基于综合信息的三维层速度场建立及其在涪陵页岩气田应用研究

张水山,熊晓军,刘 阳,李 翔

(1.中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司物探研究院,湖北武汉430035;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),四川成都610059)

根据输入数据源的不同,常规层速度计算方法可以分为4类:①基于测井数据的方法,即井空间插值方法[1],适用于密井网区的层速度场建立;②基于叠加速度的方法,如传统Dix公式方法、约束Dix公式方法[2-3]等,可以获得纵横向连续分布的层速度场,是目前主流的层速度计算方法;③基于叠加速度和构造解释技术的方法,如层位控制方法、模型层析方法[4]等,作为第二类方法的改进方法,主要适用于复杂构造区;④基于地震数据的方法,如刘洁等[5]提出的基于地震谱反演的层速度估算方法,先通过谱反演获得地震剖面对应的反射系数剖面,再利用波阻抗递推反演方法,将反射系数剖面转换成速度剖面。

在实际勘探工作中,很多学者提出了具有地域特征的层速度计算的组合方法,如易远元等[6]提出的“Dix公式法+模型层析法”等。此外,叠前深度偏移在进行高精度的地震成像时,也能直接提供深度域的速度场(不需要进行时深转换)。但对于本文研究区——涪陵页岩气田“二期”深层及复杂构造区而言,不能直接采用叠前深度偏移的深度域的层速度模型指导页岩气水平井的钻探,其原因有:①目前大多数应用于生产的叠前深度偏移方法仍然是克希霍夫积分法,该方法突出的优点是计算效率高,但要求地下构造不能过于复杂,地层的纵、横向速度变化不能过大[7];②波动方程类叠前深度偏移方法虽然能较好地适应速度场的横向变化,但对速度误差敏感性强、抗干扰能力弱,在复杂构造区其速度场的可靠性和准确性都不理想[9];③叠前深度偏移的层速度场主要用于偏移成像,该层速度场与常规的叠前时间偏移的速度场建立过程类似,在纵、横向速度拾取点之间往往有一定的间距[10](后续采用插值方法,得到完整的速度场),其在目的层段(页岩层段)的分辨率太低,不能满足水平井钻探的需求。

基于前面的分析可见,常规的基于叠加速度计算得到的层速度场或叠前深度偏移处理得到的深度层速度场虽然能适应复杂构造区,但在目的层段的纵、横向分辨率较低,不能满足水平井钻探的需要。因此,提出了一种基于综合信息的三维层速度场建立技术并在涪陵页岩气田进行了实际应用。

1 方法技术

1.1 常规层速度计算方法

目前,常用的层速度计算方法主要是Dix公式方法[11]、约束Dix公式方法[12]和模型层析方法[13]。

利用波阻抗反演技术也可以计算地层的层速度。波阻抗反演技术基于三维地震数据、测井数据和构造解释数据,采用多种反演方法[14]可以得到纵、横向均具有很高分辨率的波阻抗数据体。目前,波阻抗反演方法较为成熟,已被广泛应用于油气储层预测。此外,波阻抗等于速度与密度的乘积,如果已知波阻抗与密度的关系,即可通过波阻抗数据计算地层速度。

遗憾的是,目前仍然没有见到有关使用波阻抗反演方法建立层速度场的成功实例。究其原因,我们认为主要的影响因素有2个:①波阻抗反演往往需要使用测井数据作为约束,而浅层或中浅层往往没有测井数据,因而无法获得纵向上完整的波阻抗数据体;②波阻抗反演方法往往受测井数据的影响较大,具有较高的纵、横向分辨率,存在很多的速度突变点,而层速度往往在横向或纵向上一定范围内基本不变。

1.2 基于综合信息的三维层速度场建立技术

本文提出的基于综合信息的高精度三维地震层速度场建立技术的主要思路是根据有无测井数据将地下地层分为上、下2段地层:①上段地层采用多种常用的层速度计算方法计算层速度;②下段地层采用波阻抗反演方法计算层速度,并结合下层地层的层速度,形成多套组合层速度。最后根据组合层速度计算的地层深度与钻井地层深度误差最小的原则,优选出最佳的组合层速度。该技术流程如图1所示。

基于图1,计算步骤具体如下。

1) 根据研究区内的测井数据的分布范围,将整个地层分为上段地层(无测井数据)和下段地层(有测井数据)。

图1 基于多源信息的层速度场建立流程

2) 针对上段地层,分别采用3种常规的层速度计算方法(Dix公式方法、约束Dix公式方法、模型层析方法)计算层速度。

3) 针对下段地层,进行波阻抗反演计算,获取下段地层的波阻抗。如果下段地层纵向上的岩性变化较大,为了克服采用单一地震子波的缺陷(即在整个下段地层采用相同的地震子波进行波阻抗反演),可以根据测井分层,将下段地层划分为多个小层段,分层段进行波阻抗反演(即对每个小层段单独进行波阻抗反演,再将其结果合并,得到整个层段的波阻抗)。

4) 针对下段地层,采用Gardner关系式进行测井数据(速度v与密度ρ)的统计分析(统计得到系数a和b,见(1)式),再根据(2)式将步骤2)中的波阻抗值Z换算为地层速度。

5) 对步骤4)中得到的层速度进行三维保边去噪处理[15],得到下段地层层速度。三维保边去噪处理方法能有效消除层速度在纵、横向的突变点,使层速度在横向或纵向上一定延伸范围内基本不变,并较好地保持具有相同层速度的地质体的边界(图2)。

图2 理论模型的保边去噪处理a 含噪声的模型; b 二维保边去噪处理; c 三维保边去噪处理

6) 对步骤5)中得到的上段地层层速度与步骤4)中得到的下段地层层速度进行融合处理,即进行图1中过渡区域的各向异性扩散平滑滤波处理[16],得到3套组合层速度:“上段地层层速度(Dix公式方法)+下段地层层速度”、“上段地层层速度(约束Dix公式方法)+下段地层层速度”和“上段地层层速度(模型层析方法)+下段地层层速度”。

上段地层层速度计算方法基于叠加速度数据,其纵、横向分辨率受叠加速度采样点的影响较大,分辨率往往较低;而下段地层层速度计算方法采用的是基于三维地震数据的波阻抗反演方法,往往具有很高的纵、横向分辨率。因此,有必要进行两者的融合处理,否则在纵向上会存在一个明显的层速度分界面。采用常规的平滑滤波方法会模糊具有相同层速度的地质体的边界,为此,本文引入了图像处理中的各向异性扩散平滑滤波方法进行处理。该方法既能较好地保持图像的边缘和重要的细节信息,又能有效地进行上、下段地层的层速度平滑处理。本文采用的王毅等[16]提出的各向异性扩散平滑滤波的改进算法,该方法在Perona-Malik各向异性扩散模型(PM模型)的基础上,通过对变分方法的扩散方程中扩散系数的改进,不仅能够有效地保持图像的边缘,而且还能克服PM模型多、小尺度噪声敏感以及部分边缘和细节失真的问题。

7) 对步骤5)中的3套组合层速度进行优选。根据与钻井地层深度误差最小的原则,优选最佳的组合层速度用于时深转换,获得目的层段的深度构造图。

2 涪陵页岩气田的应用及效果分析

涪陵页岩气田是我国第一个大型页岩气田,截至2016年8月,已建成的“一期”勘探区块具有70×108m3的生产能力[17]。“二期”的勘探与产能建设已经启动,其研究区主要围绕深层及复杂构造区(埋深大于3500m的区域)展开。本文研究区隶属于涪陵页岩气田“二期”勘探区块,位于川东高陡褶皱带,受华蓥山、齐岳山断裂的影响,呈现北东向的构造格局,研究区内构造复杂,现有5口勘探井。图3是研究区内典型的地震剖面,可见,研究区内地形起伏变化大且断层非常发育,可连续追踪的地震层位共有3个:龙潭组底界面(P2l)、梁山组底界面(P1l)和五峰组底界面(TO3)。

图4是采用2种常规的层速度计算方法得到的层速度剖面(对应图3剖面)。从图4可见,纵、横向层速度的分辨率较低;图4a中P2l界面之上的地层在纵、横向上的分辨率(即速度的变化)优于图4b。

根据本文提出的基于综合信息的三维层速度场建立技术的计算流程,首先根据研究区内5口井的测井数据的纵向起始位置,将研究区内的地层以P2l为分界线分为上、下段地层,即研究区内的5口井在P2l界面之下的地层均有测井数据,而P2l界面之上则缺少测井数据。

对下段地层分层段进行波阻抗反演计算和保边去噪处理,得到的过J1和J2井的层速度连井剖面如图5所示(图中,井旁红色曲线是测井速度曲线)。从图5中可见,采用基于“三维地震数据+测井数据+构造解释数据”的波阻抗反演方法得到的层速度剖面在纵、横向上均具有很高的分辨率,井点处反演得到的层速度与测井得到的地层速度符合率高,较真实地反映了地下地层层速度的变化规律。

基于叠加速度和构造解释数据,分别采用Dix公式方法、约束Dix公式方法和模型层析方法对上段地层进行计算[18-20],将得到的层速度与下段地层的层速度进行融合处理,得到3套组合层速度剖面如图6所示。

图3 研究区内的典型地震剖面

图4 研究区地层的2种常规层速度剖面(对应图3剖面)a 约束Dix公式; b 模型层析法

图5 研究区下段地层过J1和J2井的层速度连井剖面

图6 研究区地层的3套组合层速度剖面(对应图3剖面)a 上段地层层速度(Dix公式方法)+下段地层层速度; b 上段地层层速度(约束Dix公式方法)+下段地层层速度; c 上段地层层速度(模型层析方法)+下段地层层速度

为了优选最适用于研究区的层速度,采用钻井实测页岩底界面深度与基于上述3套组合层速度的时深转换结果进行对比分析[20-21],经变速成图[22-28]得到的深度构造图如图7所示。从图7中可见,“上段地层层速度(约束Dix公式方法)+下段地层层速度”的组合层速度与研究区内的5口钻井实测深度误差最小,其预测得到的5口井页岩底界面的平均误差为0.4%,预测深度误差最大是0.6%(J2井),符合页岩气勘探对于构造深度预测的误差要求。图8是采用该最佳层速度对页岩底界面(O3w)进行时深转换得到的深度构造图,为后续的勘探开发提供了重要的基础数据。此外,对比图6b(本文采用的层速度)与图4(常规方法)可见,基于本文方法得到的层速度场在中深层段比采用常规方法得到的层速度场具有更高的纵、横向分辨率。

图7 基于3套组合层速度得到的页岩底界面的构造深度曲线 图中,组合层速度a代表“上段地层层速度(Dix公式方法)+下段地层层速度”的组合,组合层速度b代表“上段地层层速度(约束Dix公式方法)+下段地层层速度”的组合,组合层速度c代表“上段地层层速度(模型层析方法)+下段地层层速度”的组合。

图8 页岩地层底界面(O3w)的深度构造

3 结论

本文将采用多种常规层速度计算方法计算得到的上段地层的层速度与采用波阻抗反演得到的下段地层的层速度进行融合,并与钻井得到的层位深度进行对比分析,充分利用各种层速度计算方法的优点,优选出研究区最佳的组合层速度计算方法。根据理论分析和实际资料应用效果可以得到以下结论:

1) 针对无测井数据的上段地层,采用多种常规的基于叠加速度的层速度方法有助于优选出研究区最佳的层速度计算方法;

2) 针对有测井数据的下段地层,充分利用基于波阻抗反演的层速度计算方法的高分辨率优点,获得高分辨率的层速度数据体;

3) 采用三维保边去噪方法对基于波阻抗反演的层速度进行滤波处理,有效地克服了波阻抗反演方法存在速度突变点的缺陷,得到的层速度在横向或纵向上的一定延伸范围内基本不变,符合地质规律。

[1] 胡玉双,郝宇刚,贾林.密井网区高精度三维速度场的建立[J].黑龙江科技大学学报,2016,26(2):172-176

HU Y S,HAO Y G,JIA L.Dense well pattern high-precision 3D velocity field building[J].Journal of Heilongjiang University of Science & Technology,2016,26(2):172-176

[2] 叶勇.三维约束Dix反演层速度方法及其应用研究[J].石油地球物理勘探,2008,43(4):443-446

YE Y.Study on method of 3-D constraint Dix inverted interval velocity and application[J].Oil Geophysical Prospecting,2008,43(4):443-446

[3] 曾庆猛,刘成林,张贵斌,等.柴达木盆地东部石炭系地震层速度求取方法的研究[J].地学前缘,2016,23(5):176-183

ZENG Q M,LIU C L,ZHANG G B,et al.Calculation of carboniferous seismic interval velocity in eastern Qaida basin[J].Earth Science Frontiers,2016,23(5):176-183

[4] 李军.三维地震资料解释中时深转换方法对比分析及应用[J].海洋石油,2014,34(1):36-40

LI J.Analysis and applications of time-depth transform method in 3D seismic interpretation[J].Offshore Oil,2014,34(1):36-40

[5] 刘洁,张建中,孙运宝,等.基于地震谱反演的地层速度估算方法及应用[J].石油地球物理勘探,2016,51(5):909-915

LIU J,ZHNAG J Z,SUN Y B,et al.Seismic velocity estimation method based on spectral inversion[J].Oil Geophysical Prospecting,2016,51(5):909-915

[6] 易远元,叶辉,邓爱居,等.三维地震速度场建立技术——以饶阳凹陷河间南地区为例[J].石油学报,2015,36(7):820-826

YI Y Y,YE H,DENG A J,et al.3-D seismic velocity field building technology:a case study of southern Hejian area of Raoyang sag[J].Acta Petrolei Sinica,2015,36(7):820-826

[7] 梅金顺,王润秋,于志龙,等.叠前深度偏移对速度场敏感性分析[J].石油地球物理勘探,2013,48(3):372-378

MEI J S,WANG R Q,YU Z L,et al.The sensitivity of prestack depth migration to the velocity field[J].Oil Geophysical Prospecting,2013,48(3):372-378

[8] 方伍宝,周腾,袁联生,等.叠前深度偏移在复杂地区的应用[J].石油物探,2003,42(1):68-71

FANG W B,ZHOU T,YUAN L S,et al.Application of pre-stack depth migration in complex areas[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2003,42(1):68-71

[9] 罗银河,刘江平,俞国柱.叠前深度偏移述评[J].物探与化探,2004,28(6):540-545

LUO Y H,LIU J P,YU G Z.A Review on the Pre-stack Depth Migration[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2004,28(6):540-545

[10] 周巍,王鹏燕,杨勤勇,等.各向异性克希霍夫叠前深度偏移[J].石油物探,2012,51(5):476-485

ZHOU W,WANG P Y,YANG Q Y,et al.Research on anisotropy kirchhoff pre-stack depth migration[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(5):476-485

[11] 陆基孟.地震勘探原理及资料解释[M].北京:石油工业出版社,1991:1-281

LU J M.The principle of seismic exploration and data explanation[M].Beijing:Petroleum Industry Press,1991:1-281

[12] 陈志宏,朱四新,李强,等.基于改进Dix公式层速度求取方法应用研究[J].科学技术与工程,2012,30(12):7840-7843

CHEN Z H,ZHU S X,LI Q,et al.Study of interval velocity calculating and its application based on improved Dix formulas[J].Science Technology and Engineering,2012,30(12):7840-7843

[13] 徐群洲.准噶尔盆地地震速度场的建立[J].物探化探计算技术,2015,37(4):502-507

XU Q Z.The establishment of seismic velocity field in Junggar basin[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2015,37(4):502-507

[14] 栾颖,冯晅,刘财,等.波阻抗反演技术的研究现状及发展[J].吉林大学学报(地球科学版),2008(增刊1):94-98

LUAN Y,FENG X,LIU C,et al.The research present and future of wave impedance technique[J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2008,38(S1):94-98

[15] ALBINHASSAN N M,LUO Y,ALFARAJ M N.3D edge-preserving smoothing and applications[J].The Leading Edge,2002,21(2):136-158

[16] 王毅,张良培,李平湘.各向异性扩散平滑滤波的改进算法[J].中国图象图形学报,2006,11(2):210-216

WANG Y,ZHANG L P,LI P X.An improved algorithm of anisotropic diffusion smoothing filter[J].Journal of Image and Graphics,2006,11(2):210-216

[17] 蔡勋育,周德华.涪陵页岩气田勘探开发进展[J].世界石油工业,2016(5):19-26

CAI X Y,ZHOU D H.Exploration and development of shale gas field[J].World Petroleum Industry,2016(5):19-26

[18] 叶勇,孙武亮,孙开峰.塔中围斜区连片精细速度建模与变速成图[J].石油物探,2010,49(4):401-406

YE Y,SUN W L,SUN K F.Detailed velocity modeling and velocity-variable structure mapping of eight-piecing processing in Tazhong area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2010,49(4):401-406

[19] 杨勤林,王彦春,张静,等.滨里海盆地M区块盐下构造变速成图[J].石油物探,2012,51(4):377-382

YANG Q L,WANG Y C,ZHANG J,et al.Variable-velocity mapping for sub-salt structure in Block M,Pre-Caspian Basin[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(4):377-382

[20] 罗胜元,何生,宋国奇,等.渤南洼陷井-震速度误差分析和速度模型的建立及应用[J].石油物探,2014,53(2):196-205

LUO S Y,HE S,SONG G Q,et al.The error analysis between logging and seismic velocity for 3D velocity modeling in Bonan Sag[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2014,53(2):196-205

[21] 王娟,李国发.利用地震资料估算地层速度的精度分析

[J].石油物探,2009,48(6):552-556

WANG J,LI G F.Accuracy analysis on formation velocity estimation by seismic data[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2009,48(6):552-556

[22] 李文杰,魏修成,刘洋.利用VSP资料反演地层层速度的一种新途径[J].石油物探,2004,43(2):126-129

LI W J,WEI X C,LIU Y.A new way to invert interval velocity by using VSP data[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2004,43(2):126-129

[23] 袁井菊.层叠法变速构造成图的地质基础及其应用[J].石油物探,2006,45(3):285-289

YUAN J J.Application of layer-cake method to make structure map and geological base[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(3):285-289

[24] 张营革,田建华.沾车地区馆陶组地层超覆油藏地震描述技术应用及效果分析[J].石油物探,2003,42(3):322-327

ZHANG Y G,TIAN J H.Seismic description technology for stratigraphic overlap reservoir of the Guantao Formation and its effect analysis in Zhanche area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2003,42(3):322-327

[25] 袁刚,冯心远,蒋波,等.约束层析反演及其在地震速度计算中的应用[J].石油物探,2013,52(1):55-59

YUAN G,FENG X Y,JIANG B,et al.Constrained tomography inversion and its application in seismic velocity computation[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2013,52(1):55-59

[26] 王咸彬,吴成梁.散乱数据插值方法及其在背景速度建模中的应用[J].石油物探,2017,56(1):126-140

WANG X B,WU C L.Scattered data interpolation methods and its application in background velocity model building[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(1):126-140

[27] 张保银,孙建国,黄伟传,等.塔中地区速度场建立及变速成图[J].石油物探,2004,43(6):608-611

ZHANG B Y,SUN J G,HUANG W C,et al.The construction of the velocity field and the varying velocity mapping in Tazhong area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2004,43(6):608-611

[28] 杨江峰,王咸彬,洪太元,等.准噶尔盆地南缘山前带构造变速成图[J].石油物探,2008,47(2):179-182

YANG J F,WANG X B,HONG T Y,et al.Application of varying velocity mapping technique for mountain front in southern Junggar basin[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2008,47(2):179-182