涂齊催，姜 雨，杜本強

（1. 中國海洋石油有限公司上海分公司研究院，上海 200030；2. 中國石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004）

利用正演模型研究VSP處理

涂齊催1，姜 雨1，杜本強2

（1. 中國海洋石油有限公司上海分公司研究院，上海 200030；2. 中國石油冀東油田勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004）

VSP是一種井中地震觀測技術(shù)，其獨特的觀測方式，決定了VSP處理也有別于常規(guī)地震，最明顯的就是VSP資料必須經(jīng)過波場分離，才能利用下行波或上行波信息對資料進行解釋和反演。除波場分離外，VSP還有許多其它獨特的處理環(huán)節(jié)。基于PC-VSP系統(tǒng)，進行了VSP模擬，在正演數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了VSP處理，取得了較好的效果。

VSP處理；常規(guī)地震；波場分離；PC-VSP系統(tǒng)；VSP模擬

VSP是一種井中地震觀測技術(shù)，不同于常規(guī)地震，VSP是在地表附近激發(fā)，在井中不同深度布置檢波器進行觀測。與常規(guī)地震相比，VSP資料具有信噪比、分辨率高[1]等優(yōu)點。VSP資料可提供地層結(jié)構(gòu)同地面測量參數(shù)之間最直接的對應(yīng)關(guān)系[2]，可以為地面地震資料處理和解釋提供精確的時深轉(zhuǎn)換及速度模型[3]，可為零相位子波分析提供支持[4]，可以可靠地識別地震反射層的地質(zhì)層位[5-7]，改善地面地震資料的解釋效果，甚至可以利用VSP資料研究巖性和儲層物性[8-12]。因此，VSP是一種很有前途的地震觀測技術(shù)。

野外采集的VSP資料和常規(guī)地震資料一樣，必須經(jīng)過處理，才能在此基礎(chǔ)上進行解釋和反演。在VSP勘探中，資料解釋一般是利用上行波的信息。但是在原始資料中，上行波很弱，它被較強下行波所掩蓋而模糊不清，因此，必須經(jīng)過波場分離處理，才能提取上行波，否則，幾乎不可能識別它們，更談不上對上行波進行解釋。除此之外，VSP處理還包括走廊疊加、VSP-CDP變換等重要環(huán)節(jié)。

本文通過正演模擬，合成VSP記錄，在此基礎(chǔ)上對記錄進行處理，重點研究了波場分離、走廊疊加、VSP-CDP變換等VSP技術(shù)所獨有的處理環(huán)節(jié)，并將處理結(jié)果與正演模型進行對比，以驗證處理的有效性。

1 VSP勘探中主要地震波

1.1 初至直達波

直達波是由震源點出發(fā)向接收點直接傳播的波，即依次到達井內(nèi)各觀測點的初至波。直達波也稱下行波，其波的旅行時間隨觀測點深度增大而增大，形成的初至同相軸具有正的視速度，如圖1所示。

圖1 初至直達波

1.2 一次反射波

一次反射波是由震源點出發(fā)向下傳播，遇到反射界面并由反射界面向上反射，然后傳播到觀測點的波。一次反射波旅行時間隨觀測深度增大而減小，且只有當(dāng)觀測點位于界面之上時才能記錄到它，其同相軸具有負的視速度，如圖2所示。

圖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，凡是來自檢波器以下的多次波都是上行多次波，其旅行時隨觀測點深度增加而減小，其同相軸具有負的視速度，如圖3所示。反之，凡是來自檢波器以上的多次波都是下行多次波，其旅行時隨觀測點深度增加而增大，其同相軸具有正的視速度，如圖4所示。

圖3 上行多次波

圖4 下行多次波

1.4 上行波與下行波

圖5 一張理想的VSP記錄剖面

凡是接收來自觀測點以下各種路徑的波（無論是一次或多次波）統(tǒng)稱上行波。凡是接收來自觀測點以上各種路徑的波（無論是初至或多次波）統(tǒng)稱下行波。圖5是一張理想的VSP時間記錄剖面。圖中：①表示由最初震源點激發(fā)產(chǎn)生的下行直達波和一次反射波，用重粗線表示；②表示由界面1反射回來的波到達地表后，經(jīng)地表反射重新產(chǎn)生的“下行直達波”和“一次反射波”，用中粗線表示，實際上都是多次波，前者是下行多次波，后者是上行多次波；③表示由界面2反射回來的波到達地表后，經(jīng)地表反射重新產(chǎn)生的“下行直達波”，用細線表示，實際上也是多次波，屬下行多次波。

2 PC-VSP系統(tǒng)

VSP模擬和處理，均基于PC-VSP系統(tǒng)。該系統(tǒng)是專門針對VSP開發(fā)的一套適用于微機的處理軟件。該軟件在DOS操作系統(tǒng)下，通過批處理，可實現(xiàn)對VSP資料的全方位多角度的處理。而且，在實際處理過程中，系統(tǒng)允許人機交互，從而達到較好的處理效果。

PC-VSP系統(tǒng)包括若干模塊，主體是處理模塊，包括SEGY到PC-VSP格式轉(zhuǎn)換、垂直疊加（同深度疊加）、初至拾取、靜態(tài)時移與排齊、頻譜分析與濾波、振幅處理、波場分離、反褶積、Q值補償、走廊疊加等等。PC-VSP系統(tǒng)中還包括適用于非零偏VSP的一些處理模塊，主要是VSP-CDP轉(zhuǎn)換疊加和偏移處理。另外，還有適用于變偏VSP和三分量VSP的一些處理模塊，以及頻譜分析、速度分析、速度反演等模塊。

PC-VSP系統(tǒng)除上述處理模塊外，還掛有一個VSP正演的模塊RAYTRACE，可以實現(xiàn)射線追蹤和合成VSP記錄。執(zhí)行模塊RAYTRACE，當(dāng)其模式設(shè)置為MODE＝RAYS時，就可以顯示出射線追蹤的情況，當(dāng)其模式設(shè)置為MODE＝SYNT時，就可以顯示合成的VSP剖面。

3 VSP射線追蹤及正演

VSP正演模擬的算法，和其它地球物理正演模擬一樣，有解析算法和數(shù)值算法兩種。解析算法精確嚴格，但是只適用于比較簡單的模型；數(shù)值算法不夠精確，只是前者不同程度的近似，但適用于較為復(fù)雜的模型。VSP模型算法的種類按照不同原則有多種分類方法。例如，以射線理論為基礎(chǔ)的模型和以波動方程為基礎(chǔ)的模型，聲學(xué)介質(zhì)模型和彈性介質(zhì)模型，水平界面模型和彎曲界面模型，一維模型、二維模型和三維模型等等。本文主要運用旁軸射線近似的射線追蹤方法來研究VSP模型，合成相應(yīng)VSP記錄。

旁軸射線近似法[13,14]是在漸進射線理論的基礎(chǔ)上，避開兩點射線追蹤，根據(jù)接收點附近的某一條射線的信息，通過外推插值的方式得到接收點的波場信息，這樣運行速度和執(zhí)行效率大大提高，其實現(xiàn)步驟主要有：

（1）在射線初始點位置（激發(fā)點）處激發(fā)一束扇形射線；

（2）根據(jù)漸進射線理論射線級數(shù)（公式1）零階近似計算（1）中所有射線的有關(guān)信息：相位、振幅等等；

（3）對于介質(zhì)中某一接收點R，找出其鄰近的一條射線，根據(jù)該射線信息再外推R點信息。

通過調(diào)整激發(fā)點處扇形射線束的密度，旁軸射線近似法可以提高合成VSP記錄精度，代價是相應(yīng)增加計算量。需要注意的是，旁軸射線近似法計算也有條件限制，同漸進射線理論一樣，它也是在高頻近似條件下才成立；在遇到不同介質(zhì)分界面時，要求界面必須是連續(xù)兩次可微的。

ω — 諧波頻率；

τ — 相位函數(shù)，地震波真正傳播到介質(zhì)中某點的時間；

j — 純虛數(shù)單位；

t — 地震波傳播時間；

Wk— k階射線級數(shù)的振幅系數(shù)。

根據(jù)旁軸射線近似法，結(jié)合地質(zhì)模型（圖6）及VSP觀測系統(tǒng)，在PC-VSP系統(tǒng)上進行射線追蹤（圖7），合成VSP記錄（圖8）。設(shè)計的地質(zhì)模型一共有四層，前三層厚度依次為300、300、200 m，對應(yīng)的層速度依次為600、1 000、1 500 m/s。正演過程中，選用偏移距=2 000 m，目的是模擬非零偏VSP，在此基礎(chǔ)上，研究VSP處理。

圖6 地質(zhì)模型

圖7 射線追蹤

圖8 合成的VSP記錄

4 VSP合成記錄的處理

VSP處理主要包括垂直疊加（同深度疊加）、初至拾取、靜態(tài)時移與排齊、頻譜分析與濾波、振幅處理、波場分離、反褶積、Q值補償、走廊疊加等等。處理過程中，初至拾取采用手工方法（圖9），濾波采用中值濾波。

波場分離[15]即上、下行波場的分離，是VSP處理中最為重要的一環(huán)。實際VSP記錄上，上行波和下行波互相重疊在一起，為了單獨利用上行波信息或者下行波信息進行資料解釋，必須進行波場分離。分離VSP上行波和下行波主要是依據(jù)兩者視速度不同。在VSP中，下行波旅行時隨記錄深度增加而增加，視速度為正；上行波旅行時隨記錄深度增加而減少，視速度為負。進行VSP波場分離的主要方法有F-K濾波、多道速度濾波、τ-p域濾波、中值濾波等等，本文采用中值濾波。中值濾波進行波場分離，速度較F-K域濾波快，效果也很理想，而且整個過程由系統(tǒng)自動處理，客觀上減少了人為誤差。中值濾波進行波場分離的過程如圖10a、10b、10c、10d所示。

圖9 初至拾取

圖10 中，a是原始記錄經(jīng)下行波排齊后的剖面，b是中值濾波結(jié)果（下行波剖面），c是a減去b后的結(jié)果（上行波剖面），d是c中上行波剖面經(jīng)反向時移后恢復(fù)到原始記錄上的上行波場。

走廊疊加[16]是VSP處理中另一重要的環(huán)節(jié)。對VSP資料進行垂直求和或疊加，是為了進一步增強上行波、衰減下行波，提高信噪比，并為了VSP資料更好與井旁常規(guī)地震剖面進行對比。常見垂直求和方法主要有：局部垂直疊加（類似于混波）、累積求和、垂直求和（上疊加）、限制垂直求和（走廊疊加）。本文垂直求和采用了走廊疊加（圖11），可以看出，地質(zhì)模型的界面在剖面上都得到了準確體現(xiàn)。

圖10 中值濾波實現(xiàn)波場分離

圖11 走廊疊加剖面

VSP-CDP變換疊加是針對非零偏VSP資料進行的。非零偏VSP是二維觀測，通過最終的VSPCDP變換疊加處理，它可以作出一小段地震剖面（局部地震剖面），用很高的垂向和橫向分辨率給出井旁一段距離的縱橫波地震波反射特征，有利于構(gòu)造的精細解釋、推測巖性變化和可能的含油氣性。VSP-CDP變換疊加過程是將一道或整張VSP記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到（x，T）空間，形成一小段局部地震剖面（圖12），這一剖面同常規(guī)地震剖面很接近，可以刻畫出地下不同介質(zhì)分界面的局部形態(tài)，甚至構(gòu)造。

圖12 VSP-CDP變換剖面

從圖11、圖12可以看出，兩張剖面都有三條反射同相軸，分別對應(yīng)大約處于1、1.6、1.85 s的反射界面。

參照正演的地質(zhì)模型，模型一共有四層，前三層層厚依次為300、300、200 m，對應(yīng)的層速度依次為600、1 000、1 500 m/s，經(jīng)過簡單計算，地震波穿過各層的單程時間依次為0.5、0.3、0.133 s，地震波到達各層界面的單程時間依次為0.5、0.8、0.933 s，地震波到達各層界面經(jīng)反射回到地面的雙程反射旅行時依次為0.5 s×2、0.8 s×2、0.933 s×2，即分別為1.0、1.6、1.866 s，圖11、圖12中三條反射同相軸相（分別為1 s、1.6 s和約1.85 s）與該計算結(jié)果基本吻合，表明經(jīng)PC-VSP系統(tǒng)處理的剖面是準確、可靠的，處理過程中所采用的處理參數(shù)與思路也是正確的。

5 結(jié)論

基于PC-VSP系統(tǒng)，采用旁軸射線近似法進行了VSP正演，模擬了非零偏VSP。在模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，重點研究了VSP特有的幾個重要處理環(huán)節(jié)，包括波場分離、走廊疊加、VSP-CDP變換疊加等。將最終的處理結(jié)果與已知地質(zhì)模型進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者十分吻合，表明處理過程中所采用的方法和參數(shù)是行之有效的；同時也顯示了PCVSP系統(tǒng)良好的處理能力，在VSP數(shù)據(jù)處理中值得推廣應(yīng)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

涂齊催，男，1979年生，開發(fā)地震工程師，碩士研究生，主要從事地震巖石物理及地震反演方面的工作。E-mail：tuqc@cnooc.com.cn。