大規(guī)模氣云區(qū)成因分析
——以渤海灣A油田為例

明 君 鄒 振 夏同星 曹 盛 劉 壘

(①中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452； ②東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，河北涿州 072751)

0 引言

地層中由于天然氣的聚集和活動(dòng)，縱波地震剖面上出現(xiàn)成像模糊帶，通常稱為“氣云區(qū)”。受郯廬斷裂帶影響，渤海灣油田存在多個(gè)氣云區(qū)，其中以A油田氣云區(qū)規(guī)模最大，面積約為18km2。氣云區(qū)內(nèi)地震資料品質(zhì)差，給構(gòu)造解釋和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)造成困難。研究區(qū)先后采集常規(guī)三維拖纜地震、二維與三維海底電纜(OBC)轉(zhuǎn)換波地震及二維高分辨工程地震數(shù)據(jù)。眾所周知，橫波傳播不受流體影響，利用轉(zhuǎn)換波對(duì)氣云區(qū)成像在全球多個(gè)油田獲得成功[1-4]。可能由于A油田氣云區(qū)規(guī)模大以及受到采集條件限制，與二維四分量地震相比，三維四分量地震資料在氣云區(qū)成像未獲得理想結(jié)果[5]。因此，開展大規(guī)模氣云區(qū)成因分析對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)有地震資料重處理及新數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)均具有重要價(jià)值。

學(xué)術(shù)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為，由于烴類氣體賦存于地層之中，地震能量被氣體吸收，地震剖面出現(xiàn)弱相干、弱振幅和雜亂反射的模糊帶?；谠撜J(rèn)識(shí)，通常采用疊前吸收衰減補(bǔ)償[6]或者Q補(bǔ)償疊前深度偏移技術(shù)[7-8]解決氣云區(qū)成像問題。由于在實(shí)際操作中很難通過地震資料準(zhǔn)確估算Q值，Q補(bǔ)償技術(shù)在大規(guī)模氣云區(qū)成像效果并不盡如人意。近年來部分學(xué)者認(rèn)為地震波穿過淺層氣發(fā)生散射、多次振蕩、模式轉(zhuǎn)換以及黏彈性損失，其中，地震波散射效應(yīng)引起的反射波場(chǎng)畸變可能是造成氣云模糊區(qū)的主因[9-14]。模型研究表明，近地表非均勻介質(zhì)層的厚度、速度擾動(dòng)的幅度以及非均勻體的尺度等對(duì)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量和成像品質(zhì)有明顯的影響[15]。

本文首先通過分析氣云區(qū)資料逐步確立大規(guī)模氣云區(qū)成因；再根據(jù)實(shí)際地層特征建立多個(gè)氣云模型并進(jìn)行正演模擬和數(shù)據(jù)處理，為氣云區(qū)實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理以及即將開展的新一輪地震數(shù)據(jù)采集提供理論依據(jù)。

1 氣云區(qū)成因分析

1.1 氣云區(qū)資料分析

渤海灣A油田水深約50m，首先拾取三維拖纜地震數(shù)據(jù)海底反射，提取海底反射以下50ms沿層相干屬性(圖1a)，相干屬性刻畫的管狀通道邊界(圖1a中多邊形所示)與氣云影響區(qū)范圍基本一致。氣云區(qū)縱向(北東方向) 長度可達(dá)6km、橫向?qū)挾?km，面積約18km2。圖1b展示了過氣云區(qū)三維拖纜地震數(shù)據(jù)疊前時(shí)間偏移剖面(圖1a中Line1所示)，方框代表氣云模糊區(qū)范圍，整體表現(xiàn)為低頻、弱振幅、空白反射特征。氣云模糊區(qū)內(nèi)難以分辨構(gòu)造形態(tài)及斷層分布，地質(zhì)解釋難度大。由于三維常規(guī)地震氣云區(qū)成像差，2012年沿北西方向(近似垂直氣云區(qū)長軸方向)重新采集多條二維高分辨率工程地震，氣云區(qū)成像有一定改善。圖1c為二維高分辨率工程地震時(shí)間偏移剖面(圖1a中Line2所示)，氣云區(qū)淺部振幅呈現(xiàn)亮點(diǎn)特征，分析認(rèn)為淺層可能存在多個(gè)非均質(zhì)含氣地質(zhì)體(圖1c方框所示)，這與圖1a相干切片對(duì)應(yīng)。另外，高分辨率二維地震顯示氣云區(qū)內(nèi)發(fā)育多條直通海底的近直立斷層。

進(jìn)一步分析過氣云區(qū)不同位置單炮記錄特征(圖1d，疊前地震數(shù)據(jù)均已進(jìn)行吸收衰減補(bǔ)償)，地震采集方向由左至右，拖纜長度為4000m，氣云區(qū)左側(cè)單炮反射波呈現(xiàn)正常雙曲特征，過氣云區(qū)單炮中深層無有效反射信號(hào)，氣云區(qū)右側(cè)單炮記錄遠(yuǎn)炮檢距處出現(xiàn)來自左側(cè)氣云區(qū)淺層的散射波場(chǎng)。不同位置單炮特征進(jìn)一步展示了氣云區(qū)淺層非均質(zhì)地層的散射效應(yīng)。同時(shí)，圖1d對(duì)比了不同位置單炮初至到達(dá)時(shí)，與氣云區(qū)左側(cè)單炮正常初至(圖1d中綠線)相比，氣云區(qū)內(nèi)單炮全炮檢距初至均出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，這表明氣云區(qū)范圍內(nèi)淺層呈現(xiàn)低速特征，同時(shí)也表明氣云區(qū)長度要大于拖纜長度；而氣云區(qū)右側(cè)單炮僅遠(yuǎn)炮檢距初至到達(dá)時(shí)出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，表明非氣云區(qū)右側(cè)地層速度正常，遠(yuǎn)炮檢距初至遲滯是由于左側(cè)氣云區(qū)淺層低速所致。圖1e為該油田四口井VSP速度曲線，其中W8井位于氣云區(qū)，與其他井相比，該井VSP速度在深度50～600m呈現(xiàn)明顯低速異常(圖1e紅色曲線)，并且非均質(zhì)性強(qiáng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了氣云區(qū)淺層存在多個(gè)不規(guī)則低速體。地質(zhì)分析認(rèn)為，氣體沿?cái)鄬右绯鲋翜\層，充填于近海底欠壓實(shí)地層，形成大面積含氣非均質(zhì)地質(zhì)體。

圖1 氣云區(qū)地球物理資料分析

1.2 二維氣云模擬與分析

通過分析工區(qū)現(xiàn)有的地震、測(cè)井與地質(zhì)解釋數(shù)據(jù)，認(rèn)為淺層非均質(zhì)地層對(duì)地震波的散射屏蔽效應(yīng)可能是造成氣云模糊區(qū)的重要原因。為半定量分析近海底非均質(zhì)體對(duì)地震波場(chǎng)與成像的影響，首先建立三個(gè)二維模型，如圖2所示。模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別對(duì)應(yīng)淺層無散射體、垂向總厚度為50m的淺層散射體及垂向總厚度為300m的淺層散射體。散射體單元長度為30～50m、厚度為30～50m，散射體速度為1600m/s，散射體總長度約5km。三個(gè)模型其他地層速度一致，參考地面地震速度與VSP速度設(shè)置。模型橫縱網(wǎng)格數(shù)為2014×401，邊長為10m。采用二維聲波方程進(jìn)行正演模擬，子波主頻為40Hz，單邊接收，炮點(diǎn)距為100m，最大炮檢距為4000m，記錄長度為4s，時(shí)間采樣間隔為2ms。

圖3為三個(gè)模型炮點(diǎn)位于水平坐標(biāo)10km處形成的波場(chǎng)快照，對(duì)比可見，當(dāng)淺層非均質(zhì)地層厚度為50m時(shí)(圖3b)，中深層地震反射波信噪比降低；當(dāng)非均質(zhì)地層厚度達(dá)到300m時(shí)(圖3c)，不考慮吸收衰減情況下，小尺度非均質(zhì)體產(chǎn)生大量強(qiáng)散射噪聲，有效信號(hào)難以識(shí)別。圖4為三個(gè)模型在水平位置10km處單炮照明，隨著淺層非均質(zhì)體厚度增加，下方地層反射波有效照明度降低。

采用理論速度模型對(duì)三個(gè)模型的正演數(shù)據(jù)進(jìn)行Kirchhoff疊前深度偏移、單程波方程疊前深度偏移和逆時(shí)偏移，結(jié)果如圖5～圖7所示。與淺層無散射體模型Kirchhoff疊前深度偏移剖面(圖5a)相比，模型Ⅲ偏移剖面(圖5c)氣云區(qū)下方地層同相軸能量明顯減弱，呈現(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)相似的氣云模糊區(qū)。采用單程波方程疊前深度偏移與逆時(shí)偏移算法，模型Ⅲ偏移剖面氣云區(qū)下方地層能量得到顯著恢復(fù)(圖6c和圖7c)。圖8對(duì)比了三個(gè)模型不同方法偏移的基底(圖5a箭頭所示)沿層振幅屬性，隨著淺層散射體個(gè)數(shù)增加，散射體下伏基底地層振幅能量降低。與Kirchhoff深度偏移相比，單程波方程與逆時(shí)偏移能夠基本恢復(fù)基底振幅能量。

圖2 二維淺層氣速度模型

圖3 二維淺層氣模型1.6s波場(chǎng)快照

圖4 二維淺層氣模型照明對(duì)比

圖5 二維淺層氣模型Kirchhoff疊前深度偏移剖面

圖6 二維淺層氣模型單程波方程疊前深度偏移剖面

圖7 二維淺層氣模型逆時(shí)偏移剖面

圖8 二維氣云模型不同疊前深度偏移方法沿層振幅屬性曲線對(duì)比

波動(dòng)方程疊前深度偏移算法考慮射線多路徑，能夠使散射波等復(fù)雜波場(chǎng)成像。與傳統(tǒng)考慮單值走時(shí)的積分類疊前深度偏移相比，波動(dòng)方程類偏移方法在氣云區(qū)成像更具優(yōu)勢(shì)。另外，由于實(shí)際數(shù)據(jù)與模型構(gòu)造不是特別復(fù)雜，單程波方程與逆時(shí)偏移均能恢復(fù)散射波成像，而前者計(jì)算效率更高，因此實(shí)際數(shù)據(jù)處理采用單程波方程深度偏移算法。

圖9為模型Ⅲ淺層散射體左側(cè)、散射體附近與散射體右側(cè)模擬單炮，地震波場(chǎng)響應(yīng)以及初至特征均與A油田氣云區(qū)實(shí)際單炮特征(圖1d)一致，表明制作的淺層氣模型能夠基本反映氣云區(qū)地震波傳播機(jī)理，即淺層非均質(zhì)地層引起地震波多次散射并造成反射波能量衰減，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中疊前時(shí)間偏移和Kirchhoff疊前深度偏移氣云區(qū)成像困難。

為了考察淺層低速體對(duì)疊前深度偏移影響，采用不含淺層低速體的速度模型(圖2a)對(duì)模型Ⅲ數(shù)據(jù)進(jìn)行單程波方程疊前深度偏移，偏移剖面如圖10所示。與基于含淺層低速體速度偏移結(jié)果(圖6c)相比，不考慮淺層氣云區(qū)低速體，成像效果變差，并出現(xiàn)同相軸下拉現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明淺層非均質(zhì)地層速度對(duì)于氣云區(qū)成像至關(guān)重要。

圖9 模型Ⅲ不同位置單炮特征對(duì)比

圖10 二維氣云模型Ⅲ淺層散射層速度常速

1.3 三維氣云模擬與分析

在二維模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際地震速度場(chǎng)以及VSP速度，制作了A油田三維淺層氣模型(圖11)。淺層散射體空間分布由實(shí)際地震雕刻體獲得，散射體整體縱向長6km，橫向?qū)?km。三維速度模型沿y、x和z方向劃分成2414×1320×401個(gè)網(wǎng)格，y和z方向網(wǎng)格間隔為10m，x方向間隔20m。正演模擬采用高階有限差分聲波方程，子波主頻為20Hz。正演采集參數(shù)與實(shí)際三維拖纜基本一致，炮線距為400m，炮點(diǎn)距為100m，七纜單邊接收，最大纜長為4000m，纜間距為100m，道間距為10m。

首先采用圖11中采集方案A，即采集方向沿著氣云區(qū)長軸方向，模擬實(shí)際三維拖纜地震采集。分別對(duì)模擬數(shù)據(jù)開展基于理論速度的逆時(shí)偏移成像，偏移孔徑為y方向4000m、x方向2000m。圖12b、圖12e分別為采集方案A模擬數(shù)據(jù)逆時(shí)偏移2000m深度切片與過氣云區(qū)剖面(圖12c中CC′線代表剖面位置)，氣云區(qū)成像效果較差。為了驗(yàn)證x方向地震信息更有益于氣云區(qū)成像，采用圖11中采集方案B(垂直于淺層氣區(qū)長軸方向)完成氣云區(qū)正演模擬，其他采集參數(shù)與方案A一致。偏移孔徑x方向?yàn)?000m、y方向?yàn)?000m，逆時(shí)偏移成像深度2000m切片與剖面如圖12c、圖12f所示。與采集方案A相比，沿垂直于淺層氣區(qū)長軸方向采集數(shù)據(jù)能顯著改善氣云區(qū)成像。

圖11 三維氣云模型立體顯示與采集方案示意圖

圖12 三維氣云模型及不同采集方案成像對(duì)比

通過仔細(xì)對(duì)比地震速度與解釋層位，發(fā)現(xiàn)氣云區(qū)近西北方向發(fā)育規(guī)模較大的洼陷(圖13)。沿近西北方向(圖12中B方案)采集的二維高分辨工程地震以及二維OBC數(shù)據(jù)，在氣云區(qū)成像方面均獲得了優(yōu)于平行于氣云長軸方向(圖12中A方案)采集的三維拖纜地震與三維OBC地震。實(shí)際數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)均表明，洼陷構(gòu)造對(duì)氣云區(qū)成像構(gòu)成顯著影響。因此，即將開展的新一輪三維OBC地震采集將沿近西北方向采集，即垂直于淺層氣區(qū)長軸方向。

圖13 A油田基底三維立體顯示

2 大規(guī)模氣云區(qū)成像

氣云區(qū)成因分析表明，氣云區(qū)近海底非均質(zhì)地層產(chǎn)生大量強(qiáng)散射噪聲，使下方地層有效反射信號(hào)畸變。因此，恢復(fù)下方地層成像需要獲得較為準(zhǔn)確的淺層速度并采用能夠使復(fù)雜波場(chǎng)歸位的波動(dòng)方程類偏移方法。

由于淺層反射多為近炮檢距數(shù)據(jù)，射線密度不足，反射波層析反演淺層速度存在較大的不確定性。而回轉(zhuǎn)波地震記錄上總是以初至波的形式出現(xiàn)，易于拾取，射線密度能夠滿足反演需求，利用回轉(zhuǎn)波初至信息能夠較為準(zhǔn)確地反演淺層速度模型[16]。圖14a、圖14b分別為反射波網(wǎng)格層析與回轉(zhuǎn)波層析獲得的300m處的深度速度切片，回轉(zhuǎn)波層析反演速度在氣云區(qū)呈現(xiàn)低速異常，低速異常區(qū)與氣云影響區(qū)分布一致。圖14c為回轉(zhuǎn)波層析速度、反射波層析速度與W8井VSP速度疊合圖，回轉(zhuǎn)波反演速度與VSP速度低頻趨勢(shì)更吻合。實(shí)際處理中采用回轉(zhuǎn)波層析和反射波層析技術(shù)相結(jié)合的建模方法[17-20]：先利用回轉(zhuǎn)波層析反演建立淺層(0～800m)速度模型，并將該模型作為反射波層析初始模型進(jìn)一步更新中深層速度。

圖15a、圖15b分別為采用反射波層析速度、淺層回轉(zhuǎn)波層析+中深層反射波層析速度的單程波方程疊前深度偏移剖面，準(zhǔn)確的淺層速度能夠明顯改善氣云區(qū)成像質(zhì)量(圖15b方框所示)。圖15c為淺層回轉(zhuǎn)波層析+中深層反射波層析速度Kirchhoff疊前深度偏移成像剖面，與圖15b單程波方程偏移剖面比較，非氣云區(qū)二者成像質(zhì)量基本相當(dāng)，Kirchhoff偏移分辨率略高；而氣云區(qū)成像質(zhì)量單程波方程優(yōu)于積分法疊前深度偏移，這與模型分析一致。

圖14 深度300m射線層析速度切片與W8井速度對(duì)比

圖15 氣云區(qū)疊前深度偏移成像對(duì)比

(a)反射波層析速度單程波方程疊前深度偏移； (b)淺層回轉(zhuǎn)波層析+中深層反射波層析速度單程波方程疊前深度偏移； (c)淺層回轉(zhuǎn)波層析+中深層反射波層析速度Kirchhoff疊前深度偏移

3 結(jié)論與討論

針對(duì)渤海灣A油田氣云區(qū)范圍大、縱波地震難以成像等問題，本文開展了大規(guī)模氣云區(qū)成因分析。通過二維、三維正演模擬，逐步確認(rèn)近海底大范圍淺層氣散射效應(yīng)是產(chǎn)生氣云模糊區(qū)的重要原因，垂直淺層氣長軸方向的洼陷構(gòu)造進(jìn)一步增加了現(xiàn)有三維地震數(shù)據(jù)(平行于淺層氣長軸方向采集)成像困難。模型與實(shí)際數(shù)據(jù)均表明淺層非均質(zhì)層速度模型構(gòu)建與波動(dòng)方程類疊前深度偏移技術(shù)能夠顯著降低氣云區(qū)影響。另外，由于中深層存在洼陷構(gòu)造，實(shí)際地震采集方向也影響氣云區(qū)成像。寬方位采集、新采集數(shù)據(jù)與老數(shù)據(jù)融合處理等增加照明措施理論上能夠改善大規(guī)模氣云區(qū)成像。

由于回轉(zhuǎn)波與反射波射線層析方法均基于高頻近似，淺層小尺度非均質(zhì)體速度反演精度尚不能滿足氣云區(qū)成像要求。下一步擬開展全波形反演[21]以及Q建場(chǎng)研究，以期獲得更準(zhǔn)確的氣云區(qū)速度與Q場(chǎng)，進(jìn)一步改善氣云區(qū)縱波成像質(zhì)量。