b), 两次地震数据的一致性得到提高。

2.2.2 时移地震叠后匹配处理技术

尽管经过叠前一致性处理后, 两次采集地震资料的能量、频率等具有了较高的一致性, 但仍需叠后匹配处理消除时移地震数据剩余的系统误差, 进一步提高数据的一致性。叠后匹配处理主要包括能量匹配、振幅校正、频率匹配、时差校正和匹配滤波处理。匹配滤波处理后时移地震两次采集资料的能量、频率、相位大致相同, 可进一步消除非油藏变化因素带来的两次地震资料差异, 突出油藏范围内地震信息差异、提高信噪比。

图 9为西江24-1油田时移地震叠前一致性及叠后匹配处理后的两次地震资料及差异, 可以看到非油藏变化范围残差较小, 时移地震差异主要集中在已开发的油藏段, 能够较好地反映油藏开发导致的地震响应变化。

2.2.3 时移地震资料处理质量控制技术

针对时移地震资料处理特点, 研发了差异值NRMS和相关性值PRED质量控制技术, 在处理过程中, 统计地震数据中标志层的一致性值, 计算反映两次地震数据之间的差异值NRMS和相关性值PRED, 作为时移地震资料处理过程的质量控制标准。

1) 将时窗内两次地震数据差异的均方根振幅除以基数据(第一次采集数据)B和监测数据(第二次采集数据)M均方根振幅的平均值, 得到NRMS值:

$ {\left\{ \begin{array}{l} {R_{{\rm{NRMS}}}} = \frac{{2{R_{{\rm{RMS}}}}\left( {M - B} \right)}}{{{R_{{\rm{RMS}}}}\left( M \right) + {R_{{\rm{RMS}}}}\left( B \right)}}\\ {R_{{\rm{RMS}}}} = \sqrt {\frac{{\sum X_i^2}}{N}} \end{array} \right.} $

(4)

式中:X_i表示不同样点的振幅值; N表示样点数。

2) 将时窗内两次地震数据互相关值的平方和除以基数据B和监测数据M自相关值的乘积和, 得到PRED值:

$ {{R_{{\rm{PRED}}}} = \frac{{\sum {{{[{X_{{\rm{corr}}}}\left( {B, M} \right)]}^2}} }}{{\sum {{A_{{\rm{corr}}}}\left( B \right){A_{{\rm{corr}}}}\left( M \right)} }}} $

(5)

对整个时移地震资料处理流程中每个步骤的处理结果都要进行严格质控, 从图 10可以看出西江24-1油田地震资料处理前后时移地震一致性度量的差异值NRMS整体趋势是在逐渐降低, 时移地震一致性度量的相关性值PRED得到逐步提高, 表明处理流程设计合理、处理技术方法有效。

2.3 时移地震综合解释技术

研发了±90°相移、多属性剩余油饱和度预测、时移地震反演等时移地震关键解释技术, 并在西江24-1油田进行实际应用, 分析了实际油藏动态变化, 预测了该油田剩余油分布规律, 为后续开发井位的优化调整提供了重要的依据及技术保障。

2.3.1 ±90°相移技术

应用±90°相移技术, 将油藏变化引起的地震差异能量聚焦到储层内正确的储层层段, 有效提高时移地震储层差异的识别能力, 增加了解释结果的可靠性和可信度。地震数据经过保幅、匹配等常规时移地震处理后, 获得的地震差异集中在储层的界面处, 而不是在油藏内部, 增加了剩余油预测结果的多解性, 利用本方法处理后, 将地震差异回归到合理的位置, 更加有利于剩余油分布范围的预测(图 11)。

2.3.2 多属性剩余油饱和度预测技术

敏感的地震属性数据能够从不同方面表征油藏的变化, 求取层属性及体属性数据, 通过敏感属性优选, 提取能够反映油藏变化的敏感属性, 结合测井数据, 利用神经网络、大数据等算法获得与井数据相关的油藏物性、流体等特征参数。在资料分析的基础上, 综合地震属性提取、属性优化和模式识别等技术, 研发了适用于时移地震的剩余油含油饱和度预测技术, 实现了剩余油饱和度的定量预测, 为后续开发井位的优化调整提供重要的依据及技术保障。

时移地震技术在西江24-1油田进行了成功应用, 剩余油预测结果与生产动态吻合, 有效地指导了新钻井的井位部署。图 12为剩余油平面分布图, 红色区域表示开发前后波阻抗变化较大的区域, 为水驱范围; 蓝色区域表示开发前后波阻抗变化较小或无变化的区域, 在油藏范围内(黑色粗线框)蓝色区域代表剩余油范围。共设计并优化井位9口, 规避风险井4口; 力促调整方案提前57.8d投产, 节约钻完井费用近1.000×10⁸元; 实际方案较设计方案增产约5.0×10⁵m³, 直接经济效益达1.532×10⁹元。

3 海上地震勘探技术发展方向

“十三五”期间, 将重点围绕海上物探装备、岩石物理实验、宽频宽方位地震勘探、海上时移地震等技术方向开展攻关研究, 预期形成产业化的物探装备、成熟的专项技术, 为国内外油气勘探提供有力的技术支持, 为海上油气勘探可持续发展奠定坚实的技术基础^[19-20]。

3.1 海上物探装备研究

在前期研究成果基础上, 开展海上地震采集装备产业化研制, 形成自主地震采集装备系统的设计、制造、测试和生产应用能力, 实现推广应用。同时针对物探新方法、新技术需求, 开展新型多分量拖缆采集技术研究, 进行关键技术储备。重点针对海洋拖缆地震采集系统、拖缆控制与定位系统、海上综合导航系统等系列装备, 开展装备系统及装备技术、工艺研究与工程制造、测试能力建立, 推进科研成果产业化应用; 在产业研究的同时, 针对物探新方法、新技术需求, 开展新型多分量拖缆、一体化拖缆控制及智能导航定位等新技术研究, 进行技术储备。

3.2 海洋宽频/宽方位地震勘探技术研究与应用

针对我国海上深水中深层勘探存在的地震地质问题, 研究宽频/宽方位采集基本理论和设计方法, 提炼宽频/宽方位观测系统设计评价新方法, 结合宽频/宽方位采集的正演照明技术, 对观测系统进行全面的评价及优化, 形成海上宽频/宽方位观测系统设计、评价及优化的技术体系。针对靶区地质特征, 设计优化采集观测方式和野外实施方案, 提高原始采集资料品质, 更好地服务于我国深海中深层油气地震勘探。

3.3 地震岩石物理实验技术研究

针对海洋石油勘探开发中地震勘探和开发中的技术问题, 以及钻井和油藏工程中岩石力学参数确定等关键问题, 建立包括高温高压高频岩石物理实验系统和低频岩石物理实验系统在内的实验系统, 形成配套的实验技术和岩石物理数据分析与应用技术。

3.4 多波多分量地震勘探技术研究与应用

针对我国海上油气资源勘探开发的需求, 开展复杂地质条件下各向异性介质和双相介质地震波传播规律基础研究, 解决制约我国海上多波多分量地震勘探技术应用的瓶颈问题, 重点是基于矢量波场的地震资料处理、速度场建模、多分量地震波成像等技术, 优化和集成相应的配套技术, 形成多波多分量地震处理和成像系统。开展海上靶区应用试验和效果分析研究, 为岩性识别、物性反演和流体预测等奠定扎实基础。提升海上地震勘探技术水平, 降低勘探风险, 提高勘探成功率。

3.5 海上时移地震技术研究与应用

时移地震技术是提高海上油田采收率的重要地球物理手段。目前时移地震可行性评价技术形成了以地质条件、油藏条件分析以及岩石物理条件分析的定性分析方法; 需要进一步发展地震与油藏相结合的定量评价方法, 同时建立时移地震应用经济评价方法。开展针对时移地震的采集设计方法研究, 针对不同时期采集参数差异较大的地震采集资料, 开展时移地震一致性处理技术攻关研究。时移地震资料处理应该发展以空间误差匹配为核心的时移地震处理技术。时移地震解释技术目前是基于时移地震差异的定性解释技术, 应该建立地震差异和油藏相结合的定量解释技术。

4 结束语

本文针对中国海上油气地震勘探取得的新技术、新成果, 介绍了海上宽频地震勘探和海上时移地震技术及应用效果, 并展望了海上地震勘探技术下一步的主要发展方向。

1) “犁式”电缆宽频地震采集技术利用不同沉放深度具有不同陷波这一特征获取了宽频信息, 然后利用τ-p域鬼波压制方法可以有效压制鬼波的影响, 拓展地震频带宽度, 提高地震资料分辨率, 为南海北部深水区地震勘探提供了良好的数据基础。

2) 海上时移地震技术研发了基于三维油藏数模的时移地震响应模拟等可行性评价技术; 潮汐校正、检波器位移校正、一致性抽取等时移地震一致性处理关键技术, 形成处理流程, 同时建立了处理质量控制手段; 多属性剩余油饱和度预测等时移地震资料解释技术, 形成了完善的技术体系, 并且在西江24-1油田的实际应用中取得了较好的应用效果。

3) “十三五”期间, 中国海上地震勘探将针对国内外重点勘探领域, 加快关键技术研发与储备, 重点围绕海上物探装备、宽频宽方位地震勘探、地震岩石物理实验、多波多分量地震勘探、海上时移地震等技术开展攻关研究, 为海洋油气勘探增储上产提供必要的技术支撑。