广角地震反射在四川盆地超深储层勘探中的应用

2021-01-11杨智超敬龙江王雪梅周晓冀

天然气勘探与开发 2020年4期

杨智超张孟敬龙江胡峰王雪梅周晓冀张鹏刘伟

中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西南物探分公司

0 引言

地震波激发后，经过长距离传播，能量和高频信息会被地层吸收衰减，同时，当地腹存在高速屏蔽层时，高速层对地震波向下传播及深部地层反射信息向上传播都起到屏蔽作用，使得深部地层的反射信息难以获取，如果深部目的层波阻抗差值或反射系数较小，则地震反射波能量较弱，再加之噪声的干扰，导致深部地层有效反射信息难以识别。研究发现[1-7]，随着偏移距的不断增大，当地震波的入射角大于临界角时，会收到一些特殊的波——广角反射波，也叫超临界角反射波。地球物理学家们研究通过接收超临界角反射波并处理成像，来提高深层反射能量，从而提高地震资料品质。近年，国内在塔里木盆地利用广角反射获得的古生界尤其震旦－奥陶系资料，波组特征明显、断裂特征清晰，窄陡构造内部成像有明显改善，断裂带内和构造带轴部中深层反射信噪比有较大提高。在鄂尔多斯盆利用广角反射信息，处理剖面的主要目的层的能量、信噪比、连续性得到明显改善。四川盆地震旦－寒武系储层油气资源丰富，屡屡获得高产天然气井，但是，该储层埋藏深度一般在6 000 m以上，储层与围岩间的波阻抗差异小，反射系数小，常规地震勘探获得地资料反射能量弱，资料信噪比低，为了能提高四川盆地震旦－寒武系等超深层油气的勘探精度，笔者利用广角反射对震旦－寒武系储层勘探进行了探讨，对震旦－寒武系储层广角反射的特征有了清楚的认识，同时也获得高品广角反射资料。

1 广角反射原理

根据弹性波动力学的有关理论,当一个波入射到两种介质分界面上时,可能产生两种反射波和两种透射波。设界面两侧的纵横波速度和密度分别为vP1、vS1、ρ1和vP2、vS2、ρ2，入射角为 α ，则所产生波的传播方向和能量分配由 Snell 定律和 Zoeppritz 方程给出：

式中RPP、RPS、TPP和TPS分别表示反射 P 波、反射SV波、透射 P 波和透射SV波的反射（透射）系数；α、β、α′、β′分别为以上4个波的反射（透射）角。当vP1＜vP2,且入射角α＞arcsin[vP1/vP2]时，产生广角反射。

经过前人几十年的研究，经过理论公式推导和模型正演，形对广角反射波的波场特征和传播动力学特征有了较清楚认识。广角反射产生的条件是，下覆地层层速度v2要大于上覆地层层速度v1，上下层速度比值越大，引起超临界角反射的入射角越小，入射角越小，产生超临界角反射的最大炮检距也就越小。研究证实[8-12]，广角反射与正常反射的波组特征相比具有以下特点：①超临界反射的能量是一般反射能量的几倍到几十倍，因而能在远排列接收到临界角反射；②超临界角反射同相轴为非双曲线，其相位相对一般反射将发生变化；③超临界角反射的频率偏低。由于广角反射具有与一般常规地震勘探不一样得特点，因此，在资料采集中，要获得有效的、高品质的原始资料，就需要不一样的观测参数和采集参数。在广角反射资料处理中，对相位、振幅和频率的一致性校正技术，对大偏移距资料动校正技术，以及远近偏移距资料成像技术也有着更高的要求。

2 应用实例

2.1 工区概况

试验区位于四川盆地西部和中部地区（图1中蓝线是试验线），工区地表属丘陵低山地貌，地势平缓，海拔主要介于250～700 m，地表地层出露侏罗纪和白垩纪地层，局部被第四系砾石层覆盖，地震地质条件较好。地覆构造简单，地腹构造为平缓构造，主要目的层震旦系地层埋深在6 000 m以上，面临的主要问题是目的层埋深大，反射能量弱，资料频率低，易受干扰波影响，难以保证信噪比。如何设计合理的观测参数、野外施工如何做才能保证获得高品质广角反射资料，难度极大[13-15]。

图1 试验线位置示意图

2.2 观测系统设计

广角反射波只在临界角范围外出现，因此排列长度设计的合理性将直接决定是否能接收到广角反射信息，而排列长度的设计的重点将会聚焦在寻找临界角的位置，从而得出能接收到广角反射的偏移距范围。实际操作中，可以利用斯奈尔定律计算出接收广角反射所需偏移距。偏移距分析步骤如下：①调查探区地质条件，结合目标探区过往资料，研究探区地质构造形态，建立探区地下地层模型；②根据广角反射的形成条件，结合探区地下地层信息，合理选择激发、接收排列的布设方式，计算出能获取广角反射信息的理论炮检距离；③利用正演计算所得的理论值设计探区的大偏移距观测系统，通过对模型的正演实验确定能获取广角反射信息的偏移距范围；④综合分析探区勘探目标、地质信息及经济指标，确定最后的观测系统设计方案。

图2 灯三段地震反射系数随偏移距和入射角变化图

图2是利用Zoeppritz 方程计算的地震反射系数随偏移距或入射角的变化曲线图，得到超深目的层震旦系灯三段的反射系数曲线。结果表明，灯三段反射在入射角达到50 左右，偏移距10 km左右时，反射系数会快速增大，即产生广角反射。

通过构建高精度地质模型，利用波动方程正演，可以更清晰反映广角反射信息随炮检距增加，能量、相位的变化情况，更准确获得满足广角勘探所需的最小偏移距。图3是通过波动方程正演的川中试验区资料，主要正演了须家河底界、阳新统底界、震旦系灯三组底界3套地层的地震波场情况，图3中上图是正演的炮集资料，在偏移距10 km后可以清楚看到反射能量由强变弱，再由弱变强的转变过程，图3下图是上图的局部放大，可以清楚地看到各地层反射的相位变化过程，由波谷波峰波谷的相位，逐渐变化成波峰波谷波峰（图中蓝色代表波谷，红色代表波峰，即反射波由蓝红蓝，变成红蓝红）。在大偏移距位置，反射能量的由弱变强，表明了地层反射系数的变大，即出现广角反射。

图3 基于模型的弹性波正演单炮剖面图

针对四川盆地川中地区的超深层寒武系及以下的震旦系，根据参数论证结果（偏移距大于10 km），同时考虑广角反射资料成像的需要，确定野外采集中的最大偏移距采用16 km。

2.3 广角反射资料采集

四川盆地川中地区的寒武系及震旦系埋藏深，其波阻抗界面也不明显，属于弱反射，再加之超大的偏移距，意味着地震波要经过超长的传播距离。同时，四川盆地人口密集，环境噪音强，要获得高品质的超深地层的广角反射信息，难度远远超过常规地震勘探。在采集施工中，首先要保证激发的效果，既要保证能量充足，还要保证激发频率尽可能的高。针对砂泥薄互层的地表，根据地震波激发能量、频率、衰减情况，结合高精度的近地表调查结果和录井资料，优选激发岩性和激发井深的技术，确保了目的层能量和频率。接收环节方面，利用遥感信息中的坡度、湿度、植被发育程度等信息，优选接收物理点，在检波器埋置过程中实行精确化、程序化控制，即针对不同地表条件，制定不同的埋置流程和方法，如森林区，进行挖坑去腐殖层及根系后埋置（15 cm边长的方形坑，坑深20 cm ）。岩层裸露区，按照电钻打孔填土插紧夯实的流程进行埋置。硬化地面区采用平底检波器埋置精细施工技术，水田区采用挖淤泥围坑硬底埋置技术。针对强的人为干扰，对干扰源提前摸排，分级、分类控制，实时动态监控。将干扰源分为可完全协商关停、部分协商关停、不可协商关停3类。针对可完全协商关停的干扰源进行联系关停，针对部分协商关停和不可协商关停的干扰源，提前干扰调查，掌握干扰范围、频率、强弱变化情况，以便有目的性的开展降低干扰协调工作。同时，在采集实施过程中，实时动态监控干扰情况，根据干扰的强弱活动规律，找到其干扰最低的值和时间段，设定允许采集施工的干扰最高门槛值，确定最佳施工时间。对采集的资料，利用自动分析质量监控软件，实时精确评判资料的能量、频率、干扰和信噪比情况。这些技术，有效保证了采集资料的质量。图4是采集的广角反射原始记录，获得了较清晰的广角反射有效波信息。

2.4 广角反射资料处理

图4 川中地区广角反射原始单炮记录图

广角反射波发育区波场比常规地震勘探复杂得多，折射波与广角波互相干涉、上覆地层反射波与下方地层反射波互相重叠。同时，广角波处在反射系数振幅、相位剧烈变化区域，随着地层的变化同一界面不同位置的临界角还会变化，情况愈加复杂，地震振幅不能代表地下反射系数，地震勘探多次覆盖的方法失效。广角反射资料处理主要面对3个难题：①如何有效分离出有效反射，并保证其能量和频率；②如何减小大偏移距资料在动效正过程中拉伸畸变的影响；③如何校正广角反射的相位，保证其成像。

针对区内不同类型的噪声的去除，遵循循序渐进、逐步去噪、分频去噪、多域去噪原则。采用F-k域、F-x域噪声压制，异常振幅压制等多种去噪技术方法，并把它们有机地结合起来。从图5中可以看到，通过精细的噪声压制，干扰波得到了有效衰减，突出了有效信息，噪声压制效果明显。

由于广角反射不具有双曲线特征，利用常规校正方法，动校正效果会比较差（图6）。采用4次高阶动校正+各向异性动校正后，对于浅中深的地层的大偏移距资料，都能较好的校平（图7），通过对校正后的道集资料分析，在四川盆地川中地区，入射角50 以外的反射信息，可以判断为广角反射信息。

图8是采用了各项异性+4次高阶动校正后全偏移距（入射角0～60 ）叠加剖面，寒底反射层附近弱反射同相轴能量得到的一定幅度的提升。图9是经过各项异性+4次高阶动校正处理的入射角0～40 小偏移距资料叠加剖面。明显可见入射角0～40 小偏移距资料成像效果优于全偏移距成像效果，浅、中、深层成像无论信噪比还是分辨率均有所降低，波组特征还存在一定差异。造成这种现象的原因就是因为广角反射的相位变化所导致。图10是入射角40 ～60 大偏移的广角反射叠加剖面，广角反射的同相轴较连续，信噪比较高，但是与小偏移距正常反射波剖面相比，成像效果还不够理想，并且二者间还存在波组特征差异。