Chengzeng Yang, Chunjiang Du, Ru Zhang, Wengang Luo, Xin Nie

1The Exploration and Development Research Institute, The North China Oil and Gas Branch of SINOPEC, Zhengzhou Henan

2Well logging Company of North China Petroleum Engineering Company of SINOPEC, Xinxiang Henan

3College of Geophysics and Petroleum Resources, Yangtze University, Wuhan Hubei

Abstract

Keywords

1. 引言

地震采集是油氣地震勘探中的第一道工序，地震采集是指按照地震采集設(shè)計(jì)，在地面激發(fā)地震波，通過(guò)地層傳播后的地震信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波和數(shù)字轉(zhuǎn)換被地面檢波器接收的過(guò)程。在井炮地震勘探野外采集中，需通過(guò)合理精確的分線(xiàn)設(shè)計(jì)保證在有利激發(fā)層中進(jìn)行激發(fā)，因此，在地震勘探施工中首先需要通過(guò)激發(fā)試驗(yàn)和近地表調(diào)查獲得采集區(qū)的最佳激發(fā)巖性及其空間展布，以合理設(shè)計(jì)激發(fā)參數(shù)[1] [2]。

在地震采集中，常規(guī)確定激發(fā)井深的方法是首先進(jìn)行小折射、微測(cè)井和潛水面等表層結(jié)構(gòu)調(diào)查[3]，然后通過(guò)內(nèi)插運(yùn)算得到全區(qū)的高速底界面分布，結(jié)合激發(fā)試驗(yàn)論證，進(jìn)而確定最佳激發(fā)井深。該方法在表層結(jié)構(gòu)變化小、高速層速度橫向差異不大的地區(qū)，能取得較好的效果[4] [5] [6] [7]。

隨著地震勘探技術(shù)不斷進(jìn)步，有很多針對(duì)不同區(qū)域的激發(fā)井深設(shè)計(jì)成功案例，比如：結(jié)合微測(cè)井運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行表層精細(xì)解釋的三步分層法、基于精細(xì)近地表分層和正演模擬的鹽巖區(qū)激發(fā)井深設(shè)計(jì)原則[8]、非地震和微測(cè)井綜合火成巖調(diào)查方法；激發(fā)井深設(shè)計(jì)的主要方法有：基于激發(fā)巖性、低降速帶厚度、虛反射界面和能量[9]、低頻帶厚度和地震子波形態(tài)等因素的激發(fā)設(shè)計(jì)井深方法[10]；最佳激發(fā)面法[11]、微測(cè)井動(dòng)力學(xué)、正演模擬分析法、近地表模型法、三維空間內(nèi)插法[12]和逐點(diǎn)激發(fā)設(shè)計(jì)法[13]等。盡管這些方法趨于成熟，但仍存在三個(gè)缺陷：① 低測(cè)資料的局限性，缺乏相對(duì)深層的結(jié)構(gòu)調(diào)查；②表層調(diào)查點(diǎn)的個(gè)數(shù)和分布有限，不能保證內(nèi)插的準(zhǔn)確性；③ 不能適用于高程起伏變化大、表層結(jié)構(gòu)橫向變化較大的區(qū)域。因此，在地震資料處理中，這些方法的應(yīng)用受到了限制。本文通過(guò)融合研究區(qū)的多類(lèi)近地表信息建立高精度近地表速度模型，利用模型的速度趨勢(shì)來(lái)設(shè)計(jì)地震采集激發(fā)井深，較好地解決了常規(guī)方法出現(xiàn)內(nèi)插精度不足和隨地形起伏變化的問(wèn)題，能夠保證地震資料品質(zhì)、低幅構(gòu)造[14]和屬性預(yù)測(cè)精度。

2. 多信息融合約束反演

2.1. 層析反演原理

層析反演靜校正技術(shù)是一種利用地震初至進(jìn)行近地表速度反演的方法。廣義地講，反演的目的在于依據(jù)模型和實(shí)際數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)反推模型。在層析反演中，將地質(zhì)模型假設(shè)由離散速度單元組成，每個(gè)單元的速度是常速，不同單元的速度不同，初至?xí)r間是模型單元和模型慢度的乘積。由于層析反演常常是欠定的，沒(méi)有準(zhǔn)確解，只能求它的最優(yōu)解。目前層析反演采用正交分解最小二乘算法，該算法占用內(nèi)存較小、速度適中、收斂快且結(jié)果穩(wěn)定，通過(guò)迭代就可以獲得穩(wěn)定的最小均方誤差解。首先給定一個(gè)初始的速度模型，通過(guò)射線(xiàn)追蹤計(jì)算初至?xí)r間，該時(shí)間與實(shí)際記錄旅行時(shí)的差被用來(lái)計(jì)算速度模型的修正量；模型修改后，再計(jì)算基于新的速度模型的初至旅行時(shí)；這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)多次迭代后，當(dāng)新模型正演旅行時(shí)和實(shí)際觀測(cè)走時(shí)殘差減小并達(dá)到給定精度時(shí)，則可近似地認(rèn)為得到了最終的速度分布。層析反演包括5 個(gè)步驟：① 初至拾??；② 給定初始速度模型進(jìn)行射線(xiàn)追蹤；③ 正演得到每一道的射線(xiàn)路徑和理論走時(shí)；④ 計(jì)算記錄旅行時(shí)和基于當(dāng)前速度模型的初至?xí)r間的差；⑤ 通過(guò)迭代，計(jì)算模型的修正量[15]。

假設(shè)地震波從任意一個(gè)源點(diǎn)S 到任意一個(gè)接收點(diǎn)R 的旅行時(shí)為t ( S ,R )，介質(zhì)的慢度分布為 s ( x , y ,z )，傳播路徑為L(zhǎng)，那么旅行時(shí)可寫(xiě)為如下的公式

因?yàn)閭鞑ヂ窂絃 隨介質(zhì)的速度分布變化而變化，路徑L 是一曲線(xiàn)，因此(1)式是一曲線(xiàn)積分，dl 是弧長(zhǎng)微元。層析反演時(shí)，我們僅知道旅行時(shí)t，(1)式中 s ( x, y ,z )和L 都是未知的。這實(shí)際上為一個(gè)非線(xiàn)性反演問(wèn)題。

現(xiàn)在把反演區(qū)域的慢度離散化，假如離散化后的單元個(gè)數(shù)為N。每個(gè)單元慢度為一對(duì)應(yīng)常數(shù)記為s1, s2,… sN，這樣，根據(jù)公式(1)第i 條射線(xiàn)的旅行時(shí)表示為：

aij是第i 條射線(xiàn)穿過(guò)第j 個(gè)網(wǎng)格單元的長(zhǎng)度。當(dāng)有大量射線(xiàn)(如M 條射線(xiàn))穿過(guò)反演區(qū)域時(shí)，根據(jù)(2)式就可以得到關(guān)于未知量 Sj( j = 1,2, … ,N )的M 個(gè)方程( i = 1,2,… ,M)，M 個(gè)方程組合成一線(xiàn)性方程組為：

2.2. 多信息約束反演

以杭錦旗地區(qū)的三維地震資料采集為例，已知該研究區(qū)范圍為685 km2，屬于沙漠草原地貌，地表高程在1340~1500 米之間，地形整體趨勢(shì)相對(duì)平坦(分為高地區(qū)、低洼區(qū)、斷裂區(qū)和斜坡區(qū))，沙土覆蓋厚，近地表厚度和速度橫向變化劇烈；研究區(qū)的地質(zhì)背景相對(duì)簡(jiǎn)單，地震成果顯示中生界和古生界地層極為平緩，整體呈東北高西南低的斜坡，東北部位發(fā)育大型應(yīng)力構(gòu)造，斷裂出露地表；研究區(qū)內(nèi)已有前期兩個(gè)年度的二維地震采集資料，共計(jì)50 條測(cè)線(xiàn)，測(cè)網(wǎng)密度為4 × 2 km，表層低測(cè)資料(小折射、微測(cè)井)豐富，有已完鉆井約8 口(包括探井、直井、水平井)，井點(diǎn)分布相對(duì)均勻。

收集研究區(qū)的前期地震數(shù)據(jù)、前期表層資料和新的表層調(diào)查點(diǎn)資料；將所述前期地震數(shù)據(jù)在靜校正處理軟件中打開(kāi)，線(xiàn)性校正后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速、高效地拾取初至，利用校正、拾取和編輯等循環(huán)迭代的方式，得到精確的初至旅行時(shí)(圖1(a))，它是建立近地表速度模型和進(jìn)行層析反演的資料基礎(chǔ)。表層資料為研究區(qū)實(shí)施的各個(gè)低測(cè)調(diào)查點(diǎn)的小折射和微測(cè)井解釋成果(圖1(b)和圖1(c))，包括表層調(diào)查點(diǎn)的XY坐標(biāo)、巖性特征和解釋成果分層數(shù)據(jù)表格。

Figure 1. First arrival travel time and near-surface data 圖1. 初至旅行時(shí)及表層資料

依據(jù)研究區(qū)的地表和低降速帶變化特點(diǎn)，包括地表類(lèi)型、低降速帶厚度和速度的縱向、橫向變化，確定近地表模型反演深度和反演偏移距，編輯和優(yōu)化初至旅行時(shí)；針對(duì)反演參數(shù)，包括反演深度、反演偏移距、反演次數(shù)、反演面元等，通過(guò)迭代誤差和射線(xiàn)密度的指標(biāo)，測(cè)試近地表模型反演深度和反演偏移距范圍，進(jìn)而確定大炮初至；依據(jù)大炮初至，結(jié)合反演深度，在靜校正處理相關(guān)軟件中點(diǎn)取分層數(shù)據(jù)的速度和厚度，建立近地表初始速度模型，同時(shí)開(kāi)展層析反演，建立近地表速度模型；將研究區(qū)的前期表層資料和新表層調(diào)查點(diǎn)資料作為約束條件，在近地表速度模型的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行反演建模，獲得高精度近地表速度模型。

Figure 2. Comparison of the inversion for conventional and multi-information constrained 圖2. 常規(guī)和多信息約束反演對(duì)比

通過(guò)常規(guī)和多信息約束反演模型對(duì)比看出，后者的淺表層速度低，接近真實(shí)地表，見(jiàn)圖2(a)和圖2(b)的黑色框部位；兩者均是進(jìn)行了十次迭代反演，前者迭代誤差收斂趨勢(shì)緩慢，最終誤差達(dá)到8 ms，見(jiàn)圖2(c)，后者迭代誤差急劇收斂，最終誤差達(dá)到4 ms，見(jiàn)圖2(d)；多信息約束反演模型精度更高，速度更加精確，為后續(xù)激發(fā)井深設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3. 激發(fā)井深設(shè)計(jì)

3.1. 最佳激發(fā)速度確定

收集研究區(qū)當(dāng)前和前期的表層巖性調(diào)查和試驗(yàn)論證資料。表層巖性調(diào)查主要是指微測(cè)井巖性解釋?zhuān)凑毡韺诱{(diào)查(包括地表露頭調(diào)查、潛水面調(diào)查和微測(cè)井解釋)的試驗(yàn)點(diǎn)，查看詳細(xì)巖性錄井信息，獲得試驗(yàn)點(diǎn)位置、高程、潛水面等地表?xiàng)l件，以及每一段深度對(duì)應(yīng)的巖性，比如：表層沙、含泥砂巖、含礫砂巖及對(duì)應(yīng)的深度和速度。試驗(yàn)論證資料包括分辨反射同向軸連續(xù)性的原始單炮對(duì)比、分辨能量差異的固定增益顯示、查看不同頻率段記錄品質(zhì)差異的分頻掃描和主要目的層的定量化指標(biāo)(能量、頻率、信噪比、子波等)。

根據(jù)研究區(qū)的地表高程進(jìn)行地表類(lèi)型分類(lèi)，針對(duì)每一種地表類(lèi)型，結(jié)合該區(qū)域的表層巖性調(diào)查和單炮記錄的試驗(yàn)論證參數(shù)，充分考慮地表?xiàng)l件影響，了解地震資料品質(zhì)和井深之間的關(guān)系，確定最佳的井深因素，即在微測(cè)井底以下多少米激發(fā)才能獲得最好的地震記錄，反映到表層反演模型中，確定該區(qū)域在層析反演模型中的最佳激發(fā)速度面。依次類(lèi)推，確定不同地表類(lèi)型區(qū)域?qū)?yīng)的激發(fā)層速度界面，以此適應(yīng)不同地表類(lèi)型區(qū)域的井深設(shè)計(jì)。

Figure 3. The 50~100 Hz scanning records of different depth at test point S 圖3. 試驗(yàn)點(diǎn)S 不同井深的50~100 Hz 掃描記錄

試驗(yàn)點(diǎn)S 的地表屬于研究區(qū)的高地類(lèi)型，由該點(diǎn)微測(cè)井底以下不同井深處的50~100 Hz 的掃描記錄(圖3)看出，在微測(cè)井以下5 m 時(shí)，主要目的層的有效反射更加連續(xù)、清晰，信噪比相對(duì)較高；依據(jù)該井深，優(yōu)選和確定研究區(qū)的高地類(lèi)型在層析反演模型中的最佳激發(fā)速度面為1750 m/s。

3.2. 激發(fā)井深設(shè)計(jì)

在各區(qū)域最佳激發(fā)速度面的基礎(chǔ)上，結(jié)合多信息約束反演得到的高精度近地表速度模型，如圖2(b)，開(kāi)展研究區(qū)的地震采集激發(fā)井深設(shè)計(jì)。收集和整理研究區(qū)地震采集施工范圍和技術(shù)設(shè)計(jì)，獲取采集區(qū)的設(shè)計(jì)炮點(diǎn)數(shù)據(jù)；將采集區(qū)的設(shè)計(jì)炮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合靜校正處理軟件的文本文件，該文本文件包含線(xiàn)點(diǎn)號(hào)、X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)、地表高程、插值井深等五列的prn 或txt 文件。

將設(shè)計(jì)炮點(diǎn)數(shù)據(jù)和激發(fā)層速度界面作為輸入，加載到多信息約束反演速度模型中，輸出地震采集區(qū)設(shè)計(jì)炮點(diǎn)的激發(fā)井深。計(jì)算得到的激發(fā)井深以文本格式導(dǎo)出，如圖4 所示，各列依次為線(xiàn)點(diǎn)號(hào)、X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)、地表高程、基底厚度、設(shè)計(jì)井深、常規(guī)插值井深、設(shè)計(jì)誤差等八列的prn 或txt 文件。

Figure 4. Output text of shot depth 圖4. 輸出的激發(fā)井深文本

4. 應(yīng)用效果及誤差分析

4.1. 應(yīng)用效果

為了檢驗(yàn)該方法的效果和優(yōu)勢(shì)，將此應(yīng)用到杭錦旗地區(qū)，通過(guò)對(duì)比常規(guī)井深設(shè)計(jì)和該方法的單炮記錄顯示，分析單炮記錄的頻譜、子波、能量、信噪比等定量指標(biāo)的差異，以便為地震采集工區(qū)的生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

Figure 5. Comparison of the shot recording for conventional and multi-information constrained 圖5. 常規(guī)與多信息約束井深設(shè)計(jì)的單炮對(duì)比

常規(guī)井深設(shè)計(jì)的單炮記錄見(jiàn)圖5(a)，井深為16 m，藥量為16 kg；該方法設(shè)計(jì)的單炮記錄見(jiàn)圖5(b)，井深為37.2 m，藥量為16 kg；后者采集到的單炮記錄上因波阻抗差異而產(chǎn)生的反射波更清晰，同時(shí)發(fā)育沿界面?zhèn)鞑?、能量?qiáng)且頻散嚴(yán)重的面波和波場(chǎng)入射角達(dá)到臨界角而產(chǎn)生的折射波。黃色代表常規(guī)井深設(shè)計(jì)，藍(lán)色代表本方法設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5，通過(guò)對(duì)比分析單炮記錄的頻譜、子波、能量、信噪比等定量指標(biāo)看出，本方法設(shè)計(jì)的單炮頻譜更寬、子波形態(tài)更好、能量和信噪比更高。因此，較前期資料，本方法得到的地震資料品質(zhì)得到大幅提高。

4.2. 誤差分析

檢驗(yàn)通過(guò)該方法設(shè)計(jì)井深與實(shí)鉆微測(cè)井底深的誤差分析，驗(yàn)證該方法的科學(xué)和合理性。本方法設(shè)計(jì)井深與實(shí)鉆微測(cè)井對(duì)比見(jiàn)圖6，試驗(yàn)點(diǎn)S 優(yōu)選速度為1750 m/s 的界面，高精度近地表模型輸出的井深為33.3 m；單井微測(cè)井口接收解釋成果，S 點(diǎn)巖性調(diào)查特征為沙土厚19 m，含礫砂巖厚12 m，其他均為含泥砂巖，潛水面80~90 m，微測(cè)井解釋成果給出的高速層頂?shù)捉缑嫣帪?7.0 m，兩者誤差?3.7 m。可以看出，該方法設(shè)計(jì)的激發(fā)井深與實(shí)鉆微測(cè)井底深基本符合，設(shè)計(jì)誤差較小。

Figure 6. Error analysis of shot depth design with multi-information constraints 圖6. 多信息約束井深設(shè)計(jì)的誤差分析

5. 結(jié)論

1) 本方法充分利用精度更高的近地表模型的速度趨勢(shì)指導(dǎo)激發(fā)井深設(shè)計(jì)，可以較好地解決常規(guī)井深設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)內(nèi)插精度不足和隨地形起伏變化的問(wèn)題。

2) 本方法針對(duì)不同地表類(lèi)型的井深設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的適用性，誤差分析評(píng)價(jià)為等效模型與真實(shí)地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換研究提供依據(jù)，設(shè)計(jì)井深總和為估算鉆井施工成本提供測(cè)算參考依據(jù)，對(duì)其他復(fù)雜地表研究區(qū)的激發(fā)井深設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

3) 本方法獲得的激發(fā)井深更加合理、可靠，方法經(jīng)濟(jì)、科學(xué)，在杭錦旗地區(qū)中取得良好的效果，明顯改善了地震資料品質(zhì)，對(duì)優(yōu)化激發(fā)參數(shù)、改善激發(fā)條件、提高地震資料品質(zhì)具有重要意義。

基金項(xiàng)目

華北油氣分公司高效勘探科技工程“鄂爾多斯盆地地球物理處理與解釋技術(shù)研究”(2019GXKT-04)。