李瑞磊,馮曉輝，陳光宇

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京100083;2.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林長春130062)

隨著井下多級多分量接收系統(tǒng)的研制成功和推廣應用，三維VSP技術在20世紀90年代末迎來了發(fā)展的高潮。在1998年第68屆SEG年會上，有8篇文章是關于三維VSP勘探技術的，主要涉及三維VSP的快速射線追蹤、資料處理[1]和Kirchhoff深度偏移等方面的研究進展。其后大量的應用研究成果表明，三維VSP資料具有分辨率高和各向異性信息豐富的特點。高分辨率的資料可以對井眼附近區(qū)域地面地震資料無法成像的小構造進行成像；豐富的各向異性信息可以實現(xiàn)井周高分辨率三維成像，有利于巖性特征研究和井位評價。

近十多年來，國內三維VSP技術的研究與應用也得到了快速發(fā)展，在資料采集和處理方面均取得了豐碩的成果[2-11]，為油氣藏精細勘探開發(fā)提供了高精度的資料保障。但三維VSP資料采集受井孔條件和地層條件的約束，采集參數(shù)的選擇對獲取的資料效果具有顯著影響，因此，針對不同的地質任務開展三維VSP資料采集時，需要根據(jù)地質條件和資料要求進行采集參數(shù)的優(yōu)化[12-15]。

目前三維VSP觀測方式有4種，分別是線形觀測、環(huán)形觀測、放射狀觀測和斜井觀測。線性觀測是指震源在地面呈縱、橫向線性變化，在井下用多級檢波器接收，其適用范圍廣，所獲資料有利于波動方程偏移成像，但采集施工工作量大。環(huán)形觀測是指震源在地面圍繞井點移動，保持震源與井口的井源距不變，震源相對于井點處于不同的方位，所獲資料便于分析地層傾角和走向，有利于裂縫檢測，但不利于波動方程偏移成像，且資料處理、解釋過程復雜。放射狀觀測是指炮點為線狀分布，每條炮點線為經過井點的直線，線上炮點等間隔變化，線與線成角度變化，采集施工工作量小，空間采樣密度低，但施工難度大，且資料的處理、解釋存在閉合問題。斜井觀測是指井下每個檢波點所對應的炮點線經過其在地面的投影點(炮點線必須與檢波點共面)，并且垂直于井在地面的投影線，炮點等間隔變化，以便應用斜井的處理解釋方法，其采集施工難度較大。

松遼盆地梨樹斷陷SN167井區(qū)三維VSP勘探的主要任務是利用三維VSP資料落實井旁小斷層，開展井周儲層預測。為了獲得高精度的資料，我們針對陸上大斜度井研究了三維VSP采集參數(shù)優(yōu)化技術，取得了較好的應用效果。

1 基本地震地質條件

松遼盆地梨樹斷陷SN167井區(qū)油源條件好，并具有較好的儲蓋組合，已經發(fā)現(xiàn)了多套油氣組合，油氣層跨度大(1300～2400m)，從沙河子組到泉頭組均有油氣發(fā)現(xiàn)。該區(qū)斷裂發(fā)育，東側斷裂走向為南北向，西南側斷裂走向為北西向，西北方向斷裂走向為北東向，形成包心菜式構造，且各界面斷層組合還存在一定的差別，斷距可超過200m。目的層在后期發(fā)生過擠壓反轉作用，形成了褶皺(圖1a)。SN167井是梨樹斷陷中央構造帶上的一口大斜度井，井深2950m，在2000m造斜，井底閉合位移146.90m，井底閉合方位為東偏南25.8°(圖1b)。根據(jù)測井資料確定的該井不同層位速度見表1所示。

圖1 SN167井區(qū)地層構造特征(a)和井軌跡示意(b)

地質層位(底界)鉆井深度/m雙程旅行時/ms層速度/(m·s-1)泉二段913.5658.03550.73泉一段1363.0904.03654.47登婁庫組1627.01027.04292.68營城組2362.01391.04038.46沙河子組2753.01575.04250.00火石嶺組(未穿)2870.01626.84517.38

2 三維VSP采集參數(shù)優(yōu)化

三維VSP采集參數(shù)優(yōu)化的目的是在有限級數(shù)的井中檢波器條件下，最大限度地得到井周目的層具有較高覆蓋次數(shù)和更大反射范圍的資料。SN167井三維VSP采集參數(shù)的優(yōu)化主要針對井源距范圍、檢波器沉放深度和井下觀測點數(shù)，以獲得合適的觀測范圍和覆蓋次數(shù)。

2.1 最大井源距

當檢波點深度固定時，隨著井源距的增加，觀測面積增大；當井源距固定時，隨著檢波點深度減小，觀測面積也增大。雖然大的井源距能獲得較大的觀測面積，但最大井源距主要是滿足臨界角的需要，超過臨界角后反射系數(shù)不穩(wěn)定，難以獲得較好的反射信息。

假定井周地層為弱各向異性HTI介質，即地層分界面兩側的物性參數(shù)具有弱不連續(xù)性，則小角度入射情況下P-P波[16-17](以下簡記為PP波)及P-SV波[18-19](以下簡記為PS波)反射系數(shù)近似地滿足公式:

式中:i為入射角；φ為測線方位關于軸對稱方向旋轉的方位角；ρ為介質密度；z為波阻抗，z=ρα；G為切向模量，G=ρβ2；ε(P)為縱波各向異性，是度量縱波各向異性強度的參數(shù),ε(P)越大，介質的縱波各向異性強度越大；δ(P)為縱波變異系數(shù)，表示縱波在垂直方向各向異性變化的快慢程度；γ為橫波各向異性，是度量橫波各向異性或橫波分裂強度的參數(shù)；α和β分別為縱波和橫波垂向傳播速度。前置符號“Δ”的項為上、下兩層參數(shù)的差，上置符號“—”的項為上、下兩層參數(shù)的均值。

圖2 SN167井速度模型及入射角與最大井源距的關系

根據(jù)表1建立SN167井速度模型，如圖2所示。利用公式(1)和公式(2)計算最深目標界面PP波和PS波反射系數(shù)與入射角的關系曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，在0～45°入射角之間PP波和PS波反射系數(shù)較為穩(wěn)定。據(jù)此，可確定入射角控制在45°以內時最深目標界面的最大井源距不能大于3500m(圖2)。

圖3 SN167井入射角與反射系數(shù)的關系曲線

2.2 檢波器沉放深度

VSP觀測的檢波器沉放深度主要考慮兩個因素:一是應盡量靠近目的層，其目的是利用三分量檢波器充分接收地層的各向異性信息；二是成像范圍和覆蓋次數(shù)。還需要考慮以下限制:①檢波器沉放深度越小，覆蓋范圍越大，但下行波和上行波之間的時差越小，不利于波場分離和精確成像；②檢波器離目的層越遠，頻率成分越低。

檢波器沉放深度HG及成像范圍r與最大井源距x的關系為

(3)

式中:H是最深目的層深度。由公式(3)可以看出，當最大井源距固定時，檢波器沉放深度越小，獲得的覆蓋范圍越大。因此，需要通過不同檢波器沉放深度的成像范圍和覆蓋次數(shù)正演來選擇合適的沉放深度。

三維情況下EDA介質中經過坐標旋轉后的彈性波動方程為

(4)

其中，dij為觀測坐標系下經過坐標旋轉后的EDA介質的彈性常數(shù)。在二維情況下，對稱軸與x軸重合，xoz面為各向異性面，在xoz平面內?/?y=0，彈性波動方程為

(5)

對ux進行二階中心差分離散得

(6)

同理可得uy，uz的差分離散格式。

采用20m×20m面元對SN167井區(qū)3種不同沉放深度的主要目的層成像范圍和覆蓋次數(shù)進行正演計算，結果如圖4，圖5和圖6所示，對應檢波器沉放深度分別為1100～1400m，1200～1500m和1400～1700m。1100～1400m檢波器沉放于泉二段和接近泉一段的頂面，可以獲得較多層位的信息，成像面積大(PP波，5.1km2，6.2km2，6.6km2；PS波，2.9km2，3.2km2，3.4km2)，但是覆蓋次數(shù)較低(PP波，7次，6次，5次；PS波,13次，12次，11次)；1200～1500m檢波器沉放于強反射層登婁庫組頂面上方，有利于層位標定，同時較為接近深層目的層，各反射層的覆蓋次數(shù)(PP波，8次，6次，6次；PS波，14次，12次，12次)和成像面積(PP波，4.6km2，5.7km2，6.3km2；PS波，2.6km2，3.1km2，3.2km2)適中。1400～1700m檢波器的位置更靠近目的層，其成像面積(PP波，3.4km2，4.9km2，5.6km2；PS波，1.8km2，2.5km2，2.6km2)在各反射界面相對較小。綜合考慮，選用1200～1500m沉放深度較為合適，觀測井段的上界定為1200m。

圖4 檢波器沉放深度為1100～1400m，20m×20m面元的成像面積及覆蓋次數(shù)正演結果a 登婁庫組底PP波; b 登婁庫組底PS波; c 營城組底PP波; d 營城組底PS波; e 沙河子組底PP波; f 沙河子組底PS波

圖5 檢波器沉放深度為1200～1500m,20m×20m面元的成像面積及覆蓋次數(shù)正演結果a 登婁庫組底PP波; b 登婁庫組底PS波; c 營城組底PP波; d 營城組底PS波; e 沙河子組底PP波; f 沙河子組底PS波

圖6 檢波器沉放深度為1400～1700m，20m×20m面元的成像面積及覆蓋次數(shù)正演結果a 登婁庫組底PP波; b 登婁庫組底PS波; c 營城組底PP波; d 營城組底PS波; e 沙河子組底PP波; f 沙河子組底PS波

2.3 井下觀測點數(shù)

分別采用不同級數(shù)的檢波器串，利用上述正演方法分析成像面積和覆蓋次數(shù)，再由成像面積和覆蓋次數(shù)確定合適的井下觀測點數(shù)。

根據(jù)主要目的層登婁庫組、營城組和沙河子組的底界面反射PP波、PS波的覆蓋次數(shù)和成像范圍，確定檢波器沉放于1200m以下，分別采用16級(方案Ⅰ)和20級(方案Ⅱ)檢波器串接收。針對兩種方案，采用炮線距90m，炮點距80m，最大井源距3500m分別進行正演分析，結果見表2。由表2可知:方案Ⅰ和方案Ⅱ有相同的成像面積，但方案Ⅱ的覆蓋次數(shù)較高一些。因此，選用20級井下檢波器20m×20m面元接收較為合適。

表2 16級和20級檢波器接收時成像面積及覆蓋次數(shù)的正演計算結果

3 應用效果分析

3.1 三維VSP采集方案

3.1.1 激發(fā)因素

通過激發(fā)因素試驗，確定SN167井三維VSP采集的激發(fā)因素為:TNT炸藥；井深在潛水面以下7～9m，最淺不能小于15m。

3.1.2 觀測系統(tǒng)

通過對SN167井三維VSP采集參數(shù)的優(yōu)化，確定檢波器沉放深度1200～1580m，檢波器間距20m；炮點距80m；炮線距90m；最大井源距3500m。

3.2 單炮資料分析

采用上述SN167井三維VSP采集方案，獲得的原始單炮記錄波場信息豐富，初至起跳干脆，直達波、反射波清晰，只存在一些由于固井不好造成的套管干擾、諧振干擾以及一些隨機干擾。

由于單炮記錄的下行波能量很強，干擾對上行波資料的觀察，因此，我們對上行波進行了分頻掃描，得到了較為清晰的上行波和下行波，如圖7所示。其中80～160Hz分頻掃描的結果還有上行波，表明三維VSP資料頻帶較寬。

3.3 處理效果分析

圖8為SN167井區(qū)地面三維地震資料與三維VSP資料及其頻譜分析結果對比，可見三維VSP資料的頻率明顯高于地面三維地震資料，頻帶拓寬20～30Hz。高分辨率的三維VSP資料使得我們對于井周地層內部結構的識別更為清晰，從圖8紅框③所示范圍內識別出更小斷距的斷層。在圖8紅框②處三維地震剖面中無法識別的透鏡體，在三維VSP資料中也有清晰的顯示。對實際資料處理結果進行分析表明，三維VSP資料具有識別井旁低幅構造的優(yōu)勢，可以較大幅度地提升目標區(qū)精細刻畫的精度。

3.4 解釋效果分析

圖9a是過SN167井主測線方向的地面三維地震剖面，圖9b是在地面三維地震剖面中鑲嵌了三維VSP成像剖面的結果。由于剖面分辨率的顯著提高，在圖9b鑲嵌的VSP剖面上識別出的小斷層較圖9a中多了5條，而這些小斷層在圖9a的地面地震資料上無法分辨。高分辨率的VSP成像剖面也為井周復雜斷層體系的精細解釋和薄儲層的預測提供了可能。

圖7 SN167井三維VSP原始單炮記錄分頻掃描結果a 10～20Hz; b 20～40Hz; c 40～80Hz; d 60～120Hz; e 80～160Hz

圖8 SN167井區(qū)地面三維地震資料與三維VSP資料對比a 地面三維地震剖面及頻譜分析; b 三維VSP地震剖面及頻譜分析

圖9 SN167井區(qū)地面三維地震資料(a)與三維VSP資料解釋剖面(b)

4 結束語

針對松遼盆地梨樹斷陷中央構造帶上SN167井三維VSP地震資料采集，應用基于弱各向異性介質假設的正演模擬分析技術，對最大井源距、檢波器沉放深度和觀測點數(shù)等三維VSP采集參數(shù)進行優(yōu)化，綜合考慮目的層成像范圍和覆蓋次數(shù)，確定了SN167井三維VSP采集方案。

SN167井區(qū)地面三維地震資料與三維VSP資料的對比分析表明，三維VSP資料的頻率顯著提高，頻帶拓寬了20～30Hz，三維VSP成像剖面上地層內部結構的識別更為清晰，小斷層的識別能力大幅提高，為井周復雜斷層體系的精細解釋和薄儲層的預測提供了可能。

參 考 文 獻

[1] Boelle J L,Kaiser P,Maocec E.Difficulties and clues in 3D VSP processing[J].Expanded Abstracts of 68thAnnual Internat SEG Mtg,1998,373-376

[2] 何發(fā)歧，劉清林.高分辨率多方位VSP方法在塔河油田奧陶系裂縫性儲層研究中的應用[J].吉林大學學報(地球科學版)，2002,32(4):386-389

He F Q,Liu Q L.Application of high resolution multiazimuthal walkaway VSP data fractured reservoir prediction in Tahe Oil Field [J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2002,32(4):386-389

[3] 方伍寶,陳林.三維VSP資料波動方程疊前深度偏移研究[J].石油物探,2006,45(5):527-531

Fang W B,Chen L.Wave equation of prestack depth migration of 3-D VSP data [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(5):527-531

[4] 牟風明,王成禮,韓文功,等.混合域三維VSP 波動方程深度偏移方法[J].石油地球物理勘探,2008,43(5):526-529

Mou F M,Wang C L,Han W G,et al.3-D VSP wave equation depth migration in mix domain [J].Oil Geophysical Prospecting,2008,43(5):526-529

[5] 孫祥娥,凌云,高軍,等.各向異性假設條件下三維VSP與地面地震數(shù)據(jù)旅行時差分析及參數(shù)求取[J].石油地球物理勘探,2009,44(6):720-725

Sun X E,Ling Y,Gao J,et al.Travel time-difference analysis and parameter extraction for 3D VSP data and surface seismic data in anisotropic media [J].Oil Geophysical Prospecting,2009,44(6):720-725

[6] 郭向宇,凌云,高軍,等.井地聯(lián)合地震勘探技術研究[J].石油物探,2010,49(5):438-450

Guo X Y,Ling Y,Gao J,et al.Study of seismic-logging joint seismic exploration technology [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2010,19(5):138-450

[7] 蘇媛媛,李錄明,趙俊省,等.斜井三維VSP動校疊加處理方法[J].物探化探計算技術,2010,32(2):132-137

Su Y Y,Li L M,Zhao J S,et al.The processing methods of NMO correction and stack in deviated 3D-VSP [J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2010,32(2):132-137

[8] 馬志霞,孫贊東,白海軍,等.三維三分量VSP多種波場分離方法對比[J].石油地球物理勘探,2010,45(2):219-224

Ma Z X,Sun Z D,Bai H J,et al.Comparative studies on 3D3C VSP multiple wave field separation methods [J].Oil Geophysical Prospecting,2010,45(2):219-224

[9] 李彥鵬,陳沅忠,徐剛,等.大陣列3D-VSP技術在大慶油田的應用[J].石油地球物理勘探，2011，46(2):311-316

Li Y P,Chen Y Z,Xu G,et al.Large-array 3D-VSP technique applied to Daqing Oil Field [J].Oil Geophysical Prospecting,2011，46(2):311-316

[10] 程磊磊.VSP資料局部逆時偏移方法研究[J].石油物探,2014,53(2):149-156

Cheng L L.A local reverse-time migration method of VSP data [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2014,53(2):149-156

[11] 孔慶豐.基于角度域共成像點道集的3D VSP速度分析方法研究 [J].石油物探,2014,53(2):157-163

Kong Q F.3D VSP velocity analysis based on angle domain common image gathers [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2014,53(2):157-163

[12] 李云龍,嚴又生,白俊輝,等.輪古38井三維VSP 數(shù)據(jù)采集方法探討[J].石油物探,2006,45(3):299-303

Li Y L,Yan Y S,Bai J H,et al.Research into 3-D VSP acquisition method for Lungu38 well [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(3):299-303

[13] 崔炯成，劉洋，趙偉,等.斜井三維VSP觀測系統(tǒng)設計[J].石油物探，2007,46(3):302-309

Cui J C,Liu Y,Zhao W,et al.Study on design of 3-D VSP geometry [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2007,46(3):302-309

[14] 王建民,劉洋,魏修成.三維VSP 觀測系統(tǒng)設計研究[J].石油地球物理勘探,2007,42(5):489-494

Wang J M,Liu Y,Wei X C.Study on design of 3-D VSP geometry [J].Oil Geophysical Prospecting,2007,42(5):489-494

[15] 劉美麗,于雪蓮,曹齊放,等.墾71 井區(qū)三維VSP 采集方法及效果[J].石油地球物理勘探,2008,43(增刊2):44-49

Liu M L,Yu X L,Cao Q F,et al.3D VSP acquisition method in Keng-71 well zone and effect [J].Oil Geophysical Prospecting,2008,43(S2):44-49

[16] Rüger A.Reflection coefficients and azimuthal AVO analysis in anisotropic media[D].Colorado:Colorado School of Mines,1996

[17] Rüger A.P-wave reflection coefficients for transversely isotropic models with vertical and horizontal

axis of symmetry[J].Geophysics,1997,62(3):713-722

[18] Jílek P.Joint inversion of PP-and PS-reflection coefficients for anisotropic media[R].CWP research report，2001

[19] Jílek P.Converted PS-wave reflection coefficients in anisotropic media[R].CWP research report,2000