镇巴地区地震勘探效果分析与认识

敬朋贵

(中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都 610041)

镇巴探区位于川、陕、渝三地交界处,构造上处于南大巴山逆冲推覆前锋变形带[1-2]内。大巴山弧形逆冲推覆带西邻米仓山、北靠秦岭造山带、南接四川盆地,属于典型的盆山耦合复杂带。构造展布形态上表现为向西南凸出的弧形,由巨型逆冲推覆褶皱带构成;构造类型主要为断层相关褶皱、叠瓦状构造及断层三角带。前期大量的基础地质和沉积相综合研究表明,镇巴探区存在类似于开江-梁平陆棚两侧的碳酸盐岩台地边缘相带,勘探潜力巨大。2006年以来,中国石油化工股份有限公司勘探南方分公司在镇巴地区开展了大量二维、三维地震采集攻关试验[3],所获资料通过“内引外联”由多家单位进行并行攻关处理,其效果虽不断得以改进,但最终成果资料主要目的层结构仍然十分杂乱,标志层反射难以识别,构造解释难度大,储层预测极为困难。受地震资料品质低的影响,首口探井的论证与实施面临巨大风险。

1 复杂地表地震地质条件

镇巴地区是典型的地上、地下“双复杂”探区。地面的复杂性表现在地形起伏剧烈、出露地层岩性多变及其产状陡峭;地下复杂性表现为陆相、膏盐岩及海相“三层楼”式复杂构造的组合特征。

镇巴地区属于典型的大山区,地势总体呈南西低、北东高的趋势,北东向山大谷深、起伏剧烈,北西向高差变化相对较小,起伏相对平缓。三维地震攻关区最低海拔约480m,最高海拔1696m,沟谷高差大于500m的情况俯拾皆是。实际生产中,一个采集接收排列通常要跨越4～6座相对高差在200～600m的山峰(图1)。交通及通讯条件极差,地震施工难度大、成本高。

镇巴地区表层出露地层大致沿北西向展布,砂岩、灰岩呈条带状交错变化,三维地震采集攻关区域内表层地质呈“三隆两凹”沉积特征(图2)。区内出露岩层产状陡峭,绝大部分岩层倾角超过30°。在地震采集施工区域,通过实际测量和室内表层构造恢复,在不足800m范围内由新到老依次出露中侏罗统千佛崖组沙泥岩、下侏罗统白田坝组砾岩、上三叠统须家河组泡砂岩、中三叠统雷口坡组白云质灰岩等4～5套不同时代、不同岩性地层,出露最老地层为下三叠统嘉陵江组泥灰岩。地表构造核部及其两翼地层几近直立,岩石破碎严重(图3和图4)。地表出露岩性、产状变化快,地层,导致地震激发、接收条件严重不一致,采集资料横向变化迅速[4-7]。

镇巴地区地腹内部发育寒武系到侏罗系多套地层埋藏深度及其倾角变化大,褶皱严重。区内沉积了构造特征各不相同的陆相砂泥岩、膏盐岩、海相碳酸盐岩三套地层。陆相砂泥岩沉积地层呈现为隆凹结构,隆起高陡、紧闭,局部缺失须家河及以上地层,凹陷相对宽缓、深埋;膏盐岩横向厚度及埋深变化大;海相地层断裂发育,构造类型主要为断层相关的褶皱、叠瓦状构造及断层三角带,呈现为断隆、断凹、断阶等复合结构特征(图5)。镇巴地腹内部陆相、膏盐岩及海相“三层楼”式的复杂构造造成地震波传播路径的高度复杂化。

图1 典型砂岩地表区单炮记录

图2 地震采集攻关区地面地质条件

图3 地震工区表层地质剖面

图4 表层岩层产状特征

图5 镇巴地腹内部地质构造剖面

2 地震采集攻关与主要认识

2.1 区域概查与二维地震攻关

为了解镇巴地区的区域地质结构,2004年部署实施了3条二维地震勘查测线。采用20m道距,80m炮间距,最大接收排列4800m,60次覆盖的单线地震观测,仅获得了浅层反射信息,中深层反射能量弱、信噪比低。

为寻求有效的地震勘探方法技术,2006年实施了系统的地震采集技术攻关。开展了系统的表层地质结构调查,药性、药型、激发工艺试验和检波器类型、组合接收试验,在此基础上经过多方论证,制定了20m道距,40m炮距,最大偏移距9600m,960次叠加的双线双炮超高覆盖次数二维宽线地震采集方案,实施了一条30km的二维测线。攻关采集的资料除浅层和深层寒武系反射信息较2004年的二维资料有一定程度改善外,志留系和主要目的层二叠系、下三叠系反射仍然十分杂乱,无明显可识别的反射波同相轴。

2.2 三维地震攻关

镇巴地区极为复杂的地表和地下地质条件,致使二维地震勘探难以获取复杂地质构造的地震响应,存在无法克服的侧面反射问题,二线二炮观测获得的3条地下反射剖面的空间组合选择余地有限,且难以消除横向不一致性,勘探效果差。鉴于此,2009—2011年连续部署实施了3期三维地震采集攻关试验,探索高空间采样率的三维观测技术解决本地区勘探问题的能力。2009—2010年三维地震攻关采用了20m×20m面元,接收线、炮线距均为200m,覆盖次数分别为120次和150次的三维束状观测系统。在施工过程中尽可能将布设的排列全部接收,以增强观测效果,力求解决复杂波场的地震成像问题。2011年采用了20m×40m矩形面元,接收线、炮线距为240m,336次覆盖的三维观测系统。与四川盆地内已实施的多块三维地震采集技术方案相比较,目前镇巴地区三维地震采集攻关技术方案所采用的炮、检线距收缩了近1倍,每平方千米内地震炮-检对采集密度提高了1倍以上。通过与前期二维地震勘探资料的比较分析,无论是叠加还是偏移效果,三维地震资料比二维地震资料在浅、中、深层的信息都更加丰富、清晰,结构更为合理[8]。但经多方攻关处理后的三维成果资料依然存在结构复杂、标志层不清及可解释性差的问题。

3 地震资料主要特征

3.1 单炮记录特征

镇巴地区地震单炮记录品质变化与地表出露的条带状不同岩性密切相关。由西南往东北,单炮记录内反射信息依次减弱、变差。砂岩区激发、砂岩内接收的资料最好,过渡区其次,灰岩区记录最差。西南部砂泥岩区的记录品质最好,主频、信噪比相对较高;在中部砂泥岩区,信噪比相对较低,东北部砂泥岩区记录可见有效反射能量,但信噪比更低。中部和东北部灰岩区的记录主频低,低频干扰强,总体显现为低信噪比(图6)。

图6 镇巴地表不同岩性出露区地震资料原始记录品质a 西南砂岩区1; b西南砂岩区2; c中部灰岩区; d 东北砂岩区

进一步深入分析品质最高的砂岩区单炮记录,排列内普遍存在不同角度、弧度的反射能量且相互交织,从浅至深基本没有贯穿全排列的稳定的反射;中层局部存在微弱的反射信息,但连续道数十分有限;不同位置单炮和同一炮不同排列接收的反射信息存在明显变化。

详细对比过渡带、灰岩出露条带内不同位置单炮记录,过渡区单炮呈现为半边有反射、半边无反射的特点,大量记录初至波处可见绕射波;灰岩区激发-接收单炮记录基本无可识别的有效反射。

3.2 道集与速度谱质量

对信噪比较高的砂泥岩区相邻CMP道集作连续分析(图7a),目的层段反射信息在时间和空间上变化剧烈,同一反射波在近偏移距与远偏移距存在差异;目的层段相关速度谱质量很差(图7b),难以拾取。灰岩区CMP道集信噪比低(图7c),速度谱缺少稳定的能量团(图7d)。

图7 地表砂泥岩区CMP道集(a)及对应速度谱(b)和灰岩出露区CMP道集(c)及对应速度谱(d)

同一位置的CMP道集(图8a)与叠前成像CRP道集(图8b)对比,两者除了因处理方法不同而信息变化较大外,需要注意的是,即便经过叠前偏移处理后的CRP道集,同一反射波在不同偏移距上也存在不一致的现象。经叠前偏移处理后,CRP道集中强振幅稳定反射段对应的速度谱能量更为集中(图8c),但目的层段及灰岩出露区速度谱质量未见明显提高。

道集内信息的不一致性表明,无论是CMP道集还是经过叠前偏移的成像道集均不能代表是地下真实反射点的准确信息,实际射线路径与简单的几何路径已严重不符。道集间信息的不一致性则说明地下地层产状和倾角在小范围内发生了较大变化。

图8 同一位置的CMP道集(a)、CRP道集(b)及叠前成像速度分析(c)

3.3 叠加波场分析

为方便描述,我们将三叠系须家河组以上地层称为陆相浅层,雷口坡至嘉陵江组地层称为膏岩层,三叠系飞仙关组至志留系地层称为中层,志留系以下称为深层,对应的各套地震反射分别称为浅、中、深层反射。经过反复的精细处理,叠加资料信噪比整体得到改善,灰岩条带区可见一定反射信息,叠加剖面上基本消除了空白反射区(图9a)。从剖面内反射层系上分析,区内浅层反射波组能量强、相位稳定,可连续追踪的范围较大;膏岩反射能量强,呈现为发散、多曲率的绕射波特征(俗称“扫帚”状反射),影响范围大;中层反射能量弱,波组稳定性差;深层反射能量较强,产状较缓,波组连续性差(图9a)。

图9 镇巴地区叠加剖面特征(a)及其目的层局部放大显示(b)

进一步分析中层主要目的层段的叠加波场。在三维纵向剖面(图9b)上,反射同相轴多显弧形特征,几乎没有水平连续反射同相轴,反射波组相位转换频繁;标志层同相轴无法连续追踪或连续追踪范围十分有限,可追踪的反射同相轴一般连续不超过50道(1000m);不同产状反射波组相互交织,相互影响;波组不完整,呈现半支绕射特征;呈弧形特征的相邻反射波在空间上相距较远,不符合反射、绕射、回转波的空间匹配关系,存在反射、绕射、回转波组合不完整现象。在三维横向剖面上,除膏岩层绕射发育外,其余层系反射产状普遍较缓,但剖面与剖面之间反射信息变化大,显示跳跃变化特征。对主测线上明显的反射波组沿联络线方向进行追踪,其可连续追踪100道即2000m以上的反射很少。纵、横向剖面联合分析,同一波组在两个方向的反射产状差异巨大,变化迅速。总体来看,镇巴三维地震资料主要目的层叠加波场受上伏膏岩层产生的强烈绕射波影响严重,自身反射能量弱,无明显的水平反射,反射波波组稳定性差[9-12]。

4 地震成像条件分析

4.1 成像条件计算

根据反射地震学的基本原理,实际观测到的反射波是由反射界面上相当的一个面积内返回的能量叠加而成的,到达检波器的反射波的相位差不超过半个周期,这些波或多或少地相干干涉,这个相干干涉区域就是菲涅尔带。第一菲涅尔带半径r与地震波传播的速度、频率、距离存在如下关系:

(1)

式中:t为观测点到界面的双程旅行时间;f为视频率;H为界面深度;λ为波长。

当地下地质体的长度(a)小于第一菲涅尔带半径时,这样的地质体就相当于一个绕射点。因此,菲涅尔带决定了地震水平分辨率的极限[13-15]。依据上述公式并设定镇巴地区地震波参数,在上覆介质均匀的前提下,到达目的层的地震波波长100～400m,地质体埋深在1000m时,地震可分辨的地质体最小尺度为100～220m,埋深在6000m时则为540～1100m。

以观测深度5000m,地震波速度5500m/s,频率20Hz为例,在上覆介质均匀前提下,水平地质体尺度要达到829m才能形成稳定的长反射,而形成短反射或绕射的地质体最小尺度为370m,小于该尺度的地质体,在地面是接收不到其响应信息的。地质体尺度在370～829m时主要形成短反射,愈接近下限,愈容易产生绕射。

成像条件计算结果说明,非均匀体尺度越小越容易形成短反射或绕射,当非均匀地质体不满足形成短反射的最低尺度时,地面就观测不到其响应信息,导致信息缺失。而目前的地震观测结果预示镇巴地区地下稳定地质体的尺度、规模偏小,已接近甚至小于地震可观测的最低尺度。

4.2 模型正演分析

图10a给出了根据镇巴地区实际资料解释的地下地质结构及实测地表高程构建的带实际地表的二维数值模型,该模型中的二叠系断块最小规模在2 000m以上。我们据此模型开展射线追踪及波动方程正演模拟。模拟结果(图10b和图10c)表明,射线路径极度复杂化,观测排列内二叠系目的层射线路径极度不均匀,数值模拟单炮记录上目的层段反射横向严重不均匀,甚至无反射。多种观测方式的模拟结果均表明,无论采用多长的排列也无法完整接收到二叠系的反射信息。

图10 带实际地表条件的镇巴二维数值模型(a)及其射线追踪模拟(b)和波动方程模拟(c)记录

射线路径追踪模拟表明,在同一炮检距范围内,不同地层反射点极为散乱,无规律可循,同一地层不同位置的反射可以同时达到(多路径)。在同一激发-接收排列内,同一反射地层的反射点分布也是极度的不均匀,且愈到下伏地层,反射点愈不均匀。在上覆陆相构造层起伏变化大,膏盐岩层厚度及形态剧烈变化的条件下,即使主要目的层地质体尺度按照2000～3000m的规模构建模型,其正演结果仍说明目前的地震观测手段无法正确获取地下主要地质对象的完整信息。

5 认识与建议

5.1 认识

1) 镇巴地区地震采集攻关取得的单炮记录和时间域叠加资料在主要目的层段的地震反射信息均表现为短反射、绕射或回转波特征。分析表明资料中反射、绕射、回转波之间存在时空配置关系不完整的现象。目前的地震观测结果预示镇巴地区地下稳定地质体的尺度、规模偏小,已接近甚至小于地震可观测的最低尺度。

2) 叠加资料以绕射、回转、半支绕射为主,基本无水平反射,无论采用何种偏移处理技术手段,其成像结果必然只能呈现出一系列短促状反射、孤立点反射或画弧特征。而仅凭一些孤立的点反射和短促状反射无法构成稳定、延续的地震反射界面。地质研究表明,本区经历过多期次、多方向的构造运动,地表与地下地层改造变形严重,碳酸盐岩地层断裂、破碎更为严重。地震成像结果揭示海相地层断裂发育、断层断距大、断裂破碎区范围大,稳定地质体小。目前地震资料的低信噪比特征应该是地下地质结构的客观反映。

3) 地震道集内信息的不一致性及道集间信息的迅速变化,模型正演目的层反射点极为分散且无规律可循,说明基于均匀水平层状介质假设和规则几何关系分选道集的资料处理技术前提严重偏离实际情况,不能满足镇巴地区“双复杂”条件下的地震成像要求。

5.2 建议

1) 基于目前获得的地震资料波场不健全的问题,应在现有资料及研究认识基础上加强真实地表三维数值模型构建和正演模拟分析,针对目的层进行有效照明分析,寻找改善目的层观测效果的有效技术对策。

2) 开展正演模拟数据的成像处理试验,寻找最佳成像处理方法技术和参数,指导实际地震资料处理。在现有资料处理技术条件下,开展地震数据叠前五维插值,通过室内手段最大限度地提高数据空间采样率,尝试改善复杂小断块的资料成像效果;探索陆上复杂资料全波形反演技术,寻求不依赖于常规预处理的速度建模方法,建立新的陆上复杂山地地震资料成像处理技术流程。

镇巴地区地震勘探攻关从二维发展到三维,资料质量虽不断有所改进,但没有根本性改变。实际资料分析、理论条件计算、简单模型模拟结果均表明,该地区海相地层断裂发育,地层破碎严重,稳定块体尺度偏小。可以认为,目前的三维地震攻关成果已经基本反映了本地区真实的地下地质特征。为加快镇巴地区油气勘探发现的进程,为后续攻关研究提供更为准确的信息,应下定决心尽快实施风险钻探。

参 考 文 献

[1] 董云鹏,查显峰,付明庆,等.秦岭南缘大巴山褶皱-冲断推覆构造的特征[J].地质通报,2008,27(9):1493-1508

Dong Y P,Zha X F,Fu M Q,et al.Characteristics of the Dabashan fold-thrust nappe structure at the southern margin of the Qinling[J].Geologcal Bulletin of China,2008,27(9):1493-1508

[2] 张国伟,张本仁,袁学诚.秦岭造山带与大陆动力学[M].北京:科学出版社,2001:1-855

Zhang G W,Zhang B R,Yuan X C,et al.Qinling orogenic belt and crustal dynamic[M].Beijing:Science Press,2001:1-855

[3] 李燕燕,赵殿栋,于世焕,等.中国石化陆上地震采集技术现状与发展趋势[J].石油物探,2013,52(4):363-371

Li Y Y,Zhao D D,Yu S H,et al.Status and trend on land seismic acquisition technique of SINOPEC[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2013,52(4):363-371

[4] 马力,陈焕疆,甘克文.中国南方大地构造和海相油气地质[M].北京:地质出版社,2004:1-867

Ma L,Chen H J,Gan K W,et al.Tectonic evolution and marine petroleum geology in South China[M].Beijing:Geological Publishing House,2004:1-867

[5] 贾承造,何登发,雷振宇,等.前陆冲断带油气勘探[M].北京:石油工业出版社,2000:1-353

Jia C Z,He D F,Lei Z Y,et al.Petroleum exploration in foreland thrust[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2000:1-353

[6] 张庆龙,卢华复,何建坤.大巴山前缘含油气构造条件[J].天然气工业,1995,15(4):5-9

Zhang Q L,Lu H F,He J K,et al.Oil-bearing structure environment in the frontal Dabashan[J].Natural Gas Industry,1995,15(4):5-9

[7] 杨勤勇,王华忠,刘少勇,等.山前带地震成像技术需求与勘探策略分析[J].石油物探,2012,51(6):570-573

Yang Q Y,Wang H Z,Liu S Y,et al.Analysis of seismic imaging technology requirements and exploration strategy in foothill area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(6):570-573

[8] 敬朋贵,齐中山,肖兰雄.米仓-大巴山复杂山前带油气勘探进展与面临的问题研究[J].石油物探,2011,50(2):107-114

Jing P G,Qi Z S,Xiao L X.Exploration progress and confronted problems of complex mountain front in Micang-Dabashan area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2011,50(2):107-114

[9] 刘文霞,王艳华,王媛,等.叠前时间偏移的偏移孔径与采集孔径关系分析[J].海相油气地质,2011,16(4):66-70

Liu W X,Wang Y H,Wang Y,et al.Analysis on the relationship between prestack time migration aperture and acquisition aperture[J].Marine Origin Petroleum Geology,2011,16(4):66-70

[10] 虞立,王国群,袁忠明,等.散射波地震勘探技术在浅表层结构精细勘查中的应用研究[J].石油物探,2013,52(1):43-48

Yu L,Wang G Q,Yuan Z M,et al.Application of seismic scattering profile technique in the shallow fine exploration[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2013,52(1):43-48

[11] 张兵,徐兆涛,王华忠,等.山前带地震数据共成像点道集层析速度反演建模方法研究[J].石油物探,2012,51(6):590-597

Zhang B,Xu Z T,Wang H Z,et al.Common imaging gathers tomography velocity inversion and model building in foothill area[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(6):590-597

[12] 刘玉柱,程玖兵,董良国.面向起伏地表偏移成像的表层静校正方法[J].石油物探,2012,51(6):584-589

Liu Y Z,Cheng J B,Dong L G.A new static correction method for the migration from rugged topography[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(6):584-589

[13] Worley S C.The geometry of reflection[J].Geophysics,1993,58(2):293-297

[14] 吴如山,安艺敬一.地震波的散射与衰减(上)[M].李裕澈,卢寿德,译.北京:地震出版社,1993:1-325

Wu R S,Aki K.Scattering and attenuation of seismic waves[M].Li Y C,Lu S D,translators.Beijing:Seismological Press,1993:1-325

[15] Sheriff R E,Geldart L P.勘探地震学[M].初英,李承楚,王宏伟,译.北京:石油工业出版社,1999:1-345

Sheriff R E,Geldart L P.Exploration seismology[M].Chu Y,Li C C,Wang H W,translators.Beijing:Petroleum Industry Press,1999:1-345