四川盆地VSP測(cè)井技術(shù)進(jìn)展

劉 飛 秦 俐 鄧 興 戈 理

中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司

0 引言

VSP（垂直地震剖面）測(cè)井技術(shù)是油氣勘探新區(qū)尋找油氣資源和老區(qū)深入解剖工作的一項(xiàng)重要技術(shù)。VSP測(cè)井除了可提供精確的速度及進(jìn)行層位標(biāo)定外，由于它同時(shí)記錄上、下行波，信息豐富，能獲得井周吸收衰減規(guī)律及巖石物理彈性參數(shù)，對(duì)提升地震資料處理解釋成果精度具有重要作用[1-2]。四川盆地VSP勘探歷史久遠(yuǎn)，1956年地震203隊(duì)在隆昌圣燈山、巴縣石油溝、江油海棠鋪和龍泉山三大灣等區(qū)對(duì)15口井進(jìn)行了地震測(cè)井勘探，開(kāi)啟了四川盆地VSP勘探歷程。截至2019年底，四川盆地已對(duì)430余口井進(jìn)行了VSP測(cè)井資料采集與處理解釋，完成了VSP速度分析、層位標(biāo)定等地質(zhì)任務(wù)。四川盆地不同階段VSP測(cè)井采用設(shè)備、方法與地質(zhì)任務(wù)側(cè)重點(diǎn)不同，其中1956—1995年基本全是零井源距VSP測(cè)井，主要采用CNC-49型、DS-3型或DJ-8型單分量模擬檢波器，VSP測(cè)井目的主要是進(jìn)行速度計(jì)算及誤差分析；1995—2008年出現(xiàn)了非零井源距測(cè)井，主要采用三分量數(shù)字檢波器，但檢波器級(jí)數(shù)少，該階段地質(zhì)任務(wù)除速度計(jì)算外，增加了層位標(biāo)定及構(gòu)造細(xì)節(jié)描述；2008年至今，在高磨、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等區(qū)塊進(jìn)行了大量2D、3D VSP測(cè)井[3-6]，采用的三分量數(shù)字檢波器最多達(dá)到100級(jí)以上，該階段地質(zhì)任務(wù)包括井控參數(shù)計(jì)算、彈性參數(shù)計(jì)算、多次波識(shí)別、水平井井軌跡優(yōu)化、儲(chǔ)層精細(xì)刻畫(huà)等。

早些年的VSP都是針對(duì)單井評(píng)價(jià)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)井手段、處理解釋方法都與日俱進(jìn)，特別是近幾年來(lái)，針對(duì)常規(guī)炸藥震源施工帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題、VSP測(cè)井與常規(guī)地震結(jié)合不緊密問(wèn)題等，在四川盆地嘗試開(kāi)展可控震源激發(fā)、井中uDAS（分布式光纖傳感系統(tǒng)）接收、井地聯(lián)合采集與處理解釋試驗(yàn)與應(yīng)用，進(jìn)一步豐富了VSP測(cè)井的應(yīng)用范圍與功用，采用VSP可控震源施工效率進(jìn)一步提高，應(yīng)用井地聯(lián)合2DVSP勘探技術(shù)，可獲得水平井軌跡設(shè)計(jì)方向上高品質(zhì)的地震剖面，有效支撐四川盆地頁(yè)巖氣直改平開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化[3]。

1 可控震源VSP測(cè)井

1.1 可控震源特點(diǎn)

可控震源在平原地區(qū)應(yīng)用非常廣泛[7]，在川渝等交通不便山區(qū)使用較少。但隨著近年四川頁(yè)巖氣的大力開(kāi)發(fā)，配套的道路交通建設(shè)逐漸完善，為可控震源提供了良好的道路條件。同時(shí)因生態(tài)環(huán)境保護(hù)加強(qiáng)，以及受地震影響四川省部分地區(qū)辦理爆炸物品使用和準(zhǔn)運(yùn)證非常困難，促使四川盆地VSP 測(cè)井開(kāi)始采用可控震源替代常規(guī)炸藥震源的研究，試驗(yàn)成功后可控震源開(kāi)始在川渝地區(qū)VSP測(cè)井采集上推廣。

四川盆地可控震源VSP測(cè)井施工車主要采用BV620LF可控震源，額定振動(dòng)出力276 kN，重錘質(zhì)量5 250 kg，掃描頻率范圍3～250 Hz，根據(jù)井場(chǎng)的剩余可用面積大小，施工期間可以采用1～2臺(tái)可控震源車施工?？煽卣鹪此a(chǎn)生的地震信號(hào)特性已知，信號(hào)頻譜和信號(hào)幅度在一定范圍內(nèi)可控，從地震信號(hào)激發(fā)角度而言，改善地震資料品質(zhì)潛力較大。

1.2 實(shí)際資料分析及應(yīng)用

從2019年初至今，西南物探分公司已在威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等區(qū)塊完成了多口井可控震源VSP資料的采集，其中2019年3月是首次在四川盆地（威遠(yuǎn)區(qū)塊 W213井）開(kāi)展采集試驗(yàn)，可控震源單次震動(dòng)記錄1次，同一深度接收點(diǎn)共重復(fù)震動(dòng)記錄8次，現(xiàn)場(chǎng)用處理軟件進(jìn)行8次疊加相當(dāng)于1炮。圖1為可控震源采集的原始Z分量記錄，可控震源記錄干擾較小，信噪比較高，可見(jiàn)多套上行縱波，連續(xù)性好，從主頻來(lái)看，該井可控震源VSP資料主頻在19 Hz左右，低于常規(guī)炸藥震源主頻(30～50 Hz)。受檢波器級(jí)數(shù)影響，VSP采集與地面地震一樣通過(guò)滾動(dòng)搬家的方式完成全井段的采集，相對(duì)于炸藥震源而言可控震源受地面激發(fā)條件影響相對(duì)小，炮間能量相對(duì)更加均衡。

圖2是從可控震源VSP下行波場(chǎng)中提取的子波記錄，從中可以看出子波一致性較好。資料初至?xí)r序規(guī)則，初至拾取波峰位置可以通過(guò)軟件自動(dòng)拾取，相較拾取起跳位置更為精確。因此針對(duì)零偏移距VSP測(cè)井速度資料、時(shí)深關(guān)系求取可控震源更有優(yōu)勢(shì)。

從目前開(kāi)展的多口井可控震源VSP測(cè)井實(shí)際資料計(jì)算結(jié)果來(lái)看，無(wú)論在長(zhǎng)寧區(qū)塊還是威遠(yuǎn)區(qū)塊，可控震源VSP計(jì)算的地層逐點(diǎn)層速度精度都較高。同時(shí)可控震源施工中，都采用同一出力值，不同于炸藥震源隨井深變化炸藥藥量可能有差異，因此使用可控震源獲得的VSP資料炮間能量的一致性較好，Z分量下行直達(dá)波的能量隨深度的變化更能準(zhǔn)確直觀地反映地震波在地層中衰減情況，Tar值求取準(zhǔn)確度更高（圖3）。而炸藥震源VSP計(jì)算Tar值，受地面激發(fā)條件影響，炮間能量不均衡，能量和時(shí)間對(duì)數(shù)擬合局部存在異常值，容易影響Tar值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖1 可控震源采集原始Z分量記錄及頻譜圖

圖2 可控震源VSP資料子波記錄圖

可控震源VSP采集資料信噪比較高，資料一致性較好，更有利于速度及時(shí)深關(guān)系準(zhǔn)確求取等。除上述優(yōu)勢(shì)外，可控震源的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在施工效率高、安全環(huán)保等方面。在四川盆地零井源距VSP測(cè)井施工作業(yè)主要采用6級(jí)Geochain檢波器，級(jí)間距20 m，若采用炸藥震源施工，一口井深3 500 m左右的井往往需要鉆炮井30～40口，鉆井施工、測(cè)量、表層調(diào)查以及采集總共需要約9～10 d，而采用可控震源VSP施工僅僅需要2～3 d時(shí)間，施工周期大大縮短，更有利于降低施工成本，而且避免了采用炸藥震源帶來(lái)的安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)踐表明，在四川盆地山地區(qū)域使用可控震源替代炸藥震源進(jìn)行VSP資料采集，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并逐漸成為一種趨勢(shì)，但是目前可控震源采集的VSP資料頻帶有限[7]，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究攻關(guān)，提高可控震源采集原始資料的主頻，從而拓展其在地層精細(xì)刻畫(huà)等方面的應(yīng)用。

圖3 可控震源下行直達(dá)波及Tar值求取展示圖

2 uDAS VSP測(cè)井

常規(guī)井下檢波器進(jìn)行VSP資料采集往往受到諸如高溫、裸眼井段、井斜等條件的限制，同時(shí)采樣率相對(duì)低，在高分辨地震勘探以及薄互儲(chǔ)層的識(shí)別上仍然處在一定的不足，不能完全滿足深層、非常規(guī)油氣藏井中地震勘探的需求，從而促使了uDAS VSP測(cè)井技術(shù)的發(fā)展。

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

uDAS技術(shù)近年成為井中地震技術(shù)重要的發(fā)展方向[8-10]，采用一次激發(fā)可實(shí)現(xiàn)全井段接收，作業(yè)效率高，成本低，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較常規(guī)多級(jí)井下檢波器分段接收更?。痪衭DAS光纖傳感器具有耐高溫、耐高壓、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、可測(cè)量深度大等特點(diǎn)，可在超斜井、小口徑油氣井等特殊井中使用，適用范圍廣；uDAS系統(tǒng)時(shí)間采樣和空間采樣間隔更小，該技術(shù)的應(yīng)用有利于識(shí)別幾米甚至更薄的地層或儲(chǔ)層。國(guó)外Silixa和Opta-Sense等多家公司已經(jīng)開(kāi)始為油田提供成熟的DAS井中技術(shù)服務(wù)，近幾年在SEG、EAGE年會(huì)上設(shè)立了技術(shù)專場(chǎng)，應(yīng)用實(shí)例呈倍增趨勢(shì)[11-13]，取得了一些較好的效果，成像結(jié)果基本可滿足地質(zhì)需求。

2.2 資料分析及應(yīng)用

目前已在四川盆地雙魚(yú)石—中壩構(gòu)造完成了1口井的零井源距uDAS VSP測(cè)井和1口井的uDAS 2D VSP測(cè)井作業(yè)，Udas VSP資料采集時(shí)光纖在井筒內(nèi)無(wú)推靠，采用1 ms時(shí)間采樣，記錄長(zhǎng)度8 s，空間采樣間隔0.1 m。圖4為同一口井不同井源距下共炮點(diǎn)接收道集原始資料的對(duì)比，uDAS 2DVSP原始資料下行波清楚，上行波可見(jiàn)，主頻較高，部分井段存在耦合干擾，整體信噪比隨井源距增加而降低,不同井源距子波差異大且一致性差。

圖4 不同井源距uDAS 2DVSP共炮點(diǎn)資料對(duì)比圖

圖5為零井源距VSP檢波器和uDAS采集原始單炮記錄對(duì)比，可見(jiàn)uDAS采集資料初至清晰，反射波可見(jiàn)，整體信噪比一般，與檢波器采集Z分量記錄基本相當(dāng)，但因該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，兩種方式采集的原始資料繞射波均較強(qiáng)，存在多種波場(chǎng)混合，錯(cuò)綜復(fù)雜。通過(guò)對(duì)比零井源距VSP檢波器和uDAS采集原始資料分別求取的時(shí)深關(guān)系，二者的時(shí)深變化圖5規(guī)律基本一致。

uDAS技術(shù)因自身特點(diǎn)，資料處理的難度主要在于光纖特殊噪聲—諧振干擾[8]的去除，信噪比相對(duì)低，需用反演噪聲去除法及道組合等方式進(jìn)行保幅去噪，提升uDAS資料信噪比；后續(xù)資料處理則與常規(guī)檢波器資料處理流程基本一致，通過(guò)基于零井源距VSP準(zhǔn)確的時(shí)深關(guān)系，結(jié)合聲波合成記錄標(biāo)定對(duì)反射同相軸進(jìn)行地質(zhì)層位確認(rèn)，然后對(duì)uDAS 2D VSP測(cè)線和地面地震測(cè)線成像數(shù)據(jù)進(jìn)行層位和斷裂的解釋和確認(rèn)，逐層逐線進(jìn)行精細(xì)構(gòu)造解釋，最終可以實(shí)現(xiàn)高精度成像。

圖6是該井uDAS 2D VSP成像鑲嵌地面地震對(duì)比圖，剖面中間嵌入部分為VSP成像，其左邊、右邊部面為地面成像。整體上看uDAS 2D VSP成像波組特征活躍，強(qiáng)弱關(guān)系分明，目的層（中二疊統(tǒng)茅口組、棲霞組）主要構(gòu)造形態(tài)刻畫(huà)清晰，深層寒武系反射特征更加清楚，過(guò)井地層傾向與鉆井實(shí)際資料基本吻合，在刻畫(huà)淺層倒轉(zhuǎn)復(fù)雜構(gòu)造帶方面，成像效果較地面地震更好。

從前述uDAS VSP原始資料分析可以看出，不論零井源VSP、2D VSP資料的品質(zhì)，基本上皆可替代常規(guī)檢波器獲取的資料。uDAS技術(shù)采用一次性激發(fā)獲取整個(gè)井段VSP資料，相比常規(guī)檢波器不需要多次上提檢波器串并進(jìn)行多輪放炮，因此在進(jìn)行uDAS 2D VSP或3D VSP測(cè)井施工時(shí)，相比常規(guī)檢波器采集可以節(jié)省多輪炮次，大大節(jié)約施工成本，優(yōu)勢(shì)明顯。

圖5 ZVSP檢波器與uDAS VSP資料對(duì)比圖

圖6 uDAS 2D VSP成像鑲嵌對(duì)比圖

3 井地聯(lián)合采集與處理解釋

VSP技術(shù)經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，效果越來(lái)越好。特別是在21世紀(jì)初至今，國(guó)內(nèi)外不少儀器廠家在VSP井下接收系統(tǒng)的研制方面取得了重大進(jìn)步，接收系統(tǒng)級(jí)數(shù)可高達(dá)80級(jí)、甚至200級(jí)，井下檢波器系統(tǒng)耐高溫高壓性能、靈敏度不斷提高。同時(shí)VSP資料在提高成像分辨率及其效果等方面能與地面地震勘探的結(jié)果形成互補(bǔ)，特別在利用地震信息估算參數(shù)方面的互補(bǔ)，諸如各種地層速度、近地表畸變影響、各種異性參數(shù)甚至AVO標(biāo)定等，從而導(dǎo)致井地聯(lián)合采集和處理越來(lái)越受重視[14]。

3.1 方案設(shè)計(jì)

將地面地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與井中地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)以滿足地質(zhì)任務(wù)為前提，保證目標(biāo)層觀測(cè)資料的完整性。先根據(jù)地質(zhì)、構(gòu)造、測(cè)井及井況等信息建立理論模型，VSP采集觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從成像范圍和覆蓋次數(shù)兩方面論證確定最大井源距范圍、炮間距、檢波器沉放范圍及檢波器級(jí)間距[15]；地面地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括偏移距、覆蓋次數(shù)、道間距、接收排列長(zhǎng)度等，同時(shí)綜合考慮地面和井中兩者的觀測(cè)參數(shù)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)評(píng)估，優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)與放炮方式，最終設(shè)計(jì)出聯(lián)合勘探的采集觀測(cè)系統(tǒng)，目前在四川盆地已初步形成了面向地質(zhì)目標(biāo)的理論論證、模型論證和實(shí)際資料相結(jié)合的井地聯(lián)采觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合與優(yōu)化技術(shù)。

3.2 處理流程與特點(diǎn)

2D VSP及3D VSP資料處理主要包括去噪、振幅補(bǔ)償、靜校正、矢量合成、波場(chǎng)分離、速度模型的建立及優(yōu)化、成像等一系列工作[16]，其中振幅補(bǔ)償、靜校正、波場(chǎng)分離、速度模型建立和成像最為關(guān)鍵。通過(guò)VSP資料的處理提取各種地球物理參數(shù)（速度、Tar、Q因子、反褶積算子、各向異性等）,從而驅(qū)動(dòng)地面地震資料處理，提高地面地震資料分辨率和對(duì)儲(chǔ)層的描述能力（圖7），采用井地聯(lián)合處理思路及流程可以為高分辨率、高信噪比、高保真處理發(fā)揮重要作用[17-20]。

3.3 處理效果

目前在四川盆地云錦向斜和威遠(yuǎn)區(qū)塊開(kāi)展了3D VSP與地面地震的井地聯(lián)采先導(dǎo)性試驗(yàn)，而井地聯(lián)采應(yīng)用最多的是在頁(yè)巖氣勘探區(qū)塊采用2D VSP與地面地震聯(lián)合采集，并進(jìn)行井震聯(lián)合處理，從而獲得更高品質(zhì)的地震資料，精準(zhǔn)標(biāo)定層位，提高地震資料解釋精度，落實(shí)目標(biāo)層段的傾角、斷層、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育程度等詳細(xì)信息，指導(dǎo)水平井軌跡設(shè)計(jì)和跟蹤，為頁(yè)巖氣井的直改平方案提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。采用井震聯(lián)合處理，其成像結(jié)果能提供豐富的井周地震信息，拓展目標(biāo)層地質(zhì)描述空間范圍，將儲(chǔ)層分布特征展現(xiàn)更清晰，斷點(diǎn)的刻畫(huà)更準(zhǔn)確。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成像剖面（圖8）來(lái)看，井地聯(lián)合處理的剖面比常規(guī)處理剖面頻率提高了8～10 Hz，成像質(zhì)量有明顯改善，繞射歸位合理，斷點(diǎn)清楚、干脆。井地聯(lián)合采集與處理處理技術(shù)為油氣藏精細(xì)勘探開(kāi)發(fā)提供了手段，是未來(lái)井中地震勘探技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[4]。

4 結(jié)論

1）可控震源VSP采集資料信噪比較高，資料一致性好，其應(yīng)用有利于提高施工效率，大大縮短作業(yè)周期并降低勘探成本，并可避免炸藥震源帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。但目前四川盆地可控震源VSP采集原始資料主頻偏低，分析認(rèn)為可能與震源噸位偏小等因素相關(guān)，提高可控震源VSP采集資料主頻，將有利于進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)在四川盆地井中地震勘探領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

2）井地聯(lián)合地震勘探技術(shù)是地面地震和井中VSP技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一項(xiàng)立體地震勘探方法，繼續(xù)優(yōu)化2D、3D VSP與地面地震聯(lián)合采集的施工模式，實(shí)現(xiàn)井中與地面地震同步采集，并利用VSP資料對(duì)地面地震進(jìn)行井驅(qū)處理、進(jìn)行井地聯(lián)合反演與解釋，可提高地震數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)目標(biāo)的描述能力，對(duì)油氣田的勘探開(kāi)發(fā)工作具有十分重要的意義。

3）前期uDAS VSP測(cè)井試驗(yàn)與應(yīng)用，都取得了一定的基礎(chǔ)成果，但目前四川盆地在uDAS VSP資料采集時(shí)未實(shí)現(xiàn)光纖與套管的有效耦合，獲取的原始資料品質(zhì)較常規(guī)檢波器差，且配套處理技術(shù)還不完善，建議今后進(jìn)一步開(kāi)展光套耦合VSP資料采集等技術(shù)的研究，改善原始單炮記錄信噪比與品質(zhì)。

圖7 井控地震資料處理技術(shù)思路及流程框架圖

圖8 疊前時(shí)間偏移剖面對(duì)比圖