李瑞磊,馮曉輝，陳光宇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京100083;2.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林長春130062)

隨著井下多級(jí)多分量接收系統(tǒng)的研制成功和推廣應(yīng)用，三維VSP技術(shù)在20世紀(jì)90年代末迎來了發(fā)展的高潮。在1998年第68屆SEG年會(huì)上，有8篇文章是關(guān)于三維VSP勘探技術(shù)的，主要涉及三維VSP的快速射線追蹤、資料處理[1]和Kirchhoff深度偏移等方面的研究進(jìn)展。其后大量的應(yīng)用研究成果表明，三維VSP資料具有分辨率高和各向異性信息豐富的特點(diǎn)。高分辨率的資料可以對(duì)井眼附近區(qū)域地面地震資料無法成像的小構(gòu)造進(jìn)行成像；豐富的各向異性信息可以實(shí)現(xiàn)井周高分辨率三維成像，有利于巖性特征研究和井位評(píng)價(jià)。

近十多年來，國內(nèi)三維VSP技術(shù)的研究與應(yīng)用也得到了快速發(fā)展，在資料采集和處理方面均取得了豐碩的成果[2-11]，為油氣藏精細(xì)勘探開發(fā)提供了高精度的資料保障。但三維VSP資料采集受井孔條件和地層條件的約束，采集參數(shù)的選擇對(duì)獲取的資料效果具有顯著影響，因此，針對(duì)不同的地質(zhì)任務(wù)開展三維VSP資料采集時(shí)，需要根據(jù)地質(zhì)條件和資料要求進(jìn)行采集參數(shù)的優(yōu)化[12-15]。

目前三維VSP觀測(cè)方式有4種，分別是線形觀測(cè)、環(huán)形觀測(cè)、放射狀觀測(cè)和斜井觀測(cè)。線性觀測(cè)是指震源在地面呈縱、橫向線性變化，在井下用多級(jí)檢波器接收，其適用范圍廣，所獲資料有利于波動(dòng)方程偏移成像，但采集施工工作量大。環(huán)形觀測(cè)是指震源在地面圍繞井點(diǎn)移動(dòng)，保持震源與井口的井源距不變，震源相對(duì)于井點(diǎn)處于不同的方位，所獲資料便于分析地層傾角和走向，有利于裂縫檢測(cè)，但不利于波動(dòng)方程偏移成像，且資料處理、解釋過程復(fù)雜。放射狀觀測(cè)是指炮點(diǎn)為線狀分布，每條炮點(diǎn)線為經(jīng)過井點(diǎn)的直線，線上炮點(diǎn)等間隔變化，線與線成角度變化，采集施工工作量小，空間采樣密度低，但施工難度大，且資料的處理、解釋存在閉合問題。斜井觀測(cè)是指井下每個(gè)檢波點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的炮點(diǎn)線經(jīng)過其在地面的投影點(diǎn)(炮點(diǎn)線必須與檢波點(diǎn)共面)，并且垂直于井在地面的投影線，炮點(diǎn)等間隔變化，以便應(yīng)用斜井的處理解釋方法，其采集施工難度較大。

松遼盆地梨樹斷陷SN167井區(qū)三維VSP勘探的主要任務(wù)是利用三維VSP資料落實(shí)井旁小斷層，開展井周儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。為了獲得高精度的資料，我們針對(duì)陸上大斜度井研究了三維VSP采集參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 基本地震地質(zhì)條件

松遼盆地梨樹斷陷SN167井區(qū)油源條件好，并具有較好的儲(chǔ)蓋組合，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多套油氣組合，油氣層跨度大(1300～2400m)，從沙河子組到泉頭組均有油氣發(fā)現(xiàn)。該區(qū)斷裂發(fā)育，東側(cè)斷裂走向?yàn)槟媳毕颍髂蟼?cè)斷裂走向?yàn)楸蔽飨?，西北方向斷裂走向?yàn)楸睎|向，形成包心菜式構(gòu)造，且各界面斷層組合還存在一定的差別，斷距可超過200m。目的層在后期發(fā)生過擠壓反轉(zhuǎn)作用，形成了褶皺(圖1a)。SN167井是梨樹斷陷中央構(gòu)造帶上的一口大斜度井，井深2950m，在2000m造斜，井底閉合位移146.90m，井底閉合方位為東偏南25.8°(圖1b)。根據(jù)測(cè)井資料確定的該井不同層位速度見表1所示。

圖1 SN167井區(qū)地層構(gòu)造特征(a)和井軌跡示意(b)

地質(zhì)層位(底界)鉆井深度/m雙程旅行時(shí)/ms層速度/(m·s-1)泉二段913.5658.03550.73泉一段1363.0904.03654.47登婁庫組1627.01027.04292.68營城組2362.01391.04038.46沙河子組2753.01575.04250.00火石嶺組(未穿)2870.01626.84517.38

2 三維VSP采集參數(shù)優(yōu)化

三維VSP采集參數(shù)優(yōu)化的目的是在有限級(jí)數(shù)的井中檢波器條件下，最大限度地得到井周目的層具有較高覆蓋次數(shù)和更大反射范圍的資料。SN167井三維VSP采集參數(shù)的優(yōu)化主要針對(duì)井源距范圍、檢波器沉放深度和井下觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，以獲得合適的觀測(cè)范圍和覆蓋次數(shù)。

2.1 最大井源距

當(dāng)檢波點(diǎn)深度固定時(shí)，隨著井源距的增加，觀測(cè)面積增大；當(dāng)井源距固定時(shí)，隨著檢波點(diǎn)深度減小，觀測(cè)面積也增大。雖然大的井源距能獲得較大的觀測(cè)面積，但最大井源距主要是滿足臨界角的需要，超過臨界角后反射系數(shù)不穩(wěn)定，難以獲得較好的反射信息。

假定井周地層為弱各向異性HTI介質(zhì)，即地層分界面兩側(cè)的物性參數(shù)具有弱不連續(xù)性，則小角度入射情況下P-P波[16-17](以下簡記為PP波)及P-SV波[18-19](以下簡記為PS波)反射系數(shù)近似地滿足公式:

式中:i為入射角；φ為測(cè)線方位關(guān)于軸對(duì)稱方向旋轉(zhuǎn)的方位角；ρ為介質(zhì)密度；z為波阻抗，z=ρα；G為切向模量，G=ρβ2；ε(P)為縱波各向異性，是度量縱波各向異性強(qiáng)度的參數(shù),ε(P)越大，介質(zhì)的縱波各向異性強(qiáng)度越大；δ(P)為縱波變異系數(shù)，表示縱波在垂直方向各向異性變化的快慢程度；γ為橫波各向異性，是度量橫波各向異性或橫波分裂強(qiáng)度的參數(shù)；α和β分別為縱波和橫波垂向傳播速度。前置符號(hào)“Δ”的項(xiàng)為上、下兩層參數(shù)的差，上置符號(hào)“—”的項(xiàng)為上、下兩層參數(shù)的均值。

圖2 SN167井速度模型及入射角與最大井源距的關(guān)系

根據(jù)表1建立SN167井速度模型，如圖2所示。利用公式(1)和公式(2)計(jì)算最深目標(biāo)界面PP波和PS波反射系數(shù)與入射角的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，在0～45°入射角之間PP波和PS波反射系數(shù)較為穩(wěn)定。據(jù)此，可確定入射角控制在45°以內(nèi)時(shí)最深目標(biāo)界面的最大井源距不能大于3500m(圖2)。

圖3 SN167井入射角與反射系數(shù)的關(guān)系曲線

2.2 檢波器沉放深度

VSP觀測(cè)的檢波器沉放深度主要考慮兩個(gè)因素:一是應(yīng)盡量靠近目的層，其目的是利用三分量檢波器充分接收地層的各向異性信息；二是成像范圍和覆蓋次數(shù)。還需要考慮以下限制:①檢波器沉放深度越小，覆蓋范圍越大，但下行波和上行波之間的時(shí)差越小，不利于波場(chǎng)分離和精確成像；②檢波器離目的層越遠(yuǎn)，頻率成分越低。

檢波器沉放深度HG及成像范圍r與最大井源距x的關(guān)系為

(3)

式中:H是最深目的層深度。由公式(3)可以看出，當(dāng)最大井源距固定時(shí)，檢波器沉放深度越小，獲得的覆蓋范圍越大。因此，需要通過不同檢波器沉放深度的成像范圍和覆蓋次數(shù)正演來選擇合適的沉放深度。

三維情況下EDA介質(zhì)中經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的彈性波動(dòng)方程為

(4)

其中，dij為觀測(cè)坐標(biāo)系下經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的EDA介質(zhì)的彈性常數(shù)。在二維情況下，對(duì)稱軸與x軸重合，xoz面為各向異性面，在xoz平面內(nèi)?/?y=0，彈性波動(dòng)方程為

(5)

對(duì)ux進(jìn)行二階中心差分離散得

(6)

同理可得uy，uz的差分離散格式。

采用20m×20m面元對(duì)SN167井區(qū)3種不同沉放深度的主要目的層成像范圍和覆蓋次數(shù)進(jìn)行正演計(jì)算，結(jié)果如圖4，圖5和圖6所示，對(duì)應(yīng)檢波器沉放深度分別為1100～1400m，1200～1500m和1400～1700m。1100～1400m檢波器沉放于泉二段和接近泉一段的頂面，可以獲得較多層位的信息，成像面積大(PP波，5.1km2，6.2km2，6.6km2；PS波，2.9km2，3.2km2，3.4km2)，但是覆蓋次數(shù)較低(PP波，7次，6次，5次；PS波,13次，12次，11次)；1200～1500m檢波器沉放于強(qiáng)反射層登婁庫組頂面上方，有利于層位標(biāo)定，同時(shí)較為接近深層目的層，各反射層的覆蓋次數(shù)(PP波，8次，6次，6次；PS波，14次，12次，12次)和成像面積(PP波，4.6km2，5.7km2，6.3km2；PS波，2.6km2，3.1km2，3.2km2)適中。1400～1700m檢波器的位置更靠近目的層，其成像面積(PP波，3.4km2，4.9km2，5.6km2；PS波，1.8km2，2.5km2，2.6km2)在各反射界面相對(duì)較小。綜合考慮，選用1200～1500m沉放深度較為合適，觀測(cè)井段的上界定為1200m。

圖4 檢波器沉放深度為1100～1400m，20m×20m面元的成像面積及覆蓋次數(shù)正演結(jié)果a 登婁庫組底PP波; b 登婁庫組底PS波; c 營城組底PP波; d 營城組底PS波; e 沙河子組底PP波; f 沙河子組底PS波

圖5 檢波器沉放深度為1200～1500m,20m×20m面元的成像面積及覆蓋次數(shù)正演結(jié)果a 登婁庫組底PP波; b 登婁庫組底PS波; c 營城組底PP波; d 營城組底PS波; e 沙河子組底PP波; f 沙河子組底PS波

圖6 檢波器沉放深度為1400～1700m，20m×20m面元的成像面積及覆蓋次數(shù)正演結(jié)果a 登婁庫組底PP波; b 登婁庫組底PS波; c 營城組底PP波; d 營城組底PS波; e 沙河子組底PP波; f 沙河子組底PS波

2.3 井下觀測(cè)點(diǎn)數(shù)

分別采用不同級(jí)數(shù)的檢波器串，利用上述正演方法分析成像面積和覆蓋次數(shù)，再由成像面積和覆蓋次數(shù)確定合適的井下觀測(cè)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)主要目的層登婁庫組、營城組和沙河子組的底界面反射PP波、PS波的覆蓋次數(shù)和成像范圍，確定檢波器沉放于1200m以下，分別采用16級(jí)(方案Ⅰ)和20級(jí)(方案Ⅱ)檢波器串接收。針對(duì)兩種方案，采用炮線距90m，炮點(diǎn)距80m，最大井源距3500m分別進(jìn)行正演分析，結(jié)果見表2。由表2可知:方案Ⅰ和方案Ⅱ有相同的成像面積，但方案Ⅱ的覆蓋次數(shù)較高一些。因此，選用20級(jí)井下檢波器20m×20m面元接收較為合適。

表2 16級(jí)和20級(jí)檢波器接收時(shí)成像面積及覆蓋次數(shù)的正演計(jì)算結(jié)果

3 應(yīng)用效果分析

3.1 三維VSP采集方案

3.1.1 激發(fā)因素

通過激發(fā)因素試驗(yàn)，確定SN167井三維VSP采集的激發(fā)因素為:TNT炸藥；井深在潛水面以下7～9m，最淺不能小于15m。

3.1.2 觀測(cè)系統(tǒng)

通過對(duì)SN167井三維VSP采集參數(shù)的優(yōu)化，確定檢波器沉放深度1200～1580m，檢波器間距20m；炮點(diǎn)距80m；炮線距90m；最大井源距3500m。

3.2 單炮資料分析

采用上述SN167井三維VSP采集方案，獲得的原始單炮記錄波場(chǎng)信息豐富，初至起跳干脆，直達(dá)波、反射波清晰，只存在一些由于固井不好造成的套管干擾、諧振干擾以及一些隨機(jī)干擾。

由于單炮記錄的下行波能量很強(qiáng)，干擾對(duì)上行波資料的觀察，因此，我們對(duì)上行波進(jìn)行了分頻掃描，得到了較為清晰的上行波和下行波，如圖7所示。其中80～160Hz分頻掃描的結(jié)果還有上行波，表明三維VSP資料頻帶較寬。

3.3 處理效果分析

圖8為SN167井區(qū)地面三維地震資料與三維VSP資料及其頻譜分析結(jié)果對(duì)比，可見三維VSP資料的頻率明顯高于地面三維地震資料，頻帶拓寬20～30Hz。高分辨率的三維VSP資料使得我們對(duì)于井周地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識(shí)別更為清晰，從圖8紅框③所示范圍內(nèi)識(shí)別出更小斷距的斷層。在圖8紅框②處三維地震剖面中無法識(shí)別的透鏡體，在三維VSP資料中也有清晰的顯示。對(duì)實(shí)際資料處理結(jié)果進(jìn)行分析表明，三維VSP資料具有識(shí)別井旁低幅構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)，可以較大幅度地提升目標(biāo)區(qū)精細(xì)刻畫的精度。

3.4 解釋效果分析

圖9a是過SN167井主測(cè)線方向的地面三維地震剖面，圖9b是在地面三維地震剖面中鑲嵌了三維VSP成像剖面的結(jié)果。由于剖面分辨率的顯著提高，在圖9b鑲嵌的VSP剖面上識(shí)別出的小斷層較圖9a中多了5條，而這些小斷層在圖9a的地面地震資料上無法分辨。高分辨率的VSP成像剖面也為井周復(fù)雜斷層體系的精細(xì)解釋和薄儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)提供了可能。

圖7 SN167井三維VSP原始單炮記錄分頻掃描結(jié)果a 10～20Hz; b 20～40Hz; c 40～80Hz; d 60～120Hz; e 80～160Hz

圖8 SN167井區(qū)地面三維地震資料與三維VSP資料對(duì)比a 地面三維地震剖面及頻譜分析; b 三維VSP地震剖面及頻譜分析

圖9 SN167井區(qū)地面三維地震資料(a)與三維VSP資料解釋剖面(b)

4 結(jié)束語

針對(duì)松遼盆地梨樹斷陷中央構(gòu)造帶上SN167井三維VSP地震資料采集，應(yīng)用基于弱各向異性介質(zhì)假設(shè)的正演模擬分析技術(shù)，對(duì)最大井源距、檢波器沉放深度和觀測(cè)點(diǎn)數(shù)等三維VSP采集參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮目的層成像范圍和覆蓋次數(shù)，確定了SN167井三維VSP采集方案。

SN167井區(qū)地面三維地震資料與三維VSP資料的對(duì)比分析表明，三維VSP資料的頻率顯著提高，頻帶拓寬了20～30Hz，三維VSP成像剖面上地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識(shí)別更為清晰，小斷層的識(shí)別能力大幅提高，為井周復(fù)雜斷層體系的精細(xì)解釋和薄儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)提供了可能。

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