胜利油田东部探区所处的济阳坳陷油气资源十分丰富, 按照2005年全国第三轮资源评价, 石油资源量为102.6×10⁸ t, 目前探明石油地质储量为53.2×10⁸ t, 剩余资源量为49.4×10⁸ t, 剩余资源丰度为16.5×10⁴ t/km², 坳陷中4个主力凹陷剩余资源量和剩余资源丰度均居中国石化所属各凹陷前列^[1], 具有巨大的勘探潜力。

然而, 济阳坳陷地质条件异常复杂, 被称为“地质大观园”^[2], 即形容为“一个摔碎了的盘子, 又被人踢了一脚”, 特殊的地质条件决定了其勘探历程具有复杂性和渐进性的特点, 作为对油气勘探具有支撑作用的地震技术也因此不断地发展与进步。从前期的光点地震、二维地震, 到后来的常规三维、高精度三维, 先后为坳陷内简单构造油藏勘探、复式油气藏勘探和隐蔽油气藏勘探提供了强力的技术支撑^[3-6]。

“十三五”以来, 胜利油田进入到复杂隐蔽油气藏勘探阶段, 勘探程度不断提高, 勘探对象日趋复杂, 传统的地震技术已不能满足勘探开发的需求, 规模储量发现越来越难。为了破解生产难题, “十五”以来提出了高密度地震的设想^[7], 先后探索了数字单点、模拟小组合两条技术路线^[8-10], 在国家科技重大专项和中国石化“十条龙”重大科技攻关项目的支持下, 开展了大规模的先导试验工作, 结合工区地表地质条件, 立足自身, 提出了单点高密度地震技术概念, 从“模仿”到“创新”, 形成了实用的独具特色的单点高密度地震技术, 构建了高密度地震技术体系, 先后完成了十余个单点高密度三维地震项目, 勘探开发成效显著, 为我国东部成熟探区精细勘探、效益开发提供了技术支撑。

1 单点高密度地震技术内涵 1.1 胜利油田地震技术发展历程

地质与物探相辅相成, 异常复杂的地下地质条件以及大量的勘探实践和较快的勘探节奏促进了物探技术的发展, 使胜利油田成为我国许多物探技术的发祥地。同时地球物理技术不但推动了地质理论认识的提升和完善, 而且很好地拉动、支撑了油田勘探增储、开发建产。

自20世纪70年代以来, 胜利油田地震勘探经历了“二维地震—常规三维—高精度三维”3个阶段^[11], 至2015年, 胜利油田东部探区已实施三维地震250块, 合计满次面积31 000 km²。油气勘探, 地震先行, 每一次地震技术的进步都会带来勘探的重大发现(图 1)。

20世纪80年代, 大规模二维地震勘探后, 胜利油田勘探仍然面临着“忽有忽无, 忽水忽油, 忽高忽低, 忽薄忽厚, 忽稀忽稠”的难题, 物探先辈意识到“解决复杂断块的问题必须是三维地震”。1966年, 李庆忠院士在胜利油田首次提出三维地震勘探方法及原理, 并在东辛油田上绘制出三维归位构造图, 取得了良好的地质效果; 1974年, 又在新立村地区组织开展了世界上第一片束状三维地震勘探, 发现了新立村油田。在前期攻关研究的基础上, 探索形成了胜利油田第一代三维地震技术, 其主要特征为“组合接收、大面元、低炮道密度、构造成像与解释”。采集上“速度检波器大组合、4线6炮为主、面元网格以25 m×50 m为主、覆盖次数20~30次、接收道数小于480道、道密度不超过20×10⁴道/km²”, 处理中以叠后时间偏移为核心, 力争“高分辨、高信噪比”资料处理, 重点围绕构造进行解释。至2005年, 胜利油田东部探区共完成常规三维地震近200块, 满次面积两万多平方千米, 极大改善了地震资料品质, 从而使一些大型油田得到进一步扩展, 一些中小型油田得以发现^[12]。常规三维地震技术支撑了胜利油田复式油气藏勘探, 彻底改变了以往二维地震勘探构造油藏“越找越小, 越找越贫, 路子越走越窄”的严峻勘探形势, 奠定了中国第二大油田的地位。

1998年, 胜利油田主探区基本上实现了三维地震连片, 由于勘探难度越来越大, 因而地震技术储备不足的问题日益突出。为此, 1998年4月, 胜利油田召开了“高精度三维地震研讨会”, 会上提出了“胜利油田要不要继续三维地震？如何开展三维地震勘探？三维地震技术向何处去？”的3个核心问题, 经过讨论, 会议认为: 在三维地震有效覆盖探区, 胜利油田仍有很大勘探潜力, 油田的持续稳定发展需要有新的地震勘探技术做支撑, 新的复杂勘探目标需要高精度地震资料才能满足需求, 有必要开展新一轮高精度地震勘探, 采用新技术重新采集高精度三维地震资料^[13]。至2005年, 胜利油田形成了第二代三维地震技术——高精度三维地震, 主要特征为“组合接收、较小面元、中炮道密度、面向岩性处理与解释”。采集中, “速度检波器组合接收、6线10炮为主、面元网格以25 m×25 m为主、覆盖次数50次以上、接收道数超过千道、炮道密度不超过100×10⁴道/km²”。与常规三维相比, 处理解释技术有了较大的进步。处理方面, 理念上由“追求信噪比”到“保真保幅”, 技术手段由叠后时间偏移为主到叠前时间偏移为主; 解释方面, 从手工解释作图走向人机联作解释, 从三维数据二维解释走向三维构造解释, 从构造解释走向岩性解释, 从叠后反演走向叠前反演。这一时期, 地震资料品质的提高和处理解释技术的进步, 实现了隐蔽油气藏勘探由“碰”到“找”、由“定性预测”到“定量评价”的跨越, 高精度三维地震成为胜利油田隐蔽油气藏勘探开发的核心技术之一。

进入到2015年以后, 胜利油田东部老油区的勘探对象转向以“薄、小、碎、深、散、隐”为主的油藏, 单块控制储量规模逐年变小的态势日趋严重, 如胜利东部2018年度单块储量规模108×10⁴t/块, 较2017年减少10×10⁴ t, 增储上产的难度逐年加大, 如何实现东部老油田的可持续发展成为一个重大课题。

面对成熟老区复杂且多样的地质油藏目标, 以往的物探技术已不能很好适应这一变化, 要实现中石化“东部硬稳定”的战略目标, 迫切需要新一代的地震技术, 解决油田勘探开发中物探技术成本与精度、质量与效率之间的矛盾, 这也是物探技术发展的一个永恒主题。

1.2 单点高密度地震技术核心内容

高密度地震是一个相对的概念, 是指道间距小于常规道间距或单点不组合的地震采集、提高分辨率处理和综合解释的技术, 是国内外高度关注和发展的一项新技术, 它通过提高地震资料的信噪比、分辨率和保真度, 进而提高构造成像精度、薄储集层识别精度和岩性预测精度^[14]。

高密度地震技术国外研究起步早、探索多, 在海上、陆上都有商业化应用, 主要形成了两条技术路线(见表 1), 但对外技术封锁^[15]。

“十五”期间, 胜利油田提出了“高密度三维地震技术是提高地震资料精度, 提高复杂小断块刻画能力、岩性圈闭预测能力和小尺度孔缝洞描述精度的最有效途径, 是老油区二次勘探的关键技术之一”的观点。

2005年至2015年, 先后在垦71、罗家、盘河、哈山、义和庄等地区探索实验了3条技术路线, 见图 2。在垦71地区和罗家地区, 实验了以数字检波器接收为核心的高密度地震技术路线, 虽然垦71、罗家高密度三维取得了很好的应用效果, 但是由于DSU3检波器引进价格高, 购置数量有限, 施工中埋置要求高、兼容性差、过障碍能力差等原因, 后续难以大规模投入生产应用; 在义东地区, 实验了以模拟检波器小组合为核心的高密度地震技术路线, 与老剖面相比, 新资料成像剖面横向分辨率有较大提升, 大断层断面、小断块断点清楚, 但垂向分辨率没有明显提高, 无法解决小尺度精细成像问题。中石油推出的新一代高密度地震技术, 通过可控震源的高密度高效滑动扫描技术实现高密度地震采集, 适合于西部戈壁荒漠区等地形条件。与井炮激发相比, 可控震源高效激发技术安全环保、施工效率高。2014年, 胜利油田在新疆哈山东地区创造了日产13 000多炮的国内记录, 大幅降低了采集成本, 是高密度地震技术的一个发展方向。但是, 目前国内使用的Nomand65型可控震源自重28 T, 东部城镇区、农田区难以承载; 震源峰值出力275 KN, 在公路、厂矿等硬化路面上使用时会破坏路面结构。因此, 大型可控震源难以在农田、城镇、工厂密集分布的胜利油田东部探区使用。

从胜利油田探索的高密度地震技术路线来看, 已有的高密度地震技术均无法适应我国东部高度复杂的地面施工条件和高度复杂的地下地质目标, 必须立足于东部老区地表、地质特征, 借鉴国内外其它高密度地震的经验, 自主攻关, 才能形成适合东部老区精细勘探开发需求的高密度地震技术。

高成熟探区主体进入精细勘探阶段, 无疑需要“渔网”网眼越织越密、“CT”精度越来越高, 对此结合地球物理技术发展趋势, 胜利油田提出了新一代的单点高密度地震技术, 与传统的三维地震技术相比, 实现8个方面的转变: 从规则(束状)观测系统向基于地表和面向地质目标成像的观测系统转变; 从检波器组合接收向单点接收转变; 从固定(井深、药量、岩性等)激发向最佳(井深、药量、岩性等)激发转变; 从大面元向小面元转变; 从窄方位角向宽(全)方位角转变; 从窄频带向宽频带(特别是低频)转变; 从低覆盖次数向高覆盖次数转变; 从低炮道密度向高炮道密度转变。

2015年, 遵循“八个转变”的理念, 在大量探索的基础上, 从“模仿”到“自主创新”, 提出了单点高密度地震技术的概念, 即单点激发、单点接收, 具有小面元、宽频带、宽方位、高炮道密度特征, 以方位各向异性理论为基础, 采用宽频全方位处理、五维数据解释的新一代地震技术^[15-17]。与常规三维地震技术相比, 单点高密度三维地震在理论、装备、采集、处理、解释等方面全面升级(见表 2)。

攻关研究与先导试验表明, 能够基本满足胜利油田东部成熟探区“十三五”勘探需求的单点高密度地震的主要采集参数界定为: 面元网格≤12.5 m×12.5 m, 覆盖次数200次左右, 炮道密度>100×10⁴道/km², 横纵比>0.5。当然还要视勘探开发目标层系具体分析、具体施策。

2018年, 在丹麦哥本哈根第80届EAGE年会上, 关键、尚新民等所做的“Land piezoelectric single point high density seismic technology”报告首次展示了胜利油田单点高密度地震技术理念及应用效果, 得到业界高度认可和评价。

截至2021年底, 单点高密度地震技术在济阳坳陷开始大规模推广应用, 完成了16块三维满次面积3 699 km²的数据采集, 新资料的频宽及品质得到大幅度提升, 成为复杂隐蔽油气藏勘探的核心技术。

2 单点高密度地震技术进展

胜利油田面向复杂隐蔽油气藏勘探的重大需求, 提出并全面阐述了单点高密度地震技术的概念、特征、方法和实践路径, 从采集、处理、解释3方面进行了全方位探索, 形成了实用的独具特色的单点高密度地震技术, 支撑了胜利油田从构造勘探—复式油气勘探—隐蔽油气藏勘探—复杂隐蔽油气藏勘探的多次成功转型, 为胜利东部老区的精细勘探和长期高产稳产做出了积极贡献。

2.1 单点高密度地震采集技术

单点高密度地震技术采集是基础, 需要从源头解决采集信号的品质和观测属性, 以陆用压电检波器研发为核心, 面向复杂地表及地下地质条件, 研发了单点高密度的观测方式, 形成了海量数据现场监控技术, 解决了高密度地震采集接收—观测—监控三大核心难题, 引领了新一代地震采集技术的发展方向。

2.1.1 陆用压电单点检波器研发

目前陆上地震勘探中一般使用动圈检波器组合接收, 它能够提高仪器灵敏度与接收信号的信噪比, 但是组合造成的不同相叠加必然会降低频率, 模糊地震反射特征, 造成不可逆的原始信号失真^[18-21], 单点高密度地震首先要实现接收装备的突破。

从2013年开始, 胜利油田联合中国石化地球物理公司、长安集团开展了陆用压电检波器试验, 先后攻克了压电陶瓷一致性与抗冲击能力差、低频响应差、电池长期供电等技术难关, 成功研发了陆用压电检波器, 其基本结构包括: 两个压电机芯、一个高精度电路以及夹在2个压电陶瓷片间的质量块。当检波器震动时, 质量块对压电晶体产生惯性压力, 从而在压电晶体两端产生电压^[22-24](图 3)。基本解决了压电检波器抗冲击的问题, 产品跌落次数≥3 000次, 电源体积小、防水好、抗雷击强、高低温性能好、可连续供电达2年以上。

研发的陆用压电检波器先后在盘河、肖庄北等多个区块进行了生产实验对比, 实现了第一代陆用压电检波器的工业化生产与应用, 主要技术指标达到了国外DSU(MEMS)数字检波器相当的水平(表 3), 打破了国外单点检波器技术垄断, 是目前陆上唯一正式用于大规模地震生产的压电型加速度检波器。

利用陆用压电检波器先后实施了东风港、罗家等多块单点高密度三维，以罗家-2017为例(见图 4)，单点接收的单炮记录不存在检波器组合造成的模糊效应，更好地保持了地震信号特征，频带宽度大于动圈检波器组合接收记录, 以-18 dB作为优势频带, 老数据频带范围为5~55 Hz, 单点高密度数据频带范围为6~100 Hz。

2.1.2 面向地质目标的单点高密度观测系统设计

与常规三维地震采集相比, 高密度三维地震采集对观测系统设计提出了更高的要求, 需要解决以下问题: ①如何实现地质任务与经济成本的平衡; ②如何针对单点资料特点进行面向地质目标的观测系统设计^[25]。

为解决以上问题, 提出了面向地质目标的高密度三维地震观测系统设计方法, 在深入分析老资料和提升地质认识的基础上, 形成了以“单点接收、全过程变观评价和OVT属性分析”为核心的单点高密度观测系统设计技术, 进行基于单点接收数据信噪比特点的关键参数论证、基于目的层的全区观测系统参数宏观论证、基于正演模拟的观测系统参数精细论证, 在平衡经济与地质效果的基础上, 确定最佳观测系统方案, 其设计流程如图 5所示。

与以往观测系统设计技术相比, 面向地质目标的高密度地震观测系统设计技术有3个方面的进步: ①依据马在田院士提出的覆盖次数、炮道密度与单炮信噪比的经验公式, 基于实际地震资料退化处理的炮道密度优化, 得到了炮道密度与成像信噪比的关系曲线, 提出了胜利油田现阶段精度和经济双控条件下的炮道密度区间, 实现了针对单点接收的观测系统设计与评价; ②面向宽方位处理, 分析了宽方位处理对观测系统OVT属性的需求, 建立了OVT片覆盖次数、方位角容差等11种观测系统评价属性, 实现了基于OVT属性的宽方位观测系统设计, 具备了基于OVT属性的观测系统设计及综合量化评价功能; ③在复杂地表条件带来的规则施工越来越困难的情况下, 制定了野外变观评价分析指标和技术流程, 形成了野外障碍物自动识别及优化变观设计技术, 实现了采集全过程的变观分析评价, 为高精度成像提供了保障。

“十三五”以来, 先后在胜利、江苏、江汉推广应用了单点高密度观测系统设计技术。在济阳坳陷完成了16块高密度三维采集设计, 平均炮道密度200×10⁴道/km², 大幅度提高了原始数据空间属性的均匀性、对称性和连续性, 保障了单点高密度地震项目的有效实施。

2.1.3 单点高密度地震采集现场质量监控

与传统的三维地震相比, 单点高密度地震采集具有原始资料信噪比低、数据量大的特点, 以往基于人工检查、评价原始单炮的方式, 无法适应高密度地震采集的质控要求。

为此, 制定了以“单炮+成像”为核心的单点高密度地震资料评价规范, 开发了海量单点数据的单炮质量评价及偏移快速成像系统, 编写现场质量监控模块12个, 研发了基于X变换与机器学习的噪声压制、基于人工智能的现场速度模型更新优化、现场三维数据实时叠加、基于BMC的叠前高速偏移成像等特色技术, 支撑了单点高密度地震采集现场的数据高效质量监控。

图 6a和图 6b分别给出了罗家地区采用传统方法与快速成像方法得到的现场监控叠前偏移剖面。利用现场测试服务器(12线程、内存64 G、硬盘容量10 T), 耗时40 min实现了现场“准”实时叠前成像, 做到了“过程可控, 结果可信”, 解决了高密度地震海量数据监控与评价的难题。

2.2 单点高密度地震处理技术

与常规地震或高精度地震相比, 单点高密度地震资料具有: 高密度空间采样、波场保真、宽频带、宽方位、海量数据的特点。以往仅对其中某些环节进行了部分研究^[26-28], 没有形成系统完整的解决方案。

针对单点高密度地震资料的处理, 我们在系统剖析资料特点的基础上, 得出两点认识: ①高密度地震处理技术没有超越现有的理论框架, 目前大部分成熟的处理技术和流程依然有效; ②高密度地震处理随着采集技术进步而相应变化的技术, 需根据高密度地震资料特点在方法和技术上做出调整。对此, 提出了“成熟技术+特色技术”的高密度地震资料处理思路, 建立了以“宽频、全方位、自动高效”为特征的高密度地震资料处理流程(图 7), 较好地满足了高密度地震资料解释的需求。

2.2.1 单点高密度地震“两拓一保”宽频处理技术

与以往高分辨的理念不同, 现今更加重视倍频程的概念^[29], 这一理念要求在重视有效频宽的同时, 更加关注高低频之比。单点高密度地震原始数据具有较宽的有效频带, 处理中重点关注3个问题: ①如何补偿低频端的不足; ②如何发挥高密度资料优势提升高频端信号; ③如何保持单点资料频带较宽的优势, 尽量减少处理过程中的降频现象。

为此, 高密度地震资料处理中确立了以“倍频程”为核心的高分辨处理理念, 提出了“两拓一保”的宽频处理策略, 开发了最小二乘低频补偿、立体Q反演及补偿和动态波形匹配3项特色技术, 它们与成熟技术构建了高密度数据宽频处理流程, 因而大大提高了对地质体的识别能力。基于地震资料频带的可预测性, 构建最小二乘意义下的谱约束拓频算子, 提出了相位谱一致性拓频准则, 实现了低频有效信息的保真拓频; 充分利用高密度微测井、空间采样充分的优势, 研发了高密度资料表层Q反演和补偿技术, 有效补偿了地层吸收造成的地震高频损失; 研发了动态波形匹配技术, 解决了成像道集波形不一致造成的降频问题, 保持了单点高密度资料的宽频特征。

如图 8所示, 在牛庄-2019单点高密度地震资料处理中, 倍频程由老资料的3.5提高到新资料的5.2, 剖面中的前积地质现象清晰可见。

2.2.2 单点高密度地震宽(全)方位处理技术

高密度地震资料的一个重要特征就是宽方位, 但以往对老资料均采用窄方位处理技术, 一直以来缺少宽方位处理的相关理论、方法和经验, 如何实现高密度地震资料的宽方位处理, 仍面临着挑战。

在以往的研究中, 一般是在OVT抽取的基础上, 利用成熟的叠前时间(深度)偏移技术, 形成宽方位道集数据和成像剖面^[30-31]。但这套流程存在OVT抽取无法适应新老拼接资料, 成像方法未能考虑地下构造特征的不足。

为此, 利用空间采样充分的特点, 以全方位道集处理为核心, 自主研发了全方位建模及成像处理技术。发现了炮检矢量片的4个特征, 即“采集模板包含所有的偏移距向量; 采集模板中所有的偏移距向量来自不同的位置(每个CMP只覆盖一次); 采集模板滚动时, CMP位置改变, 同一CMP的偏移距向量随之改变; 对于同一CMP, 采集模板滚动时, 其偏移距向量增量(X、Y分量)相同”, 基于上述特征, 提出了以CMP道集为最小子集的OVT片抽取方法, 简化了十字排列抽取、数据重排等过程, 大大提高了OVT生成效率, 并且适用于不同观测系统的连片处理; 推导了一种新的TI介质下的程函方程及射线追踪方法, 将地下构造信息引入到方位成像中, 研发了OVT域TTI介质克希霍夫多方位成像技术, 与商业软件相比, 大大提高了计算效率, 实现了高密度地震资料全方位处理, 解决了常规处理时方位信息缺失的问题。

图 9给出了罗家-2017工区采用宽方位处理技术得到的螺旋道集以及常规数据振幅属性和全方位数据振幅属性。由图 9可以看出, 全方位数据对于水道的刻画更加清晰, 基本上实现了高密度地震资料处理从窄方位到宽方位处理的技术跨越。

2.2.3 海量数据自动高效处理技术

高密度地震采集使得地震数据从以往的GB级进入到TB级, 初步统计, 2015年以来, 胜利油田采集的单点高密度三维单区块原始数据量平均达到或超过20 TB, 与以往三维数据相比, 增加了10倍以上, 以往的处理模式已不适应高密度海量数据的处理要求^[32-34]。

针对单点高密度地震海量数据的特点, 遵循“适用、高效”的原则, 全面梳理了整个处理技术链条, 见图 10, 针对耗费大量人力的环节, 如初至拾取、速度分析等, 研发了自动化处理技术; 针对大量消耗机器资源的环节, 如深度偏移、层析反演等, 研发了高效处理方法。

针对传统方法无法适应海量数据初至拾取问题, 研发了基于机器视觉算法的初至自动拾取技术。在临邑北-2018高密度三维工区, 初至拾取由自动拾取+手工编辑提升为全自动高精度拾取, 全区35 912炮, 每炮10 368道, 2人次完成初至拾取用时36 h, 解决超10×10⁸数量级初至信息的精确拾取问题; 提出了近地表“薄层划分”的新思路, 建立每个薄层回折波走时和射线方程, 形成了快速的复杂近地表速度建模技术, 精度与传统方法相当, 耗时仅为原来的10%左右。针对海量地震数据引起偏移计算量爆发式增长, 使得传统“目标偏移—速度分析—体偏移”的迭代式工作方式周期显著增长, 制定了资料随缺失程度与成像信噪比的关系曲线, 提出了基于压缩感知技术的海量处理策略和方案, 大大缩减了处理中间测试、监控过程的计算压力。

2.3 高密度地震资料解释技术

得益于宽(全)方位地震采集与处理技术的发展, 获得了海量的高品质宽方位地震资料, 与以往的地震资料相比, 可以提供具有“空间三维坐标+炮检距+方位角”五维信息的共反射点地震道集, 进行五维数据解释。相较于常规三维解释, 五维数据解释不仅是一种技术, 更重要的是一种思想, 是地震技术的又一次革命, 通常可以取得更好的解释效果^[35]。

然而, 目前仍缺少五维数据有效的地震资料解释方法, 因此, 如何去挖掘五维数据中极其丰富的信息, 无论理论、方法还是技术都需要探索和创新^[36], 如何充分考虑宽方位地震资料中重要的方位角和炮检距信息, 并更好地利用宽方位地震资料中丰富的方位各向异性信息, 成为当下地震资料解释的研究热点。我们从解释理论到解释方法与技术进行了深入探索、研究, 构建了各向异性地震岩石物理模型, 初步形成了宽方位地震数据正演模拟、五维地震数据三维可视化分析、方位各向异性属性分析、裂缝参数反演、各向异性流体因子反演方法与技术等, 并形成了相对完整配套的高密度五维数据解释技术流程, 如图 11所示。

2.3.1 宽方位五维数据解释理论

地下介质各向异性是客观存在的, 但以往限于资料的不足, 取得的成果较少, 高密度地震资料丰富的方位信息, 为地下各向异性问题的解决提供了资料基础。为此, 在天然岩心地震岩石物理测试、宽方位地震岩石物理模型构建和五维地震波场与响应模式等方面进行了深入研究, 以解决地震各向异性强度应用的关键科学问题。

利用渤南和义东地区义173、义176、盐222等井砂岩(含裂缝)及罗家地区罗52、罗53和罗67等井的页岩岩石样品, 测定了物性参数(孔隙度、渗透率和密度等)、动态弹性参数(纵波速度和横波速度等)、静态弹性参数(杨氏模量和泊松比等)和各向异性参数; 以岩石物性、动态弹性参数、静态弹性参数和各向异性参数的实验测试数据为基础, 通过等效介质理论和裂缝模型研究, 构建了适用于宽方位五维数据解释的各向异性地震岩石物理模型, 开展了宽方位地震波传播的理论研究; 以地震岩石物理研究为基础, 建立等效介质模型, 从理论上研究地震波的速度、偏振等传播特征, 探讨速度随方位的变化规律, 为反射特征研究奠定理论基础。

经过对高角度裂缝介质的研究得出3点结论: ①地震岩石物理特征研究表明, 随裂缝密度及裂缝纵横比的增大, 纵横波速度均减小, 但裂缝密度对于速度的影响大于裂缝纵横比对速度的影响; ②对宽方位地震波传播特征的研究表明, 随着裂缝密度增大, 速度各向异性越强烈, 填充物为黏土、水、油时, 速度各向异性变化较小, 含气时速度各向异性变化较大; ③研究表明, 炮检距对地震响应有明显的影响, 炮检距越大, 地震响应随方位的变化越明显, 相同炮检距时, 随着裂缝密度的增加, 地震响应随方位的变化越明显, 见图 12。该结论奠定了宽方位五维数据解释的理论基础。

2.3.2 五维数据解释方法

针对现有解释软件无法显示五维数据的问题, 自主研发了三维可视化显示分析模块, 实现了方位AVO特征的快速直观分析; 基于方位各向异性地震岩石物理理论及Russell流体因子, 构建了高灵敏角道集差异算子, 形成了基于反射系数域的方位差异属性提取方法; 针对常规椭圆拟合预测裂缝方位存在90°不确定性的问题, 引入裂缝方位先验信息重构了方位弹性阻抗方程, 消除了90°模糊性, 研发了基于五维数据的方位弹性阻抗反演方法, 实现了裂缝密度与方向的预测; 通过联立不同入射角情况下的方位反射系数差异方程, 建立了各向异性介质方位振幅差异AVO正演算子, 形成了五维数据各向异性参数反演方法; 基于各向异性双相介质理论构建了各向异性流体因子, 研发了基于弹性阻抗的储层流体因子叠前直接反演方法, 见图 13。

在济阳坳陷单家寺地区, 采用五维数据解释方法提高了砂砾岩地质体边界刻画精度, 实现了储层精细描述, 有效支撑了井位部署, 见图 14。

2.3.3 高密度地震体解释技术

以高炮道密度、宽方位角采集、保幅保真处理的高密度三维地震资料为基础, 提出了“体解释”模式^[37-38], 采用点-线-面-体的新思路, 即井震标定后从整个数据体上进行层位和断层自动追踪及解释, 再回到剖面上检查追踪不到或者追踪有误的地方进行局部二次解释, 最后达到每个点的精细解释。研发了3项体解释关键技术。针对传统谱分解方法受限于时窗或者子波分辨率, 开展了高密度宽频资料频谱分解研究, 形成了频率域微断层检测技术, 断层更加清晰; 开发了多体融合技术, 形成了基于多域体数据驱动的断层识别技术, 实现了多序级断层共同识别, 提高了低序级断层的识别能力, 能识别断距5 m的断层; 研发了基于地震波形字符串模式匹配的储集体自动追踪技术, 解决了常规储层描述难以识别弱振幅的问题, 实现了岩性体的高效率、高精度描述(图 15)。

通过五维数据解释理论与方法技术研究, 高密度地震实现了从三维、四维数据解释向五维数据解释的发展。

3 单点高密度地震技术实践

“十三五”期间, 单点高密度地震技术在胜利、江苏、江汉等油田进行了推广应用。济阳坳陷实施了16块高密度三维地震采集, 满次覆盖面积3 699 km², 近3年新发现圈闭625个, 三级储量2.21×10⁸ t, 部署井位279口, 其中桩海斜25、丰深斜11等井获得高产, 探井成功率由44.6%提高到72.5%, 支撑新建产能42.1×10⁴ t。

3.1 罗家-2017单点高密度三维地震应用效果

罗家-2017三维工区位于济阳坳陷北部的沾化凹陷, 是胜利东部探区油气富集区之一, 多年来为胜利油田的持续稳定发展做出了重要贡献, 在经历了多年的勘探开发后, 出现了储量阵地无法落实的困境, 原有的老资料无法满足精细勘探开发的需求。

为此, 胜利油田于2016年部署了罗家-2017单点高密度三维地震, 也是胜利油田在高成熟探区实施的第一块单点高密度三维地震, 炮道密度达到了357×10⁴道/km², 成果剖面有了质的飞跃, 进一步明确了地震勘探的发展方向。

图 16与图 17分别为罗家地区老三维与单点高密度三维叠前时间偏移剖面与叠前时间偏移切片(860 ms)。从叠前时间偏移剖面上分析, 单点高密度地震剖面保幅程度高, 波阻特征强弱关系清楚, 横向分辨能力大幅提高, 断层断点、断面刻画清楚, 成像精度大幅提高, 中深层资料品质有了质的提高; 从860 ms时间切片对比分析可知, 老资料反射特征模糊, 新资料反射特征清楚, 河道、断层等沉积特征易于追踪与描述。

罗家-2017单点高密度三维地震资料投入应用后, 新发现圈闭32个, 圈闭面积86 km², 圈闭资源量7 350×10⁴ t。2018至2020年, 连续上报预测储量4 982×10⁴ t, 2020年勘探开发一体化, 升级控制储量770×10⁴ t, 新建产能10×10⁴ t。

3.2 临邑北-2018单点高密度三维地震应用效果

临邑北-2018单点高密度三维工区位于济阳坳陷西部的惠民凹陷, 该凹陷经历了多期构造演化, 以其复杂多样的地质构造而著称, 油气勘探开发面临复杂断块群的精确成像难题。

临邑北-2018单点高密度三维地震是在惠民凹陷的首次应用, 力图解决复杂断块、岩性圈闭描述的问题。新资料品质得到了全面改善, 浅层断裂清晰可靠, 与老资料相比, 有了质的提高(图 18); 在临邑地区最复杂的断块群位置, 老资料断裂群成像模糊, 可信度低, 多年来一直困扰着勘探人员, 新资料中棋盘状的断裂系统清晰可见, 大大改善了“金三角”的地质认识, 改变了对临邑北地区的地质认识(图 19)。

临邑北-2018单点高密度三维地震满次面积173 km², 新发现圈闭42个, 圈闭面积67.8 km², 圈闭资源量3760×10⁴ t, 已部署井位8口, 完钻的4口井中, 田斜263、田斜264、商558井钻遇工业油流。

3.3 富台-2019单点高密度三维地震应用效果

富台-2019单点高密度三维地震工区位于济阳坳陷西北部的车镇凹陷, 该区带砂砾岩体、潜山等油气勘探均获得重要突破, 但同时也面临老资料陡坡带砂砾岩、复杂潜山地震成像差的问题, 制约了勘探的进一步开展。

富台-2019单点高密度三维地震是继东风港之后车镇凹陷的第二块, 其地震剖面成像质量全面提升, 埕南大断层成像从无到有, 以及凸起附近的高、低位潜山资料品质大大提高, 见图 20, 在车西落实了一批低位潜山目标, 分布于埕南断层底部缓坡部位, 内部发育的断层多与风化壳相通, 打破了区块南部潜山勘探停滞不前的局面。

在车西地区, 新发现圈闭16个, 圈闭面积53 km², 圈闭资源量4 770×10⁴ t, 部署的车斜576、车576-斜1、车577 3口井均获成功。在中部断块部署的车斜576井, 主探低台阶潜山的含油气情况, 对奥陶系上马家沟组4 097~4 133 m酸压后, 日产油88 m³, 2019年车斜576区块奥陶系上报控制含油面积3.04 km², 控制石油地质储量136.48×10⁴ t, 技术可采储量20.47×10⁴ t。

4 单点高密度地震技术发展展望

实践表明, 胜利油田提出并发展的以“单点接收、宽方位处理、五维数据解释”为核心的单点高密度地震技术, 是现阶段成熟探区高密度地震技术的最佳选择, 是解决复杂油藏地质问题的有效技术手段, 对其它含油气盆地具有重要的借鉴意义。

然而, 放眼“十四五”乃至未来, 对于成熟探区而言, 常规油气勘探潜力依然巨大(以空白区带和深层为主), 同时非常规油气将成为增储上产的生力军, 成熟探区的勘探部署思路也必将随之调整为“立足全区、决胜深层、常非并重”, 勘探开发面临的对象将更加复杂, 规模增储与持续上产难度进一步加大, 对地震技术的要求越来越高。一是地表条件和地下构造更加复杂, 复杂地表、生态环保、工农关系、工农业园区、城区等地区勘探已成为常态, 推覆构造、盐下和盐间构造、复杂断块等准确成像要求更高; 二是不断向薄储层、深层进军, 对地震分辨率和信噪比要求更高; 三是储层品质不断向低孔低渗透延伸, 非均质性不断增强, 储层与围岩阻抗差异变小, 储层精细描述难度不断增大; 四是非常规油气勘探开发对物探技术需求不断增长, 除地质甜点预测需求之外, 工程甜点预测需求不断增长。当前, 复杂构造准确成像、米级薄储层准确识别、复杂储层精细描述、非常规油气甜点预测等物探技术还不能完全满足油气勘探开发需求。因此, 还要积极思考与谋划“十四五”乃至今后一段时期的物探技术发展, 秉持“地质需求就是物探发展方向”的理念, 把能源的饭碗端在自己手中, 为长期保障国家能源安全再立新功、再创佳绩。

未来, 地震技术发展的大方向依然是“炮道密度更高、施工成本更低、过程更加智能”, 具体表现为九大趋势, 即“从组合接收走向单点接收、从有缆采集走向无缆(节点)采集、从规则地震走向随机地震、从窄方位处理走向全空间处理、从震源时间处理走向全时间处理、从三维解释走向五维数据解释、从人机交互走向人工智能、从面向勘探走向勘探开发、从单一学科走向学科融合”^[39-40]。

对此, “十四五”应该持续关注、强化以下3个方面, 发展完善以全节点高密度地震技术为核心的地震技术, 以破解成熟探区越来越难的勘探开发问题。

4.1 深化完善、规模推广单点(全节点)高密度地震技术

为了解决基于有缆采集的单点高密度地震技术的制约瓶颈, 胜利油田在大量先导试验的基础上, 提出了以“节点接收—随机观测—高效激发—全时空处理—全息解释”为主要特征的全节点高密度地震技术。2017年, 在节点地震方面制定了“并采—混采—独采”的三步走发展战略, 在前期节点接收试验的基础上, 2018年完成了盐家地区有缆与节点并采, 2019年施工了商河地区大规模有缆与节点混采, 2020年在渤海湾盆地济阳坳陷渤南地区、2021年在准噶尔盆地钱1井地区分别完成了两块全节点三维采集, 与以往采集相比, 较好解决了地震装备与软硬件的“卡脖子”难题, 施工效率和成本均有显著改善, 观测数据属性大幅度强化, 表明了节点采集的先进性、可行性。全节点高密度地震技术是实现提高炮道密度、降低采集成本、提质增效的有效途径。

全节点高密度地震技术不仅仅是采集从有缆到无缆的转变以及接收装备换代升级、模式变革, 而是地震处理和解释的一次革命, 更是物探技术走向“全空间、全时间”的跨越式发展, 内涵十分丰富, 具体体现如下。

1) 采集方面, 以高效率、低成本、小面元、宽频带、全方位、高密度为目标。主要包括: 研发制造具有国际先进水平及特色的小型化、智能化、稳定可靠的节点装备; 攻关采用更广义的观测方式(如由传统成熟的束状观测转向地毯式观测、随机采集等); 形成基于现代网络技术的过程可控的海量数据监控技术、单点高密度模式下的资料品质评价方法与规范、经济高效的地震实施策略等。实现对地震信号的充分采样, 同时处理好面向目标的设计与采集、投入与产出的关系。

2) 处理方面, 以高保真、高分辨率、宽频宽方位、高效率处理为原则。对于节点数据处理需要变革性发展。创新构建全节点地震“数据池”, 根据不同的处理目的, 进行数据分割与合成(如记录长度、背景、干扰等); 探索共检波点域处理; 研发全空间处理技术(更大的偏移距、更大的横纵比、更大的数据覆盖范围、更高的覆盖次数等), 不仅仅按照采集方案设定的一种观测系统进行处理, 而是结合资料特点, 根据地质目标以及成像的需求自行设计、定义观测系统, 且对全部接收到的资料进行研究处理; 研发全时间处理技术, 即不仅仅对震源激发时间的资料进行处理, 还要对节点不间断记录到的全部时间数据进行研究处理, 如其中包含的高铁地震、各种环境噪声、钻机、抽油机信息等, 极大提升资料的应用价值; 发展海量机群并行处理和海量存储技术, 应对急剧增加的数据量以及新技术带来的巨大运算量。

3) 解释方面, 以定量化、可视化、一体化、智能化、综合化、高可信度为发展方向, 大幅度提高储层精细描述、非常规油气地质工程甜点预测的能力和水平。充分利用探区内所有的勘探开发成果以及动静态的地质、钻井、测录井、地震、专家经验和知识等, 研究建立“透明盆地”, 服务于处理和解释、勘探和开发、地质和物探的一体化, 实现地震资料三维空间的定量化、可视化、综合化解释, 准确而快速地刻画各种复杂的地质现象, 选定井位目标、指导钻探, 大幅度提高支撑油气勘探开发的能力。对于节点地震, 亟需开展革命性的五维地震数据解释与应用、高密度地震+人工智能储层预测与描述等工作。

4) 推广应用方面, 重点研发、完善和推广特色、适用的软件以及可复制的技术, 同时也包括相应的管理措施、经济高效的实施策略、规范、制度、标准等。

我们相信, 全节点高密度地震技术能够成为成熟探区高效勘探、效益开发的地球物理技术利器。

4.2 攻关特色、适用的压缩感知地震技术

压缩感知技术是图像和信号采集、处理领域的一项新技术, 核心是信号采集和处理可以不受限于经典的奈奎斯特采样定律, 其主要的应用场景包括数据压缩成像、数据缺失重构、随机采集处理。压缩感知思想在油气勘探领域已受到充分的关注, 国内外石油公司开展了相关研究和应用尝试, 获得2017年国际十大石油科技进展殊荣, 其中康菲公司研发应用取得预期效果。然而, 在勘探需求上国内外存在一定差异(如盆地类型、区块规模、油藏复杂程度等), 应对此开展差异化的应用研究^[41-44]。

现阶段, 三维地震采集的施工条件越来越苛刻, 受极其复杂的地表及政策影响, 规则施工越来越困难, 甚至无法完成, 具有随机布设天然属性的节点采集自然成为重要的选择。

鉴于我国特有的勘探开发模式和要求以及极为复杂的地下地质情况, 基于压缩感知的随机地震技术, 研究与应用的重点不应该是纯粹为了减少炮检点、节省投资, 而应该是同样投资下, 通过压缩感知随机采样得到更有利于精确成像的数据体, 进一步提升资料的品质和可用性。为此, 需要重点攻关研究地表与地下双约束的随机地震观测系统设计、复杂地表随机地震高效采集、高端数据规则化以及非规则数据直接成像等技术, 达到“随机观测、规则成像”的目的。近几年, 胜利油田在济阳坳陷商河、单家寺、渤南以及准噶尔盆地西缘车排子等区块, 分别开展了炮点随机、检波点随机和炮检点双随机的地震采集, 获取了实际地震数据, 从初步结果来看, 展现了技术的很大潜力和优势。

与此同时, 对压缩感知的数据重构、数据压缩等特性也进行了深入研究、开发应用, 可喜的是在老资料处理、海量数据处理中的应用效果同样展示了压缩感知技术很好的应用前景。

4.3 积极拥抱人工智能+单点高密度地震

近些年, 人工智能技术在地震勘探中有成功的应用案例, 包括采集、处理和解释, 特别是在初至拾取、自动化速度建模、地震属性分析、地震岩相分析与预测、构造解释、地震反演等方面取得了重要进展, 但是远落后于电力、医疗、营销、互联网等其它行业, 仍处于起步、快速发展阶段, 且面临众多挑战^[45-47]。如何实现单点高密度地震的大幅度降本、如何充分挖掘高密度地震精细的空间刻画能力, 如何更好地利用成熟探区大量的动静态资料服务勘探开发等, 都使得人工智能+单点高密度地震更为必须和迫切, 同时海量数据以及采集数据的充分性、对称性、连续性、均匀性等也使得人工智能的引入应用成为可能。

采集上, 提高采集效率、装备的自动化管理、海量数据监控与品质评价等迫切需要人工智能; 处理上, 必须解决海量数据的处理难题, 仅靠人工是绝对不行的(如初至拾取、数据规则化、去噪、速度分析等), 处理方法与技术更多的是数学运算、信号处理, “人工智能+单点高密度地震”具有很大优势; 解释上, 成熟探区资料类型众多、信息量大、地下地质认识相对成型(有初步模型), 先验知识丰富, 为人工智能应用奠定了坚实的基础。

近年来, 胜利油田在人工智能海量地震数据处理与解释、深度学习的井震储层精细描述、基于大数据的油藏综合建模、勘探与开发智能决策技术等方面展开了攻关与应用工作, 取得了一些可喜的成果, 展示了可行性和广阔的应用前景。虽然60年勘探开发产生的海量动静态数据是建立更精确的油藏模型和落实剩余油分布的可靠硬数据标签, 也更适合大数据分析和深度学习, 但相对于复杂的“地质大观园”、勘探开发特性而言, 仍然面临标签稀疏、量少以及最核心的关键问题—学习结果的不唯一性等难题(其它探区都存在类似的问题), 需要攻克数据加模型“双轮驱动”的解决方案。目标是以老区丰富的勘探开发成果和海量的动静态数据、知识库等为基础, 以人工智能领域大数据分析、深度学习等最新技术为手段和支撑, 围绕地震资料处理、解释、综合研究以及油藏地球物理等核心业务, 建设地球物理一体化的智能平台, 推动地球物理技术跨学科发展, 最大限度提高油藏描述的精度和剩余油预测水平, 持续打造油田高效勘探开发利剑。

5 结论与认识

1) 油田的勘探开发需求是地球物理技术进步的源动力, 面对我国东部成熟探区的勘探开发难题, 在大量研究和先导试验的基础上, 提出了单点高密度地震技术, 形成了以高密度采集、宽方位处理、五维数据解释为核心的一体化地震技术, 引领了地球物理技术发展的方向;

2) 大量的实践表明: 单点高密度地震技术是解决成熟探区高效勘探、效益开发的利器, 并取得了显著的经济和社会效益, 推广前景广阔;

3) 坚信在深化全节点、压缩感知、“人工智能+地震”研究的基础上, 单点高密度地震技术在新老探区的勘探开发中定能发挥更大的技术支撑作用。

致谢: 感谢中国石化科技部、油田勘探开发事业部、胜利油田分公司、地球物理公司、江苏油田分公司以及同济大学、中国石油大学(华东)等相关人员的支持和付出！