涪陵焦石坝页岩气田位于川东褶皱带万县复向斜带的南部, 西侧紧邻方斗山复背斜带。主要发育焦石坝箱状断背斜构造, 走向为北东向, 构造总的趋势为东北高西南低, 西翼地层较陡, 东翼构造被断层复杂化。该区地表地貌为山地, 地势起伏, 落差大, 海拔高度为200~2000m, 总体呈东南高西北低分布。地表出露地层主要为三叠系嘉陵江组和雷口坡组地层, 岩性以泥灰岩、纯灰岩为主。地下主要发育三叠系—震旦系等地层, 区域上缺失泥盆系—石炭系地层, 局部残留石炭系黄龙组地层。其中, 上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组龙一段是含气页岩层段, 岩性以含碳质、硅质和粉砂质泥页岩为主, 为深水陆棚沉积, 岩性稳定, 全区厚度为70~114m。综合岩性、电性、物性、地化、含气性等特征将含气页岩段纵向上划分为3个亚段、9个小层, 其中下部一亚段38m层段是优质含气页岩层段, 是涪陵页岩气田开发的目的层段, 设计开发水平井要求穿行于厚度约20m的优质页岩层段下部, 这给水平井井轨迹设计和实施带来严重挑战。

针对焦石坝三维工区地表和地下构造复杂、页岩气层埋深较大(大于2500m)、厚度较薄的特点, 要实现水平井水平段(约1500m)全部在20m的优质含气页岩层中穿行, 含气页岩层局部埋深、产状、各级次断裂等精细描述就显得十分重要。与常规油气勘探相比, 页岩气开发中对地球物理勘探精度要求更高, 最重要的在于对构造形态描述的精度要求更高。

1 问题的提出

三维地震勘探中, 地震采集得到的只有反射地震波的波形和传播时间, 反射层深度、传播速度均未知^[1]。地震处理甚至解释目前主要是在时间域进行, 需利用平均速度将时间域的信息转换到深度域。图 1展示了上覆地层层速度横向变化的深度域地质剖面及对应的时间域地质剖面, 时间域地质剖面出现了上覆地层横向增厚、目的层地层产状变陡的失真现象。如果平均速度场不能准确描述层速度的纵、横向微小变化, 那么时深转换得到的深度域构造就不能真实反映地下含气页岩层埋深、产状的微小变化, 依据此构造图设计和钻探的水平井在优质含气页岩层的穿行比率将降低, 并且直接影响单井产量。在页岩气实际开发中, 时深转换精度要求相对误差＜5‰, 比常规油气勘探精度要求(相对误差＜2%)高, 满足此要求的关键是提高平均速度建场的精度。

通常求取平均速度的做法是利用工区已钻井推算“时间-深度”一维曲线, 将时间域等t₀图转换成深度域构造图。传统方法把握了层速度随深度变化的大趋势, 但忽略了复杂地区层速度的横向变化。目前国内外针对复杂地区的时深转换通常使用变速成图的方法, 即综合利用地震资料处理的叠加速度或均方根速度^[2]、时间域地震反射层解释数据和已钻井VSP速度数据、地质分层数据等, 联合控制建立纵、横向变化的三维平均速度场, 实施变速成图^[3], 以提高深度域构造图精度。建立三维速度场的方法按类型分主要有:井曲线平均速度法、井约束地震速度法、三维空间射线追踪反演层速度法与叠前深度偏移速度分析等, 这些方法主要围绕误差校正问题展开研究, 首先分析和找出可能产生误差的环节, 然后针对性地消除各个环节的误差, 以提高平均速度场的精度。以往, 关于各个环节误差产生原因的讨论与解决方案多停留在理论阶段, 基本未在构造复杂区(包括焦石坝三维区)展开应用研究。

针对涪陵焦石坝三维工区, 分析利用地震、地质和测录井资料建立平均速度场时产生误差的环节, 开展相应的校正方法研究, 形成了一套适应该区复杂表层和地下构造特点的高精度平均速度建场及变速成图的流程与方法。建立该区平均速度场产生误差的环节主要有:①时间域统一基准面产生的误差, 即在起伏地表、层速度横向变化条件下, 时间域CMP浮动基准面转换到深度域基准面产生的误差; ②地震分辨率对叠加速度的精度影响; ③利用均方根速度计算层速度的方法产生的误差; ④地震反射层t₀追踪解释精度产生的误差; ⑤地震资料处理中因上覆地层速度陷阱产生的误差; ⑥井震之间的系统误差。最大程度消除各个环节的误差, 以获得该区高精度三维平均速度场模型, 并将其应用于页岩气开发现场。随着新的开发井完钻, 利用速度场实时调整软件, 还可以对平均速度场模型不断更新, 使变速成图过程更加方便快捷, 并提高钻井效率。

2 方法原理 2.1 改进CMP基准面高程转换方法

地震资料时间域处理中获得的叠加或偏移速度来源于水平叠加或偏移归位过程中的速度分析, 对水平均匀层状介质而言, 叠加速度接近于均方根速度, 对于倾角较大的地层, 叠加速度在倾角校正处理后也接近于均方根速度。本文建立平均速度场使用的就是叠加或偏移速度转换得到的均方根速度。叠加速度的基准面是CMP浮动基准面(时间域), 需要做CMP基准面高程转换。复杂山区的地表起伏不平, 地震资料处理过程中叠加速度分析是基于地表平滑处理后的浮动基准面(CMP基准面), CMP基准面与静校正低频分量的处理有关^[4]。地震资料处理过程中通常采用基于模型的静校正, 由剥、填与替换而产生静校正量, 通常采用高低频分解的两步法进行静校正, 得到CMP基准面(CMP参考面), CMP参考面是叠加速度的零线^[5], 它是时间域的浮动面, 对应静校正量中的低频分量, 其大小受基准面高程、表层的厚度、层速度以及充填速度影响。

以往基于CMP基准面直接开始平均速度分析及时深转换的处理方法, 容易产生误差。消除误差的关键是确定深度域中CMP基准面的位置, 钱荣钧^[6]指出, 开展地震时间剖面时深转换, 应将起始点放在深度域的CMP基准面, 即从地表平滑面进行时深转换。时间域的CMP基准面转换到深度域的地表平滑面是关键环节, 既要考虑叠加速度计算的起点(CMP基准面), 又要考虑近地表结构模型, 即考虑处理替换速度在低降速带中穿行的影响因素。

常规方法(公式(1))仅考虑CMP校正量和处理替换速度转换CMP基准面高程是不合理的。由图 2可见, 常规方法计算出来的CMP基准面高程与实际CMP基准面(地表面)高程之间误差为35m。研究表明常规方法产生的误差不可忽视, 在一些低速层较厚, 且变化大的地区产生的误差是长波长的、大级别的, 容易形成地下假构造形态。为此, 本文提出了改进的CMP基准面高程的计算方法。具体思路是:①用处理替换速度计算深度域中的CMP基准面(等效地表平滑面); ②计算等效地表平滑面和近地表模型高速层顶之间的厚度; ③用实际低速层速度转换成相同传播时间的低速层厚度, 即可得到近地表的平滑面(等效地表面); ④利用处理替换速度将等效地表面转换到平均速度建场的基准面。

常规方法计算得到的CMP基准面高程如下:

$ {H_{{\rm{cmp1}}}} = {H_{\rm{d}}} - \frac{{{T_{{\rm{cmp}}}}}}{2}\cdot{V_{\rm{R}}} $

(1)

式中:H_cmp1为常规方法计算得到的CMP基准面高程; T_cmp为CMP校正量(长波长分量); V_R为处理替换速度; H_d为固定基准面高程。

考虑静校正的替换计算, 采用反替换(或称为反静校)来求取CMP基准面高程, 得到改进的CMP基准面高程为:

$ {H_{{\rm{cmp2}}}} = {H_{\rm{g}}} + \left( {\frac{{{H_{\rm{d}}} - {H_{\rm{g}}}}}{{{V_{\rm{R}}}}} - \frac{{{T_{{\rm{cmp}}}}}}{2}} \right)\cdot{V_0} $

(2)

式中:H_cmp2为改进方法计算得到的CMP基准面高程; H_g高速带顶(低速带底)高程; V₀低速带速度。

采用公式(2)求取的H_cmp2要进行相应的平滑处理, 平滑方法参考CMP校正量求取方法。

2.2 模型迭代层速度计算方法

将叠加速度换算后得到的均方根速度与已钻井数据结合, 建立起一个纵、横向变化的三维初始速度场, 其精度取决于估算的均方根速度和转换精度^[7]。除了采用高精度的层析静校正解决山地静校正问题外, 本文还重点研究了如何应用高密度逐点自动速度分析技术来提高速度分析点密度和精度, 并获得了针对每个CMP的叠加速度体, 以期能够比较精细地反映工区平均速度场的变化。

常规平均速度建场中, 通常采用Dix公式^[8]将均方根速度转换成层速度。但Dix公式是基于地下水平均匀层状介质、射线垂直入射的假设建立起的数学公式, 不适用于地层非水平、层速度横向变化大的地区。采用迭代反演的方法是解决问题的有效途径之一, 本文采用模型迭代层速度计算方法^[9](图 3)。

模型迭代层速度计算原理如下:假设地下介质为倾斜层状介质, 对每一个点给定一个层速度, 按照非双曲线假设, 通过射线追踪计算时距曲线, 比较由射线追踪计算的时距曲线与叠加速度对应的时距曲线的匹配程度, 按最小平方原理进行拟合, 从一定范围的层速度中优选出使两者匹配最好的层速度, 最终获得在最佳拟合意义上符合已知叠加速度和时间梯度数据的层速度模型。该方法避免了地层产状复杂多变时应用Dix公式转换产生的较大误差, 求取的层速度显然比Dix公式求取的精度高。

2.3 两步法误差趋势面校正

前文通过均方根速度建立起的初始速度场, 与实际地层速度存在一定误差, 需要找出存在误差的环节, 并进行校正, 以建立最终的平均速度场。叠加速度受地震分辨率影响而产生的误差、地层岩性变化引起的误差、均方根速度与井筒测量的平均速度间差异引起的误差、地震反射层位解释追踪精度不足引起的误差、地震处理中叠加速度陷阱产生的误差等等掺杂在一起, 反映到井点上就是井震误差。以往对该误差的校正主要采用完钻井间网格化插值计算方法, 求出误差分布的趋势面, 误差校正后的平均速度场精度与完钻井的数量及分布均匀程度都有密切关系, 在完钻井点处精度较高, 在非井控区精度较低。

分析研究发现, 井震误差可以分解成区域误差和局部误差两部分。区域误差是和区域层速度变化相关的误差, 为随时间、层速度、深度等因素变化的函数, 横向变化相对较平缓, 为全工区平均速度场整体存在的误差。局部误差是和局部层速度变化相关的误差, 反映了平均速度场中与具体点位相关的误差。两步法误差趋势面校正就是针对这两种类型误差分别进行校正, 以建立最终的平均速度场。具体实现思路和步骤为:

1) 校正均方根速度本身的误差。利用时间和叠加速度梯度进行统计回归分析, 计算区域层速度, 再根据区域层速度对实际层速度进行校正。

2) 校正井震之间的误差。利用井测量的平均速度信息和平均速度场的速度进行统计分析, 得到井震间区域误差, 再根据区域误差对平均速度场进行校正。

3) 校正局部误差。利用钻井地质分层信息对区域误差校正后的平均速度场进行二次校正, 再进行网格化插值运算, 校正局部残余误差。

2.4 平均速度场实时更新

平均速度场实时更新的主要作用是进行局部误差的再校正。不断利用新的完钻井信息对平均速度场进行局部误差校正, 使平均速度场的精度越来越高, 构造形态更加逼近真实, 并将其应用于页岩气开发水平井的轨迹设计和靶点调整。将高精度平均速度场的实时更新模块应用于涪陵焦石坝页岩气田开发作业现场, 及时修正该区三维平均速度场, 为现场水平井轨迹设计和靶点调整提供技术支持。

3 实际应用与分析

针对焦石坝地区起伏地表的具体情况, 将上述高精度平均速度建模方法应用于焦石坝三维工区的速度场建模, 收到了良好的效果。

首先利用表层调查成果建立焦石坝地区的表层模型, 再利用基于表层模型改进的CMP基准面高程时深转换方法, 最后算出CMP基准面高程, 与常规CMP直接时深转换相比, CMP面深度误差在0~40m之间, 故基于表层模型转深计算结果更接近真实地表(如图 4)。

图 5为转换到水平基准面后的层速度剖面, 可见该区层速度纵、横向变化比较大, 这与该区地层分布及地表构造特征一致。

在利用模型迭代方法提高层速度估算精度的基础上, 另一个重要的环节就是两步法误差趋势面校正。首先进行区域误差校正, 区域误差主要有两种:均方根速度本身的区域误差和井震之间的区域误差, 通过大量数据统计与拟合分析, 分别校正这两种区域误差。图 6对比了某层位区域误差校正前、后的平均速度。

区域层速度误差以及误差校正后的平均速度平面展布表明:平均速度误差较大的速度点主要分布在大型断裂带或地层产状、地表高程变化较大的地段; 平均速度的横向变化与该区构造形态特征、地层分布及埋深变化特征一致, 比较真实地反映了该区的地震地质特点。

为了考察误差校正后三维平均速度场的精度, 对参数井进行了误差校正前后计算的深度误差对比, 如表 1和表 2所示。利用模型迭代估算的层速度建立的平均速度场开展地震时转深后, 井震绝对误差较大; 经过区域误差校正后, 绝对误差明显降低, 表明区域误差校正值符合实际平均速度误差分布; 局部误差校正后, 参数井点的绝对误差可以控制在1m之内。由此可见, 两步法误差趋势面校正大幅度提高了平均速度建场精度和时深转换的可靠性。

采用上述方法, 获得了涪陵焦石坝工区的三维平均速度场。利用平均速度场对时间域三维地震数据体实施时深转换, 获得深度域三维地震数据体; 同时提取某层位的平均速度, 时深转换该反射层等值线t₀图, 编制深度域构造图并应用于该区页岩气开发水平井井轨迹设计和钻井过程中的井轨迹实时跟踪调整。随着完钻井数量的增加, 在页岩气开发现场实时更新调整平均速度场, 并实时地应用于水平井设计、跟踪、调整, 提高了水平井入靶精度和水平段在优质含气页岩层段的穿行精度。

经过一段时间的实际应用, 随机选择含气页岩层底界上奥陶统五峰组(TO₃w)的675个实钻推测地层深度点, 并与转深地震精度进行了统计分析, 统计结果显示, 上奥陶统五峰组地层界面深度值绝对误差小于10m的点达到48%, 绝对误差小于20m的点达到85%。满足了涪陵焦石坝页岩气田现场技术指标要求(实钻井页岩气层底界深度的相对误差小于5‰, 符合率大于85%)。同时, 现场实时更新调整后的平均速度场能进一步提高平均速度估算精度, 井震吻合率大幅度提高。

井震误差大的点位主要集中在大型逆断层附近, 主要原因在于大型断层附近的地层较为破碎, 产状变化剧烈, 地震资料信噪比、成像精度相对较低, 时间剖面反射层形态与实际构造形态相差大, 造成局部误差巨大。如利用新建立的三维高精度平均速度场重新开展叠前深度偏移处理, 可进一步改善成像效果, 提高大型断裂带附近的层速度估算精度。

4 结论

针对涪陵焦石坝页岩气田勘探开发中遇到的实际困难, 分析利用地震、地质、测录井资料建立平均速度场时产生误差的环节, 开展相应的校正方法研究, 提出了高精度三维速度建场和变速成图综合技术, 改进了复杂山地丘陵区传统平均速度建场方法和研究思路, 具体如下：

1) 改进的CMP基准面高程转深方法减小了误差, 静校正高、低频分解得到的叠加速度是减小误差的重要因素;

2) 模型迭代求取层速度比直接使用Dix公式更准确, 且能够适应层速度反转地区;

3) 两步法误差趋势面校正将误差分解为区域误差和局部误差, 并采用相应的拟合统计、网格化插值等分步校正方法, 较好地解决了因完钻井少或分布不均造成的离井越远误差越大的问题;

4) 实时应用新井信息, 对平均速度场进行局部误差校正和速度场实时更新, 为后续的页岩气开发水平井轨迹设计提供精度更高的深度域地震数据。

利用该区高精度平均速度场将三维地震数据体从时间域转换到深度域, 变速编制高精度构造图, 实际应用于焦石坝页岩气产建区, 结合钻井跟踪导向, 使得目前页岩气开发水平井的设计精度大幅度提高, 钻井的水平段均在20m的优质含气页岩层中穿行, 提高了钻井效率和效益。

下一步将积极推广该高精度速度建场方法, 在与焦石坝三维工区相似地质背景的区块试用, 分析该方法在其他工区的适用性, 不断完善复杂地质条件下的高精度速度建场方法研究, 以提高复杂山地的平均速度分析精度及地球物理勘探精度。