宽方位宽频带保幅处理技术在页岩油勘探中的应用

2021-06-22张丽艳黄一鸣李士超姚玉来

地质与资源 2021年3期

张丽艳，李昂，黄一鸣，李舰，李士超，姚玉来

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110034；

2.大庆油田勘探开发研究院，黑龙江大庆163712

0 引言

随着常规油气产量的不断下降，勘探理念逐渐由常规油气勘探转向非常规油气勘探，非常规油气资源已成为油气勘探的重要目标之一［1-2］.非常规油气勘探中的页岩油、页岩气勘探开发是目前国内各大油田增储的热点领域.国外进行页岩油勘探相对较早，主要是美国和加拿大.美国页岩油的勘探开发主要集中在Bakken、Eagle Ford和Barnett等海相页岩层系内.其页岩油产量从2005年开始迅猛增加，2011年达到了2 973×104t，2012年页岩油产量达到顶峰，相当于其国内石油产量的12.5%.中国对页岩油的勘探开发相对较晚，在借鉴国外的页岩油勘探开发经验的基础上，结合中国基础地质条件的差异进行了不断的探索，取得了一些理论认识和实践进展［3-4］.松辽盆地、渤海湾盆地、南襄盆地等中生代、新生代陆相盆地的泥页岩层段中，相继已不同程度地获得了工业油流.辽河油田曙古165井沙河街组三段泥岩裂缝井段获自喷性工业油流，产量最高达24 m3/d.渤海湾盆地的济阳拗陷，在沙河街组一段、沙河街组四段页岩中获得低产油气流.三塘湖盆地马朗、条湖凹陷二叠系芦草沟组4口井获得工业油流［5-6］.中国地质调查局沈阳地质调查中心2017年分别在松辽盆地北部齐家凹陷杏西地区和古龙凹陷巴彦查干地区部署实施了松页油1井、松页油2井钻探工程.两口井在青山口组一段泥岩储层段直井压裂均获得了3 m3/d以上的页岩油工业油流，实现了松辽盆地北部页岩油调查的重大突破，随即部署的两口水平井松页油1HF井和松页油2HF井获得了10 m3/d以上的高产工业油流，带动了松辽盆地页岩油勘探开发的步伐.

松辽盆地拗陷期地层自上而下发育有黑帝庙、萨尔图、葡萄花、高台子、扶余、杨大城子6套油层，是目前勘探的主体.青山口组是主要生油层，尤其是青一、二段暗色泥岩是主力生油层，有机质丰度好，成熟度高，凹陷主体区Ro为1.0%～2.0%，青山口组一段成熟度高，是页岩油勘探的重点层系.大庆油田在松辽盆地北部钻遇青山口组的钻井有1330口，主体区已被三维地震所覆盖，面积约16 075 km2.青山口组泥岩见油气显示井77口，试油井40口，工业井9口.6口井位于古龙凹陷内，3口井位于齐家凹陷内，齐家－古龙凹陷是页岩油勘探成果最好的地区.

页岩油储层类型主要有两种：一种是基质孔隙为主要储集空间的的泥页岩储集层，即基质型；第二种是大规模天然裂缝十分发育的泥页岩储集层，即裂缝型.无论是哪种类型的储层，地震勘探对于页岩油储层预测和甜点识别都非常重要，如何提高页岩油储层的成像精度是页岩油地震勘探的重要环节.宽方位三维地震技术是一种前缘性地震勘探技术，能够提供高品质地震资料，利用其解决相对较难的地质问题.宽方位地震采集可以获得较完整的地震波场信息.利用宽方位资料可以增强地层断层、岩性及裂缝的识别能力，在解决各向异性问题方面也具有较大的优势［7-9］.本文以松辽盆地齐家－古龙凹陷Y88研究区为例，利用宽方位资料进行针对页岩油储层处理，分析了宽方位资料的波场特征、信噪比及频率等特征，在此基础上确定了宽方位资料的处理流程，并采用了宽方位、宽频带的高分辨率保幅特色处理技术提高成像精度，从而体现了宽方位地震勘探对页岩油储层刻画的优势.

1 研究区地质概况及原始资料分析

研究区位于松辽盆地北部长垣南齐家-古龙凹陷中，见图1（蓝色方框标注处）.研究区地势总体较为平坦，呈现东部低、西部高的特征，高程范围在海拔125.9～165.1 m.通过对研究区地表调查发现，研究区地物主要以村镇、皮革城、采油作业区，沼泽草地、林带、稻田、耕地为主（图2）.其中，农田区主要位于研究区中、东部，海拔高程介于130.1～145.1 m，占全区面积的47.2%；沼泽草地区位于研究区西南部，海拔高程在128.1～130.1 m，占全区面积的15.4%；高岗耕地区位于研究区西部，呈南北向条带状分布，海拔高程145.1～165.1 m之间，占研究区总面积的28.6%.研究区表层结构简单，大部分为两层结构，低速层速度190.8～800 m/s，厚度1.4～15.7 m.研究区采集观测系统参数如表1所示.从表1可以看出，本次地震采集的观测系统类型正交观测系统：面元大小为10 m（纵）×20 m（横），覆盖次数为192次，采样间隔为1 ms，纵横比为0.75，为宽方位采集.

图3 为研究区不同位置的原始单炮记录，从图3中可以看出，研究区内发育面波（蓝色方框）、折射波（绿色方框）等规则干扰，以及强机械、强环境产生的异常振幅值（红色方框）和高频随机噪音等不规则干扰波.其中，面波的频率较低，全区分布，扇形特征清楚，视速度在300～650 m/s之间，能量较强，对资料的品质影响较大.高岗区低降速带厚度不断变化，折射波干扰严重，同时伴生大量低速线性噪音.线性噪音视频率5～23 Hz，视速度100～300 m/s，折射波视频率5～25 Hz，视速度1 500～2 500 m/s.全区的静校正问题比较严重，尤其是高程变化剧烈区（高岗区）.从原始资料叠加剖面图（图4）可以看出，高岗区静校正问题比较突出，而由于静校正问题突出导致同相轴横向连续性变差，成像困难.从整个研究区的信噪比（图5）可以看出，研究区的信噪比为0.7～1.3.图6有效信号频谱图中显示出整个研究区有效信号的频带大约为5～65 Hz.

图1 研究区构造位置图Fig.1 Tectonic location of the study area

表1 Y88北三维地震采集观测系统Table 1 3D seismic acquisition geometry in northern Y88 area

图2 研究区卫星图像Fig.2 Satellite image of the study area

图3 不同位置的原始单炮Fig.3 Original single shots in different locations

图4 原始资料叠加剖面Fig.4 Stacked profile of original data

2 宽频带处理技术

结合上述原始资料特征和本研究区地质任务，主要采用宽频带、宽方位地震处理技术进行提高分辨率处理，其具体处理技术流程如图7所示.流程中绿色的部分是处理的关键技术，主要包括模型约束的高静校正技术、多域分步去噪技术、近地表吸收衰减补偿技术及宽方位OVT（炮检距向量片）域处理技术.

2.1 模型约束的层析静校正技术

由于本区地表条件复杂，低降速带速度、厚度变化大，造成静校正问题比较突出.仅依靠表层调查资料的静校正方法不能有效地解决静校正问题，而折射波静校正又不能很好地解决中低频静校正量，所以需要综合折射波信息和表层调查资料来解决.本文采用折射波层析静校正与微测井静校正相结合的方式计算静校正量.首先将两种方法求得的炮点、检波点的静校正量，分解成低频分量和高频分量，应用层析静校正量的高频分量和微测井静校正量的低频分量相结合求取全区统一静校正量，解决研究区的静校正问题，最终依靠精细速度分析与剩余静校正迭代解决剩余静校正量，保证地震低、中、高频信号实现同相叠加.图8是静校正前后叠加剖面对比，可以看出，模型约束的层析静校正能够有效地解决静校正问题，尤其是高岗地区的静校正问题（图中蓝色方框标注处），静校正后剖面的同相轴更连续，信噪比得到提高.

图5 信噪比图Fig.5 Signal-to-noise ratio map

图6 有效信号频谱Fig.6 Effective signal spectrum

图7 宽方位宽频带地震资料处理技术流程Fig.7 Processing flowchart for wide-azimuth and broadband seismic data

2.2 多域分步去噪技术

该研究区地表条件复杂，地表障碍物多，信噪比差异较大，干扰波类型较多.且不同区域（耕地、草地、高岗、村镇等）干扰波发育不同.在叠前去噪处理时，针对面波、浅层折射波、异常幅值等干扰波在频率、能量和视速度等方面与有效波存在一定差异的特点，在叠前识别并去除，整体的原则就是在进行压制噪音的同时，确保有效波的损失控制在最小，在相对保真的前提下提高资料的信噪比.

图8 静校正前后剖面对比Fig.8 Comparison of profiles before and after static correction

由于研究区普遍存在面波干扰，对近道产生严重的影响，其频率主要在12 Hz以下，视速度在300～650 m/s之间.根据其低频、强振幅的特点，采用区域异常噪音衰减技术对面波进行压制，具体做法：首先对原始单炮进行分频处理，利用低频段面波能量较强的特点，与中高频段有效信号较强的能量做比值处理，通过设置门阈参数，以此来识别面波的能量，并设计衰减因子，求出低频段的有效信号并从低频段减去，这样就估计出了面波的能量，然后再从原始单炮中减去，求出的面波能量，即可完成对面波衰减.这种方法最大的特点是相对保幅性较好，在衰减面波的同时可以很好地保护低频段的有效信号.针对折射波干扰，采用F－X域的信噪分离方法.由于其干扰能量较强，干涉频带较宽，压制较为困难，且容易伤害到有效信号.同时由于折射干扰在炮域的线性特征比较明显，因此采取在炮域对其进行压制，再根据折射波在不同区域的频率、线性特征和发育程度不同，采取分区压制折射波干扰.对于部分单炮上存在的幅值较大的异常振幅干扰，主要根据这些噪音的振幅能量与有效波振幅能量的明显差异，采用地表一致性异常振幅压制技术对其进行压制.

图9 去噪前后叠加剖面对比Fig.9 Comparison of stacked profiles before and after denoising

通过采取上述综合性的处理方法对研究区噪音进行去除，对比叠前综合去噪前后的叠加剖面（图9）可以看出，叠前去噪有效地去除了面波、折射、异常振幅等干扰，剖面信噪比明显提高，各反射层的连续性得到增强.从去噪前后的信噪比图（图10）可以看出，去噪前剖面的信噪比0.7～1.0（图10a），而去噪后信噪比提高到1.3～3（图10b），信噪比得到了大幅度的提高.

2.3 表层吸收补偿技术

近地表吸收衰减了一部分有效地震信号.另外，由于近地表介质的吸收和频散作用的横向变化，造成能量和相位的不一致，对成像也会产生很大影响.所以，要提高地震资料的分辨率，就必须解决地层的吸收衰减问题，特别是近地表的吸收问题.地表调查的微测井资料中包含了大量的表层信息，地面检波器或井底检波器接收的地震信号，其振幅及频率变化规律能够较好地反映表层吸收情况，因此，利用微测井资料获得高精度近地表Q（品质因子）值，通过反Q滤波处理，可以有效提高地震资料的分辨率.具体做法：首先，利用微测井资料求取表层绝对Q值.其次，利用地震资料求取相对Q值.用微测井井点的绝对Q值标定相对Q值，建立整个研究区的Q场，最后利用稳健的反Q滤波方法进行近地表吸收衰减补偿，使有效信号得到较好的恢复.将该方法应用于整个研究区进行近地表吸收衰减补偿，使高频端得到较好的恢复.图11为近地表吸收衰减补偿前后的剖面对比.从图11可以看出，经过近地表补偿后，高频端得到较好的恢复，弱信号的能量得到加强（图中蓝色方框标注处）.从图12可以看出，近地表吸收衰减补偿前剖面的频带宽度为3～36 Hz，补偿后剖面的频带宽度为4～44 Hz，与近地表吸收衰减补偿前相比经过表层Q补偿后的剖面频带拓宽7 Hz左右.

图10 去噪前后信噪比对比Fig.10 Comparison of signal-to-noise ratios before and after denoising

图11 近地表吸收衰减补偿前后剖面对比Fig.11 Comparison of profiles before and after near-surface absorption attenuation compensation

图12 近地表吸收衰减补偿前后频谱对比Fig.12 Comparison of spectrum before and after near-surface absorption attenuation compensation

3 宽方位处理技术

本研究区资料的纵横比达到0.75，为宽方位采集，能够更全面的刻画地下的波场信息和弥补照明引起的不均现象，所以针对宽方位资料应该采取针对性的体现宽方位特征的处理技术，既OVT域的处理［10-12］，主要包括OVT域的去噪、规则化、偏移以及各向异性校正等处理.因为方位各向异性特征在宽方位资料上表现的更完整，通过方位各向异性校正处理，能够消除各向异性的影响，提高地震资料的分辨率［13-16］.

OVT域叠前时间偏移与共炮检距域叠前时间偏移均采用克希霍夫叠前时间偏移方法.由于受束状观测系统的影响，不同炮检距的覆盖次数存在差异，造成共炮检距域叠前时间偏移后的CRP共反射点道集会存在能量不均衡现象，表现为道集的中炮检距能量强，近、远炮检距能量弱，该能量关系不能真实反映地下地质层位空间能量的变化［17-20］.而OVT域偏移后的“蜗牛”道集解决了由于观测系统带来的叠前时间偏移后近、远炮检距能量弱的问题，能够更真实地反映AVO（振幅随偏移距变化）响应，同时由于方位信息的保留还可以有利的开展AVA（振幅随方位角变化）等流体检测工作［21-23］.图13为OVT域偏移后的道集进行方位各向异性校正前后的对比.图13a的OVT域方位道集体现的是在360°范围内，地震波场的随方位的变化，体现了地下方位各向异性的特征.其中紫色的线代表偏移距的变化，绿色的线代表方位角0～360°内方位的变化.从图13中可以看出，由于方位各向异性的影响，偏移后的方位道集存在波浪形曲线形状，这种特征在图中1.0～1.2 ms区间表现尤其明显（图中红色方框标注处），波浪形曲线的顶点和底点分别代表各向异性的主方向和垂直方向（也就是裂缝的走向和垂直方向）.通过方位各向异性校正后，消除了这种方位各向异性的影响，同相轴校平（图13所示）.图14是方位各向异性校正前后成像剖面的对比，可以看出，校正后的剖面（图14b）在成像精度和信噪比方面都要优于校正前的剖面（图14a），而且经过方位各向异性校正后，层间的弱信号能量得到加强（图中箭头指示处）.

图13 宽方位OVT域方位各向异性校正前后道集对比Fig.13 Comparison of gathers before and after OVT-domain wide-azimuthal anisotropy correction

4 应用效果分析

图15 、16为采用图7的处理技术流程进行处理的新老资料最终成像剖面及频谱对比.从二者的剖面可以看出，新处理后的成果能够使小断层成像更清晰，断点收敛更干脆，层间信息更丰富，整个剖面的信噪比相对较高（图15a）.另外从二者的频谱上也可以看出，新资料成果的有效频宽为6～82 Hz（图16中蓝色曲线），老资料成果的有效频宽为13～78 Hz（图16中红色曲线）.相比而言，新成果不但低频信息丰富，高频信息也远高于老资料，整个资料的频带宽度比老资料成果高11 Hz，对后续页岩油储层识别和甜点提供了高质量数据.