宋桂桥,杨振升,薛 野

(1.中国石油化工股份有限公司油田勘探开发事业部,北京100728;2.中国石油化工股份有限公司华东油气分公司勘探开发研究院,江苏南京210007)

下扬子地区位于扬子板块东段,东邻环太平洋构造带,西接特提斯构造域[1]。下扬子盆地总面积约2.3×105km2,盆地内海相中、古生界烃源岩层位多,有机质类型好、厚度大、分布范围广,泥质岩和碳酸盐烃源岩并存。初步估计区内中、古生界油气资源量达4.0×109t,具有形成大-中型油气田的基本条件[2-4]。经过多年油气勘探,在黄桥、句容、盐城等地区的上古生界相继取得了油气勘探突破。下扬子地区是中石化油气勘探重点领域之一。

由于复杂的地表和地下构造条件,下扬子地区地震勘探困难,勘探程度较低。地震勘探技术是制约下扬子地区油气勘探的瓶颈技术[5-8]。该地区地震勘探面临的主要困难如下。①表层条件差:表层结构疏松、纵横向岩性变化大,因而低频面波干扰发育、地震波能量衰减快、高频信号吸收强烈。②炮检点布设困难,地震激发效率低:受复杂地表条件影响,难以保持规则的观测系统,地下反射点偏离,反射轴不连续;地震激发限制因素多、激发药量难以保障。③印支面的影响:受强构造改造、抬升与剥蚀作用影响,印支面上下岩性组合差异大、横向多变,具有强屏蔽作用,其风化壳的缝洞系统对地震波具有漫反射作用,地震波在印支面上大都被反射、散射、吸收,有效波被掩盖于干扰波背景之中[4],对中古生界内幕波组的成像产生不利影响。④断裂发育,波场复杂:该区构造破碎[9],反射波场十分复杂,加上各种干扰波,形成了一个十分复杂的地震波场,波场偏移归位难度大、效果差。⑤下古生界成岩作用强,波阻抗差异小,地震反射能量弱:东深1井的钻探结果表明,奥陶系新岭组泥岩速度约为5500m/s,下覆灰岩速度约为6200m/s,速度差异小,反射系数低,导致该现象的主要原因可能是下古生界经历了强烈的成岩作用,使得岩石波阻抗差异小[10]。

20世纪70年代末,下扬子地区开始了模拟地震勘探,获得了较好的中新生界反射成果;80年代以来,开始了数字地震勘探,但受仪器道数、采集方法及处理手段等的限制,以海相地层为主的地震资料品质较差;80年代后期,引入了宽线地震方法,得到的二维地震资料品质有一定的改善,局部取得了良好的海相地层内幕反射波组,但总体地震资料信噪比低,平面上不能连续进行波组追踪。数字二维测网背景下,在溪桥附近开展了小块数字三维地震试验;2002年,中石化先后在黄桥、句容地区进行了地震方法技术攻关,经过持续的探索攻关,在观测系统设计、激发及接收参数的确定等方面积累了经验,但未能形成系统有效提高原始地震资料品质的技术方法[11-14]。

“十二五”期间,中石化针对下扬子地区的地震勘探难点持续开展了地震攻关,自2011年开始,先后在黄桥、句容、淮阜、常州等地区针对古生界地层在地震采集参数设计、地震资料处理技术以及综合研究等方面持续开展了分析研究与方法试验,整个攻关过程大致可分为两个阶段。

1) 中、上古生界地震攻关阶段(高密度二维/中小排列三维地震)。2010—2013年,先后在黄桥和句容地区实施了高密度二维及三维地震攻关。2011年句容高密度二维地震攻关试验结果表明,通过增加空间采样密度可以实现地震信号和噪声的有效识别与分离,从而提高复杂构造区的成像效果。2011—2012年,先后在黄桥和句容地区实施了宽方位三维地震勘探,目的是通过宽方位地震观测,大幅增加目的层的有效覆盖次数,提高横向压制噪声能力,从而改善地震资料品质。多元约束深度域速度建模与成像技术的有效应用,取得了信噪比较高、连续性较好的中、上古生界地震反射资料,在黄桥地区获得了中、上古生界工业油流,实现了油气勘探突破。但受排列长度较小的限制,本阶段地震攻关未能获得理想的下古生界地层的反射信息。

2) 下古生界地震攻关阶段(大排列、高叠加次数宽线地震)。2013—2016年,在常州和黄桥等地区实施了大排列、高叠加次数宽线地震攻关,目的是通过加大排列长度,增加横向激发、接收线数,从而提高障碍物密集区地震采集的可操作性,提高横向压制噪声能力。大排列宽线地震采集明显改善了下古生界地层的地震反射资料品质。城镇工业发达区高效激发技术的运用,进一步提升了资料品质。通过弱反射信号保护与提取、偏移距优选分析与叠加等处理技术的应用,在常州、黄桥等地区取得了可连续追踪的下古生界地震反射波组,实现了地震勘探的突破。

1 下扬子地区地震采集主要技术方法

1.1 基于地震模拟的观测系统优化技术

基于地震模拟的观测系统优化设计主要是结合物理和数学两种模型进行地震波场模拟,运用多种分析手段对模拟的地震波场进行波场特征分析和噪声机理及分布规律的研究[15],同时,结合实际资料,分析总结造成地震资料品质和信噪比低的原因,从而确定地震采集的重要参数,优化观测系统。

1.1.1 地震模拟分析

研究区的地震模拟分析表明:①中浅层地层的强反射影响了深层地层的成像质量(吸收、衰减,能量弱),深层复杂构造地震波场的获得需要进行长排列地震观测;②中浅层构造复杂情况下,受折射和衰减的影响,深层地层的反射成像困难,有必要优选构造稳定区开展地震攻关;③噪声是导致研究区地震资料信噪比低的主要因素,有必要开展组合压制噪声和去噪技术研究;④深层地震反射波需要具有一定的能量保障,有必要开展地震激发因素优选试验;⑤深层成像需要较高的速度精度,有必要开展速度建模方法研究;⑥横向非均质性影响成像效果,有必要开展深度域成像方法研究。

1.1.2 观测系统设计及优化

通过正演分析、三维数值模型面元统计分析、模型聚焦方法观测系统参数论证、基于CRP观测系统参数论证等手段,优选包括覆盖次数、炮检距、接收线束、方位角、入射角度等观测系统各主要参数,得到满足地质任务需求的观测系统各参数数值范围。结合研究区地面和地下特点,对观测系统整体采集效果做预估,再根据评价结果小范围调整采集参数,进而优化观测系统。

黄桥和句容地区三维地震采集技术研究。为探索利用高空间采样率三维地震观测技术解决黄桥和句容地区油气勘探问题的能力,于2011年和2012年先后在这两个地区实施了三维地震采集攻关试验。经过试验研究,最终的黄桥三维采集参数为:面元20m×20m,炮线距和接收线距均为200m,覆盖次数200次,最大排列长度3980m,斜交观测系统;句容三维采集参数为:面元10m×10m,接收线距110m,炮线距190m,覆盖次数54次,最大排列长度1850m,斜交观测系统。与以前的二维资料相比,得到的三维资料的浅、中、深层信息更加丰富、信噪比更高、构造更为清晰(图1)。

图1 句容地区前期高密度二维地震剖面(a)与三维地震剖面(b)对比

常州和黄桥地区大排列、宽线、高覆盖次数地震采集技术研究。

针对下古生界深层地震资料信噪比低、有效反射能量弱的问题,于2014—2016年在常州和黄桥地区先后实施了4期大排列、宽线地震采集攻关,针对不同排列长度(6395～10810m)、不同覆盖次数(750～1600次)、不同接收线数(3～5线)等重点参数进行了试验研究和结果分析。从得到的资料看,大排列、高覆盖次数、宽线地震观测显著提高了资料的信噪比和深层地震反射能量。

首先,进行了利用大排列地震观测提高深层反射资料信噪比的试验,分析实际资料发现,大部分远偏移距信号的信噪比明显高于近偏移距信号,下古生界有效地震反射主要在中、远偏移距(图2);其次,进行了高覆盖次数、宽线地震观测试验,实际资料表明,高覆盖次数和宽线采集提高了地震波场的采样率,改善了成像效果(图3),这主要得益于宽线观测的3个优点:①扩大横向组合基距,提高了组合去噪能力,②横向上倾角扫描叠加,提高了叠加效果,③成倍增加覆盖次数,改善了低信噪比资料品质[16-17]。

1.2 城镇工业发达区高效激发技术

1.2.1 流沙层钻成井工艺

首先,利用滚动排列进行试验,结合钻井、岩性录井及微测井成果,对表层岩性平面分布与变化情况进行精确描述,确定流沙层发育区。钻井过程中采用泥浆代替以往的清水钻井液,并研制形成了“慢速钻进、快速提杆、快速下药、套管护壁、陶土固井”的五步法流沙层钻成井工艺,有效解决了流沙塌井、成井难题。从图4可看出,应用该技术后,地震资料信噪比有很大提高。

1.2.2 优选激发点位与岩性

采用微测井方法开展精细表层结构调查,依据调查结果优选激发岩性;通过充分的饱和激发试验优选激发药量、井深及组合激发方式;开展药量与安全距离关系评估,明确不同障碍物不同距离下的安全药量,指导野外放样及药量设计;适当增大最小偏移距,降低障碍区浅井小药量等低效炮比例;利用障碍物统计结果进行模拟放样,并进行室内正点率、药量分布情况及覆盖次数统计和分析,通过多轮次现场踏勘和室内、室外交互结合与分析,进行实时、实地多次放样微调,从而规避大型干扰源及禁炮区,优化测线布设,确保测线完整、缺口可控。

图2 下扬子地区不同偏移距范围地震采集叠加剖面对比

图3 下扬子地区不同接收线数和覆盖次数叠加剖面对比a 单线接收320次覆盖叠加剖面; b 三线接收960次覆盖叠加剖面; c 五线接收1600次覆盖叠加剖面

图5为优选激发点位与岩性前、后的宽线叠加剖面。从图5中可以看出,优选激发点位与岩性后的剖面深层反射能量得到了增强,成像效果显著改善。

图4 流沙层钻成井工艺应用前(a)、后(b)单炮记录对比

图5 优选激发点位与岩性前(a)、后(b)宽线叠加剖面

2 下扬子地区地震资料处理主要技术方法

2.1 弱反射信号的保护与提取技术

针对研究区地震资料振幅弱、连续性弱等特点,采用了分频噪声压制和奇异值分解(SVD)等方法实现信噪分离并保护有效信号。具体思路如下。

1) 考虑强低频干扰是影响SVD方法效果的关键因素,在应用SVD方法之前应尽量压制低频强干扰。首先进行噪声频带分析,然后根据噪声频带分析结果将噪声的优势频带信息分离出来,再对低频噪声进行压制,最后再将该部分频带的有效信息提取出来与有效频带信号进行重构。

2) 应用CMP域SVD方法对压制了低频噪声的数据进行有效信号的识别和提取[18]。SVD方法应用的基础是有效信号具有相关性的特点,地震数据经奇异值分解后,会按结构特征和能量大小分解为若干个特征值;剔除环境噪声的特征值,保留有效信号的特征值并进行重建,进而提高资料的信噪比,实现有效信号的提取。

3) 识别并提取弱信号后,再结合井资料及野外实测结果求取能量吸收衰减系数(改变传统的利用速度曲线法)进行能量和频率补偿[19],最终提高弱信号的信噪比和连续性,实现弱信号的有效叠加成像。

图6对比了常州地区地震资料弱信号能量和频率补偿处理前、后的单炮记录,可以看出,处理后的单炮强干扰噪声得到很好的压制,深层弱有效信号得到很好的保护。

2.2 多元约束深度域速度建模与成像技术

针对研究区存在的推覆构造和地层倒转情况,采用基于表层结构调查和井资料约束的速度建模技术和地质目标约束的速度分析与建模技术进行多元约束深度域速度建模,并通过正演模拟进行质量控制[20]。在建模过程中,结合地质解释结果和认识[21],加强对地层和断面的判断识别,在构造变化较大部位加密速度信息,精细刻画构造细节。

由于不同偏移距资料在有效波、干扰波及信噪比等方面的特征差异明显,因而不同偏移距资料的叠加贡献差异较大。针对沿层和垂向剩余速度分析问题,采用了选择优势偏移距进行速度分析,使能量聚焦,获得最佳速度能量团,这种方法是适合低信噪比速度分析的有效方法;针对沿层速度分析问题,重点是通过剩余速度谱参数优化以及多参量判别来提高速度拾取的可靠性。

在建立准确速度模型的基础上,采用叠前深度偏移成像技术实现了研究区地震资料的高精度成像。从图7可见,采用该方法获得的成果剖面与老资料相比,印支面与下伏地层的地层接触关系更加清楚,成像质量明显提高。

图6 弱信号能量和频率补偿处理前(a)、后(b)单炮记录对比

图7 多元约束深度域速度建模与成像技术应用前(a)、后(b)黄桥三维成像剖面对比

3 地震勘探攻关效果分析

3.1 采集处理效果分析

经过前期攻关,在黄桥和句容地区基本解决了中、上古生界的地震成像问题,取得的成果有效支撑了勘探部署。

原始单炮记录品质得到提升,前期采集单炮记录表现为频带窄、主频低、信噪比低等特点;攻关采集单炮记录信噪比提高(信噪比大于1的单炮比例约50%),地震记录频带宽度提高(沙层激发单炮记录有效频带宽度8～55Hz,流沙层为8～50Hz,硬沙层为6～60Hz),单炮受吸收衰减影响效应降低,炮间能量更加均衡。

以往二维地震资料仅获得了新生界及印支面的较高信噪比反射波组,未能获得有效的古生界内幕地震反射资料,地震解释主要对印支面进行追踪对比,解释模式以正断层为主,与区域地质特征不相符;在黄桥、句容地区攻关获得的三维地震资料上古生界地震反射波组信噪比较高,目的层波组特征清楚,层间信息丰富,地层接触关系清楚,相比较于前期二维资料提高了断层识别能力与解释精度(图8)。

在常州地区首次得到了大面积、可连续追踪的下古生界地震反射波组资料,基本满足了研究区构造解释和区带评价的需求;根据攻关研究得到的成果资料部署实施了东深1井,该井的VSP测井结果表明,地震攻关得到的地震资料波组可靠、构造成像准确(图9)。

图8 黄桥前期二维地震剖面(a)与三维地震剖面(b)对比

图9 常州宽线成果剖面与东深1井VSP测井联合标定

3.2 勘探成果

经过井震联合层位标定、构造精细解释、地震属性分析和沉积相带的研究,建立了研究区的4种构造模式,对下扬子地区古生界储层有利发育区进行了预测和评价,发现和落实了一批有利区带及圈闭。

首先在深入分析构造演化的基础上,结合地表露头、地震、钻井等资料建立地质构造解释模型;其次,根据钻、测井资料进行层位标定,在此基础上进行层位追踪,同时依据测井资料确定各地层的岩石物理参数。地震解释与构造演化特征分析结果表明,黄桥地区在印支-早燕山期先后经历了由北向南及由南向北两期的区域挤压推覆构造运动,形成了“薄皮”构造,到了晚燕山-喜山期,黄桥地区应力场由原来的挤压转变为南东—北西向的拉张,表现为整体下降,形成拉张断陷;句容地区现今构造格局主要受燕山期构造运动控制,印支期为由北西向南东逆冲推覆构造运动,燕山期由南东向北西滑动挤压,形成逆冲的构造模式。

在区域构造演化历史及应力应变特征认识的指导下,结合主要构造剖面解释成果,建立了研究区的4种构造模式:①拉张模式,主要发育在印支面,拉张应力下形成的正断层控制了中部隆起的构造边界;②正、逆断隆模式,位于黄桥地区南部,受早期挤压作用下形成的逆冲断层与反转作用下形成的倾向相反的正断层共同控制,形成了低幅度的断鼻构造;③隆凹相间模式,主要形成于龙潭组的顶、底界面,全区均匀分布,对冲形成断凹,背冲形成断隆;④早挤晚拉模式,是指印支运动前属挤压、印支运动后属拉张,主要形成于龙潭组至印支面。

在进行地震处理成果的时深转换时,首先利用合成记录标定所得时深曲线在空间上进行线性插值,建立初始速度场;其次,利用解释层位约束,对初始速度场进行修正,此时考虑了构造形态对速度的影响;最后,利用钻井地质分层对上步形成的速度场进一步修正,建立最终空变速度场,获得构造图,提高层位深度预测精度。

通过地震资料解释及综合评价,发现和落实了一批有利区带及圈闭。根据黄桥三维地震综合评价结果,部署评价井2口,溪3井试获工业油流2.8t/d,产CO23.76×104m3/d;溪平5井试获工业油流2.3t/d,产CO21.1×104m3/d,落实龙潭组油藏含油面积2.67km2。句容三维查明了句容地区西北部官庄构造的细节,根据解释成果部署实施了官庄1井、句平2井两口探井;官庄1井在青龙群、龙潭组见良好油气显示,该井VSP测井结果验证地震解释层位标定准确;句平2井是一口沿青龙群组顶部钻探的水平井,见27.5m油层。

4 下一步地震攻关方向

下扬子地区上古生界构造复杂、地层破碎、逆断层发育。从取得的资料看,构造高部位反射平稳,同相轴特征清晰,解释结果相对可靠。而构造两翼地层产状较陡,同相轴能量较弱,断层难以识别,地层难以有效区分,解释结果具有多解性。下古生界地震反射资料仍然存在信噪比和分辨率偏低的问题。地震资料品质依然限制了对下扬子地区的沉积特征、构造样式和成藏规律等的地质认识,因此有必要进一步开展地震攻关研究,持续提高地震资料品质,解决地表和地下构造均极为复杂条件下的地震勘探难点。针对上古生界极其复杂的构造条件,重点开展高密度三维地震观测系统优化设计的技术攻关,在资料处理上应重点开展复杂构造高精度速度建模、各向异性叠前深度偏移等技术的研究与应用;针对下古生界特低信噪比地震资料特点,应进一步探索提高地震激发效果的技术攻关,开展低信噪比地震资料成像处理技术研究。基于前期攻关研究取得的成功经验,下一步地震攻关研究建议围绕以下四个方面展开。

4.1 满足叠前成像需要的观测系统设计

在观测系统设计上,以构建近地表模型和构造模型为基础,以正演模拟为手段,从成像角度出发,开展基于模型模拟的满足叠前成像的观测系统设计优化工作。基于叠前深度域成像对地震资料的基本要求(采样的充分性、连续性、均匀性及对称性),针对复杂地质目标,首先进行全方位参数论证;其次在目标区典型地表条件、地下构造复杂区进行正演模拟,通过波动方程地震照明分析评估不同观测系统的采集效果,同时针对强反射面、复杂构造等特殊问题进行观测系统的局部优化,最终提出能有效提高下古生界地震资料品质的地震采集观测系统。建议选择激发岩性稳定、地表障碍相对稀疏的区域,实施束状三维采集试验,探索高密度、宽方位三维地震观测解决下古生界复杂问题的能力。

4.2 持续开展提高地震激发效果的研究

低频信号具有相对稳定、传播距离远、穿透力能力强的特点,能更好地识别深层及屏蔽层下的地质目标,此外,丰富的低频信息有助于深层地震成像。与炸药震源相比,低频可控震源能够激发出更丰富的低频信息。因此,建议选择合适工区实施可控震源低频激发试验,同时优选合适的检波器,增强深层低频有效信息的获得。

此外,建议探索新型震源(延迟爆炸震源、地表减震震源、聚能震源、高能震源等)的开发与利用,降低地面破坏,提高激发效果。

4.3 深化低信噪比地震数据的成像研究

4.3.1 多波分离技术研究

远偏移距地震记录中折射波十分发育,有效信号难以识别,有必要针对折射波的特点,开展地震波场的速度、频率、振幅等参数分析,进而识别有效信号;研究如何利用分频去噪技术和相干噪声分离技术等压制中、高频随机噪声,保护并提取中、低频弱有效信号。

4.3.2 超面元叠加去噪技术研究

地震反射波的能量是由整个菲涅耳带内所有反射能量组成的。应用菲涅耳原理,在菲涅耳带内优化最佳成像共反射面元,然后利用射线旁轴近似理论,将不同CMP道集的数据校正到反射面元中心点的CMP道集上,从而实现不同CMP道集的叠加,提高深层覆盖次数,保护深层低频有效信号,消除构造假象。

4.4 开展各向异性处理方法研究

下扬子地区各项异性问题突出,常规速度分析方法精度较低。各向异性成像处理是解决此问题的关键,从各向异性偏移速度分析入手,通过求取各向异性参数,实现非双曲时差校正,使大炮检距处同相轴校平,进而保留大炮检距处的资料,提高成像质量。

5 结论

通过高密度采集、三维地震观测系统设计、流沙层钻成井工艺、多元约束深度域速度建模和叠前成像等技术的有效应用,获得了下扬子地区黄桥和句容工区较高信噪比的青龙组、龙潭组、栖霞组等上古生界地震反射资料,地震资料解释发现和落实了一批有利区带及圈闭,支撑了研究区的油气勘探工作;通过大排列、宽线、高覆盖次数地震采集技术以及偏移距优选分析与叠加等技术的联合应用,首次取得了下扬子地区常州和黄桥工区大面积、可连续追踪的下古生界反射资料,东深1井的钻探结果验证了地震资料对下古生界构造解释的可靠性与准确性。

下扬子地区油气地震勘探仍面临一些瓶颈问题,古生界地震资料品质仍有待进一步提高。基于前期地震攻关研究的成果和认识,建议进一步开展以下研究工作:以基于正演模拟研究的满足叠前成像的观测系统设计,持续开展提高地震激发效率的研究,深化低信噪比构造复杂区高精度成像处理方法研究和开展各向异性处理方法研究等。