Methodological studies on imaging the pre-Cenozoic in the South Yellow Sea based on seismic numerical modeling data
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摘要: 分析了南黄海前新生代地震勘探地质条件，认为该区地下地震反射界面速度反差可高达1.5~3.0倍。在建立了南黄海前新生代地震勘探1D和2D地震波传播模型的基础上，通过对模拟采集数据进行分析，提出了该区前新生代地震成像的主要问题。通过对模拟采集数据进行成像处理发现，通常的叠加方法在一定程度上能够压制多次波，但前新生代地层反射波不能成像；在不考虑速度模型建立的情况下，在压制鬼波、SRME+高精度拉动变换压制自由表面多次波后，Kirchhoff积分叠前深度偏移方法能够使前新生代复杂地质构造基本成像，而叠前逆时深度偏移方法能够使前新生代复杂地质构造精确成像。Abstract: The analysis of pre-Cenozoic seismic geological settings in the South Yellow Sea suggests that the ratio of seismic velocity contrast of subsurface reflectors reaches as high as 1.5 to 3.0. In the case, 1D and 2D seismic wave velocity models are established with logging and seismic data. After analyzing the modelling data, we found the main problems of imaging pre-Cenozoic deposits in the South Yellow Sea. By processing the modelling data, it is realized that although the conventional stack can attenuate multiples but pre-Cenozoic reflections cannot be imaged. If we did not consider velocity model building, after deghosting and attenuating free surface-related and interbedded multiples by SRME and high resolution Radon transform, Kirchhoff integral prestack depth migration can essentially make pre-Cenozoic complex geological structures well imaged, and prestack reverse-time depth migration method can precisely image the complex pre-Cenozoic geological structures. The studies have provided an important guidance for seismic exploring pre-Cenozoic complex structures in the South Yellow Sea.
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Keywords:
- pre-Cenozoic /
- numerical modelling /
- multiples /
- seismic imaging /
- South Yellow Sea
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南黄海海域近50年的勘探与研究证实，海盆新生代以来的构造格局由北向南分别为烟台坳陷、崂山隆起、青岛坳陷和勿南沙隆起(图 1)，海盆自下而上沉积了古生界、中生界和古新近系3套含油气层系，其中中、古生界海相沉积在全区广泛分布，属于下扬子块体，残留厚度估计可达2000~10000m[1]；同时，崂山隆起和勿南沙隆起存在相对稳定的中、古生界构造单元，具有良好的油气勘探前景[2-20]。2015年中国地质调查局青岛海洋地质研究所在崂山隆起带开展大陆架科学钻探，CSDP-2科探井在约866m深度发现青龙组海相沉积油气显示，显示了前新生代油气勘探前景。自20世纪90年代以来，国土资源部、中国海洋石油总公司相继投入大量的地震地质调查与专项研究工作，国家“863”计划和国家科技重大专项相继设立相关课题开展研究，但是，到目前为止，南黄海大部分地区前新生代地层分布主要依靠重磁数据并结合反射地震数据进行估算获得[1]，与工业制图要求相比有很大差距。尽管近年来通过地震攻关研究，在地震资料采集与处理技术方面获得较大进步[21-23]，但是，南黄海海域大部分地区反射地震资料的品质还远远不能满足工业制图要求，尤其是在崂山隆起。由此可见，反射地震资料的品质是制约南黄海前新生代油气勘探未能取得突破的瓶颈，因此，探讨南黄海地区前新生代地震勘探方法与技术具有十分重要的意义。由于实际地震数据非常复杂，包括非地震波动的外源干扰、激发与接收效应等，因此，直接对实际地震数据进行处理分析往往很难厘清地震波成像中的关键问题，而模拟数据中不包含非地震波动干扰以及激发与接收因素的影响，所以，分析模拟采集数据有望获得对该区地震波传播特性与地震成像关键问题的认识，从而指导该区地震勘探实践。
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图 1 南黄海海盆新生代以来的构造格局(根据中海石油(中国)有限公司上海分公司修改，2010)Figure 1. Pre-Cenozoic tectonic pattern of the South Yellow Sea basin1. 南黄海前新生代油气地震勘探地质条件
根据南黄海及其邻区苏北陆域地质、地震、钻井与测井资料分析，南黄海前新生代可能存在上下两套油气构造组合，如表 1。从该区的地层岩性组合以及地震波速度特征可以看出，前新生代内部地层有比较明显的速度差异，因此从理论上讲，地震勘探能够揭示前新生代内部地层结构。
表 1 南黄海盆地地层、速度与生储盖组合Table 1. Stratigraphy, seismic velocity, sources, seas and reservoirs in the South Yellow Sea basin
根据前人的研究[1, 21-24, 26, 27]，该区有5个重要的地震地质特点, 总结如下：
(1) 浅水环境，水深在10~100m之间；
(2) 在烟台坳陷，新近系陆相地层覆盖在白垩系或中侏罗系陆相地层之上，形成较大的速度分界面，速度反差可达1.5倍；
(3) 在崂山隆起，绝大部分古近系、白垩系、侏罗系、三叠系地层缺失，新近系陆相地层直接覆盖在三叠系、二叠系海相灰岩或者石炭系地层之上，形成巨大的速度分界面，速度反差可达3.0倍；
(4) 新生界与中生界地层中有火山岩穿刺发育，形成速度横向巨大变化，速度反差可达1.5~2.5倍；
(5) 中、古生界受多期次构造运动的影响，大量地层缺失，并出现海陆交互沉积，现今的地质构造非常复杂。
由于上述特殊的地质条件，使得地震成像十分困难，图 2显示了崂山隆起带QY测线利用大震源(气枪容量6180cuin)、长排列(排列长度8300m)、拖缆沉放深度25m的双检地震采集新技术并经最新的处理技术与优化的处理流程获得的反射地震剖面前新生代内部地层仍不能成像。
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图 2 崂山隆起带QY测线大震源、长排列、双检地震采集叠前偏移剖面Figure 2. Pre-stack seismic migration profile by dual-sensor acquisition with long offset and large volume airgun on Laoshan uplift2. 地震成像的关键问题：模拟采集数据分析
地震模拟采用标量波动方程交错网格有限差分方法，排列长度8000km，记录道距12.5m，拖缆沉放深度25m，模拟VSP记录深度3000m。
2.1 1D速度模型模拟采集分析
根据本区A、B井声波测井数据(图 1)，建立了简化的1D速度模型[27]，如图 3所示。利用图 3速度模型，模拟CMP道集记录与VSP记录如图 4所示，可以看出，模拟记录中的多次波非常发育，产生多次波的主要地层界面为海面与海底之间、海面E/J+K分界面之间、海面与J+K/T分界面之间、海底与J+K/T分界面之间等，如J+K地层缺少，产生强烈多次波地层可能是海面与E/T分界面之间、海底与E/T分界面之间。图 5显示了图 4模拟CMP记录的速度谱、NMO道集以及叠加道，可以看出，1300ms(J+K/T分界面)以下多次波能量几乎全部掩盖了一次反射波。由图 4中的速度模型可以看出，1800ms以下不存在反射界面，因此，图 5中1800ms以下的地震信号全部为多次波。由此可见，本区多次波强烈发育，前新生代地层反射几乎全部被多次波掩盖，很难获得反射波成像。
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图 3 A(红色)、B(蓝色)井声波测井速度曲线与粗化的1D速度模型(黑线)Figure 3. A (red), B (blue) well acoustic logging velocity curves and 1D velocity model (black line)![]()
图 4 (a) 模拟海面拖缆CMP记录；(b)VSP记录Figure 4. (a) Synthetic tow-streamer CMP gather; (b) Synthetic VSP record![]()
图 5 (a) 速度谱；(b)NMO道集；(c)叠加道Figure 5. (a)Velocity spectrum; (b)NMO gather; (c)Stack trace2.2 2D速度模型模拟采集分析
崂山隆起QY测线叠前时间偏移剖面构造解释如图 6所示，结合图 3声波测井数据，建立该测线地震纵波速度模型[27]，如图 7所示，该速度模型崂山隆起带反射界面速度反差可达3.0倍。模拟采集的零炮检距剖面如图 8，正如1D速度模型模拟采集结果，J+K、T、P、C、D地层反射波全部被多次波掩盖，采用模拟用地层速度转换的均方根速度进行叠加获得图 9所示的叠加剖面，多次波能够被压制，但是反射波依然不能成像。
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图 9 模拟地震采集数据叠加剖面Figure 9. Conventional stack profile of the modelling acquisition data3. 地震成像对策：模拟数据处理
通过上述1D模型和2D模型模拟采集数据初步分析可以看出，海面与海底之间、海面与E/J+K分界面之间、海面与J+K/T分界面之间、海底与J+K/T分界面之间多次波是影响E和J+K之下地层成像的关键问题。在不考虑地震记录噪音与成像速度建模的前提下，即采用精确的速度模型，只考虑多次波和成像方法对成像质量的影响，我们对模拟采集数据进行多次波与偏移成像处理。图 10为不做多次波和鬼波压制情况下，采用Kirchhoff叠前时间偏移获得的成像剖面，可以看出，E和J+K之下地层不能成像，同时鬼波将地层反射波呈现出“双眼皮”；图 11为在鬼波压制[28]基础上，采用SRME+高精度拉动变换[29, 30]压制自由表面多次波以及可能的层间多次波后，采用Kirchhoff叠前深度偏移[31-33]获得的成像剖面，可以看出，E和J+K之下复杂地质构造基本成像，反射界面“双眼皮”现象消除；图 12为在压制鬼波的基础上，采用SRME+高精度拉动变换压制自由表面多次波与可能的层间多次波后，采用叠前逆时深度偏移[34, 35]获得的成像剖面，可以看出，E和J+K之下复杂地质构造精确成像，反射界面“双眼皮”现象消除。
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图 10 模拟地震采集数据Kirchhoff叠前时间偏移剖面Figure 10. Kirchhoff prestack time migration profile of the modelling acquisition data without deghosting and multiple attenuation![]()
图 11 模拟地震采集数据压制多次波与鬼波后Kirchhoff叠前深度偏移剖面Figure 11. Kirchhoff prestack depth migration profile of the modelling acquisition data with deghosting and multiple attenuation![]()
图 12 模拟地震采集数据压制多次波与鬼波后叠前逆时深度偏移剖面Figure 12. Reverse time prestack depth migration profile of the modelling acquisition data with deghosting and multiple attenuation4. 结论与讨论
通过建立南黄海地震勘探1D和2D地震波传播模型，对模拟数据进行分析，认为该区前新生代地震成像的主要问题是海面与海底之间、海面与E/J+K分界面之间、海面与J+K/T分界面之间、海底与J+K/T分界面之间、海面与E/T分界面之间、海底与E/T分界面之间产生的多次波严重掩盖了前新生代地层反射波。通常的叠加方法在一定程度上能够压制多次波，但是，前新生代地层反射波仍不能成像。在不考虑速度模型建立的情况下，在压制鬼波、自由表面多次波与层间多次波后，Kirchhoff积分叠前深度偏移能够使前新生代地层基本成像，叠前逆时深度偏移能够使前新生代地层精确成像，上述地震成像方法可以作为实际地震勘探数据处理的重要指导。
但是，对于实际地震数据处理而言，除叠前噪音压制和速度建模外，还要考虑长排列地震采集带来的视各向异性问题，因此，南黄海前新生代地震勘探方法需要建立在地震各向异性理论基础上开展。由于通常采用拖缆采集，只记录压力分量，因此，需要建立一套基于拟声介质理论的多次波压制、逆时偏移成像与速度建模方法技术，这方面有待开展深入研究。此外，将多次波作为增强地下照明的有效能量进行成像处理，也是提高本区地震成像质量的重要研究方向。此外，已有的调查研究表明本区油气勘探的主要目标为下古生界，后续研究的模型建立及分析重点关注志留系以下目标层段。
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图 1 南黄海海盆新生代以来的构造格局
(根据中海石油(中国)有限公司上海分公司修改，2010)
Figure 1. Pre-Cenozoic tectonic pattern of the South Yellow Sea basin
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图 2 崂山隆起带QY测线大震源、长排列、双检地震采集叠前偏移剖面
Figure 2. Pre-stack seismic migration profile by dual-sensor acquisition with long offset and large volume airgun on Laoshan uplift
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图 3 A(红色)、B(蓝色)井声波测井速度曲线与粗化的1D速度模型(黑线)
Figure 3. A (red), B (blue) well acoustic logging velocity curves and 1D velocity model (black line)
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图 4 (a) 模拟海面拖缆CMP记录；(b)VSP记录
Figure 4. (a) Synthetic tow-streamer CMP gather; (b) Synthetic VSP record
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图 5 (a) 速度谱；(b)NMO道集；(c)叠加道
Figure 5. (a)Velocity spectrum; (b)NMO gather; (c)Stack trace
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图 9 模拟地震采集数据叠加剖面
Figure 9. Conventional stack profile of the modelling acquisition data
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图 10 模拟地震采集数据Kirchhoff叠前时间偏移剖面
Figure 10. Kirchhoff prestack time migration profile of the modelling acquisition data without deghosting and multiple attenuation
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图 11 模拟地震采集数据压制多次波与鬼波后Kirchhoff叠前深度偏移剖面
Figure 11. Kirchhoff prestack depth migration profile of the modelling acquisition data with deghosting and multiple attenuation
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图 12 模拟地震采集数据压制多次波与鬼波后叠前逆时深度偏移剖面
Figure 12. Reverse time prestack depth migration profile of the modelling acquisition data with deghosting and multiple attenuation
表 1 南黄海盆地地层、速度与生储盖组合
Table 1 Stratigraphy, seismic velocity, sources, seas and reservoirs in the South Yellow Sea basin
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