松辽盆地梨树断陷SN167井三维VSP采集参数优化

李瑞磊,冯晓辉，陈光宇

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京100083;2.中国石油化工股份有限公司东北油气分公司勘探开发研究院，吉林长春130062)

随着井下多级多分量接收系统的研制成功和推广应用，三维VSP技术在20世纪90年代末迎来了发展的高潮。在1998年第68届SEG年会上，有8篇文章是关于三维VSP勘探技术的，主要涉及三维VSP的快速射线追踪、资料处理[1]和Kirchhoff深度偏移等方面的研究进展。其后大量的应用研究成果表明，三维VSP资料具有分辨率高和各向异性信息丰富的特点。高分辨率的资料可以对井眼附近区域地面地震资料无法成像的小构造进行成像；丰富的各向异性信息可以实现井周高分辨率三维成像，有利于岩性特征研究和井位评价。

近十多年来，国内三维VSP技术的研究与应用也得到了快速发展，在资料采集和处理方面均取得了丰硕的成果[2-11]，为油气藏精细勘探开发提供了高精度的资料保障。但三维VSP资料采集受井孔条件和地层条件的约束，采集参数的选择对获取的资料效果具有显著影响，因此，针对不同的地质任务开展三维VSP资料采集时，需要根据地质条件和资料要求进行采集参数的优化[12-15]。

目前三维VSP观测方式有4种，分别是线形观测、环形观测、放射状观测和斜井观测。线性观测是指震源在地面呈纵、横向线性变化，在井下用多级检波器接收，其适用范围广，所获资料有利于波动方程偏移成像，但采集施工工作量大。环形观测是指震源在地面围绕井点移动，保持震源与井口的井源距不变，震源相对于井点处于不同的方位，所获资料便于分析地层倾角和走向，有利于裂缝检测，但不利于波动方程偏移成像，且资料处理、解释过程复杂。放射状观测是指炮点为线状分布，每条炮点线为经过井点的直线，线上炮点等间隔变化，线与线成角度变化，采集施工工作量小，空间采样密度低，但施工难度大，且资料的处理、解释存在闭合问题。斜井观测是指井下每个检波点所对应的炮点线经过其在地面的投影点(炮点线必须与检波点共面)，并且垂直于井在地面的投影线，炮点等间隔变化，以便应用斜井的处理解释方法，其采集施工难度较大。

松辽盆地梨树断陷SN167井区三维VSP勘探的主要任务是利用三维VSP资料落实井旁小断层，开展井周储层预测。为了获得高精度的资料，我们针对陆上大斜度井研究了三维VSP采集参数优化技术，取得了较好的应用效果。

1 基本地震地质条件

松辽盆地梨树断陷SN167井区油源条件好，并具有较好的储盖组合，已经发现了多套油气组合，油气层跨度大(1300～2400m)，从沙河子组到泉头组均有油气发现。该区断裂发育，东侧断裂走向为南北向，西南侧断裂走向为北西向，西北方向断裂走向为北东向，形成包心菜式构造，且各界面断层组合还存在一定的差别，断距可超过200m。目的层在后期发生过挤压反转作用，形成了褶皱(图1a)。SN167井是梨树断陷中央构造带上的一口大斜度井，井深2950m，在2000m造斜，井底闭合位移146.90m，井底闭合方位为东偏南25.8°(图1b)。根据测井资料确定的该井不同层位速度见表1所示。

图1 SN167井区地层构造特征(a)和井轨迹示意(b)

地质层位(底界)钻井深度/m双程旅行时/ms层速度/(m·s-1)泉二段913.5658.03550.73泉一段1363.0904.03654.47登娄库组1627.01027.04292.68营城组2362.01391.04038.46沙河子组2753.01575.04250.00火石岭组(未穿)2870.01626.84517.38

2 三维VSP采集参数优化

三维VSP采集参数优化的目的是在有限级数的井中检波器条件下，最大限度地得到井周目的层具有较高覆盖次数和更大反射范围的资料。SN167井三维VSP采集参数的优化主要针对井源距范围、检波器沉放深度和井下观测点数，以获得合适的观测范围和覆盖次数。

2.1 最大井源距

当检波点深度固定时，随着井源距的增加，观测面积增大；当井源距固定时，随着检波点深度减小，观测面积也增大。虽然大的井源距能获得较大的观测面积，但最大井源距主要是满足临界角的需要，超过临界角后反射系数不稳定，难以获得较好的反射信息。

假定井周地层为弱各向异性HTI介质，即地层分界面两侧的物性参数具有弱不连续性，则小角度入射情况下P-P波[16-17](以下简记为PP波)及P-SV波[18-19](以下简记为PS波)反射系数近似地满足公式:

式中:i为入射角；φ为测线方位关于轴对称方向旋转的方位角；ρ为介质密度；z为波阻抗，z=ρα；G为切向模量，G=ρβ2；ε(P)为纵波各向异性，是度量纵波各向异性强度的参数,ε(P)越大，介质的纵波各向异性强度越大；δ(P)为纵波变异系数，表示纵波在垂直方向各向异性变化的快慢程度；γ为横波各向异性，是度量横波各向异性或横波分裂强度的参数；α和β分别为纵波和横波垂向传播速度。前置符号“Δ”的项为上、下两层参数的差，上置符号“—”的项为上、下两层参数的均值。

图2 SN167井速度模型及入射角与最大井源距的关系

根据表1建立SN167井速度模型，如图2所示。利用公式(1)和公式(2)计算最深目标界面PP波和PS波反射系数与入射角的关系曲线，如图3所示。由图3可以看出，在0～45°入射角之间PP波和PS波反射系数较为稳定。据此，可确定入射角控制在45°以内时最深目标界面的最大井源距不能大于3500m(图2)。

图3 SN167井入射角与反射系数的关系曲线

2.2 检波器沉放深度

VSP观测的检波器沉放深度主要考虑两个因素:一是应尽量靠近目的层，其目的是利用三分量检波器充分接收地层的各向异性信息；二是成像范围和覆盖次数。还需要考虑以下限制:①检波器沉放深度越小，覆盖范围越大，但下行波和上行波之间的时差越小，不利于波场分离和精确成像；②检波器离目的层越远，频率成分越低。

检波器沉放深度HG及成像范围r与最大井源距x的关系为

(3)

式中:H是最深目的层深度。由公式(3)可以看出，当最大井源距固定时，检波器沉放深度越小，获得的覆盖范围越大。因此，需要通过不同检波器沉放深度的成像范围和覆盖次数正演来选择合适的沉放深度。

三维情况下EDA介质中经过坐标旋转后的弹性波动方程为

(4)

其中，dij为观测坐标系下经过坐标旋转后的EDA介质的弹性常数。在二维情况下，对称轴与x轴重合，xoz面为各向异性面，在xoz平面内∂/∂y=0，弹性波动方程为

(5)

对ux进行二阶中心差分离散得

(6)

同理可得uy，uz的差分离散格式。

采用20m×20m面元对SN167井区3种不同沉放深度的主要目的层成像范围和覆盖次数进行正演计算，结果如图4，图5和图6所示，对应检波器沉放深度分别为1100～1400m，1200～1500m和1400～1700m。1100～1400m检波器沉放于泉二段和接近泉一段的顶面，可以获得较多层位的信息，成像面积大(PP波，5.1km2，6.2km2，6.6km2；PS波，2.9km2，3.2km2，3.4km2)，但是覆盖次数较低(PP波，7次，6次，5次；PS波,13次，12次，11次)；1200～1500m检波器沉放于强反射层登娄库组顶面上方，有利于层位标定，同时较为接近深层目的层，各反射层的覆盖次数(PP波，8次，6次，6次；PS波，14次，12次，12次)和成像面积(PP波，4.6km2，5.7km2，6.3km2；PS波，2.6km2，3.1km2，3.2km2)适中。1400～1700m检波器的位置更靠近目的层，其成像面积(PP波，3.4km2，4.9km2，5.6km2；PS波，1.8km2，2.5km2，2.6km2)在各反射界面相对较小。综合考虑，选用1200～1500m沉放深度较为合适，观测井段的上界定为1200m。

图4 检波器沉放深度为1100～1400m，20m×20m面元的成像面积及覆盖次数正演结果a 登娄库组底PP波; b 登娄库组底PS波; c 营城组底PP波; d 营城组底PS波; e 沙河子组底PP波; f 沙河子组底PS波

图5 检波器沉放深度为1200～1500m,20m×20m面元的成像面积及覆盖次数正演结果a 登娄库组底PP波; b 登娄库组底PS波; c 营城组底PP波; d 营城组底PS波; e 沙河子组底PP波; f 沙河子组底PS波

图6 检波器沉放深度为1400～1700m，20m×20m面元的成像面积及覆盖次数正演结果a 登娄库组底PP波; b 登娄库组底PS波; c 营城组底PP波; d 营城组底PS波; e 沙河子组底PP波; f 沙河子组底PS波

2.3 井下观测点数

分别采用不同级数的检波器串，利用上述正演方法分析成像面积和覆盖次数，再由成像面积和覆盖次数确定合适的井下观测点数。

根据主要目的层登娄库组、营城组和沙河子组的底界面反射PP波、PS波的覆盖次数和成像范围，确定检波器沉放于1200m以下，分别采用16级(方案Ⅰ)和20级(方案Ⅱ)检波器串接收。针对两种方案，采用炮线距90m，炮点距80m，最大井源距3500m分别进行正演分析，结果见表2。由表2可知:方案Ⅰ和方案Ⅱ有相同的成像面积，但方案Ⅱ的覆盖次数较高一些。因此，选用20级井下检波器20m×20m面元接收较为合适。

表2 16级和20级检波器接收时成像面积及覆盖次数的正演计算结果

3 应用效果分析

3.1 三维VSP采集方案

3.1.1 激发因素

通过激发因素试验，确定SN167井三维VSP采集的激发因素为:TNT炸药；井深在潜水面以下7～9m，最浅不能小于15m。

3.1.2 观测系统

通过对SN167井三维VSP采集参数的优化，确定检波器沉放深度1200～1580m，检波器间距20m；炮点距80m；炮线距90m；最大井源距3500m。

3.2 单炮资料分析

采用上述SN167井三维VSP采集方案，获得的原始单炮记录波场信息丰富，初至起跳干脆，直达波、反射波清晰，只存在一些由于固井不好造成的套管干扰、谐振干扰以及一些随机干扰。

由于单炮记录的下行波能量很强，干扰对上行波资料的观察，因此，我们对上行波进行了分频扫描，得到了较为清晰的上行波和下行波，如图7所示。其中80～160Hz分频扫描的结果还有上行波，表明三维VSP资料频带较宽。

3.3 处理效果分析

图8为SN167井区地面三维地震资料与三维VSP资料及其频谱分析结果对比，可见三维VSP资料的频率明显高于地面三维地震资料，频带拓宽20～30Hz。高分辨率的三维VSP资料使得我们对于井周地层内部结构的识别更为清晰，从图8红框③所示范围内识别出更小断距的断层。在图8红框②处三维地震剖面中无法识别的透镜体，在三维VSP资料中也有清晰的显示。对实际资料处理结果进行分析表明，三维VSP资料具有识别井旁低幅构造的优势，可以较大幅度地提升目标区精细刻画的精度。

3.4 解释效果分析

图9a是过SN167井主测线方向的地面三维地震剖面，图9b是在地面三维地震剖面中镶嵌了三维VSP成像剖面的结果。由于剖面分辨率的显著提高，在图9b镶嵌的VSP剖面上识别出的小断层较图9a中多了5条，而这些小断层在图9a的地面地震资料上无法分辨。高分辨率的VSP成像剖面也为井周复杂断层体系的精细解释和薄储层的预测提供了可能。

图7 SN167井三维VSP原始单炮记录分频扫描结果a 10～20Hz; b 20～40Hz; c 40～80Hz; d 60～120Hz; e 80～160Hz

图8 SN167井区地面三维地震资料与三维VSP资料对比a 地面三维地震剖面及频谱分析; b 三维VSP地震剖面及频谱分析

图9 SN167井区地面三维地震资料(a)与三维VSP资料解释剖面(b)

4 结束语

针对松辽盆地梨树断陷中央构造带上SN167井三维VSP地震资料采集，应用基于弱各向异性介质假设的正演模拟分析技术，对最大井源距、检波器沉放深度和观测点数等三维VSP采集参数进行优化，综合考虑目的层成像范围和覆盖次数，确定了SN167井三维VSP采集方案。

SN167井区地面三维地震资料与三维VSP资料的对比分析表明，三维VSP资料的频率显著提高，频带拓宽了20～30Hz，三维VSP成像剖面上地层内部结构的识别更为清晰，小断层的识别能力大幅提高，为井周复杂断层体系的精细解释和薄储层的预测提供了可能。

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