近地表砾岩发育区地震速度特征分析及应用——以库车山前带YKB地区为例.pdf

2023 年 9 月第 28 卷第 5 期中 国 石 油 勘 探CHINA PETROLEUM EXPLORATION近地表砾岩发育区地震速度特征分析及应用以库车山前带 YKB 地区为例韩波1 王保才2 骆福嵩2 张渝悦1 韩博2 夏永涛2 丁维2（1中国石化石油物探技术研究院有限公司;2中国石化西北油田分公司勘探开发研究院）摘要：在山前带地震勘探中通常应用叠加速度进行变速成图，但对近地表砾岩如何影响下伏地层叠加速度的研究较少，也缺乏有效的叠加速度校正方法。应用楔状模型模拟近地表砾岩特征，对不同位置处地震波走时入射角曲线特征进行分析，并以库车山前带 YKB 地区为例，开展地震正演进行验证，证实了近地表高速砾岩会导致砾岩尖灭点之下形成异常高的叠加速度，使速度由扇根到扇端方向出现“低高低高”的横向变化。基于此认识通过速度趋势线法校正叠加速度，并与井速度约束法进行了成图对比，结果揭示：由速度趋势线法得出的构造图地层产状与实测结果更接近、深度误差更小，证明了该方法在低勘探程度的山前带近地表砾岩发育区的有效性。关键词：山前带；叠加速度；模型正演；走时入射角曲线；变速成图；低勘探程度中图分类号：P631.443 文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2023.05.010 Analysis and application of seismic velocity characteristics in areas with near surface conglomerate development:a case study of YKB area in Kuqa piedmont zone Han Bo1,Wang Baocai2,Luo Fusong2,Zhang Yuyue1,Han Bo2,Xia Yongtao2,Ding Wei2(1 Sinopec Geophysical Research Institute Co.,Ltd.;2 Research Institute of Exploration and Development,Sinopec Northwest Oilfield Company)Abstract:In seismic exploration in the piedmont zone,stacking velocity is generally used for variable velocity mapping.However,there is few study on the influence of the near surface conglomerate on the stacking velocity of the underlying strata,and there is a lack of effective methods for stacking velocity correction.The wedge-shaped model is applied to simulate the near surface conglomerates,and the characteristics of seismic wave travel time-incident angle curves at various locations are analyzed.In addition,by taking YKB area in Kuqa piedmont zone as an example,seismic forward modeling is conducted to verify the results,which confirm that an abnormally high stacking velocity is formed below the pinch out points caused by the near surface high-speed conglomerate,resulting in a lateral velocity variation of“low-high-low-high”from the inner-fan to the outer-fan.Based on this understanding,the stacking velocity is corrected by velocity trend line method,and the result map is compared with that by well velocity constraint method.The results show that the formation occurrence in the structural map obtained by the velocity trend line method is closer to the measured results,with a smaller depth error,which proves the effectiveness of this method in the near surface conglomerate development area in the piedmont zone with low level of exploration.Key words:piedmont zone,stacking velocity,forward modeling,travel time-incident angle curve,variable velocity mapping,low level of exploration基金项目：国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目“克拉通盆地内部走滑断裂体系成因及控藏机制研究以塔里木盆地为例”(U21B2063)。第一作者简介：韩波（1982-），男，山东新泰人，硕士，2009 年毕业于中国石油大学（北京），副研究员，现主要从事油气地球物理勘探综合研究工作。地址：江苏省南京市江宁区上高路 219 号，邮政编码：211103。E-mail：收稿日期：2023-01-06；修改日期：2023-08-25引用：韩波,王保才,骆福嵩,等近地表砾岩发育区地震速度特征分析及应用：以库车山前带 YKB 地区为例 J.中国石油勘探,2023,28(5):117-125.Han Bo,Wang Baocai,Luo Fusong,et al.Analysis and application of seismic velocity characteristics in areas with near surface conglomerate development:a case study of YKB area in Kuqa piedmont zoneJ.China Petroleum Exploration,2023,28(5):117-125.0 引言山前带近地表普遍发育以砾石滩为主的冲积扇群，由扇根至扇端方向的近地表地层速度横向变化较大，使地震准确成像及解释面临挑战。目前山前带地震解释及构造成图一般通过两种方式实现，一种是应中 国 石 油 勘 探1182023 年第 28 卷高速砾岩低速泥岩低速区尖灭点高速区l1l2l3v1v2h图 1 近地表楔状模型图Fig.1 Wedge model of near surface zoneh反射界面深度，m；l1入射波在低速泥岩中的射线路径，m；l2反射波在低速泥岩中的射线路径，m；l3反射波在高速砾岩中的射线路径，m；v1低速泥岩速度，m/s；v2高速砾岩速度，m/s；入射角，()；砾岩坡角，()；射线与砾岩尖灭界面法线的夹角，()用深度偏移资料进行深度域解释，随着近年来井控各向异性、联合层析、复杂浅表层等速度建模技术以及叠前深度偏移技术的发展，有效提高了复杂山前带构造成像精度1-9。但是在速度纵横向变化大、地震信噪比低、缺少钻井约束的山前带地区，仍然存在速度建模及偏移归位不准确的问题，造成钻井设计深度与实钻结果偏差较大10-11。另一种较普遍的做法是在时间域开展地震解释，一般应用叠前时间偏移资料解释成果，利用钻井约束叠加速度的方式建立速度场进行变速成图12-18，然而这在低勘探程度的山前带地区蕴涵了较大的风险，原因是叠加速度是一种将共中心点道集校平的等效速度，近地表速度横向变化会导致时距曲线的双曲线特征不明显，使速度分析的误差增大，最终导致下伏地层的叠加速度与实际地层速度趋势产生较大的偏差19-21，在缺少钻井约束情况下，应用叠加速度进行时深转换可能导致出现假构造22-23。目前，针对山前带近地表砾岩对下伏地层叠加速度的影响还缺少定量化研究。本文应用楔状模型模拟砾岩发育区速度变化，通过对不同位置处地震波走时入射角曲线特征进行分析，明确浅层速度变化对叠加速度的影响，并以库车山前带 YKB 地区为例，建立模型开展地震正演加以验证，在此基础上通过速度趋势线法校正叠加速度，为在山前带近地表砾岩发育区开展时间域构造成图提供了一种新的思路。1 地震波走时入射角曲线特征建立近地表高速砾岩楔状模型（图 1），分别计算低速区、砾岩尖灭点、高速区 3 个不同位置的地震波走时入射角曲线，并依据曲线时差变化率比较叠加速度的大小。对于低速区，地震波走时（T1）与入射角（）的关系式为2hT1v1cos=（1)高速区地震波走时（T3）与入射角（）的关系式为2hT3v2cos=（2)而在砾岩尖灭点位置，射线路径既穿过低速层又穿过高速层，因此地震波走时（T2）是射线路径 l1、l2、l3走时之和，其中coshl1=（3)cos()hcosl2=（4)sinsincos()cos(+)hl3=（5)又由斯奈尔定律sin()v1v2=sin （6)可得v1v2sin()arcsin=（7)由公式（3）至公式（5）和公式（7）得出v1cosv1cos()sinsinv2cos()cos(+)1cosT2=h+（8)式中T2砾岩尖灭点位置地震波走时，s。由上述公式可知，地震波走时除了与入射角有关外，还受反射界面深度、砾岩坡角、低速泥岩速度、韩波等：近地表砾岩发育区地震速度特征分析及应用119第 5 期1020304050607001234510203040506010200-10-20时间/s入射角/()入射角/()时差一阶导数(a)地震波走时入射角曲线(b)走时时差一阶导数曲线低速区砾岩尖灭点高速区dT1,3/ddT1,2/ddT3,2/d图 2 不同位置地震波走时入射角曲线及走时时差一阶导数曲线Fig.2 Travel time-incident angle curve and first-order derivative curve of travel time difference at various location高速砾岩速度等因素的影响。为了直观地比较 3 个位置处的地震波走时入射角曲线特征，将界面深度设置为2000m，砾岩坡角为25，砾岩速度为3900m/s，泥岩速度为 2000m/s，得出的曲线如图 2a 所示，其中相对于低速区 T1 曲线，高速区 T3 曲线随着入射角的增大时间变化较慢，而砾岩尖灭点处 T2曲线在小入射角范围内变化平缓，但随着入射角的继续增大时间变化率迅速增大，这是由于当=90-时，即在上述假定条件下=65 时，上行射线将平行于地表使射线路径和地震走时均趋向于无穷大，此时根据公式（7）可计算得出入射角=52.7。地震波走时入射角曲线变化率较小则表明需要较大的叠加速度校平曲线，因此可以通过计算两条曲线走时时差的一阶导数来比较曲线变化率的大小，从而确定不同位置处叠加速度的大小，例如 T1,3为低速区地震波走时 T1与高速区地震波走时 T3的差，则2h(v2v1)v1v2=dT1,3d(T1T3)dT1dT3ddddtansec（9)由于 v2 v1，因此dT1dT30dd，即dT1dT3dd故相对于低速区，高速区地震波走时入射角曲线变化率较小，得出的叠加速度较高。应用相同的方法再依次对低速区与砾岩尖灭点处的地震波走时的差（T1,2），以及高速区与砾岩尖灭点处的地震波走时的差（T3,2）分别进行求导，计算结果如图 2b 所示：即当入射角0 0中 国 石 油 勘 探1202023 年第 28 卷因此砾岩的坡角、速度越大，会使砾岩尖灭点处的地震波走时入射角曲线在更大的入射角范围内相对宽缓，从而越容易得出较高的叠加速度。实际地震资料受排列长度限制，反射界面越深接收到信号的入射角范围越小，使上述现象更明显，因此砾岩尖灭点之下的反射界面越深越容易得出较高的叠加速度。2 模型正演及速度分析为了进一步验证上述计算结果，以塔里木盆地库车山前带 YKB 地区为例，建立三维近地表楔状模型，并通过模型正演得到单炮记录，通过人工拾取叠加速度，分析近地表砾岩对叠加速度的影响。模型设计了 4 个水平反射界面、5 套地层，其中近地表低速泥岩平均速度为 2000m/s，高速砾岩平均速度为 3900m/s，之下地层平均速度依次为 2500m/s、3500m/s、4500m/s、6000m/s，地层平均密度根据Gardner 公式计算得出。砾岩分布范围及厚度由近地表回转波网格层析反演结果结合深井微测井等数据确定，4 个水平反射界面深度由工区内 KU1 井的钻井分层数据确定（图 4）。为了减小运算量，在三维模型上抽取了 Ln01 至 Ln08 共 8 条二维测线，二维模型深度为 6000m，长度为 30000m，正演网格大小为 5m5m，观测系统采用检波点间距 50m、炮间距200m、采样率 4ms、双边接收方式，应用 40Hz 雷克子波并采用声波波动方程有限差分法开展正演模拟，分别获得 8 条测线的炮集记录。KU1KU2高速砾岩抽取测线Ln01Ln02Ln03Ln042000m/s2500m/s3500m/s4500m/s6000m/s3900m/s界面1界面2界面3界面4Ln05Ln06Ln07Ln08正演测线号共中心点坐标/m15000750022500300000图 4 库车山前带 YKB 地区地质模型图Fig.4 Geological model of YKB area in Kuqa piedmont zone2000时间/ms4000速度/(ms-1)速度/(ms-1)速度/(ms-1)速度/(ms-1)30005000时间/ms30002000100015002500300020001000150025003000200010001500250030002000100015002500时间/ms时间/ms200040003000500020004000300050002000400030005000(a)共中心点坐标:2850m(b)共中心点坐标:7500m(c)共中心点坐标:12000m(d)共中心点坐标:15350m3225m/s3615m/s3450m/s3710m/s图 5 Ln04 测线界面 4 不同共中心点坐标处叠加速度谱图Fig.5 Stacking velocity spectra of interface 4 at different CMP coordinates on Line Ln04在此基础上抽取共中心点（CMP）道集，并依据速度谱上能量团的大小拾取各界面的叠加速度。图 5为 Ln04 测线在不同共中心点坐标处的地震叠加速度谱，其中砾岩尖灭点位于共中心点 7500m 附近，在该坐标处界面 4 的叠加速度比两侧的速度高，通过每隔500m进行速度拾取，得到的叠加速度呈“低高低高”的特征，砾岩尖灭点处的速度表现为明显的局部高异常（图 6）。韩波等：近地表砾岩发育区地震速度特征分析及应用121第 5 期500040003000200010000500040003000200010000XL1XL201XL401XL601XL801 XL1001 XL1201 XL1401XL440XL640砾岩XL440 XL6404360m/s4000m/s时间/ms测线号测线号测线号时间/ms30003500400045005000KU1KU2LN930LN830LN730LN630LN530LN430LN1030LN1130 LN1230XL672XL772XL572XL472XL372XL272高速异常带主测线(a)叠加速度剖面(b)叠加速度谱(c)白垩系卡普沙良群巴西盖组顶界面叠加速度平面图联络测线速度/(ms-1)速度/(ms-1)5200480044004000380042004600500046004600480050005200440048004600480044004400460042004800500040004400420040003800360046004800460044004200460046004400420040003800图 7 库车山前带 YKB 地区叠加速度特征图Fig.7 Stacking velocity characteristics in YKB area in Kuqa piedmont zone3900370035003300310030003200340036003800025005000750010000125001500017500200002250025000共中心点坐标/m叠加速度/(ms-1)叠加速度拟合线速度趋势线图 6 Ln04 测线界面 4 叠加速度散点及速度趋势图Fig.6 Stacking velocity scatter points and velocity trend curve of interface 4 on Line Ln04实际采集的地震资料也具有相似的特征，图 7a是库车山前带 YKB 地区沿砾岩展布方向的叠加速度剖面，其中测线 XL440 位于高速砾岩末端，其下部地层呈明显的局部高速特征，3600ms 处叠加速度为4360m/s，大于两侧相同时间的叠加速度（图 7b）。此外，速度异常范围在剖面上呈上窄下宽的形态，根据上述地震波走时入射角曲线特征分析的结果，推测可能是随着反射界面深度的增大，入射角范围变小，砾岩尖灭点之下的地震波走时入射角曲线宽缓特征更明显，因此容易得出较高的叠加速度。在平面上，较高的叠加速度呈现出与砾岩尖灭边界相对应的条带状特征（图 7c）。中 国 石 油 勘 探1222023 年第 28 卷3 速度校正及应用效果YKB 地区位于塔里木盆地库车山前带南缘，北部为山地区、中部为冲积扇区，冲积扇自北向南呈扇形展布，使该地区中北部表层形成厚度较大的高速砾岩层，受速度横向变化等影响，常规速度谱计算出的层速度误差较大，又由于研究区内仅有两口探井且距离较近，因此无法有效约束地震速度，难以建立变速成图所需的高精度速度场13,24。以往应用钻井分层、声波时差数据对叠加速度进行约束建立速度场，生成的构造图呈近东西走向、隆洼相间的形态，在 KU1 井南侧形成背斜及向斜构造（图 8a），其中向斜与近地表砾岩末端位置相一致，推测这是由于 KU1 井南部的高速异常带缺少钻井数据约束，无法改变错误的速度趋势，从而导致在高速砾岩末端形成向斜构造。-5270-5370-5370-5270-5170-5070-5270-5370-5470-5570-5670-5170-5070-5170-5370-5470-5470-5470-5370-5570-5670-5770-5770-5670-5570-5470-5370-5270-5470-5570-5570-5270-5470-5270-5170-5470-5470-5870-5870LN930LN830LN730LN630LN530LN430LN1030LN1130LN1230XL672XL772XL572XL472XL372XL272联络测线主测线KU2KU1-4530-4752-4974-5196-5418-5640-5862-6084-6306-6528-6750海拔/m-4850-4950-5050-5150-5250-5350-5450-5550-5550-5650-5450-5350-5250-5150-5050-4950-4450-4650-4850-5050-5250-5450-5650-5850-6050-6250-6450海拔/mKU2KU1LN930LN830LN730LN630LN530LN430LN1030LN1130LN1230XL672XL772XL572XL472XL372XL272联络测线主测线(a)井速度约束法(b)叠加速度趋势线法图 8 不同叠加速度校正方法生成的 T32构造图Fig.8 T32 structural maps generated by different stacking velocity correction methods韩波等：近地表砾岩发育区地震速度特征分析及应用123第 5 期16401970230026302960329036203950428046104940228027703260375042404730522057106200KU1KU1T20盐顶T22T32T23T20盐顶T22T32T237500(a)校正前(b)校正后1250010000500005001000150020002500300035004000450050000500100015002000250030003500400045005000时间/ms时间/ms共中心点坐标/m共中心点坐标/m速度/(ms-1)速度/(ms-1)砾岩750012500100005000ACAC图 10 Ln04 测线叠加速度剖面校正前后对比图(速度趋势线法)Fig.10 Comparison of stacking velocity profiles before and after velocity trend line correction of Line Ln04为了解决上述问题，本文采用速度趋势线法进行速度校正，即通过模型正演得出受近地表砾岩影响的叠加速度 vi,j，以及近地表匀速变化条件下的叠加速度趋势值 vi,j，通过计算两者的差值得到叠加速度偏离正常趋势的程度，即 vi,j(x)=vi,j(x)vi,j(x)（10)式中i测线号；j反射界面序号；x共中心点坐标。例如，对 Ln04 测线的第 4 个界面的叠加速度及其速度趋势进行多项式拟合（图 6），可计算出 Ln04测线界面 4 的叠加速度误差。分别对不同测线上各界面的叠加速度误差进行求取并插值，形成用于校正实际叠加速度的速度误差(图 9）。对比发现，KU1 井左侧的砾岩末端之下的速度在校正前表现为“上拱”形态，这与近似水平的地层特征不吻合（图 10a），而校正后速度具有稳定的横向变化趋势，因此通过该方法有效消除了由于近地表砾岩导致的叠加速度异常（图 10b）。7500125002500175000Ln01Ln02Ln03Ln04Ln05Ln06Ln07Ln08正演测线号共中心点坐标/mKU1KU2-150250-50-100050100150200300-200速度误差/(ms-1)图 9 界面 4 叠加速度误差平面图Fig.9 Plane stacking velocity error of interface 4分别应用井速度约束法及速度趋势线法校正后的叠加速度建立速度场生成深度域构造图。对比发现，速度趋势线法校正后的速度场由于消除了砾岩末端的叠加速度异常高值，生成的构造图自北向南呈平缓的斜坡带（图 8b），这与电成像测井计算的地层产状非常接近（表 1）：依据 KU1 井电成像测井计算的白垩系卡普沙良群地层倾角平均值为 4、地层倾向平均值为 15，由速度趋势线法校正后生成的构造图计算得出的白垩系卡普沙良群地层倾角为 3.1，倾向为 18.9。此外，对研究区内两口井的钻井深度与中 国 石 油 勘 探1242023 年第 28 卷预测深度也进行了比较，由速度趋势线法校正后生成的构造图的绝对误差较小（表 2）。这表明叠加速度趋势线法校正后的速度场更合理，生成的构造图与实际地层特征相吻合，构造形态也更加可靠。表 2不同叠加速度校正方法生成的构造图深度误差对比Table 2 Comparison of depth error of structural maps generated by different stacking velocity correction methods井名层位海拔/m井速度约束法叠加速度趋势线法预测海拔/m绝对误差/m预测海拔/m绝对误差/mKU1T23-4851.6-4885.4 33.8-4848.7-2.9 T30-5003.6-4996.0-7.6-5000.7-2.9 T32-5342.1-5369.1 27.0-5339.4-2.7 KU2T23-4870.7-4913.3 42.6-4877.1 6.4 T30-5029.4-5030.4 1.0-5035.8 6.4 T32-5360.4-5385.8 25.4-5366.4 6.0 表 1KU1 井白垩系卡普沙良群地层倾角、倾向实测值与预测结果对比Table 1 Comparison of formation dip angle and inclination between measurement and prediction results of the Cretaceous Kapushaliang group in Well KU1电成像测井计算结果构造图计算结果（井速度约束法）构造图计算结果（叠加速度趋势线法）地层倾角地层倾向地层倾角地层倾向地层倾角地层倾向4158.23.23.118.94 结论（1）在一定的入射角范围内，近地表高速砾岩尖灭点之下的地震波走时入射角曲线变化率较小，因此相对于低速区，高速区更容易得出较大的叠加速度，并且砾岩坡角、速度越大，出现这种现象的入射角范围越大。而实际地震资料由于随深度增大接收到信号的入射角范围变小，导致砾岩尖灭点之下的地震波走时入射角曲线在深层的宽缓特征更明显，更容易得出较高的叠加速度。库车山前带 YKB 地区砾岩尖灭点位置的叠加速度在剖面呈上窄下宽的形态，推测与这种现象有关。（2）应用近地表回转波层析反演速度、深井微测井及少量的钻井数据，模拟实际研究区地层特征，开展地震正演并拾取叠加速度，验证了近地表高速砾岩会导致砾岩尖灭点之下形成高速度异常，剖面上速度由扇根到扇端方向出现“低高低高”的横向变化，平面上较高的叠加速度呈条带状与砾岩尖灭边界相对应。（3）应用井数据约束叠加速度建立速度场的方法，由于井数据少，达不到准确约束叠加速度的效果，砾岩末端较高的叠加速度导致形成与砾岩边界相对应的向斜构造，因此在钻井数量少的山前带地区，应用井控速度建场方法得到的构造形态可能是错误的。（4）对叠加速度及其速度趋势进行多项式拟合，计算出叠加速度偏离正常趋势的误差，将速度误差应用于校正实际地震叠加速度并开展变速成图，得出的构造图的地层产状与实测产状接近且深度误差相对更小，这表明采用基于模型正演的速度趋势线法校正叠加速度是有效的，这为低勘探程度的山前带近地表砾岩发育区，在时间域开展解释成图提供了一种较可靠的方法。参考文献1 梁顺军，梁霄，陈江力，等.山地复杂构造倒转背斜地震剖面反射特征及油气成藏分析 J.中国石油勘探，2019,24(3):377-390.Liang Shunjun，Liang Xiao，Chen Jiangli，et al.Seismic reflection features and analysis of hydrocarbon 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