顺北油气田主体位于顺托果勒低隆起, 北连沙雅隆起, 南接卡塔克隆起, 东邻满加尔坳陷, 西接阿瓦提坳陷。顺托果勒低隆起经历多期复杂的沉积构造演化, 存在多期活动的深大断裂, 为缝洞型储层发育和油气富集成藏提供了良好的地质条件^[1-2]。顺北油气田奥陶系规模储层主要受断裂控制, 平面上呈现沿断裂带空间叠置特征, 纵向上集中分布于奥陶系一间房组—鹰山组顶部、鹰山组下段及蓬莱坝组。断裂-裂缝是该区储层发育的主要控制因素, 形成该区特有的断控岩溶储层立体发育模式^[3], 断控储集体是顺北油气田最主要的储层类型。

目前, 顺北地区主干及次级断裂钻井均取得较好油气成果。从已钻的40多口井的情况来看, 直井14口, 放空漏失井11口, 占直井总数的78%;侧钻井29口, 放空漏失井26口, 占侧钻井总数的89%, 表明断控体内部空间结构特征十分复杂, 具有较强的非均质性。同时, 由于地表为沙漠, 地表一致性问题严重, 地震资料信噪比较低; 加之二叠系火成岩发育且火成岩厚度大、速度纵横向变化快, 因而下伏地层成像发生畸变^[4], 出现奥陶系内幕假的断裂构造; 且断控体储层埋藏深度大(＞7300m), 反射波能量弱, 频带窄, 更增加了超深断控体储层准确成像的难度。如何提高顺北超深走滑断裂地震速度建模精度成为提高该区地震成像精度的关键核心技术, 也是进一步拓展塔里木盆地顺北地区油气勘探开发的技术难题。

针对顺北超深断控体储层地震成像存在的问题, 本文提出了“从浅到深, 逐层推进, 逐步迭代的多信息约束速度建模策略”, 即针对复杂地表一致性问题、中深层火成岩速度异常问题以及深大走滑断裂速度建模问题, 建立一套多信息约束的地震速度建模方案。该方案以地质认识为指导, 以地层层位信息和地质异常体属性信息为约束, 通过地震处理与解释成果的反复迭代, 不断提高速度模型精度, 最终提升超深断控体地震成像效果。

首先, 基于地质与测井资料了解近地表结构及二叠系火成岩的发育特征, 如近地表结构、速度, 二叠系火成岩发育厚度、岩石类型及速度等参数, 为近地表及二叠系火成岩初始速度模型的建立提供依据。在此基础上, 开展以叠前时间偏移为目标的地震资料精细处理, 压制噪声, 消除近地表结构影响, 提高地震资料品质, 为深度域成像提供可靠的数据基础。

其次, 基于叠前时间偏移成像资料, 开展二叠系火成岩精细解释及属性特征提取, 明确二叠系火成岩空间展布特征, 为二叠系火成岩局部层析反演提供构造约束信息。针对断控体储层, 开展以提高断控体储层特征识别为目标的解释性处理及敏感属性优选, 获取可靠的断控体构造和属性信息, 为深大断裂层析速度反演提供断裂约束信息。

最后, 针对二叠系火成岩速度横向变化剧烈、尺度多变, 常规速度建模分辨率低, 易造成构造假象等问题, 在层析反演的目标泛函中引入构造约束项, 利用地震解释获得的火成岩构造信息, 通过调节层析反演尺度, 实现火山岩多尺度局部层析反演, 提高不同尺度火山岩速度建模精度。同时, 利用断控高斯束速度建模技术, 通过引入地震属性对模型进行预条件约束, 获取包含断裂信息的高精度速度模型。最终通过地震处理和解释结果的反复迭代, 消除二叠系火成岩引起的奥陶系内幕假的断裂构造, 提高断控体地震成像精度, 断控体的断裂及内部结构特征成像更加清晰。技术流程如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 顺北超深断控体地震多信息约束速度建模流程

如何压制与地表相关的随机噪声, 解决地表一致性等问题是复杂沙漠地区地震资料预处理的关键。匹配追踪傅里叶变换噪声压制技术(MPFI)基于反假频傅里叶变换, 能够实现五维(线、点、时间、炮检距、方位角)随机噪声的压制, 适用于任意不规则观测系统、严重假频或复杂陡倾角数据, 通过该技术的应用, 实现地震数据五维插值和去噪, 达到保真保幅提高数据信噪比的目的。图 2显示了顺北地区CMP道集去噪前、后的效果, 可以看出, 噪声压制后, CMP道集信噪比得到明显改善, 尤其突显出深层的有效信号。

图 2(Fig. 2)

图 2 匹配追踪傅里叶变换噪声压制前(a)、后(b)的CMP道集

针对沙漠起伏地表带来的地表一致性问题, 在层析静校正的基础上, 应用拟合沙丘曲线的层析静校正方法(PSDC)加以解决。根据工区炮点区域的沙丘厚度和静校正量拟合出沙丘曲线, 外推无炮点区域静校正量, 能够较好地解决检波点的静校正边界问题(图 3), 消除层析反演的检波点静校正量在非满覆盖区域的边界效应, 保证全区静校正量可靠。图 4为采用PSDC前、后的叠加剖面, 可以看出, 外推处理后, 叠加剖面上边界效应得到消除, 同相轴连续性和信噪比得到了明显提高。

图 3(Fig. 3)

图 3 PSDC静校正前(a)、后(b)检波点静校正量

图 4(Fig. 4)

图 4 应用PSDC前(a)、后(b)的叠加剖面

二叠系火成岩在地震剖面上主要表现为横向快速变化的强振幅异常, 内幕为杂乱强振幅异常反射特征, 如图 5a所示。前期资料分析及正演结果表明^[4], 奥陶系内幕假的断裂构造主要位于二叠系火成岩强振幅异常之下。在二叠系火成岩精细解释的基础上, 利用均方根振幅异常属性对二叠系火成岩空间分布特征进行预测, 实现对二叠系火成岩地震相的识别与空间标定(图 5b, 图 5c), 为二叠系火成岩局部层析反演构造约束项提供岩相相控数据基础。

图 5(Fig. 5)

图 5 二叠系火成岩发育特征 a 地震剖面; b 火成岩顶面之下0~80ms时窗范围内振幅异常; c 火成岩顶面之下80~200ms时窗范围内振幅异常

针对深大断裂, 由于地震成像剖面上断控体主要表现为沿断裂带发育的杂乱弱、中强及局部“串珠”状反射特征, 因而断控体的纵向特征与地层结构的横向特征交织在一起, 这给断控边界的识别及确定带来了较大干扰。

根据地层结构横向地震特征与断控体纵向特征的差异, 利用多子波分解与重构技术^[5], 实现地层结构与断控体地震反射特征的分离。图 6显示了实际断探体储层地层结构压制前、后的效果。从原始地震剖面(图 6a)及均方根振幅属性(图 6b)来看, 地层结构与断控体特征相互影响, 断控体边界确定困难; 地层结构压制后, 消除了地层结构对断控体识别的干扰, 断控体地震特征增强, 边界更加清晰(图 6c, 图 6d)。

图 6(Fig. 6)

图 6 实际断控体储层地层结构压制前、后的效果 a 原始数据; b 原始数据均方根振幅; c 地层结构压制后; d 地层结构压制后均方根振幅

在断控体识别解释性处理的基础上, 开展断控体识别和地震敏感属性优选, 优选结构张量属性^[6-7]和中尺度曲波相干属性^[8]对断控储集体发育特征及断裂特征进行描述。图 7为断控储集体多属性描述剖面, 可以看出, 结构张量属性体能够较好地识别裂缝储集体的发育特征(图 7b), 中尺度曲波相干能够较好地识别断控体的断裂特征(图 7c), 借助多属性融合技术手段, 将断控体的缝洞-裂缝储集体的发育特征与断裂特征进行融合, 实现断控体空间发育特征的多信息描述(图 7d), 为深大断裂速度建模提供断裂约束信息。

图 7(Fig. 7)

图 7 断控储集体多属性描述剖面 a 地震剖面; b 裂缝储集体识别效果; c 断裂特征识别效果; d 断裂与裂缝储集体特征融合

顺北地区二叠系火成岩异常体具有尺度多变、横向速度变化快等特征, 严重影响了深部断裂成像的精度。由于高速异常横向变化尺度小, 因而常规层析反演难以分辨; 同时由于火成岩岩性及速度横向变化剧烈, 因而不满足常规层析理论假设。

针对这一难题, 使用多尺度火成岩局部层析速度建模方法实现对不同尺度火成岩的精细反演。传统层析反演是自下而上进行全局反演, 对局部突变异常体的反演分辨率不够高, 导致异常体之下目标层位畸变。利用多尺度火成岩局部层析速度建模技术, 通过构建新的火成岩高分辨率层析目标函数, 加大火成岩发育区速度更新权重, 实现能分辨不同尺度火成岩高速异常体的目的。具体实现步骤如下。

1) 追踪目标层:根据储层预测的成果, 获得较为准确的火成岩分布特征, 将火成岩的顶定位为目标层位。

2) 计算局部深度差:根据测井分层与地质认识, 线性拟合得到符合地质规律的期望构造层位, 目标层位与期望层位局部深度差包含了火成岩的速度异常信息。

3) 为层位约束层析反投影:构造新的火成岩高分辨率层析目标函数公式(1), 将局部深度差通过层析转化为火成岩速度更新量。

式中：z_true表示计算深度; z_pick表示拾取深度; z_local表示火成岩带来的深度误差; ε₁是平衡反演权重的系数。其中，第一项为道集拉平项，属于常规层析反演的准则；第二项是添加的局部层析反演项，加大了局部层位约束下的局部构造反演权重。

4) 引入变尺度速度正则化技术实现对不同尺度火成岩的反演, 可以对公式(1)进行扩展, 增加正则化项, 得到公式(2)。借鉴图像学中的变尺度构造导向平滑算子, 通过调制算子特征值与特征向量实现沿不同方向的多尺度平滑, 从而实现从低波数到高波数逐步逼近准确的火成岩速度模型, 增强反演的稳定性, 使最终结果更符合真实的地质认识。

式中:Δv是速度更新量; D是平滑算子; ε₂是平衡反演权重的系数。其中, (2)式中第3项代表火成岩约束项, 即对更新量进行空间滤波, 滤波算子由结构张量构成, 具体表达如式(3)所示, 其中, u和v分别是结构张量的特征向量, λ是相应的特征值。

图 8为火成岩多尺度局部层析速度建模效果, 可以看出, 多尺度局部层析速度建模后, 二叠系火成岩速度异常特征明显(图 8b), 对比井旁道的模型速度与测井速度, 吻合较好(图 8c), 表明火成岩速度建模精度较高。

图 8(Fig. 8)

图 8 火成岩多尺度局部层析速度建模效果 a 局部层析建模前; b 局部层析建模后; c 局部层析建模后井旁道速度与实钻井速度对比

对于深大断裂的成像, 准确的速度模型必不可少, 但常规基于射线类的层析算法, 由于高频近似, 不能准确刻画纵向断裂的信息。利用图像导引算法, 在速度反演目标泛函中引入断控约束项, 利用断裂属性“软约束”的断控高斯束层析速度建模, 能够提高断裂建模精度。具体实现如下。

成像域速度层析方程可以写成如下矩阵形式^[9]:

式中:Δv是本次迭代的速度更新量; Δt是高斯束层析走时残差; K是层析核函数。引入图像学中的保边界偏微分方程^[10]构建预条件算子P, 其隐式表达式为如下的偏微分方程:

(5) 式常用于图像学中的保边界平滑处理。其中, f(x)是输入图像, g(x)是输出图像, α是正实数, 用于控制平滑力度; D(x)是扩散张量场, 包含了图像的走向、法向及图像方向梯度信息, 对其进行特征值分解:

其中, u、v、w分别为基于三维地震偏移图像计算的结构张量的3个特征向量; λ_u、λ_v、λ_w值介于0到1, 分别与结构张量的3个特征值互为倒数, λ越大意味沿对应特征方向的平滑尺度越大。考虑地震图像在层位处的局部线性以及在断层边界处的非连续性特征, 可根据断裂系统的发育情况合理调整λ_u、λ_v、λ_w, 从而实现图像保边界平滑处理。

引入有限差分近似, 预条件算子可写作:

考察(7)式, 所选取预条件算子P满足对称正定, 单位矩阵I的作用是在λ_u、λ_v、λ_w均为零时保持图像不改变。此外, 该预条件算子的另一优势在于对地震图像信噪比要求不高, 即在图像信噪比极低区域扩散张量算子隐含λ_u≈λ_v≈λ_w, 该预条件算子沿3个特征向量方向的平滑尺度大致相同, 相比其它方向约束算子必须沿某一指定角度平滑的做法更加稳健。

图 9为断控高斯束层析速度建模前、后对比结果, 从断控高斯束层析速度建模前、后的速度差异(图 9c)来看, 速度更新量更符合断裂的分布规律, 断控高斯束层析速度建模物理意义明确。

图 9(Fig. 9)

图 9 断控高斯束层析速度建模前(a)、后(b)的结果及差值(c)

图 10展示了火成岩多尺度局部层析速度建模前、后火成岩发育区速度模型平面特征, 可以看出, 多尺度局部层析速度建模后, 二叠系火成岩空间多尺度信息及速度的精度明显提高, 细节更加清晰。图 11为火成岩多尺度局部层析速度建模前、后RTM偏移成像剖面。以ShunBP2井为例, 火成岩多尺度局部层析速度建模前, 偏移剖面上存在明显走滑断裂特征, 但钻井资料证实走滑断裂并不存在; 火成岩速度建模后, 地震剖面上并无明显的断裂特征, 消除了高速火成岩异常体造成的假断裂构造。图 12为火成岩多尺度局部层析速度建模前、后沿T₇⁴层位提取的相干属性切片, 可以看出, 建模前, 在切片上会出现假的构造特征(图 12a中蓝色箭头所示), 且断裂的特征尤其是中小尺度断裂特征不清, 难以落实; 建模后, 有效压制了火成岩的影响, 断裂特征清晰。

图 10(Fig. 10)

图 10 二叠系火成岩建模前(a)、后(b)火成岩发育区速度平面特征

图 11(Fig. 11)

图 11 火成岩建模前(a)、后(b)RTM偏移成像剖面

图 12(Fig. 12)

图 12 火成岩建模前(a)、后(b)T74界面相干属性切片

图 13为断控高斯束层析速度建模前、后的RTM成像剖面, 可以看出, 断控高斯束层析速度建模后, 中小尺度断裂的断面特征(图 13b中蓝色箭头所示)更加清晰, 断控储集体的地震异常特征更加明显, 有效提升了断控储集体的地震识别能力。

图 13(Fig. 13)

图 13 断控高斯束层析速度建模前(a)、后(b)的RTM成像剖面

1) 针对超深断控储集体地震成像所面临的地球物理难题, 提出了“从浅至深, 逐层推进, 逐步迭代的多信息约束速度建模策略”, 通过地震处理和解释结果的更新迭代, 优化了处理流程、提高了地震速度建模精度, 提升了超深断控体地震成像效果。

2) 形成了适用于塔里木盆地顺北地区沙漠地表、火成岩速度异常干扰下深大断裂多信息约束速度建模方法技术。通过新的层析反演目标函数构建, 引入多信息约束项, 加大火成岩发育区和深大断裂带速度更新权重, 解决了常规层析反演方法在岩体突变点不适应和分辨率低等问题, 较好解决了火成岩及深大断裂的速度建模和成像难题。