復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)零井源距VSP成像方法研究

蔡志東,張慶紅,劉聰偉

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理公司新興物探處,河北涿州072750)

復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)零井源距VSP成像方法研究

蔡志東,張慶紅,劉聰偉

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理公司新興物探處,河北涿州072750)

針對(duì)復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)VSP資料成像處理的難題,對(duì)VSP走廊疊加和VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法進(jìn)行改進(jìn),提出了新的傾角掃描走廊疊加、自動(dòng)追蹤走廊疊加成像方法,以及模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法。通過(guò)濱里海地區(qū)一口井的實(shí)際VSP資料,證實(shí)了走廊疊加和零井源距成像新方法的有效性與實(shí)用性。研究結(jié)果表明：①新的傾角掃描走廊疊加方法和自動(dòng)追蹤走廊疊加方法均可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)傾斜同相軸有效疊加的目的,較好地解決傾斜地層的VSP標(biāo)定問(wèn)題,其中自動(dòng)追蹤走廊疊加方法能更好地保護(hù)原始波組特征,減小降頻影響,疊加結(jié)果更可靠;②模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法可以更好地揭示井旁構(gòu)造細(xì)節(jié),有利于精細(xì)構(gòu)造解釋或井-地聯(lián)合地震解釋等。

復(fù)雜構(gòu)造;VSP成像;走廊疊加;VSP-CDP轉(zhuǎn)換

隨著VSP技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬,在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)進(jìn)行零偏垂直地震剖面法(Z-VSP)采集的項(xiàng)目也逐漸增多。但是，在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)采用常規(guī)的地震處理方法難以同相疊加得到理想的走廊疊加剖面,進(jìn)而導(dǎo)致層位標(biāo)定不準(zhǔn)確等問(wèn)題。同時(shí),受VSP觀測(cè)形式的影響,VSP數(shù)據(jù)難以借用地面地震中通常使用的各種偏移成像方法,而較為常用的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法又面臨著無(wú)法偏移歸位的難題。為此,本文提出了復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)VSP走廊疊加和VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像新方法,并通過(guò)復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的實(shí)際VSP資料對(duì)新方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)際VSP資料分析

文中用于方法驗(yàn)證的復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)實(shí)際VSP資料取自濱里海地區(qū)的一口VSP觀測(cè)井。通過(guò)地震剖面以及鉆井資料分析可知,該井區(qū)地層反射特征相對(duì)清晰,二疊系、石炭系及其內(nèi)幕地層傾角很大,并且傾向各不相同。圖1a給出了該井的VSP原始記錄Z分量,資料信噪比較高,上行反射清晰可見;圖1b為該記錄分離后的上行波場(chǎng),利用了相對(duì)保真的波場(chǎng)分離手段以確保來(lái)自不同傾角地層的上行反射不被破壞;圖1c為動(dòng)校正后的上行波場(chǎng),在利用VSP速度進(jìn)行動(dòng)校正的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)VSP記錄中部反射同相軸嚴(yán)重傾斜,分析認(rèn)為是井區(qū)所發(fā)育復(fù)雜構(gòu)造地層的真實(shí)響應(yīng)。依據(jù)射線最短時(shí)間理論,無(wú)論井筒附近地層產(chǎn)狀如何,在零井源距VSP記錄中均表現(xiàn)為反射同相軸上傾,這對(duì)常規(guī)的VSP走廊疊加方法提出了挑戰(zhàn)。

圖1 濱里海地區(qū)某井VSP原始記錄Z分量(a)及分離后的上行波場(chǎng)(b)和動(dòng)校正后上行波場(chǎng)(c)

2 VSP走廊疊加成像

2.1 常規(guī)走廊疊加方法

常規(guī)VSP走廊疊加公式[1]為：

(1)

利用公式(1)進(jìn)行走廊疊加時(shí),對(duì)輸入數(shù)據(jù)有一定要求,因此需要對(duì)輸入的VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行近井口切除。通常有依據(jù)深度和依據(jù)時(shí)間兩種切除方法,按深度切除時(shí)n為恒定值(除邊界位置外),而按時(shí)間切除時(shí)n是變化的。根據(jù)公式(1),無(wú)論哪種切除方法,輸出數(shù)據(jù)均為同時(shí)刻的疊加結(jié)果。對(duì)于傾斜地層,由于NMO剖面中同相軸與時(shí)間軸存在夾角,因此無(wú)法同相疊加得到可靠的VSP走廊,這對(duì)VSP標(biāo)定造成了很大的影響[2-3]。

2.2 傾角掃描走廊疊加方法

孟恩等[4]于2005年提出基于射線追蹤計(jì)算VSP傾角的疊加方法。該方法對(duì)于構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單地區(qū)的VSP疊加有一定的效果,但是對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造地區(qū),通過(guò)正演射線追蹤的方法計(jì)算傾角難度大,在實(shí)際應(yīng)用中不能保證全井段數(shù)據(jù)的同相疊加。因此,我們研究提出更可靠、適應(yīng)性更廣的傾角掃描走廊疊加方法。

根據(jù)VSP觀測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),不管是在簡(jiǎn)單構(gòu)造地區(qū)還是在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū),也不管是直井還是斜井,在所記錄的VSP數(shù)據(jù)中,初至位置的上、下行波總是可靠的。根據(jù)這一特點(diǎn),在初至位置直接進(jìn)行同相軸傾角掃描，進(jìn)而進(jìn)行傾角疊加,可以達(dá)到不同時(shí)間同相軸有效疊加的目的。當(dāng)然,這種疊加方法以可靠的波場(chǎng)分離[5-6]為基本前提。

目前,許多商業(yè)處理軟件都有同相軸傾角掃描模塊,可以用來(lái)計(jì)算得到沿時(shí)間或深度的傾角序列。圖2為濱里海地區(qū)VSP資料進(jìn)行常規(guī)走廊疊加的方向、同相軸傾角掃描的方向以及根據(jù)傾角掃描結(jié)果繪制的時(shí)間-傾角曲線,據(jù)此可以直觀地看到井中不同地層所對(duì)應(yīng)的同相軸傾角的變化情況。

得到同相軸傾角序列后,通過(guò)數(shù)學(xué)插值運(yùn)算對(duì)濱里海地區(qū)VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行傾角校正,結(jié)果如圖3所示。通過(guò)對(duì)比可見,傾斜的地震反射同相軸被拉平,基于該數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的同時(shí)刻走廊疊加,即可得到相對(duì)可靠的VSP成果數(shù)據(jù)。該成果數(shù)據(jù)可以用于層位標(biāo)定等地震解釋工作[3,7]。

圖2 濱里海地區(qū)VSP資料的常規(guī)疊加方向(a)、傾角掃描后疊加的方向(b)和傾角掃描得到的時(shí)間-傾角曲線(c)

圖3 濱里海地區(qū)實(shí)際VSP資料同相軸傾角校正前(a)、后(b)對(duì)比

2.3 自動(dòng)追蹤走廊疊加方法

在地震剖面中進(jìn)行同相軸自動(dòng)追蹤是一項(xiàng)非常實(shí)用的地震處理技術(shù),前人已經(jīng)進(jìn)行過(guò)許多相關(guān)的研究工作[8-10]。本文針對(duì)VSP數(shù)據(jù)特點(diǎn),提出一種較為簡(jiǎn)單的自動(dòng)追蹤走廊疊加方法。該方法不依賴于傾角掃描,完全基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,在信噪比較高的VSP上行波場(chǎng)中,根據(jù)樣點(diǎn)振幅值變化規(guī)律進(jìn)行自適應(yīng)的同相軸追蹤,適用于地層構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜的井區(qū)。通過(guò)振幅比較進(jìn)行自動(dòng)追蹤的表達(dá)式為：

(2)

式中：t是當(dāng)前時(shí)刻;t′是追蹤的下一時(shí)刻;Δt是時(shí)間采樣間隔;A是當(dāng)前地震道;B是下一地震道。

利用公式(2)反復(fù)循環(huán)計(jì)算得到的自動(dòng)追蹤結(jié)果,采用與傾角疊加相似的方法進(jìn)行疊加,得到自動(dòng)追蹤走廊疊加剖面。圖4為VSP自動(dòng)追蹤走廊疊加方法的處理流程示例:①人工合成一個(gè)VSP數(shù)據(jù)的NMO剖面模型,該模型共包含9個(gè)彎曲但不相交的同相軸,主頻為30Hz(圖4a);②從初至位置開始自動(dòng)追蹤反射同相軸峰值(圖4b);③對(duì)圖4b所示峰值曲線進(jìn)行外延處理,以補(bǔ)充初至前的空缺數(shù)據(jù),便于下一步插值計(jì)算(圖4c);④對(duì)疊加曲線進(jìn)行加密插值(圖4d);⑤初至切除(圖4e);⑥疊加曲線的樣點(diǎn)化插值,以保證數(shù)據(jù)中所有樣點(diǎn)均可被追蹤(圖4f)。依照該流程進(jìn)行處理,可以疊加得到新的自動(dòng)追蹤走廊疊加剖面。

圖4 VSP自動(dòng)追蹤走廊疊加方法處理流程的示例說(shuō)明

圖5a為圖4a中的上行波NMO剖面的灰度圖顯示;圖5b為采用常規(guī)方法在圖5a中切除的走廊編輯剖面;圖5c為采用常規(guī)方法的走廊疊加成果;圖5d為自動(dòng)追蹤走廊疊加成果;圖5e為自動(dòng)追蹤走廊疊加的等效NMO剖面,相當(dāng)于對(duì)圖5a的彎曲同相軸進(jìn)行了拉平處理。對(duì)比圖5c和圖5d 可見,自動(dòng)追蹤走廊疊加很好地解決了常規(guī)走廊疊加方法使得反射特征變差的問(wèn)題。

將自動(dòng)追蹤走廊疊加方法應(yīng)用于濱里海地區(qū)實(shí)際VSP數(shù)據(jù),并與常規(guī)的走廊疊加方法應(yīng)用的效果進(jìn)行對(duì)比。圖6給出了兩種走廊疊加成像剖面嵌入的過(guò)VSP觀測(cè)井的地面地震時(shí)間域疊加剖面。通過(guò)對(duì)比可見,常規(guī)的走廊疊加方法在1000～1300ms區(qū)間內(nèi)不能同相疊加得到明顯的反射同相軸(圖6a);而利用自動(dòng)追蹤走廊疊加方法得到的成像剖面與地面地震剖面吻合較好(圖6b),呈現(xiàn)出傾斜地層的反射特征,可以用于地質(zhì)層位標(biāo)定等進(jìn)一步的解釋工作。

2.4 幾種走廊疊加方法對(duì)比

通過(guò)對(duì)幾種走廊疊加方法的對(duì)比,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 常規(guī)的走廊疊加方法難以對(duì)傾斜地層的反射同相軸進(jìn)行有效疊加。其缺陷一是剖面中對(duì)應(yīng)傾斜地層的反射同相軸變?nèi)?二是反射波頻率變低;三是VSP標(biāo)定的實(shí)際位置偏高。

圖5 常規(guī)方法與自動(dòng)追蹤方法的VSP走廊疊加成果對(duì)比

圖6 常規(guī)走廊疊加方法(a)和自動(dòng)追蹤走廊疊加方法(b)得到的濱里海地區(qū)VSP成像剖面嵌入地面地震剖面效果對(duì)比

2) 目前基于射線追蹤計(jì)算VSP傾角并疊加走廊的方法對(duì)于簡(jiǎn)單地層有一定效果,但其對(duì)正演模型的依賴性較大,尤其是在復(fù)雜構(gòu)造情況下難以得到較好的疊加效果。

3) 傾角掃描走廊疊加方法不受模型約束,可借助常用地震處理軟件完成,在地層傾角有規(guī)律性的地區(qū)可取得較好的疊加效果。

4) 自動(dòng)追蹤走廊疊加方法的優(yōu)點(diǎn)與傾角掃描走廊疊加方法相似,并且可適用于起伏地層,對(duì)原始波組特征保護(hù)更好,降頻影響更小,疊加結(jié)果更可靠,但對(duì)波場(chǎng)的信噪比要求比較高。

后兩種方法為本文所提出的走廊疊加新方法,其保真度高,適用性廣,可根據(jù)具體井區(qū)資料情況有選擇地加以使用。對(duì)于定向井VSP,井軌跡往往與地層不垂直[11],同樣可以采用本文提出的兩種走廊疊加方法沿井軌跡切除得到走廊疊加成像剖面。

3 零井源距VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像

3.1 常規(guī)VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法

根據(jù)Wyatt等[12]給出的VSP-CDP直井水平層成像公式,當(dāng)?shù)貙咏缑嫔疃葹閥,檢波器深度為z,震源偏移距為x0,直達(dá)波旅行時(shí)為t0時(shí),任意一個(gè)反射點(diǎn)(z,t)轉(zhuǎn)換到(x,T)的關(guān)系式如下。

反射點(diǎn)偏移距：

(3)

反射點(diǎn)雙程垂直時(shí)間：

(4)

上述常規(guī)VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法被廣泛應(yīng)用于平層、角度不大的斜層VSP成像[13],也常常被用于定向井VSP資料的處理。然而,在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)常規(guī)VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法存在著很大的局限性。受觀測(cè)系統(tǒng)自身影響,無(wú)論是零井源距還是非零井源距VSP資料,VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法總是難以使復(fù)雜構(gòu)造的反射同相軸準(zhǔn)確歸位[14]。圖7為濱里海地區(qū)實(shí)際過(guò)井地面地震時(shí)間域疊加剖面及常規(guī)VSP零井源距成像鑲嵌剖面,對(duì)比復(fù)雜構(gòu)造層段的反射特征,可以明顯看到800～1300ms反射同相軸的歸位異常。這也是偏移成像方法在井中地震處理領(lǐng)域發(fā)展較慢的主要原因[16]。

圖7 濱里海地區(qū)實(shí)際過(guò)井地面地震時(shí)間域疊加剖面(a)及常規(guī)VSP零井源距成像鑲嵌剖面(b)

由于不能準(zhǔn)確歸位,VSP成果一度無(wú)法解決地球物理分層的多解性問(wèn)題。于是,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者轉(zhuǎn)向借助地面地震模型、利用模型正演來(lái)引導(dǎo)成像。這些方法可以通過(guò)約束傾角、成像區(qū)域等得到較好的成像結(jié)果,但借助模型正演的方法本身卻引起多方面的爭(zhēng)議,其理論的可靠程度還有待進(jìn)一步的考驗(yàn)[15]。為此,本文研究提出一種對(duì)于模型依賴程度相對(duì)較小的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法。

3.2 模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法

模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法不同于模型法,不強(qiáng)制進(jìn)行反射點(diǎn)歸位,僅通過(guò)模型邊界約束成像。

零井源距VSP雖然難以偏移歸位,但其炮點(diǎn)距井口較近,多數(shù)情況下可以近似認(rèn)為井口處激發(fā),因而可以忽略炮點(diǎn)方位對(duì)于地層反射成像的影響。在直井采集時(shí),其過(guò)井成像剖面可自由選擇,通常選取垂直于地層走向方向成像,這樣反射點(diǎn)基本落在成像平面上,這為模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法提供了基本保證。

3.3 不同VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法效果對(duì)比

在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的VSP數(shù)據(jù)處理中,常規(guī)的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法無(wú)法分辨來(lái)自井旁斜層反射的方向,因此無(wú)法得到反映地下真實(shí)構(gòu)造的成像結(jié)果。而模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法則可以在反射點(diǎn)所在平面上進(jìn)行成像,同時(shí),該方法為了減小成像結(jié)果對(duì)于正演模型的依賴性,僅約束了成像邊界,不具體計(jì)算每一個(gè)反射點(diǎn)位置,不強(qiáng)制進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移。該方法在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的直井VSP中應(yīng)用效果理想,同時(shí)也適用于沿地層傾向方向造斜的定向井VSP數(shù)據(jù)成像處理。基于該方法所得到的成像結(jié)果比較準(zhǔn)確,可以應(yīng)用于精細(xì)構(gòu)造解釋或井-地聯(lián)合地震解釋等[17]。

圖8 模型及反射點(diǎn)范圍追蹤(a)和模型邊界約束的VSP零井源距成像鑲嵌剖面(b)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的兩種走廊疊加和一種VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像新方法可以在一定程度上解決復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)零井源距VSP資料的處理難題,更好地配合地面地震資料進(jìn)行精細(xì)的地震解釋。其中,傾角掃描走廊疊加和自動(dòng)追蹤走廊疊加方法可以較好地解決傾斜地層的VSP標(biāo)定問(wèn)題;而模型邊界約束的VSP-CDP轉(zhuǎn)換成像方法可以更好地揭示井旁構(gòu)造細(xì)節(jié),在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用效果良好。

致謝：感謝中國(guó)石油(土庫(kù)曼斯坦)阿姆河天然氣公司提供數(shù)據(jù)支持。

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(編輯：戴春秋)

Zero-offset VSP imaging method for complex structures

Cai Zhidong,Zhang Qinghong,Liu Congwei

(NewTechniqueProspectingDepartment,BGPInc.,CNPC,Zhuozhou072750,China)

In order to solve the imaging problem of VSP acquisition with complex structures,we improved the VSP corridor stacking and VSP-CDP transform,and proposed dip-scanning corridor stacking method,auto-tracing corridor stacking imaging method and model boundary constraint VSP-CDP imaging method imaging.These methods are applied to the field VSP data in Pre-Caspian Basin.The result shows that these methods are valid for the VSP processing:① the two corridor stacking methods are available for declining alignments of complex structures to well solve the VSP calibration problem of declining formations;② the corridor stacking of automatic tracing method is more reliable because which can better protect original characteristics of wave groups and reduce the impact of frequency decrease;③ the model boundary constraint VSP-CDP transform imaging method can be used to study the detail of wellside geologic structures and beneficial for fine structure interpretation or borehole-ground joint seismic interpretation,etc.

complex structures,VSP imaging,corridor stacking,VSP-CDP transform

2014-05-09;改回日期：2014-09-05。

蔡志東(1978—),男,工程師,主要從事井中地球物理方法研究、復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)VSP處理解釋等。

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1000-1441(2015)03-0309-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.009