蔡志東,王世成,韋永祥,王 赟

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球探測(cè)與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司新興物探開(kāi)發(fā)處,河北涿州072750;3.福建省地震局,福建福州350003)

垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile,VSP)方法起源于20世紀(jì)20年代,其數(shù)據(jù)采集方式與地面地震觀測(cè)系統(tǒng)不同,記錄儀器也存在著較大的差異[1]。GALPERIN[2]指出,VSP方法可以獲得極豐富的地震多波信息。近年來(lái),多分量檢波器在地面地震中被大量采用[3-4],且在油氣田和煤田的勘探開(kāi)發(fā)研究中起到了重要的支持作用[5-7],但單分量縱波觀測(cè)在生產(chǎn)中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位[8-9]。與地面地震相比,從20世紀(jì)80年代起,幾乎所有的VSP數(shù)據(jù)采集都采用三分量檢波器接收地震波場(chǎng)[10-11],雖然VSP檢波器通常無(wú)法固定方位觀測(cè),但利用成熟的波場(chǎng)旋轉(zhuǎn)定向技術(shù)可以很好地歸位并分離多波波場(chǎng),還有學(xué)者研究了更多分量的VSP記錄方法[12]。

對(duì)VSP多種類(lèi)型的波場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,認(rèn)為其中部分波場(chǎng)與地面地震波場(chǎng)相一致,如上行縱波、上行轉(zhuǎn)換橫波、上行多次波等,但大多數(shù)波場(chǎng)是VSP方法所獨(dú)有的,如下行縱波、下行橫波和下行轉(zhuǎn)換橫波、下行多次波、井筒波、電(光)纜諧波等。這些波場(chǎng)的存在增加了VSP波場(chǎng)的復(fù)雜性,同時(shí)也提升了井中地震方法的應(yīng)用價(jià)值,如下行縱波被廣泛應(yīng)用于地震速度計(jì)算和井控參數(shù)提取[13-14]、下行橫波被應(yīng)用于多波地層深度預(yù)測(cè)[15]、下行多次波被應(yīng)用于地面地震反褶積處理[16]和表層Q值提取等。

深入進(jìn)行多波多分量地震勘探技術(shù)的研究與應(yīng)用,有助于了解復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造細(xì)節(jié)、分析油氣響應(yīng)相關(guān)屬性及獲得目標(biāo)儲(chǔ)層裂縫與流體信息等,將有助于優(yōu)化油氣開(kāi)采方案、降低工程風(fēng)險(xiǎn)、增加產(chǎn)出效益等[17-18]。經(jīng)過(guò)了近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,VSP方法研究已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文旨在總結(jié)前人的研究成果,并結(jié)合大量的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果與認(rèn)識(shí),從垂直地震波場(chǎng)的識(shí)別和分類(lèi)方法入手,對(duì)VSP多種波場(chǎng)的特征和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析和歸納。

1 VSP波場(chǎng)類(lèi)型及分類(lèi)

通常VSP采用三分量井中接收的觀測(cè)方式,在井下環(huán)境中,記錄不同角度入射的地震波數(shù)據(jù),對(duì)原始波場(chǎng)或分離處理后的波場(chǎng)進(jìn)行分析,可以得到豐富的地震多波信息,如上下行縱波、橫波,上下行轉(zhuǎn)換波,多次波,斷面波和繞射波等,其中大多數(shù)波場(chǎng)都具有應(yīng)用價(jià)值。

1.1 VSP波場(chǎng)分類(lèi)

VSP波場(chǎng)類(lèi)型豐富(圖1),分類(lèi)方法較多,可以根據(jù)地層界面處地震波的入射和出射情況、傳播路徑、振動(dòng)性質(zhì)、應(yīng)用情況等進(jìn)行分類(lèi)。

1) 根據(jù)地層界面處地震波入射和出射情況,VSP波場(chǎng)可分為:透射波、反射波、轉(zhuǎn)換波、折射波和繞射波等。

2) 根據(jù)檢波器所記錄的地震波傳播方向,VSP波場(chǎng)可以分為上行波、下行波等。根據(jù)傳播路徑抵達(dá)界面的情況,下行波可分為一次下行波(直達(dá)波)、全程多次下行波、層間多次下行波等;上行波可分為一次上行波、全程多次上行波、層間多次上行波等。

圖1 VSP波場(chǎng)類(lèi)型

3) 根據(jù)波振動(dòng)特征,VSP波場(chǎng)可以分為平動(dòng)波和旋轉(zhuǎn)波等[19-20]。其中絕大多數(shù)VSP波場(chǎng)屬于平動(dòng)波,包括縱波、橫波及兩者相互轉(zhuǎn)換后的各種波場(chǎng)等;旋轉(zhuǎn)波較難測(cè)量,但隨著近年來(lái)地震波理論的發(fā)展,受到了更多的關(guān)注[21],在VSP觀測(cè)方式下利用新型儀器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)波記錄被認(rèn)為是一個(gè)較理想的研究方法。

4) 根據(jù)應(yīng)用情況,VSP波場(chǎng)可以分為有效波、干擾波等。需要指出的是,VSP干擾波通常包括套管波、井筒波、電(光)纜諧波等,一般沒(méi)有地面地震數(shù)據(jù)中常見(jiàn)的面波干擾,也很少觀測(cè)到來(lái)自地表的外源干擾(如行駛的重型卡車(chē)、風(fēng)噪聲等),極個(gè)別數(shù)據(jù)會(huì)受鄰井鉆井作業(yè)等影響,觀測(cè)到來(lái)自深部的外源干擾;光纖數(shù)據(jù)的干擾波比較復(fù)雜,包括由施工方法引起的光纖耦合噪聲、井口高空吊纜振動(dòng)引起的強(qiáng)噪聲等,由于光信號(hào)轉(zhuǎn)換引起的時(shí)間記錄同步噪聲、零值漂移噪聲、斑狀隨機(jī)噪聲等,目前一些噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和壓制方法仍處于研究階段。另外,VSP的干擾波也是一個(gè)相對(duì)概念,很多干擾波仍然有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 常見(jiàn)的VSP波場(chǎng)類(lèi)型

VSP下行縱波(P波):VSP觀測(cè)方式最重要的優(yōu)勢(shì)之一是可以接收并記錄下行地震波,其中下行縱波是最為基礎(chǔ)的一種波場(chǎng),通常也是VSP記錄的初至波,是地層速度計(jì)算、衰減規(guī)律研究和補(bǔ)償參數(shù)求取、反褶積算子提取的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。當(dāng)多方位觀測(cè)時(shí),利用不同方位下行波的時(shí)間、振幅、頻率和偏振等差異,可以計(jì)算地層各向異性、評(píng)估地層的裂縫方位和強(qiáng)度等。

VSP上行縱波(PP波):它與地面地震上行縱波相類(lèi)似,都是直接記錄不同深度的地層反射數(shù)據(jù);區(qū)別之一在于VSP數(shù)據(jù)由檢波器在井中記錄得到,更加接近目標(biāo)地層,環(huán)境噪聲相對(duì)較少,因此VSP上行縱波數(shù)據(jù)具有信噪比更高、頻帶更寬等特點(diǎn);區(qū)別之二在于VSP上行波具有地震波傳播的全程可追蹤性,可直觀分辨一次反射波或多次反射波發(fā)育情況等。上行縱波處理成果包括走廊疊加剖面、VSP成像剖面等,可廣泛應(yīng)用于地層精確標(biāo)定、井旁精細(xì)構(gòu)造分析、地震屬性研究等方面。

VSP下行橫波(S波)和下行轉(zhuǎn)換橫波(PS波):同為VSP方法的特有波場(chǎng),可以由橫波或縱波震源激發(fā)、井中檢波器三分量接收得到,記錄了可靠的橫波地震信息,通過(guò)檢波器方位的重新定向處理可以獲得準(zhǔn)確的橫波地震時(shí)深關(guān)系和橫波速度,進(jìn)而計(jì)算得到地層縱橫波速度比、泊松比和各種巖石地球物理模量,或進(jìn)行縱、橫波聯(lián)合反演地層屬性等。需要指出的是,純橫波和轉(zhuǎn)換橫波由于產(chǎn)生方式不同,存在一定的差異,通常表現(xiàn)為純橫波頻率較低,而轉(zhuǎn)換橫波無(wú)法得到淺層橫波速度等。同時(shí),利用VSP下行橫波可以直接獲得地層快橫波(S1波)和慢橫波(S2波),這對(duì)于地層的各向異性分析、地層裂縫預(yù)測(cè)等具有重要意義。

VSP上行橫波(SS波)和上行轉(zhuǎn)換波(PPS波):VSP上行轉(zhuǎn)換波是有代表性的一種轉(zhuǎn)換地震波,它與上行反射橫波較為相似,可被井下多分量檢波器清晰地記錄,它們是研究地層轉(zhuǎn)換界面、地震橫波發(fā)育特征的重要數(shù)據(jù),通常用于油氣檢測(cè)研究等方面。而快、慢上行橫波(PPS1、PPS2波和SS1、SS2波)又為裂縫型儲(chǔ)層研究提供了直接信息。需指出的是,利用非橫波震源激發(fā)可以得到轉(zhuǎn)換橫波,但轉(zhuǎn)換波的發(fā)育程度受入射角度、縱波阻抗差異和橫波阻抗差異的綜合影響,存在一定的不確定性,并且不同層位間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波場(chǎng)也會(huì)相互干涉,給波場(chǎng)分離處理帶來(lái)了困難。

VSP繞射波:相比于其它VSP波場(chǎng),繞射波強(qiáng)度通常較弱,但它卻是研究井旁異常地質(zhì)體的重要指示波場(chǎng)之一,井下檢波器接收并記錄的繞射波數(shù)據(jù)可以反演得到井旁一定距離內(nèi)的異常地質(zhì)體的埋深、水平位置和規(guī)模等信息,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)研究成果可以用于地質(zhì)體物性特征的預(yù)測(cè)。

VSP斷面波:通常指VSP剖面中的斷面反射波或折射波。高角度斷層是復(fù)雜地層中的常見(jiàn)構(gòu)造,但在地面地震的觀測(cè)方式中,這類(lèi)斷層難以成像。當(dāng)檢波器位于井中觀測(cè)時(shí)則可以很好地彌補(bǔ)這一缺憾,在有些探區(qū),利用所接收到的斷面波數(shù)據(jù),可以精確地計(jì)算斷層的過(guò)井深度、產(chǎn)狀、走向、斷距等斷層要素,有時(shí)甚至可以刻畫(huà)出無(wú)明顯斷距的走滑斷層[22]。

VSP多次波:與地面地震數(shù)據(jù)中的多次波不同,VSP多次波具有全程可追蹤、易于識(shí)別和壓制等特點(diǎn),因此可以用于指導(dǎo)地面地震多次波壓制處理。首先通過(guò)對(duì)比分析確定地面地震數(shù)據(jù)中的多次波發(fā)育情況,包括多次波的來(lái)源、強(qiáng)度、影響等,如:判斷某多次波產(chǎn)自淺部地層(全程多次,一般產(chǎn)自低降速帶底面)還是產(chǎn)自深部地層(層間多次),評(píng)估多次波污染程度等。同時(shí)VSP多次波與初至縱波可以組成多次波壓制因子,這是求取地震反褶積算子的直接、有效的計(jì)算數(shù)據(jù),在某些井地聯(lián)合采集的觀測(cè)方式中,可以直接應(yīng)用該因子進(jìn)行可靠的多次波壓制處理。此外,VSP下行多次波成像方法也在探索研究中。

VSP井筒波、套管波和電(光)纜諧波:這3種波場(chǎng)是VSP數(shù)據(jù)的典型干擾波場(chǎng),其中井筒波是由地表面波引起井口液面振動(dòng)而產(chǎn)生的沿井液和井壁界面向上或向下傳播的一種波場(chǎng),其速度約為1400～1450m/s,與水聲相當(dāng),振幅隨深度變化呈現(xiàn)幾何擴(kuò)散衰減,衰減速度不如下行縱、橫波快,且頻率衰減較慢,沒(méi)有下行縱、橫波的明顯的頻散效應(yīng);套管波和電(光)纜波屬于駐波,是由于套管外存有空腔或電纜與井壁耦合不好而產(chǎn)生地震波諧振而引起的。這幾種地震波通常不能直接用于探測(cè)地層特征,但可以反映觀測(cè)井的結(jié)構(gòu)特征,如利用井筒波可以確定泥漿液面深度、套管接頭位置等信息,套管波則可以用于檢測(cè)固井質(zhì)量情況,與工程領(lǐng)域的無(wú)損探傷檢測(cè)方法較類(lèi)似,電(光)纜波可間接反映井軌跡的變化情況等。井筒波通常在近井源距VSP波場(chǎng)中被觀測(cè)到,由于其速度較低,通常不會(huì)對(duì)縱波處理產(chǎn)生影響,但它與中淺層橫波速度接近,會(huì)對(duì)橫波產(chǎn)生較大的干涉;套管波則剛好相反,由于橫波更多的反應(yīng)巖石骨架響應(yīng),所以與縱波數(shù)據(jù)相比,橫波受套管波影響較小;電(光)纜波則只與井壁耦合程度有關(guān),會(huì)影響全部記錄波場(chǎng)。

其它VSP波場(chǎng)雖然不具有普遍性,但也有一定的研究?jī)r(jià)值,如橫波的轉(zhuǎn)換縱波(SP波或PSP波)波場(chǎng),在個(gè)別探區(qū)的高品質(zhì)VSP資料中可以被觀測(cè)到,該波場(chǎng)的識(shí)別有助于地震波性質(zhì)轉(zhuǎn)換的研究;再如VSP折射波,通常在某些地層速度變化大或地層產(chǎn)狀大的地區(qū)出現(xiàn),給VSP數(shù)據(jù)分析與處理帶來(lái)了困難,然而從另一方面來(lái)講,它也可應(yīng)用于地層界面的埋深、產(chǎn)狀分析等;再如VSP導(dǎo)波(槽波),它是井間地震觀測(cè)數(shù)據(jù)中的特有波場(chǎng),可被用來(lái)探測(cè)地層連續(xù)性、斷層發(fā)育程度等,該項(xiàng)技術(shù)在煤田開(kāi)發(fā)中已得到成功應(yīng)用[23],對(duì)于油氣儲(chǔ)層構(gòu)造及巖性解釋研究、儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中蓋層封堵情況研究等具有很好的借鑒意義。

1.3 VSP波場(chǎng)的分離處理方法

旋轉(zhuǎn)定向是VSP多分量處理的基礎(chǔ)方法,通過(guò)水平定向和垂直極化處理通常能達(dá)到良好的波場(chǎng)分離效果[24],并且這是一個(gè)相對(duì)保真的處理方法,不會(huì)對(duì)視速度很接近的波場(chǎng)產(chǎn)生破壞,如上行縱波和上行轉(zhuǎn)換橫波的波場(chǎng)分離,快、慢橫波的波場(chǎng)分離等[25-26]。時(shí)、空變旋轉(zhuǎn)定向是一種進(jìn)階的處理方法,該方法隨深度變化來(lái)選擇不同的掃描時(shí)窗,在每一個(gè)單道上滑動(dòng)掃描得到時(shí)變的旋轉(zhuǎn)角度,進(jìn)而完成旋轉(zhuǎn)定向處理。旋轉(zhuǎn)后波場(chǎng)的進(jìn)一步分離通常采用多道速度濾波方法,其中以中值濾波方法、奇異值分解(singular value decomposition,SVD)濾波方法、FK濾波方法最具代表性[27],這些處理方法需要進(jìn)行謹(jǐn)慎的參數(shù)試驗(yàn),以確保有效信息損傷最小。

近年來(lái)光纖地震技術(shù)快速發(fā)展,并成功應(yīng)用于井中數(shù)據(jù)的觀測(cè)之中,但新儀器也帶來(lái)了系列特有噪聲波場(chǎng)的干擾問(wèn)題,其中光纜耦合噪聲極具代表性,為了獲得更好的波場(chǎng)分離結(jié)果,統(tǒng)計(jì)了光纜噪聲振幅、周期、衰減等各項(xiàng)參數(shù),擬合出了噪聲波場(chǎng),進(jìn)而利用減法處理完成光纜噪聲壓制,取得了一定的應(yīng)用效果[28-29],如圖2所示。但單純依靠處理方法壓制光纜噪聲效果仍然有限,目前在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,開(kāi)展了采集現(xiàn)場(chǎng)減少耦合噪聲的相關(guān)研究,最新的試驗(yàn)結(jié)果表明,在一定深度間隔(約25m)內(nèi)增加永磁鐵進(jìn)行套管壁吸附具有較好的效果。

圖2 光纖VSP原始波場(chǎng)(a)、擬合噪聲波場(chǎng)(b)和噪聲壓制后剩余波場(chǎng)(c)

2 VSP波場(chǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

VSP多波的應(yīng)用以準(zhǔn)噶爾盆地最具代表性,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)30年的VSP縱、橫波聯(lián)合采集,獲得了寶貴的多波VSP地震資料,不僅為準(zhǔn)噶爾盆地的油氣勘探與開(kāi)發(fā)做出了貢獻(xiàn),也積累了大量的多波研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)多波地震技術(shù)、VSP技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

2.1 速度計(jì)算

基于VSP下行波數(shù)據(jù)的縱、橫波速度求取技術(shù)已經(jīng)非常成熟,并廣泛應(yīng)用于地震速度建模、聲波測(cè)井校正等方面[30-32]。近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的微震監(jiān)測(cè)技術(shù)就是利用縱、橫波速度差異進(jìn)行事件空間位置反演的一種方法[33]。需要指出的是,在某些大傾角構(gòu)造地區(qū),受地震波傳播路徑的影響,VSP方法的速度也存在問(wèn)題,通常表現(xiàn)為比實(shí)際速度偏高,該速度誤差的校正比較復(fù)雜,一般要依靠正演模型約束的方法完成。

2.2 地層標(biāo)定及深度預(yù)測(cè)

層位標(biāo)定是VSP方法的重要作用之一,利用多波數(shù)據(jù)可以對(duì)采集井段內(nèi)反射層位、轉(zhuǎn)換層位進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定,除此以外,還可以利用多波數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未鉆遇地層的深度,進(jìn)一步分析其含油氣屬性特征,該技術(shù)已取得了較好的應(yīng)用效果[15,34],圖3為多波預(yù)測(cè)的原理示意(基于VSP鉆前深度預(yù)測(cè)結(jié)果),另外,地層的鉆前壓力預(yù)測(cè)也開(kāi)始被探索研究。

圖3 多波預(yù)測(cè)原理示意(基于VSP鉆前深度預(yù)測(cè)結(jié)果)

2.3 各向異性分析與裂縫檢測(cè)

裂縫檢測(cè)一直是油氣勘探開(kāi)發(fā)中被關(guān)注的一項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù),自1986年SEG年會(huì)發(fā)表利用橫波分裂來(lái)檢測(cè)裂縫方向和密度的論文以來(lái),該項(xiàng)技術(shù)持續(xù)發(fā)展進(jìn)步[35-36]。多方位觀測(cè)的VSP數(shù)據(jù)被認(rèn)為更適用于裂縫檢測(cè),在一定的探測(cè)空間內(nèi),達(dá)到“縱向可分層,橫向可分帶”的地層裂縫探測(cè)能力[37]。

2.4 地震剖面波場(chǎng)鑒別

對(duì)于某些構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū),常常出現(xiàn)淺層地震剖面不準(zhǔn)確的現(xiàn)象,除速度因素外,復(fù)雜的多波波場(chǎng)干擾也是主要因素之一。圖4為塔里木庫(kù)車(chē)前陸地區(qū)的地震成像剖面,可見(jiàn),淺層波場(chǎng)交織,成像特征不夠清晰。

圖4 塔里木庫(kù)車(chē)前陸地區(qū)的地震成像剖面

為了分析多波對(duì)地震剖面的干擾程度,建立一個(gè)傾斜地層地質(zhì)模型(圖5),布置一個(gè)井、地聯(lián)合接收系統(tǒng),如圖5中紅點(diǎn)線(xiàn)所示。基于該觀測(cè)系統(tǒng)得到的地震數(shù)據(jù)為相當(dāng)于半VSP、半地面的聯(lián)合地震剖面,如圖6和圖7所示。其中,圖6為縱波的正演波場(chǎng),可見(jiàn)在井口位置檢波器記錄兩側(cè)上行縱波可以良好的銜接;圖7為縱、橫波正演波場(chǎng),可見(jiàn)在井口位置檢波器記錄的左右兩側(cè)縱、橫波場(chǎng)相互干涉,如在該道570ms的位置同時(shí)記錄了縱、橫波疊加后的波場(chǎng),在地層傾角較大的地區(qū),地面地震很難加以分辨(左側(cè)波場(chǎng)),此時(shí)如果處理不當(dāng),將會(huì)出現(xiàn)前文所描述的問(wèn)題,影響了剖面品質(zhì),而借助VSP的多波分析則可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析與追蹤。

圖5 高陡構(gòu)造地質(zhì)模型

圖6 縱波正演波場(chǎng)

圖7 縱波和橫波正演波場(chǎng)

2.5 多次波識(shí)別與應(yīng)用

地面地震中多次波通常被歸為噪聲波場(chǎng),但VSP多次波攜有大量的有用信息,具有很高研究與應(yīng)用價(jià)值,主要可用于指導(dǎo)地面地震多次波分析、井控反褶積算子的提取、下行波成像、表層結(jié)構(gòu)靜校正量計(jì)算及表層Q因子評(píng)估等。其主要應(yīng)用有以下幾方面。

1) 指導(dǎo)地面地震多次波分析。利用VSP數(shù)據(jù)來(lái)追蹤全程多次波和層間多次波,確定其產(chǎn)生層位、傳播路徑、對(duì)有效波場(chǎng)的干擾程度等。進(jìn)而利用VSP數(shù)據(jù)提取反褶積算子,對(duì)地面地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積處理,可有效壓制多次波、改善子波形態(tài),在實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理中取得了很好的應(yīng)用效果[16,38]。圖8為VSP模擬數(shù)據(jù)的多次波分析結(jié)果,可見(jiàn)上行多次波、下行多次波、層間多次波均可清晰識(shí)別。圖9為塔西南地區(qū)某井VSP資料的原始Z分量波場(chǎng),可見(jiàn),該區(qū)發(fā)育了極強(qiáng)的全程多次波和層間多次波。

2) 計(jì)算靜校正量和表層Q值。常規(guī)的零井源距VSP數(shù)據(jù)可以精確計(jì)算中、深層的地層吸收因子Q[39-40],而基于3D-VSP或Walkaway-VSP數(shù)據(jù)中多次波的分析可以計(jì)算靜校正量和表層Q值,進(jìn)而指導(dǎo)地面地震數(shù)據(jù)、VSP數(shù)據(jù)的靜校正處理和Q補(bǔ)償處理。

3) 下行多次波成像研究。近年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)得到了快速發(fā)展,后文將單獨(dú)介紹。

圖8 基于VSP模擬數(shù)據(jù)的多次波分析結(jié)果

圖9 塔西南地區(qū)某井VSP資料的原始Z分量波場(chǎng)

2.6 處理參數(shù)提取

VSP縱波的參數(shù)提取包括縱波速度參數(shù)、真振幅恢復(fù)(TAR)因子、Q因子、反褶積因子、各向異性參數(shù)等,在地面地震處理中起到了很好的控制作用[41-42]。在塔里木盆地,為了準(zhǔn)確獲得鉆前儲(chǔ)層位置信息,采用基于零井源距VSP資料提取井控參數(shù)進(jìn)行井、地聯(lián)合溶洞定位的方法,獲得了很好的應(yīng)用效果,近3年已完成200余個(gè)試驗(yàn)和生產(chǎn)項(xiàng)目,大幅提升了塔里木盆地縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的勘探成功率[43]。

2.7 VSP井旁構(gòu)造分析與多波成像

VSP井旁構(gòu)造分析有兩種主要途徑:一是利用斷面波、繞射波等特征波場(chǎng)進(jìn)行理論推演,直接確定井旁構(gòu)造的特征元素,從而分析其發(fā)育情況[22];二是利用上、下行波進(jìn)行偏移成像,得到反映地層構(gòu)造特征的小塊地震剖面,進(jìn)而對(duì)構(gòu)造特征進(jìn)行研究。VSP上、下行波聯(lián)合成像是一種充分利用了下行多次波和上行波的成像方法,與單一波場(chǎng)成像相比,能獲得更大的成像范圍和更好的成像精度[44-45],在中國(guó)東部地區(qū)已取得了良好的應(yīng)用效果[46]。繞射波成像則是利用特殊地質(zhì)體、地層斷點(diǎn)或尖滅點(diǎn)等產(chǎn)生的繞射波進(jìn)行成像的一種方法,目前已在塔里木盆地縫洞型儲(chǔ)層勘探中進(jìn)行了探索研究[47],模型正演及繞射波成像結(jié)果如圖10至圖12所示,該方法在實(shí)際應(yīng)用中也取得了初步效果。VSP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有信噪比高、頻帶寬、多波信息豐富、觀測(cè)視角獨(dú)特等特點(diǎn),與地面地震成像結(jié)合應(yīng)用,可以使井旁構(gòu)造刻畫(huà)更加可靠,對(duì)油氣田和煤田的精細(xì)勘探、開(kāi)發(fā)起到重要的支撐作用。

圖10 含微小地質(zhì)體的速度模型

圖11 正演模擬數(shù)據(jù)(a)和繞射波分離數(shù)據(jù)(b)

圖12 繞射波成像結(jié)果

2.8 地震屬性研究

VSP多波聯(lián)合應(yīng)用是進(jìn)行地震屬性研究的有效手段,縱、橫波的聯(lián)合應(yīng)用可以使地震屬性的信息量大幅增加,利用屬性分析結(jié)果可以進(jìn)行地層巖性與流體預(yù)測(cè)研究等[48-49]。另外,對(duì)上行縱、橫波疊前波場(chǎng)或成像剖面的聯(lián)合研究,對(duì)于儲(chǔ)層物性分析也很有幫助,如圖13展示了準(zhǔn)噶爾盆地縱、橫波屬性研究的一個(gè)實(shí)例,圖13a和圖13b分別為疊前VSP橫波、縱波的均方根振幅屬性,在箭頭所指處能清晰觀察到兩者的差異,試油結(jié)果表明,該井段的油氣響應(yīng)良好;同樣在Walkaway成像數(shù)據(jù)的振幅比剖面(圖13c)上也能觀測(cè)到這一現(xiàn)象[50]。

圖13 VSP多波屬性分析

3 VSP波場(chǎng)研究發(fā)展趨勢(shì)與展望

3.1 VSP波場(chǎng)研究的發(fā)展趨勢(shì)

在高精度地震勘探需求日益迫切的背景下,近年來(lái)VSP作為一種相對(duì)精細(xì)的勘探方法被廣泛關(guān)注,各種VSP波場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多,發(fā)展方向也朝向井旁微小構(gòu)造探測(cè)、儲(chǔ)層甜點(diǎn)區(qū)或剩余油氣區(qū)預(yù)測(cè)、薄儲(chǔ)層識(shí)別及含油氣性分析等熱點(diǎn)領(lǐng)域,主要研究?jī)?nèi)容聚焦在VSP數(shù)據(jù)采集設(shè)備研發(fā)、VSP采集方案設(shè)計(jì)及參數(shù)試驗(yàn)研究、VSP多波數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究、基于VSP波場(chǎng)分析的地震波傳播規(guī)律研究、VSP多波的井地聯(lián)合方法研究等方面。

3.2 VSP多波數(shù)據(jù)采集設(shè)備研發(fā)

新型井中激發(fā)設(shè)備的研發(fā)與試驗(yàn):傳統(tǒng)井中震源存在輸出能量低、耐溫耐壓能力差、應(yīng)用壽命短等問(wèn)題,近年來(lái)應(yīng)用較少且發(fā)展緩慢,但井中震源的應(yīng)用可以大幅拓展井中地震觀測(cè)系統(tǒng)的多樣性,有益于獲得更多的地震波場(chǎng)信息,如利用井中震源采集的井間地震數(shù)據(jù),除了可以獲得遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)VSP的高頻反射波場(chǎng)外,還可以獲得井間地震導(dǎo)波(工程地震中也稱(chēng)為槽波)波場(chǎng),導(dǎo)波在特定臨界條件下能量集中在低速層中傳播,根據(jù)這一特性,可以用來(lái)檢測(cè)井間目標(biāo)地層的連續(xù)性和探測(cè)斷層阻隔情況等,這對(duì)于油氣藏儲(chǔ)量估計(jì)和計(jì)劃開(kāi)采十分有意義[51]。

新型井中接收設(shè)備的研發(fā)與試驗(yàn):一是要提升現(xiàn)有三分量檢波器的串聯(lián)級(jí)數(shù),并增進(jìn)其在復(fù)雜井況下的適用性,這不僅有益于降低作業(yè)成本,而且可以提升數(shù)據(jù)的采集完整程度和記錄一致性;二是研發(fā)安裝于鉆桿前端的井中檢波器,該類(lèi)檢波器的應(yīng)用除了可以大幅提升地震地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的實(shí)效性外,鉆桿的硬連接方式也將會(huì)有效擺脫采集環(huán)境對(duì)VSP觀測(cè)的許多制約,使得在祼眼井、大斜度井甚至水平井中的VSP采集成為可能[52];三是研發(fā)更多分量的新型檢波器,包括集成相對(duì)成熟的標(biāo)量分量、探索研究中的旋轉(zhuǎn)分量等,用于記錄傳統(tǒng)檢波器難于獲取的多波地震波場(chǎng);四是研發(fā)用于井中地震采集的分布式傳感光纖(DAS),光纖采集井中地震數(shù)據(jù)具有高密度、全井段、耐高溫、耐高壓、低成本、高效率、采集與傳輸一體等諸多優(yōu)點(diǎn),然而其信噪比較低、分量單一的缺點(diǎn)也同樣明顯,急需光纖硬件及配套軟件的攻關(guān)研究。新型井中采集設(shè)備的進(jìn)步在一定程度上也會(huì)拓展井中地震的應(yīng)用領(lǐng)域,例如新誕生的光纖微VSP觀測(cè)方式,利用下行和上行縱波結(jié)合的方法進(jìn)行礫石或巨厚黃土層的精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)查[53],該方法目前已在準(zhǔn)噶爾南緣地區(qū)和塔里木西南地區(qū)進(jìn)行了探索研究并取得初步應(yīng)用效果,但對(duì)于全區(qū)的調(diào)查還需要更多的基礎(chǔ)理論與采集試驗(yàn)研究支持。

其它井中設(shè)備或配套裝置的研發(fā)包括井中震源的供電、儲(chǔ)能、控制裝置等,以及井中檢波器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、時(shí)間同步裝置等,另外一些特種井中設(shè)備也需要研發(fā),例如為井中儀器提供牽引力的爬行器設(shè)備等。

3.3 VSP多波采集方案設(shè)計(jì)及參數(shù)試驗(yàn)研究

VSP可以獲得常規(guī)地震方法所不能得到的多種地震波場(chǎng),采集過(guò)程中需要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行有針對(duì)性的方案設(shè)計(jì),并且由于以往單純的VSP多波試驗(yàn)項(xiàng)目較少,目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的采集行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范流程供參考,采集設(shè)計(jì)和試驗(yàn)參數(shù)多是套用傳統(tǒng)的VSP縱波模式,需要進(jìn)一步攻關(guān)完善采集方案設(shè)計(jì)和參數(shù)論證,才能促進(jìn)更多的多波VSP試驗(yàn)研究和生產(chǎn)項(xiàng)目部署,為探索多波理論與應(yīng)用研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4 VSP多波數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

VSP波場(chǎng)中蘊(yùn)含了大量的地層結(jié)構(gòu)和巖性信息,如何通過(guò)有效手段進(jìn)行波場(chǎng)分離及成像處理,是提取和挖掘這些信息的關(guān)鍵。相對(duì)于地面地震處理,VSP數(shù)據(jù)處理更復(fù)雜,過(guò)程要求更細(xì)致,但技術(shù)手段相對(duì)缺乏,特別是隨著新儀器、新方法的不斷涌現(xiàn),又將帶來(lái)新的處理問(wèn)題。VSP數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一是相對(duì)保真的波場(chǎng)分離方法,包括噪聲波場(chǎng)的壓制方法、多波數(shù)據(jù)的極化旋轉(zhuǎn)方法、多次波識(shí)別與壓制方法等;關(guān)鍵技術(shù)之二是多波VSP的成像方法,目前成像技術(shù)仍然是VSP數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的一項(xiàng)“瓶頸”技術(shù)[54],需要持續(xù)的攻關(guān)研究,良好的縱波成像結(jié)果會(huì)對(duì)井旁細(xì)節(jié)構(gòu)造分析起到至關(guān)重要的作用,而橫波和轉(zhuǎn)換橫波成像可在地層垂向分辨率提升、油氣屬性識(shí)別等方面發(fā)揮作用,多次波的成像則可以在拓寬探測(cè)范圍等方面發(fā)揮作用。

3.5 基于VSP波場(chǎng)分析的地震波傳播規(guī)律研究

VSP波場(chǎng)傳播路徑和振幅變化情況清晰明確,對(duì)于研究地震波的傳播和地震波性質(zhì)的變化非常有幫助,通過(guò)對(duì)VSP數(shù)據(jù)的分析可以對(duì)地震波能量分配進(jìn)行全面解析,從而了解地震波傳播過(guò)程中擴(kuò)散衰減情況、吸收和散射衰減情況、透射情況、性質(zhì)轉(zhuǎn)換情況等[55]。圖14展示了塔里木盆地某井波場(chǎng)振幅解析的初步應(yīng)用實(shí)例,是利用VSP上行和下行縱波、上行和下行轉(zhuǎn)換橫波聯(lián)合對(duì)地震波振幅變化及分配情況的分析結(jié)果,這將有助于該探區(qū)的地震波理論研究和地面地震數(shù)據(jù)處理工作開(kāi)展。

3.6 VSP多波的井地聯(lián)合方法研究

VSP和地面地震數(shù)據(jù)聯(lián)合研究可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,同時(shí)彌補(bǔ)地面地震多波信息不足和VSP探測(cè)范圍不寬這兩方面的缺點(diǎn),對(duì)于油氣藏的勘探和開(kāi)發(fā)將起到積極作用。預(yù)期井地聯(lián)合研究有兩個(gè)主要的發(fā)展方向:一是VSP井控地震處理的拓展研究,利用多波VSP數(shù)據(jù)提取多種井控參數(shù),包括縱、橫波速度和各向異性參數(shù),縱、橫波的Q因子和TAR因子等[56-57],約束地面地震多波數(shù)據(jù)處理,達(dá)到提升處理成果資料品質(zhì)的目的;二是建立井地聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的井地聯(lián)合采集、處理作業(yè),相當(dāng)于增加了垂向維度的“立體”地震方法,但兩種相融合觀測(cè)系統(tǒng)的采集儀器、處理方法差異較大,數(shù)據(jù)品質(zhì)也不盡相同,因此這方面的研究將是一個(gè)富有挑戰(zhàn)、仍需要持續(xù)探索的課題。

圖14 基于VSP數(shù)據(jù)的地震波振幅解析結(jié)果

4 總結(jié)

本文采用理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方式,對(duì)VSP波場(chǎng)類(lèi)型、應(yīng)用現(xiàn)狀和下一步發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述,以期為更多關(guān)注VSP技術(shù)發(fā)展的學(xué)者提供參考。

VSP波場(chǎng)復(fù)雜多樣,分類(lèi)方法也較多,可根據(jù)地震波傳播方向、入射和出射情況、振動(dòng)特征、應(yīng)用情況等進(jìn)行分類(lèi),常見(jiàn)波場(chǎng)中的VSP下行縱波、上行縱波、下行橫波、上行橫波和上行轉(zhuǎn)換波、繞射波、斷面波、多次波等均可通過(guò)剖面中波場(chǎng)特征進(jìn)行識(shí)別,并可以應(yīng)用不同的處理手段進(jìn)行分離。

多數(shù)VSP波場(chǎng)都具有各自的應(yīng)用價(jià)值,應(yīng)用一種或數(shù)種波場(chǎng)可以在速度計(jì)算、地層標(biāo)定及深度預(yù)測(cè)、各向異性分析與裂縫檢測(cè)、地震剖面波場(chǎng)鑒別、多次波識(shí)別與應(yīng)用、井控處理參數(shù)提取、井旁構(gòu)造分析、地震屬性研究等方面發(fā)揮作用。

下一步VSP波場(chǎng)研究將聚焦在VSP多波數(shù)據(jù)采集設(shè)備研發(fā)、采集方案設(shè)計(jì)及參數(shù)試驗(yàn)研究、VSP多波數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究等方面,應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步得到拓展,探索性研究?jī)?nèi)容包括基于VSP波場(chǎng)分析的地震波傳播規(guī)律研究、多波的井地聯(lián)合采集與處理研究等。預(yù)期隨著VSP采集儀器的不斷進(jìn)步和處理解釋技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,應(yīng)用VSP數(shù)據(jù)解決地質(zhì)問(wèn)題的能力也將進(jìn)一步提升。