利用正演模型研究VSP处理

涂齐催，姜 雨，杜本强

（1. 中国海洋石油有限公司上海分公司研究院，上海 200030；2. 中国石油冀东油田勘探开发研究院，河北唐山 063004）

利用正演模型研究VSP处理

涂齐催1，姜 雨1，杜本强2

（1. 中国海洋石油有限公司上海分公司研究院，上海 200030；2. 中国石油冀东油田勘探开发研究院，河北唐山 063004）

VSP是一种井中地震观测技术，其独特的观测方式，决定了VSP处理也有别于常规地震，最明显的就是VSP资料必须经过波场分离，才能利用下行波或上行波信息对资料进行解释和反演。除波场分离外，VSP还有许多其它独特的处理环节。基于PC-VSP系统，进行了VSP模拟，在正演数据的基础上，研究了VSP处理，取得了较好的效果。

VSP处理；常规地震；波场分离；PC-VSP系统；VSP模拟

VSP是一种井中地震观测技术，不同于常规地震，VSP是在地表附近激发，在井中不同深度布置检波器进行观测。与常规地震相比，VSP资料具有信噪比、分辨率高[1]等优点。VSP资料可提供地层结构同地面测量参数之间最直接的对应关系[2]，可以为地面地震资料处理和解释提供精确的时深转换及速度模型[3]，可为零相位子波分析提供支持[4]，可以可靠地识别地震反射层的地质层位[5-7]，改善地面地震资料的解释效果，甚至可以利用VSP资料研究岩性和储层物性[8-12]。因此，VSP是一种很有前途的地震观测技术。

野外采集的VSP资料和常规地震资料一样，必须经过处理，才能在此基础上进行解释和反演。在VSP勘探中，资料解释一般是利用上行波的信息。但是在原始资料中，上行波很弱，它被较强下行波所掩盖而模糊不清，因此，必须经过波场分离处理，才能提取上行波，否则，几乎不可能识别它们，更谈不上对上行波进行解释。除此之外，VSP处理还包括走廊叠加、VSP-CDP变换等重要环节。

本文通过正演模拟，合成VSP记录，在此基础上对记录进行处理，重点研究了波场分离、走廊叠加、VSP-CDP变换等VSP技术所独有的处理环节，并将处理结果与正演模型进行对比，以验证处理的有效性。

1 VSP勘探中主要地震波

1.1 初至直达波

直达波是由震源点出发向接收点直接传播的波，即依次到达井内各观测点的初至波。直达波也称下行波，其波的旅行时间随观测点深度增大而增大，形成的初至同相轴具有正的视速度，如图1所示。

图1 初至直达波

1.2 一次反射波

一次反射波是由震源点出发向下传播，遇到反射界面并由反射界面向上反射，然后传播到观测点的波。一次反射波旅行时间随观测深度增大而减小，且只有当观测点位于界面之上时才能记录到它，其同相轴具有负的视速度，如图2所示。

图2 一次反射波

1.3 多次波

VSP多次波有上行多次波和下行多次波，凡是来自检波器以下的多次波都是上行多次波，其旅行时随观测点深度增加而减小，其同相轴具有负的视速度，如图3所示。反之，凡是来自检波器以上的多次波都是下行多次波，其旅行时随观测点深度增加而增大，其同相轴具有正的视速度，如图4所示。

图3 上行多次波

图4 下行多次波

1.4 上行波与下行波

图5 一张理想的VSP记录剖面

凡是接收来自观测点以下各种路径的波（无论是一次或多次波）统称上行波。凡是接收来自观测点以上各种路径的波（无论是初至或多次波）统称下行波。图5是一张理想的VSP时间记录剖面。图中：①表示由最初震源点激发产生的下行直达波和一次反射波，用重粗线表示；②表示由界面1反射回来的波到达地表后，经地表反射重新产生的“下行直达波”和“一次反射波”，用中粗线表示，实际上都是多次波，前者是下行多次波，后者是上行多次波；③表示由界面2反射回来的波到达地表后，经地表反射重新产生的“下行直达波”，用细线表示，实际上也是多次波，属下行多次波。

2 PC-VSP系统

VSP模拟和处理，均基于PC-VSP系统。该系统是专门针对VSP开发的一套适用于微机的处理软件。该软件在DOS操作系统下，通过批处理，可实现对VSP资料的全方位多角度的处理。而且，在实际处理过程中，系统允许人机交互，从而达到较好的处理效果。

PC-VSP系统包括若干模块，主体是处理模块，包括SEGY到PC-VSP格式转换、垂直叠加（同深度叠加）、初至拾取、静态时移与排齐、频谱分析与滤波、振幅处理、波场分离、反褶积、Q值补偿、走廊叠加等等。PC-VSP系统中还包括适用于非零偏VSP的一些处理模块，主要是VSP-CDP转换叠加和偏移处理。另外，还有适用于变偏VSP和三分量VSP的一些处理模块，以及频谱分析、速度分析、速度反演等模块。

PC-VSP系统除上述处理模块外，还挂有一个VSP正演的模块RAYTRACE，可以实现射线追踪和合成VSP记录。执行模块RAYTRACE，当其模式设置为MODE＝RAYS时，就可以显示出射线追踪的情况，当其模式设置为MODE＝SYNT时，就可以显示合成的VSP剖面。

3 VSP射线追踪及正演

VSP正演模拟的算法，和其它地球物理正演模拟一样，有解析算法和数值算法两种。解析算法精确严格，但是只适用于比较简单的模型；数值算法不够精确，只是前者不同程度的近似，但适用于较为复杂的模型。VSP模型算法的种类按照不同原则有多种分类方法。例如，以射线理论为基础的模型和以波动方程为基础的模型，声学介质模型和弹性介质模型，水平界面模型和弯曲界面模型，一维模型、二维模型和三维模型等等。本文主要运用旁轴射线近似的射线追踪方法来研究VSP模型，合成相应VSP记录。

旁轴射线近似法[13,14]是在渐进射线理论的基础上，避开两点射线追踪，根据接收点附近的某一条射线的信息，通过外推插值的方式得到接收点的波场信息，这样运行速度和执行效率大大提高，其实现步骤主要有：

（1）在射线初始点位置（激发点）处激发一束扇形射线；

（2）根据渐进射线理论射线级数（公式1）零阶近似计算（1）中所有射线的有关信息：相位、振幅等等；

（3）对于介质中某一接收点R，找出其邻近的一条射线，根据该射线信息再外推R点信息。

通过调整激发点处扇形射线束的密度，旁轴射线近似法可以提高合成VSP记录精度，代价是相应增加计算量。需要注意的是，旁轴射线近似法计算也有条件限制，同渐进射线理论一样，它也是在高频近似条件下才成立；在遇到不同介质分界面时，要求界面必须是连续两次可微的。

ω — 谐波频率；

τ — 相位函数，地震波真正传播到介质中某点的时间；

j — 纯虚数单位；

t — 地震波传播时间；

Wk— k阶射线级数的振幅系数。

根据旁轴射线近似法，结合地质模型（图6）及VSP观测系统，在PC-VSP系统上进行射线追踪（图7），合成VSP记录（图8）。设计的地质模型一共有四层，前三层厚度依次为300、300、200 m，对应的层速度依次为600、1 000、1 500 m/s。正演过程中，选用偏移距=2 000 m，目的是模拟非零偏VSP，在此基础上，研究VSP处理。

图6 地质模型

图7 射线追踪

图8 合成的VSP记录

4 VSP合成记录的处理

VSP处理主要包括垂直叠加（同深度叠加）、初至拾取、静态时移与排齐、频谱分析与滤波、振幅处理、波场分离、反褶积、Q值补偿、走廊叠加等等。处理过程中，初至拾取采用手工方法（图9），滤波采用中值滤波。

波场分离[15]即上、下行波场的分离，是VSP处理中最为重要的一环。实际VSP记录上，上行波和下行波互相重叠在一起，为了单独利用上行波信息或者下行波信息进行资料解释，必须进行波场分离。分离VSP上行波和下行波主要是依据两者视速度不同。在VSP中，下行波旅行时随记录深度增加而增加，视速度为正；上行波旅行时随记录深度增加而减少，视速度为负。进行VSP波场分离的主要方法有F-K滤波、多道速度滤波、τ-p域滤波、中值滤波等等，本文采用中值滤波。中值滤波进行波场分离，速度较F-K域滤波快，效果也很理想，而且整个过程由系统自动处理，客观上减少了人为误差。中值滤波进行波场分离的过程如图10a、10b、10c、10d所示。

图9 初至拾取

图10 中，a是原始记录经下行波排齐后的剖面，b是中值滤波结果（下行波剖面），c是a减去b后的结果（上行波剖面），d是c中上行波剖面经反向时移后恢复到原始记录上的上行波场。

走廊叠加[16]是VSP处理中另一重要的环节。对VSP资料进行垂直求和或叠加，是为了进一步增强上行波、衰减下行波，提高信噪比，并为了VSP资料更好与井旁常规地震剖面进行对比。常见垂直求和方法主要有：局部垂直叠加（类似于混波）、累积求和、垂直求和（上叠加）、限制垂直求和（走廊叠加）。本文垂直求和采用了走廊叠加（图11），可以看出，地质模型的界面在剖面上都得到了准确体现。

图10 中值滤波实现波场分离

图11 走廊叠加剖面

VSP-CDP变换叠加是针对非零偏VSP资料进行的。非零偏VSP是二维观测，通过最终的VSPCDP变换叠加处理，它可以作出一小段地震剖面（局部地震剖面），用很高的垂向和横向分辨率给出井旁一段距离的纵横波地震波反射特征，有利于构造的精细解释、推测岩性变化和可能的含油气性。VSP-CDP变换叠加过程是将一道或整张VSP记录的数据转换到（x，T）空间，形成一小段局部地震剖面（图12），这一剖面同常规地震剖面很接近，可以刻画出地下不同介质分界面的局部形态，甚至构造。

图12 VSP-CDP变换剖面

从图11、图12可以看出，两张剖面都有三条反射同相轴，分别对应大约处于1、1.6、1.85 s的反射界面。

参照正演的地质模型，模型一共有四层，前三层层厚依次为300、300、200 m，对应的层速度依次为600、1 000、1 500 m/s，经过简单计算，地震波穿过各层的单程时间依次为0.5、0.3、0.133 s，地震波到达各层界面的单程时间依次为0.5、0.8、0.933 s，地震波到达各层界面经反射回到地面的双程反射旅行时依次为0.5 s×2、0.8 s×2、0.933 s×2，即分别为1.0、1.6、1.866 s，图11、图12中三条反射同相轴相（分别为1 s、1.6 s和约1.85 s）与该计算结果基本吻合，表明经PC-VSP系统处理的剖面是准确、可靠的，处理过程中所采用的处理参数与思路也是正确的。

5 结论

基于PC-VSP系统，采用旁轴射线近似法进行了VSP正演，模拟了非零偏VSP。在模拟数据的基础上，重点研究了VSP特有的几个重要处理环节，包括波场分离、走廊叠加、VSP-CDP变换叠加等。将最终的处理结果与已知地质模型进行对比，发现两者十分吻合，表明处理过程中所采用的方法和参数是行之有效的；同时也显示了PCVSP系统良好的处理能力，在VSP数据处理中值得推广应用。

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VSP Processing with Forward Model

TU Qicui1, JIANG Yu1, DU Benqiang2
（1. CNOOC Shanghai Ltd., Shanghai 200030, China; 2. Exploration and Developmentl Research Institute, Jidong Oil fi eld, Tangshan Hebei 063004, China）

VSP is a borehole seismic survey technology. Because of its special survey way, VSP processing is quite different from conventional seismic survey, and the most different is that it is necessary for VSP data to be processed with wavef i eld separation, after which, downgoing wave or upgoing wave can be used for interpretation and further inversion. Besides, VSP has many other special processing steps. With PC-VSP system, VSP modeling has been done and further research on VSP processing has also been fi nished on the basis of forward modeling data, obtaining good fi nal processing results.

VSP processing; conventional seismic survey; wavef i eld separation; PC-VSP system; VSP modeling

P631.4

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.04.017

1008-2336（2012）04-0017-06

2012-02-28；改回日期：2012-04-17

涂齐催，男，1979年生，开发地震工程师，硕士研究生，主要从事地震岩石物理及地震反演方面的工作。E-mail：tuqc@cnooc.com.cn。