敬朋貴

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都 610041)

鎮(zhèn)巴探區(qū)位于川、陜、渝三地交界處,構(gòu)造上處于南大巴山逆沖推覆前鋒變形帶[1-2]內(nèi)。大巴山弧形逆沖推覆帶西鄰米倉山、北靠秦嶺造山帶、南接四川盆地,屬于典型的盆山耦合復(fù)雜帶。構(gòu)造展布形態(tài)上表現(xiàn)為向西南凸出的弧形,由巨型逆沖推覆褶皺帶構(gòu)成;構(gòu)造類型主要為斷層相關(guān)褶皺、疊瓦狀構(gòu)造及斷層三角帶。前期大量的基礎(chǔ)地質(zhì)和沉積相綜合研究表明,鎮(zhèn)巴探區(qū)存在類似于開江-梁平陸棚兩側(cè)的碳酸鹽巖臺地邊緣相帶,勘探潛力巨大。2006年以來,中國石油化工股份有限公司勘探南方分公司在鎮(zhèn)巴地區(qū)開展了大量二維、三維地震采集攻關(guān)試驗[3],所獲資料通過“內(nèi)引外聯(lián)”由多家單位進(jìn)行并行攻關(guān)處理,其效果雖不斷得以改進(jìn),但最終成果資料主要目的層結(jié)構(gòu)仍然十分雜亂,標(biāo)志層反射難以識別,構(gòu)造解釋難度大,儲層預(yù)測極為困難。受地震資料品質(zhì)低的影響,首口探井的論證與實施面臨巨大風(fēng)險。

1 復(fù)雜地表地震地質(zhì)條件

鎮(zhèn)巴地區(qū)是典型的地上、地下“雙復(fù)雜”探區(qū)。地面的復(fù)雜性表現(xiàn)在地形起伏劇烈、出露地層巖性多變及其產(chǎn)狀陡峭;地下復(fù)雜性表現(xiàn)為陸相、膏鹽巖及海相“三層樓”式復(fù)雜構(gòu)造的組合特征。

鎮(zhèn)巴地區(qū)屬于典型的大山區(qū),地勢總體呈南西低、北東高的趨勢,北東向山大谷深、起伏劇烈,北西向高差變化相對較小,起伏相對平緩。三維地震攻關(guān)區(qū)最低海拔約480m,最高海拔1696m,溝谷高差大于500m的情況俯拾皆是。實際生產(chǎn)中,一個采集接收排列通常要跨越4～6座相對高差在200～600m的山峰(圖1)。交通及通訊條件極差,地震施工難度大、成本高。

鎮(zhèn)巴地區(qū)表層出露地層大致沿北西向展布,砂巖、灰?guī)r呈條帶狀交錯變化,三維地震采集攻關(guān)區(qū)域內(nèi)表層地質(zhì)呈“三隆兩凹”沉積特征(圖2)。區(qū)內(nèi)出露巖層產(chǎn)狀陡峭,絕大部分巖層傾角超過30°。在地震采集施工區(qū)域,通過實際測量和室內(nèi)表層構(gòu)造恢復(fù),在不足800m范圍內(nèi)由新到老依次出露中侏羅統(tǒng)千佛崖組沙泥巖、下侏羅統(tǒng)白田壩組礫巖、上三疊統(tǒng)須家河組泡砂巖、中三疊統(tǒng)雷口坡組白云質(zhì)灰?guī)r等4～5套不同時代、不同巖性地層,出露最老地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組泥灰?guī)r。地表構(gòu)造核部及其兩翼地層幾近直立,巖石破碎嚴(yán)重(圖3和圖4)。地表出露巖性、產(chǎn)狀變化快,地層,導(dǎo)致地震激發(fā)、接收條件嚴(yán)重不一致,采集資料橫向變化迅速[4-7]。

鎮(zhèn)巴地區(qū)地腹內(nèi)部發(fā)育寒武系到侏羅系多套地層埋藏深度及其傾角變化大,褶皺嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)沉積了構(gòu)造特征各不相同的陸相砂泥巖、膏鹽巖、海相碳酸鹽巖三套地層。陸相砂泥巖沉積地層呈現(xiàn)為隆凹結(jié)構(gòu),隆起高陡、緊閉,局部缺失須家河及以上地層,凹陷相對寬緩、深埋;膏鹽巖橫向厚度及埋深變化大;海相地層斷裂發(fā)育,構(gòu)造類型主要為斷層相關(guān)的褶皺、疊瓦狀構(gòu)造及斷層三角帶,呈現(xiàn)為斷隆、斷凹、斷階等復(fù)合結(jié)構(gòu)特征(圖5)。鎮(zhèn)巴地腹內(nèi)部陸相、膏鹽巖及海相“三層樓”式的復(fù)雜構(gòu)造造成地震波傳播路徑的高度復(fù)雜化。

圖1 典型砂巖地表區(qū)單炮記錄

圖2 地震采集攻關(guān)區(qū)地面地質(zhì)條件

圖3 地震工區(qū)表層地質(zhì)剖面

圖4 表層巖層產(chǎn)狀特征

圖5 鎮(zhèn)巴地腹內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造剖面

2 地震采集攻關(guān)與主要認(rèn)識

2.1 區(qū)域概查與二維地震攻關(guān)

為了解鎮(zhèn)巴地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu),2004年部署實施了3條二維地震勘查測線。采用20m道距,80m炮間距,最大接收排列4800m,60次覆蓋的單線地震觀測,僅獲得了淺層反射信息,中深層反射能量弱、信噪比低。

為尋求有效的地震勘探方法技術(shù),2006年實施了系統(tǒng)的地震采集技術(shù)攻關(guān)。開展了系統(tǒng)的表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查,藥性、藥型、激發(fā)工藝試驗和檢波器類型、組合接收試驗,在此基礎(chǔ)上經(jīng)過多方論證,制定了20m道距,40m炮距,最大偏移距9600m,960次疊加的雙線雙炮超高覆蓋次數(shù)二維寬線地震采集方案,實施了一條30km的二維測線。攻關(guān)采集的資料除淺層和深層寒武系反射信息較2004年的二維資料有一定程度改善外,志留系和主要目的層二疊系、下三疊系反射仍然十分雜亂,無明顯可識別的反射波同相軸。

2.2 三維地震攻關(guān)

鎮(zhèn)巴地區(qū)極為復(fù)雜的地表和地下地質(zhì)條件,致使二維地震勘探難以獲取復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的地震響應(yīng),存在無法克服的側(cè)面反射問題,二線二炮觀測獲得的3條地下反射剖面的空間組合選擇余地有限,且難以消除橫向不一致性,勘探效果差。鑒于此,2009—2011年連續(xù)部署實施了3期三維地震采集攻關(guān)試驗,探索高空間采樣率的三維觀測技術(shù)解決本地區(qū)勘探問題的能力。2009—2010年三維地震攻關(guān)采用了20m×20m面元,接收線、炮線距均為200m,覆蓋次數(shù)分別為120次和150次的三維束狀觀測系統(tǒng)。在施工過程中盡可能將布設(shè)的排列全部接收,以增強(qiáng)觀測效果,力求解決復(fù)雜波場的地震成像問題。2011年采用了20m×40m矩形面元,接收線、炮線距為240m,336次覆蓋的三維觀測系統(tǒng)。與四川盆地內(nèi)已實施的多塊三維地震采集技術(shù)方案相比較,目前鎮(zhèn)巴地區(qū)三維地震采集攻關(guān)技術(shù)方案所采用的炮、檢線距收縮了近1倍,每平方千米內(nèi)地震炮-檢對采集密度提高了1倍以上。通過與前期二維地震勘探資料的比較分析,無論是疊加還是偏移效果,三維地震資料比二維地震資料在淺、中、深層的信息都更加豐富、清晰,結(jié)構(gòu)更為合理[8]。但經(jīng)多方攻關(guān)處理后的三維成果資料依然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)志層不清及可解釋性差的問題。

3 地震資料主要特征

3.1 單炮記錄特征

鎮(zhèn)巴地區(qū)地震單炮記錄品質(zhì)變化與地表出露的條帶狀不同巖性密切相關(guān)。由西南往東北,單炮記錄內(nèi)反射信息依次減弱、變差。砂巖區(qū)激發(fā)、砂巖內(nèi)接收的資料最好,過渡區(qū)其次,灰?guī)r區(qū)記錄最差。西南部砂泥巖區(qū)的記錄品質(zhì)最好,主頻、信噪比相對較高;在中部砂泥巖區(qū),信噪比相對較低,東北部砂泥巖區(qū)記錄可見有效反射能量,但信噪比更低。中部和東北部灰?guī)r區(qū)的記錄主頻低,低頻干擾強(qiáng),總體顯現(xiàn)為低信噪比(圖6)。

圖6 鎮(zhèn)巴地表不同巖性出露區(qū)地震資料原始記錄品質(zhì)a 西南砂巖區(qū)1; b西南砂巖區(qū)2; c中部灰?guī)r區(qū); d 東北砂巖區(qū)

進(jìn)一步深入分析品質(zhì)最高的砂巖區(qū)單炮記錄,排列內(nèi)普遍存在不同角度、弧度的反射能量且相互交織,從淺至深基本沒有貫穿全排列的穩(wěn)定的反射;中層局部存在微弱的反射信息,但連續(xù)道數(shù)十分有限;不同位置單炮和同一炮不同排列接收的反射信息存在明顯變化。

詳細(xì)對比過渡帶、灰?guī)r出露條帶內(nèi)不同位置單炮記錄,過渡區(qū)單炮呈現(xiàn)為半邊有反射、半邊無反射的特點,大量記錄初至波處可見繞射波;灰?guī)r區(qū)激發(fā)-接收單炮記錄基本無可識別的有效反射。

3.2 道集與速度譜質(zhì)量

對信噪比較高的砂泥巖區(qū)相鄰CMP道集作連續(xù)分析(圖7a),目的層段反射信息在時間和空間上變化劇烈,同一反射波在近偏移距與遠(yuǎn)偏移距存在差異;目的層段相關(guān)速度譜質(zhì)量很差(圖7b),難以拾取。灰?guī)r區(qū)CMP道集信噪比低(圖7c),速度譜缺少穩(wěn)定的能量團(tuán)(圖7d)。

圖7 地表砂泥巖區(qū)CMP道集(a)及對應(yīng)速度譜(b)和灰?guī)r出露區(qū)CMP道集(c)及對應(yīng)速度譜(d)

同一位置的CMP道集(圖8a)與疊前成像CRP道集(圖8b)對比,兩者除了因處理方法不同而信息變化較大外,需要注意的是,即便經(jīng)過疊前偏移處理后的CRP道集,同一反射波在不同偏移距上也存在不一致的現(xiàn)象。經(jīng)疊前偏移處理后,CRP道集中強(qiáng)振幅穩(wěn)定反射段對應(yīng)的速度譜能量更為集中(圖8c),但目的層段及灰?guī)r出露區(qū)速度譜質(zhì)量未見明顯提高。

道集內(nèi)信息的不一致性表明,無論是CMP道集還是經(jīng)過疊前偏移的成像道集均不能代表是地下真實反射點的準(zhǔn)確信息,實際射線路徑與簡單的幾何路徑已嚴(yán)重不符。道集間信息的不一致性則說明地下地層產(chǎn)狀和傾角在小范圍內(nèi)發(fā)生了較大變化。

圖8 同一位置的CMP道集(a)、CRP道集(b)及疊前成像速度分析(c)

3.3 疊加波場分析

為方便描述,我們將三疊系須家河組以上地層稱為陸相淺層,雷口坡至嘉陵江組地層稱為膏巖層,三疊系飛仙關(guān)組至志留系地層稱為中層,志留系以下稱為深層,對應(yīng)的各套地震反射分別稱為淺、中、深層反射。經(jīng)過反復(fù)的精細(xì)處理,疊加資料信噪比整體得到改善,灰?guī)r條帶區(qū)可見一定反射信息,疊加剖面上基本消除了空白反射區(qū)(圖9a)。從剖面內(nèi)反射層系上分析,區(qū)內(nèi)淺層反射波組能量強(qiáng)、相位穩(wěn)定,可連續(xù)追蹤的范圍較大;膏巖反射能量強(qiáng),呈現(xiàn)為發(fā)散、多曲率的繞射波特征(俗稱“掃帚”狀反射),影響范圍大;中層反射能量弱,波組穩(wěn)定性差;深層反射能量較強(qiáng),產(chǎn)狀較緩,波組連續(xù)性差(圖9a)。

圖9 鎮(zhèn)巴地區(qū)疊加剖面特征(a)及其目的層局部放大顯示(b)

進(jìn)一步分析中層主要目的層段的疊加波場。在三維縱向剖面(圖9b)上,反射同相軸多顯弧形特征,幾乎沒有水平連續(xù)反射同相軸,反射波組相位轉(zhuǎn)換頻繁;標(biāo)志層同相軸無法連續(xù)追蹤或連續(xù)追蹤范圍十分有限,可追蹤的反射同相軸一般連續(xù)不超過50道(1000m);不同產(chǎn)狀反射波組相互交織,相互影響;波組不完整,呈現(xiàn)半支繞射特征;呈弧形特征的相鄰反射波在空間上相距較遠(yuǎn),不符合反射、繞射、回轉(zhuǎn)波的空間匹配關(guān)系,存在反射、繞射、回轉(zhuǎn)波組合不完整現(xiàn)象。在三維橫向剖面上,除膏巖層繞射發(fā)育外,其余層系反射產(chǎn)狀普遍較緩,但剖面與剖面之間反射信息變化大,顯示跳躍變化特征。對主測線上明顯的反射波組沿聯(lián)絡(luò)線方向進(jìn)行追蹤,其可連續(xù)追蹤100道即2000m以上的反射很少。縱、橫向剖面聯(lián)合分析,同一波組在兩個方向的反射產(chǎn)狀差異巨大,變化迅速?？傮w來看,鎮(zhèn)巴三維地震資料主要目的層疊加波場受上伏膏巖層產(chǎn)生的強(qiáng)烈繞射波影響嚴(yán)重,自身反射能量弱,無明顯的水平反射,反射波波組穩(wěn)定性差[9-12]。

4 地震成像條件分析

4.1 成像條件計算

根據(jù)反射地震學(xué)的基本原理,實際觀測到的反射波是由反射界面上相當(dāng)?shù)囊粋€面積內(nèi)返回的能量疊加而成的,到達(dá)檢波器的反射波的相位差不超過半個周期,這些波或多或少地相干干涉,這個相干干涉區(qū)域就是菲涅爾帶。第一菲涅爾帶半徑r與地震波傳播的速度、頻率、距離存在如下關(guān)系:

(1)

式中:t為觀測點到界面的雙程旅行時間;f為視頻率;H為界面深度;λ為波長。

當(dāng)?shù)叵碌刭|(zhì)體的長度(a)小于第一菲涅爾帶半徑時,這樣的地質(zhì)體就相當(dāng)于一個繞射點。因此,菲涅爾帶決定了地震水平分辨率的極限[13-15]。依據(jù)上述公式并設(shè)定鎮(zhèn)巴地區(qū)地震波參數(shù),在上覆介質(zhì)均勻的前提下,到達(dá)目的層的地震波波長100～400m,地質(zhì)體埋深在1000m時,地震可分辨的地質(zhì)體最小尺度為100～220m,埋深在6000m時則為540～1100m。

以觀測深度5000m,地震波速度5500m/s,頻率20Hz為例,在上覆介質(zhì)均勻前提下,水平地質(zhì)體尺度要達(dá)到829m才能形成穩(wěn)定的長反射,而形成短反射或繞射的地質(zhì)體最小尺度為370m,小于該尺度的地質(zhì)體,在地面是接收不到其響應(yīng)信息的。地質(zhì)體尺度在370～829m時主要形成短反射,愈接近下限,愈容易產(chǎn)生繞射。

成像條件計算結(jié)果說明,非均勻體尺度越小越容易形成短反射或繞射,當(dāng)非均勻地質(zhì)體不滿足形成短反射的最低尺度時,地面就觀測不到其響應(yīng)信息,導(dǎo)致信息缺失。而目前的地震觀測結(jié)果預(yù)示鎮(zhèn)巴地區(qū)地下穩(wěn)定地質(zhì)體的尺度、規(guī)模偏小,已接近甚至小于地震可觀測的最低尺度。

4.2 模型正演分析

圖10a給出了根據(jù)鎮(zhèn)巴地區(qū)實際資料解釋的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及實測地表高程構(gòu)建的帶實際地表的二維數(shù)值模型,該模型中的二疊系斷塊最小規(guī)模在2 000m以上。我們據(jù)此模型開展射線追蹤及波動方程正演模擬。模擬結(jié)果(圖10b和圖10c)表明,射線路徑極度復(fù)雜化,觀測排列內(nèi)二疊系目的層射線路徑極度不均勻,數(shù)值模擬單炮記錄上目的層段反射橫向嚴(yán)重不均勻,甚至無反射。多種觀測方式的模擬結(jié)果均表明,無論采用多長的排列也無法完整接收到二疊系的反射信息。

圖10 帶實際地表條件的鎮(zhèn)巴二維數(shù)值模型(a)及其射線追蹤模擬(b)和波動方程模擬(c)記錄

射線路徑追蹤模擬表明,在同一炮檢距范圍內(nèi),不同地層反射點極為散亂,無規(guī)律可循,同一地層不同位置的反射可以同時達(dá)到(多路徑)。在同一激發(fā)-接收排列內(nèi),同一反射地層的反射點分布也是極度的不均勻,且愈到下伏地層,反射點愈不均勻。在上覆陸相構(gòu)造層起伏變化大,膏鹽巖層厚度及形態(tài)劇烈變化的條件下,即使主要目的層地質(zhì)體尺度按照2000～3000m的規(guī)模構(gòu)建模型,其正演結(jié)果仍說明目前的地震觀測手段無法正確獲取地下主要地質(zhì)對象的完整信息。

5 認(rèn)識與建議

5.1 認(rèn)識

1) 鎮(zhèn)巴地區(qū)地震采集攻關(guān)取得的單炮記錄和時間域疊加資料在主要目的層段的地震反射信息均表現(xiàn)為短反射、繞射或回轉(zhuǎn)波特征。分析表明資料中反射、繞射、回轉(zhuǎn)波之間存在時空配置關(guān)系不完整的現(xiàn)象。目前的地震觀測結(jié)果預(yù)示鎮(zhèn)巴地區(qū)地下穩(wěn)定地質(zhì)體的尺度、規(guī)模偏小,已接近甚至小于地震可觀測的最低尺度。

2) 疊加資料以繞射、回轉(zhuǎn)、半支繞射為主,基本無水平反射,無論采用何種偏移處理技術(shù)手段,其成像結(jié)果必然只能呈現(xiàn)出一系列短促狀反射、孤立點反射或畫弧特征。而僅憑一些孤立的點反射和短促狀反射無法構(gòu)成穩(wěn)定、延續(xù)的地震反射界面。地質(zhì)研究表明,本區(qū)經(jīng)歷過多期次、多方向的構(gòu)造運(yùn)動,地表與地下地層改造變形嚴(yán)重,碳酸鹽巖地層斷裂、破碎更為嚴(yán)重。地震成像結(jié)果揭示海相地層斷裂發(fā)育、斷層斷距大、斷裂破碎區(qū)范圍大,穩(wěn)定地質(zhì)體小。目前地震資料的低信噪比特征應(yīng)該是地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的客觀反映。

3) 地震道集內(nèi)信息的不一致性及道集間信息的迅速變化,模型正演目的層反射點極為分散且無規(guī)律可循,說明基于均勻水平層狀介質(zhì)假設(shè)和規(guī)則幾何關(guān)系分選道集的資料處理技術(shù)前提嚴(yán)重偏離實際情況,不能滿足鎮(zhèn)巴地區(qū)“雙復(fù)雜”條件下的地震成像要求。

5.2 建議

1) 基于目前獲得的地震資料波場不健全的問題,應(yīng)在現(xiàn)有資料及研究認(rèn)識基礎(chǔ)上加強(qiáng)真實地表三維數(shù)值模型構(gòu)建和正演模擬分析,針對目的層進(jìn)行有效照明分析,尋找改善目的層觀測效果的有效技術(shù)對策。

2) 開展正演模擬數(shù)據(jù)的成像處理試驗,尋找最佳成像處理方法技術(shù)和參數(shù),指導(dǎo)實際地震資料處理。在現(xiàn)有資料處理技術(shù)條件下,開展地震數(shù)據(jù)疊前五維插值,通過室內(nèi)手段最大限度地提高數(shù)據(jù)空間采樣率,嘗試改善復(fù)雜小斷塊的資料成像效果;探索陸上復(fù)雜資料全波形反演技術(shù),尋求不依賴于常規(guī)預(yù)處理的速度建模方法,建立新的陸上復(fù)雜山地地震資料成像處理技術(shù)流程。

鎮(zhèn)巴地區(qū)地震勘探攻關(guān)從二維發(fā)展到三維,資料質(zhì)量雖不斷有所改進(jìn),但沒有根本性改變。實際資料分析、理論條件計算、簡單模型模擬結(jié)果均表明,該地區(qū)海相地層斷裂發(fā)育,地層破碎嚴(yán)重,穩(wěn)定塊體尺度偏小?？梢哉J(rèn)為,目前的三維地震攻關(guān)成果已經(jīng)基本反映了本地區(qū)真實的地下地質(zhì)特征。為加快鎮(zhèn)巴地區(qū)油氣勘探發(fā)現(xiàn)的進(jìn)程,為后續(xù)攻關(guān)研究提供更為準(zhǔn)確的信息,應(yīng)下定決心盡快實施風(fēng)險鉆探。

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