渤海海域新生界火山巖發育區地震資料處理關鍵技術*

周東紅

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

勘探實踐表明，渤海海域新生代火山巖對油氣的生成和運移、構造圈閉的形成和改造、有利儲層分布等方面均有重要影響，與新生代火山巖相關的油氣藏正逐漸成為該地區油氣勘探與開發的重要目標。據統計，截至2017年底，渤海海域所發現的與新生界火山巖相關的油氣藏石油地質儲量近1億噸，剩余石油潛在資源量超過4億噸。

渤海海域新生代火山巖以中基性為主，具有熔漿黏度低、噴發期次多、巖性多樣、相帶變化快[1]、火山機構中心不明顯等特點。作為一種非正常沉積的特殊巖性，火山巖與圍巖之間存在較大的阻抗差異，使得火山巖對地震波具有強烈的屏蔽作用，同時由于火山巖在成巖過程中有氣孔存在,在屏蔽地震波下傳的同時還會嚴重吸收衰減地震波高頻能量。另外，火山巖體形狀不規則及空間分布的不均勻性會造成地震能量散射嚴重，能量衰減更加劇烈，使得火山巖下伏地層的地震反射信號弱，進而導致火山巖發育區地震資料品質較差，處理難度大[2]。

關于火山巖相關地震采集、處理與解釋，國內外學者開展了大量的研究工作。裴正林 等[3]利用Zoeppritz方程模擬了火成巖高速層的彈性波傳播規律，提出了采用廣角反射和利用高速層內局部轉換廣角反射波消除火成巖高速層的屏蔽作用；邱燕 等[4]針對勝利油田尚店北地區火山巖地震勘探層間和下伏地層的地震資料為弱反射或空白問題,在三維采集觀測系統設計、激發、接收等環節上采取了諸多有針對性的措施，取得了明顯效果；郭樹祥[5]以勝利油田濟陽拗陷探區火山巖為例，通過正演模型模擬火山巖發育區地震波場的頻散以及低通濾波效應等特性，闡述了針對火山巖發育區地震資料的處理技術；王淑玲[6]以陽信洼陷火山巖為例，利用正演模擬技術改善火山巖下目標層成像，提出了改善下伏地層能量弱的處理措施，加強優勢頻段以改善地震資料品質。本文在借鑒類似火山巖發育區地震勘探關鍵技術的基礎上，結合渤海海域火山巖自身特點，從火山巖下伏地震波能量屏蔽量化分析及能量補償、層間多次波衰減、三維速度場背景下的小尺度異常體精細建模等方面開展研究，形成了渤海海域新生代火山巖發育區地震資料處理關鍵技術，并在渤中34-9油田實際勘探開發過程中取得了較好的應用效果。

1 新生界火山巖發育區概況

截至2018年底，渤海海域共有超過40口探井鉆遇不同厚度的新生界火山巖，主要分布在渤海海域西部地區的沙壘田凸起及圍區，以及南部地區的萊北低凸起及圍區和萊州灣凹陷東北洼，代表構造分別有曹妃甸1、海1、渤中34-9和墾利6等。據初步估計，渤海海域新生界火山巖發育及影響區面積約5 000 km2。巖心統計結果表明，渤海海域新生界火山巖以玄武巖為主(約占72%)，凝灰巖次之(約占25.6%)，其次是少量的安山巖、火山角礫巖及輝綠巖；主要巖相包括火山通道相、爆發相、溢流相、火山沉積相和侵入相；以中基性為主，具有熔巖黏度低、噴發期次多、縱橫向變化快等特點。鉆井揭示，渤海海域新生界火山巖以呈薄(互)層為主，火山機構中心不明顯，火山巖發育區地震資料品質較低。

2 地震資料處理難點

火山巖體覆蓋在沉積地層上，或充填在沉積地層中。由于火山巖體固有的高速度和高密度、形態不規則、速度空間變化大等特性，造成地震波在火山巖地層中的傳播過程變得異常復雜，地震精確成像難度大，地震資料品質較差(圖1)。火山巖發育區地震資料處理難點具體表現在以下幾個方面：

1) 受火山巖屏蔽和吸收的影響，地震波透射下傳能量衰減嚴重，造成火山巖體下伏地層有效反射識別難度大，影響了火山巖下伏地層的成像質量，因此火山巖下伏反射能量恢復與增強技術的研究顯得尤為重要。

2) 火山巖具有的高速度和高密度特征使得與外圍沉積地層形成強的反(散)射面，與海水面及海底面形成較強的多次波，火山巖體上下頂底之間也會形成較強的層間多次波，因此火山巖發育區層間多次波衰減難度大。

3) 火山通道尺度小(據估計65個地震可識別的火山通道的最大半徑為350～700 m)，不同巖性和巖相在空間上變化較快，其速度變化較為劇烈，而常規的速度分析未考慮火山巖地層的速度變化強烈等因素，勢必造成分析速度與真實速度之間有較大誤差，從而影響反射波歸位精度，因此火山巖小尺度異常體高精度速度建模難度大。

圖1 渤海海域新生代火山巖發育區典型地震剖面

3 地震資料處理關鍵技術

針對上述難點問題，研究了基于廣義S變換的時頻空間域能量補償、層間多次波衰減、小尺度異常體三維速度場精細建模等3項關鍵技術，同時輔助基于DWD的淺水多次波壓制技術、角度域共成像點道集層析成像技術等其它配套處理技術，形成了渤海海域新生界火山巖發育區地震資料處理流程(圖2)，保障了火山巖發育區的最終成像質量。

3.1 基于廣義S變換的時頻空間域能量補償方法

能量補償是地震資料處理的必須環節。常規振幅補償技術一般采用球面擴散補償和地表一致性振幅補償技術，主要解決地震波傳播過程中隨傳播時間的衰減及激發能量等差異造成的近地表影響，但對于氣云、火山巖等特殊地質體造成的能量衰減不能有效補償。近年來特殊地質體造成的振幅衰減逐漸引起專家學者的關注，如張志軍 等[7]提出了一種基于數據驅動的“氣云”區地震補償方法，通過對不同時間、不同頻率、不同炮點和不同檢波點的反射波振幅進行統計,進而求得對應的補償因子，實現了氣云區地震資料的補償處理；王小杰 等[8]開展了基于小波分頻技術的地層Q值補償方法研究，有效補償了不同目的層地震數據的頻率損失。但是，這些方法大多是針對氣云或地層等造成的吸收衰減問題，對于火山巖造成的能量屏蔽問題研究較少。因此，研發了基于廣義S變換的時頻空間域能量補償方法，對火山巖下伏地層反射能量進行補償處理。

圖2 渤海海域新生代火山巖發育區地震資料處理流程

為了提高振幅補償的針對性和精確性，該方法引入了井的信息作為參考。井的合成地震記錄制作是一個數學過程，不考慮地層吸收和屏蔽效應，因此可以將其作為理想狀態下火山巖與下伏地層振幅值的參考。此外，考慮到火山巖屏蔽對不同頻段地震波屏蔽程度的差異，通過分頻的方式，在時頻域完成振幅補償處理。

廣義S變換分頻函數能夠方便有效地將地震資料分為若干個頻段，具有較高的時頻分辨率，能夠有效避免頻帶間的頻率泄漏[9]。同時，廣義S變換的無損可逆性質能夠保證較高的重構精度，滿足實際地震數據處理的要求。因此，選取了如式(1)所示的廣義S變換作為分頻函數。

式(1)中：x(t)為輸入的地震數據，Gaussian窗的位置由τ控制；f表示頻率；p和λ為控制Gaussian窗函數的2個參數，且λ>0，p>0。

該方法的實現步驟為：①采用不同主頻的子波，針對目的層段分別制作不同頻段地震資料的合成地震記錄(合成地震記錄的子波頻段與分頻段的地震資料一致)，并采用同一時深關系分別完成井震標定；②在同樣的時窗長度下，分析不同頻段地震資料與合成記錄中下伏地層反射絕對值振幅的比值，并選擇比值接近于1的頻段作為參考頻段，將該頻段上覆火山巖與下伏地層振幅比值作為后續地震資料振幅補償的參考值；③基于廣義S變換正變換將地震資料在時頻域分解成不同的頻率子集，完成不同頻率下火山巖地層對下伏地層合成地震記錄的絕對振幅分析，并計算火山巖振幅與下伏地層振幅比值；④以步驟①得到的振幅補償參考值為依據，根據不同頻段實際資料的振幅比，對不同頻段的地震數據進行加權振幅補償，使每一頻段內火山巖地層與下伏地層振幅比的比值基本達到一致；⑤采用廣義S變換逆變換將時頻域數據轉換到時間空間域，完成時頻域分頻振幅補償。

圖3為渤中34-9油田A測線經能量補償處理前、后的偏移剖面效果對比。很顯然，在經火山巖發育區振幅補償后的剖面上，反射波振幅橫向一致性好，反射波能量得到很好的恢復，火山巖下伏地層的反射波同相軸更加清晰(如圖中綠色虛線所示)，信噪比也有一定程度的提高。

圖3 渤中34-9油田火山巖發育區能量補償處理前后的偏移剖面效果對比

為定量化分析補償效果，對該油田內7口驗證井振幅補償前后與合成地震記錄進行了分析。如圖4所示，深藍色線為振幅補償前火山巖地層與下伏地層振幅比，紅色線為補償后火山巖地層與下伏地層振幅比，可見振幅補償后合成記錄中火山巖地層與下伏地層振幅比值基本一致，吻合度達到90%以上，補償效果明顯。

圖4 渤中34-9油田火山巖發育區驗證井處振幅補償前后效果對比

3.2 基于反演的界面相關層間多次波衰減技術

強反射界面是多次波產生的根源，理論上強反射界面越多，層間多次波越發育，其對下伏地層影響越嚴重。勘探實踐證明，火山巖發育區不同期次火山巖之間常常被速度較低的凝灰巖或泥巖分隔，因此火山巖發育區地層存在多層強反射界面，其振幅除了受到火山巖屏蔽影響外，火山巖層間多次波影響較為嚴重。為了研究火山巖層間多次波對下伏地的影響，采用正演模擬方法對多次波的影響進行量化分析，在此基礎上再采用基于反演的層間多次波衰減技術對多次波進行壓制。

3.2.1層間多次波對下伏地層的影響分析

以反映渤中34-9油田的地下實際地質情況實測井曲線為依據，建立不含火山巖的3層模型(圖5)，模型參數見表1；以無火山巖速度模型為基礎，在2 300～2 600 m的深度范圍內將厚度110 m、速度4 400 m/s 的火山巖均勻分為 2、3、4、5層，建立4個含火山巖的分層結構模型，其中含兩層火山巖的多層模型如圖6所示，模型參數見表2。

圖5 不含火山巖的3層模型

地層層厚/m縱波速度/(m·s-1)密度/(g·cm-3)1300028502.10210032002.303100028802.13

圖6 含兩層火山巖的多層模型

地層層厚/m縱波速度/(m·s-1)密度/(g·cm-3)1230026402.0525544002.60319028502.1045544002.60540028502.10610032002.307100028802.13

反射率法是實現層狀半空間介質中全波場模擬的有效方法，可以在頻率-慢度域直接求解完全彈性波動方程，模擬出的波場包含各種波的傳播效應：反射、透射、波形轉換、多次波等[10]。為此，首先利用反射率法對具有不同火山巖分層結構的模型進行正演，然后在考慮層間多次波的情況下，分析火山巖關鍵地質變量對儲層地震響應的影響。

由于模型中只在3 000 m深度處存在一個參考目的層(砂層)，且不同模型正演記錄反射特征較為相似，僅在多次波發育程度上存在差異，因此，為了精細分析多次波的影響，僅對含兩層火山巖的模型正演記錄(圖7)進行分析。圖8為正演記錄中層間多次波局部放大，可以看出，在1 570 ms處波峰為火山巖頂面反射，在1 750 ms處波峰為砂巖頂面反射，在1 570～1 750 ms之間存在多個水平反射層為層間多次波。

圖7 含兩層火山巖模型正演記錄

圖8 圖7紅框所示的局部放大

為了對層間多次波的影響進行定量分析，將不同分層模式下正演的單炮記錄中砂巖反射振幅與不含火山巖情況下的砂巖反射振幅進行對比，發現層間多次波的存在影響一次反射波振幅隨偏移距的變化規律，且隨著火山巖層數的增多，AVO變化規律愈加混亂(圖9)。

圖9 不同分層火山巖情況下砂巖振幅比值曲線

圖10為多次波壓制前采用17 Hz雷克子波制作的A井合成地震記錄與實際資料的標定情況，可以看出，在2 283、2 347、2 458、2 527、2 614、2 732 m深度處分別發育6套速度為4 930、5 174、5 850、4 921、4 476、5 760 m/s的高速火山巖，但在2 347 m深度處地震資料表現為弱反射特征，且在2 750 m及更深地層雖然波形具有一定的相似性，但振幅反射特征方面的井震吻合度較低。分析認為，這主要是因為該段地層中發育的多期火山巖產生的層間多次波影響了下伏地層的反射振幅，多次波與下伏地層的一次反射相互調諧，改變了地震資料的波組特征，因此如何壓制火山巖層間多次波是提高火山巖發育區地震資料品質的關鍵。

3.2.2基于反演的界面相關層間多次波衰減技術

目前多次波壓制技術可以分為兩大類：第一類是分析多次波與一次波之間特征差異的濾波法，最常用的方法為預測反褶積，拉東變換等。其中，預測反褶積方法能夠壓制鳴震等淺水多次波，但不能壓制長程多次波及層間多次波；拉東變換可在拉東域對反射波與多次波進行區分，從而去除多次波，但在反變換的過程中容易使遠偏移距反射波信號失真，使地震資料的分辨率降低。第二類是依據多次波具有可預測性的預測減去法，如波場外推法、反饋迭代法、逆散射級數法等，這些方法都需要預測多次波模型[11]。對于復雜的地質構造，淺水多次波與層間多次波混雜在一起，波場信息較為復雜，多次波預測精度很難得到保證，且在火山巖發育區，由于火山巖為強反射界面，層間多次波異常發育，這是影響火山機構及下伏地層成像的主要原因，而常規SRME技術無法對這種層間多次波進行有效壓制[12]。為此，提出了采用基于反演的界面相關層間多次波預測方法[13-14]與擴展多道匹配濾波方法相結合的方法來預測和壓制多次波，模型試驗及實際資料處理結果表明該方法在有效地壓制多次波的同時較好地保護了一次反射波。

圖10 渤中34-9油田A井多次波壓制前井震標定對比

(2)

從而因子T(n-1)可以通過以下公式估算：

(3)

在每一次迭代中，通過更新當前的模型(波場)來優化目標函數，期望的更新方向應當與下一水平的目標函數(等值線)正交，從而有效提高收斂效率。UMAI方法完全由地震數據進行驅動，將表面因子及子波等信息隱式地考慮在多次波建模過程中，不需要預先估計反射系數及子波等參數，從而可以同時在運動學和動力學上提高多次波建模精度，顯著減少多次波自適應相減步驟中的非線性問題。

圖11為利用UMAI技術對渤中34-9油田炮集資料進行多次波壓制的效果分析，可以看出，由于受水層多次波和火山巖層間多次波的影響，該油田采集地震資料中多次波異常發育，采用UMAI技術對火山巖層間多次波的壓制效果十分明顯。

圖11 利用UMAI技術對渤中34-9油田進行多次波壓制的效果分析

圖12為多次波壓制后A井合成地震記錄與實際資料的標定情況，可以看出，相對于多次波壓制前，在2 424 m深度處的火山巖地震資料由壓制前的弱反射變為強反射，且2 750 m及更深地層無論是波形還是振幅特征方面的井震吻合度均顯著提高，相關系數由多次波壓制前的0.67提高到0.92。

由此可見，UMAI方法是在炮域數據進行多次波壓制，因此可以通過并行計算技術極大提高工作效率，該方法將多次波衰減作為一個迭代最優化問題考慮，對于火山巖發育區的層間多次波可以進行有效的衰減，保證了強振幅層狀火山巖下伏地層弱反射信號的精準成像。

圖12 渤中34-9油田A井多次波壓制后井震標定對比

3.3 基于層位約束的不規則網格層析方法

火山巖發育區構造復雜，斷裂發育，地震資料受采集排列長度、多次波干擾等因素的影響，給速度分析帶來很多不確定因素，有時很難獲得精確的疊前時間偏移速度場，從而造成地震反射波難以精確成像。近幾年，網格層析速度建模方法已受到學者的廣泛關注[15-16]，該方法實現了小尺度范圍內層速度場信息的更新，適用于高陡傾角及特殊地質體精確層速度求取。然而，常規網格層析方法是利用規則矩形網格對地下構造進行剖分，用離散的網格點代替地下連續的介質[17]，雖然實現了小尺度范圍速度修正迭代，但沒有充分考慮地層的分布規律，尤其是地下復雜構造的地層分布，從而降低了層速度模型反演的精度和效率(圖13a)。

圖13 均勻網格與不規則網格層析速度反演示意圖

本文提出一種基于層位約束的網格層析速度建模方法，該方法充分利用層位信息控制網格分布，在對地下地層進行均勻網格剖分的同時，針對有層位及特殊地質體的地層進行網格剖分(圖13b)；在有反射層位的地層加密網格，從而實現真正小尺度的精細層速度修飾，如圖14所示。該方法以拾取道集剩余延遲量為自變量，層速度為目標函數，利用地層傾角、方位角、連續性等信息對剩余速度進行控制，即

δm=δt+γδt+βδt

(4)

式(4)中：δt為深度延遲時差；δm為網格層析結果；γ為敏感因子，控制拾取剩余延遲的大小，可以根據道集質量及偏移效果進行人為給定；β為平滑因子，控制網格層析的平滑參數(由于網格層析需要對網格矩陣進行求解，不可避免會產生局部極值的現象，通過平滑因子的平滑作用可以對局部極值進行有效修正)。

圖14 層位約束不規則網格層析網格分布

與初始速度模型(圖15a)明顯模型化的特征相比，基于層位約束的不規則網格層析法速度建模獲得的最終層速度剖面中，厚層火山巖(紅色箭頭所示位置)及火山通道相地層(藍色箭頭所示位置)的形態都得到了細致的刻畫，速度精度達到了較高的水準(圖15b)。經過對工區內5口驗證井數據的統計分析，本文方法模型速度與測井縱波速度吻合率達到85%以上，反演速度模型在井口處與測井縱波曲線有很高的相似性。

圖15 均勻網格與基于層位約束的不規則網格層析層速度對比

4 實際地震資料處理效果分析

渤中34-9油田位于黃河口凹陷東洼向萊北低凸起過渡的斜坡帶，主要目的層為明化鎮組、東營組和沙河街組。油田范圍內火山巖極為發育，主要分布在東一、二段，東三段和沙河街組也有零星分布[17]。圖16是渤中34-9油田火山巖分布特征圖，其中1 950 ms方差數據體切片大致反映了東二上段火山巖的平面分布范圍，形狀似啞鈴型，長軸方向為東西向，與基底大斷層的方向一致(圖16a)；受火山巖影響的南北向地震資料剖面顯示，火山巖在斜坡帶分布比較廣泛，為一套外形似丘狀雜亂或者板狀連續的強反射，受火山巖層遮擋，下部層位反射能量減弱，信噪比降低，以雜亂反射為主，局部見低頻弱連續同相軸，地震資料品質差，研究難度較大(圖16b)。

圖17為該油田區采用上述針對性技術與流程處理前后地震偏移成像剖面的效果對比。新處理方案中對多次波壓制、能量衰減補償以及速度精細建模等環節采用了針對性的技術手段，偏移剖面中地震資料同相軸更加精細，火山通道的形態和邊界更加清楚。在新處理的地震資料中，BZ34-9E-1井東側具有明顯的火山通道反射形態，并表現為低頻線性的特征，其頂面發育溢流相火山巖地層，而在采用新處理方案前的地震資料中，這種地質現象并不明顯。

圖16 渤中34-9油田火山巖分布特征

圖17 渤中34-9油田新老地震資料對比

為了進一步研究該油田區火山巖地層平面分布特征，對新、老資料1 900 ms處相干切片進行了對比研究(圖17c、d)，新資料相干切片中可以明顯看到火山通道圓形或橢圓形的平面形態，其邊界特征清晰。此外，斷層展布特征及交接關系在新資料相干切片中也更為清晰。因此，成像效果改善后地震資料為該油田區火山巖地層分布規律和發育模式研究提供了可靠的資料支持。

上述資料處理是在渤中34-9油田ODP階段完成的。基于新資料，對該油田OIP階段刻畫的14個火山通道大小進行了重新落實，其中9個通道面積發生了變化；相對于OIP階段，ODP階段落實的東三段含油面積累計增加0.97 km2，儲量增加約316×104t。因此，火山巖發育區地震資料處理關鍵技術的研發和應用為渤中34-9油田的開發提供了重要的資料基礎。

5 結論

1) 本文提出的基于廣義S變換的時頻空間域能量補償方法，通過引入已鉆井信息并在時頻域采用分頻的方式補償火山巖下伏地層的屏蔽損失，補償過程更加客觀，達到了量化補償的目的，為火山巖發育區地震數據能量補償提供了一種新思路。

2) 火山巖發育區層間多次波異常發育，嚴重影響目的層段儲層反射振幅，基于反演的層間多次波壓制技術通過多次迭代實現了火山巖層間多次波的準確預測，對于提高火山巖下伏地層的成像品質起到關鍵作用。

3) 本文提出的基于層位約束的不規則網格層析方法，實現了特殊地質體發育區融合地層層位信息對網格進行不規則的剖分，所獲得的高精度速度場為偏移成像效果提供了保證。

4) 實際地震資料處理結果表明，本文研發的火山巖發育區地震資料處理關鍵技術具有良好的處理效果，具有一定的工業應用價值。