基于井控地質(zhì)約束的陵水寶島凹陷各向異性參數(shù)反演與分析

劉杰明, 孫 博, 李三福

(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部特普公司，湛江 524057)

0 引言

瓊東南深水區(qū)地層構(gòu)造起伏大、斷裂發(fā)育，地下介質(zhì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的各向異性特征，嚴(yán)重影響到常規(guī)速度建模和偏移成像效果，而采用各向異性介質(zhì)偏移成像方法，不僅需要高精度速度模型，而且需要高精度各向異性介質(zhì)參數(shù)模型。準(zhǔn)確定量估計(jì)各向異性參數(shù)對(duì)構(gòu)造成像、巖性識(shí)別和儲(chǔ)層描述都有重要意義。

各向異性Thomsen 參數(shù)[1]估計(jì)問(wèn)題是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的反演問(wèn)題。在假定已知的介質(zhì)參數(shù)分布情況下，通過(guò)震源激發(fā)可以預(yù)測(cè)觀測(cè)波場(chǎng)，正是因?yàn)橛^測(cè)波場(chǎng)與介質(zhì)參數(shù)分布之間存在這種可預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián)性，才使得利用觀測(cè)波場(chǎng)估計(jì)地下參數(shù)的分布成為可能。Alkhallifah[2]利用反射波非雙曲線時(shí)差公式對(duì)VTI介質(zhì)中的縱波各向異性參數(shù)進(jìn)行估算；Gaiser[3]分析了TI介質(zhì)中 VSP 數(shù)據(jù)的相速度與各向異性參數(shù)的關(guān)系，通過(guò)擬合出相慢度曲線，來(lái)估計(jì)各向異性參數(shù)；杜麗英等[4]根據(jù)地震波在橫向各向同性(VTI)介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，應(yīng)用傳播時(shí)間反演方法，進(jìn)行了水平層狀 VTI介質(zhì)的地層彈性參數(shù)反演方法研究；Zhou等[5]提出了采用三維反射波旅行時(shí)層析的方法來(lái)同時(shí)反演各向異性參數(shù)；羅小明等[6]運(yùn)用掃描法和旅行時(shí)法得到了地震資料的縱波各向異性參數(shù)；李勤等[7]提出了選擇性相關(guān)法，提高了各向異性參數(shù)提取的精度；劉瑞合等[8]分析VTI介質(zhì)的三個(gè)各向異性參數(shù)對(duì)不同角度的敏感性,并給出基于角度約束的三參數(shù)順序反演策略；韓令賀等[9]將網(wǎng)格層析技術(shù)應(yīng)用于VTI 介質(zhì)各向異性參數(shù)建模；郭愷[10]研究了基于局部層析的TTI 各向異性參數(shù)反演方法,提高了反演精度。為了提高地震資料各向異性參數(shù)估計(jì)精度，筆者采用井控地質(zhì)約束層析成像法來(lái)反演陵水寶島凹陷各向異性參數(shù)，并分析其變化規(guī)律。

1 各向異性參數(shù)反演

針對(duì)瓊東南深水區(qū)地震地質(zhì)條件開展深水區(qū)各向異性求取，進(jìn)而對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)各向異性規(guī)律開展分析研究工作，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的地震偏移成像，提高深度預(yù)測(cè)精度，為深水區(qū)油氣儲(chǔ)層的識(shí)別和描述奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.1 深水區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)

瓊東南盆地深水區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，既有崎嶇海底，水深變化大，陸坡區(qū)向海盆方向坡折傾角大，峽谷縱橫，水道極其發(fā)育，形成了復(fù)雜的海底地形地貌；又有深水區(qū)中深層受早期斷陷和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地質(zhì)地層構(gòu)造起伏大，斷裂發(fā)育，構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜。此類雙復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖1)，不僅地層速度的橫縱向快速變化，而且地震反射的波場(chǎng)復(fù)雜，常規(guī)地震速度反演和偏移歸位難以滿足復(fù)雜構(gòu)造成像，因此造成中深層地震資料信噪比低和偏移歸位不準(zhǔn)、鉆前深度預(yù)測(cè)誤差大等問(wèn)題(圖2)。要實(shí)現(xiàn)正確的、高分辨率地震成像除了需要發(fā)展適應(yīng)速度建模技術(shù)，精確反演深水區(qū)速度外，還要就各向異性規(guī)律開展分析研究工作，從而為深水區(qū)無(wú)井、少井下速度建模和構(gòu)造落實(shí)提供借鑒。

圖1 瓊東南盆地地質(zhì)條件：傾斜橫向各向同性地層(TTI)Fig.1 Geological conditions of southeast Qiong basin: inclined transversely isotropic strata(TTI)(a)聯(lián)絡(luò)線方向;(b)主測(cè)線方向

圖2 井震速度對(duì)比Fig.2 Comparison of well seismic velocity(a)C8井;(b)C9井

1.2 傳統(tǒng)δ參數(shù)估計(jì)方法

諸多學(xué)者從不同途徑結(jié)合地震和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)給出了估計(jì)δ參數(shù)的方法。主要以井震結(jié)合標(biāo)定反射層位和地震解釋層位的深度，從而計(jì)算測(cè)井位置處的一維δ模型。從成像剖面中解釋出標(biāo)志層位。兩個(gè)井標(biāo)定層位的深度記為Zwelltop和Zwellbot，兩個(gè)解釋層位的深度記為Zseistop和Zweisbot。兩個(gè)標(biāo)志層位之間的δ可通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

傳統(tǒng)方法局限性：傳統(tǒng)井震聯(lián)合法各向異性參數(shù)估計(jì)只是從一維空間計(jì)算出井點(diǎn)位置處大套層的δ值，在層內(nèi)δ為常數(shù)，是一種簡(jiǎn)單的垂向深度校正方法，無(wú)法進(jìn)行ε估計(jì)，各向異性參數(shù)精度不夠，導(dǎo)致各向異性速度與井誤差大，嚴(yán)重影響鉆前深度預(yù)測(cè)精度。

1.3 基于井控地質(zhì)約束各向異性參數(shù)反演

目前工業(yè)化各向異性參數(shù)反演的主要方法是旅行時(shí)反演，當(dāng)偏移的速度和各向異性參數(shù)準(zhǔn)確時(shí)，相應(yīng)的共成像點(diǎn)道集(CIG)呈現(xiàn)拉平形態(tài)，當(dāng)速度或各向異性參數(shù)不準(zhǔn)確時(shí)，CIG道集出現(xiàn)非零剩余深度差，利用各向異性層析反演修正速度和各向異性參數(shù)，直至CIG道集拉平。由于實(shí)際深水勘探窄方位的拖纜采集信息不足和中深層信噪比低，從而導(dǎo)致了復(fù)雜地區(qū)多參數(shù)反演的不確定性，只有通過(guò)更多井的信息驗(yàn)證和支持(如聲波、checkshots、VSP等)，才能獲得井點(diǎn)附近更準(zhǔn)確的地震速度和各項(xiàng)異性參數(shù)δ值，再利用地震數(shù)據(jù)長(zhǎng)偏移距時(shí)差來(lái)反演ε值。為了提高地震資料各向異性參數(shù)譜的精度和分辨能力，提出井控地質(zhì)約束層析成像法反演各向異性參數(shù)，該方法采用結(jié)構(gòu)張量法進(jìn)行自動(dòng)剩余時(shí)差(RMO)拾取，它可自動(dòng)識(shí)別噪音和有效信號(hào)及選取非雙曲曲率，在拾取高質(zhì)量的RMO后，使用自適應(yīng)網(wǎng)格可以更好地匹配拾取信息，加入地質(zhì)約束獲得穩(wěn)定可靠地反演結(jié)果，使δ和ε符合地質(zhì)規(guī)律，可有效減少各向異性參數(shù)的多解性。

整體上來(lái)說(shuō)，井控地質(zhì)構(gòu)造約束層析反演包括如下三個(gè)步驟，技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程見圖3。

圖3 井控地質(zhì)構(gòu)造約束層析反演技術(shù)流程Fig.2 Technical process of well control geological structure constrained tomography inversion

1)以測(cè)井的VP0作為各向同性的速度進(jìn)行疊前深度偏移(ε和δ初始值為零)，獲得初始共成像點(diǎn)道集。

2)對(duì)共成像點(diǎn)道集進(jìn)行RMO拾取，獲取高質(zhì)量層析成像種子點(diǎn)。

3)自適應(yīng)網(wǎng)格局部地質(zhì)構(gòu)造約束層析反演，求取各向異性參數(shù)。

在技術(shù)流程中自動(dòng)RMO拾取采用結(jié)構(gòu)張量法進(jìn)行，其可自動(dòng)識(shí)別噪音和有效信號(hào)及選取非雙曲曲率，結(jié)構(gòu)張量可表示為：

(2)

式中：Px和Pz分別為水平和垂直方向上的局部振幅導(dǎo)數(shù)，由此可以得到結(jié)構(gòu)張量的特征值和其相應(yīng)的特征向量。

在拾取高質(zhì)量的RMO后，使用自適應(yīng)網(wǎng)格可以更好的匹配拾取信息，獲得穩(wěn)定可靠的反演結(jié)果，除了常規(guī)的正則化和約束外，還應(yīng)用了線性約束，可使δ和ε保持線性關(guān)系，反演目標(biāo)函數(shù)可表示為式(3)。

f(x)=‖Sx-Δz‖2+α‖Rx‖2+

β‖Lx‖2+γ‖Ax‖2

(3)

其中：S為靈敏度矩陣；x為模型更新；R為正則化矩陣；L為δ和ε之間的線性關(guān)系矩陣；A為其他約束，如井mark約束；α、β、γ是權(quán)重因子。

圖4顯示了井控地質(zhì)約束自適應(yīng)網(wǎng)格局部層析成像反演的結(jié)果，因?yàn)楦飨虍愋缘拇嬖?，這個(gè)道集同相軸初始是未拉平的，經(jīng)過(guò)兩次迭代就可以很好地把道集拉平，并獲得一個(gè)穩(wěn)定和合理且平滑的各向異性模型。從這個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)例子，證明了使用自適應(yīng)網(wǎng)格和δ、ε之間的線性約束，可獲得穩(wěn)定和符合地質(zhì)規(guī)律的解。將這種方法應(yīng)用到其他井，反演出各井的各向異性參數(shù)，作為后續(xù)規(guī)律分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 各向異性參數(shù)反演前后效果對(duì)比Fig.4 Effect comparison of anisotropic parameters before and after inversion(a)各向同性道集;(b)速度疊加測(cè)井;(c)各向同性剩余譜; (d)各向異性道集;(e)各向異性剩余譜;(f)反演前后各向異性

2 深水區(qū)井點(diǎn)各向異性參數(shù)規(guī)律分析

瓊東南盆地，水深變化大，約為100 m～3 000 m，深水區(qū)是指水深大于300 m的區(qū)域。盆地經(jīng)歷了新生代的斷陷、斷坳、坳陷期等幾個(gè)構(gòu)造演化階段，具有下斷上坳的雙層結(jié)構(gòu)。發(fā)育了始新統(tǒng)陸相湖盆沉積、早漸新統(tǒng)崖城組海陸過(guò)渡相的半封閉淺海沉積、晚漸新統(tǒng)陵水組到早中新統(tǒng)三亞組陸表海沉積和中中新統(tǒng)梅山組、晚中新統(tǒng)黃流組、上新統(tǒng)鶯歌海組、更新統(tǒng)樂(lè)東組到現(xiàn)今陸架陸坡海相深水沉積等4套沉積組合[11]。

根據(jù)不同構(gòu)造單元、水深及鉆井分布,將研究區(qū)劃分為陵水凹陷淺水區(qū)、陵水凹陷深水區(qū)(西)、陵水凹陷深水區(qū)(東)、中央峽谷帶區(qū)、寶島凹陷淺水區(qū)、寶島凹陷深水區(qū)等6個(gè)研究區(qū)(圖5)。

圖5 各向異性規(guī)律分析劃分示意圖Fig.5 Analysis and division diagram of anisotropic law

結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)及鉆井分布情況，選取了具有代表性的12口井，采用上述基于井控地質(zhì)約束各向異性參數(shù)反演方法，對(duì)各井進(jìn)行各向異性參數(shù)反演，進(jìn)而開展各向異性統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)各井的各向異性反演結(jié)果，這里統(tǒng)計(jì)了所劃分6個(gè)研究區(qū)的各向異性δ平均值(表1)。從表1可以看出，整體上各向異性在樂(lè)東組較小，黃流組和梅山組大；樂(lè)東組各向異性在0.02～0.045，鶯歌海組各向異性為0.07左右，黃流組各向異性變化較大為0.08～0.132，梅山組各向異性為0.08～0.11。

表1 瓊東南深水區(qū)各向異性參數(shù)δ統(tǒng)計(jì)

圖6為各向異性參數(shù)δ縱向變化統(tǒng)計(jì)曲線，其中：圖6(a)為陵水凹陷淺水區(qū)各向異性的縱向結(jié)構(gòu)，可見在淺水區(qū)淺部各向異性小為0.022，向下到黃流組最大為0.081，在梅山組逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定；圖6(b)為陵水凹陷深水區(qū)各向異性的縱向結(jié)構(gòu)，可見深水區(qū)淺部各向異性小為0.04，向下到黃流組最大約為0.127，在梅山組逐漸變小至0.11，到三亞組、陵水組趨于穩(wěn)定約為0.08；圖6(c)為寶島凹陷各向異性的縱向結(jié)構(gòu)，在寶島區(qū)淺部各向異性小為0.02，向下到黃流組、梅山組逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定，各向異性在淺水區(qū)約為0.11，深水區(qū)約為0.082，到三亞組均約為0.085。綜上,研究區(qū)各向異性縱向結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為：在淺水區(qū)，由淺層至深層各向異性逐漸增加，到黃流組、梅山組趨于穩(wěn)定；在深水區(qū)，由淺層至深層各向異性先逐漸增加，到黃流組最大，再?gòu)拿飞浇M開始減小，到三亞組、陵水組趨于穩(wěn)定。

圖6 各向異性δ縱向規(guī)律統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of anisotropic δ longitudinal rule(a)陵水凹陷淺水區(qū);(b)陵水凹陷深水區(qū);(c)寶島凹陷

不同構(gòu)造位置的各向異性結(jié)構(gòu)不同，而且各向異性結(jié)構(gòu)與速度建模精度有非常密切的關(guān)系，為了探尋不同的各向異性結(jié)構(gòu)差異影響因素和提高鉆前深度預(yù)測(cè)精度，研究瓊東南盆地深水區(qū)各向異性場(chǎng)的平面結(jié)構(gòu)是十分有意義的。如圖7所示，在樂(lè)東組，由淺水區(qū)至深水區(qū)各向異性逐漸增加，同一水深陵水凹陷各向異性大于寶島凹陷。圖8為鶯歌海組各向異性參數(shù)變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)，可見鶯歌海組各向異性值基本一致約為0.07。圖9和圖10分別為黃流組與梅山組各向異性參數(shù)變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)，可見陵水凹陷各向異性隨著水深增大逐漸增加，寶島凹陷各向異性隨著水深增大逐漸減小。在淺水區(qū)，由陵水凹陷到寶島凹陷各向異性增大，在深水區(qū)，由陵水凹陷到寶島凹陷各向異性減小。從各向異性的平面結(jié)構(gòu)上看：

圖7 樂(lè)東組各向異性參數(shù)δ變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of variation rule of anisotropy parameter δ in Ledong formation

圖8 鶯歌海組各向異性參數(shù)δ變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of δ variation of anisotropic parameters in Yinggehai formation

圖9 黃流組各向異性參數(shù)δ變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of anisotropy parameter δ change law of Huangliu formation

圖10 梅山組各向異性參數(shù)δ變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistics of anisotropy parameter δ change of Meishan formation

1)在陵水凹陷由淺水區(qū)到深水區(qū)，各向異性整體上隨著水深增加逐漸增大。

2)在寶島凹陷由淺水區(qū)至深水區(qū)，樂(lè)東組與鶯歌海組的各向異性逐漸增大，黃流組和梅山組的各向異性逐漸減小，三亞組、陵水組各向異性趨于不變。

3)由陵水凹陷至寶島凹陷，在淺水區(qū)，樂(lè)東組和鶯歌海組各向異性逐漸減小，黃流組合梅山組則是逐漸增大；在深水區(qū)，各向異性逐漸減小。

結(jié)合測(cè)井巖性解釋和壓力系數(shù)信息分析，C8井、C9井、C10井在黃流組均為常壓，其中C10井泥巖含量約32%，C8井與C9 井泥巖含量約99%，它們對(duì)應(yīng)的各向異性δ參數(shù)分別為0.078、0.12、0.132，可見巖性對(duì)各向異性大小起決定性影響。通過(guò)對(duì)研究區(qū)各向異性的規(guī)律分析，經(jīng)應(yīng)用可以明顯減小疊前深度偏移數(shù)據(jù)與鉆井的深度誤差，在T60，C8井的深度誤差由+75 m減小為-15 m，C9井則由+100 m減小到-9 m，可為深水區(qū)無(wú)井少井下速度建模和構(gòu)造落實(shí)提供借鑒。

3 結(jié)論

1)通過(guò)基于井控地質(zhì)約束反演方法，建立精確的各向異性δ參數(shù)模型，然后分析了陵水及寶島凹陷的各向異性參數(shù)的變化規(guī)律，該研究分析對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)無(wú)井、少井下精細(xì)速度建模和減小井震誤差有借鑒意義。

2)研究區(qū)內(nèi)各向異性地層主要集中在鶯歌海組、黃流組、梅山組，這些層段表現(xiàn)出較強(qiáng)各向異性，測(cè)井速度比各向同性速度明顯偏低。

3)通過(guò)與測(cè)井解釋對(duì)比分析，在研究區(qū)內(nèi)地層泥巖含量是影響各向異性參數(shù)值的主要原因，其次是有效壓實(shí)(地層厚度)。