Chuyên Đề Minh giải địa chấn 3D trong thăm dò dầu khí

Minh giải địa chấn trong dầu khí. Mô hình 3D

Chương 6

Địa chấn 3 chiều (3D)

Trong những năm qua, phương pháp địa chấn được tiến hành theo từng tuyến và thu được các lát cắt địa chấn dọc theo các tuyến, đó là phương pháp địa chấn 2D (Two- Dimensional Seismic) Phương pháp này

được áp dụng rộng rãi và cho phép phát hiện nhiều mỏ dầu khí trên thế giới Tuy nhiên lát cắt địa chấn chỉ là lát cắt thẳng đứng, trong khi đó các

đối tượng địa chất là các vật thể 3 chiều rất đa dạng trong không gian, ví

dụ như các nếp lồi, nếp lõm, đứt gãy, bất chỉnh hợp, bẫy dầu khí Chính vì vậy, trong điều kiện địa chất phức tạp thì kết quả tài liệu địa chấn 2D

có hạn chế và không phản ánh chính xác cấu trúc địa chất thực tế, điều này đòi hỏi phải áp dụng địa chấn 3D (Three- Dimensional Seismic)

Địa chấn 3D là phương pháp địa chấn phản xạ được tiến hành khi phát và thu sóng đồng thời trên nhiều tuyến, vì vậy có thể khảo sát nghiên cứu môi trường địa chất trong không gian 3 chiều

Phương pháp địa chấn 3D có nhiều ưu điểm hơn so với địa chấn 2D, cho phép tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu, tăng độ chính xác và độ tỷ mỷ trong giải quyết các nhiệm vụ địa chất Phương pháp địa chấn 3D cho phép thu được lát cắt thẳng đứng dọc theo các tuyến có các phương vị khác nhau (tuyến dọc theo tuyến phát sóng, tuyến ngang thẳng góc với tuyến phát sóng, tuyến dich dắc qua các giếng khoan ), các bình đồ thời gian nằm ngang ở các chiều sâu khác nhau (time slice), cho phép tăng hiệu ứng thống kê (do tăng

số mạch cộng), tăng hiệu ứng định hướng (do kéo dài khoảng cách thu phát), khắc phục ảnh hưởng do cáp thu bị lệch hướng, tăng độ chính xác hiệu chỉnh dịch chuyển địa chấn

6.1 sự phát triển của địa chấn 3d

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật ghi số và các phương pháp xử lý

số liệu hiện đại, từ những năm 70 các nhà địa vật lý đã quan tâm đến nghiên cứu địa chấn trong không gian 3 chiều và đến nay phương pháp địa chấn 3D

đã có bước phát triển rất nhanh chóng

Năm 1970, Walton đã nêu quan điểm về địa chấn 3D Năm 1975 lần

đầu tiên tiến hành khảo sát địa chấn 3D và sau đó năm 1976 Bone, Giles và Tegland đã giới thiệu công nghệ mới về địa chấn 3D ra thế giới Từ năm

1977, Tegland đã sử dụng địa chấn 3D phục vụ việc phát triển mỏ (Brown,1986; Tegland, 1977; walton, 1972…)

Các kết quả thực tế nhiều năm qua chứng minh rằng khảo sát địa chấn 3D cho kết quả về địa chất rõ ràng, chính xác và có hiệu quả kinh tế cao, cho phép giảm bớt các giếng khoan không cần thiết, tăng trữ lượng khai thác trên cơ sở phát hiện các tầng chứa bị bỏ sót Việc áp dụng địa chấn 3D không chỉ được quan tâm trong giai đoạn tìm kiếm thăm dò mà cả trong các giai đoạn khai thác và phát triển mỏ

Hiện nay hầu như trên 80% chi phí của thăm dò địa chấn trên thế giới

được đầu tư cho địa chấn 3D Giá thành địa chấn 3D rẻ hơn so với chịu phí tổn cho một giếng khoan khô Sự khác biệt về giá thành so với địa chấn 2D chắc chắn sẽ giảm xuống khi đồng thời thực hiện các tuyến nổ song song và

xử lý các tuyến ngang mà không cần các tuyến nổ

Một số hình ảnh về không gian 3 chiều khi tiến hành địa chấn 3D, so sánh lát cắt và bình đồ thời gian được mô tả trên hình 6.1, 6.2, 6.3

ở Việt nam, các bể trầm tích liên quan đến tiềm năng dầu khí có đặc

điểm cấu trúc địa chất rất phức tạp, phương pháp địa chấn 3D đã được áp dụng từ những năm đầu 90 nhằm nâng cao hiệu quả thăm dò tỷ mỷ và phục

vụ đánh giá trữ lượng dầu khí ở các vùng mỏ thuộc bể Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay- Thổ Chu Khối lượng thăm dò địa chấn 2D và 3D ở nước ta từ những 1988 đến 2004 được minh hoạ trên hình 1.5 (chương 1)

Hình 6.1 Các yếu tố ngoài lát cắt thẳng đứng ảnh hưởng đến

kết quả thu sóng trên tuyến (trong địa chấn 2 chiều)

Thu và phát sóng 2D Thu sóng 3D

Giếng khoan khô

Lát cắt địa

chấn 2D

Hình 6.2 Hình ảnh khảo sát địa chấn 3 chiều trên biển

Hình 6.3 Lát cắt thẳng đứng và bình đồ thời gian trong địa chấn 3D

a Mô hình khối; b Bình đồ thời gian (time slice) và các lát cắt thẳng đứng

6.2 công tác thu nổ thực địa của địa chấn 3d

Hầu hết các thao tác thực địa của việc thu nhận tài liệu địa chấn 2D đều có thể áp dụng cho địa chấn 3D Các yếu tố như thiết bị hàng hải, các thiết bị ghi, độ sâu mực nước biển, điều kiện thuỷ triều, dòng chảy, các hoạt động hàng hải, đánh bắt hải sản cũng như các trở ngại khác như hoạt động của các dàn khoan, các công trình biển đều phải

được chú ý và tính toán đầy đủ vì chúng sẽ ảnh hưởng đến việc thiết kế mạng lưới bố trí nguồn nổ và thu hợp lý

và cáp thu tăng lên Trên hình 6.4a mô tả hình ảnh bố trí thu nổ khi sử dụng

1 tàu với số nguồn nổ và số cáp thu khác nhau, hình 6.4h là hình ảnh bố trí

2 tàu với 4 nguồn nổ, 4 tuyến thu đồng thời

Hình 6.4 Thăm dò địa chấn với số tuyến phát và thu khác nhau:

a 1 tuyến phát và thu (địa chấn 2D); b 2 tuyến phát 1 tuyến thu, c 1 tuyến phát 2 tuyến thu; d 2 tuyến phát 2 tuyến thu, e 1 tuyến phát 3 tuyến thu; g 2 tuyến phát 3 tuyến thu; h 2 tàu, 4 tuyến phát và 4 tuyến thu

6.2.2 Bề rộng vùng khảo sát

Nếu mặt ranh giới cần khảo sát nằm ngang thì diện tích mặt ranh giới cần khảo sát chính bằng diện tích tiến hành khảo sát trên mặt Tuy nhiên, khi trong môi trường có mặt ranh giới nghiêng thì diện tích mặt ranh giới cần khảo sát sẽ nhỏ hơn so với và diện tích khu vực khảo sát

Trên hình 6.5a chỉ ra trên lát cắt địa chấn, tương ứng với khoảng nổ

AB có yếu tố phản xạ CD nằm trên mặt ranh giới Bề rộng của vùng cần quan tâm là khoảng OA Tuy nhiên do yếu tố phản xạ được biểu diễn theo chiều thẳng đứng mà không phải theo hướng thẳng góc với mặt ranh giới nên yếu tố phản xạ được thể hiện thành đoạn C’D’ không đúng với vị trí thực của nó (người ta gọi là hiện tượng dịch chuyển địa chấn) Nếu chiều dài tuyến giới hạn trong đoạn OA thì trên lát cắt không ghi được tín hiệu từ CD vì tín hiệu này

được ghi trên đoạn AB Mặt khác, nếu việc ghi sóng chỉ giới hạn trong đoạn

AB, thì sau dịch chuyển về vị thí thực, yếu tố C’D’ sẽ mất trên lát cắt, như vậy tuyến cần đủ dài hơn OB (hình 6.5b)

Ngoài bề dài của tuyến, lát cắt cần có thời gian ghi đủ lớn để đủ ghi các mặt phản xạ nghiêng cần quan tâm Nếu chỉ ghi trong đoạn OE thì chỉ nhận được tín hiệu từ đoạn C’D” và sau dịch chuyển chỉ phản

ánh trên lát cắt một phần của đoạn CD mà thôi (hình 6.5b) Chiều dài tuyến và thời gian ghi phụ thuộc vào tốc độ trung bình và chiều sâu của các yếu tố phản xạ Chính vì vậy, so với diện tích mặt ranh giới cần nghiên cứu thì khu vực khảo sát trên bề mặt rộng hơn

Thí dụ một hình ảnh minh hoạ so sánh diện tích vùng khảo sát trên mặt và diện tích ranh giới được khảo sát thể hiện trên hình 6.6

6.2.3 Khoảng cách giữa các mạch ghi

Giả sử xét tia sóng đến mặt quan sát có góc nghiêng θ và quan sát

được tại 2 điểm A và B có khoảng cách là ∆x Sự chênh lệch thời gian ∆t giữa 2 mạch A và B do sự chênh lệch quãng đường truyền sóng CB gây ra (hình 6.7) Ta có:

x2

t.sin

∆

∆ν

=θ

Nếu sự chênh lệch thời gian ∆t bằng nửa chu kỳ thì

x.4

T.sin

∆

ν

=θ

Đòi hỏi tần số cực đại tránh hiện tượng ảnh ảo là T =1/ fmax nên

x.f.4

Như vậy khi tốc độ càng thấp, góc nghiêng θ và khoảng cách ∆x tăng thì tần số fmax càng giảm

H×nh 6.5 L¸t c¾t cã mÆt ranh giíi nghiªng CD (a), vµ dÞch chuyÓn tõ

Hình 6.7 Sơ đồ để tính khoảng cách ∆x

6.3 Xử lý số liệu địa chấn 3D

Hầu hết các khái niệm xử lý tài liệu địa chấn 2D được áp dụng cho

xử lý tài liệu địa chấn 3D, tuy nhiên khối lượng tính toán và mức độ phức tạp tăng lên rất nhiều Trong quá trình xử lý địa chấn 3D cần tăng cường các khâu phân tích tốc độ, cộng sóng và dịch chuyển

ở giai đoạn tiền xử lý cần loại bỏ các mạch có mức nhiễu cao, hiệu chỉnh sự lan rộng mặt sóng, lọc ngược và hiệu chỉnh tĩnh

6.3.1 Cộng sóng theo tập hợp điểm giữa chung

Trong xử lý địa chấn 2D, các mạch địa chấn được cộng theo “điểm giữa chung”, còn trong xử lý địa chấn 3D do nổ và thu trên các tuyến khác nhau nên cần tiến hành cộng sóng theo một tập hợp các điểm giữa chung nằm trong một ô diện tích hình chữ nhật Số lượng các điểm giữa chung trong các ô có khác nhau tuỳ thuộc vào kích thước ô chữ nhật và số lần bội khi cộng sóng Người ta gọi các ô chữ nhật này là “ô nhỏ chung” (common- cell) (hình 6.8)

Trong thực tế kích thước của các ô này theo hướng tuyến bằng nửa khoảng cách giữa các nhóm máy thu (tương đương khoảng cách giữa các

“điểm giữa chung” trong xử lý 2D) và kích thước theo hướng ngang bằng khoảng cách giữa các tuyến

Việc cộng sóng trong địa chấn 3 chiều theo tập hợp các điểm trong một ô có diện tích như vậy có hiệu quả cao hơn nhiều so với cộng sóng theo từng điểm giữa chung trong địa chấn 2D và hạn chế được ảnh hướng sự lệch cáp so với tuyến

Trên hình 6.8 chỉ ra một “ô nhỏ” hình chữ nhật được tách ra từ sự mô tả chung Khoảng cách giữa các tuyến là 50m và khoảng cách giữa các máy thu là 25m Kích thước của ô nhỏ theo hướng tuyến là 12,5m và theo hướng

thẳng góc là 50m Trên hình vẽ thể hiện một ô nhỏ chứa “điểm giữa chung” của 6 tuyến khác nhau trong trường hợp cáp thu bị lệch nhưng góc trôi của cáp không đổi

Trong thực tế, sự phân bố các điểm giữa trong “ô nhỏ chung” thường không đồng nhất vì dạng của cáp thay đổi từ điểm này sang điểm khác Có thể các điểm chung này tập trung ở một phần trong ô nhỏ mà không nhất thiết ở tâm của ô Sự phân bố và mật độ các “điểm giữa” có thể thay đổi từ

điểm này sang điểm khác Các ô khác nhau có thể có số lượng “điểm giữa”

Như đã nêu ở trên, vùng tập trung các điểm giữa có thể không trùng với tâm của diện tích ô nhỏ, khi đó nên cộng theo vùng tập trung điểm giữa hơn là theo tâm của ô Sự không đều đặn của các điểm cộng cũng gây nên

sự không đều đặn khi cộng các mạch theo hướng ngang Việc nội suy để tạo

ra các mạch ngang hợp lý là rất cần thiết đối với dịch chuyển 3D

6.3.2 Khắc phục ảnh hưởng của sự lệch tuyến

Khi đo địa chấn biển, trong quá trình tàu chạy kéo theo hệ thống cáp thu dài 2 – 3km Do ảnh hưởng của dòng chảy mà cáp thu bị lệch đi so với hướng thiết kế (hình 6.9) Tuỳ vào điều kiện cụ thể mà độ lệch này thay đổi rất khác nhau Ví dụ cáp dài 3km thì nếu tuyến bị lệch đi 100 cũng làm cho phần cuối của cáp lệch đi so với hướng tuyến thiết kế đến 530m Vì có sự thay đổi hình dạng của cáp thu trong quá trình tàu chạy nên vị trí các điểm giữa của cáp cũng bị thay đổi không đều đặn Chính sự sai lệch vị trí điểm giữa này mà gây ra sai số khi xử lý số liệu

Trong quá trình xử lý tài liệu địa chấn 2D cần tập hợp các mạch theo “điểm sâu chung”, điều này đòi hỏi các điểm nổ và thu đối xứng nhau qua “điểm giữa” Vì vậy khi vị trí điểm giữa bị sai lệch thì kết quả cộng “điểm sâu chung” sẽ bị ảnh hưởng và kết quả là việc xác định vị trí mặt ranh giới sẽ thiếu chính xác Trong địa chấn 3D, các mạch địa chấn được cộng theo tập hợp các điểm giữa chung trong diện tích một ô chữ nhật nên khắc phục được nhược điểm này

Hình 6.9 Hình ảnh cáp thu bị lệch khỏi tuyến do dòng chảy

Việc chọn các ô nhỏ còn có vấn đề cần lưu ý là do cáp bị trôi nên biểu đồ thời khoảng bị lệch khỏi dạng hypecbol Giả sử cáp rất thẳng nhưng

bị lệch so với tuyến một góc trôi không đổi, khi đó sự phân bố điểm giữa trong ô nhỏ được minh họa trên hình 6.8b, ở đây góc trôi là 100

Chúng ta xét mô hình có chứa mặt ranh giới nghiêng 300 và tốc độ trong môi trường không đổi Trên hình 6.10 chỉ ra dạng biểu đồ thời khoảng tương ứng với 3 hướng nổ khác nhau, dọc theo đường phương, theo hướng

450 so với hướng dốc và theo đường hướng dốc Cần lưu ý rằng, số liệu từ các tuyến nổ khác nhau được ghi ở các điểm khác nhau trên biểu đồ thời khoảng Khi các điểm giữa tập trung ở tâm “ô nhỏ” thi biểu đồ thời khoảng

có dạng hypecbol lý tưởng (cáp không trôi) Khi góc nghiêng của mặt ranh giới tăng lên và cáp bị trôi thì dạng biểu đồ thời khoảng cũng khác dạng hypecbol lý tưởng Sự lệch biểu đồ thời khoảng càng lớn khi nổ theo đường phương Đặc biệt chúng có ảnh hưởng khi tốc độ thấp và khảo sát nông

a b c

Hình 6.10 Sự lệch biểu đồ thời khoảng so với dạng hypecbon do lệch cáp

c Tuyến theo đường hướng dốc

Nếu tiến hành cộng các ô nhỏ chung dọc theo đường hypecbol thì sẽ làm mất thành phần tần cao Câu hỏi đặt ra là cần cắt tần cao do sự phân tán của các điểm giữa theo hướng tuyến ngang trong mỗi ô nhỏ như thế nào? Bằng cách xác định được sự khác biệt về thời gian giữa hypecbol lý tưởng

và biểu đồ thời khoảng thực (hình 6.10), có thể vẽ được biểu đồ sai lệch thời gian (hình 6.11a) và phổ biên độ (hình 6.11b) Lưu ý rằng tần cao được cắt

ở mức biên độ là 6 dB tương ứng với tần số 70 Hz Tần số cắt phụ thuộc vào góc nghiêng của mặt ranh giới, thời gian phản xạ và tốc độ

Nói tóm lại, sự trôi cáp do dòng chảy tạo nên sự phân tán các “điểm giữa” theo hướng thẳng góc với tuyến trong mỗi ô Nếu hướng nổ theo đường phương thì tập hợp những ô chung sẽ có dạng sai lệch so với hypecbol lý tưởng Điều này làm giảm biên độ trong quá trình cộng và có tác dụng như một bộ lọc tần cao

Có một số cách khác nhau để hạn chế sự sai lệch theo tuyến ngang Cách đơn giản nhất nhưng cũng là đắt nhất là thu hẹp kích thước của ô theo chiều ngang, nghĩa là khoảng cách giữa các tuyến phải hẹp lại Có thể hạn chế sự sai lệch theo tuyến ngang này một cách rẻ hơn (nhưng không thật tốt) bằng cách hiệu chỉnh điểm giữa chung Hiệu chỉnh này cho phép vẽ BĐTK với tất cả các điểm giữa được tập trung ở tâm của ô

Hình 6.11 Biểu đồ sai lệch thời gian của biểu đồ thời khoảng so với dạng hypecbol theo tuyến ngang (a), phổ biên độ tương ứng (b)

Quá trình này đòi hỏi phải xác định độ dốc và tốc độ theo tài liệu địa chấn hoặc mô hình địa chất Vấn đề này được minh họa trên hình 6.12 Trên hình vẽ chỉ ra ô nhỏ chứa 48 điểm giữa từ 5 tuyến nổ khác nhau nhưng cùng một hướng Trong mô hình có mặt ranh giới ngiêng, góc nghiêng theo tuyến ngang là 300 và theo tuyến dọc là 450 Sự không liên tục của BĐTK

được chỉ ra trên hình 6.12b Các điểm giữa từ mỗi tuyến nổ trong số 5 tuyến

nổ được xác định trên các điểm khác nhau A,B,C,D,E, của BĐTK Nếu các BĐTK là đường hypecbol và áp dụng hiệu chỉnh động thì ta có biểu đồ trên hình 6.9c Việc cộng theo hypecbol sẽ làm giảm tần cao như đã nêu ở hình 6.11 Tuy nhiên nếu tiến hành hiệu chỉnh vị trí các điểm giữa thì BĐTK sẽ tốt hơn (hình 6.12d) và khi hiệu chỉnh động sẽ cho chất lượng cao hơn (hình 6.12e) vì không còn sự lệch theo tuyến ngang

Có thể giải quyết vấn đề sai lệch theo tuyến ngang bằng cách kết hợp

nổ và thu theo các hướng khác nhau Thí dụ trên hình 6.13, ở đó “ô nhỏ” có chứa “điểm giữa” từ 5 tuyến khác nhau, trong đó có 2 tuyến theo cùng hướng (mạch 29 - 48) và 3 tuyến nổ còn lại theo hướng khác (mạch 1 - 28) Việc nổ theo các hướng đối xứng nhau sẽ làm tăng góc trôi 2 lần Mặc dù

có hiệu chỉnh sự phân tán các điểm giữa nhưng vẫn còn sự gián đoạn dọc theo BĐTK được hiệu chỉnh (hình 6.13d) do sự thay đổi phương vị nổ và thu Như vậy việc hiệu chỉnh động không chỉ phụ thuộc góc dốc của mặt ranh giới mà còn phụ thuộc vào góc phương vị của tuyến so với đường hướng dốc Sử dụng giá trị tốc độ khác nhau để hiệu chỉnh động cho phần A

và B (hình 6.13d) thì sẽ cho kết quả như trên hình 6.13e

Sau khi đã lựa chọn các tập hợp ô nhỏ và xác định tốc độ thì không còn sự khác nhau giữa xử lý 2D và 3D Trong xử lý 2D, một số tập hợp các

điểm giữa chung lân cận cũng được sử dụng để phân tích tốc độ nhằm tăng

tỷ số tín hiệu/nhiễu Tương tự như vậy, một số tập hợp các ô nhỏ chung, thường là 5 theo tuyến dọc và 5 theo tuyến ngang với tổng số là 25 ô được

Hình 6.13 Hiệu chỉnh động (từ 5 tuyến nổ khác hướng)

a “Ô nhỏ chung” chứa các điểm giữa từ 5 tuyến theo 2 hướng khác nhau

b, d Biểu đồ thời khoảng trước và sau khi hiệu chỉnh vị trí các điểm giữa

c, e Kết quả sau hiệu chỉnh động tương ứng

Cũng như trong phân tích địa chấn 2D, phân tích tốc độ trong địa chấn 3D cũng được tiến hành trong khoảng nửa km dọc theo tuyến được chọn và các tuyến cách nhau nửa km Sự thay đổi cấu trúc địa chất cũng là

dấu hiệu cần thiết để phân tích tốc độ Kết quả phân tích tốc độ ở các điểm kiểm tra đựợc lựa chọn và sử dụng để xác định trường tốc độ cho tất cả các

ô nhỏ của vùng nghiên cứu Sự nội suy 3D của hàm tốc độ giữa các điểm kiểm tra sẽ giúp cho việc xác định trường tốc độ hoàn chỉnh

Trong quá trình xử lý địa chấn 3D, ngoài việc cho các lát cắt thời gian (thẳng đứng) theo các tuyến dọc (hướng tàu chạy), hướng ngang và hướng dích dắc bất kỳ, còn thu được các bình đồ thời gian Bình đồ thời gian là lát cắt thời gian nằm ngang ở các mức chiều sâu khác nhau (tương ứng với các mức thời gian truyền sóng khác nhau) Nghiên cứu sự thay đổi bình đồ thời gian ở các mức khác nhau cho phép làm sáng tỏ đặc điểm cấu tạo của vùng nghiên cứu Hình ảnh các lát cắt thời gian thẳng đứng được minh họa trên các hình 6.25, 6.27 Hình ảnh bình đồ thời gian (time slice)

được minh hoạ trên hình 6.26, 6.28, 6.29

6.3.3 Dịch chuyển địa chấn 3D

Như đã trình bày trong mục 4.7 (chương 4), trong thăm dò địa chấn nếu mặt ranh giới không nằm ngang thì vị trí ranh giới xác định theo độ sâu tiếng vang (vuông góc với mặt ranh giới) lại được biểu diễn theo phương thẳng đứng nên sẽ sai lệch so với vị trí thực Để giải quyết vấn đề này, cần tiến hành “dịch chuyển địa chấn” nhằm dịch chuyển vị trí mặt ranh giới về

đúng vị trí thực của nó Trên hình 6.14a minh hoạ mặt ranh giới bị nâng lên hoặc tạo ra hiện tượng thắt nút (hình 6.14b) trên lát cắt nếu không tiến hành dịch chuyển địa chấn.

Trong địa chấn 2D việc dịch chuyển địa chấn chỉ đúng khi tuyến quan sát nằm theo đường hướng dốc của mặt ranh giới Nếu tuyến nằm theo hướng khác thì “dịch chuyển địa chấn” ít tác dụng vì yếu tố phản xạ nằm ngoài lát cắt Trong môi trường địa chất phức tạp và tuyến quan sát có hướng bất kỳ “dịch chuyển địa chấn” 2D bị hạn chế và điều này cần được khắc phục trong phương pháp địa chấn 3 chiều

không dịch chuyển địa chấn và vị trí thực sau khi dịch chuyển địa chấn

a Mặt ranh giới nông hơn thực tế, b Xuất hiện hiện tượng “thắt nút”

Sau dịch chuyểnb

Trước dịch chuyển

Sau dịch chuyển

Trước dịch chuyển achuyển

chuyển