全方位偏移成像技術在塔河碳酸鹽巖儲層中的應用

史飛洲,穆 潔,高厚強,邵文潮,呂秋玲,朱博華

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103)

塔河地區(qū)碳酸鹽巖儲層具有埋藏深和非均質(zhì)性強的特點,其儲集空間以裂縫和溶蝕孔洞為主[1-3],裂縫和溶蝕孔洞的精細成像是油氣勘探和開發(fā)的關鍵。早期,胡鵬飛[4]、馬學軍等[5-6]利用精細的疊前預處理和疊前時間偏移成像技術,實現(xiàn)了塔河油田碳酸鹽巖縫洞型儲層的精細成像,并形成了針對塔河地區(qū)的配套處理技術。同時,谷躍民等[7]、王小衛(wèi)等[8]、陶云光等[9]、龔洪林等[10]針對塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲層的特點,形成了類似的處理方法和流程,提高了該地區(qū)的地震資料品質(zhì)和成像效果。隨后,蔣波等[11]、陳明政等[12]、魏巍等[13]通過提取地震記錄中的繞射波信息,提高了碳酸鹽巖地層中呈地震弱異常反射的小尺度縫洞型儲集體的成像效果。此外,疊前深度偏移成像技術的應用,進一步改善了碳酸鹽巖縫洞型儲層的成像精度,李鵬等[14]、高厚強等[15]基于深度域速度模型,利用逆時疊前深度偏移技術,提高了研究區(qū)的溶洞和裂縫的成像精度,黃建平等[16]推導并實現(xiàn)了基于最小二乘理論的疊前深度偏移算法,較好地分辨了埋藏較深的小尺度碳酸鹽巖儲層?？傮w看來,上述常規(guī)地震資料處理方法,可以對碳酸鹽巖儲層的裂縫和孔洞進行較為精細的刻畫。

近年來,為了滿足小尺度縫洞體對地震成像精度的要求,采集了寬方位地震數(shù)據(jù),寬方位采集是研究縫洞型儲層的有效采集方法[17-18]。與窄方位地震數(shù)據(jù)相比,寬方位地震數(shù)據(jù)成像的分辨率更高、空間的連續(xù)性更好,對各向異性條件下的裂縫識別能力更強,同時更有利于相干噪聲和多次波的壓制[19-21]。但是,常規(guī)的窄方位地震數(shù)據(jù)處理技術無法充分利用寬方位地震數(shù)據(jù)所包含的信息。

近期發(fā)展起來的偏移距矢量片(offset vector tile,OVT)技術[22]是一項針對寬方位地震數(shù)據(jù)的處理技術。與常規(guī)的共偏移距道集相比,OVT道集偏移之后能夠保留方位角和炮檢距信息,并用于高精度的疊前儲層預測。在OVT域去噪是全局的,可避免空間的不連續(xù)性問題,從而提高成像道集的信噪比。通過方位時差校正,提升偏移剖面的信噪比和同相軸的連續(xù)性,有利于小尺度縫洞體的識別[23-28]。但是,OVT道集也存在偏移距范圍和偏移后的最小偏移距過大等問題[25];其次,該技術只能實現(xiàn)固定方位角范圍內(nèi)的分方位成像,成像的靈活性較差;同時,OVT道集依然是利用傳統(tǒng)的偏移方法來成像,其表示的是地表偏移距和方位角的成像信息,而不是地下成像點真正的角度域信息,因此其結果不能真正解決成像問題。

全方位偏移成像技術是一項針對寬方位采集的地震數(shù)據(jù)的成像方法。在地下角度域中,該方法以連續(xù)的方式利用所有的地震數(shù)據(jù),產(chǎn)生包含所有方位信息的全方位共反射角道集和全方位傾角道集;利用全方位共反射角道集可以對任意方位角進行分方位成像,從而識別不同方位的構造和串珠的形態(tài)特征;同時,還可以初步判別各向異性參數(shù)、預測裂縫和檢測流體;利用全方位傾角道集可以實現(xiàn)散射加權分離繞射波,通過鏡像疊加有效增強連續(xù)同相軸,突出連續(xù)信號,通過散射加權有效突出小串珠成像,對研究區(qū)的小尺度縫洞體的識別具有特殊意義,并為裂縫預測和儲層描述提供更充分的信息[29-30]。

目前,面對寬方位地震數(shù)據(jù),主要是利用OVT技術以及常規(guī)的疊前時間偏移和疊前深度偏移方法來實現(xiàn)目標地質(zhì)體的精細成像,而關于全方位偏移成像技術的研究還較少。本文在精細的疊前預處理的基礎上,分別使用OVT技術和全方位偏移成像軟件對塔里木盆地塔河油田某區(qū)塊的寬方位地震數(shù)據(jù)進行了處理,并利用二者不同方位角的偏移成像剖面對小斷裂的刻畫效果進行了對比和分析研究;此外,利用繞射波分離技術對繞射波分離前后的全方位偏移成像剖面進行了對比,并分析了該技術對縫洞體的識別能力。

1 方法技術

全方位偏移成像主要包括以下3個步驟:首先,將一系列單程的繞射波射線從成像點投影到地表,并通過射線對將地表采集的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到四維局部角度域空間;然后,進行全方位角度域分解,得到全方位傾角道集和全方位共反射角道集;最后,對兩種道集進行不同類型的成像[31-32]。

1.1 四維局部角度域

全方位偏移成像技術是在各向同性或者各向異性模型的四維局部角度域內(nèi)實現(xiàn)的,在該成像系統(tǒng)中,用傾角、方位角、開角和開方位角來描述局部角度域(圖1)。在地下成像點處,包含由入射波和出射波所組成的地震波場,每個地震波場可以分解為多個由入射線和出射線組成的局部平面射線對,該局部平面射線對可以代表入射波和出射波的傳播方向。在成像階段,射線對將地表觀測系統(tǒng)所采集的地震數(shù)據(jù)投影到地下成像點的局部角度域空間。

圖1 射線對和地下成像點的四維局部角度域示意

圖1中黑色圓點為地下的成像點M;分別由x,y和z所對應的藍線組成了地下成像點M處的空間直角坐標系,并用x軸指代正北方向;入射線S和出射線R所對應的綠線組成了局部平面射線對;黃線為x軸在局部平面射線對所在的平面內(nèi)的投影;紅線為過地下成像點M和局部平面射線對中點的連線;黑虛線為紅線在xy平面內(nèi)的投影;紅線與z軸的夾角為地下成像點M處的局部平面射線對的傾角v1;黑虛線與x軸的夾角為成像點M處的局部平面射線對的方位角v2;入射線S和出射線R的夾角為開角γ1;入射線S和出射線R的連線與黃色實線的夾角為開方位角γ2。

利用局部平面射線對將地表采集的地震數(shù)據(jù)映射到地下的四維局部角度域空間,表示如下:

U(S,R,t)→I(M,v1,v2,γ1,γ2)

(1)

式中:U為地表采集的地震數(shù)據(jù);S={Sx,Sy}和R={Rx,Ry}分別為炮點和檢波點的平面坐標;t為地震數(shù)據(jù)的記錄時間;I為與地表采集的地震數(shù)據(jù)相對應的地下四維局部角度域數(shù)據(jù)。雖然(1)式的映射過程可以提升地震數(shù)據(jù)的分析效果和成像精度,但是該映射過程的穩(wěn)定性較差,需要使用大量的計算機內(nèi)存;同時,映射的結果也會占用大量的磁盤空間[31]。

1.2 全方位傾角道集和全方位共反射角道集

為了提高成像的穩(wěn)定性,通常將映射結果分解為兩個互補的角度域成像道集,即全方位傾角道集和全方位共反射角道集。成像點的全方位傾角道集為:

(2)

式中:Iv為對所有開角和開方位角積分后的全方位傾角道集;H為傾斜因子。

Kv(M,v1,v2,λ1,λ2)=Wv(M,v1,v2,γ1,γ2)·
L(M,v1,v2,γ1,γ2)

(3)

式中:Wv為全方位傾角道集的積分權重;L為經(jīng)過濾波和振幅加權后的輸入數(shù)據(jù)。

成像點的全方位共反射角道集為:

(4)

式中:Iγ為對所有傾角和方位角積分后的全方位共反射角道集。

Kγ(M,v1,v2,λ1,λ2)=Wγ(M,v1,v2,γ1,γ2)·
L(M,v1,v2,γ1,γ2)

(5)

式中:Wγ為全方位共反射角道集的積分權重。

1.3 繞射波成像

通過計算全方位傾角道集中的鏡像屬性,并將其作為權重因子,可以實現(xiàn)鏡像能量和繞射波能量的分離,二者的成像剖面具有不同的地質(zhì)含義。鏡像加權成像剖面可以用于識別地下的連續(xù)反射界面;繞射波加權成像剖面可以識別不連續(xù)的小尺度地質(zhì)體,如斷裂、溶洞、河道等。

圖2為二維連續(xù)界面上的全方位傾角道集示意圖。圖2a中的紅色、綠色和黃色曲線分別表示地下不同成像點的偏移劃弧,其中,紅曲線為地下成像點M處的偏移劃弧;過M點的虛線為全方位傾角道集所在的位置;v1為連續(xù)界面的傾角,即成像點M處的切線傾角;v3和v5分別為兩條黃劃弧曲線與虛線的交點處的切線傾角;v2和v4分別為兩條綠劃弧曲線與虛線的交點處的切線傾角。圖2b表示虛線位置處的全方位傾角道集,縱坐標為深度,橫坐標為傾角,紅圓點為道集的采樣點,紅色的深淺代表采樣點的能量強弱,顏色越深,能量越強?？梢钥闯?除成像點M以外,其它成像點的偏移劃弧在道集上的能量響應均很弱,并且呈拋物線狀分布在成像點M的兩側,離成像點M越遠,能量越弱。

圖2 二維連續(xù)界面上的全方位傾角道集示意a 地下連續(xù)反射界面; b 全方位傾角道集

圖3為地下繞射點的全方位傾角道集示意圖。圖3a中的紅箭頭代表三維空間的繞射波場;過成像點M的虛線為全方位傾角道集所在的位置。圖3b 為虛線位置處的全方位傾角道集,縱坐標為深度,橫坐標為傾角和方位角。當入射波到達地下的繞射點后,會在同一位置以不同的角度和不同的方位發(fā)散到四周,由于受到的相鄰成像點的偏移劃弧影響較弱,在全方位傾角道集中,繞射點呈水平的直線形態(tài),并且各繞射能量之間無較大的差異。

圖3 地下繞射點的全方位傾角道集示意a 地下繞射點; b 全方位傾角道集

圖4和圖5分別表示各向同性和各向異性條件下,包含地下的常規(guī)反射波和繞射波信息的全方位傾角道集示意圖,縱坐標為深度,橫坐標為傾角和方位角,傾角范圍為0～60°(可根據(jù)實際情況調(diào)整),方位角范圍為0～360°,并在橫坐標軸內(nèi)循環(huán)刻度?？梢钥闯?在各向同性條件下,常規(guī)的反射波信息呈上傾的類似雙曲線的形態(tài),而繞射波信息則呈水平的直線形態(tài)(圖4)。隨著傾角的增大,反射波信號的能量變?nèi)?繞射波信號的能量保持不變;在各個循環(huán)的方位角范圍內(nèi),反射波和繞射波信息分別重復上傾的類似雙曲和水平直線規(guī)律。

圖4 包含反射波和繞射波信息的全方位傾角道集示意(各向同性)

受地層速度各向異性的影響,反射波和繞射波信息分別呈整體上傾和整體水平的形態(tài),但是局部表現(xiàn)為隨著方位角變化的類似正弦曲線的抖動特征(圖5),抖動的波峰和波谷的方位角分別對應快波和慢波的傳播方向,快波和慢波的速度差異導致了道集信息的抖動,抖動的幅度體現(xiàn)各向異性的強度。在各個循環(huán)的方位角范圍內(nèi),反射波和繞射波信息分別重復上傾和水平的類似正弦曲線形態(tài)特征;隨著傾角的增大,循環(huán)方位角范圍內(nèi)的地震道數(shù)增加,使得正弦曲線的周期逐漸變長;同時,反射波信號的能量呈整體變?nèi)醯内厔?在局部出現(xiàn)能量極值,繞射波信號的能量整體保持不變。通過計算該道集中的鏡像屬性,并將其作為權重因子,可以分別得到反射波和繞射波的加權成像剖面,從而實現(xiàn)地下不同地質(zhì)體的精細刻畫。

圖5 包含反射波和繞射波信息的全方位傾角道集示意(各向異性)

2 應用效果

全方位共反射角道集和全方位傾角道集可用于識別不同類型的地質(zhì)體。前者通過拾取不同方位角處的剩余延遲,對速度的各向異性進行精細的迭代更新;同時,也可以對任意方位角范圍的疊加剖面進行對比,并分析裂縫在不同方位的發(fā)育程度和形態(tài)特征,從而為裂縫識別和儲層預測提供參考。后者可以分離出繞射波能量,并通過繞射波能量加權,提高小斷層、裂縫和縫洞體的識別精度。

2.1 小斷裂的刻畫

塔里木盆地塔河地區(qū)碳酸鹽巖地層的小斷裂發(fā)育,其為油氣的主要運移通道,利用全方位共反射角道集所攜帶的方位信息,可以得到不同方位角范圍內(nèi)的成像剖面,從而對不同方位的小斷裂進行更為精細的刻畫。圖6為研究區(qū)內(nèi)6組方位角的全方位偏移成像剖面(其中,0～30°代表方位角0～30°和180°～210°;30°～60°代表方位角30°～60°和210°～240°;60°～90°代表方位角60°～90°和240°～270°;90°～120°代表方位角90°～120°和270°～300°;120°～150°代表方位角120°～150°和300°～330°;150°～180°代表方位角150°～180°和330°～360°),在綠色方框和藍色橢圓框內(nèi)發(fā)育了一定數(shù)量的小斷裂?？梢钥闯?在不同方位角的成像剖面中,同一條小斷裂的清晰度存在一定的差異。藍色橢圓框內(nèi)左側的小斷裂,在30°～60°方位角的成像剖面中,其斷面更加清楚,斷面兩側的同相軸的斷點更為干脆。綠色方框的中部,60°～90°方位角的成像剖面對小斷裂的刻畫更為清晰,斷面的連續(xù)性以及斷面與上下地層同相軸的連通性更好。

圖6 6組方位角的全方位偏移成像剖面a 0～30°; b 30°～60°; c 60°～90°; d 90°～120°; e 120°～150°; f 150°～180°

圖7為偏移之后的OVT道集與全方位共反射角道集,以及與之對應的剩余延遲時譜?？梢钥闯?全方位共反射角道集的信噪比更高,剩余延遲時譜的能量團更聚焦,特別是淺部和深部,拾取的剩余延遲時更加準確。

圖7 OVT道集(a)及其剩余延遲時譜(b)與全方位共反射角道集(c)及其剩余延遲時譜(d)

圖8和圖9分別為全方位角和60°～90°方位角范圍內(nèi)的OVT偏移成像與全方位偏移成像剖面?？梢钥闯?圖8b和圖9b的全方位偏移成像剖面的信噪比更高,地震同相軸的整體連續(xù)性更好;同時,小斷裂的刻畫更為精細,斷面清晰,斷點干脆,溶蝕孔洞的“串珠”形態(tài)也明顯聚焦,尤其如圖9中的綠色線框所示。

圖8 全方位角OVT偏移成像剖面(a)與全方位偏移成像剖面(b)

圖9 60°～90°方位角OVT偏移成像剖面(a)與全方位偏移成像剖面(b)

圖10為OVT偏移成像數(shù)據(jù)與全方位偏移成像數(shù)據(jù)的相干屬性,其中黑線為斷裂的響應?？梢钥闯?在圖10a中,斷裂整體比較散亂,且與背景的分離度不高,而圖10b中的斷裂的連續(xù)性和清晰度要高于圖10a。

圖10 OVT偏移成像數(shù)據(jù)(a)與全方位偏移成像數(shù)據(jù)(b)的相干屬性

2.2 縫洞體的識別

在全方位傾角道集中,縫洞體所在位置顯示出不同的道集形態(tài)和變化規(guī)律。圖11和圖12分別為縫洞體和非縫洞體位置處的偏移疊加剖面與全方位傾角道集。圖11中的紅圓框為縫洞體所在的位置,紅虛線方框為縫洞體所對應的道集;圖12中的紅圓框為非縫洞體所在的位置,紅虛線方框為其所對應的道集。可以看出,在圖11a中,縫洞體在偏移疊加剖面上顯示為能量強弱相間的“串珠”狀響應,在圖11b的全方位傾角道集中,則顯示為類似于正弦曲線的特征;與之相反,在圖12a中,非縫洞體位置在偏移疊加剖面中無“串珠”狀響應,在圖12b的全方位傾角道集中,則顯示出雜亂無章的特征。利用上述特點,對全方位傾角道集進行繞射波能量加權分離后,可以得到繞射波成像剖面。

圖11 縫洞體位置的偏移疊加剖面(a)和全方位傾角道集(b)

圖12 非縫洞體位置的偏移疊加剖面(a)和全方位傾角道集(b)

圖13為繞射波分離前的全方位傾角道集成像剖面和繞射波成像剖面,圖中的黑色橢圓框內(nèi)為縫洞較為發(fā)育的區(qū)域?？梢钥闯?在圖13a中,縫洞體的“串珠”狀響應特征被掩蓋在附近的地層同相軸中,因而難以識別;圖13b中的“串珠”特征要比圖13a中的明顯;此外,圖13b中“串珠”的分離度要明顯高于圖13a。

圖13 全方位傾角道集成像剖面(a)與繞射波成像剖面(b)

圖14為研究區(qū)的繞射波分離前的全方位傾角道集成像數(shù)據(jù)和繞射波成像數(shù)據(jù)的平均絕對振幅屬性平面分布圖,縫洞體在平均絕對振幅屬性圖中表現(xiàn)為振幅較強的紅圓點,圖中的黑圓框為縫洞體較為發(fā)育的位置?？梢钥闯?在圖14a中,縫洞體的平均絕對振幅屬性較弱,分布范圍較小,相鄰縫洞體之間的可區(qū)分度不高,而圖14b中,縫洞體的整體能量較強,小縫洞體的數(shù)量變多,相鄰縫洞體之間的區(qū)分度較高。

圖14 全方位傾角道集成像數(shù)據(jù)(a)和繞射波成像數(shù)據(jù)(b)的平均絕對振幅屬性

3 討論

目前,全方位偏移成像技術在國內(nèi)的應用實例還比較少,我們將該技術應用于塔里木盆地塔河地區(qū)碳酸鹽巖縫洞型儲層的精細刻畫,取得了較好的成像效果。

在小斷裂的識別方面,利用全方位共反射角道集實現(xiàn)了不同方位的斷裂成像,其效果要好于OVT道集的偏移成像剖面。首先,兩個道集均包含方位角信息,OVT道集的方位角數(shù)量取決于劃分的矢量片個數(shù),因此,偏移之后只能得到有限個指定方位角范圍的成像剖面,而全方位共反射角道集為偏移之后的道集,可以選擇任意方位角范圍內(nèi)的成像剖面,與前者相比,后者的方位角范圍更加靈活;其次,OVT道集表示的是地表偏移距和方位角的成像信息,而全方位共反射角道集表示的是地下成像點的信息,因此成像精度更高;最后,全方位共反射角道集的信噪比更高,剩余延遲時譜的能量團更聚焦,拾取的剩余延遲時更加準確。因此,全方位共反射角道集的成像效果更好,除了用于地震資料處理中的分方位成像之外,其更多地用于地震資料解釋,如裂縫預測、地層各向異性預測等。

繞射波中包含了大量的縫洞體信息,通過提取全方位傾角道集中的繞射波信息,可以實現(xiàn)小縫洞體的識別、“串珠”的分離和精細成像等。在常規(guī)地震數(shù)據(jù)處理中,主要利用的是地震波場中的反射波信息,對于小斷裂和縫洞等小型異常地質(zhì)體,其繞射波場的能量級別只有反射波場的百分之一左右,因此反射波信息一定程度上模糊了縫洞體的實際特征。但是,在全方位傾角道集中,縫洞體與大套地層所表現(xiàn)的特征不同,其繞射波場存在明顯的異常,不是連續(xù)的強能量,而是分散的、趨于抖動的形態(tài)。全方位偏移成像技術通過調(diào)整能量分離的權系數(shù),去除強的鏡像能量,將弱的繞射波能量疊加,達到分離繞射波的目的,從而實現(xiàn)縫洞體的精細成像。

上述應用效果表明,全方位偏移成像技術可以有效提升研究區(qū)碳酸鹽巖儲層的縫洞成像精度。但是,與常規(guī)的偏移成像方法相比,全方位偏移成像技術的運算效率較低,需要占用大量的磁盤空間和節(jié)點資源,實測表明,其運算時間是克?；舴蚱频?～6倍。因此,當研究區(qū)的面積和數(shù)據(jù)量較小,同時,目的層段的斷裂和縫洞較為發(fā)育,或者存在特殊的地質(zhì)異常體時,可以考慮使用全方位偏移成像技術。此外,全方位偏移成像技術建立在精細的疊前預處理基礎之上,只有提高前期預處理的質(zhì)量,才能獲得高質(zhì)量的成像剖面。最后,利用繞射波分離成像技術可以提高縫洞的成像精度,在后續(xù)的工作中,還將利用模型正演方法,來探討不同尺度、形狀、數(shù)量和相對位置關系的溶洞模型的全方位偏移成像特征;在此基礎上,結合實際的鉆井資料和成像結果,驗證縫洞成像的真實性和可靠性。

4 結束語

1) 全方位偏移成像技術可以充分利用寬方位采集的地震數(shù)據(jù)中所包含的方位角和傾角信息,提高研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖儲層中的裂縫和溶蝕孔洞的成像精度。利用全方位共反射角道集在不同方位角范圍內(nèi)的成像剖面可以對不同方位的小斷裂進行精細的刻畫,與OVT偏移成像剖面相比,剖面的信噪比更高,斷裂的斷面更清晰,斷點更干脆;對全方位傾角道集進行繞射波分離成像,剖面的縫洞識別能力更強,縫洞體的“串珠”響應特征更明顯,分布范圍更廣,相鄰縫洞體之間的區(qū)分度更高。

2) 地震處理和解釋技術對全方位共反射角道集和全方位傾角道集的利用程度還不夠高。在地震處理方面,主要利用全方位傾角道集對縫洞體進行刻畫;在地震解釋方面,主要利用全方位共反射角道集實現(xiàn)裂縫和各向異性預測。后續(xù)的研究中,基于現(xiàn)有的地震處理和解釋技術,應充分挖掘兩種道集中所包含的地質(zhì)信息,實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)處理與解釋的結合。

3) 全方位偏移成像技術的運算效率較低,需占用較多的磁盤空間和計算資源,目前,該方法更適用于面積和數(shù)據(jù)量較小的工區(qū)。隨著計算機性能的提升,全方位偏移成像技術將應用到更多的工區(qū)。