深層高陡地層零井源距垂直地震剖面初至波特征分析及拾取策略

張振， 蔡涵鵬， 王騰宇， 肖又軍， 宗晶晶， 黃錄忠， 魏巍

(1.中國(guó)石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院， 庫爾勒 841000； 2.電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 成都 611731; 3.電子科技大學(xué)—愛為貝思智能油氣地球物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 成都 611731)

垂直地震剖面(vertical seismic profiling, VSP)數(shù)據(jù)采集的觀測(cè)系統(tǒng)中，激發(fā)炮點(diǎn)和井中檢波器的空間位置可精確測(cè)量[1]。與地面地震相比較，VSP特有的觀測(cè)方式，接收系統(tǒng)不受地面干擾和近地表吸收、衰減的影響，VSP數(shù)據(jù)中的地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征明顯，且具有信噪比、分辨率高，多波場(chǎng)等特點(diǎn)，使得VSP已經(jīng)成為一種最為有效的構(gòu)造精細(xì)解釋、地層深度預(yù)測(cè)[2]、儲(chǔ)層精細(xì)描述[3]、油氣屬性[4]的油氣開發(fā)地震技術(shù)之一。按照激發(fā)震源與井口的距離分為零井源距VSP和非零井源距VSP兩大類。零井源距觀測(cè)的VSP資料在縱向上有較高的分辨率，在橫向上僅是一個(gè)菲涅爾帶內(nèi)的反射，在提取地層地質(zhì)參數(shù)、地層速度、地震子波等地震參數(shù)方面具有重要作用[5-6]。VSP記錄中的下行縱波是最重要的一種波場(chǎng)，通常也是VSP記錄的初至波，是地層的層速度計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7-8]。如果能夠拾取準(zhǔn)確的下行波初至?xí)r間，那么通過速度與走時(shí)、距離的關(guān)系就能得到準(zhǔn)確的地層速度，其對(duì)于疊前深度偏移速度模型的優(yōu)化發(fā)揮著重要作用[9]。VSP初至一般指首先到達(dá)檢波器的下行縱波[10]。初至拾取的精度對(duì)層速度計(jì)算的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[11]，也對(duì)后續(xù)的處理環(huán)節(jié)(如三分量偏振分析、波場(chǎng)分離、靜校正、偏移成像等)[12]，以及地質(zhì)層位標(biāo)定精度[13]產(chǎn)生舉足輕重的影響。拾取初至?xí)r間微小的變化會(huì)引起計(jì)算的地層縱波速度劇烈變化。針對(duì)不同的埋深、巖性等差異，拾取初至?xí)r間相差1 ms，最終計(jì)算的地層縱波速度與真實(shí)地層縱波速度的差異可達(dá)2 000 m/s以上。沈統(tǒng)等[14]提出一種利用偏振約束實(shí)現(xiàn)最小信息準(zhǔn)則初至拾取的改進(jìn)方法，具有不設(shè)置閾值和自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)低信噪比導(dǎo)致振幅比法初至拾取的難題，王國(guó)富等[15]提出了小波分析與振幅比法聯(lián)合拾取初至?xí)r間的方法，在一定程度上克服了噪聲引起的初至誤差。劉強(qiáng)[16]在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上，提出了在時(shí)頻域直接開展初至拾取的方法，提高了初至拾取的效率。為了解決中國(guó)西部沙漠、黃土塬、戈壁等復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域初至波拾取準(zhǔn)確率不高的難題，基于深度學(xué)習(xí)的初至波拾取方法被相繼提出，均取得了良好應(yīng)用效果[17-18]。

近年來VSP應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在許多深層高陡構(gòu)造地層的地區(qū)進(jìn)行了VSP采集、處理和應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有VSP行業(yè)規(guī)范對(duì)初至拾取的規(guī)定：當(dāng)震源為可控震時(shí)發(fā)，其“初至”為第一個(gè)波峰；當(dāng)激發(fā)源為井炮時(shí)，其“初至”為起跳點(diǎn)，且初至?xí)r間曲線應(yīng)平滑、連續(xù)、漸變。在塔里木盆地深層高陡構(gòu)造帶富含油氣地區(qū)部署的大量零井源距VSP實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：由于反射界面傾角、兩側(cè)地層高速度差異的存在，采集的零井源距VSP數(shù)據(jù)初至波與常規(guī)水平地層的初至波的特征存在顯著差異，如初至波出現(xiàn)分叉現(xiàn)象、復(fù)波等異常，給初至波拾取帶來巨大困難，如仍然按照行業(yè)規(guī)范拾取初至?xí)r間，其計(jì)算的層速度與測(cè)井聲波速度曲線的規(guī)律不相符，嚴(yán)重影響后續(xù)的處理、解釋和應(yīng)用效果。

對(duì)于深層高陡復(fù)雜地層初至波特征研究，模型論證是分析深層高陡構(gòu)造初至波場(chǎng)特征的一種有效方法[19]。首先以鉆遇深層高陡構(gòu)造VSP實(shí)際資料為基礎(chǔ)，總結(jié)和分析高陡構(gòu)造區(qū)VSP數(shù)據(jù)中初至波表現(xiàn)的特點(diǎn)和初至拾取存在的困難，然后設(shè)計(jì)理論模型分析山地高陡構(gòu)造區(qū)VSP初至波特征，厘清其影響因素，最后以明確的深層高陡構(gòu)造地層零井源距VSP波場(chǎng)特征為指導(dǎo)，探索深層高陡地層初至拾取方案，并以實(shí)際資料分析其有效性。實(shí)例分析結(jié)果表明在深層高陡、高速度地層存在的地質(zhì)條件下，利用本文方法獲得初至?xí)r間后，計(jì)算的層速度與測(cè)井速度規(guī)律吻合，為深層高陡地層初至拾取提供了一種有效手段，對(duì)后續(xù)VSP資料處理和解釋均具有重要的實(shí)際意義。

1 問題的提出

塔里木盆地富含油氣勘探區(qū)的深層廣泛發(fā)育高陡、高速度地層，如位于塔里木盆地塔中隆起中央主壘帶的中寒1號(hào)井，鉆探目的層為寒武系鹽下白云巖，完鉆井深7 430 m。過中寒1號(hào)井南北向地震剖面見圖1。圖1表明在3 200 ms附近存在一個(gè)陡傾角反射。該井為可控震源激發(fā)，VSP測(cè)量段井段為20～7 400 m。VSP原始數(shù)據(jù)Z分量剖面表明VSP資料質(zhì)量高，信噪比高，初至波起跳點(diǎn)清晰[圖2(a)]。從圖2(a)可以觀察到，從4 500 m開始，初至波表現(xiàn)為一復(fù)波特征，第一個(gè)波峰的振幅也發(fā)生顯著變化，到5 000 m該復(fù)波分裂為特征清晰的兩列波(分叉現(xiàn)象)。根據(jù)VSP的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)內(nèi)對(duì)VSP初至拾取的要求拾取初至波時(shí)間，計(jì)算的地震層速度見圖2(b)。圖2(b)顯示從4 500 m開始，按照現(xiàn)有行業(yè)初至拾取標(biāo)準(zhǔn)獲得VSP初至計(jì)算的層速度高于聲波測(cè)井的縱波速度，最大差異達(dá)2 000 m/s。圖2(b)中展示的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了井眼環(huán)境等校正和一致性處理，其聲波速度準(zhǔn)確。從圖2(b)還可以觀察到：淺層(4 500 m以上)與VSP一致性強(qiáng)；不一致處與圖2(a)中發(fā)現(xiàn)初至分叉現(xiàn)象對(duì)應(yīng)。在位于喀什凹陷北緣烏恰構(gòu)造帶阿圖什北1號(hào)構(gòu)造高點(diǎn)上的阿北1井、大北30井、塔里木盆地瑪山地區(qū)古董2井等VSP資料中同樣發(fā)現(xiàn)了上述相同現(xiàn)象，難以直接分辨初至波的真假，這使得利用現(xiàn)有的零井源距VSP初至拾取技術(shù)和手段難以拾取以上現(xiàn)象的VSP的初至和開展后續(xù)處理和解釋工作。對(duì)于以上現(xiàn)象，提出以下兩個(gè)問題。

(1)對(duì)于可控震源激發(fā)情況，是按照現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的一成不變的拾取起跳點(diǎn)下的零相位波峰，還是拾取第二波峰？

(2)拾取不同位置的初至帶來的速度差異有多大？

圖1 過中寒1井深度域地震剖面Fig.1 Seismic profile cross Zhonghan 1 well in depth domain

圖2 中寒1井VSP原始數(shù)據(jù)Z分量及拾取初至計(jì)算的層速度Fig.2 Z component of original VSP data of Zhonghan 1 well and interval velocity calculated by conventional first break picking

2 深層高陡地層零井源距VSP初至波特征分析

2.1 模型構(gòu)建及波場(chǎng)模擬

為深入分析高陡構(gòu)造情況下初至波對(duì)地層速度計(jì)算等的影響，首先通過錄井分層、地震構(gòu)造解釋方案制作了過中寒1井的地質(zhì)模型，結(jié)合地震速度和測(cè)井速度等基礎(chǔ)資料填充每一個(gè)地質(zhì)單元的縱波速度(圖3)；然后設(shè)計(jì)與中寒1井實(shí)際采集完全一致的采集觀測(cè)系統(tǒng)，利用波動(dòng)方程數(shù)值模擬方法得到的零井源距VSP模擬數(shù)據(jù)如圖4所示。與實(shí)際VSP數(shù)據(jù)相似，初至波在4 500 m處開始表現(xiàn)為一復(fù)波特征，并且隨著深度的增加，逐漸分裂為兩個(gè)波峰。

圖3 中寒1井速度模型Fig.3 Velocity model of Zhonghan 1 well

通過建立速度模型和波動(dòng)方程數(shù)值模擬的波場(chǎng)快照能夠明確波場(chǎng)的傳播路徑和波場(chǎng)響應(yīng)特征。如圖5所示，在1.4 s時(shí)，具有較大傾角處地震波前面發(fā)生變化，井筒右側(cè)(地層上傾方向)的地震波先進(jìn)入高速地層，此時(shí)左右兩側(cè)地震波被接收的時(shí)間開始有了時(shí)差，但還在同一個(gè)相位中，表現(xiàn)出一個(gè)初至的特征；在1.6 s時(shí)，檢波點(diǎn)接收到兩個(gè)路徑傳播的透射波，一個(gè)波為正常向下傳播，另一個(gè)波為在高速地層中傳播距離較多、走時(shí)短的透射波，高速層中傳播的透射波先于沿井筒路徑傳播的透射波到達(dá)井中檢波器。圖5中展示的零井源距VSP初至波特征與前述實(shí)際VSP數(shù)據(jù)觀察現(xiàn)象一致。

圖4 波動(dòng)方程正演數(shù)值模擬的VSP數(shù)據(jù)(局部)Fig.4 VSP data of wave equation forward numerical simulation(local)

圖5 不同時(shí)刻地震波場(chǎng)快照Fig.5 Snapshots of seismic wave fields at different times

提取了正演使用的井點(diǎn)位置速度曲線，再拾取兩個(gè)初至到時(shí)，求取VSP層速度曲線。通過平滑后與正演的地層速度對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)拾取分叉的初至得到的速度與真實(shí)速度偏差較大，而拾取淺層開始的第一個(gè)零相位波峰(藍(lán)色線)得到的速度與真實(shí)速度更接近(圖6)，其VSP初至計(jì)算的層速度與正演模型中速度最大差異僅僅46 m/s。

2.2 產(chǎn)生零井源距VSP初至波異常的關(guān)鍵因素分析

為了深入探討前述實(shí)際數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象的本質(zhì)，以及給生產(chǎn)帶來的影響，設(shè)計(jì)了具有地層傾角變化、巖性突變等特點(diǎn)的兩層地質(zhì)模型(圖7)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行解剖，從理論的角度分析影響VSP初至的關(guān)鍵因素。針對(duì)高陡構(gòu)造VSP初至波的現(xiàn)象分析，本次分析的因素包括地層傾角大小、上覆地層與下伏地層巖性差異大小，以及界面的埋藏深度。對(duì)于上覆地層井中檢波器，僅僅單一的初至波。而根據(jù)費(fèi)馬最短時(shí)間原理，地層接觸界面以下檢波器(下伏地層中的檢波器)可能接收到至少兩個(gè)透射波(圖7)，一是來自于與井筒平行的透射波，二是來自于地層接觸界面上傾透射的透射波，它們到達(dá)檢波器的時(shí)間存在差異。下面章節(jié)將逐一分析地層傾角、巖性差異以及埋藏深度對(duì)兩個(gè)透射波在不同深度檢波器接收到時(shí)的影響。

2.2.1 地層傾角對(duì)VSP初至及速度影響

在固定上覆地層縱波速度為4 500 m/s，下伏地層速度為6 600 m/s時(shí)，獲得不同地層傾角下檢波器接收的不同射線路徑的走時(shí)以及計(jì)算的縱波速度。圖8顯示了不同地層傾角對(duì)透射點(diǎn)橫向位移、初至到時(shí)、初至到時(shí)與沿井孔傳播時(shí)差、由初至計(jì)算的VSP速度、VSP速度與地層真實(shí)速度誤差，以及速度誤差百分比。圖8表明：①當(dāng)?shù)貙觾A角從10°變?yōu)?0°，兩條路徑的透射波到達(dá)井中檢波器的時(shí)差存在顯著差異，且地層傾角越大，相同深度檢波器的時(shí)差越大；②利用初至波到達(dá)時(shí)間計(jì)算的層速度誤差從地層分界面開始隨深度逐漸減??；③利用初至波計(jì)算的層速度與真實(shí)地層速度的誤差隨著地層傾角的增加而顯著增大，在地層傾角為40°時(shí)，利用初至波走時(shí)計(jì)算的層速度與地層真實(shí)速度的誤差達(dá)到約1 000 m/s，與中寒1井實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果[圖2(b)]一致。

圖6 初至拾取選擇對(duì)層速度的影響Fig.6 Influence of first break picking selection on interval velocity

圖7 具有地層傾角變化、巖性突變等特點(diǎn)的兩層結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型以及下行波傳播示意圖Fig.7 The geological model of two-layer structure with dip Angle change and lithologic abrupt change, and the schematic diagram of downgoing wave propagation

2.2.2 界面速度差異對(duì)VSP初至及速度影響

基于斯奈爾定律可知，當(dāng)界面兩側(cè)速度存在不同的差異，透射波會(huì)通過不同的傳播路徑到達(dá)井中檢波器中。固定地層傾角為30°，設(shè)置不同的上覆地層與下伏地層的速度差異(圖9)。圖9中兩個(gè)模型的上覆地層介質(zhì)的縱波速度分別為4 500、4 000 m/s，下伏地層介質(zhì)的速度均為6 600 m/s。圖9所示結(jié)果表明：①當(dāng)在相同的地層傾角情況下，上覆地層和下伏地層速度差異越大，其利用常規(guī)初至到時(shí)計(jì)算的速度與真實(shí)地層速度的誤差越大，且呈現(xiàn)出非線性相關(guān)特征；②上覆地層與下伏地層速度差異越大，利用初至波計(jì)算的層速度誤差的深度范圍越大。

2.2.3 傾斜地層埋深對(duì)VSP初至及速度影響

保持地層傾角與上覆地層和下伏地層的速度相同，設(shè)置上覆地層厚度分別為2 000、6 000 m。速度模型及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。圖10表明傾斜地層的埋藏深度越深，利用初至波到時(shí)計(jì)算的層速度與真實(shí)地層速度差異影響的深度范圍越寬，如當(dāng)上覆地層厚度2 000 m時(shí)，有誤差的速度深度為2 000～3 020 m，而當(dāng)上覆地層厚度6 000 m，有誤差的速度深度為6 000～9 100 m。

3 拾取策略及實(shí)際資料應(yīng)用

基于聲波測(cè)井的縱波速度計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：VpAC為由聲波測(cè)井計(jì)算的縱波速度，m/s；Δt為聲波測(cè)井獲得聲波時(shí)差，μs/ft。

圖8 地層傾角對(duì)初至到時(shí)及VSP速度的影響Fig.8 Influence of dip angle on first arrival time and VSP velocity

圖9 界面速度差異對(duì)初至及VSP速度的影響Fig.9 Influence of interface velocity difference on first arrival time and VSP velocity

圖10 傾斜地層埋深對(duì)VSP初至及速度影響Fig.10 Influence of buried depth on first arrival time and VSP velocity

由VSP初至?xí)r間獲取縱波速度的計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：X為激發(fā)點(diǎn)與井口之間的垂直距離，即井源距；H為從井口地面起算的深度，m；T為初至?xí)r間，s；i為深度采樣點(diǎn)序號(hào)。對(duì)于零井源距情況，X?H，則式(2)可以簡(jiǎn)化為

(3)

由于VSP測(cè)量時(shí)觀測(cè)點(diǎn)道距較小(一般為10 m，或者20 m)，初至?xí)r間的誤差會(huì)引起層速度的高頻抖動(dòng)誤差。一般應(yīng)對(duì)層速度進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)平滑處理。為此，在利用VSP初至計(jì)算層速度時(shí)，本次采用5點(diǎn)中心差分計(jì)算初至?xí)r間梯度

Vpvsp(i)=12ΔH/[T(i+2)-T(i-2)+

8T(i+1)-8T(i-1)]

(4)

圖11 本文方案初至拾取結(jié)果及計(jì)算VSP速度與聲波速度差異Fig.11 The results of first arrival picking using our method, and the difference between VSP velocity and acoustic velocity

結(jié)合上述的數(shù)值模擬分析和關(guān)鍵因素對(duì)初至影響的分析結(jié)果可知，對(duì)于中寒1井面臨的地質(zhì)情況，初至拾取需要拾取分叉復(fù)波的第二個(gè)波峰。初至拾取結(jié)果見圖11(a)。按照式(1)和式(4)獲得聲波速度與VSP層速度見圖11(b)，其中綠色曲線為原始聲波測(cè)井計(jì)算的層速度，紅色曲線為VSP初至?xí)r間計(jì)算的層速度。圖11(b)表明，按照本文研究的初至拾取方案計(jì)算VSP速度與聲波速度隨深度變化的規(guī)律一致。如果按照行業(yè)常規(guī)初至拾取標(biāo)準(zhǔn)拾取中寒1井的“首波”初至，計(jì)算的VSP速度在陡傾角地層以下部分VSP速度顯著高于測(cè)井聲波速度(圖2)，最高速度差異達(dá)2 000 m/s，與前述理論分析一致，且與測(cè)井速度隨深度變化的規(guī)律也不吻合。

圖12為兩種方案初至拾取獲得時(shí)深關(guān)系，與測(cè)井合成記錄對(duì)比，以及地面地震標(biāo)定結(jié)果。圖12表明，按照本文研究的拾取初至方案和速度計(jì)算方法獲得時(shí)深關(guān)系更正確，聲波測(cè)井合成記錄與VSP疊加走廊的波組關(guān)系更為一致，且與地面地震的波組關(guān)系特征更吻合。

4 結(jié)論

圖12 兩種拾取方案的井震標(biāo)定Fig.12 Well to seismic calibration of two kinds of first break picking schemes

針對(duì)深層高陡構(gòu)造VSP記錄呈現(xiàn)的復(fù)波或分叉初至波現(xiàn)象進(jìn)行了理論和實(shí)際研究與分析，研究結(jié)果表明：表現(xiàn)為復(fù)波或者分叉初至波的現(xiàn)象與地層傾角、界面的速度差有密切關(guān)系；地層傾角越大、界面速度差值越大，初至分叉現(xiàn)象越明顯，采取不同的拾取方案計(jì)算的速度誤差越大。

當(dāng)深井-超深井零井源距VSP中初至波出現(xiàn)分叉現(xiàn)象時(shí)，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)拾取“首波”初至不反映垂直投射的垂向速度，將產(chǎn)生嚴(yán)重的速度誤差，應(yīng)沿淺層“首波”同相軸連續(xù)向下拾取。

本文實(shí)例為可控震源激發(fā)，其“初至”為第一個(gè)波峰。當(dāng)初至波出現(xiàn)分叉時(shí)，容易連續(xù)按照“初至”第一個(gè)波峰的同相軸拾?。蝗绻ぐl(fā)源為井炮時(shí)，其“初至”為起跳點(diǎn)，當(dāng)初至波出現(xiàn)分叉時(shí)，受早至“首波”干涉，將難以準(zhǔn)確拾取，需要采取壓制波前，或先拾取波峰等其他技術(shù)手段后換算至起跳等，非本文討論范疇。