油气勘探已经进入深层、超深层^[1-3]。我国塔里木、四川和鄂尔多斯等盆地的海相深层碳酸盐岩油气勘探领域, 以岩溶缝洞型、礁滩孔隙型、白云岩孔隙型和裂缝型为典型的特殊储层, 具有构造圈闭复杂和储层多样的特征^[4-7]。这对常规地球物理勘探技术提出了严峻的挑战, 主要可归纳为: ①地表与地下双复杂, 地表起伏剧烈、甚至陡倾基岩出露地表, 速度横向变化大, 目的层埋藏深、温压高、构造复杂和勘探目标具有尺度小、非均质性等特点, 导致地震波场复杂、地震信号弱、信噪比低、分辨率低及地震各向异性严重等; ②非均质和各向异性问题挑战了传统的基于水平层状介质理论的动静校正方法和成像方法; ③单一的叠后地震属性方法难以解决复杂储层和流体预测问题。

深层复杂地质体勘探面临的这些地球物理难题往往不是孤立的, 而是贯穿于地震采集、处理、解释的各个环节当中, 运用单一环节的技术不能有效地解决, 必须采用地震采集、处理、解释一体化的叠前成像与反演的思路系统地解决。地震一体化技术流程如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 地震一体化技术流程

“地震一体化技术”即从地质模型出发, 全流程系统地考虑面临的地球物理难题对采集、处理和解释每个环节的影响, 开展基于复杂地表地质模型正演模拟的采集设计模拟分析、处理成像、岩石物理分析与储层反演等系统研究, 由此反复试验找到适合实际特定工区的地震采集、处理与解释技术流程与参数。地震数据处理解释一体化研究近年来受到重视^[8-10], 但实际应用中真正将地震数据采集、处理、解释有机地一体化统一起来, 并非易事。

在图 1所示的地震一体化技术流程中涉及多项技术, 其中, 三维地震正演模拟与观测系统设计技术、岩石物理建模与分析技术以及静校正、去噪等地震预处理技术是重要的基础。最关键的技术包括: 在地震采集环节以获得品质好、信息全的地震成像所需资料为中心的“小宽高”高密度地震采集技术、在地震处理环节以“小平滑面”RTM深度成像为核心的预处理和速度建模与叠前偏移成像技术、地震解释环节以“五维数据”各向异性叠前反演技术为核心的裂缝、甜点、流体预测技术。

“小宽高”高密度地震采集技术是指采用小道距、小面元, 宽方位、宽频带、高覆盖、高炮道密度的高密度地震采集技术。为满足地下复杂构造成像的需求, 必须对地质体进行高密度均匀采样, 尽量避免地震照明阴影。也就是说, 地震野外采集时尽量得到更多、更全的波场信息, 包括地表、地下的高密度均匀全方位采样。

“小”就是指小道距和小面元, 主要是解决地表、地下的高密度采样问题。小道距地震数据的优势可概括为: ①可得到完整的线性噪声波场, 有利于噪声压制; ②有利于反演高精度的近地表速度模型; ③可获得高质量的初至波, 利于基于初至波层析反演的静校正。

如图 2所示, 10 m道距的道集和叠加剖面线性噪声特征优于25 m道距的采集结果, 因此小道距可以有效地压制线性噪声。如图 3所示, 相较于20 m道距地震数据反演的速度, 2 m道距的地震数据反演的速度精度明显提升, 更接近微测井计算得到的速度。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同道距的道集及叠加剖面 a 10 m道集; b 25 m道集

图 3(Fig. 3)

图 3 不同道距的地震数据反演的速度曲线与微测井速度曲线

小面元采集也有利于提高地震剖面的分辨率、小地质体串珠成像精度及小断块成像精度。小面元(12.5 m×12.5 m)采集的地震数据比大面元(25 m×25 m)采集的地震数据的叠加剖面分辨率高(图 4a), 相应的小串珠RTM成像精度也更高(图 4b)。胜利油田进行了面元大小的系列试验, 结果如图 5所示, 从左到右, 面元从25 m×25 m缩小至5 m×5 m, 面元越小, 则断点越清楚, 分辨率越高。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同面元地震数据的叠加剖面(a)、RTM成像剖面(b) 左: 面元尺寸为25 m×25 m; 右: 面元尺寸为12.5 m×12.5 m

图 5(Fig. 5)

图 5 小面元成像试验结果

“宽”是指宽方位地震采集, 尽可能地加大观测系统的横纵比, 尽可能实现对地下地质体的全方位观测, 有利于获得更全的地震波场信息, 有利于高陡断裂、串珠成像, 以及各向异性裂缝性储层预测。如图 6所示, 随着观测系统横纵比的提高(即方位的增宽), 地震剖面上高陡断裂的成像精度也逐步提高。西部塔河地区小面元加宽方位采集的地震数据成像效果(图 7的右图)比老资料(图 7的左图)的串珠刻画精度明显提高。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同横纵比地震数据的成像结果

图 7(Fig. 7)

图 7 塔河地区西部小面元+宽方位采集地震数据缝洞成像结果 a 成像剖面; b 串珠解释的平面分布(左: 面元尺寸为25 m×25 m; 右: 面元尺寸为12.5 m×12.5 m)

“高”指高覆盖与高炮道密度, 二者均有利于提高信噪比和成像质量。图 8是西北油田阿东不同覆盖次数下老、新三维地震数据成像结果, 老资料覆盖次数不足100, 新三维资料高覆盖(640次)+宽方位(横纵比为0.9), 成像质量和信噪比明显提升。考虑到性价比, 且覆盖次数并非越高成像效果提升越显著, 西部塔里木地区进行的三维采集覆盖次数实验结果如图 9a所示(据中石化西北油田), 当覆盖次数达到500次后, 信噪比的增加不明显(图 9b, 时窗1 800~3 500 ms)。不同地表条件下地震采集的覆盖次数需通过分析论证、试验确定, 需要综合考虑地表条件、地下构造复杂程度、勘探目标、成本效益等因素后权衡确定。

图 8(Fig. 8)

图 8 西北油田阿东不同覆盖次数下的三维老(a)、新(b)资料成像结果

图 9(Fig. 9)

图 9 塔里木地区地震数据成像(a)及信噪比(b)随覆盖次数的变化情况

高密度地震采集最显著的标志是高炮道密度, 即每平方千米内的激发炮数和接收道数。中国石化2005年以前常规采集的老三维地震数据, 一般炮道密度小于20万道/km²。随着地震仪器的发展和物探技术的进步, 2005年以后开始逐步提高炮道密度, 直到2016年左右, 高精度三维地震采集数据的炮道密度为20万道/km²~100万道/km²。约从2017年开始, 为提高复杂探区的地震数据质量, 逐步实施高密度三维地震采集, 炮道密度大于100万道/km²。如图 10所示, 江苏油田永安三维高密度地震采集的炮道密度高达180万道/km², 相较于原来高精度采集(90万道/km²)的地震数据成像结果(图 10a), 高密度采集的地震数据成像结果(图 10b)信噪比、断点均有明显改善, 利用新资料进行地震解释, 新增了8个地层圈闭(据江苏油田)。

图 10(Fig. 10)

图 10 江苏永安三维高精度(a)、高密度(b)采集地震数据的成像结果

综上所述, “小宽高”高密度地震采集技术是解决地表地下复杂勘探问题的有效途径。然而“小宽高”所包含的小道距、小面元、宽方位、宽频带、高覆盖、高炮道密度等这些采集参数存在极限, 一味追求参数的极限会大幅增加采集成本, 故需根据勘探目标、成本效益及野外试验综合确定。

实际应用中需根据勘探目标的复杂程度, 抓住主要矛盾, 选择合适的参数。对于地下潜力大而“地上地下双复杂”的目标, 要舍得投入, 大胆采用“小宽高”高密度地震采集技术; 如果地下各向异性不突出、无需进行叠前裂缝预测, 则无需采集方位太宽的地震数据; 如果对地震数据分辨率要求不高, 地表地下情况不太复杂, 道距则无需太小; 如果地震数据信噪比很高, 则无需要求高覆盖和高炮道密度。

必须根据地质目标的复杂程度, 围绕深度域RTM成像的需求, 通过地震正演模拟试验分析, 遵循一体化的思路, 设计实用的观测系统, 得到最佳的采集方式, 与此同时还要兼顾经济效益。

地表地下构造复杂, 速度横向变化剧烈, 时间域偏移成像原理决定了它不能对地下地质体的位置进行准确成像, 叠前深度偏移成像至少目前是最佳的甚至是唯一的选择。

虽然叠前深度偏移技术能够很好地解决地下复杂构造(速度)的成像问题, 但是, 对于地表地下“双复杂”的勘探对象, 常规的叠前深度偏移处理技术不适用。图 11为当前在地震数据处理中经常会用到的处理面。

图 11(Fig. 11)

图 11 地震数据处理常用的处理面示意

在图 11中, 固定基准面采用工区统一的水平海拔高程, CMP浮动面是在时间域用于动、静校正的大平滑面, 真地表即地表高程面, 拟真地表面是对真地表面进行小平滑后的“小平滑面”。

为满足时间域动校正叠加的假设原理和方法, 通常我们引入一个恒定的“替换速度”将炮点和接收点近似地校正到CMP浮动面上, 然后在CMP浮动面上进行速度分析、动校正叠加及叠前时间偏移处理, 甚至叠前深度偏移成像。在地表起伏和近地表速度变化都不大的情况下, 上述处理流程是正确的。但在复杂山前带地区, 地表起伏大, 近地表速度变化剧烈, 不满足近地表一致性假设, 而且“替换速度”的应用导致近地表速度模型与真实近地表速度之间的误差很大, 必然影响RTM成像的精度。因此, 复杂地表条件下不能将CMP浮动面作为RTM处理的起始面, 理论上, RTM处理的起始面最好从真地表开始, 才能真正解决复杂近地表结构的问题。但是当前观测数据有限, 且层析速度反演的网格不能太小, 因此得到的近地表速度精度不够高, 从真地表进行RTM处理依然存在较大的近地表速度误差。因此, 需要探索一种折中的近似方法, 即对真地表进行与计算旅行时网格相当的平滑处理(一般约为400 m), 人为建立一个新的“面”即“小平滑面”。也就是说, 小平滑地表面是真地表进行小平滑处理后的地表面, 在此面上进行速度分析及RTM叠前深度偏移处理, 即称为“小平滑面”RTM叠前深度偏移处理技术。

小平滑处理的尺度取决于RTM旅行时计算网格。“平滑”后的表面和近地表速度模型, 在炮点、接收点旅行时的计算网格之间不应存在“显著”的变化。选定“小平滑面”后, 只需完成从起伏地表到平滑面的高频静校正。如图 12所示, 基于“小平滑面”的高频静校正很好地消除了高频抖动, 保证了中长波长的波场特征不受人为静校正处理的影响。

图 12(Fig. 12)

图 12 基于不同地表高频静校正效果 a 图 12b、图 12c、图 12d对应的处理面高程; b 原始地表; c 时间域浮动面折射静校正处理结果(用于时间域PSTM); d 平滑地表面高频静校正处理结果(用于深度域PSDM)

选定了“小平滑面”, 进行去噪、反褶积及静校正处理后, 要去除基于浮动面的长波长静校正量的影响, 只需对地震数据施加从起伏地表到“小平滑面”的高频静校正, 形成适用于“小平滑面”RTM成像的叠前地震数据。速度建模的关键在于如何建立从小平滑面到深层的精确速度模型, 这是地震采集、处理、解释一体化结合的重要环节, 主要包括: ①充分利用野外近地表调查资料(微测井、小折射等)进行约束, 采用近地表层析反演得到可靠的近地表速度模型; ②进行中深层的地质构造解释, 特别是异常速度体的解释, 形成中深层速度分析的构造(含层位、封闭地质体)约束数据; ③中深层的初始速度模型建立, 以及浅中深速度模型的融合和由浅到深的速度模型的迭代更新。浅中深结合的速度建模思路如图 13所示, 速度建模的原则是由浅到深、先全局后局部、最后加入各向异性, 具体速度建模技术流程如图 14所示。

图 13(Fig. 13)

图 13 浅中深结合的速度建模思路

图 14(Fig. 14)

图 14 速度建模流程

精细速度建模是一个递进的过程, 目前, 比较实用的策略是采用射线层析、高斯束层析、全波形反演的递进式建模流程, 逐步提高速度建模的精度。如图 15所示, 利用射线层析解决低波数问题, 利用高斯束层析解决中波数问题, 利用全波形反演解决高波数问题。某地区递进式的速度建模效果如图 16所示, 速度模型精度逐步得到提升, 最终成像质量好。

图 15(Fig. 15)

图 15 递进式深度域速度建模方式示意

图 16(Fig. 16)

图 16 不同阶段建立的递进式深度域速度模型及最终成像结果 a 射线层析; b 高斯束层析; c 全波形反演; d 偏移成像剖面

采用了基于“小平滑面”的处理思路和速度建模流程, 特别是利用各向异性进行速度建模, 可以得到较为精确的速度模型(及各向异性参数模型), 再应用TTI-RTM成像处理技术, 最终得到高精度的成像结果。如图 17所示, 江汉潭口地区精确速度建模和TTI-RTM成像效果(图 17b)明显优于传统的RTM成像效果(图 17a), 深部地层成像的深度及构造的位置都更为准确。如图 18所示, 地震预测的目的层倾角为30°, 前期RTM成像结果(图 18a)中目的层与实钻井纵向误差为386 m, 而TTI-RTM成像结果(图 18b)水平位移量为640 m, 对应纵向位移量为370 m, 纵向误差缩小至48 m, 并消除了水平位置误差。

图 17(Fig. 17)

图 17 江汉潭口地区三维早期RTM(a)和TTI-RTM(b)成像结果

图 18(Fig. 18)

图 18 前期RTM(a)和TTI-RTM(b)成像结果

全波形反演(FWI)是数据驱动下高频速度模型优化的有效工具, 对于陆上地震资料效果明显, 如图 19所示, 塔河4区FWI速度优化后的“串珠”成像效果(图 19b), 明显优于原速度模型的应用结果(图 19a)。

图 19(Fig. 19)

图 19 塔河4区采用原速度模型(a)和FWI优化后(b)的速度模型得到的RTM成像结果

综上所述, 叠前深度偏移处理是当前解决复杂构造成像的唯一出路, 而“小平滑面”RTM是实现“双复杂”地质目标成像的有效现实途径。

满足成像条件的地震数据采集是基础; 处理流程很重要, 需要完善小平滑面的选取、高频静校正等处理步骤; 速度建模是关键, 要做好浅层和深层融合及各向异性参数模型建立与优化; 成像方法是核心, 要选择先进、适合的RTM成像方法, 如TTI-RTM成像处理技术。精确的速度(含各向异性参数)建模方法(如FWI)加上精确的深度成像算法(如RTM), 才能获得精确的成像结果。

“五维数据”是在常规三维地震数据基础上增加了方位角信息^[11], 即对X、Y、Z 3个坐标轴加偏移距、方位角信息。通过五维道集(螺旋道集)反演提取弹性参数、岩石物性、“甜点”、流体、各向异性裂缝等信息。“五维数据”带来了更加丰富的地震信息, 特别是各向异性参数, 为叠前储层参数反演技术的应用奠定了基础。

“五维数据”的应用必须是地震采集、处理、解释一体化的系统工程。地震数据采集必须是宽方位观测系统, 否则无法构成“五维数据”; 地震数据处理也必须是宽方位处理, 如OVT域宽方位成像或角度域RTM处理; 在宽方位采集处理的基础上, 才可实现地震解释环节的各向异性分析及叠前反演, 如叠前方位各向异性裂缝反演、各向异性AVO分析、各向异性叠前弹性参数反演、叠前泊松阻抗反演等。在此展示两个应用实例的效果: 一个实例是按照图 20所示的常用的叠前弹性参数反演技术一体化流程, 某深层地震资料的叠前反演结果如图 21所示, 在该流程中, 如果要进行各向异性弹性参数反演, 就需要分方位开展相关反演处理; 另一个实例是某地区叠前方位各向异性裂缝反演技术的实际应用结果, 其处理流程主要包括多方位成像道集的产生、分方位叠加地震数据体的形成和振幅各向异性参数反演, 预测结果如图 22所示, 裂缝预测结果与井高度吻合。这些都是典型的地震采集、处理、解释一体化的成功应用案例, 如果没有一体化的思路、一体化的设计、一体化的流程和一体化的结合, 就不可能取得理想的应用效果。

图 20(Fig. 20)

图 20 常用的叠前弹性参数反演技术一体化流程

图 21(Fig. 21)

图 21 某深层地震资料叠前反演处理结果 a 纵波阻抗剖面; b 横波阻抗剖面; c 密度剖面; d 流体因子剖面

图 22(Fig. 22)

图 22 某地区叠前方位各向异性裂缝反演技术流程(a)和预测结果(b)

总之, “五维数据”蕴藏着丰富的油气地质信息, 这些信息的挖掘离不开叠前各向异性反演技术。宽方位地震采集是“五维数据”反演的数据基础, 岩石物理分析是叠前反演的物质基础, 宽方位成像处理是叠前各向异性反演技术的关键, 合适的叠前反演方法是“五维数据”一体化应用的核心。

地表与地下“双复杂”条件下的地震勘探是当前一个世界级的难题, 依赖任何一个单项物探新技术都不能有效地解决, 除了“地震一体化技术”, 别无良方。“小宽高”高密度地震采集技术、“小平滑面”RTM叠前深度偏移技术和“五维数据”各向异性叠前反演技术是“一体化系列技术”中最重要的关键技术。每一项物探技术的应用都有条件和局限性, 必须根据地质模型进行正演模拟和岩石物理分析, 通过模型试验、野外现场试验科学优选合适的方法和参数。大胆、科学地应用地震一体化技术, 必将推动深层复杂地质体油气勘探不断取得新突破。