四維地震技術的發展與前景探析

楊澤昊，高爾根，孟俊霞 （安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230000）

1 引言

時間推移地震（time lapse seismic，TLS）是指在每過一段時間就來觀測油氣田的地震數據、監測區域內油氣的開采量以及開采的狀況，勘探這個地方是否還分布著剩余的油田，修改優化注采石油的方案，從而使油氣達到高采收率的一整套技術[1]。時間推移地震（簡稱時移地震）觀測時，所采用的技術基本上是建立在三維地震的基礎上提升的，所以這種技術又被稱之為四維地震。在20世紀初，諸多的物理學研究表明，只有把空間和時間都糅合成一個整體看待，從三維視角轉化為四維視角，才能正確地研究清楚客觀世界[2]。因為油氣的分布、開采的狀態等一系列方面都會由于時間的推移從而產生出截然相反的結果，所以把握好正確的時間，從而掌握四維技術，才是我們能夠完美觀測油氣田的必備良方。在20世紀70年代初，時移地震才初步展開了研究，它使我們從一開始對地震、油氣藏的靜態的描述和歸納轉變成為現在的動態視圖來研究，把以前不具備的時間和空間相結合的概念，帶入到油田開發里，從此之后，擯棄了原有的油田生產方式，轉換成了這種新的、具有時空觀的生產途徑。在當時四維地震的研究和進展雖然還處在最基礎、片面的階段，但是數據顯示這一新型技術的研究經費卻在持續不斷地提高[3]。就現在而言，四維地震技術主要運用在大油田或者是深海里的大氣油田[4]。從上世界60年代到2015年左右，全世界的石油產量持續下降，就是因為石油勘探技術的局限性，使開發開采達不到應有的效率。而2015年后，美國創新了石油勘探技術，才讓石油開采量逐步上升。

圖1 1900年到2019年世界各國石油產量

全世界的石油地震勘探在1997年這一年共花費了35億美元，其中僅是時移地震的花費就高達5億美元，而到了2005年時移地震費用就已經達到了35億美元，乃至今天，花費在時移地震上的費用已經是一個天文數字[5]。本文圍繞新型四維地震的技術原理、數據的采集、處理、解釋等方面來進行系統的介紹。

2 四維地震的技術原理

四維地震技術是分隔出不同的時間段，在這些時間段里來監測和采集三維地震數據的信息，從而得出其中的差異，通過運用地球物理方法分析和觀測油氣藏內部的流體變化以及有利儲層預測，進行反復的勘探，最后通過特殊的方法去處理得到的數據，解釋數據的物理意義[6～7]。因為隨著時間的流逝，油氣藏也會不停地發生著變化，就要按照這種變化去探尋其所對應的地震響應，而不是去一味地勘探、找尋是否還有油氣藏的存在。這也就是三維地震比較適合看作是一種靜態的、用來展示油氣藏狀態的工具，而四維地震則被用來當作是體現一種全面的、動態的油氣藏管理的根本原因[8]。理論上，如果僅僅只是體現高水準、高精度，四維地震完全能夠達到，但是前提是我們必須弄明白為什么會引起這些差異性的變化。通過現代的三維地震技術，能夠清晰地觀測出油藏內部各種動態性因素（流體因素，油井地層壓力，地層內部溫度）在平面上、剖面上分布的變化，這就是四維地震技術發展的基礎。若是以四維地震的層次視角來觀測檢驗，其就構成了油藏開采狀況隨著流體調整時間而變化的函數圖像。在油藏的開發過程中，要時刻注意流體的變化趨勢，監測油藏的原始油水界面，把油藏隨時間變化的狀態捕捉清楚，把勘探開發油氣田的措施優化革新，根據實時情況不斷地調整，更新切合的方案去實施。這樣，既能大大地提高油氣采收率，同時又能使油氣田的使用壽命得到極大程度的增加。時移地震十分重視數據的振幅、頻率和相位，并對其進行歸一化處理[9]。研究瞬時屬性如瞬時振幅和瞬時頻率的斜率的變化，進行波阻抗屬性分析及研究油藏流體變化所引起的時移地震差異，也可以借用計算機的可視化功能，對修井方案不斷改進，同時也要注意到注水井和生產井，其配置也是要著重考慮，以此來增加油氣采收率。

3 四維地震的數據采集

到目前為止，已有的研究表明，必須要求四維地震采集到的數據與其對應的三維地震的測量數據，應該在完全一致的條件下，只有時間這一個屬性是不同的，其他的變量保持完全一致，這樣才能達到理想中的實驗狀態。

在四維地震技術中，野外采集到的參數對收集四維地震的數據起著非常重要的作用，采集到的參數是否合適、有實驗意義，將直接導致四維地震數據采集的成功和失敗。這部分參數基本包括：①定位系統和精度要求；②震源深度(指炸藥埋放的深度和空氣槍系統設置的位置)；③震源組合(長度、寬度、采集點)；④震源時使用炸藥的藥量多少；⑤可控震源參數(起始和終止頻率、相位控制等)；⑥接收器道數與排列長度距離；⑦道間距；⑧檢波器線距；⑨檢波器組合；⑩拖纜數目(海上采集)；?炮線距；?炮檢距；?覆蓋次數；?炮檢距分布的變化；?三維地震中采集到的炮線和檢波線模式[10]。

4 四維地震的數據處理

四維地震技術從理論上出發得出的結論是在我們得出成像的內容后，把計算出的結果相減，油氣藏的靜態性質(如土層的構造、巖性性質等)被消去，從而使油氣藏動態流體性質(流體因素、油井地層的壓力、地層油氣藏的溫度等)可以直接成像[11]。因此，在油氣藏生產過程中，運用延遲時間的措施持續不斷地進行三維(二維或者其他)地震勘探，可以持續地觀測油氣藏的生產過程，從中探尋隨著生產而產生的內部屬性的變化，詳細地描繪出便于觀測的圖像，并且可以追尋流體流動的來源方式，用動態的方式去觀測油氣藏，處理數據。但是在實際操作中，卻很難辦到。四維地震數據是相隔一段時間進行的、分層次的采集收理，兩次采集看起來完全一樣的信息，反而可能會很難確保各項環境因素、內部數據完全一致。例如定位系統和精度要求是否一致，震源深度和震源組合的參數是否相差過大，接收器道數和排列長度的不同，覆蓋次數的差異和炮檢距炮線距不同等。所有這些因素的差異都會造成演示結果之間的迥異，可能有時候得出的數據誤差過大，導致實驗沒有物理意義。特別是由于地震技術的進步，我們觀測勘探新的地震不可能與原有的地震采用同樣的采集、處理方式。時代在不斷變化，技術也在一直革新，地震也在往多樣性、復雜性去演變。這就決定了時移地震的監測觀察，必須大力發展技術研究，提高采集信息數據的能力，不再是僅僅局限于一種或兩種勘探方式，而是多種科技結合，共同加強對地震技術的研究，把由各種非地質因素引起的實驗誤差、測量誤差降到最低限度。

四維地震數據處理主要采用歸一化處理方法。把數據的時間、振幅、頻率和相位歸一化，是四維地震能不能成功處理好數據的重要部分。針對四維地震數據各個方面的差異，通過多個校正歸一化算子分別對地震剖面的主要問題等方面進行匹配校正。要想正確處理校正差異，運用一種可以實現最高匹配度的濾波器，對著每條測線的有效震源信號來進行整改，使其與設置的用來參考的測線震源信號一致，從而計算出相匹配的校正匹配算子，最后再來進行校正[12]。然后通過石油隨時間流逝，觀測其開采量和注水量的變化，從而分析地震屬性和差異性分布特征隨時間變化的趨勢。運用地震波阻抗有色反演技術獲得地震波數據和油藏波數據，迅速有效地處理地震數據，提出合理高效的開發方案[13～14]。

5 四維地震的數據解釋

數據采集是基礎，數據處理則是維系的關系與紐帶，而數據的分析與解釋是展示勘探成果的關鍵階段[15]。

把四維地震的數據解釋看作是一個描述油藏變化過程的動態視圖。四維地震數據解釋不僅要把井位處的儲集層信息推廣至井間數據體，而且還要通過如差異性、相似性技術、儲集層描述、地震模擬和儲集層模擬等分析手段，辨析儲集層中的流體驅替和泄油路徑，根據油藏流體的特性，來動態地展示出直接圖像，用來分辨當前區域是否是剩余油區[16]。由目前已有的資料得出，四維地震資料解釋的方法可以分為三種。

5.1 直接分析方法

因為油氣的產生會導致儲集層物理性質（如流體因素、油井地層的壓力和地層油氣藏的溫度等）的變化，這些變化就有可能會使監測三維地震資料時，收集到的儲集層層間時差、速度振幅和分位點頻率的數據不同甚至是迥異。通過對基礎測量和監測測量這些特征的差值進行直接分析，就有概率可以辨別出流體驅替，來對采油增產的過程進行全方面的觀測檢查。其中有幾個小方法：①層間時差分析法；②振幅分析法；③速度分析法；④頻譜分析法。

5.2 地震屬性分析方法

在四維地震資料的解釋中，有時候會比較片面地運用時差、振幅和波阻抗，這就導致當儲集層流體出現了特殊變化時，上述的方法就比較難以去詳盡地描述。四維地震屬性分析技術應包括四個方面：①地震屬性的計算；②地震屬性特征的優化；③地震屬性特征的標定；④四維地震屬性的聚類分析。

5.3 動態儲集層描述方法

勘探與生產機構的最終方向是通過提高儲量和通過增加投資效益的方式來擴大改良生產。如果想要實施高效的油藏管理，就要求對儲集層特性及其在油田內的分布有著較為深入的研究了解。通過闡述該模型的通用性、相關性及動態性的活動范圍，將其輸入到項目軟件中。最后通過運用各種項目原理和方法,可以對各種方面的觀點、工作流程和數據傳輸進行深刻的思考與討論[17]。

6 四維地震的前景與未來

四維地震技術是在三維地震技術的基礎上帶入了時空觀念，對油田的管理與開采帶來了新思想與新方法，對油氣藏正確的布局和開采油氣藏提供了良好的理論基礎與實踐。而四維地震之所以受到諸多石油公司的普遍重視，原因是目前世界上油田的平均采收率在35%左右，而其中大部分儲量都是在老油區里面，如果采用適當的增產措施，四維地震技術可能會將平均采收率提高到70%左右，這是一個很驚人的數字。從老油田開采出更多的石油，這是有著重大意義的行為，和在新的地方勘探出新石油同樣重要，而且前者還是一個回報率更突出的有效途徑。四維地震項目的成功實現需要把多種技術結合起來，并且嫻熟地使用各項技能，同時也要和各部門保持密切配合。對這種跨學科的決策和分析，要求四維地震的項目必須是綜合性的。資料分析的性質也決定了四維地震項目組的組成同樣是綜合性的。從實際的角度來說，在對四維地震數據的分析與解釋的過程中，就要求地質學家、地球物理學家、油藏工程師和油氣物理學家互通有無，共同解決一個項目難題。同時，又因為所面對的是一個動態的、不斷變化的問題，所以對資料的快速分析和解釋也是必須放在首位去思考的問題。有數據證明，四維地震技術在勘探、開采、管理油氣田上正在逐步地取代三維地震技術，并且將在未來的技術開發研究中起到至關重要的作用。目前，從全世界各國的人均石油開采率來看，我國還是處于中下游階段，和西方國家還存在著技術上的差距。

圖2 2019年世界各國人均石油開采率

但是有理由相信，我國能在目前的四維地震技術上做出創新，在動態化、可視化方面加強研究，在測量勘探等基礎設施方面做到細致嚴謹，全方位做好數據的采集、分析處理。