穆 潔，史飛洲，徐 穎，高厚強(qiáng)，邵文潮，李晶晶

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

塔河油田油氣儲(chǔ)量豐富，奧陶系的古巖溶縫洞是良好的儲(chǔ)集空間[1-4]，奧陶系內(nèi)幕的小縫洞精細(xì)成像就成為多年來(lái)一直研究的問(wèn)題。塔河地區(qū)資料的處理難點(diǎn)除了要聚焦形態(tài)各異的“串珠”，以及識(shí)別淹沒(méi)在風(fēng)化殼不整合面中的小縫洞體以外，二疊系的火成巖在塔河油田也廣泛分布。由于二疊系火成巖速度和厚度在橫向上巨變[5]，導(dǎo)致下伏地層在構(gòu)造特征上表現(xiàn)為高頻的扭動(dòng)，這給奧陶系內(nèi)幕縫洞的識(shí)別以及精細(xì)解釋帶來(lái)了困難。近年來(lái)，針對(duì)火成巖的影響，學(xué)者們進(jìn)行了不同方法的研究。李國(guó)發(fā)等[6]、韓站一等[7]通過(guò)正演模擬，研究了火成巖對(duì)下伏地層的影響，為后續(xù)的火成巖下成像研究奠定了基礎(chǔ)；周剛等[8]、劉立民等[9]、蒲波[10]、高厚強(qiáng)等[11]、王麗等[12]認(rèn)為深度偏移可以較好地消除火成巖產(chǎn)生的影響，較真實(shí)反演地層橫向速度變化，并驗(yàn)證了不同疊前深度偏移算法對(duì)火成巖區(qū)精細(xì)成像的精度。目前疊前深度偏移算法已經(jīng)相對(duì)成熟，在解決火成巖目標(biāo)成像方面已成為較為主流的方法。在深度域成像領(lǐng)域，速度建模至關(guān)重要[10,13]，因此火成巖速度模型已成為研究熱點(diǎn)。蒲波[10]應(yīng)用傳統(tǒng)的網(wǎng)格層析成像法，并取得了一定的效果；張濤等[14]利用三維網(wǎng)格層析技術(shù)對(duì)速度-深度模型進(jìn)行了全局優(yōu)化，得到了火成巖體速度的高頻分量；馬一鳴等[15]、崔永福等[16-17]在速度反演的基礎(chǔ)上將反演算法和地質(zhì)層位解釋結(jié)合，進(jìn)一步提高了速度模型和成像的精度；杜開(kāi)鵬[18]綜合多種地震和地質(zhì)資料，通過(guò)劃分地震巖相，篩選敏感的參數(shù)，建立了較為高精度的火成巖速度場(chǎng)，是一種綜合多學(xué)科建立速度場(chǎng)的過(guò)程；黃棱等[19]運(yùn)用GeoEast處理解釋一體化系統(tǒng)對(duì)火山巖速度模型進(jìn)行優(yōu)化迭代，提高了速度模型精度。前人通過(guò)成像方法和速度建模的改進(jìn)，以及綜合多學(xué)科應(yīng)用先進(jìn)處理軟件的方法，從各方面不斷提高了巖下成像的精度。但在塔河地區(qū)綜合應(yīng)用多種建模方法較準(zhǔn)確刻畫(huà)火成巖速度以及消除下伏假構(gòu)造和假斷裂成像的研究還較少。在前人研究基礎(chǔ)上，基于深度偏移算法，重點(diǎn)對(duì)研究區(qū)火成巖下伏地層成像開(kāi)展速度建模的研究，通過(guò)變尺度的網(wǎng)格層析反演和多信息約束的目標(biāo)反演構(gòu)建高精度的速度模型，并用于偏移成像。結(jié)果表明該速度建模技術(shù)能有效消除火成巖對(duì)下伏地層的影響，消除假構(gòu)造、假斷裂，恢復(fù)地層的真實(shí)構(gòu)造形態(tài)；同時(shí)，對(duì)縫洞體的刻畫(huà)更加清晰。

1 火成巖高精度速度建模流程

常規(guī)的深度域速度建模方法主要通過(guò)拾取共成像點(diǎn)道集的剩余曲率來(lái)建立目標(biāo)函數(shù)，并利用網(wǎng)格層析成像得到速度模型的更新量，從而反演出背景場(chǎng)的速度趨勢(shì)。該方法對(duì)大套地層和大尺度的地質(zhì)體具有較好的適用性。但是火成巖等特殊巖體的橫向展布只有兩三百米甚至更小，且橫向的速度和巖性變化劇烈，從而使得常規(guī)的速度建模方法無(wú)法準(zhǔn)確反演出巖體的速度和橫向展布特征。

針對(duì)火成巖下成像的精細(xì)速度建模流程如圖1所示。首先，對(duì)時(shí)間域均方根速度進(jìn)行一系列平滑、時(shí)深轉(zhuǎn)換、外推、插值等處理，從而得到深度域初始速度；然后，對(duì)初始速度進(jìn)行變尺度的網(wǎng)格層析迭代，由大尺度向小尺度迭代轉(zhuǎn)變，刻畫(huà)出火成巖的基本輪廓[20]；隨后，在速度建模的目標(biāo)函數(shù)項(xiàng)上加入井約束和構(gòu)造約束項(xiàng)，得到新的目標(biāo)函數(shù)，從而刻畫(huà)出更加精細(xì)的火成巖速度的縱、橫向變化特征；最后，利用深度偏移進(jìn)行成像。

圖1 針對(duì)火成巖下成像的速度建模流程圖Fig.1 Flow chart of velocity modeling for imaging under igneous rock

2 基本原理

2.1 網(wǎng)格層析反演原理

射線通過(guò)炮點(diǎn)激發(fā)檢波點(diǎn)接收，在地下傳播的旅行時(shí)組成旅行時(shí)方程，對(duì)積分方程(1)進(jìn)行空間離散后得到方程組(2)。

(1)

AΔs=Δt

(2)

式中：Δs為參考模型與真實(shí)模型的慢度差向量；dl為沿射線路徑l的射線段長(zhǎng)度；Δt為旅行時(shí)殘差向量；A為靈敏度矩陣，其元素對(duì)應(yīng)于射線在網(wǎng)格內(nèi)的射線路徑長(zhǎng)度。對(duì)方程組(2)進(jìn)行反復(fù)迭代，得到靈敏度矩陣A，速度模型即為慢度函數(shù)的倒數(shù)。網(wǎng)格層析反演即需要通過(guò)拾取走時(shí)殘差，并沿網(wǎng)格單元內(nèi)射線路徑對(duì)殘差進(jìn)行反投影來(lái)得到模型的更新量[11,21-22]。求取目標(biāo)函數(shù)如式(3)所示：

L(s)=‖AΔs-Δt‖2

(3)

式(3)中：L(s)為層析目標(biāo)泛函；Δs為慢度更新量；Δt為旅行時(shí)殘差向量。經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代更新，即可求得反演后的速度模型。

2.2 變尺度網(wǎng)格層析迭代

網(wǎng)格層析反演迭代過(guò)程遵循以下原則：由淺層到深層，由大尺度到小尺度，由沿層低頻到局部高頻。利用初始速度模型進(jìn)行偏移成像，對(duì)生成的共成像點(diǎn)道集進(jìn)行剩余曲率的拾取，逐漸反演出每一輪的速度更新量。由于深度域速度從淺到深是累積的過(guò)程，所以淺層速度不準(zhǔn)直接影響深層速度的準(zhǔn)確性，這也進(jìn)一步說(shuō)明二疊系的火成巖速度的不準(zhǔn)確直接影響到下伏地層的成像和假構(gòu)造的出現(xiàn)。大尺度反演主要求取沿層狀的低頻信息，對(duì)背景速度的準(zhǔn)確求取起到了至關(guān)重要的作用，因此前幾輪的速度更新迭代需采用大尺度反演。而當(dāng)背景速度較為準(zhǔn)確時(shí)，即剩余延遲幾乎為零時(shí)，可以逐漸縮小反演尺度，增加射線密度以及加密剩余曲率的拾取來(lái)反演出局部小尺度的細(xì)節(jié)。

2.3 多信息約束目標(biāo)反演

常規(guī)的網(wǎng)格層析反演是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)反演，通過(guò)變尺度的反演迭代，能夠獲得較為高精度的速度模型和成像結(jié)果。但是地震的分辨尺度是有限度的，常規(guī)的速度反演只能由剩余時(shí)差建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)于火成巖的高頻抖動(dòng)，需要借助對(duì)地質(zhì)認(rèn)識(shí)以及測(cè)井曲線進(jìn)一步約束目標(biāo)反演，得到新的目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)網(wǎng)格層析，得到新的高頻的模型[14]。

常規(guī)速度層析反演的目標(biāo)函數(shù)為

(4)

在常規(guī)針對(duì)成像道集進(jìn)行拾取的基礎(chǔ)上，加入了井約束的殘差和構(gòu)造約束的殘差，得到多信息約束的目標(biāo)函數(shù)：

(5)

式中：x,y為網(wǎng)格中心點(diǎn)坐標(biāo)；h為炮檢距；href為參考炮檢距；zevents(h)為偏移距href處的目標(biāo)軸深度；zevents(href)為參考偏移距h處的目標(biāo)軸深度；zmig為偏移剖面地震深度；zwell為測(cè)井上對(duì)應(yīng)的分層深度；minit為真實(shí)的構(gòu)造地層層位；mcurrent為偏移的地層層位；α、β為構(gòu)造約束的權(quán)系數(shù)。

加入了先驗(yàn)地質(zhì)識(shí)別和測(cè)井曲線的信息，新的約束目標(biāo)函數(shù)w(m)在迭代中收斂得更好，反演的精度更高。

3 實(shí)例應(yīng)用效果

3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于天山南部、地處塔克拉瑪干沙漠北緣的戈壁荒漠地區(qū)，區(qū)域內(nèi)二疊系發(fā)育大套火成巖。該區(qū)火成巖主要分三期發(fā)育，最早期為凝灰?guī)r，速度最低，繼而發(fā)育英安巖，速度次之，最后一期發(fā)育高速玄武巖。由于火成巖的成分和巖相都大不相同，厚度變化不均勻，導(dǎo)致縱橫向速度高速變化。邊界和形態(tài)很難刻畫(huà)，精細(xì)的火成巖速度模型就很難建立。在速度建模過(guò)程中，利用地質(zhì)信息對(duì)火成巖巖性和范圍劃分很有必要。

二疊系火成巖在整個(gè)宏觀地層上看是屬于中小尺度特殊地質(zhì)體，且速度和厚度在橫向上變化較快，導(dǎo)致成像反射點(diǎn)分布不規(guī)則，層析反演中的射線路徑不均勻且非常稀疏，造成結(jié)果的多解性?；诜瓷浜蛯游龅姆椒ㄍ笕〔怀龈哳l分量，因此火成巖在背景速度下的成像表現(xiàn)為同相軸劇烈的抖動(dòng)，同時(shí)引起下伏地層的構(gòu)造變形和不連續(xù)。假構(gòu)造和假斷裂給構(gòu)造精細(xì)解釋帶來(lái)很大障礙，從而影響儲(chǔ)層的識(shí)別和鉆井的部署。

3.2 變尺度網(wǎng)格層析反演效果

圖2 初始速度偏移剖面和第三輪大尺度迭代后偏移剖面對(duì)比Fig.2 Comparison of initial velocity migration section and migration section of the third large-scale iteration

將每一輪迭代更新的速度模型加入上一輪模型中進(jìn)行疊前深度偏移成像，圖2(a)為初始模型的深度偏移剖面，圖2(b)為經(jīng)過(guò)一輪迭代反演后的深度偏移剖面。大尺度的反演主要對(duì)于淺層及大套層位的成像有影響。圖2(b)中黃色框內(nèi)和箭頭所指處右圖波組的一致性更強(qiáng)，信噪比更高。

通過(guò)縮小反演尺度，增加射線密度和加密剩余殘差的拾取，獲得了更精細(xì)的速度場(chǎng)。圖3(a)為進(jìn)行了三輪大尺度迭代后的深度偏移剖面，圖3(b)為縮小反演尺度后第五輪深度偏移剖面。圖3(b)較圖3(a)的優(yōu)勢(shì)在于：綠色框內(nèi)二疊系火成巖的形態(tài)更簡(jiǎn)單，沒(méi)有劇烈的起伏抖動(dòng)；在黃色圈內(nèi)的成像質(zhì)量更高，地層連續(xù)性明顯變好。

圖3 第三輪大尺度迭代后偏移剖面和第五輪小尺度迭代后偏移剖面對(duì)比Fig.3 Comparison of migration sections of the third large-scale iteration and the fifth small-scale iteration

3.3 多信息約束網(wǎng)格層析反演效果

在常規(guī)網(wǎng)格層析迭代的基礎(chǔ)上，利用地質(zhì)信息對(duì)火成巖在平面上的展布進(jìn)行識(shí)別，加入測(cè)井約束，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。圖4為利用多信息約束網(wǎng)格層析反演迭代出的高頻速度更新量和地震剖面疊合圖，在二疊系火成巖區(qū)域(紅色框內(nèi))，能較好刻畫(huà)出火成巖的橫向速度變化。利用反演求得的高精度速度模型進(jìn)行疊前深度偏移成像。圖5(a)為常規(guī)網(wǎng)格層析反演后的偏移剖面，圖5(b)為多信息網(wǎng)格層析約束后的偏移剖面。隨著火成巖影響的進(jìn)一步消除，小尺度的弱串珠進(jìn)一步突顯出來(lái)(綠色圈內(nèi))。圖6所示為圖5成像剖面上黃色線處的偏移成像道集對(duì)比，圖6(b)的黃色框內(nèi)能明顯看到弱的遠(yuǎn)偏移距信息和串珠狀反射特征。

圖4 約束網(wǎng)格層析反演后速度更新量Fig.4 Updated velocity after constrained grid tomography inversion

圖6 約束網(wǎng)格層析反演前后偏移道集對(duì)比Fig.6 Comparison of migration gathers before and after constrained grid tomography inversion

3.4 偏移成像對(duì)比

圖7(a)為基于常規(guī)網(wǎng)格層析反演的疊前深度偏移成像剖面，圖7(b)為基于變尺度多信息約束的網(wǎng)格層析反演的疊前深度偏移成像剖面?；诙嘈畔⒓s束的網(wǎng)格層析反演的深度偏移有著諸多優(yōu)勢(shì)：構(gòu)造特征更簡(jiǎn)單合理，符合地層沉積規(guī)律；波組特征更加清晰，同相軸更連續(xù)，地層連續(xù)可追蹤；消除了由于上覆火成巖引起的繼承性假構(gòu)造(箭頭處)；奧陶系縫洞成像和內(nèi)幕小斷裂更加清晰(黃色圈內(nèi))。

圖7 常規(guī)層析反演偏移與變尺度多信息約束層析反演偏移對(duì)比剖面Fig.7 Migration contrast sections of conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

3.5 綜合屬性對(duì)比

對(duì)圖7中的偏移剖面沿二疊系提取水平切片，同時(shí)與地震速度疊合，得到圖8。圖8(a)為常規(guī)層析反演水平切片，圖8(b)為變尺度多信息約束層析反演水平切片，圖8(b)中火成巖(紅色圈內(nèi))的高頻速度可以反演出來(lái)。

為進(jìn)一步分析兩種速度建模后的偏移成像效果，對(duì)圖7中的偏移剖面沿T74提取相干屬性。相干屬性是一種對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行不連續(xù)檢測(cè)并提取振幅的方法，在相干切片上能直接反應(yīng)構(gòu)造和斷層的分布情況。圖9(a)為利用常規(guī)層析反演偏移數(shù)據(jù)提取的相干切片，圖9(b)為基于變尺度多信息約束層析反演偏移數(shù)據(jù)體提取的相干切片，黑色的線為提取出的斷裂和不連續(xù)構(gòu)造。圖9(a)中紅色框內(nèi)為上覆火成巖對(duì)下伏地層繼承性的影響，圖9(b)中火成巖的影響明顯消除了很多，并且圖9(b)在斷裂的刻畫(huà)方面更清晰。

圖8 常規(guī)層析反演與變尺度多信息約束層析反演二疊系水平切片對(duì)比Fig.8 Comparison of Permian horizontal slices between conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

圖9 常規(guī)層析反演偏移與變尺度多信息約束偏移相干切片對(duì)比Fig.9 Coherent slices comparison between conventional tomographic inversion and variable-scale multi-information-constrained tomographic inversion

3.6 井旁速度對(duì)比

圖10 過(guò)井處測(cè)井曲線與常規(guī)網(wǎng)格層析反演速度曲線、約束網(wǎng)格層析反演速度曲線對(duì)比Fig.10 Comparisons of logging curves at crosshole with conventional grid tomography inversion velocity curves and constrained grid tomography inversion velocity curves

基于不同速度建模方法得到的速度模型，分別抽取工區(qū)內(nèi)一口井處的速度模型道與實(shí)際測(cè)井速度值進(jìn)行對(duì)比。圖10中黑色線為實(shí)際測(cè)井速度，藍(lán)色線為常規(guī)反演的井旁速度，枚紅色虛線為運(yùn)用約束反演后的井旁速度。結(jié)果表明利用變尺度網(wǎng)格層析和多信息約束的網(wǎng)格層析相結(jié)合的方式進(jìn)行速度反演，得到的速度模型比常規(guī)反演得到的速度模型更趨近于實(shí)測(cè)井速度。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)特殊巖體的約束目標(biāo)反演方法是一種針對(duì)性的特殊手段，對(duì)于刻畫(huà)特殊地質(zhì)體的速度有較好的效果，是在常規(guī)層析反演迭代的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，前提要保證一個(gè)準(zhǔn)確穩(wěn)定的背景速度場(chǎng)。

(2)相比較常規(guī)的層析反演，利用變尺度網(wǎng)格層析和多信息約束網(wǎng)格層析結(jié)合能精細(xì)反演出高頻的速度成分。從地震剖面和屬性切片的綜合對(duì)比表明，對(duì)塔河地區(qū)巖下成像有一定效果，并且對(duì)火成巖下伏地層構(gòu)造和奧陶系內(nèi)幕成像都有較大改善，比較好地消除了假構(gòu)造，提升了資料品質(zhì)，為精細(xì)構(gòu)造解釋提供便利。

(3)方法的運(yùn)用需結(jié)合不同地質(zhì)目標(biāo)特征以及測(cè)井曲線進(jìn)行曲線、剖面、平面屬性等多方面的嚴(yán)格質(zhì)控。