地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (9): 3492-3508   PDF    
大陆架科学钻探CSDP-2井的垂直地震剖面测量
吴志强1,2, 祁江豪1,2, 张训华2,3, 郭兴伟1,2, 丘学林4, 张雪飞5, 谭云龙6, 黄聿晓1,2,7, 李文强1,2,8, 庞玉茂2,7     
1. 自然资源部海洋环境地质重点实验室, 青岛海洋地质研究所, 青岛 266071;
2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266237;
3. 南京地质调查中心, 南京 210016;
4. 中国科学院边缘海地质重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广州 510301;
5. 山东省第三地质矿产勘查院, 山东烟台 264004;
6. 东方地球物理公司新兴物探开发处, 河北涿州 072751;
7. 山东科技大学, 青岛 266510;
8. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 青岛 266580
摘要:南黄海海相地层的地震波场特征和层位标定一直是困扰地震勘探的重要问题.为了近距离、高精度和高分辨率地观测井周围构造特征和岩石性质引起的波场变化,为地震资料的采集、处理与解释提供地震波衰减规律、速度与层位标定等信息,对大陆架科学钻探CSDP-2井实施了近零偏移距垂直地震剖面(VSP)观测.针对海相地层顶部强反射界面地震波穿透难的问题,采用了大容量气枪震源并设计了气枪阵列组合方式,提高了激发地震波的能量,获得了强反射界面之下清晰的PP、PS下行波和上行波信号.采用了三分量偏振合成、组合滤波和波场分离等处理方法,对VSP观测数据进行处理,获得了海相三叠系—志留系的精细的纵波、横波速度结构和地层吸收因子等物性数据,建立了钻井地层、测井、VSP上行波和多道地震剖面对应关系,实现了不同尺度的地质和地球物理属性资料的有效衔接,标定了钻井地质剖面上各深度地质体的地震反射特性,厘定了过井地震剖面上反射同相轴的地质属性.此次观测取得的纵波、横波速度信息,成为建立南黄海海相地层速度模型主要的资料来源,也是地震资料的岩性反演处理不可缺少的信息.
关键词: 南黄海      海相沉积层      垂直地震剖面      弹性波速度      大容量气枪震源     
Vertical seismic profiling survey on the Well CSDP-2 of the "Continental Shelf Drilling Program"
WU ZhiQiang1,2, QI JiangHao1,2, ZHANG XunHua2,3, GUO XingWei1,2, QIU XueLin4, ZHANG XueFei5, TAN YunLong6, HUANG YuXiao1,2,7, LI WenQiang1,2,8, PANG YuMao2,7     
1. Key Laboratory of Marine Environmental Geology, Ministry of Natural Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China;
2. Function Laboratory for Marine Mineral Resource Geology and Exploration, Qingdao National Oceanography Laboratory, Qingdao 266237, China;
3. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, China;
4. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Science, Guangzhou 510301, China;
5. No.3 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Yantai Shandong 264004, China;
6. New Technical Developing Division, BGP Inc, Zuozhou Hebei 072751, China;
7. Shandong University of Science & Technology, Qingdao 266510, China;
8. School of Geoscience, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China
Abstract: Seismic wave field characteristics and layers calibration of the marine strata in the South Yellow Sea Basin (SYSB) have always been crucial problems in seismic exploration. In order to reveal the feature and velocity of seismic wave attenuation,and layers calibration during seismic data acquisition,processing and interpretation process,a close,high precision,and high-resolution observation of the structural characteristics around the well and wave field changes caused by rock properties were conducted,and a near zero offset vertical seismic profile (VSP) observation was carried out in the well CSDP-2 of the "Continental Shelf Drilling Program". Aiming at solving the difficult of seismic wave downgoing,which was caused by higher wave impedance of marine strata top-interface,high-capacity airguns were used and airguns array pattern were designed to increase the excitation energy. Up-going and down-going PP,PS waves beneath the higher wave impedance interface were recorded in the profiles. The VSP data were processed by applying the three component polarization synthesis,combined filtering,wave field separation methods. The results revealed detailed rock properties during the Triassic and Silurian,such as rock absorbability quality factor (Q),P-wave and S-wave velocity,and the corresponding relationship between drilling-hole formation,logging,VSP upgoing waves and multi-channel data was established. Thus the geological and geophysical attributes of different scales were connected effectively,and the seismic reflection characteristics of geological bodies at different depths of the profile were distinguished,and the geological attributes of refection event across the drilling-hole in the seismic profile were determined. The P-wave and S-wave velocity obtained from the VSP observation in this study will be an important basis for seismic model building of the marine stratum,and will better serve the seismic lithologic inversions in the SYSB.
Keywords: South Yellow Sea    Marine Mesozoic-Paleozoic layer    Vertical Seismic Profiling    Elastic wave velocity    High-capacity airguns array    
0 引言

大陆架是大陆沿岸土地在海洋的延伸, 是被海水覆盖的大陆.南黄海是我国与韩国的共陆架海, 也是我国近海唯一没有实现油气突破的盆地.南黄海盆地中部隆起呈近EW向条带分布, 面积达3×104 km2, 是当前下扬子油气资源调查的潜力区(庞玉茂等, 2017Pang et al., 2017b, c ).对中部隆起的前期研究认为, 海相残余地层分布广、厚度大、埋藏浅, 构造变形相对较弱(裴振洪和王果寿, 2003), 是油气二次创业(刘光鼎, 2002)的理想试验区.在采用了多项多道地震资料采集与成像新处理技术后(吴志强等, 2011, 2015;Gao et al., 2014;Wang et al., 2017;Lu et al., 2016), 在中部隆起上获得了陆相盆地基底之下地层的有效地震反射, 验证了中部隆起存在海相残余地层的推测.但是, 由于缺乏钻探验证, 对地震反射波组的标定还处于推测阶段, 对海相残余地层的属性还存在争议(张海啟等, 2009;郝天珧等, 2010;黄松等, 2010;戴春山, 2011;张训华等, 2014).为验证地质学家的推测, 解决制约中部隆起乃至南黄海区域与油气地质调查研究的瓶颈问题, 由青岛海洋地质研究所组织实施的“大陆架科学钻探项目”, 从2014年开始, 在中部隆起的西部实施了CSDP-2井科学钻探工作, 于2016年10月完成了全井2800 m取芯钻探, 钻遇了第四系、新近系和海相三叠系、二叠系、泥盆系和志留系等多套地层, 证明了中部隆起上分布海相中-古生界, 厘定了其海相地层岩性和地质时代, 在海相中-古生界层段获得了多个层位的油气显示(郭兴伟等, 2017;肖国林等, 2017;Cai et al., 2019;Pang et al., 2019).

钻探成果资料是区域地质构造解释的重要基础资料(Li et al., 2011), 但是钻探得到的只是单点一维深度域的地质模型, 不能反映钻孔之外区域的地质特征.因此, 在海洋区域地质构造解释中, 主要采用钻探与多道地震剖面相结合的方法, 利用钻探纵向高分辨率、地质信息明确和多道地震剖面横向可追踪对比的优势, 以钻探得到的地质、地球物理信息对过井地震道的反射波组标定后, 在剖面上根据地震波组的反射特征和横向连续与错断情况, 进行对比追踪与解释推断.

在地震资料解释中,地震反射层位的标定主要根据钻井地质分层数据, 并通过地球物理测井数据制作合成地震记录的方法, 建立地层物性界面与地震反射波之间的对应关系, 然后进行地震层位标定和对比解释.钻探取芯和地球物理测井在深度域上提供了高分辨率的地层岩性与物性特征, 其分辨尺度达到了厘米级.而多道地震记录中的地震波长一般为几十米, 在高速地层中多在百米以上, 且地震记录是在时间域上呈现为反射波的旅行时长(走时).因此, 测量属性与分辨率上的差异, 造成了地震反射波标定与解释的误差和不确定性.对此, 垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile, VSP)测量可以在地层界面埋藏深度与地震波走时之间起到桥梁作用, 建立高精度的地震反射走时—深度对应关系.海洋VSP测量采用沉放在海水中的气枪阵列震源激发, 数字检波器井中接收的方法, 在提供从震源(可以校正到海平面)到井中不同深度的地震波走时信息的同时, 还可以提供地层速度及地震波动力学等多种信息, 为地震资料的处理与解释提供支持.

目前, 海洋VSP测量技术方法研究主要集中在时-深转换计算和成像处理方面, 涉及地震地质条件的采集技术方案设计研究较少.李伍志等(2011)提出了深部下延段校正的VSP时深转换方法, 获得了珠江口盆地深部基底地层的地震时-深转换关系; 虞永征和杨长清(2018)采用东海陆架盆地闽江凹陷FZ13-2-1井VSP平均速度对地震速度谱计算的平均速度进行标定, 取得了较精确的东海区域平均速度场; 刘兵等(2014)采用变水深斜井VSP速度建模方法, 并通过射线追踪正演模拟和速度模型迭代更新, 建立了钻孔附近地层的速度模型, 从而得到坡折带上沿斜井轨迹水深变化条件下的时-深关系; 李绪宣等(2015)针对渤海油田W1井设计了8方位的Walkaway VSP采集测线, 采用基于全局参数反演的波场分离、VSP射线路径的反Q滤波技术和时域任意广角单程波动方程偏移算法, 对渤海钻井进行了Walkaway VSP资料采集和处理, 获得了高分辨率的成果剖面.

本文介绍了CSDP-2井VSP测量的技术方法与成果, 针对该井处浅层存在强反射界面的地震地质条件, 采用了大容量气枪阵列震源, 大幅度地提高了激发地震波的能量, 获得了强反射界面之下的有效纵波下行波和上行波信息.同时, 利用在强反射界面上小入射角的大能量地震波能够产生转换波的优势(徐仲达等, 2002;姚忠瑞和何惺华, 2006), 在近零井源距采集的条件下, 获得了有效的海相沉积层转换波场数据.对采集的数据进行了直达波到时拾取、干扰波压制、球面扩散补偿、反褶积、波场分离与走廊叠加等处理, 获得了一维纵波速度(VP)结构和时间-深度对应关系及走廊叠加剖面, 推测了海相沉积层的底界埋藏深度; 对三分量数据进行了偏振投影、波场合成等处理, 获得了转换波下行波和横波速度(VS)结构, 进而计算了海相沉积层的岩石纵、横波波速比和泊松比, 为地震资料的岩性反演提供了数据支持.

1 地质地球物理概况

在区域构造背景上, 南黄海盆地位于下扬子块体的主体部位, 是下扬子块体向海域的延伸部分(庞玉茂等, 2017;Pang et al., 2017c; Meng et al., 2018).中部隆起作为南黄海中、新生代盆地的一个二级构造单元, 受印支期扬子块体向华北块体拼贴碰撞构造作用的影响, 海相中-古生界长期隆升遭受剥蚀改造, 新近纪以后, 构造运动趋于平静, 整体下降进入坳陷期, 沉积了厚度在400~800 m之间、最大不超过1000 m的新近系和第四系(张训华, 2008).对CSDP-2井取得的岩芯描述和古生物鉴定, 形成了如表 1所示的钻井地层表(郭兴伟等, 2017;肖国林等, 2017;Pang et al., 2019).

表 1 CSDP-2井地层分层简表 Table 1 Simplified strata division of well CSDP-2

在VSP测井之前, 已进行了地球物理测井和岩芯物性测试, 并对这些数据进行了综合对比分析, 较全面地掌握了该井孔所钻遇地层的岩石物理性质.从测井结果分析可知, 第四系-新近系未固结沉积物的VP为1600~2250 m·s-1、密度在1.8~2.1 g·cm-3, 随深度的增加和压实作用的加大, 速度、密度在逐渐增加.测井和岩芯物性测试分析表明, 岩性是影响中-古生代海相地层的岩石速度变化的主要因素, 灰岩类VP为5085~6578 m·s-1、密度2.62~2.78 g·cm-3, 当泥质含量达到40%以上后, 其速度可以降到4800 m·s-1左右; 砂岩类VP为4681~5557 m·s-1、密度2.51~2.72 g·cm-3, 泥岩类VP为4158~4520 m·s-1、密度2.36~2.48 g·cm-3.位于深度629 m处的三叠系青龙组顶界面上下存在速度突变, 计算其反射系数在0.5以上, 为强反射界面, 对地震波向下传播起到了较大的屏蔽作用.二叠系大隆组、栖霞组、石炭系高骊山组等地层与围岩的波阻抗差异较大, 绝对反射系数R<0.15, 可产生弱—中等能量的地震反射波.其他地层与围岩的物性差异较小, 难以形成有效地震反射.

2 数据采集与处理 2.1 数据采集

作为海洋地震勘探的主流激发震源, 气枪震源具有可定点或移动重复激发,激发的地震子波一致性好、绿色环保等优势.在实际应用中, 根据不同的勘探方式和目的, 设计不同的气枪阵列组合(简称:枪阵).常规的海洋VSP测量多使用小容量枪阵, 以激发高主频、宽频带的地震波, 满足高分辨率VSP测量的需要(於国平等, 2002;李绪宣等, 2015).但是, 在CSDP-2井的VSP测量中, 这类枪阵与井孔地震地质条件不适宜的问题突出.首先, 由前面的岩石物性分析可知, 深度629 m处的强反射界面对地震波向深部传播的屏蔽作用强烈, 按地震波透射能量定量计算方法(王建花等, 2003), 只有不到10%的震源子波能量能够穿透该界面向下传播(吴志强等, 2011, 2015);因此, 提高激发地震波的能量, 穿透强反射界面、获得深部的有效波场信号, 是枪阵设计的主要考虑因素.其次, 该井除表层段(海底~645 m深度)进行套管固井外, 在深度645~1481 m井段放置了保护井壁的活动套管, 并延伸到井口, 深度1481 m~井底为裸眼井段, 活动套管与井壁或套管与套管之间的充填物为泥浆和岩屑, 造成井壁(或套管)与充填物间存在较大的物性差异, 对地震波场信号造成了较大的屏蔽和衰减; 因此, 针对活动套管对地震波场信号的衰减作用, 选择适宜的枪阵组合方式, 是枪阵设计的又一考虑因素.

理论研究和实践表明, 低频地震波具有穿透能力强、衰减慢的特点(佘德平等, 2007).随着气枪及其组成枪阵的容量增大, 激发地震波的低频能量和总能量增强, 探测深度增大, 穿透能力提高(罗桂纯等, 2006;丘学林等, 2007;林建民等, 2008;赵明辉等, 2008).中部隆起的多道地震的勘探实践也证明, 采用大容量枪阵激发地震波, 可部分抵消浅部强反射界面对地震波的屏蔽作用影响, 得到深部岩层界面的有效地震反射(吴志强等, 2015, 2016).因此, 大容量枪阵是适宜CSDP-2井地震地质条件的VSP观测震源.

基于上述考虑, 采用由4条容量1500 in3的Bolt气枪组成了总容量6000 in3枪阵, 作为本次VSP资料采集的激发震源.该枪阵能够产生低主频、高脉冲能量的地震波, 具有较大的穿透能力和较远的传播距离, 在我国海洋深部地学的OBS探测中得到了广泛应用, 获得了地壳内的层间速度结构和莫霍面的有效反射震相(罗桂纯等, 2006;丘学林等, 2007;林建民等, 2008;赵明辉等, 2008).

根据井场处海域的潮流、波浪等VSP测量施工环境, 设计了由4条容量为1500 in3的Bolt气枪组成的长方形枪阵, 将4条气枪用锁链固定在4 m×4.5 m的长方形钢架上的顶角处, 采用浮球和绳索链接钢架, 通过绳索的长短设计控制枪阵的沉放深度.鉴于该枪阵的气泡半径较大, 为发挥最佳的激发能量, 将枪阵的沉放深度设定为10 m.为了评价枪阵输出脉冲能量的适用性, 在资料采集前进行了枪阵激发远场子波的计算模拟, 模拟环境参数为:气枪工作压力2000psi, 海水密度1.03 g·cm-3, 海水温度15 ℃, 海水声波速度1500.0 m·s-1, 海平面反射系数近似为-1.0, 观测点距离枪阵中心9000 m.图 1为模拟得到的枪阵远场子波波形与频谱图, 其峰-峰(Peak-Peak)值达66.9 bar·m, 优势频率集中在3~50 Hz, 具有激发能量大、低频成分丰富且总能量较强、穿透能力大的特点.

图 1 大容量枪阵远场子波波形(a)与频谱(b)图 Fig. 1 Far-field wavelet shape (a) and spectrum (b) for large volume airgun array

本次VSP测量资料采集采用的是将震源布设在井口附近的近零偏移距观测系统, 激发震点布置在井口西北方向62.5 m处, 这样既能得到较准确的测井层速度, 也能减少井筒波的干扰, 并降低枪阵激发的大能量地震波对钻井平台的震动影响.另外, 震源点避开平台和井口, 井中检波器接收的下行波和上行波为非垂直入射/反射波, 有可能在速度突变界面上产生转换下行波, 使三分量VSP观测成为可能, 实现以较小的井源距(近零偏移距)获得深部转换波信号的目的.理论研究和实践证明, 当地震波从低速度介质入射到高速度介质时, 在其分界面上较小的入射角即可转换成一定能量的透射横波(于世焕等, 2001;徐仲达等, 2002;王建花等, 2003;姚忠瑞和何惺华, 2006;吴少军等, 2017).

VSP观测从井底开始由下向上逐点观测, 观测点距(深度间隔)10 m, 在地层分界面处加密到5 m, 共设计305个观测点, 采用法国SERCEL公司的GeoWaves型地震数据采集系统进行资料采集.在采集过程中, 为了保证三分量数字检波器有效接收波场信号, 采用机械推靠的方式保障了检波器与井壁良好耦合, 在裸眼观测井段尽量避开井壁破碎点.

在资料采集前, 为了检验大容量枪阵的激发效果, 分别在固井段、双层活动套管井段、单层活动套管井段和裸眼井段, 各选择一个试验点进行了采集试验, 结果表明四个试验点均获得初至波起跳干脆、能量强的记录, 表明大容量枪阵震源满足了资料采集的需求.

对采集得到的地震波场记录进行了分选, 形成了VSP测量ZXY方向三分量记录, 每张记录305道.图 2Z分量(纵波)原始记录剖面, 记录中有效波场信号突出、信噪比较高, 能观察到丰富的上行反射波场, 表明大容量枪阵水中激发, 用高灵敏度的数字检波器在井下接收是成功的.

图 2 CSDP-2井Z分量原始记录(a)和噪音压制结果(b) Fig. 2 Original Z component record (a) and noise suppression (b) of Well CSDP-2

图 3XY方向水平分量(转换波场PS)原始记录剖面, 显示在井深629 m处的速度突变界面出现了能量较强、信噪比较高的下行PS信号, 也观测到多组能量较强的上行PS信号,表明大容量枪阵激发的PP波透过强反射界面产生了能量较强的PS波, 为提取计算强反射界面之下地层横波速度奠定了资料基础.

图 3 CSDP-2井XY分量原始记录 Fig. 3 Original X and Y component record of Well CSDP-2
2.2 数据处理

数据处理是VSP测量工作的关键环节之一,主要流程包括预处理、震源能量一致性校正、子波整形反褶积、初至拾取、静校正、井斜和方位校正、时-深关系和VP分析、三分量偏振合成、波场分离、横波波至拾取与VS分析,走廊叠加、反射波成像和综合对比等内容(朱光明等, 2008).其中关键的处理环节如下.

(1) 噪音压制

在原始记录中存在高频、低频和微弱的谐振干扰, 降低了原始记录的信噪比, 采用带通滤波、中值滤波和F-K滤波结合的方式, 有效地压制了各种噪音, 提高了信噪比, 使初至起跳点更清楚, 上、下行波组特征更清晰(图 2b).

(2) 纵波初至拾取与速度建模

这是VSP测量的基本工作内容之一, 采用了拾取初至波的初至时间计算层速度, 进而求取时间-深度关系的方法.初至读取的精度决定了层速度求取和时间-深度关系计算的精度, 准确的初至时间拾取为后续做好上行波排齐等处理提供了可靠保证.CSDP-2井VSP测量采用枪源定点激发的方式, 激发地震波的能量、波形等参量均具有较好的一致性, 629m深度以下井段初至波形可靠、起跳干脆, 为准确地拾取初至到时提供了有利保障.为保证较高的拾取精度, 采用人机交互放大方式拾取初至, 先选取波峰附近大小合适的时窗, 通过自动拾取时窗内波峰对应的时间完成粗略的拾取过程, 然后通过人机交互放大的方式, 手动微调初至拾取的位置, 以保证精确拾到波峰对应的时间位置.

以初至拾取为基础建立的速度模型应用于VSP处理的每一步骤.准确的速度模型决定着计算地层平均速度和层速度的精度(林年添等, 2013);利用速度模型还可以正演出各种类型的波场, 不仅帮助对实际资料的波场进行正确分析, 而且也可以通过它与实际资料的对比, 判断速度模型的正确性; 同时, 速度模型在上行纵波的动校正处理中也起着关键作用.为了保障速度模型的精度, 将建立的速度模型正演与实际资料拾取的初至到时误差控制在1 ms以内(图 4).

图 4 CSDP-2井纵波初至拾取(a)与速度建模图(b) Fig. 4 Picking P-wave first arrival time (a) and velocity modeling (b) in Well CSDP-2

另外, 井孔从700 m深度开始出现倾斜, 井底实际位置水平偏离井口的垂直投影点达350 m(图 5), 为了使地震波的传播路径换算为沿垂直深度传播的路径, 在求取时间-深度关系时进行了井斜等校正处理.同时, 按实际的地震波旅行轨迹, 进行了走廊叠加成像处理.

图 5 CSDP-2井轨迹图 Fig. 5 The hole track of Well CSDP-2

(3) 三分量合成处理与VS分析

在进行VSP三分量观测时, 水平分量检波器在井中的水平测量方位难以控制, 转换界面的构造起伏也可能造成质点震动方向的改变, 不同类型波的质点震动不可能完全平行于某分量检波器而被全部接收, 也不可能完全垂直于某分量检波器而被彻底压制.也就是说, 由垂直和水平分量检波器记录到的波型成份不再是单一的纵波或横波.因此, 对得到的水平分量数据作三分量偏振合成, 将水平分量旋转到与激发方位一致的坐标系, 使转换横波同相轴能得到清晰地显示(朱光明等, 2008).图 6为水平分量数据三分量偏振合成旋转处理后的下行P波和P-SV波剖面图, 与图 2图 3相比, P波和P-SV波同相轴均得到了有效地突出, 信噪比提高、波形一致性趋于相同.在此基础上进行横波初至到时拾取, 得到可靠的横波初至时间, 进而计算横波层速度.

图 6 水平分量数据三分量偏振合成旋转处理后的P波和SV波波场图 Fig. 6 P-wave and SV-wave profile synthetised by rotating three component polarized seismic wave for horizontal component data

(4) 在得到各测量点VPVS的基础上, 计算VP/VS和泊松比.

(5) 振幅补偿

在地震波传播过程中, 特别在穿过速度突变界面到达深层接收时, 已损失了大量的振幅能量, 对此需进行振幅补偿处理.

由于VSP观测是在相对“安静”的井中进行观测的, 枪阵定点激发的地震子波具有较好的一致性.因此, 能够在井中不同深度点观测到震源子波的变化, 其中下行直达波和上行反射波的波形和振幅变化特征, 可以较直观地反映出地震波衰减规律.本文采用基于地震波场传播理论反演品质因子(Q)的方法(袁焕等, 2015), 该方法在利用上、下行波旅行时联合反演地层速度同时, 记录地震波的传播路径和时间, 然后根据波场传播理论, 利用上、下行波的波形反演Q值.该方法不仅符合波场衰减理论, 同时也解决了利用单一的下行波或上行波反演Q值, 算法欠稳定、精度差、信息量不足的问题, 得到了稳定、可靠的Q值.

(6) 波场分离

波场分离是VSP数据处理中最重要的一个环节.从VSP原始波场记录(图 2)中可以看到多种类型的地震波叠合在一起, 波场信息丰富.为了做好波场分离处理, 通过对多种方法的试验比较, 最终选择了在压制背景干扰基础上, 利用速度滤波消去法、中值滤波法(林年添等, 2013), 并结合F-K滤波的组合滤波方法来分离上、下行波场.图 7为分离后的上、下行波波场图, 通过波场分离处理, 上、下行波得到了有效分离, 干扰波也得到良好的压制.

图 7 波场分离后纵波上行波与下行波剖面 Fig. 7 Primary upgoing wave (left) and downgong wave (right) profiles

(8) 走廊叠加

走廊叠加剖面是标定钻孔中各深度地质层位的地震反射特性和井旁地震剖面上同相轴地质属性的关键图件.在常规处理中通过利用求取的速度模型, 对上行波作动校正后进行走廊叠加来实现, 但该井钻遇的海相地质体倾角由浅到深由大变小, 浅部青龙组岩层最大倾角达60°以上.在这种情况下, 到达地质体的地震波射线不能近似为垂直入射, 按初至时间的倍数也不可能将上行波排齐到双程旅行时间.针对该问题, 采用对近零偏移距上行波作共反射点叠加成像的处理方法(王保利和朱光明, 2009), 得到叠加次数较高、成像范围较窄的位于井孔旁的走廊叠加成像剖面.

3 VSP测量的主要成果

通过对VSP观测数据的系统处理和解释, 得到了CSDP-2井岩层的VPVS和泊松比特征曲线和VSP测井-地震剖面桥式对比图及Q曲线等成果图件.图 8为一维VPVSVP/VS和泊松比图, 图 9是CSDP-2井VSP测量数据反演的Q值曲线图.图 10为零偏移距VSP资料综合解释剖面, 图 10中左图为VSP桥式标定图, 右图为VSP走廊叠加、合成地震记录和地震剖面联合标定图.图 10中左图上从上到下的曲线依次为声波测井速度(红线)与VSP层速度(浅蓝线)、密度(蓝线)、自然伽马(紫红线), 其下为按双程走时排齐的上行波场剖面.表 2为VSP数据处理得到地球物理参数表, 表中的平均层速度为根据PP、PS下行波初至时间计算获得, 并在此基础上计算了VP/VS、泊松比.总结本次VSP测量得到的主要的地层和岩石物性参数特征如下.

图 8 CSDP-2井纵、横波速度比与泊松比曲线图 Fig. 8 The elastic wave velocity curves of well CSDP-2
图 9 CSDP-2井品质因子曲线 Fig. 9 Rock absorbability quality factor (Q) curve of Well CSDP-2
图 10 VSP综合解释剖面 Fig. 10 VSP survey comprehensive interpretation profile
表 2 VSP数据计算的岩石地球物理参数表 Table 2 Strata geophysical parameters calculated by VSP data

(1) 得出了海平面起算0~2720 m深度地震波的时间-深度关系.

图 10a所示的桥式标定图上, 深度坐标与时间坐标可以互相对比和标定, 并通过时间标尺的走廊叠加剖面与拖缆多道地震成像处理成果剖面相对比(图 10b), 同时直接给出多道地震剖面的时间-深度对应关系.在此基础上, 通过对过井地震剖面的地震反射波组的准确标定, 厘定了中部隆起上地震反射波组的地质属性(表 3), 结束了中部隆起地震资料地质解释多个推测方案(张海啟等, 2009;郝天珧等, 2010;黄松等, 2010;戴春山, 2011;张训华等, 2014)共存的局面.从表中可以看出, 由于CSDP-2井钻遇的二叠系较齐全, 合成地震记录与VSP测井标定的T10反射界面对应二叠系栖霞组的底界, 改变了该界面是龙潭组底界反射(吴志强等, 2015)的传统认识.科学钻探发现, 二叠系孤峰组和栖霞组为单层厚度较小的硅质岩、灰岩、砂岩、炭质页岩夹煤线的岩性组合, 与龙潭组反射特征相似, 在现有地震分辨率和信噪比的条件下, 很难将这两者有效区分.

表 3 CSDP-2井地震层位标定表 Table 3 Seismic horizon calibration result

图 10可以看出, 由于VSP测量三分量检波器放置在井中, 环境安静, 接收到的上行波传播距离短, 加之大容量枪阵激发的强能量地震波穿透深度大, 使之接收到来自井底之下的地层岩性界面能量较强的反射上行波, 经走廊叠加成像处理并与地震剖面对比, 推测在T11反射界面之下, 还存在两个能量中等的地震反射界面T12和T13.根据区域地层分布和岩性特征(吴德城和侯方辉, 2017)及区域速度特征(吴志强和陆凯, 2011)分析推测, T12反射波组为奥陶系上统碎屑岩与中统灰岩的分界面反射, 具有相对较高的地震反射能量, 推算界面埋深在4020 m左右; T13反射波组为震旦系与寒武系的分界面反射, 反射能量较弱、频率低、连续性一般, 与T12波组之间为低频、连续性差或杂乱反射特征, 呈现碳酸盐岩的地震反射层序特征, 推算界面埋深在6070m左右. Tg反射波组为震旦系与变质磁性基底的界面反射, 一般为两个相位反射, 能量较弱、频率低、连续性一般, 与T13波组之间呈低频、弱反射或杂乱反射特征, 推测界面埋深在8300 m左右, 与Zhang等(Zhang et al., 2007)利用磁力化极异常数据计算的磁性基底深度基本吻合.

(2) 得到了测量井段各深度点地质体的VPVSVP/VS等地球物理属性.

图 8图 9中和VSP数据处理得到地球物理参数表(表 2)可以看出, CSDP-2井钻遇的海相地层速度整体较高, 岩性是影响地层速度和地震波衰减的主要因素.石炭系船山组和黄龙组灰岩具有高的VPVSQ值, VP均在5000 m·s-1以上、最高达6675 m·s-1, 平均在5800 m·s-1左右; VS均在2700 m·s-1以上、最高达3565 m·s-1, 平均在3100 m·s-1左右; VP/VS在1.74~2.04之间变化, 平均值在1.85左右, 泊松比在0.25~0.33区间, 平均在0.30左右; 灰岩致密, 对地震波的衰减较弱, 呈现了最高的Q值, 平均值达到270以上.

三叠系青龙组的灰岩含有较多泥质成分, 其VPVSQ值低于岩性较纯的致密灰岩, VP变化较大, 在4341~6157 m·s-1之间, 平均在5387 m·s-1左右, 青龙组VP最高值出现在井深770~780 m段, 岩芯显示该段为致密灰岩、岩性较纯; VS在2233~2700 m·s-1之间, 平均为2388 m·s-1左右; VP/VS在1.85~2.56之间变化, 平均值为2.26;泊松比在0.28~0.40区间变化, 平均在0.394, 高泊松比值主要出现在青龙组的顶部风化壳附近, 说明后期沉积物充填改变了地层的物理性质; 青龙组的平均Q值为147, 呈现随深度增加快速增加的特征, 表明其对地震波的衰减随深度的增加而减弱.

二叠系大隆组主要岩性为含灰质粉砂岩、细砂岩, 具有较高的VPVS和Q值, VP均在4770 m·s-1以上、最高达5543 m·s-1, 平均在4800 m·s-1以上; VS在2067~2182 m·s-1之间变化, 平均值为2136 m·s-1; VP/VS在2.23~2.59之间变化, 平均值为2.29, 泊松比在0.36~0.41之间变化, 平均值为0.382;平均Q值为145;影响大隆组砂岩速度的主要因素为灰质含量, 顶部岩性为灰质砂岩, 其VPVS相对较高.

石炭系高骊山组和泥盆系五通群岩性主要为砂岩、泥岩互层, 具有相对较高的VPVSQ值, VP均在4400 m·s-1以上、最高达5903 m·s-1, 平均在4600 m·s-1以上; VS在2324~3409 m·s-1之间变化, 平均值达2600 m·s-1以上; VP/VS在1.46~2.52之间变化, 平均值在1.75以上, 泊松比在0.18~0.38之间变化, 平均值在0.27左右; 平均Q值在180;纯砂岩段VPVSQ值较高, 夹有泥岩的砂岩段则相对较低.

二叠系龙潭组、孤峰组和栖霞组为单层厚度较小的粉砂岩、细砂岩、硅质岩、灰岩、砂岩、炭质页岩夹泥岩和煤线的岩性组合, 岩性组合的差异造成地层物性的差异.因此, 该层段的物性值波动大、变化频繁. VP最低3605 m·s-1、最高5038 m·s-1, 地层分组平均值在4100~4300 m·s-1之间; VS最低2067 m·s-1、最高2968 m·s-1, 地层分组平均值在2270~2550 m·s-1之间; VP/VS在1.55~2.07之间变化, 平均值为1.69~1.83之间; 泊松比在0.15~0.35之间变化, 平均值在0.231~0.288之间; 二叠系孤峰组的Q值偏低, 平均为117, 主要是该层段为构造破碎带, 对地震波的吸收衰减作用明显; 其余层段的Q值较高, 在145~167之间.

综合VSP数据物性参数计算结果, 对海相地层的岩石物性特征总结如下:

(1) 灰岩

共在灰岩层段中取得了60组计算数据, 从统计结果看, 灰岩的VPVSQ值最高, 与深度没有相关性, 灰岩中的泥质含量是影响其物性变化的主要因素; VP在5020~6684 m·s-1之间变化, 平均值为5800 m·s-1, VS在2281~3591 m·s-1之间变化, 平均值为2828 m·s-1, 且VPVS呈正相关变化趋势; VP/VS在1.73~2.59之间变化, 平均值为2.03, 泊松比在0.25~0.41之间变化, 平均值为0.33;Q值在133~330之间变化, 平均Q值为230;泥晶灰岩的VPVS和Q值最高, 纯灰岩次之, 泥质灰岩的VPVSQ值最低, 在泊松比和Q值属性上差距最大.

(2) 砂岩

从56组砂岩计算数据统计结果看, 砂岩的VPVSQ值介于灰岩与泥岩之间, 与深度相关性不大, 砂岩中的泥质含量是影响其物性变化的主要因素. VP在4448~5284 m·s-1之间变化, 平均值为4795 m·s-1; VS在2090~3409 m·s-1之间变化, 平均值为2588 m·s-1; VP/VS在1.55~1.99之间变化, 平均值为1.81, 泊松比在0.19~0.39之间变化, 平均值为0.268; Q值在113~187之间变化, 平均值为136.其中, 砂岩、钙质砂岩的物性值最高, VP一般在5000 m·s-1以上, VS速度较低, 一般在2100~2200 m·s-1之间变化, 因此具有较高的VP/VS和泊松比; 粉砂岩、泥质砂岩的VPVSQ值最低, 说明随泥质含量的增加, 物性值变小.石英砂岩的物性值居中, VP在4800~5000 m·s-1之间, VS在2550~2750 m·s-1之间, VP/VS在1.80~1.99之间, 泊松比在0.28~0.35之间, Q值较高、达到180以上.

(3) 泥岩

从泥岩层段的210组物性数据统计结果看, 与灰岩、砂岩相比, 泥岩的VPVSQ值最低, 也与深度的相关性不大, 泥岩中的砂质、灰质含量是影响其物性变化的主要因素; VP在3600~4700 m·s-1之间变化, 平均值为4228 m·s-1; VS在2067~2738 m·s-1之间变化, 平均值为2340 m·s-1; VP/VS在1.55~1.99之间变化, 平均值为1.81, 泊松比在0.15~0.33之间变化, 平均值为0.29; Q值在124~205之间变化, 平均Q值为160;纯泥岩的物性值最小, 当泥岩中含砂质或灰质后, 随含量的增加, 物性值变大.

(4) 与岩芯测试结果对比

对中部隆起CSDP-2井海相地层不同深度、不同岩性的56块岩芯柱状样品(砂岩34块, 泥岩4块, 灰岩18块), 在实验室模拟实际地层的压力、温度条件下进行了纵横波速度测量, 岩芯柱状样品测试结果与VSP测量结果对比如表 4.从中可以看出, 泥岩岩芯测试速度与VSP测量得到的速度差异较大, 主要原因是纯泥岩脆性较大, 柱状样取芯困难, 测试的泥岩样品主要为灰质泥岩, 受灰质含量大的影响, 速度较高, 但这类岩石在地层中所占的比例较小, 不具有代表性, 因此, 两种测量结果存在差异也就不难理解.两种测量方法得到的灰岩、白云岩和砂岩结果基本吻合, 变化趋势完全一致, 说明本次VSP测量得到地层物性精度高、结果可靠.

表 4 CSDP-2井岩芯物性测试与VSP测量结果对比表 Table 4 The results comparison of drill core physical properties test and VSP measurement
4 结论

通过CSDP-2井VSP测量的实施, 形成了针对速度突变界面的大容量气枪震源激发技术, 获得了中-古生代海相地层的岩石物性参数, 标定了多道地震剖面的反射波组的地质属性, 为南黄海海相地震勘探提供了基础资料.

(1) 针对井深629 m处的强反射界面带来的地震波强反射效应, 以及海相地层内部界面波阻抗差异小的地震地质条件下, 提出了大容量气枪阵列震源+高灵敏度三分量数字检波器的VSP资料采集技术方案, 得到了海相三叠系青龙组—志留系的高品质三分量VSP资料.实践表明, 在浅层存在速度突变界面的条件下, 采用大容量气枪阵列震源, 在提高穿透能力的同时, 也可以在较小的井源距情况下, 获得了速度突变界面之下的海相地层的PS波场信号.这些成果为以后类似地震地质条件的VSP测量技术设计与参数选择具有借鉴作用.

(2) 根据井孔处的地震地质条件, 采用了震源能量一致性校正, 井斜校正和方位校正, 三分量偏振合成和组合滤波波场分离等处理方法, 提取了三叠系青龙组—志留系的横波速度, 计算VP/VS、泊松比和品质因子等地球物理属性参数, 并分析总结了不同岩性的物性参数特征; 这些资料的取得, 成为建立南黄海地震地质模型主要的资料来源, 而这种模型也是多道地震资料采集、处理与解释不可缺少的依据.

(3) 以VSP资料作为地震和钻井之间的桥梁, 通过桥式标定图对拖缆多道地震叠前时间偏移成像剖面上的同相轴进行了准确标定, 建立了地震反射波组与地层岩性界面的对应关系, 分析了地震层序反射结构, 为今后南黄海地震资料解释提供了重要参考资料.

(4) 由于经费等方面因素, 本次只进行了小井源距(近零偏移距)VSP观测, 虽然获得了速度突变界面(三叠系青龙组顶面)之下的PS波场信号, 但没有得到该界面之上的PS波场信号.另外, 复杂构造的近零偏移距PS波场信号成像处理难度大, 至今仍在试验探索中.因此, 建议在以后的科学钻探时, 应考虑零偏移距与非零偏移距VSP测量同步进行, 若要全面分析井口周围的地层组合与构造特征, 建议开展3DVSP或Walkaway VSP的测量工作.

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