黃 鵬,殷厚成,薛維忠,曾昭翰,彭代平,肖云飛

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

山前帶指造山帶與前陸盆地間的弱構(gòu)造變形帶。其典型特征是地表高程起伏劇烈,基巖以高角度出露地表,地層年代橫向跨度大,近地表縱、橫向速度變化大。隨著山前帶地震勘探的不斷深入,山前帶淺表層結(jié)構(gòu)越來越受到地球物理學(xué)家們的關(guān)注。山前帶復(fù)雜淺表層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致采集的地震數(shù)據(jù)信噪比低、道間時(shí)差變化劇烈,從而制約了山前帶探區(qū)地震成像和進(jìn)一步的油氣預(yù)測[1]。因此,獲得精細(xì)的近地表結(jié)構(gòu)特征及準(zhǔn)確的速度模型是解決這些問題的關(guān)鍵[2]。

研究山前帶淺表層特征,是理論研究和實(shí)際生產(chǎn)的需要。理論研究方面,獲得精細(xì)的山前帶淺表層特征,可以在模型條件下,研究山前帶波場的特征及傳播規(guī)律,干擾波的特點(diǎn)與資料低信噪比產(chǎn)生的原因,為開展方法技術(shù)的適應(yīng)性研究提供依據(jù)。實(shí)際生產(chǎn)中,精確的淺表層模型不僅是做好復(fù)雜山前帶靜校正的基礎(chǔ),也是復(fù)雜山前帶地震成像的需要[3-4]。

如何獲得準(zhǔn)確的淺表層模型是山前帶地震勘探迫切需要解決的問題。本文在鎮(zhèn)巴山前帶灰?guī)r高陡構(gòu)造出露區(qū)開展了二維高密度地震、高密度電法、深井微測井等多種方法的淺表層調(diào)查試驗(yàn)和模型研究,分析了觀測系統(tǒng)參數(shù)對淺表層速度建模精度的影響,提出了淺表層結(jié)構(gòu)約束的淺層速度建模方法,為山前帶及復(fù)雜淺表層地區(qū)的淺表層速度建模提供指導(dǎo)。

1 野外試驗(yàn)方法綜述

為了精細(xì)調(diào)查山前帶淺表層模型特征,在鎮(zhèn)巴山前帶高陡構(gòu)造灰?guī)r出露區(qū)開展了淺表層結(jié)構(gòu)調(diào)查與建模研究。

相同的巖性具有相近的孔隙度和含水飽和度,其電性特征變化較小,或具有穩(wěn)定的變化趨勢,所以通常用高密度電法觀測結(jié)構(gòu)模型的變化。王勤勇[5]在碳酸鹽巖裸露區(qū)采用高密度電法調(diào)查近地表結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示,該方法在巖性和含水性調(diào)查方面有較好的應(yīng)用效果。

淺表層速度建模的方式可以分為測量法和反演法兩種[2]。測量法是指采用微測井等近地表調(diào)查方法獲得淺表層速度,再進(jìn)行線性插值,建立速度模型。反演法指利用地震波攜帶的信息重建地下速度模型。反演法有初至波走時(shí)層析反演、初至波波形層析反演、初至波走時(shí)/波形聯(lián)合層析反演、全波形反演和面波頻散曲線反演等多種方法[2]。其中,初至波走時(shí)層析是目前應(yīng)用較為廣泛且成熟的近地表建模技術(shù)[6-14]。尚新民等[15]在準(zhǔn)南緣米泉山前帶采用二維淺層地震層析的方法,得到了精細(xì)的近地表速度模型。

綜上所述,本文野外試驗(yàn)采用的具體方法如下:

1) 高密度電法調(diào)查的水平長度為4km,采用溫納裝置(α排列),點(diǎn)距2m,電極隔離系數(shù)16～30,接收道數(shù)160道,探測深度55m;

2) 二維高密度地震滿覆蓋次數(shù)的水平長度為4km,接收點(diǎn)距2m,激發(fā)點(diǎn)距4m,偏移距300～800m;

3) 為控制區(qū)域內(nèi)不同巖性的速度變化,選擇在巖性分界面兩側(cè),布設(shè)井深50m的井中激發(fā)、地面接收微測井8口。0～5m范圍激發(fā)點(diǎn)距0.5m,5～20m范圍激發(fā)點(diǎn)距1m,20～50m范圍激發(fā)點(diǎn)距2m。

2 鎮(zhèn)巴山前帶淺表層模型

山前帶的淺表層模型包括結(jié)構(gòu)模型和速度模型。結(jié)構(gòu)模型是指淺表層巖性及結(jié)構(gòu)的變化,與地表出露的地層、巖性、巖石的風(fēng)化程度及斷裂發(fā)育的程度相關(guān)。速度模型是指淺表層速度的變化,與地表出露的地層、巖性及巖石的風(fēng)化程度有關(guān)。

2.1 結(jié)構(gòu)模型

圖1給出了鎮(zhèn)巴工區(qū)高密度電法的電阻率反演剖面。根據(jù)電阻率及實(shí)際巖性的變化,試驗(yàn)區(qū)分為4段:第1段為連續(xù)的低阻區(qū),電阻率主要在200Ω·m以下,顯示巖體含水性好,出露侏羅系砂泥巖;第2段呈較連續(xù)的低阻特征,淺表20～200Ω·m團(tuán)塊是地表及碎石,深部20～200Ω·m區(qū)域是較完整的巖石,該段出露三疊系須家河粗砂巖;第3段呈較連續(xù)的中高阻特征,電阻率為40～400Ω·m,淺表20～200Ω·m 團(tuán)塊是地表及碎石,深部電阻率值大于200Ω·m的區(qū)域是較完整的灰?guī)r,該段出露二疊系雷口坡組灰?guī)r;第4段為連續(xù)的中阻區(qū),電阻率值主要在40～300Ω·m,該段出露致密的石英砂巖。第2段和第3段電阻率小于20Ω·m的區(qū)域?yàn)槠扑?、富水的巖體。局部線性的低阻區(qū)是斷層和沿?cái)嗔训娜芪g作用形成的富水帶。

圖1 高密度電法電阻率反演剖面

微測井獲得的近地表結(jié)構(gòu)及參數(shù)是準(zhǔn)確的,尤其對于低降速層較厚、速度變化大的表層結(jié)構(gòu)[2,16-17]。圖2 是微測井解釋結(jié)果與電阻率反演剖面對比圖,前者解釋的風(fēng)化層厚度約為10m(速度<1000m/s),與電阻率20～200Ω·m左右的風(fēng)化層厚度對應(yīng)較好。微測井20～25m深度顯示低速異常,電阻率反演剖面也出現(xiàn)了低阻異常。表1對比了8口微測井與高密度電法解釋的風(fēng)化層厚度(微測井速度小于1000m/s),誤差均在2m以內(nèi)。高密度電法獲得了較為準(zhǔn)確的近地表結(jié)構(gòu)模型。

圖2 微測井與電阻率剖面對比

表1 微測井與高密度電法解釋的風(fēng)化層厚度對比

圖3給出了高密度電法解釋的淺表層結(jié)構(gòu)模型。從模型可以看出,山前帶淺表層結(jié)構(gòu)是由連續(xù)穩(wěn)定的風(fēng)化層、不連續(xù)的半風(fēng)化層和完整的基巖層組成,符合山前帶淺表層巖性、地層產(chǎn)狀橫向變化大及斷層發(fā)育的地質(zhì)客觀情況。

2.2 速度模型

圖4是利用微測井解釋結(jié)果線性內(nèi)插構(gòu)建的速度模型(簡稱微測井模型)。其中,v0為460～700m/s,厚度1.20～5.09m,平均厚度為2.42m,變化相對穩(wěn)定,為完全風(fēng)化層,與巖性無關(guān);v1為767～4200m/s,厚度3.1～11.8m,變化劇烈;v2為2500～4600m/s,受巖性或地層控制。微測井速度由淺至深,由連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)向不連續(xù)的塊狀結(jié)構(gòu)變化,反映了淺表層受風(fēng)化作用以及地層和巖性控制的變化規(guī)律。

圖5為二維高密度地震初至波走時(shí)層析速度模型(以下簡稱走時(shí)層析模型)。與微測井模型(圖4)相比,橫向上速度變化趨勢一致,但層析模型能夠連續(xù)刻畫速度的橫向變化。圖6為微測井速度與層析速度的縱向?qū)Ρ?。圖6a中微測井速度在15～30m深度存在速度反轉(zhuǎn)層,走時(shí)層析速度也呈現(xiàn)出明顯的速度反轉(zhuǎn)趨勢,縱向上走時(shí)層析與微測井速度變化趨勢一致。

圖3 高密度電法解釋的山前帶淺表層結(jié)構(gòu)模型

圖4 微測井模型

圖5 走時(shí)層析模型

圖6 微測井速度(a)與走時(shí)層析速度(b)對比

初至波走時(shí)層析速度是一種基于走時(shí)相等的等效速度,與真實(shí)的地層速度不同,但可以用走時(shí)誤差來衡量反演速度與真實(shí)速度的差異。圖7對比了不同巖性微測井與層析速度的走時(shí)誤差。當(dāng)深度大于30m時(shí),砂巖微測井與走時(shí)層析速度的走時(shí)誤差小于1ms;當(dāng)深度大于10m時(shí),灰?guī)r微測井與走時(shí)層析速度的走時(shí)誤差小于1ms。從靜校正或成像的角度,可以認(rèn)為兩者是完全等效的。高密度二維地震初至波走時(shí)層析反演的連續(xù)近地表速度模型,能夠描述山前帶不連續(xù)的巖性結(jié)構(gòu)引起的速度縱、橫向變化。

綜上所述,山前帶淺表層結(jié)構(gòu)模型由相對連續(xù)的風(fēng)化層、不連續(xù)的半風(fēng)化層和基巖組成。速度模型由淺及深,由連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)向不連續(xù)的塊狀結(jié)構(gòu)變化。山前帶淺表層結(jié)構(gòu)可以用連續(xù)、非均勻的速度模型來描述。

圖7 不同巖性微測井與走時(shí)層析速度的走時(shí)誤差對比

3 近地表速度建模精度與觀測系統(tǒng)

實(shí)際生產(chǎn)中通常利用大炮初至走時(shí)層析反演近地表速度模型。初至波走時(shí)層析反演的精度受網(wǎng)格劃分、射線路徑等多種因素影響[2],但是卻很少有初至波走時(shí)層析反演的精度與地震采集觀測系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系的相關(guān)研究。尚新民等[15]在準(zhǔn)南緣米泉山前帶開展表層調(diào)查研究,指出小道距、小炮點(diǎn)距、小偏移距的淺層二維初至波走時(shí)層析反演結(jié)果可以準(zhǔn)確反映近地表結(jié)構(gòu)。

鎮(zhèn)巴二維高密度地震調(diào)查表明,相對于炮點(diǎn)距,初至波走時(shí)層析速度建模精度對道距更加敏感。圖8 給出了走時(shí)層析速度隨道距、炮點(diǎn)距的變化及其與微測井速度的對比。圖8a中道距為2m,炮點(diǎn)距由4m增大到16m,走時(shí)層析速度變化趨勢與圖8b中微測井速度一致;圖8c中炮點(diǎn)距為4m,當(dāng)?shù)谰酁?m時(shí),反演的速度與微測井速度變化趨勢一致,隨著道距逐漸增大,走時(shí)層析速度的變化趨勢與微測井速度的差異迅速增大。

一般情況下,初至波走時(shí)層析劃分網(wǎng)格內(nèi)的射線密度越高,反演穩(wěn)定性越好[2]。較小的道距、接收線距、炮點(diǎn)距、炮線距能夠提高反演網(wǎng)格的射線密度,因此反演精度越高。對比不同觀測系統(tǒng)參數(shù)反演速度的變化,可以確定影響反演精度的關(guān)鍵參數(shù)及有利于提高山前帶近地表建模精度的參數(shù)范圍。三維彈性波數(shù)值模擬資料研究表明,影響初至波走時(shí)層析近地表建模精度的觀測系統(tǒng)參數(shù)依次為道距、接收線距、炮點(diǎn)距、炮線距。道距≤10m、接收線距≤240m、炮點(diǎn)距≤20m、炮線距≤200m的觀測系統(tǒng)參數(shù)有利于提高近地表建模精度。圖9對比了不同道距、炮點(diǎn)距、接收線距、炮線距的初至波走時(shí)層析速度。圖9a為不同道距的反演速度對比(從左至右道距分別為5,10,20,40m),由圖9a可見,道距為5m和10m的速度變化趨勢和速度值基本一致,道距增大到20m后,反演的最低速度增大到1500m/s,對速度分界面的分辨率降低。圖9b為不同炮點(diǎn)距的反演速度對比(從左至右炮點(diǎn)距分別為10,20,40m),由圖9b可見,炮點(diǎn)距為10m與20m的速度變化趨勢和速度值基本一致,炮點(diǎn)距增大到40m后,反演得到的3000m/s速度界面與炮點(diǎn)距為10m和20m反演得到的速度界面位置差異較大。圖9c為不同接收線距的反演速度對比(從左至右接收線距分別為120,240,480m),由圖9c可見,接收線距為120m和240m的速度變化趨勢和速度值基本一致,接收線距增加到480m后,反演得到的3000m/s速度界面與接收線距為120m和240m反演的速度界面位置差異較大。圖9d為不同炮線距的反演速度對比(從左至右炮線距分別為100,200,300,400m),由圖9d可見,炮線距為100m和200m的速度變化趨勢和速度值基本一致,炮線距增大到300m和400m時(shí),深度50m左右的反演速度有一定程度降低,但總體趨勢差異相對較小,說明初至波走時(shí)層析對炮線距的敏感度較低。

圖8 走時(shí)層析速度隨道距、炮點(diǎn)距的變化及其與微測井速度的對比a 道距為2m走時(shí)層析速度隨炮點(diǎn)距的變化; b 微測井速度; c 炮點(diǎn)距為4m走時(shí)層析速度隨道距的變化

圖9 不同道距(a)、炮點(diǎn)距(b)、接收線距(c)、炮線距(d)初至波走時(shí)層析速度對比

4 結(jié)構(gòu)約束近地表建模

實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)2m道距的近地表建模。通常在大炮初至走時(shí)層析反演中采取有效的措施加以約束,從而提高反演的穩(wěn)定性和精確性[2]。微測井約束走時(shí)層析是較為常用的做法,由于微測井調(diào)查的密度和深度限制,走時(shí)層析反演結(jié)果與實(shí)際情況還有一定差異。

圖10a顯示的是山前帶數(shù)值近地表模型;圖10b顯示的是道距為5m、炮點(diǎn)距為10m、接收線距為120m、炮線距為100m的高密度地震模擬資料在50m深度微測井約束下的初至波走時(shí)層析速度模型。對比圖10a和圖10b可以看出,走時(shí)層析模型在淺層與數(shù)值模型一致性較好,但是在較深部位的高傾角地層形態(tài)與數(shù)值模型存在較大差異。

與微測井約束相比,結(jié)構(gòu)約束走時(shí)層析建模精度更高。圖11a和圖11b分別給出了山前帶數(shù)值模型和結(jié)構(gòu)約束的初至波走時(shí)層析模型。對比圖11a和圖11b可以看出,結(jié)構(gòu)約束的走時(shí)層析模型的結(jié)構(gòu)與數(shù)值模型一致性較好。

圖10 山前帶數(shù)值模型(a)和走時(shí)層析模型(b)

圖11 山前帶數(shù)值模型(a)和結(jié)構(gòu)約束的初至波走時(shí)層析模型(b)

實(shí)際生產(chǎn)中,利用地質(zhì)調(diào)查取得的淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)約束近地表建模取得了較好的應(yīng)用效果。圖12a和圖12b分別給出了結(jié)構(gòu)約束前的初至波走時(shí)層析速度模型和疊前深度偏移剖面;圖12c和圖12d分別給出了結(jié)構(gòu)約束后的初至波走時(shí)層析速度模型和疊前深度偏移剖面。由圖12可見,結(jié)構(gòu)約束后,疊前深度偏移成像剖面的信噪比更高。

圖12 結(jié)構(gòu)約束前、后初至波走時(shí)層析速度模型及疊前深度偏移剖面a 結(jié)構(gòu)約束前的速度模型; b 結(jié)構(gòu)約束前的疊前深度偏移剖面; c 結(jié)構(gòu)約束后的速度模型; d 結(jié)構(gòu)約束后的疊前深度偏移剖面

5 結(jié)束語

山前帶淺表層結(jié)構(gòu)模型由相對連續(xù)的風(fēng)化層、不連續(xù)的半風(fēng)化層和基巖組成。速度模型由淺及深由連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)向不連續(xù)的塊狀結(jié)構(gòu)變化。山前帶淺表層結(jié)構(gòu)可以用連續(xù)、非均勻的速度模型來描述。

影響淺表層建模精度的觀測系統(tǒng)參數(shù)依次為道距、接收線距、炮點(diǎn)距、炮線距,其中道距最為關(guān)鍵。

山前帶勘探中,采用高密度電法獲得淺表層結(jié)構(gòu)模型,采用道距≤10m、接收線距≤240m、炮點(diǎn)距≤20m、炮線距≤200m的觀測系統(tǒng)進(jìn)行地震采集,聯(lián)合開展結(jié)構(gòu)約束的初至波走時(shí)層析,能夠提高近地表速度建模精度。