复杂构造地区零井源距VSP成像方法研究

蔡志东,张庆红,刘聪伟

(中国石油天然气集团公司东方地球物理公司新兴物探处,河北涿州072750)

复杂构造地区零井源距VSP成像方法研究

蔡志东,张庆红,刘聪伟

(中国石油天然气集团公司东方地球物理公司新兴物探处,河北涿州072750)

针对复杂构造地区VSP资料成像处理的难题,对VSP走廊叠加和VSP-CDP转换成像方法进行改进,提出了新的倾角扫描走廊叠加、自动追踪走廊叠加成像方法,以及模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法。通过滨里海地区一口井的实际VSP资料,证实了走廊叠加和零井源距成像新方法的有效性与实用性。研究结果表明：①新的倾角扫描走廊叠加方法和自动追踪走廊叠加方法均可以实现复杂构造地区倾斜同相轴有效叠加的目的,较好地解决倾斜地层的VSP标定问题,其中自动追踪走廊叠加方法能更好地保护原始波组特征,减小降频影响,叠加结果更可靠;②模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法可以更好地揭示井旁构造细节,有利于精细构造解释或井-地联合地震解释等。

复杂构造;VSP成像;走廊叠加;VSP-CDP转换

随着VSP技术的持续发展和应用领域的不断拓宽,在复杂构造地区进行零偏垂直地震剖面法(Z-VSP)采集的项目也逐渐增多。但是，在复杂构造地区采用常规的地震处理方法难以同相叠加得到理想的走廊叠加剖面,进而导致层位标定不准确等问题。同时,受VSP观测形式的影响,VSP数据难以借用地面地震中通常使用的各种偏移成像方法,而较为常用的VSP-CDP转换成像方法又面临着无法偏移归位的难题。为此,本文提出了复杂构造地区VSP走廊叠加和VSP-CDP转换成像新方法,并通过复杂构造地区的实际VSP资料对新方法进行了验证。

1 实际VSP资料分析

文中用于方法验证的复杂构造地区实际VSP资料取自滨里海地区的一口VSP观测井。通过地震剖面以及钻井资料分析可知,该井区地层反射特征相对清晰,二叠系、石炭系及其内幕地层倾角很大,并且倾向各不相同。图1a给出了该井的VSP原始记录Z分量,资料信噪比较高,上行反射清晰可见;图1b为该记录分离后的上行波场,利用了相对保真的波场分离手段以确保来自不同倾角地层的上行反射不被破坏;图1c为动校正后的上行波场,在利用VSP速度进行动校正的过程中,发现VSP记录中部反射同相轴严重倾斜,分析认为是井区所发育复杂构造地层的真实响应。依据射线最短时间理论,无论井筒附近地层产状如何,在零井源距VSP记录中均表现为反射同相轴上倾,这对常规的VSP走廊叠加方法提出了挑战。

图1 滨里海地区某井VSP原始记录Z分量(a)及分离后的上行波场(b)和动校正后上行波场(c)

2 VSP走廊叠加成像

2.1 常规走廊叠加方法

常规VSP走廊叠加公式[1]为：

(1)

利用公式(1)进行走廊叠加时,对输入数据有一定要求,因此需要对输入的VSP数据进行近井口切除。通常有依据深度和依据时间两种切除方法,按深度切除时n为恒定值(除边界位置外),而按时间切除时n是变化的。根据公式(1),无论哪种切除方法,输出数据均为同时刻的叠加结果。对于倾斜地层,由于NMO剖面中同相轴与时间轴存在夹角,因此无法同相叠加得到可靠的VSP走廊,这对VSP标定造成了很大的影响[2-3]。

2.2 倾角扫描走廊叠加方法

孟恩等[4]于2005年提出基于射线追踪计算VSP倾角的叠加方法。该方法对于构造相对简单地区的VSP叠加有一定的效果,但是对于复杂构造地区,通过正演射线追踪的方法计算倾角难度大,在实际应用中不能保证全井段数据的同相叠加。因此,我们研究提出更可靠、适应性更广的倾角扫描走廊叠加方法。

根据VSP观测系统的特点,不管是在简单构造地区还是在复杂构造地区,也不管是直井还是斜井,在所记录的VSP数据中,初至位置的上、下行波总是可靠的。根据这一特点,在初至位置直接进行同相轴倾角扫描，进而进行倾角叠加,可以达到不同时间同相轴有效叠加的目的。当然,这种叠加方法以可靠的波场分离[5-6]为基本前提。

目前,许多商业处理软件都有同相轴倾角扫描模块,可以用来计算得到沿时间或深度的倾角序列。图2为滨里海地区VSP资料进行常规走廊叠加的方向、同相轴倾角扫描的方向以及根据倾角扫描结果绘制的时间-倾角曲线,据此可以直观地看到井中不同地层所对应的同相轴倾角的变化情况。

得到同相轴倾角序列后,通过数学插值运算对滨里海地区VSP数据进行倾角校正,结果如图3所示。通过对比可见,倾斜的地震反射同相轴被拉平,基于该数据进行常规的同时刻走廊叠加,即可得到相对可靠的VSP成果数据。该成果数据可以用于层位标定等地震解释工作[3,7]。

图2 滨里海地区VSP资料的常规叠加方向(a)、倾角扫描后叠加的方向(b)和倾角扫描得到的时间-倾角曲线(c)

图3 滨里海地区实际VSP资料同相轴倾角校正前(a)、后(b)对比

2.3 自动追踪走廊叠加方法

在地震剖面中进行同相轴自动追踪是一项非常实用的地震处理技术,前人已经进行过许多相关的研究工作[8-10]。本文针对VSP数据特点,提出一种较为简单的自动追踪走廊叠加方法。该方法不依赖于倾角扫描,完全基于数学统计计算,在信噪比较高的VSP上行波场中,根据样点振幅值变化规律进行自适应的同相轴追踪,适用于地层构造相对复杂的井区。通过振幅比较进行自动追踪的表达式为：

(2)

式中：t是当前时刻;t′是追踪的下一时刻;Δt是时间采样间隔;A是当前地震道;B是下一地震道。

利用公式(2)反复循环计算得到的自动追踪结果,采用与倾角叠加相似的方法进行叠加,得到自动追踪走廊叠加剖面。图4为VSP自动追踪走廊叠加方法的处理流程示例:①人工合成一个VSP数据的NMO剖面模型,该模型共包含9个弯曲但不相交的同相轴,主频为30Hz(图4a);②从初至位置开始自动追踪反射同相轴峰值(图4b);③对图4b所示峰值曲线进行外延处理,以补充初至前的空缺数据,便于下一步插值计算(图4c);④对叠加曲线进行加密插值(图4d);⑤初至切除(图4e);⑥叠加曲线的样点化插值,以保证数据中所有样点均可被追踪(图4f)。依照该流程进行处理,可以叠加得到新的自动追踪走廊叠加剖面。

图4 VSP自动追踪走廊叠加方法处理流程的示例说明

图5a为图4a中的上行波NMO剖面的灰度图显示;图5b为采用常规方法在图5a中切除的走廊编辑剖面;图5c为采用常规方法的走廊叠加成果;图5d为自动追踪走廊叠加成果;图5e为自动追踪走廊叠加的等效NMO剖面,相当于对图5a的弯曲同相轴进行了拉平处理。对比图5c和图5d 可见,自动追踪走廊叠加很好地解决了常规走廊叠加方法使得反射特征变差的问题。

将自动追踪走廊叠加方法应用于滨里海地区实际VSP数据,并与常规的走廊叠加方法应用的效果进行对比。图6给出了两种走廊叠加成像剖面嵌入的过VSP观测井的地面地震时间域叠加剖面。通过对比可见,常规的走廊叠加方法在1000～1300ms区间内不能同相叠加得到明显的反射同相轴(图6a);而利用自动追踪走廊叠加方法得到的成像剖面与地面地震剖面吻合较好(图6b),呈现出倾斜地层的反射特征,可以用于地质层位标定等进一步的解释工作。

2.4 几种走廊叠加方法对比

通过对几种走廊叠加方法的对比,可以得到以下几点结论：

1) 常规的走廊叠加方法难以对倾斜地层的反射同相轴进行有效叠加。其缺陷一是剖面中对应倾斜地层的反射同相轴变弱;二是反射波频率变低;三是VSP标定的实际位置偏高。

图5 常规方法与自动追踪方法的VSP走廊叠加成果对比

图6 常规走廊叠加方法(a)和自动追踪走廊叠加方法(b)得到的滨里海地区VSP成像剖面嵌入地面地震剖面效果对比

2) 目前基于射线追踪计算VSP倾角并叠加走廊的方法对于简单地层有一定效果,但其对正演模型的依赖性较大,尤其是在复杂构造情况下难以得到较好的叠加效果。

3) 倾角扫描走廊叠加方法不受模型约束,可借助常用地震处理软件完成,在地层倾角有规律性的地区可取得较好的叠加效果。

4) 自动追踪走廊叠加方法的优点与倾角扫描走廊叠加方法相似,并且可适用于起伏地层,对原始波组特征保护更好,降频影响更小,叠加结果更可靠,但对波场的信噪比要求比较高。

后两种方法为本文所提出的走廊叠加新方法,其保真度高,适用性广,可根据具体井区资料情况有选择地加以使用。对于定向井VSP,井轨迹往往与地层不垂直[11],同样可以采用本文提出的两种走廊叠加方法沿井轨迹切除得到走廊叠加成像剖面。

3 零井源距VSP-CDP转换成像

3.1 常规VSP-CDP转换成像方法

根据Wyatt等[12]给出的VSP-CDP直井水平层成像公式,当地层界面深度为y,检波器深度为z,震源偏移距为x0,直达波旅行时为t0时,任意一个反射点(z,t)转换到(x,T)的关系式如下。

反射点偏移距：

(3)

反射点双程垂直时间：

(4)

上述常规VSP-CDP转换成像方法被广泛应用于平层、角度不大的斜层VSP成像[13],也常常被用于定向井VSP资料的处理。然而,在复杂构造地区常规VSP-CDP转换成像方法存在着很大的局限性。受观测系统自身影响,无论是零井源距还是非零井源距VSP资料,VSP-CDP转换成像方法总是难以使复杂构造的反射同相轴准确归位[14]。图7为滨里海地区实际过井地面地震时间域叠加剖面及常规VSP零井源距成像镶嵌剖面,对比复杂构造层段的反射特征,可以明显看到800～1300ms反射同相轴的归位异常。这也是偏移成像方法在井中地震处理领域发展较慢的主要原因[16]。

图7 滨里海地区实际过井地面地震时间域叠加剖面(a)及常规VSP零井源距成像镶嵌剖面(b)

由于不能准确归位,VSP成果一度无法解决地球物理分层的多解性问题。于是,国内外许多学者转向借助地面地震模型、利用模型正演来引导成像。这些方法可以通过约束倾角、成像区域等得到较好的成像结果,但借助模型正演的方法本身却引起多方面的争议,其理论的可靠程度还有待进一步的考验[15]。为此,本文研究提出一种对于模型依赖程度相对较小的VSP-CDP转换成像方法。

3.2 模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法

模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法不同于模型法,不强制进行反射点归位,仅通过模型边界约束成像。

零井源距VSP虽然难以偏移归位,但其炮点距井口较近,多数情况下可以近似认为井口处激发,因而可以忽略炮点方位对于地层反射成像的影响。在直井采集时,其过井成像剖面可自由选择,通常选取垂直于地层走向方向成像,这样反射点基本落在成像平面上,这为模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法提供了基本保证。

3.3 不同VSP-CDP转换成像方法效果对比

在复杂构造地区的VSP数据处理中,常规的VSP-CDP转换成像方法无法分辨来自井旁斜层反射的方向,因此无法得到反映地下真实构造的成像结果。而模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法则可以在反射点所在平面上进行成像,同时,该方法为了减小成像结果对于正演模型的依赖性,仅约束了成像边界,不具体计算每一个反射点位置,不强制进行数据搬移。该方法在复杂构造地区的直井VSP中应用效果理想,同时也适用于沿地层倾向方向造斜的定向井VSP数据成像处理。基于该方法所得到的成像结果比较准确,可以应用于精细构造解释或井-地联合地震解释等[17]。

图8 模型及反射点范围追踪(a)和模型边界约束的VSP零井源距成像镶嵌剖面(b)

4 结束语

本文提出的两种走廊叠加和一种VSP-CDP转换成像新方法可以在一定程度上解决复杂构造地区零井源距VSP资料的处理难题,更好地配合地面地震资料进行精细的地震解释。其中,倾角扫描走廊叠加和自动追踪走廊叠加方法可以较好地解决倾斜地层的VSP标定问题;而模型边界约束的VSP-CDP转换成像方法可以更好地揭示井旁构造细节,在实际生产中应用效果良好。

致谢：感谢中国石油(土库曼斯坦)阿姆河天然气公司提供数据支持。

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(编辑：戴春秋)

Zero-offset VSP imaging method for complex structures

Cai Zhidong,Zhang Qinghong,Liu Congwei

(NewTechniqueProspectingDepartment,BGPInc.,CNPC,Zhuozhou072750,China)

In order to solve the imaging problem of VSP acquisition with complex structures,we improved the VSP corridor stacking and VSP-CDP transform,and proposed dip-scanning corridor stacking method,auto-tracing corridor stacking imaging method and model boundary constraint VSP-CDP imaging method imaging.These methods are applied to the field VSP data in Pre-Caspian Basin.The result shows that these methods are valid for the VSP processing:① the two corridor stacking methods are available for declining alignments of complex structures to well solve the VSP calibration problem of declining formations;② the corridor stacking of automatic tracing method is more reliable because which can better protect original characteristics of wave groups and reduce the impact of frequency decrease;③ the model boundary constraint VSP-CDP transform imaging method can be used to study the detail of wellside geologic structures and beneficial for fine structure interpretation or borehole-ground joint seismic interpretation,etc.

complex structures,VSP imaging,corridor stacking,VSP-CDP transform

2014-05-09;改回日期：2014-09-05。

蔡志东(1978—),男,工程师,主要从事井中地球物理方法研究、复杂构造地区VSP处理解释等。

P631

A

1000-1441(2015)03-0309-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.03.009