馬頭營地區低幅度構造速度建模方法

王 鵬 王小衛 雍運動 劉 威 郄樹海

（中國石油勘探開發研究院西北分院，甘肅蘭州730020）

0 引言

低幅度構造是指構造相對平緩、閉合幅度只有10～20m左右的地質體。這類構造雖然規模不大，但是在有利的生儲蓋及油氣運移條件下可能形成“小而肥”的高產油 氣藏［1］。趙 子淵［2］早在1982年對三肇凹陷進行構造分析時利用“統計法”用疊加剖面繪制等高距構造圖，揭示出85個低幅度構造。爾后的二十幾年時間里，低幅度構造識別技術得到了越來越多學者的重視，在低幅度構造控油機制、識別技術以及油藏開發技術等方面都取得了很大的進步，特別是在對其進行識別和成圖方面，形成了一系列行之有效的技術方法。近年來，隨著物探技術和地質理論的進步，低幅度構造油氣藏的勘探開發取得了顯著效果［3-9］。而針對低幅度構造成像方面的研究相對較少：李立誠［10］闡述了近地表結構復雜條件下準確的長波長靜校正、振幅的準確歸位以及精細偏移對低幅度構造成像的重要性；吳琳等［11］分析了靜校正對低幅度構造資料處理的影響。

馬頭營凸起位于黃驊坳陷北部，館陶組廣泛發育曲流河—淺水三角洲相沉積地層［12-13］。地層埋深為1100～1500m，儲層主要為辮狀河道砂體。該區具有構造幅度低、儲層橫向變化快、成藏條件復雜等特點。吳吉忠等［14］對馬頭營凸起館陶組低幅度構造圈閉的識別技術進行了研究；趙玉新［15］對馬頭營凸起東部古生界潛山油藏的成藏條件進行了分析。

馬頭營地區地表復雜，近地表速度和厚度變化劇烈，只有準確反演出近地表的速度和結構，才能保證深層反射的精確成像。由于受該區沉積大斷層控制，低幅度構造建模與斷層密切相關［16］。因此淺層速度的準確性及斷層的構造解釋精度，是馬頭營地區深度域速度建模成敗、識別低幅度構造的關鍵。

為了提高馬頭營低幅度構造的成像精度，本文采用新的深度域綜合速度建模方案：首先基于地質層位解釋建立符合地質規律的沿層速度模型作為初始模型；其次采用回轉波層析（DWT）反演出精確的近地表速度場替換初始模型的淺層速度；再對中深層采用沿層反射波層析進行速度建模；在淺、中深層速度模型融合后，最后采用基于模型的高精度網格層析進行速度優化，從而建立精確的深度域速度模型。

1 層位解釋模型

速度建模技術現有兩種，一種是基于地質層位解釋的橫向建模方法，另一種是基于垂向速度分析的垂向建模方法。由于馬頭營地區構造復雜，橫向速度變化劇烈，顯然采用基于地質層位解釋的橫向建模方法會更合理。層位解釋是深度域沿層速度建模的基礎［17-18］，對地質規律認識越深刻，建立的模型就越準確。地層與構造解釋完成后，即可通過基于地質層位解釋的橫向建模方法進行目標線成像和層速度迭代。

首先優選有明顯波組特征的標志層，在疊前時間偏移剖面上開展300m×300m網格的層位解釋。由于斷層較發育，地層橫向變化較快，在標志層中再插入時間間隔200ms左右的連續性好的穩定層進行解釋，避免地層超覆、尖滅、削截等引起成像上的穿層現象。同時，保持層位與地層走向一致，層位的疏密與實際地質構造緊密相關，構造復雜時加密層位解釋。如圖1所示，在疊前時間偏移剖面1100～1900ms（對應的深度約為1300～2100m）之間應加密層位控制速度垂向變化，與層位加密解釋之前深度偏移成像結果（圖1a）相比，層位加密解釋之后偏移成像質量有了較大改善（圖1b方框所示）。

圖1 層位加密解釋前（a）、后（b）速度模型（上）和疊前深度剖面（下）

2 深度域速度建模

在疊前時間偏移剖面上完成層位解釋后，將疊前時間偏移的均方根速度場轉換為層速度，得到時間域初始層速度，再與層位解釋模型結合起來轉換至深度域，得到初始的速度—深度模型。根據工區地質情況，本文通過深度域綜合速度建模方法進行速度建模，得到最終的速度模型，具體流程如圖2所示。

圖2 深度域綜合速度建模流程

2.1 DWT淺層速度建模

由于冀東馬頭營地區地表復雜，近地表速度和厚度在水平和垂直方向變化劇烈，如果不能消除其影響，淺層速度模型的誤差累積會影響到深層目的層的成像。由于對淺層速度敏感的中近炮檢距信息缺失，傳統的反射波層析成像方法難以獲得準確、可靠的剩余延遲，不能準確求取淺層速度。DWT運用初至信息可以得到精度較高的近地表速度模型，近年來越來越受到人們的重視［19-23］。

DWT采用初至波建模，不需要識別出折射界面，其運動學特征是非線性的，其傳播介質被參數化為一系列網格單元，可產生高分辨率的近地表速度場，用于后續反射波層析迭代的淺層部分，相比反射波層析方法可得到更穩健的近地表速度模型。圖3是回轉波傳播路徑示意圖。DWT的具體實現步驟如下：

（1）運用全炮檢距的初至信息，利用Petrel和Omega軟件建立初始速度模型；

（2）逐步進行400m×400m、200m×200m、100m×100m、50m×50m網格由大到小的折射波層析多次迭代，以此反演優化淺層速度模型；

（3）速度場轉換到平滑地表，用于深度偏移初始速度場拼接速度。

在0～100m采用DWT得到的速度場作為深度域速度模型，100～200m則用DWT得到的近地表速度場與反射波層析得到的速度場做插值融合。

圖4是DWT得到的近地表速度場與反射波層析得到的近地表速度場對比。DWT可產生高分辨率的近地表速度場，相比反射波層析方法能得到更準確的近地表速度模型，最大程度地消除了淺層速度對深層成像的影響。

圖3 回轉波傳播路徑示意圖

圖4 不同層析方法反演的近地表速度場對比

2.2 中深層速度建模

由于構造運動和沉積環境的變化，馬頭營地區地震速度場不僅沿縱向變化，而且橫向變化也較大，尤其在斷層附近更為明顯。速度場的橫向變化不僅影響構造幅度和圈閉面積的計算，而且影響構造高點位置的解釋。

基于疊前深度偏移共成像點道集的反射波層析沿層速度建模方法是目前應用最廣的方法之一，主要包括時間偏移域層位構造解釋及轉換至深度域、目標線的成像、沿層層析等。該方法應用CRP道集剩余曲率自動擬合拾取旅行時，通過剩余速度分析，修改層速度模型，直到目的層CRP道集拉平、剩余延遲趨于0為止［24］。每次速度更新后不需要再修改時間域的層位，只是將時間域層位映射到深度域，通過反復迭代從而獲得可靠的沿層速度模型和較好的成像結果。

CRP道集同相軸平直是質控手段之一，當速度模型不準確時，CRP道集同相軸不平。通過人工編輯、修改或刪除速度場有問題的譜點和數據，再對速度場數據進行適當平滑以消除隨機誤差，保證速度場分布趨勢合理，避免出現射線追蹤異常、反演不收斂或局部收斂等問題，在平滑過程中要注意斷層附近數據的處理。通過上述質控手段，盡可能消除速度橫向變化對構造成像的影響。

2.3 基于模型的網格層析速度模型優化

數據驅動的網格層析法不容易收斂到實際速度模型，且模型沒有地質條件的約束，有時會產生不符合地質規律的反演結果［25-27］。基于模型的網格層析反演，借鑒了層位約束和全局反演優點，以地質層位為基礎建立模型，在橫向上沿地質層位網格進行參數更新，在縱向上層位間網格更新尺度隨著模型的地質層位而變化，加入有地質意義的層位約束，較好地解決了速度異常問題。速度的迭代更新結果僅僅限定于兩個層位之間，提高了計算效率，減少了層析反演的多解性，提升了層間速度反演精度。

基于模型的網格層析技術充分考慮地震及地質信息，將信噪比、同相軸的連續性、地層傾角、方位角及地質層位等多種信息聯合反演建立速度模型，包括一個正演過程（計算炮點、反射點、檢波點的旅行時）和一個反演過程（根據旅行時和剩余時差更新速度模型）。拾取反射波同相軸剩余曲率前，要先提高CRP道集的信噪比，這樣獲得的剩余深度差可信度更高。剩余深度差的拾取質量直接影響后續層析反演的精度。

眾所周知，速度模型的一個小擾動，在深度域必然有一個剩余動校正量與之對應。在反射波網格層析中，任意反射點對應的射線總旅行時為射線經過每個網格點的旅行時之和，速度模型微小擾動對應的旅行時擾動為

式中：i是網格化模型中的任意一點；Δz是反射深度變化量（剩余動校正量）；v是修改前的速度；Δvi是網格i對應的速度變化量；θ是反射角；φ是地層傾角。

記h為炮檢距，則地層真實深度可寫作

式中zh為炮檢距h處深度。將式（1）代入式（2），假設反射點所在網格的旅行時擾動量可忽略不計，有當h＝0時，z0即為零炮檢距處深度。

地下反射點對應的地層真實深度不隨炮檢距變化而變化，因此有，代入式（3），有

網格層析的目的即尋找最優Δvi，消除地層深度隨炮檢距的變化。令式（4）達到最小值，因此建立如下最優化問題

式中：Δv是速度擾動矩陣；L是模型背景項；S是平滑因子矩陣；Δz是工區剩余動校正量組成的矩陣；λ是阻尼因子。通過對目標函數的最優化迭代求解，不斷更新網格點速度擾動量，最終得到高精度速度模型。

3 應用效果分析

圖5a是淺層、中深層均采用反射波層析成像速度建模偏移成像剖面，圖5b是淺層DWT成像、中深層反射波層析成像速度建模偏移成像剖面。可以看出，利用初至波信息的DWT方法可以得到精度更高的淺層速度，再結合中深層采用的反射波層析成像進行綜合速度建模，不僅改善了淺層構造成像（橢圓所示），使淺層同相軸連續，還可以最大限度地消除淺層速度對深層構造成像的影響，使中深層的斷層刻畫更清晰（方框所示）。

圖6a是淺層采用DWT成像、中深層反射波層析的速度建模結果，圖6b是在圖6a的基礎上再應用基于模型的網格層析進行速度優化后的結果，可以看出，后者明顯提高了橫向分辨率（方框所示）。

圖7a是常規沿層速度建模偏移成像剖面，圖7b是本文深度域綜合速度建模偏移成像剖面。通過對比可以看出，本文深度域綜合速度建模偏移成像結果在斷層刻畫方面更為出色，構造幅度有了較大變化，能有效地識別出斷層（橢圓所示）。圖8是圖7方框中放大顯示，在常規沿層速度建模偏移剖面（圖8a）上W2井館二段頂高于W1井，會導致解釋人員誤認為該區存在構造反轉；采用本文的深度域綜合速度建模方案后，在新的偏移剖面（圖8b）上W2井館二段頂低于W1井，與鉆井數據完全吻合。由此可見，該地區并不存在構造反轉，只是常規的速度建模偏移結果產生了低幅度構造形態異常，隱藏了有利的低幅度構造圈閉。

圖5 淺層采用不同速度建模方法的偏移成像剖面

圖6 基于模型的網格層析速度模型優化前（a）、后（b）速度剖面

圖7 常規沿層速度建模（a）與深度域綜合速度建模（b）偏移過井剖面（一）

圖9a是另外一條采用常規沿層速度建模的過井偏移剖面，圖9b是采用本文深度域綜合速度建模的過井偏移剖面，可以看出，新的偏移剖面反射能量強，同相軸連續，波組特征明顯，與井上分層吻合較好，有效落實了低幅度構造（橢圓所示）。與常規沿層速度建模偏移的相干切片（圖10a）相比，深度域綜合速度建模偏移成像的相干切片（圖10b）能更精細刻畫斷層。

圖8 圖7方框區的放大顯示

圖9 常規沿層速度建模（a）與深度域綜合速度建模（b）偏移過井剖面（二）

圖10 常規沿層速度建模（a）與深度域綜合速度建模（b）疊前深度偏移相干切片（1500m）

綜上所述，本文采用深度域綜合速度建模偏移成像后的剖面構造形態與真實構造形態較一致，正確揭示了馬頭營低幅度構造分布特征。

4 結論

疊前深度偏移是解決復雜構造成像最有效的技術，而深度域偏移成像精度直接取決于層速度建模精度。針對馬頭營地區低幅度構造成像，本文應用了一套綜合的深度域速度建模方案：淺層DWT速度建模、中深層反射波層析成像、整體基于模型的網格層析速度建模。深度域速度建模重點在應用回轉波層析成像方法穩定地反演出近地表速度場，以此消除淺層速度誤差的累積影響。對于中深層采用基于地質層位解釋的橫向速度建模方法，它能夠有效消除斷層導致的橫向速度變化劇烈帶來的影響，兩者結合獲得融合速度場。在融合速度場基礎上應用基于模型的高精度網格層析進行速度優化。應用本文的深度域綜合速度建模方案建立的高精度層速度模型，明顯提高了馬頭營低幅度構造成像精度，與鉆井資料的吻合度更高，為落實馬頭營地區的低幅度構造提供了有利的技術支撐，可為相似地質條件下低幅度構造成像提供借鑒。

本文提出的深度域速度建模方案要求對地下構造有較充分的先驗認識，且人工成本較高。