我国经济发展对能源需求持续旺盛, 党的二十大报告指出, “加大油气资源勘探开发和增储上产力度, 加快规划建设新型能源体系”、“确保能源安全”。近年来, 中国海洋油气产量提升显著, 已成为油气产量增量的主力军。中海油根据“碳中和、碳达标”发展战略规划, 提出加大天然气勘探开发力度, 提高天然气占比的目标, 充分展现了保障国家能源安全、肩负油气勘探开发的使命与担当。

随着中国近海油气勘探程度的不断提高, 近海浅层规模构造油气藏发现越来越少。圈闭类型逐渐从以构造为主变为以岩性为主, 地层从新生界地层转向中-古生界、太古界潜山, 储层类型普遍呈现低孔、低渗和裂缝特征, 目标隐蔽性增强, 研究对象日趋复杂^[1-5]。中国近海主要盆地资源评价表明(“十三五”资源评价结果), 中深层石油资源量占比44%, 天然气资源量占比86%, 油气资源潜力巨大, 因此, 深层等复杂油气藏成为海洋油气勘探的重点方向和领域。我国深海石油地质资源量为154.2×10⁸t, 可采资源量为54.5×10⁸t; 天然气地质资源量为31.8×10¹²m³, 可采资源量为23.2×10¹²m³。截至当前, 我国近海的深水区已累计探明石油地质储量约2.5×10⁸t、天然气地质储量约3300×10⁸m³。可见, 我国深海待发现油气资源潜力巨大, 未来勘探前景可观, 走向深海是长远发展的必然选择^[2]。

深水、深层油气勘探成本更高, 勘探风险加大, 但海洋油气行业特点决定了必须坚持走大、中型油气田勘探之路, 必须走高效油气勘探之路。因此, 充分发挥地震资料和地球物理技术优势, 达到安全高效、少井钻探, 获取规模优质储量和产量, 实现高效、低成本是海洋油气发展重要途径。基于中国近海重点领域地质条件特点、地球物理问题需求, 近年来在渤海湾潜山和古近系、东海深层岩性低渗储层、南海深水区中深层开展了一系列地球物理创新实践^[6-8]。中深层潜山油气藏作为一个重要的成藏类型在我国近海海域有着巨大的勘探潜力, 尤其是渤中19-6潜山千亿方大气田、渤中13-2潜山亿吨级油气田及惠州26-6泛潜山大中型油气田等重大发现得到直接证实。但目前潜山油气藏勘探面临着地震资料质量差, 内幕成像不清, 优质储层和裂缝发育带预测困难, 是世界级油气勘探难题, 尤其不同岩性的潜山油气藏勘探及评价尚缺少成熟的经验和技术, 难度及风险较大, 制约了勘探进程。中深层岩性油气藏勘探潜力较大, 是中国近海储量增长的重要领域之一。2020年以来, 岩性油气藏在中国近海多层系获得重大突破, 如旅大10-6东营组湖底扇岩性勘探获得突破; 西湖凹陷杭州西斜坡岩性油气藏展现了千亿方储量规模; 陆丰南文昌—恩平组古近系岩性油气藏取得重要进展。但目前岩性油气藏地层薄、储层横向变化复杂, 又受现有地震成像分辨率低、保真性差, 海上井少等限制, 因而岩性油气藏的外部构型以及边界识别、优质储层预测及表征、断层封堵评价等存在困难^[9]。本文总结了中国海洋油气深水深层地球物理技术的新进展, 并对当前新的难题和挑战进行了分析, 提出了未来中国海洋油气地球物理勘探发展的思考和建议。

国内近海深水深层主要的勘探领域总体呈现构造更加复杂, 特殊岩性纵横向展布多变, 储层沉积压实作用更强, 潜山构造和内幕裂缝储层表征困难, 沉积作用控制下的岩性体广泛发育等特点。相对于中浅层, 深层地震波阻抗差较小, 勘探对象在地震资料上总体表现为信噪比低、成像不清、分辨率低的特点, 速度精度偏低, 地球物理信息在构造解释、储层刻画和烃类检测方面多解性更强。近年来, 聚焦重点靶区, 从采集处理解释一体化系统开展地球物理专题攻关, 以潜山宽照明三维地震勘探技术、古近系岩性圈闭高精度地震勘探技术、富含煤地层条件下的薄储层高分辨率地震勘探技术和深水宽频地震勘探关键技术为例, 阐述了中国海洋油气地球物理勘探的进展和成效。

2020年以来, 中国近海深层潜山勘探取得长足进步, 潜山油气藏探明储量超过2×10⁸t, 占中型以上规模发现储量的30%, 成为我国近海重要的储量增长点之一。潜山主要特点是圈闭类型多样、面积普遍较大、成藏受众多因素控制和储层非均质性较强^[10-12]。其中, 渤中凹陷作为渤海盆地的沉积主体, 深层潜山勘探程度和已发现储量占比都较低。该区主要特点是: ①新生代沉积厚度大, 潜山主要目的层埋藏深, 上覆地层局部发育火成岩而产生屏蔽, 造成潜山地震资料信噪比低、地震反射能量弱、同相轴连续性差; ②潜山构造和储层均受印支和燕山两期构造运动控制, 断裂发育方位分布较宽, 海洋常规拖缆地震采集照明信息不足, 断层及基底成像不清晰, 影响了勘探目标的综合解释研究及凹陷的资源评价。

开展海洋宽方位地震勘探对该区潜山研究具有重要意义。经过对研究区勘探评价面临的关键难点的梳理, 开展了从地震勘探震源激发设计、观测系统评价研究到高精度成像、各向异性储层预测等技术攻关, 创新形成以空间照明强度大、角度照明均衡性强、方位覆盖范围广为特征的海洋宽照明地震勘探关键技术体系。通过在渤海渤中凹陷地区实施海底电缆(ocean bottom cable, OBC)地震资料采集、处理, 增强了地震资料的低频能量, 拓宽了频带, 提高了目的层段信噪比和分辨率, 地震资料品质得到明显改善(图 1)。在渤中29-4、渤中19-6、渤中13-2和渤中26-6等目标勘探评价中发挥了重要作用(图 1), 推动了海洋潜山等复杂油气藏价值勘探和高效评价^[13]。

图 1(Fig. 1)

图 1 宽方位(a)与常规(b)地震剖面对比

同时, 在南海东部珠江口盆地潜山勘探也取得重大进展。已钻井揭示潜山储层埋藏深、非均质性强, 但基于海洋常规拖缆地震资料, 潜山内幕地震反射弱, 同相轴连续性差, 方位信息不足, 难以满足潜山复杂储层精细刻画的需要^[14-15]。惠州某油田是南海珠江口盆地发现的首个潜山商业油气田, 结合录井资料、测井资料、岩屑、壁心和岩心观察等综合分析, 潜山储层纵向上划分为风化裂缝带和内幕裂缝带。内幕裂缝带储层各向异性强、空间展布复杂, 是制约滚动勘探及后续开发井部署的主要因素。宽方位地震信息是解决潜山裂缝预测的关键。针对该油田潜山油藏存在的地质问题, 部署了国内首块超百米水深海底节点(ocean bottom node, OBN)地震采集处理项目。OBN是通过在海底布设节点检波器的一种地震采集方式。相比海洋常规拖缆地震采集, OBN布设灵活、受海上障碍物影响小、位置精度高。同时, OBN地震采集具有宽方位、高覆盖、长排列可控的优势(图 2)。相较于海洋常规拖缆地震资料, OBN地震资料潜山内幕成像更加清晰、断层阴影带成像明显改善(图 3)。

图 2(Fig. 2)

图 2 海洋常规拖缆与OBN宽方位采集对比 a 拖缆采集示意及观测系统玫瑰图; b OBN采集示意及观测系统玫瑰图

图 3(Fig. 3)

图 3 海洋常规拖缆(a)与OBN(b)地震资料成像剖面对比

随着勘探程度的日益加深, 中国近海古近系勘探逐渐进入构造岩性-岩性勘探阶段。以渤海湾盆地为例, 古近系作为最为重要的勘探层系之一, 面临诸多新挑战, 即沉积类型多样、相带差异大, 地震资料品质较差, 储层纵横向变化快、尖灭点难以刻画, 给该层系储层预测及岩性圈闭刻画带来极大的困难^[16-18]。针对这些问题, 基于地震-地质一体化的古近系岩性圈闭精细刻画、储层研究思路, 形成了面向古近系岩性圈闭目标的高密度、高覆盖地震资料采集处理技术, 创新发展了基于岩相模型约束的岩性尖灭点刻画技术以及高分辨率储层反演技术, 初步形成了一套相对成熟的中、深层古近系岩性圈闭高精度地震勘探技术。这套技术的应用, 突出了岩性体的地震响应特征, 增强了储层尖灭点的识别能力, 提高了叠前反演的分辨率, 有效支持了渤海中、深层古近系储层预测及岩性圈闭刻画研究。先后在渤海辽东湾地区的绥中、旅大、锦州等构造区精细刻画储层边界和储层展布, 在此基础上开展中深层岩性勘探, 取得了良好的勘探成效(图 4)。

图 4(Fig. 4)

图 4 岩性圈闭高精度地震勘探技术应用前(a)、后(b)的反演剖面

东海盆地西湖凹陷西部斜坡带主要目的层埋深超过3500m, 在复杂断裂控制叠加三角洲-潮坪交互沉积背景下, 砂体纵横叠置, 存在“小、碎、散、广”的特点, 薄层和薄互层(15m以下的储层)占比超过50%, 且受砂泥岩阻抗叠置及薄煤层干扰反射等影响, 地震资料的分辨能力和常规技术无法满足储层精细预测的需求, 对砂体展布和有利沉积相带发育特征认识不清, 中薄砂体的厚度预测及边界刻画难度大, 岩性圈闭的刻画和有效性落实存在较大的多解性^[19-20]。

经过对斜坡带含煤背景下的深层岩性油气藏地震地质条件分析, 创新攻关形成了以“宽频小面元提升纵、横向分辨率和聚焦岩性刻画优势方位信息”为核心的海洋拖缆双宽高密采集、处理、解释一体化技术系列, 并有效应用于斜坡带深层岩性油气藏勘探开发实践。攻关后的新三维地震资料品质得到显著提升(图 5), 目的层地震倍频程增加47%, 信噪比提升86%, 4000m以深可有效分辨15~20m储层, 井上实钻砂岩(厚度15m以上)预测吻合率从73%提高到87%, 烃类预测吻合率由57%提高到75%, 显著提升了深层富煤条件下岩性圈闭的刻画精度, 为海域深层岩性地震勘探探索出一条经济、有效之路。

图 5(Fig. 5)

图 5 东海盆地西湖凹陷西斜坡地震攻关前(a)、后(b)地震剖面

南海近海深水区陵水凹陷黄流和梅山组、白云凹陷珠江组发育的重力流水道和深水扇沉积是天然气勘探的主力层系。重力流水道砂体上倾尖灭、条带状的水道侧向尖灭以及后期水道切割, 早期砂岩均可形成岩性圈闭, 岩性圈闭边界的精细落实对地震资料分辨率提出更高的要求^[21-26]。同时, 由于储层埋深及相带差异造成物性变化较快, 因而进一步提升储层预测及烃类检测的可靠性也是重中之重。围绕拓展地震资料频带、提升纵、横向分辨率, 发展形成斜缆、上、下缆、富低频震源和立体震源等地震采集技术。在资料处理方面, 创新发展了考虑鬼波入射角、粗糙海平面和数据信噪比的全三维自适应鬼波压制技术, 三维鬼波压制精度更高、陷波恢复更饱满、抗噪性更强。采用多模型联合曲波域自适应减多次波压制、镜像偏移和联合反褶积去鬼波以及Q偏移等处理关键技术, 获得高信噪比和高保真的宽频地震数据, 极大提升了深水区岩性圈闭精细落实的可靠性(图 6)。

图 6(Fig. 6)

图 6 深水区鬼波压制效果对比 a 常规处理成像剖面; b 商业软件成像剖面; c 本文新方法成像剖面; d 常规处理对应的频谱; e 商业软件处理对应的频谱; f 本文新方法处理对应的频谱

中、深层同时受深部和浅部构造活动影响, 构造特征更加复杂, 圈闭落实程度低。地球物理技术难题主要是: ①受上部构造和特殊岩性影响大, 地震信号吸收屏蔽严重, 地震波场散射突出, 中深层地震资料信噪比低; ②断裂系统发育, 上部地层各向异性明显, 速度纵横向变化快, 构造精确成像困难; ③深水陆坡区崎岖海底下构造成像精度仍需提升; ④针对复杂构造特点的速度建模和偏移成像技术仍需发展提升。

渤海盆地古近系火山岩地质体广泛发育, 火山岩下伏地层受多次波影响大, 地震反射杂乱(图 7); 中生界火山岩是勘探目标之一, 但总体地震资料品质较差, 其地层认识多解性强, 火山机构识别、岩相精细刻画和有利储层预测难度大^[27-28], 需要开展地震资料采集-处理-解释-储层预测一体化系统攻关研究。

图 7(Fig. 7)

图 7 渤海湾盆地中深层火山岩及下部地层地震剖面

基岩潜山地震相模式多样(表 1), 储层以微裂缝为主, 尺度较小, 裂缝多方向发育, 地震波形复杂, 反射特征差异大, 井震标定匹配性差, 岩石物理关系复杂, 不同类型潜山的响应机理不清, 现有三维地震资料多为窄方位常规拖缆地震采集, 利用地震技术手段预测裂缝带仍较困难。

表 1

表 1 渤海湾盆地渤中19区潜山地震相 类型 典型地震相特征 典型剖面 地震相 地震亚相 断层主控型 (好) 强振幅、高陡连续反射 单断型 交叉网状型 平行反射波型 振幅主控型 (好) 低频、强振幅、杂乱反射 峰强谷弱型 谷强峰弱型 复合型(好) 低频、强振幅、高陡连续+断续反射 强振幅、连续波组 强振幅、断续波组 单一“背景”型 (差) 弱振幅、空白反射 弱振幅、杂乱反射 弱振幅、较连续反射

表 1 渤海湾盆地渤中19区潜山地震相

南海深水区深层储层致密, 非均质性强、孔隙度和渗透率低, 储层与上、下围岩波阻抗差较小, 岩石物理响应复杂, 规模优质储层预测难, 流体预测准确性不高。传统浅层“典型亮点”技术在深层失效, 勘探已发现主要气层呈现“暗点”或非典型亮点特征。

南海琼东南盆地乐东-陵水凹陷海底扇砂体横向变化快, 气层、含气水层的地震亮点异常相似, 气藏饱和度预测难度大(图 8), 制约了勘探进程^[29]。

图 8(Fig. 8)

图 8 南海琼东南盆地陵水25区不同饱和度气藏地震剖面

针对中国近海深水、深层油气勘探开发现实需求, 地震资料总体表现速度精度不高、构造成像不清、储层地震响应特征弱且受特殊地质条件影响和深部古构造活动控制作用大等现实情况, 要着力从深水、深层的地质地球物理特点出发, 加大地震资料采集设计-处理-解释一体化攻关研究; 坚持浅-中-深层立体勘探思维, 综合地震和非地震方法的应用研究。

提升深层地震资料信噪比的关键是从采集源头做起。深层地震成像对能量及低频成分高度依赖, 要从震源激发、检波器接收两端同步发力, 加大宽频强能量震源的优化组合研究, 加快海洋低频震源研发步伐, 以产业应用为引领, 整合产学研技术力量, 从材料、机械、电子通讯及流体力学等多个学科领域一体化系统研究。在当前已实现小道距、深沉放的基础上, 继续发展完善拖缆、斜缆采集作业控制精度, 实现低频检波器关键技术突破并积极推动产业化应用, 尤其在海底地震低频检波器研发上要努力突破关键瓶颈, 解决数字检波器关键核心部件研发问题。同时, 要加大新装备的试验应用, 以提升中深层地震反射波能量和信噪比为检验标尺, 提升固化成果, 发现和解决新的问题, 指导装备研发工作不断升级完善。

提升深水、深层地震资料成像质量, 解决深水、深层复杂地质问题, 高覆盖、大偏移距、宽方位及富低频强能量震源是有效的采集技术组合, 但在具体实践中往往单位面积内作业效率更低、作业成本更高。因此, 面向地质目标和任务要求, 要充分开展地震采集设计方法论证和关键参数比选, 同时做好作业成本的测算, 统筹经济技术一体化确定采集方案(图 9)。在设计阶段, 要创新研发精细地质建模、各向异性和非层状介质的正演模拟分析技术, 研究目的层地震采集照明定量化评价手段。深水区要充分发挥拖缆高效作业特点, 积极探索拖缆+稀疏OBN联合采集作业技术; 在作业实施阶段, 要创新作业方式, 发展多源、多船随机混叠采集技术, 深入挖掘高效采集潜力, 在保证质量和安全的前提下努力提高作业效率。

图 9(Fig. 9)

图 9 经济技术一体化确定方案

实践证明, 深水、深层复杂非均匀介质特征突出, 多期、多向断裂及洋陆过渡微断裂发育, 各向异性特征更加明显, 传统基于各向同性介质(ISO)、垂直各向异性介质(VTI)的速度建模和偏移成像理论在深水、深层地震采集设计、地震成像和储层反演中遇到新的挑战, 要着力发展倾角各向异性介质(TTI)、正交各向异性介质(OTI)情形下的地球物理理论和地震勘探技术^[30-31], 为复杂构造和潜山裂缝型储层提供理论和技术支撑。

提高深水、深层成像精度和地震资料信噪比, 要进一步提升室内处理关键技术。发展中深层地震信号恢复增强技术; 持续升级浅水区多次波衰减技术; 不断优化深水崎岖海底区处理关键技术。进一步提升鬼波压制的精度和稳定性; 发展反射波+折射回转波FWI高精度速度建模技术。努力实现最小二乘逆时偏移和Q-RTM规模化处理应用, 积极探索广角地震勘探相关特色处理技术。

海洋油气勘探的特点决定了深水深层寻找规模有效储层的研究方向。要着力发展深水、深层地质条件下的岩石物理研究、储层预测研究和流体检测技术体系。强化地球物理实验技术, 针对深水、深层特点开展岩石物理测试、地震特征响应机理分析、岩石物理量版建立和敏感参数研究。强化大数据分析和智能化地球物理技术研究, 实施专家分析和智能技术相结合的工作模式^[32-33]。对深水、深层振幅影响因素系统分析以及对含油气储层的特征深入分析, 努力提升高饱和度气层的预测精度。

落实深水、深层构造特征和成因机理, 为盆地基底区域断裂空间展布研究提供支撑, 识别火成岩等特殊岩性体分布, 进而指导有利勘探目标评价, 要结合多专业优势和特点进行分析, 综合研究以提高研究精度和质量。在加大地震攻关研究的基础上, 要着力开展高精度重力、电磁处理和解释技术研究, 推进对基底结构和深部构造的认识; 开展重磁-地震联合反演研究, 提高地震反射异常体的地质识别精度。深水区要发展浅层资源、地质灾害和特殊地质活动地球物理调查研究, 积极推进大功率海底电磁超深探测采集装备研发、采集作业和资料处理技术试验, 研究海底电磁-地震联合油气勘探技术, 解决深水区流体饱和度预测难的问题。

针对海上深层地质地球物理问题和需求, 加大宽频地震采集装备自研升级势在必行, 创新高效采集技术推动落地实践至关重要。面向深水、深层复杂地质问题建立地球物理“一区一策”解决方案更是十分必要。要加大产学研用工作力度, 在关键处理技术、储层地球物理、重磁震综合研究等方面持续创新发展, 全力提升深层复杂构造成像质量和规模优质储层预测精度, 为海洋油气勘探开发高质量发展贡献新的力量, 为保障国家能源安全做好物探装备支持和技术支撑。