單點高密度地震技術進展、實踐與展望

王延光,尚新民,芮擁軍

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司,山東東營 257000)

勝利油田東部探區所處的濟陽坳陷油氣資源十分豐富,按照2005年全國第三輪資源評價,石油資源量為102.6×108t,目前探明石油地質儲量為53.2×108t,剩余資源量為49.4×108t,剩余資源豐度為16.5×104t/km2,坳陷中4個主力凹陷剩余資源量和剩余資源豐度均居中國石化所屬各凹陷前列[1],具有巨大的勘探潛力。

然而,濟陽坳陷地質條件異常復雜,被稱為“地質大觀園”[2],即形容為“一個摔碎了的盤子,又被人踢了一腳”,特殊的地質條件決定了其勘探歷程具有復雜性和漸進性的特點,作為對油氣勘探具有支撐作用的地震技術也因此不斷地發展與進步。從前期的光點地震、二維地震,到后來的常規三維、高精度三維,先后為坳陷內簡單構造油藏勘探、復式油氣藏勘探和隱蔽油氣藏勘探提供了強力的技術支撐[3-6]。

“十三五”以來,勝利油田進入到復雜隱蔽油氣藏勘探階段,勘探程度不斷提高,勘探對象日趨復雜,傳統的地震技術已不能滿足勘探開發的需求,規模儲量發現越來越難。為了破解生產難題,“十五”以來提出了高密度地震的設想[7],先后探索了數字單點、模擬小組合兩條技術路線[8-10],在國家科技重大專項和中國石化“十條龍”重大科技攻關項目的支持下,開展了大規模的先導試驗工作,結合工區地表地質條件,立足自身,提出了單點高密度地震技術概念,從“模仿”到“創新”,形成了實用的獨具特色的單點高密度地震技術,構建了高密度地震技術體系,先后完成了十余個單點高密度三維地震項目,勘探開發成效顯著,為我國東部成熟探區精細勘探、效益開發提供了技術支撐。

1 單點高密度地震技術內涵

1.1 勝利油田地震技術發展歷程

地質與物探相輔相成,異常復雜的地下地質條件以及大量的勘探實踐和較快的勘探節奏促進了物探技術的發展,使勝利油田成為我國許多物探技術的發祥地。同時地球物理技術不但推動了地質理論認識的提升和完善,而且很好地拉動、支撐了油田勘探增儲、開發建產。

自20世紀70年代以來,勝利油田地震勘探經歷了“二維地震—常規三維—高精度三維”3個階段[11],至2015年,勝利油田東部探區已實施三維地震250塊,合計滿次面積31000km2。油氣勘探,地震先行,每一次地震技術的進步都會帶來勘探的重大發現(圖1)。

圖1 勝利油田采用不同的地震技術得到的不同時期的探明儲量

20世紀80年代,大規模二維地震勘探后,勝利油田勘探仍然面臨著“忽有忽無,忽水忽油,忽高忽低,忽薄忽厚,忽稀忽稠”的難題,物探先輩意識到“解決復雜斷塊的問題必須是三維地震”。1966年,李慶忠院士在勝利油田首次提出三維地震勘探方法及原理,并在東辛油田上繪制出三維歸位構造圖,取得了良好的地質效果;1974年,又在新立村地區組織開展了世界上第一片束狀三維地震勘探,發現了新立村油田。在前期攻關研究的基礎上,探索形成了勝利油田第一代三維地震技術,其主要特征為“組合接收、大面元、低炮道密度、構造成像與解釋”。采集上“速度檢波器大組合、4線6炮為主、面元網格以25m×50m為主、覆蓋次數20～30次、接收道數小于480道、道密度不超過20×104道/km2”,處理中以疊后時間偏移為核心,力爭“高分辨、高信噪比”資料處理,重點圍繞構造進行解釋。至2005年,勝利油田東部探區共完成常規三維地震近200塊,滿次面積兩萬多平方千米,極大改善了地震資料品質,從而使一些大型油田得到進一步擴展,一些中小型油田得以發現[12]。常規三維地震技術支撐了勝利油田復式油氣藏勘探,徹底改變了以往二維地震勘探構造油藏“越找越小,越找越貧,路子越走越窄”的嚴峻勘探形勢,奠定了中國第二大油田的地位。

1998年,勝利油田主探區基本上實現了三維地震連片,由于勘探難度越來越大,因而地震技術儲備不足的問題日益突出。為此,1998年4月,勝利油田召開了“高精度三維地震研討會”,會上提出了“勝利油田要不要繼續三維地震？如何開展三維地震勘探？三維地震技術向何處去？”的3個核心問題,經過討論,會議認為:在三維地震有效覆蓋探區,勝利油田仍有很大勘探潛力,油田的持續穩定發展需要有新的地震勘探技術做支撐,新的復雜勘探目標需要高精度地震資料才能滿足需求,有必要開展新一輪高精度地震勘探,采用新技術重新采集高精度三維地震資料[13]。至2005年,勝利油田形成了第二代三維地震技術——高精度三維地震,主要特征為“組合接收、較小面元、中炮道密度、面向巖性處理與解釋”。采集中,“速度檢波器組合接收、6線10炮為主、面元網格以25m×25m為主、覆蓋次數50次以上、接收道數超過千道、炮道密度不超過100×104道/km2”。與常規三維相比,處理解釋技術有了較大的進步。處理方面,理念上由“追求信噪比”到“保真保幅”,技術手段由疊后時間偏移為主到疊前時間偏移為主;解釋方面,從手工解釋作圖走向人機聯作解釋,從三維數據二維解釋走向三維構造解釋,從構造解釋走向巖性解釋,從疊后反演走向疊前反演。這一時期,地震資料品質的提高和處理解釋技術的進步,實現了隱蔽油氣藏勘探由“碰”到“找”、由“定性預測”到“定量評價”的跨越,高精度三維地震成為勝利油田隱蔽油氣藏勘探開發的核心技術之一。

進入到2015年以后,勝利油田東部老油區的勘探對象轉向以“薄、小、碎、深、散、隱”為主的油藏,單塊控制儲量規模逐年變小的態勢日趨嚴重,如勝利東部2018年度單塊儲量規模108×104t/塊,較2017年減少10×104t,增儲上產的難度逐年加大,如何實現東部老油田的可持續發展成為一個重大課題。

面對成熟老區復雜且多樣的地質油藏目標,以往的物探技術已不能很好適應這一變化,要實現中石化“東部硬穩定”的戰略目標,迫切需要新一代的地震技術,解決油田勘探開發中物探技術成本與精度、質量與效率之間的矛盾,這也是物探技術發展的一個永恒主題。

1.2 單點高密度地震技術核心內容

高密度地震是一個相對的概念,是指道間距小于常規道間距或單點不組合的地震采集、提高分辨率處理和綜合解釋的技術,是國內外高度關注和發展的一項新技術,它通過提高地震資料的信噪比、分辨率和保真度,進而提高構造成像精度、薄儲集層識別精度和巖性預測精度[14]。

高密度地震技術國外研究起步早、探索多,在海上、陸上都有商業化應用,主要形成了兩條技術路線(見表1),但對外技術封鎖[15]。

表1 國外高密度地震技術實現路線

“十五”期間,勝利油田提出了“高密度三維地震技術是提高地震資料精度,提高復雜小斷塊刻畫能力、巖性圈閉預測能力和小尺度孔縫洞描述精度的最有效途徑,是老油區二次勘探的關鍵技術之一”的觀點。

2005年至2015年,先后在墾71、羅家、盤河、哈山、義和莊等地區探索實驗了3條技術路線,見圖2。在墾71地區和羅家地區,實驗了以數字檢波器接收為核心的高密度地震技術路線,雖然墾71、羅家高密度三維取得了很好的應用效果,但是由于DSU3檢波器引進價格高,購置數量有限,施工中埋置要求高、兼容性差、過障礙能力差等原因,后續難以大規模投入生產應用;在義東地區,實驗了以模擬檢波器小組合為核心的高密度地震技術路線,與老剖面相比,新資料成像剖面橫向分辨率有較大提升,大斷層斷面、小斷塊斷點清楚,但垂向分辨率沒有明顯提高,無法解決小尺度精細成像問題。中石油推出的新一代高密度地震技術,通過可控震源的高密度高效滑動掃描技術實現高密度地震采集,適合于西部戈壁荒漠區等地形條件。與井炮激發相比,可控震源高效激發技術安全環保、施工效率高。2014年,勝利油田在新疆哈山東地區創造了日產13000多炮的國內記錄,大幅降低了采集成本,是高密度地震技術的一個發展方向。但是,目前國內使用的Nomand65型可控震源自重28T,東部城鎮區、農田區難以承載;震源峰值出力275KN,在公路、廠礦等硬化路面上使用時會破壞路面結構。因此,大型可控震源難以在農田、城鎮、工廠密集分布的勝利油田東部探區使用。

圖2 勝利油田高密度地震技術探索歷程

從勝利油田探索的高密度地震技術路線來看,已有的高密度地震技術均無法適應我國東部高度復雜的地面施工條件和高度復雜的地下地質目標,必須立足于東部老區地表、地質特征,借鑒國內外其它高密度地震的經驗,自主攻關,才能形成適合東部老區精細勘探開發需求的高密度地震技術。

高成熟探區主體進入精細勘探階段,無疑需要“漁網”網眼越織越密、“CT”精度越來越高,對此結合地球物理技術發展趨勢,勝利油田提出了新一代的單點高密度地震技術,與傳統的三維地震技術相比,實現8個方面的轉變:從規則(束狀)觀測系統向基于地表和面向地質目標成像的觀測系統轉變;從檢波器組合接收向單點接收轉變;從固定(井深、藥量、巖性等)激發向最佳(井深、藥量、巖性等)激發轉變;從大面元向小面元轉變;從窄方位角向寬(全)方位角轉變;從窄頻帶向寬頻帶(特別是低頻)轉變;從低覆蓋次數向高覆蓋次數轉變;從低炮道密度向高炮道密度轉變。

2015年,遵循“八個轉變”的理念,在大量探索的基礎上,從“模仿”到“自主創新”,提出了單點高密度地震技術的概念,即單點激發、單點接收,具有小面元、寬頻帶、寬方位、高炮道密度特征,以方位各向異性理論為基礎,采用寬頻全方位處理、五維數據解釋的新一代地震技術[15-17]。與常規三維地震技術相比,單點高密度三維地震在理論、裝備、采集、處理、解釋等方面全面升級(見表2)。

表2 常規三維與單點高密度三維地震的主要區別

攻關研究與先導試驗表明,能夠基本滿足勝利油田東部成熟探區“十三五”勘探需求的單點高密度地震的主要采集參數界定為:面元網格≤12.5m×12.5m,覆蓋次數200次左右,炮道密度>100×104道/km2,橫縱比>0.5。當然還要視勘探開發目標層系具體分析、具體施策。

2018年,在丹麥哥本哈根第80屆EAGE年會上,關鍵、尚新民等所做的“Land piezoelectric single point high density seismic technology”報告首次展示了勝利油田單點高密度地震技術理念及應用效果,得到業界高度認可和評價。

截至2021年底,單點高密度地震技術在濟陽坳陷開始大規模推廣應用,完成了16塊三維滿次面積3699km2的數據采集,新資料的頻寬及品質得到大幅度提升,成為復雜隱蔽油氣藏勘探的核心技術。

2 單點高密度地震技術進展

勝利油田面向復雜隱蔽油氣藏勘探的重大需求,提出并全面闡述了單點高密度地震技術的概念、特征、方法和實踐路徑,從采集、處理、解釋3方面進行了全方位探索,形成了實用的獨具特色的單點高密度地震技術,支撐了勝利油田從構造勘探—復式油氣勘探—隱蔽油氣藏勘探—復雜隱蔽油氣藏勘探的多次成功轉型,為勝利東部老區的精細勘探和長期高產穩產做出了積極貢獻。

2.1 單點高密度地震采集技術

單點高密度地震技術采集是基礎,需要從源頭解決采集信號的品質和觀測屬性,以陸用壓電檢波器研發為核心,面向復雜地表及地下地質條件,研發了單點高密度的觀測方式,形成了海量數據現場監控技術,解決了高密度地震采集接收—觀測—監控三大核心難題,引領了新一代地震采集技術的發展方向。

2.1.1 陸用壓電單點檢波器研發

目前陸上地震勘探中一般使用動圈檢波器組合接收,它能夠提高儀器靈敏度與接收信號的信噪比,但是組合造成的不同相疊加必然會降低頻率,模糊地震反射特征,造成不可逆的原始信號失真[18-21],單點高密度地震首先要實現接收裝備的突破。

從2013年開始,勝利油田聯合中國石化地球物理公司、長安集團開展了陸用壓電檢波器試驗,先后攻克了壓電陶瓷一致性與抗沖擊能力差、低頻響應差、電池長期供電等技術難關,成功研發了陸用壓電檢波器,其基本結構包括:兩個壓電機芯、一個高精度電路以及夾在2個壓電陶瓷片間的質量塊。當檢波器震動時,質量塊對壓電晶體產生慣性壓力,從而在壓電晶體兩端產生電壓[22-24](圖3)?；窘鉀Q了壓電檢波器抗沖擊的問題,產品跌落次數≥3000次,電源體積小、防水好、抗雷擊強、高低溫性能好、可連續供電達2年以上。

圖3 陸用壓電檢波器結構(a)與實物照片(b)

研發的陸用壓電檢波器先后在盤河、肖莊北等多個區塊進行了生產實驗對比,實現了第一代陸用壓電檢波器的工業化生產與應用,主要技術指標達到了國外DSU(MEMS)數字檢波器相當的水平(表3),打破了國外單點檢波器技術壟斷,是目前陸上唯一正式用于大規模地震生產的壓電型加速度檢波器。

表3 不同檢波器主要技術參數

利用陸用壓電檢波器先后實施了東風港、羅家等多塊單點高密度三維，以羅家-2017為例(見圖4)，單點接收的單炮記錄不存在檢波器組合造成的模糊效應，更好地保持了地震信號特征，頻帶寬度大于動圈檢波器組合接收記錄,以-18dB作為優勢頻帶,老數據頻帶范圍為5～55Hz,單點高密度數據頻帶范圍為6～100Hz。

圖4 寬頻陸用壓電檢波器接收的原始單炮對比a MEMS檢波器; b 陸用壓電檢波器; c 20DX檢波器; d 頻譜

2.1.2 面向地質目標的單點高密度觀測系統設計

與常規三維地震采集相比,高密度三維地震采集對觀測系統設計提出了更高的要求,需要解決以下問題:①如何實現地質任務與經濟成本的平衡;②如何針對單點資料特點進行面向地質目標的觀測系統設計[25]。

為解決以上問題,提出了面向地質目標的高密度三維地震觀測系統設計方法,在深入分析老資料和提升地質認識的基礎上,形成了以“單點接收、全過程變觀評價和OVT屬性分析”為核心的單點高密度觀測系統設計技術,進行基于單點接收數據信噪比特點的關鍵參數論證、基于目的層的全區觀測系統參數宏觀論證、基于正演模擬的觀測系統參數精細論證,在平衡經濟與地質效果的基礎上,確定最佳觀測系統方案,其設計流程如圖5所示。

圖5 面向地質目標的高密度地震觀測系統設計流程

與以往觀測系統設計技術相比,面向地質目標的高密度地震觀測系統設計技術有3個方面的進步:①依據馬在田院士提出的覆蓋次數、炮道密度與單炮信噪比的經驗公式,基于實際地震資料退化處理的炮道密度優化,得到了炮道密度與成像信噪比的關系曲線,提出了勝利油田現階段精度和經濟雙控條件下的炮道密度區間,實現了針對單點接收的觀測系統設計與評價;②面向寬方位處理,分析了寬方位處理對觀測系統OVT屬性的需求,建立了OVT片覆蓋次數、方位角容差等11種觀測系統評價屬性,實現了基于OVT屬性的寬方位觀測系統設計,具備了基于OVT屬性的觀測系統設計及綜合量化評價功能;③在復雜“十三五”以來,先后在勝利、江蘇、江漢推廣應用了單點高密度觀測系統設計技術。在濟陽坳陷完成了16塊高密度三維采集設計,平均炮道密度200×104道/km2,大幅度提高了原始數據空間屬性的均勻性、對稱性和連續性,保障了單點高密度地震項目的有效實施。

地表條件帶來的規則施工越來越困難的情況下,制定了野外變觀評價分析指標和技術流程,形成了野外障礙物自動識別及優化變觀設計技術,實現了采集全過程的變觀分析評價,為高精度成像提供了保障。

2.1.3 單點高密度地震采集現場質量監控

與傳統的三維地震相比,單點高密度地震采集具有原始資料信噪比低、數據量大的特點,以往基于人工檢查、評價原始單炮的方式,無法適應高密度地震采集的質控要求。

為此,制定了以“單炮+成像”為核心的單點高密度地震資料評價規范,開發了海量單點數據的單炮質量評價及偏移快速成像系統,編寫現場質量監控模塊12個,研發了基于X變換與機器學習的噪聲壓制、基于人工智能的現場速度模型更新優化、現場三維數據實時疊加、基于BMC的疊前高速偏移成像等特色技術,支撐了單點高密度地震采集現場的數據高效質量監控。

圖6a和圖6b分別給出了羅家地區采用傳統方法與快速成像方法得到的現場監控疊前偏移剖面。

圖6 羅家地區采用傳統方法(a)與快速成像方法(b)得到的現場監控疊前偏移剖面

利用現場測試服務器(12線程、內存64G、硬盤容量10T),耗時40min實現了現場“準”實時疊前成像,做到了“過程可控,結果可信”,解決了高密度地震海量數據監控與評價的難題。

2.2 單點高密度地震處理技術

與常規地震或高精度地震相比,單點高密度地震資料具有:高密度空間采樣、波場保真、寬頻帶、寬方位、海量數據的特點。以往僅對其中某些環節進行了部分研究[26-28],沒有形成系統完整的解決方案。

針對單點高密度地震資料的處理,我們在系統剖析資料特點的基礎上,得出兩點認識:①高密度地震處理技術沒有超越現有的理論框架,目前大部分成熟的處理技術和流程依然有效;②高密度地震處理隨著采集技術進步而相應變化的技術,需根據高密度地震資料特點在方法和技術上做出調整。對此,提出了“成熟技術+特色技術”的高密度地震資料處理思路,建立了以“寬頻、全方位、自動高效”為特征的高密度地震資料處理流程(圖7),較好地滿足了高密度地震資料解釋的需求。

圖7 單點高密度地震資料寬頻全方位處理流程(黑色字體代表成熟技術,藍色字體代表開發的新技術)

2.2.1 單點高密度地震“兩拓一?！睂掝l處理技術

與以往高分辨的理念不同,現今更加重視倍頻程的概念[29],這一理念要求在重視有效頻寬的同時,更加關注高低頻之比。單點高密度地震原始數據具有較寬的有效頻帶,處理中重點關注3個問題:①如何補償低頻端的不足;②如何發揮高密度資料優勢提升高頻端信號;③如何保持單點資料頻帶較寬的優勢,盡量減少處理過程中的降頻現象。

為此,高密度地震資料處理中確立了以“倍頻程”為核心的高分辨處理理念,提出了“兩拓一?！钡膶掝l處理策略,開發了最小二乘低頻補償、立體Q反演及補償和動態波形匹配3項特色技術,它們與成熟技術構建了高密度數據寬頻處理流程,因而大大提高了對地質體的識別能力?；诘卣鹳Y料頻帶的可預測性,構建最小二乘意義下的譜約束拓頻算子,提出了相位譜一致性拓頻準則,實現了低頻有效信息的保真拓頻;充分利用高密度微測井、空間采樣充分的優勢,研發了高密度資料表層Q反演和補償技術,有效補償了地層吸收造成的地震高頻損失;研發了動態波形匹配技術,解決了成像道集波形不一致造成的降頻問題,保持了單點高密度資料的寬頻特征。

如圖8所示,在牛莊-2019單點高密度地震資料處理中,倍頻程由老資料的3.5提高到新資料的5.2,剖面中的前積地質現象清晰可見。

圖8 牛莊-2019單點高密度地震資料處理效果a 老成果資料 ;b 新三維成果資料

2.2.2 單點高密度地震寬(全)方位處理技術

高密度地震資料的一個重要特征就是寬方位,但以往對老資料均采用窄方位處理技術,一直以來缺少寬方位處理的相關理論、方法和經驗,如何實現高密度地震資料的寬方位處理,仍面臨著挑戰。

在以往的研究中,一般是在OVT抽取的基礎上,利用成熟的疊前時間(深度)偏移技術,形成寬方位道集數據和成像剖面[30-31]。但這套流程存在OVT抽取無法適應新老拼接資料,成像方法未能考慮地下構造特征的不足。

為此,利用空間采樣充分的特點,以全方位道集處理為核心,自主研發了全方位建模及成像處理技術。發現了炮檢矢量片的4個特征,即“采集模板包含所有的偏移距向量;采集模板中所有的偏移距向量來自不同的位置(每個CMP只覆蓋一次);采集模板滾動時,CMP位置改變,同一CMP的偏移距向量隨之改變;對于同一CMP,采集模板滾動時,其偏移距向量增量(X、Y分量)相同”,基于上述特征,提出了以CMP道集為最小子集的OVT片抽取方法,簡化了十字排列抽取、數據重排等過程,大大提高了OVT生成效率,并且適用于不同觀測系統的連片處理;推導了一種新的TI介質下的程函方程及射線追蹤方法,將地下構造信息引入到方位成像中,研發了OVT域TTI介質克?；舴蚨喾轿怀上窦夹g,與商業軟件相比,大大提高了計算效率,實現了高密度地震資料全方位處理,解決了常規處理時方位信息缺失的問題。

圖9給出了羅家-2017工區采用寬方位處理技術得到的螺旋道集以及常規數據振幅屬性和全方位數據振幅屬性。由圖9可以看出,全方位數據對于水道的刻畫更加清晰,基本上實現了高密度地震資料處理從窄方位到寬方位處理的技術跨越。

2.2.3 海量數據自動高效處理技術

高密度地震采集使得地震數據從以往的GB級進入到TB級,初步統計,2015年以來,勝利油田采集的單點高密度三維單區塊原始數據量平均達到或超過20TB,與以往三維數據相比,增加了10倍以上,以往的處理模式已不適應高密度海量數據的處理要求[32-34]。

針對單點高密度地震海量數據的特點,遵循“適用、高效”的原則,全面梳理了整個處理技術鏈條,見圖10,針對耗費大量人力的環節,如初至拾取、速度分析等,研發了自動化處理技術;針對大量消耗機器資源的環節,如深度偏移、層析反演等,研發了高效處理方法。

圖10 高密度地震資料處理流程耗時分析

針對傳統方法無法適應海量數據初至拾取問題,研發了基于機器視覺算法的初至自動拾取技術。在臨邑北-2018高密度三維工區,初至拾取由自動拾取+手工編輯提升為全自動高精度拾取,全區35912炮,每炮10368道,2人次完成初至拾取用時36h,解決超10×108數量級初至信息的精確拾取問題;提出了近地表“薄層劃分”的新思路,建立每個薄層回折波走時和射線方程,形成了快速的復雜近地表速度建模技術,精度與傳統方法相當,耗時僅為原來的10%左右。針對海量地震數據引起偏移計算量爆發式增長,使得傳統“目標偏移—速度分析—體偏移”的迭代式工作方式周期顯著增長,制定了資料隨缺失程度與成像信噪比的關系曲線,提出了基于壓縮感知技術的海量處理策略和方案,大大縮減了處理中間測試、監控過程的計算壓力。

2.3 高密度地震資料解釋技術

得益于寬(全)方位地震采集與處理技術的發展,獲得了海量的高品質寬方位地震資料,與以往的地震資料相比,可以提供具有“空間三維坐標+炮檢距+方位角”五維信息的共反射點地震道集,進行五維數據解釋。相較于常規三維解釋,五維數據解釋不僅是一種技術,更重要的是一種思想,是地震技術的又一次革命,通?？梢匀〉酶玫慕忉屝Ч鸞35]。

然而,目前仍缺少五維數據有效的地震資料解釋方法,因此,如何去挖掘五維數據中極其豐富的信息,無論理論、方法還是技術都需要探索和創新[36],如何充分考慮寬方位地震資料中重要的方位角和炮檢距信息,并更好地利用寬方位地震資料中豐富的方位各向異性信息,成為當下地震資料解釋的研究熱點。我們從解釋理論到解釋方法與技術進行了深入探索、研究,構建了各向異性地震巖石物理模型,初步形成了寬方位地震數據正演模擬、五維地震數據三維可視化分析、方位各向異性屬性分析、裂縫參數反演、各向異性流體因子反演方法與技術等,并形成了相對完整配套的高密度五維數據解釋技術流程,如圖11所示。

圖11 五維地震數據解釋技術流程

2.3.1 寬方位五維數據解釋理論

地下介質各向異性是客觀存在的,但以往限于資料的不足,取得的成果較少,高密度地震資料豐富的方位信息,為地下各向異性問題的解決提供了資料基礎。為此,在天然巖心地震巖石物理測試、寬方位地震巖石物理模型構建和五維地震波場與響應模式等方面進行了深入研究,以解決地震各向異性強度應用的關鍵科學問題。

利用渤南和義東地區義173、義176、鹽222等井砂巖(含裂縫)及羅家地區羅52、羅53和羅67等井的頁巖巖石樣品,測定了物性參數(孔隙度、滲透率和密度等)、動態彈性參數(縱波速度和橫波速度等)、靜態彈性參數(楊氏模量和泊松比等)和各向異性參數;以巖石物性、動態彈性參數、靜態彈性參數和各向異性參數的實驗測試數據為基礎,通過等效介質理論和裂縫模型研究,構建了適用于寬方位五維數據解釋的各向異性地震巖石物理模型,開展了寬方位地震波傳播的理論研究;以地震巖石物理研究為基礎,建立等效介質模型,從理論上研究地震波的速度、偏振等傳播特征,探討速度隨方位的變化規律,為反射特征研究奠定理論基礎。

經過對高角度裂縫介質的研究得出3點結論:①地震巖石物理特征研究表明,隨裂縫密度及裂縫縱橫比的增大,縱橫波速度均減小,但裂縫密度對于速度的影響大于裂縫縱橫比對速度的影響;②對寬方位地震波傳播特征的研究表明,隨著裂縫密度增大,速度各向異性越強烈,填充物為黏土、水、油時,速度各向異性變化較小,含氣時速度各向異性變化較大;③研究表明,炮檢距對地震響應有明顯的影響,炮檢距越大,地震響應隨方位的變化越明顯,相同炮檢距時,隨著裂縫密度的增加,地震響應隨方位的變化越明顯,見圖12。該結論奠定了寬方位五維數據解釋的理論基礎。

圖12 不同裂縫密度對反射系數方位各向異性的影響a 反射系數隨入射角變化曲線; b 反射系數隨方位角變化曲線

2.3.2 五維數據解釋方法

針對現有解釋軟件無法顯示五維數據的問題,自主研發了三維可視化顯示分析模塊,實現了方位AVO特征的快速直觀分析;基于方位各向異性地震巖石物理理論及Russell流體因子,構建了高靈敏角道集差異算子,形成了基于反射系數域的方位差異屬性提取方法;針對常規橢圓擬合預測裂縫方位存在90°不確定性的問題,引入裂縫方位先驗信息重構了方位彈性阻抗方程,消除了90°模糊性,研發了基于五維數據的方位彈性阻抗反演方法,實現了裂縫密度與方向的預測;通過聯立不同入射角情況下的方位反射系數差異方程,建立了各向異性介質方位振幅差異AVO正演算子,形成了五維數據各向異性參數反演方法;基于各向異性雙相介質理論構建了各向異性流體因子,研發了基于彈性阻抗的儲層流體因子疊前直接反演方法,見圖13。

圖13 五維數據解釋技術a 五維數據立體顯示; b 反演得到的裂縫密度及發育方向; c 各向異性流體因子剖面

在濟陽坳陷單家寺地區,采用五維數據解釋方法提高了砂礫巖地質體邊界刻畫精度,實現了儲層精細描述,有效支撐了井位部署,見圖14。

圖14 單家寺地區全方位疊加振幅屬性(a)與0～45°道集疊加振幅屬性(b)

2.3.3 高密度地震體解釋技術

以高炮道密度、寬方位角采集、保幅保真處理的高密度三維地震資料為基礎,提出了“體解釋”模式[37-38],采用點-線-面-體的新思路,即井震標定后從整個數據體上進行層位和斷層自動追蹤及解釋,再回到剖面上檢查追蹤不到或者追蹤有誤的地方進行局部二次解釋,最后達到每個點的精細解釋。研發了3項體解釋關鍵技術。針對傳統譜分解方法受限于時窗或者子波分辨率,開展了高密度寬頻資料頻譜分解研究,形成了頻率域微斷層檢測技術,斷層更加清晰;開發了多體融合技術,形成了基于多域體數據驅動的斷層識別技術,實現了多序級斷層共同識別,提高了低序級斷層的識別能力,能識別斷距5m的斷層;研發了基于地震波形字符串模式匹配的儲集體自動追蹤技術,解決了常規儲層描述難以識別弱振幅的問題,實現了巖性體的高效率、高精度描述(圖15)。

圖15 高密度地震體解釋技術a 頻率域斷裂檢測切片(上:相干切片,下:微斷層檢測切片); b 巖性體空間描述結果

通過五維數據解釋理論與方法技術研究,高密度地震實現了從三維、四維數據解釋向五維數據解釋的發展。

3 單點高密度地震技術實踐

“十三五”期間,單點高密度地震技術在勝利、江蘇、江漢等油田進行了推廣應用。濟陽坳陷實施了16塊高密度三維地震采集,滿次覆蓋面積3699km2,近3年新發現圈閉625個,三級儲量2.21×108t,部署井位279口,其中樁海斜25、豐深斜11等井獲得高產,探井成功率由44.6%提高到72.5%,支撐新建產能42.1×104t。

3.1 羅家-2017單點高密度三維地震應用效果

羅家-2017三維工區位于濟陽坳陷北部的沾化凹陷,是勝利東部探區油氣富集區之一,多年來為勝利油田的持續穩定發展做出了重要貢獻,在經歷了多年的勘探開發后,出現了儲量陣地無法落實的困境,原有的老資料無法滿足精細勘探開發的需求。

為此,勝利油田于2016年部署了羅家-2017單點高密度三維地震,也是勝利油田在高成熟探區實施的第一塊單點高密度三維地震,炮道密度達到了357×104道/km2,成果剖面有了質的飛躍,進一步明確了地震勘探的發展方向。

圖16與圖17分別為羅家地區老三維與單點高密度三維疊前時間偏移剖面與疊前時間偏移切片(860ms)。從疊前時間偏移剖面上分析,單點高密度地震剖面保幅程度高,波阻特征強弱關系清楚,橫向分辨能力大幅提高,斷層斷點、斷面刻畫清楚,成像精度大幅提高,中深層資料品質有了質的提高;從860ms時間切片對比分析可知,老資料反射特征模糊,新資料反射特征清楚,河道、斷層等沉積特征易于追蹤與描述。

圖16 羅家地區老三維 (a)與單點高密度三維(b)疊前時間偏移剖面

圖17 羅家地區老三維 (a)與單點高密度三維(b)疊前時間偏移切片(860ms)

羅家-2017單點高密度三維地震資料投入應用后,新發現圈閉32個,圈閉面積86km2,圈閉資源量7350×104t。2018至2020年,連續上報預測儲量4982×104t,2020年勘探開發一體化,升級控制儲量

770×104t,新建產能10×104t。

3.2 臨邑北-2018單點高密度三維地震應用效果

臨邑北-2018單點高密度三維工區位于濟陽坳陷西部的惠民凹陷,該凹陷經歷了多期構造演化,以其復雜多樣的地質構造而著稱,油氣勘探開發面臨復雜斷塊群的精確成像難題。

臨邑北-2018單點高密度三維地震是在惠民凹陷的首次應用,力圖解決復雜斷塊、巖性圈閉描述的問題。新資料品質得到了全面改善,淺層斷裂清晰可靠,與老資料相比,有了質的提高(圖18);在臨邑地區最復雜的斷塊群位置,老資料斷裂群成像模糊,可信度低,多年來一直困擾著勘探人員,新資料中棋盤狀的斷裂系統清晰可見,大大改善了“金三角”的地質認識,改變了對臨邑北地區的地質認識(圖19)。

圖18 臨邑北地區老三維 (a)與單點高密度三維(b)剖面對比

圖19 臨邑北地區最復雜的斷塊群位置老三維 (a)與單點高密度三維(b)剖面對比

臨邑北-2018單點高密度三維地震滿次面積173km2,新發現圈閉42個,圈閉面積67.8km2,圈閉資源量3760×104t,已部署井位8口,完鉆的4口井中,田斜263、田斜264、商558井鉆遇工業油流。

3.3 富臺-2019單點高密度三維地震應用效果

富臺-2019單點高密度三維地震工區位于濟陽坳陷西北部的車鎮凹陷,該區帶砂礫巖體、潛山等油氣勘探均獲得重要突破,但同時也面臨老資料陡坡帶砂礫巖、復雜潛山地震成像差的問題,制約了勘探的進一步開展。

富臺-2019單點高密度三維地震是繼東風港之后車鎮凹陷的第二塊,其地震剖面成像質量全面提升,埕南大斷層成像從無到有,以及凸起附近的高、低位潛山資料品質大大提高,見圖20,在車西落實了一批低位潛山目標,分布于埕南斷層底部緩坡部位,內部發育的斷層多與風化殼相通,打破了區塊南部潛山勘探停滯不前的局面。

圖20 車西地區老三維 (a)與單點高密度三維(b)地震資料成像剖面對比

在車西地區,新發現圈閉16個,圈閉面積53km2,圈閉資源量4770×104t,部署的車斜576、車576-斜1、車577 3口井均獲成功。在中部斷塊部署的車斜576井,主探低臺階潛山的含油氣情況,對奧陶系上馬家溝組4097～4133m酸壓后,日產油88m3,2019年車斜576區塊奧陶系上報控制含油面積3.04km2,控制石油地質儲量136.48×104t,技術可采儲量20.47×104t。

4 單點高密度地震技術發展展望

實踐表明,勝利油田提出并發展的以“單點接收、寬方位處理、五維數據解釋”為核心的單點高密度地震技術,是現階段成熟探區高密度地震技術的最佳選擇,是解決復雜油藏地質問題的有效技術手段,對其它含油氣盆地具有重要的借鑒意義。

然而,放眼“十四五”乃至未來,對于成熟探區而言,常規油氣勘探潛力依然巨大(以空白區帶和深層為主),同時非常規油氣將成為增儲上產的生力軍,成熟探區的勘探部署思路也必將隨之調整為“立足全區、決勝深層、常非并重”,勘探開發面臨的對象將更加復雜,規模增儲與持續上產難度進一步加大,對地震技術的要求越來越高。一是地表條件和地下構造更加復雜,復雜地表、生態環保、工農關系、工農業園區、城區等地區勘探已成為常態,推覆構造、鹽下和鹽間構造、復雜斷塊等準確成像要求更高;二是不斷向薄儲層、深層進軍,對地震分辨率和信噪比要求更高;三是儲層品質不斷向低孔低滲透延伸,非均質性不斷增強,儲層與圍巖阻抗差異變小,儲層精細描述難度不斷增大;四是非常規油氣勘探開發對物探技術需求不斷增長,除地質甜點預測需求之外,工程甜點預測需求不斷增長。當前,復雜構造準確成像、米級薄儲層準確識別、復雜儲層精細描述、非常規油氣甜點預測等物探技術還不能完全滿足油氣勘探開發需求。因此,還要積極思考與謀劃“十四五”乃至今后一段時期的物探技術發展,秉持“地質需求就是物探發展方向”的理念,把能源的飯碗端在自己手中,為長期保障國家能源安全再立新功、再創佳績。

未來,地震技術發展的大方向依然是“炮道密度更高、施工成本更低、過程更加智能”,具體表現為九大趨勢,即“從組合接收走向單點接收、從有纜采集走向無纜(節點)采集、從規則地震走向隨機地震、從窄方位處理走向全空間處理、從震源時間處理走向全時間處理、從三維解釋走向五維數據解釋、從人機交互走向人工智能、從面向勘探走向勘探開發、從單一學科走向學科融合”[39-40]。

對此,“十四五”應該持續關注、強化以下3個方面,發展完善以全節點高密度地震技術為核心的地震技術,以破解成熟探區越來越難的勘探開發問題。

4.1 深化完善、規模推廣單點(全節點)高密度地震技術

為了解決基于有纜采集的單點高密度地震技術的制約瓶頸,勝利油田在大量先導試驗的基礎上,提出了以“節點接收—隨機觀測—高效激發—全時空處理—全息解釋”為主要特征的全節點高密度地震技術。2017年,在節點地震方面制定了“并采—混采—獨采”的三步走發展戰略,在前期節點接收試驗的基礎上,2018年完成了鹽家地區有纜與節點并采,2019年施工了商河地區大規模有纜與節點混采,2020年在渤海灣盆地濟陽坳陷渤南地區、2021年在準噶爾盆地錢1井地區分別完成了兩塊全節點三維采集,與以往采集相比,較好解決了地震裝備與軟硬件的“卡脖子”難題,施工效率和成本均有顯著改善,觀測數據屬性大幅度強化,表明了節點采集的先進性、可行性。全節點高密度地震技術是實現提高炮道密度、降低采集成本、提質增效的有效途徑。

全節點高密度地震技術不僅僅是采集從有纜到無纜的轉變以及接收裝備換代升級、模式變革,而是地震處理和解釋的一次革命,更是物探技術走向“全空間、全時間”的跨越式發展,內涵十分豐富,具體體現如下。

1) 采集方面,以高效率、低成本、小面元、寬頻帶、全方位、高密度為目標。主要包括:研發制造具有國際先進水平及特色的小型化、智能化、穩定可靠的節點裝備;攻關采用更廣義的觀測方式(如由傳統成熟的束狀觀測轉向地毯式觀測、隨機采集等);形成基于現代網絡技術的過程可控的海量數據監控技術、單點高密度模式下的資料品質評價方法與規范、經濟高效的地震實施策略等。實現對地震信號的充分采樣,同時處理好面向目標的設計與采集、投入與產出的關系。

2) 處理方面,以高保真、高分辨率、寬頻寬方位、高效率處理為原則。對于節點數據處理需要變革性發展。創新構建全節點地震“數據池”,根據不同的處理目的,進行數據分割與合成(如記錄長度、背景、干擾等);探索共檢波點域處理;研發全空間處理技術(更大的偏移距、更大的橫縱比、更大的數據覆蓋范圍、更高的覆蓋次數等),不僅僅按照采集方案設定的一種觀測系統進行處理,而是結合資料特點,根據地質目標以及成像的需求自行設計、定義觀測系統,且對全部接收到的資料進行研究處理;研發全時間處理技術,即不僅僅對震源激發時間的資料進行處理,還要對節點不間斷記錄到的全部時間數據進行研究處理,如其中包含的高鐵地震、各種環境噪聲、鉆機、抽油機信息等,極大提升資料的應用價值;發展海量機群并行處理和海量存儲技術,應對急劇增加的數據量以及新技術帶來的巨大運算量。

3) 解釋方面,以定量化、可視化、一體化、智能化、綜合化、高可信度為發展方向,大幅度提高儲層精細描述、非常規油氣地質工程甜點預測的能力和水平。充分利用探區內所有的勘探開發成果以及動靜態的地質、鉆井、測錄井、地震、專家經驗和知識等,研究建立“透明盆地”,服務于處理和解釋、勘探和開發、地質和物探的一體化,實現地震資料三維空間的定量化、可視化、綜合化解釋,準確而快速地刻畫各種復雜的地質現象,選定井位目標、指導鉆探,大幅度提高支撐油氣勘探開發的能力。對于節點地震,亟需開展革命性的五維地震數據解釋與應用、高密度地震+人工智能儲層預測與描述等工作。

4) 推廣應用方面,重點研發、完善和推廣特色、適用的軟件以及可復制的技術,同時也包括相應的管理措施、經濟高效的實施策略、規范、制度、標準等。

我們相信,全節點高密度地震技術能夠成為成熟探區高效勘探、效益開發的地球物理技術利器。

4.2 攻關特色、適用的壓縮感知地震技術

壓縮感知技術是圖像和信號采集、處理領域的一項新技術,核心是信號采集和處理可以不受限于經典的奈奎斯特采樣定律,其主要的應用場景包括數據壓縮成像、數據缺失重構、隨機采集處理。壓縮感知思想在油氣勘探領域已受到充分的關注,國內外石油公司開展了相關研究和應用嘗試,獲得2017年國際十大石油科技進展殊榮,其中康菲公司研發應用取得預期效果。然而,在勘探需求上國內外存在一定差異(如盆地類型、區塊規模、油藏復雜程度等),應對此開展差異化的應用研究[41-44]。

現階段,三維地震采集的施工條件越來越苛刻,受極其復雜的地表及政策影響,規則施工越來越困難,甚至無法完成,具有隨機布設天然屬性的節點采集自然成為重要的選擇。

鑒于我國特有的勘探開發模式和要求以及極為復雜的地下地質情況,基于壓縮感知的隨機地震技術,研究與應用的重點不應該是純粹為了減少炮檢點、節省投資,而應該是同樣投資下,通過壓縮感知隨機采樣得到更有利于精確成像的數據體,進一步提升資料的品質和可用性。為此,需要重點攻關研究地表與地下雙約束的隨機地震觀測系統設計、復雜地表隨機地震高效采集、高端數據規則化以及非規則數據直接成像等技術,達到“隨機觀測、規則成像”的目的。近幾年,勝利油田在濟陽坳陷商河、單家寺、渤南以及準噶爾盆地西緣車排子等區塊,分別開展了炮點隨機、檢波點隨機和炮檢點雙隨機的地震采集,獲取了實際地震數據,從初步結果來看,展現了技術的很大潛力和優勢。

與此同時,對壓縮感知的數據重構、數據壓縮等特性也進行了深入研究、開發應用,可喜的是在老資料處理、海量數據處理中的應用效果同樣展示了壓縮感知技術很好的應用前景。

4.3 積極擁抱人工智能+單點高密度地震

近些年,人工智能技術在地震勘探中有成功的應用案例,包括采集、處理和解釋,特別是在初至拾取、自動化速度建模、地震屬性分析、地震巖相分析與預測、構造解釋、地震反演等方面取得了重要進展,但是遠落后于電力、醫療、營銷、互聯網等其它行業,仍處于起步、快速發展階段,且面臨眾多挑戰[45-47]。如何實現單點高密度地震的大幅度降本、如何充分挖掘高密度地震精細的空間刻畫能力,如何更好地利用成熟探區大量的動靜態資料服務勘探開發等,都使得人工智能+單點高密度地震更為必須和迫切,同時海量數據以及采集數據的充分性、對稱性、連續性、均勻性等也使得人工智能的引入應用成為可能。

采集上,提高采集效率、裝備的自動化管理、海量數據監控與品質評價等迫切需要人工智能;處理上,必須解決海量數據的處理難題,僅靠人工是絕對不行的(如初至拾取、數據規則化、去噪、速度分析等),處理方法與技術更多的是數學運算、信號處理,“人工智能+單點高密度地震”具有很大優勢;解釋上,成熟探區資料類型眾多、信息量大、地下地質認識相對成型(有初步模型),先驗知識豐富,為人工智能應用奠定了堅實的基礎。

近年來,勝利油田在人工智能海量地震數據處理與解釋、深度學習的井震儲層精細描述、基于大數據的油藏綜合建模、勘探與開發智能決策技術等方面展開了攻關與應用工作,取得了一些可喜的成果,展示了可行性和廣闊的應用前景。雖然60年勘探開發產生的海量動靜態數據是建立更精確的油藏模型和落實剩余油分布的可靠硬數據標簽,也更適合大數據分析和深度學習,但相對于復雜的“地質大觀園”、勘探開發特性而言,仍然面臨標簽稀疏、量少以及最核心的關鍵問題—學習結果的不唯一性等難題(其它探區都存在類似的問題),需要攻克數據加模型“雙輪驅動”的解決方案。目標是以老區豐富的勘探開發成果和海量的動靜態數據、知識庫等為基礎,以人工智能領域大數據分析、深度學習等最新技術為手段和支撐,圍繞地震資料處理、解釋、綜合研究以及油藏地球物理等核心業務,建設地球物理一體化的智能平臺,推動地球物理技術跨學科發展,最大限度提高油藏描述的精度和剩余油預測水平,持續打造油田高效勘探開發利劍。

5 結論與認識

1) 油田的勘探開發需求是地球物理技術進步的源動力,面對我國東部成熟探區的勘探開發難題,在大量研究和先導試驗的基礎上,提出了單點高密度地震技術,形成了以高密度采集、寬方位處理、五維數據解釋為核心的一體化地震技術,引領了地球物理技術發展的方向;

2) 大量的實踐表明:單點高密度地震技術是解決成熟探區高效勘探、效益開發的利器,并取得了顯著的經濟和社會效益,推廣前景廣闊;

3) 堅信在深化全節點、壓縮感知、“人工智能+地震”研究的基礎上,單點高密度地震技術在新老探區的勘探開發中定能發揮更大的技術支撐作用。

致謝:感謝中國石化科技部、油田勘探開發事業部、勝利油田分公司、地球物理公司、江蘇油田分公司以及同濟大學、中國石油大學(華東)等相關人員的支持和付出！