气云是地层中由于烃类气体的聚集和活动在纵波地震剖面上形成的一种特殊现象, 表现为低频、弱振幅、杂乱反射的特征。气云作为一种特殊且重要的运移通道的表现, 对油气的聚集成藏有重要的指示作用, 但气云的存在给地震数据的成像带来极大的挑战, 造成气云发育区地震波能量、频率及信噪比变低。近年来气云发育区地震数据的处理引起国内外学者的广泛关注^[1-2], 并成为石油行业的研究热点之一。为了克服常规纵波勘探方法在气云发育区的限制, 20世纪末, 许多学者提出在气云发育区采用多波勘探方法, 将其应用于部分油田气云发育区的构造成像并取得了一定的效果^[3]; 近年来部分学者提出通过Q值反演的方法对气云发育区衰减能量进行补偿, 并取得一定的效果^[2]; 此外, 也有学者提出通过广义S变换补偿气云发育区振幅, 从而为储层预测奠定基础^[4]。

渤海X油田位于郯庐走滑带, 为浅层河流相油田, 区内断裂极为发育, 构造主体夹持在两组走向近平行的走滑断裂带之间, 钻井证实该油田是渤海最有利的油气富集区之一, 具有优越的油气聚集成藏地质条件^[5]。受郯庐断裂带活动影响, 油田主体区附近发育面积约18 km²的气云区。受气云发育区散射和屏蔽效应的影响, 该区地震数据品质差, 不能清晰成像, 出现大面积地震模糊带, 构造形态、断层分布不清楚, 给油田的勘探开发带来了困难。

为解决渤海X油田气云发育区地震成像问题, 对该区地震数据经过多次重处理的攻关研究, 仍然无法有效改善该油田气云发育区地震数据的成像品质, 因此开展地震数据二次采集成为解决该油田地球物理问题的必要手段。吕晓春等^[6]采用波前构建法计算海上地震采集数据的偏移振幅强度, 并将其作为照明量对多方位观测系统的照明响应进行研究, 为评价和优化多方位观测系统提供依据; 黄小刚^[7]对海上压缩感知的地震勘探采集方式展开分析, 并提出海上压缩感知地震采集设计和评价的基本方案。上述研究均针对海上地震采集领域, 但针对气云发育区尤其是海上大型气云发育区地震数据采集方面的研究相对较少。本文为解决海上大型气云发育区成像问题, 对采集方向、排列长度、覆盖次数、面元尺寸以及激发频率等采集因素展开了研究, 对地震正演模拟数据进行处理, 研究了不同采集观测系统下气云对下伏地层成像的影响, 研究成果为该油田野外资料采集设计提供了技术参考, 并在实际采集过程中得到了验证。

渤海X油田超过30%的探明储量受气云影响, 气云发育区成像是该油田地震数据处理的主要攻关方向, 其均方根振幅属性(图 1)显示气云发育区呈北北东(NNE)向条带状分布, 南北向长度达6 km, 东西向长度达3 km, 为大型气云发育区, 该区发育两条大型走滑断层。图 2为X油田主体区过气云发育区的地震剖面(其位置如图 1中黑色箭头所示), 气云发育区在地震剖面上主要分布范围为0~1500 ms(深度为0~2 000 m), 表现为低频、弱振幅、空白反射的特征, 振幅衰减严重。

图 1(Fig. 1)

图 1 渤海X油田浅层均方根振幅属性

图 2(Fig. 2)

图 2 X油田主体区过气云发育区的地震剖面

由于球面扩散和地层吸收衰减作用, 地震波在地下传播过程中, 一方面地震波能量会随着传播距离的增大逐渐衰减, 在气云发育区衰减会随着气云发育范围的增大、气云地层速度、密度的减小等愈发严重; 另一方面地震波遇到小尺度地质异常体时会发生明显的散射, 而实际资料处理过程中仅通过速度建模和偏移成像无法完全将散射的能量归位。多种因素导致气云在地震剖面中表现为杂乱弱反射的地震模糊带。对于影响气云发育区地震数据成像的主控因素, 业内存在不同的观点, 主流观点认为低速气云发育区引起的纵波能量衰减是气云发育区成像效果不佳的主要原因^[8-9], 但也有学者认为浅层低速体散射和多路径效应是造成气云下伏地层不成像的主要原因^[10-11]。实际资料处理时即使进行气云吸收补偿处理以及Q补偿PSDM处理, 气云发育区依然无法有效成像, 因此本文认为该油田气云发育区主要受海底附近泥岩包裹的含气小砂体散射的影响。为此本文根据油田实际地质构造特征和实钻井情况设计了浅层为气云的三维地震地质模型(如图 3), 其中气云发育区长度为5 000 m, 宽度为3 000 m, 气云发育区发育的小尺度散射体(圆柱体)速度为1 600 m/s, 半径为50 m, 垂向上散射体呈层状分布, 共计4层, 累计厚度约300 m, 气云发育区孔隙度约为60%。实际钻井揭示气云发育区储层较为发育, 以薄互层为主, 但地震反射较为杂乱, 构造无法落实, 因此二次采集着重解决气云发育区构造成像问题。为了保证正演过程中气云发育区满覆盖, 设计的模型宽度约为13 000 m, 长度约为24 000 m, 根据实际油田构造特征对气云下伏地层进行建模, 垂向分布的地层共9层, 由浅到深分别为第1层至第9层, 岩石物理参数如表 1所示, 气云发育区边界附近断层以高陡地层近似代替。本次研究采用三维声波有限差分正演模拟的方法^[12], 为了避免模型边界对结果的影响, 正演模拟时采用了最佳匹配层(PML)边界条件^[13]。

图 3(Fig. 3)

图 3 三维气云地震地质模型

表 1(Tab. 1)

表 1 三维模型岩石物理参数 地层 纵波速度/(m·s-1) 密度/(kg·m-3) 第1层 1 550 1 000 第2层 1 900 1 220 第3层 2 220 1 480 第4层 2 540 1 630 第5层 2 860 1 906 第6层 3 180 2 120 第7层 3 500 2 330 第8层 3 820 2 540 第9层 4 200 2 800

表 1 三维模型岩石物理参数

由于研究区的气云在平面上呈现狭窄的条带状分布, 因此采集方向对气云发育区成像效果具有较大影响。平面上气云最大长度为5 000 m, 加大排列长度是否有利于改善气云发育区成像效果有待进一步研究。覆盖次数和面元尺寸是影响地震数据信噪比和横向分辨率的重要因素, 因为气云发育区信噪比低, 散射体尺度小, 发育着不同尺度的断层, 所以覆盖次数和面元尺寸也是本次研究的要点。此外, 激发震源的频率特征也是影响地层成像效果的因素之一, 不同震源激发子波差异大^[14], 因此研究震源频率对气云发育区的成像影响为采集实施阶段震源设计提供了重要参考资料。

沿平行气云长轴和垂直气云长轴方向分别进行了两次采集, 采集方式模拟海上拖缆采集, 观测系统参数见表 2。图 4为过气云发育区同一位置沿不同方向分别采集得到的单炮记录, 由于采集方向差异造成地震波在介质中传播路径不同, 从单炮记录可以直观地看出二者气云下伏地层反射能量存在明显差异, 近偏移距反射波能量差异较大, 主要是由于沿平行气云长轴方向采集时, 大部分的地震波经过散射体, 故受地层非均质性影响大; 而沿垂直气云长轴方向采集时, 只有少部分的地震波经过散射体, 故受地层非均质性影响小, 反射波双曲线特征更明显(蓝色箭头处)。为了进一步对比不同采集方向对气云下伏地层成像效果的影响, 分别对两个采集方向的炮集数据进行克希霍夫叠前时间偏移处理, 结果如图 5所示, 其中图 5a为过气云主体区沿垂直气云长轴方向采集数据的偏移成像剖面, 图 5b为过气云主体区沿平行气云长轴方向采集数据的偏移成像剖面, 可以看出沿垂直气云长轴方向采集, 气云内部以及气云下伏地层成像质量明显高于沿平行气云长轴方向采集数据的成像质量。

表 2(Tab. 2)

表 2 拖缆采集观测系统参数 观测系统 单源七缆 炮线距/m 350 炮点距/m 50 检波线距/m 100 检波点距/m 50 采样间隔/ms 2 激发子波 15 Hz雷克子波

表 2 拖缆采集观测系统参数

图 4(Fig. 4)

图 4 过气云发育区同一位置沿不同方向采集得到的单炮记录 a垂直气云长轴方向; b平行气云长轴方向

图 5(Fig. 5)

图 5 过气云发育区同一位置沿不同方向采集数据的偏移成像剖面 a垂直气云长轴方向; b平行气云长轴方向

对沿不同方向采集的地震数据进行叠前时间偏移成像, 得到的时间切片(1 250 ms)如图 6所示, 其中图 6a为沿垂直气云长轴方向偏移成像剖面的时间切片, 图 6b为沿平行气云长轴方向偏移成像剖面的时间切片, 如图中黑色箭头所示, 沿垂直气云长轴方向采集时地质体边界更加清楚。

图 6(Fig. 6)

图 6 对沿不同方向采集的地震数据叠前时间偏移成像得到的时间切片(1 250 ms) a垂直气云长轴方向; b平行气云长轴方向

海底电缆(ocean bottom cable, OBC)束线(swath)采集是当前渤海油田采用的主要采集方式^[15], 在改善浅层河流相储层成像方面取得良好的应用效果, 因此渤海X油田拟采用束线观测系统, 但受采集周期和采集成本限制, 必须对影响气云下伏地层成像的电缆长度、覆盖次数以及面元尺寸等因素进行分析。为此本次研究采用束线采集方式对不同观测系统进行对比研究, 分别分析了缆长、覆盖次数以及面元尺度等参数对气云区成像效果的影响。表 3为本次研究设计的4种观测系统的采集参数。图 7为基础观测系统(方案1)采集示意图, 其中红线为炮线, 黄线为接收线。为了对比4种不同观测系统对气云区下伏地层成像效果的影响, 采用15 Hz雷克子波进行三维正演模拟, 并进行叠前时间偏移处理分析。

表 3(Tab. 3)

表 3 海底电缆不同观测系统的采集参数 方案1 方案2 方案3 方案4 观测系统 swath 4L16S320T 4L16S160T 4L8S320T 4L4S320T 电缆 电缆长度/m 8 000 4 000 8 000 8 000 记录道数 320×4 160×4 320×4 320×4 道间距/m 25 25 25 25 接收线距/m 200 200 200 200 震源 炮线距/m 25 25 25 50 炮点间距/m 50 50 50 50 覆盖次数面元尺寸 覆盖次数 320 160 160 160 面元尺寸/(m×m) 12.5×12.5 12.5×12.5 12.5×12.5 12.5×25.0

表 3 海底电缆不同观测系统的采集参数

图 7(Fig. 7)

图 7 基础观测系统(方案1)采集示意

图 8为利用8 000 m缆长(本文近似为最大偏移距)与4 000 m缆长(方案2)正演数据得到的气云下伏地层的成像剖面, 对比发现缆长对倾角较小的地层成像影响小, 而对倾角较大的地层成像影响大, 加大排列长度可有效改善高陡地层的成像品质。

图 8(Fig. 8)

图 8 利用不同排列长度(最大偏移距)正演数据得到的气云下伏地层的成像剖面 a 8 000 m缆长; b 4 000 m缆长

图 9为采用不同观测系统方案的正演数据叠前时间偏移成像剖面, 其中图 9a为过气云区的速度模型剖面; 图 9b为利用基础观测系统12.5 m×12.5 m面元, 320次覆盖次数的正演数据(方案1)得到的叠前时间偏移成像剖面; 图 9c为利用12.5 m×12.5 m面元, 160次覆盖次数正演数据(方案3)得到的剖面; 图 9d为利用12.5 m×25.0 m面元, 160次覆盖次数(方案4)的正演数据得到的剖面。图 9c的观测系统覆盖次数相对于图 9b的减少一半。图 9d相对于图 9c的面元面积增大1倍。

图 9(Fig. 9)

图 9 过气云区速度模型剖面(a)与利用观测系统方案1(b)、方案3(c)、方案4(d)的正演数据得到的叠前时间偏移成像剖面

对比图 9c与图 9b可以看出当覆盖次数降低时, 地震剖面整体信噪比并未因此发生明显变化, 但高陡地层(如图中箭头所示)的成像质量变差。图 10和图 11分别为利用不同观测系统的采集数据对气云及其下伏地层成像得到的1 000 ms和1 500 ms的时间切片, 对比不同观测系统采集数据在平面上的成像差异可知, 当覆盖次数降低一半时, 1 000 ms的时间切片成像质量并未发生明显变化, 但1 500 ms的时间切片上, 平面上距离较近的地质体边界(如图 11中箭头所示)变得模糊, 而距离较远的地质体边界受影响较小。因此覆盖次数主要影响气云下方深层的成像品质, 当覆盖次数降低时，深层平面上距离较近的地质体边界成像质量明显变差。

图 10(Fig. 10)

图 10 利用不同观测系统的采集数据对气云及其下伏地层成像得到的1 000 ms时间切片 a过气云区速度模型时间切片; b方案1时间切片; c方案3时间切片; d方案4时间切片

图 11(Fig. 11)

图 11 利用不同观测系统的采集数据对气云及其下伏地层成像得到的1 500 ms时间切片 a过气云区速度模型时间切片; b方案1时间切片; c方案3时间切片; d方案4时间切片

面元尺寸是影响横向分辨率的重要因素, 同时也影响着地层的成像品质^[16]。从图 9可以看出, 随着面元增大地震数据整体信噪比降低, 这种趋势在图中蓝色圆圈区域尤为明显, 地层成像杂乱, 高陡地层的成像品质进一步降低。图 10d中箭头所示地层边界模糊, 随着地层深度增加(图 11c和图 11d), 面元尺寸对地质体边界的影响更为明显, 面元越大越不利于气云下伏地层成像品质的改善。

综合对比不同覆盖次数、不同面元尺寸观测系统的地震数据成像效果可知, 覆盖次数对气云区下伏相对埋深较浅的地层成像效果影响小, 对埋藏较深的地层成像效果影响大; 面元尺寸对气云下伏地层成像效果影响大, 并且随着地层深度的增加, 影响程度逐渐增大。

激发震源频率是影响地震波穿透能力的重要因素, 为了研究频率对气云下伏地层成像效果的影响, 建立了如图 12所示的模型。分别用主频为15 Hz和30 Hz的雷克子波进行正演模拟分析, 并对正演得到的炮集记录进行叠前时间偏移处理, 成像结果如图 13所示, 可以看出, 主频越高气云正下方地层反射错断越明显(蓝色箭头所示区域), 并且随着主频的提高, 由气云引起的多次波能量越强(图中红色箭头所示区域)。因此, 低频震源的应用有利于气云区成像品质的提高, 对于气云区成像, 激发子波必须具有足够的低频能量。

图 12(Fig. 12)

图 12 二维气云正演模型

图 13(Fig. 13)

图 13 对不同主频雷克子波正演的炮集记录处理得到叠前时间偏移剖面 a 15 Hz; b 30 Hz

上述正演模拟数据的分析成果为野外实际采集观测系统设计提供了借鉴, 建议野外采集实际面元为12.5 m×12.5 m, 覆盖次数为320次。图 14为过气云区新采集和以前采集的单炮记录。新采集地震记录的双曲线同相轴特征更明显, 在1.0~1.5 s处以前采集的地震记录受气云散射体影响严重, 近偏移距反射波能量弱, 而新采集地震记录因采用更小面元和更高的覆盖次数, 故近偏移距资料品质明显改善, 更深处(2.0 s附近)的地层反射也更加清楚, 且由于新采集资料低频成分更丰富(图 15), 地震波具有更强的穿透性。图 16为新采集和以前采集的地震数据的偏移剖面, 由于采用小面元、高覆盖、低频的采集方式, 所以新采集的地震数据气云区地层反射更加清楚, 与非气云区反射强度差异较小, 对于落实气云区构造尤为有利。为了进一步对比不同观测系统参数对气云区成像的影响, 对不同观测系统下的新采集地震数据进行处理, 偏移成像结果如图 17所示, 其中图 17a为采用方案1的新采集地震数据偏移成像结果, 图 17b为相较方案1覆盖次数减少一半时的偏移成像结果, 图 17c为相较方案1覆盖次数减少一半且面元扩大1倍的新采集地震数据偏移成像结果。覆盖次数减少一半时, 气云下方地层成像质量变差, 能量变弱(如图 17b中蓝色圆圈所示), 随着深度的增加, 覆盖次数对资料影响程度逐渐增大(如图 17b中黑色箭头所示)。在此基础上将面元尺寸扩大1倍, 得到的成像结果信噪比更高, 但断层较为模糊(如图 17c中蓝色箭头所示), 可知面元尺寸对构造成像影响大, 以上结论均与正演分析采集参数时得到的结论一致。

图 14(Fig. 14)

图 14 过气云区新采集(a)和以前采集(b)的单炮记录

图 15(Fig. 15)

图 15 过气云区新采集和以前采集的地震数据的炮集记录频谱

图 16(Fig. 16)

图 16 新采集(a)、以前采集(b)的地震数据的偏移剖面

图 17(Fig. 17)

图 17 过气云区不同观测系统下新采集地震数据的偏移成像结果 a方案1; b方案3; c方案4

针对海上大型气云发育区地震数据采集观测系统的设计问题, 本文从采集方向、排列长度(最大偏移距)、覆盖次数、面元尺寸、激发频率等方面开展了研究。对不同观测系统下的正演模拟得到的炮集数据进行相应的处理和分析, 以及对新老实际采集资料展开对比分析, 获得以下3点认识:

1) 由于渤海X油田气云呈明显的南北向条带分布, 沿气云短轴方向采集更有利于气云区成像; 正演模拟数据以及实际资料表明:覆盖次数为160和320的地震数据对浅层地层成像差别不大, 但随着深度的增加, 覆盖次数影响逐渐增大。

2) 相对覆盖次数, 面元尺寸对断层成像影响较大, 面元越大断层成像品质越差; 缆长对倾角较小的地层成像影响小, 而对倾角较大的地层成像影响大, 加大排列长度可有效改善高陡地层的成像品质。

3) 激发主频是影响气云下伏地层成像的关键因素, 采用低频强震源激发可以改善气云及其下伏地层成像效果。

本文主要对采集方向、排列长度、覆盖次数、面元尺寸以及激发频率等主要采集因素展开分析, 宽方位采集能否解决海上大型气云发育区成像问题需要进一步论证; 开展转换波采集及处理研究可能是解决气云下伏地层成像问题的另一种有效手段。