觀測系統炮道密度退化對河道砂體和斷層識別能力的影響
——以GSM高密度三維觀測系統在川中沙溪廟組勘探為例

李修明，劉志剛，閆小偉，喬彥國，侯小平，王 聰

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 西南物探研究院，四川 成都 610084)

0 引言

GSM高密度勘探區域位于四川盆地川北古中坳陷低緩帶和川中古隆中斜平緩帶[1]之間，主要為EW向背斜構造，斷層較為發育。研究區在其目的層多口井獲得工業氣流，沙溪廟組河道砂和底部席狀砂是含氣有利層段。因此開展針對川中侏羅系沙溪廟組[2]河道砂體和斷層刻畫研究顯得尤為重要。相較于傳統觀測系統，高密度勘探觀測系統[3]具有高覆蓋、小面元等特征，同時具有更高的信噪比、分辨率和保真度[4]，但其勘探成本和存儲數據量巨大，且受激發和接收多種因素制約[5]。因此綜合考慮勘探成本和滿足川中沙溪廟組目的層刻畫成像的需求上如何選擇更加經濟適宜的觀測系統即為本文探討目的。

眾多學者針對面元大小和炮道密度做過深入研究，認為面元越小剖面成像精度越高，炮道密度越高剖面信噪比越高[6]。屠世杰[7]指出炮密度主要影響深層分辨率，而道密度主要影響淺層分辨率，同時增加炮、道密度可以增加剖面分辨率，但是信噪比與炮道密度存在一個門檻值，門檻值內信噪比隨炮密度或道密度的增大明顯提高，超過該門檻值，再增大炮密度或道密度時信噪比僅有微弱改善。王海[8]認為只要滿足橫向分辨率和最高無混疊頻率的要求，沒有必要過分尋求小面元。因此針對炮道密度的選擇，應在滿足目的層識別能力的條件下，考慮經濟成本和數據存儲大小的情況，選取一個最佳勘探觀測系統面元尺寸[9]，通過抽稀炮點密度和接收點密度得到幾種不同炮道密度觀測系統[10]，進行定量分析，總結出幾套適用于川中沙溪廟組不同目的區且性價比高的觀測系統。

本文基于中國西部GSM地區高密度三維地震觀測系統實際資料，通過對原始高密度觀測系統炮檢點間距抽稀得到觀測系統A，然后在觀測系統A的基礎上對炮道密度進行不同程度抽稀得到觀測系統B、C、D。對這四套數據進行常規實驗分析，在面元尺寸相同的情況下，分析這四套不同炮道密度觀測系統對川中地區沙溪廟組河道砂體儲層以及斷層斷距識別能力。針對四種觀測系統對不同寬度河道和不同厚度砂體的識別情況找出最合適的觀測系統，在保證勘探滿覆蓋以及能夠準確識別川中沙溪廟組砂體厚度以及斷層的前提下，盡量控制成本，從而實現高效采集。

1 三維高密度觀測系統抽稀實驗

1.1 炮密度、道密度、面元大小與覆蓋次數定義

對于三維地震觀測系統中炮密度DR和接收道密度DS由式(1)和(2)定義：

(1)

(2)

式中：RI為接收點間隔，RLI接收線間隔，SI為炮點間隔，SLI為炮線間隔。

地震道密度DT由式(3)計算：

(3)

式中：SS為排列片有效面積。將式(1)和式(2)代入式(3)，可以得出地震道密度和炮密度、接收道密度之間的關系：

DT=SSDRDS

(4)

同時，觀測系統縱橫向面元大小由炮點間距RI和檢波點間距SI決定：

(5)

(6)

縱橫向覆蓋次數fx和fy如式(7)所示：

(7)

總覆蓋次數fl如式(8)所示：

(8)

式中：NR為排列接收道數，NRL為接收線數。

對式(8)的分子和分母同時乘上接收線間隔RLI和面元大小得到式(9)：

fl=(NRRINRLRLI)(a×b)×

(9)

令SB=a×b，得到：

fl=SSSBDRDS

(10)

fl=SBDT

(11)

(12)

從式(12)可知，對于某個三維地震觀測系統，可以選取一個相同大小的面元，通過減少炮、道密度進行抽稀處理得到幾種觀測系統，研究幾種不同抽稀后的觀測系統對川中沙溪廟組河道砂體儲層厚度和斷層的識別精度，以期得到針對川中侏羅系沙溪廟組不同勘探目標的觀測系統設計方案。

1.2 四種不同觀測系統抽取方案

本次試驗共設計四種觀測系統，具體參數見表1。首先對高密度數據觀測系統中所有炮線上的炮點隔取三炮取一炮，使得炮密度是高密度炮密度的1/4，同樣在接收線上接收道也采用隔三道留一道的方式，使得接收道密度是高密度接收道密度的1/4，從而得到面元大小為20 m×20 m的抽稀觀測系統A，然后在觀測系統A的基礎上對炮道密度進行不同程度抽稀得到觀測系統B、C、D。對這四個觀測系統A、B、C、D按相同處理流程處理，需要說明的是，為使各套數據沒有時差，筆者未對每套數據分別進行初至拾取和約束層析靜校正計算，而是采用高密度數據的約束層析靜校正量和相同偏移速度模型進行疊前偏移處理分析。

2 分辨率分析

在本文分辨率分析中，對中侏羅統沙溪廟組河道砂體和斷層進行河道寬度、斷層斷距、厚薄砂體厚度計算，將每種觀測系統方案的幾種識別極限值作為評判識別能力標準，通過實驗結果分析，選擇出不同勘探目標觀測系統最優設計方案。

2.1 河道砂體地震響應特征分析

研究區域主要位于四川盆地中北部，區域構造位置位于川北—川中過渡帶，在構造上處于四川盆地川中古隆中斜平緩構造區與川北古中坳陷低緩構造區結合部，西臨八角場構造，東臨營山構造，地表出露上侏羅統蓬萊鎮組。在構造演化上同樣經歷了四川盆地的沉積—構造演化史，相繼沉積了中三疊統以下的以碳酸鹽巖為主的海相地層和上三疊統—新近系的以砂泥巖為主的陸相地層；歷經了加里東、華力西、印支、燕山及喜山等多期次構造運動，其中印支運動、燕山運動、喜山運動對構造的形成具有重要影響，受盆地剛性基底的控制，構造發展演化具繼承性(圖1)。

表1 四種不同觀測系統參數

前期研究表明，川中地區侏羅系主要為一套內陸淡水湖相碎屑巖沉積，由下而上地層層序依次為自流井組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊組。沙溪廟組厚度為1800～2000 m，自下而上又分為沙一段和沙二段，進一步結合沉積旋回特征自下而上可以將沙二段劃分為沙二底、沙二二底、沙二三底和沙二四底。通過測井侏羅系沙溪廟組儲層綜合圖(圖2)可知，沙溪廟組儲層為致密砂巖背景下的相對高孔砂巖。其測井響應具有以下特征：砂體在聲波時差曲線上主要表現為低聲波時差的響應特征，儲層段聲波時差略高，整體表現為低聲波時差背景中的相對較高段，聲波時差值分布在40～95 μs/ft之間，井間差異明顯；密度曲線值主要分布在1.8～2.65 g/cm3之間，儲層段密度有所降低；自然伽馬曲線上砂體呈明顯的箱型或漏斗狀，RG值分布范圍為10～150 API，有利砂巖表現為相對低GR值的響應特征，儲層伽馬值在55～90 API之間；電阻率曲線值分布在7～350 Ω·m之間，砂巖呈高電阻特征，孔隙發育電阻降低。

根據川中侏羅系沙溪廟組河道儲層的測井響應特征可知，河道相對圍巖可呈現相對高速、相對低速或速度接近的特征，測井分析河道砂體平均速度為4100 m/s，計算可知河道砂體調諧厚度約為25 m。通過進一步測井分析，為分析河道地震響應特征，設計一個大小為3700×1500 m四層含不同速度和孔隙度砂體正演模型，自下而上厚度分別為300、200、200、850 m，速度分別為4700、4400、4500、4400 m/s，并在第二層和第三層分別設立長50 m、寬為0～25(調諧厚度)m、por(孔隙度)3～12為相對圍巖高速和低速的4種楔狀砂體模型進行正演 (圖3)。采用40 Hz雷克子波進行正演模擬，正演結果 (圖4) 表明：①對于相對圍巖高速河道，其頂界表現為強波峰反射，底界為強波谷反射，當河道砂體厚度等于調諧厚度(25 m)時，河道頂界波峰反射強度最大；②對于相對圍巖低速河道，其頂界表現為強波谷反射，底界為強波峰反射，當河道砂體厚度等于調諧厚度時，河道底界波峰反射強度最大；③相同砂體厚度，低速砂底界反射能量越強，高速砂頂界反射能量越弱，儲層物性越好；④相同儲層物性，低速砂底及高速砂頂振幅越強，儲層厚度越大。因此可以根據反射同相軸頂底界面強波峰或者強波谷反射振幅等特征來識別疊后地震剖面中的河道砂體。通過對川中沙溪廟組河道寬度進行統計，將河道分為大型河道(寬度>1000 m)、中型河道(600 m<寬度<1000 m)、較小型河道(100 m<寬度<600 m)、小型河道(寬度<100 m)四類。

首先從平面方向分析川中沙溪廟組河道砂體展布特征，圖5為高密度、A、B、C和D這五套觀測系統川中沙溪廟組一段內部均方根振幅屬性(2號河道)對比，通過對比可以看出五套數據大、中型河道形態基本一致，觀測系統A、B、C和D由于炮密度和檢波點密度逐步降低，空間分辨率減低，河道邊界出現模糊化效應，但定性來看A、B、C三套數據大型河道、中型河道整體形態與高密度數據基本一致，僅在細小河道形態差別較大，以圖5中紅框為例，高密度數據河道邊界清楚，河道展布連續，能分辨出最小55 m寬小河道，觀測系統A能識別最小71 m寬小河道，觀測系統B能識別最小74 m寬小河道，觀測系統C能識別最小74 m寬小河道，觀測系統D能識別最小98 m寬小河道。從圖6疊加反射剖面對比可以看出，觀測系統A、B、C和D由于炮道密度逐漸降低，剖面上河道亮點反射逐步減弱，觀測系統D已經無法識別河道亮點。

2.2 斷層斷距識別分析

圖7和圖8分別為高密度、A、B、C和D這五套觀測系統在川中沙溪廟組二段1底界相干切片屬性整體與局部對比，通過對比可以看出，從大斷裂分布情況可以看出五套數據分布基本一致，在小斷裂刻畫方面，從圖7中紅框可以看出，隨著炮道密度逐漸降低，空間分辨率降低，平面上斷裂斷距逐漸變短，小斷裂斷距無法識別。圖9和圖10為觀測系統D在InLine方向能識別極限斷距時五個疊后地震剖面整體和局部圖，從圖9和圖10中可以看出，當觀測系統D能識別極限斷距為16 m時候，其余相應觀測系統都能識別此斷距尺寸。圖11為圖7觀測系統D在斷層斷距剛剛消失處InLine方向五個觀測系統疊后地震剖面，圖12為圖11中紅框放大圖對比，通過對比可以看出，在觀測系統D無法識別斷層斷距時，高密度觀測系統識別極限斷距約為6 m，A觀測系統識別極限斷距約為10 m，B、C觀測系統識別極限斷距約為12 m。圖13為高密度、A、B和C四套觀測系統數據疊前縱橫波比反演剖面，通過對比可以看出，對于41 m的厚砂體，觀測系統A、B幾乎能達到與高密度觀測系統相當的識別效果，觀測系統C的識別效果最差，而針對薄砂體，高密度觀測系統識別效果最好，砂體厚度為6 m，A、B觀測系統識別效果略低，砂體厚度為8 m，C觀測系統識別效果最差，砂體厚度為10 m。

3 結論

1)通過對高孔隙度低速河道和低孔隙度高速河道等四種楔狀模型進行正演結果表明：① 對于相對高速圍巖河道，其頂界表現為強波峰反射，底界為強波谷反射，當河道砂體厚度等于調諧厚度(25 m)時，河道頂界波峰反射強度最大。② 對于相對低速圍巖河道，其頂界表現為強波谷反射，底界為強波峰反射，當河道砂體厚度等于調諧厚度時，河道底界波峰反射強度最大；③ 相同砂體厚度，低速砂底界反射能量越強，高速砂頂界反射能量越弱，儲層物性越好；④ 相同儲層物性，低速砂底及高速砂頂振幅越強，儲層厚度越大。

2)對于川中沙溪廟組大中型河道，觀測系統A、B、C和D均能識別河道邊界，且河道寬度與高密度數據一致，針對小型河道，高密度觀測系統平面上小型河道連續，剖面上清晰識別河道亮點，河道邊界清楚，河道展布連續，能分辨出最小55 m寬小河道，觀測系統A能識別最小71 m寬小河道，觀測系統B能識別最小74 m寬小河道，觀測系統C能識別最小74 m寬小河道，觀測系統D能識別最小98 m寬小河道。

3)當采用面元大小為20 m×20 m時，B、C觀測系統在分辨率上幾乎與A觀測系統幾乎相當，這說明當炮道密度達到一個門檻值，即使增加兩倍炮道密度時信噪比僅有微弱改善。

4)當川中沙溪廟組目標河道寬度約為55 m，斷層斷距約為6 m，薄砂體厚度約為6 m時，可采用高密度觀測系統；當勘探目標河道寬度約為71 m，斷層斷距約為10 m，薄砂體厚度約為8 m時，可采用A觀測系統，當勘探目標河道寬度約為74 m，斷層斷距約為12 m，薄砂體厚度約為8 m時，可采用B觀測系統，當勘探目標河道寬度約為74 m，斷層斷距約為12m，薄砂體厚度約為10 m時，可采用C觀測系統。