張新東,羅 斌,周 翼

(1.中國石油天然氣股份有限公司勘探事業(yè)部,新疆庫爾勒841000;2.北京博豪羅根石油技術(shù)有限公司,北京100085)

VSP具有高信噪比、高分辨率、波場運動學和動力學特征明顯、對比關(guān)系清晰等優(yōu)勢。近年來,關(guān)于VSP資料采集、處理、解釋及應用方面的文獻很多[1-6],然而關(guān)于VSP采集設計方面的文章卻比較少,而且大部分沿用了常規(guī)地面地震采集的設計思路[7-9]。這不是因為VSP采集設計不重要,恰恰相反,VSP采集設計比地面地震采集設計更重要[10]。

目前基于模型的地質(zhì)目標正演模擬輔助采集設計方法已經(jīng)在地面地震勘探中得到廣泛應用,并且取得了較好的應用效果[11-23],而在VSP采集設計中的應用不多,相關(guān)文獻很少。常用的地震照明數(shù)值模擬分析方法主要有射線追蹤[11-21]和波動方程[22-23]兩大類。射線追蹤是一種經(jīng)典的計算地震波場的數(shù)值模擬方法,它利用了高頻射線近似,算法簡單,計算效率高,主要反映地震波的運動學特征,但存在射線陰影區(qū)和焦散區(qū)問題。波動方程包括單程波和雙程波兩種,計算精度高,但計算效率低,不利于實際應用。因此,有學者提出射線束法,其中高斯射線束[15-18,21,24-27]是射線束方法的代表之一,它將波場分解到具有一定寬度(直徑)的射線束(管)來實現(xiàn)波場的模擬和延拓,不僅具有運動學特征,而且具有動力學特征。本文基于VSP技術(shù)特點,對VSP采集設計的主要問題進行了分析,應用高斯射線束理論,開展了VSP反射縱波成像照明模擬,給出了面向勘探目標、基于地震照明的VSP采集設計思路及實現(xiàn)方法;通過實際非零偏移距VSP及WVSP觀測系統(tǒng)設計方案對比分析,證明了本文設計方法的應用效果和應用前景。

1 基于反射縱波成像照明的VSP采集設計技術(shù)及流程

1.1 非零偏移距VSP技術(shù)特點

圖1為單道和多道非零偏移距VSP記錄經(jīng)VSPCDP轉(zhuǎn)換到反射點位置的示意圖[28]?？梢钥闯?非零偏移距VSP由于檢波器(或震源)在井中接收(或激發(fā)),無論地層水平與否,即使進行簡單的VSPCDP轉(zhuǎn)換處理,道記錄數(shù)據(jù)也需進行橫向偏移。從資料處理角度來看,不僅縱向存在拉伸,而且橫向拉伸嚴重[29],無共中心點道集的概念,橫向覆蓋次數(shù)、偏移距、地震入射/反射角及AVO等的變化遠大于地面地震。這是VSP的技術(shù)特點,也是VSP采集設計需要關(guān)注的重點。因此,對于非零偏移距VSP、WVSP和3DVSP而言,面向勘探目標的VSP采集設計是最佳選擇。

圖1 單道(a)和多道(b)非零偏移距VSP記錄經(jīng)VSPCDP轉(zhuǎn)換到反射點位置[28](1ft≈0.3048m)

1.2 高斯射線束方法原理

高斯射線束方法[24-26]最早于20世紀80年代被提出并應用于地震波場正演模擬。在高斯射線束數(shù)值模擬中,射線束被看成一條從震源出發(fā)以射線為中心的能量束(管),射線束的振幅以偏離中心射線的距離呈指數(shù)衰減,因類似于高斯分布而得名。地下介質(zhì)中任意點(如檢波點)處的波場由一定范圍內(nèi)的多條高斯射線束疊加而成,模擬算法包括運動學射線追蹤、動力學射線追蹤和波場疊加三個步驟。其中,運動學射線追蹤可以獲得中心射線軌跡和中心射線能量的變化;動力學射線追蹤沿中心射線計算高斯射線束的動力學參數(shù),確定高斯射線束的振幅衰減和波前曲率;波場疊加則將有貢獻的高斯射線束疊加并形成最終的波場記錄。

高斯射線束建立在射線坐標系下,其二維情況如圖2所示。S為中心射線,S附近有一點P,過P點作垂直于中心射線S并與射線S交于P′點的法線,n為法線方向,P′點到起點S0的射線路經(jīng)長度為s,P點相對于中心射線S的射線坐標記為(s,n)。

圖2 射線中心坐標系

高斯射線束解的波場主分量可表示為[30]:

(1)

(2)

(3)

1.3 采集設計思路及其實現(xiàn)方法

為了提高計算效率,采用高斯射線束方法模擬勘探目標的上行反射縱波成像照明[18,24-26,30],不模擬目標內(nèi)部構(gòu)造細節(jié),用于控制成像照明范圍及其分布。即將有限的勘探投資集中到勘探目標,并盡量使勘探目標照明能量均勻化,這也是本文采集設計方法的基本思想。因此速度模型僅需宏觀構(gòu)造信息,無需內(nèi)部構(gòu)造細節(jié)。速度信息由實際井資料及零偏VSP資料得到,并根據(jù)宏觀構(gòu)造外推整個速度模型,即按地層傾角內(nèi)插獲得2.5D速度模型。為了快速實現(xiàn)上述目標,我們對高斯射線束方法進行了如下處理。

1) 將中心射線對地震合成記錄的貢獻歸一化為1,這樣,在模型內(nèi)部射線照射范圍內(nèi),任何點的地震反射振幅接近常數(shù)1,即假設反射/透射系數(shù)為1。如此處理的原因,一是不必提供復雜地質(zhì)模型,二是可以提高計算效率。進行運動學追蹤時,一般應用Zoeppritz方程計算分界面各點的反射/透射系數(shù),進而得到出射波的能量分配關(guān)系。

(4)

式中,ε=ε1+iε2。適當選取ε1和ε2,可以改變射線的半寬度,一方面控制每條射線波束的總能量,保證有效的計算精度,另一方面可以提高計算效率。

3) 增加動校拉伸處理,有利于正確評價不同偏移距道對勘探目標的合理貢獻[31-32]。

上述處理策略一方面是為了快速實現(xiàn)高斯射線束對勘探目標反射縱波成像照明的數(shù)值模擬,另一方面是為了使勘探目標成像剖面中任一點的地震振幅值能基本代表該點的覆蓋次數(shù)。如,水平地層自激自收地震剖面,對于任一CMP道集,疊加剖面上該CMP點任一時刻的振幅值一定是該CMP道集中所有道振幅值相加的結(jié)果,如果每條射線束的總能量歸一化為1,則道集中每一道對疊加剖面上該CMP點振幅的貢獻都基本為1,因此,疊加剖面上該時刻的振幅值就代表了該CMP點此時的覆蓋次數(shù)。而偏移距對地震資料的影響至關(guān)重要[31-33],它在資料處理過程中主要表現(xiàn)為動校拉伸的影響,因此還需要考慮拉伸切除。

在相關(guān)處理的基礎(chǔ)上,將疊加剖面上勘探目標范圍內(nèi)的記錄道在不同時刻的振幅值相加,用于表示勘探目標所獲得的總覆蓋次數(shù),記為Fo;進一步將疊加剖面上成像范圍內(nèi)所有道的整個記錄長度振幅值相加,代表總覆蓋次數(shù),記為Fi。其中,Fo考慮了動校拉伸的影響,而Fi不考慮動校拉伸的影響。因此,引入拉伸切除用于評價勘探目標中不同偏移距道對目標成像照明的貢獻更為合理。對于檢波器接收級數(shù)、地面炮點、道距及記錄道長等采集、處理參數(shù)相同的VSP而言,通過上述方法模擬得到的Fi基本相同。如果將Fi表示為勘探投入,則Fo可以表示產(chǎn)出,

(5)

就可以表示產(chǎn)出/投入比。

綜上所述,使Roi最大化并保持Fo在勘探目標范圍內(nèi)的均勻分布,就是面向勘探目標、基于反射縱波成像照明的VSP采集設計技術(shù)的核心。其中,勘探目標覆蓋次數(shù)是否分布均勻可以通過分析每個CRP點的覆蓋次數(shù)及其分布特征來評價,方法與常規(guī)地面地震采集設計的覆蓋次數(shù)統(tǒng)計分析方法類似。

1.4 主要采集因素及WVSP/3DVSP采集設計流程

1.4.1 實際VSP采集設計問題分析

圖3為某過井地面地震剖面與零偏VSP走廊疊加記錄及其上行P波波場拉平記錄標定圖。主要目的層埋深為2100～2800m,對應地震反射時間標定到1.60～2.05s范圍,零偏VSP資料較好,上述標定不存在問題。圖4比較了該井南、北兩個方向的非零偏VSP上行縱波成像(無拉伸切除)及零偏VSP走廊疊加記錄插入南北向過井地面地震剖面的結(jié)果。由圖4b和圖4d成像剖面可以看出,目的層段出現(xiàn)資料空白,即主要目的層沒有得到地震反射信息。分析兩個方向非零偏VSP偏移距可知,圖4b所示成像剖面炮點偏移距為2809.5m,圖4d所示成像剖面炮點偏移距為3106.3m,顯然是VSP設計不周,偏移距過大,或檢波器沉放深度不合適。這是一個典型的由于采集參數(shù)不合適造成目標區(qū)成像資料空白的非零偏移距VSP勘探實例,足以說明偏移距在非零偏VSP采集設計中的重要性。

圖3 某過井地面地震剖面(a)與零偏VSP走廊疊加記錄(b)及上行P波波場拉平記錄(c)標定

1.4.2 非零偏VSP/WVSP/3DVSP最大偏移距的選擇

地面地震觀測系統(tǒng)設計一般包括參數(shù)論證和觀測系統(tǒng)設計,其中最大偏移距是主要采集參數(shù)之一,因為它在很多方面影響著后續(xù)地震數(shù)據(jù)的處理質(zhì)量[31-33]。無論是地面地震還是WVSP/3DVSP,最大偏移距的選擇都需要考慮滿足反射系數(shù)穩(wěn)定的要求[7-9],即考慮反射系數(shù)隨入射角的變化。VSP采集設計不僅要考慮縱波還需要考慮轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)隨入射角的變化。常規(guī)采集設計方法大多通過給定簡單的速度及巖性密度來計算出反射系數(shù)隨入射角的變化曲線,進而選擇最佳最大偏移距[7-9]。這種分析方法不直觀,也摻雜了太多主觀人為因素。實際上,不同深度目的層由于速度及其巖性參數(shù)的差別,對偏移距的要求差異非常大。由于最大偏移距的確定與檢波器沉放深度密切相關(guān),因此我們先直接應用零偏VSP速度或測井速度及密度資料,通過AVO分析來初步確定最大偏移距選擇范圍,然后在照明模擬分析階段進行適當調(diào)整。

圖4 非零偏VSP縱波成像及零偏VSP走廊疊加記錄與地震剖面比較a 南北向過井地震剖面; b 非零偏VSP縱波成像剖面(南); c 零偏VSP走廊疊加記錄; d 非零偏VSP縱波成像剖面(北)

圖5為某井目的層測井縱波速度(圖5a中紅線)、VSP速度(圖5a中藍線)及縱波(圖5b)和轉(zhuǎn)換波(圖5c)AVO分析道集。可以看出,不同深度目的層滿足縱波反射系數(shù)穩(wěn)定所要求的最大偏移距是不同的。對于埋深5500m左右高速屏蔽層下伏的低速目的層,當偏移距大于5000m時,由于達到臨界角,縱波能量突然增強,反射系數(shù)不穩(wěn)定,同時,反射波與入射波出現(xiàn)相位差,AVO剖面振幅表現(xiàn)出極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象;而埋深5000m左右的目的層,即使偏移距大于7000m,縱波反射系數(shù)也是穩(wěn)定的。對轉(zhuǎn)換波而言,隨著偏移距的增大,轉(zhuǎn)換波振幅由弱變強再變?nèi)?符合轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)隨入射角變化的特征。同時,不同深度目的層轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)隨入射角變化的差異也很大,因此,對最大偏移距的設計要求不同。與常規(guī)采集設計相比,利用AVO分析方法優(yōu)選最佳最大偏移距更直觀,主觀人為因素更少。

綜上所述,最佳最大偏移距選擇過程如下:

圖5 某井目的層縱波速度(a)及縱波(b)和轉(zhuǎn)換波(c)AVO分析道集

1) 先進行AVO分析,根據(jù)AVO分析道集確定最大偏移距大致選擇范圍。

2) 根據(jù)檢波器沉放深度及所確定的最大偏移距范圍,從小到大選擇多個不同大小的偏移距進行VSP上行反射縱波成像模擬,分析勘探目的層反射縱波成像照明(覆蓋次數(shù))的變化。當偏移距達到一定程度時目的層出現(xiàn)資料空白,則不出現(xiàn)資料空白的最大偏移距即為最佳最大偏移距。

3) 調(diào)整檢波器沉放深度時,所選擇的最佳最大偏移距也會發(fā)生變化,只需重復步驟2)重新選擇最大偏移距即可。

圖6為不同偏移距VSP反射縱波成像照明剖面,圖中橫坐標所示成像范圍是指成像道與井筒之間的距離。采集參數(shù)如下:觀測井段為500～3200m,檢波器級間距20m,動校拉伸切除為30%,成像道距為20m,目的層為1.2～2.6s左右水平地層?？梢钥闯?偏移距為1500m的VSP成像剖面上,目的層出現(xiàn)資料空白,偏移距明顯過大。因此,基于地震成像照明的VSP采集設計可直接通過模擬VSP反射縱波成像照明更好地選擇最佳最大偏移距。

圖6 不同偏移距VSP反射縱波成像照明剖面a 750m; b 1500m

1.4.3 觀測井段的選擇

對于VSP設計而言,觀測井段的選擇至關(guān)重要,它不僅影響成像范圍及成像質(zhì)量,而且選擇巖性(層速度及密度)突變的井段還會出現(xiàn)所謂地震反射“屏蔽”的問題,這已引起業(yè)界的高度重視。李云龍等[9]在檢波器沉放深度選擇時有意避開了1700～2000m深度的層速度突變段。那么,什么程度的層速度變化才算突變？如何定量評價？在層速度突變井段進行VSP觀測會出現(xiàn)什么問題？到目前為止,我們尚未檢索到公開發(fā)表的文獻對這些問題給出明確的答案。

圖7a為某井縱波速度和密度測井曲線(籃框內(nèi)所示速度和密度曲線上出現(xiàn)明顯突變);圖7b為非零偏移距VSP高斯射線束反射縱波成像照明(50%的動校拉伸切除);圖7c為實測零偏VSP資料處理的走廊疊加記錄;圖7d為實測非零偏VSP資料處理的上行反射縱波成像剖面,未做拉伸切除處理,且采用了帶有各向異性的高階多項式對廣角反射進行了動校正,一定程度上緩解了層速度突變的影響。在層速度突變井段進行非零偏移距VSP觀測,可能會造成反射成像照明盲區(qū),即廣角反射。當入射角達到臨界角時,上覆地層地震波射線無法進入下伏地層,出現(xiàn)所謂地震反射“屏蔽”的問題。高斯射線束反射成像照明技術(shù)可以模擬突變層的存在,與實際采集資料處理結(jié)果吻合較好。實際采集參數(shù)如下:觀測井段為2000～3500m,10m采樣,非零偏VSP偏移距為3000m。調(diào)整觀測井段和減小偏移距可以改善地震成像質(zhì)量。

選擇檢波器沉放深度時,除了要考慮觀測井段物性參數(shù)突變外,還應特別考慮目的層成像范圍的大小,它由目的層埋深及資料的信噪比和覆蓋次數(shù)決定。如果以探測井筒附近目的層構(gòu)造細節(jié)為主要目的,則檢波器最大沉放深度以接近目的層頂界面比較合適,這樣有利于近距離觀測目的層,提高勘探目標的成像精度和資料的信噪比。如果資料信噪比不是主要問題,且勘探目標范圍較大,則檢波器可以位于勘探目標之上一段距離,這樣有利于擴大目的層的成像范圍。王建民等[8]根據(jù)炮檢距、檢波器沉放深度與成像范圍的幾何關(guān)系確定檢波點深度,無法整體評價觀測系統(tǒng)的優(yōu)劣。而通過對勘探目標進行上述成像照明模擬,能夠量化勘探目標所獲得的覆蓋次數(shù)及其分布,從而對觀測系統(tǒng)作出有效評價。

圖7 測井曲線(a)、非零偏VSP縱波成像照明(b)及零偏VSP走廊疊加(c)和非零偏VSP縱波成像(d)比較

1.4.4 WVSP/3DVSP采集設計流程

綜合以上研究形成了一套VSP采集設計流程(圖8)。對于WVSP和3DVSP采集設計而言,通過AVO分析優(yōu)選最佳最大偏移距還可減少后續(xù)目標成像照明的大量模擬分析工作。在確信無層速度突變的觀測井段進行VSP采集時,可以省略“非零偏移距VSP成像照明模擬選擇觀測井段”這一步。對于3DVSP采集,可以根據(jù)勘探目標復雜程度,從多個方位進行WVSP設計,最后綜合不同方位WVSP采集設計結(jié)果優(yōu)化3DVSP采集設計。由于VSP反射波傳播路徑的不對稱性等原因,要想保持目的層覆蓋次數(shù)橫向分布均勻,需要地面炮點不均勻分布。利用上述成像照明模擬方法,可以調(diào)整地面炮點分布(如隨著偏移距的增大,縮小炮點采樣間隔或加密炮點等),使目的層在一定范圍內(nèi)的橫向覆蓋次數(shù)盡量分布均勻。

目的層覆蓋次數(shù)及其分布,即勘探目標反射縱波照明能量分布,是觀測系統(tǒng)設計的重點和難點。我們通過調(diào)整最大偏移距、地面炮點分布、觀測井段、炮點/檢波點間距等采集參數(shù)及其觀測方式來優(yōu)化目的層覆蓋次數(shù),使產(chǎn)出/投入比Roi最大化,Fo在目的層盡可能均勻分布。

WVSP主要觀測方式(系統(tǒng))有:①fix-WVSP,即檢波器固定在一定深度、觀測井段不動的WVSP,這種觀測系統(tǒng)的優(yōu)點是施工簡單,炮點移動時檢波點固定不動,缺點是不利于調(diào)整橫向覆蓋次數(shù)分布;②up-to-WVSP,即隨檢波點向上移動時,炮點由遠偏移距移動到近偏移距施工的WVSP,這種觀測系統(tǒng)的優(yōu)點是利于調(diào)整橫向覆蓋次數(shù)使之集中到某些特定的勘探目標,缺點是道集記錄炮檢距變化大,道間記錄差異大;③up-away-WVSP,即隨檢波器向上移動時,炮點由近偏移距移動到遠偏移距施工的WVSP,這種觀測系統(tǒng)的優(yōu)點是利于調(diào)整橫向覆蓋次數(shù)分布,偏移距變化小,道間記錄差異小,缺點是偏移距過于集中,不利于速度分析及AVO分析。靈活選擇觀測方式(系統(tǒng))有利于某些特殊勘探目標照明并使產(chǎn)出/投入比最大化及目的層覆蓋次數(shù)分布相對均勻。

圖8 WVSP/3DVSP采集設計流程

2 WVSP采集設計實例分析

2.1 連井WVSP資料采集設計

以我國西部某油田連井WVSP勘探為例。圖9和圖10展示了兩種觀測方式的井間WVSP反射縱波成像照明覆蓋次數(shù)分布(深度域),左、右兩井均為直井,勘探目的層2600～3800m(圖中紅框所示),兩井間距1.56km。地面均勻放炮,炮間距30m,最大偏移距3.60km,對左邊井相當于進行右側(cè)單邊放炮,對右邊井相當于進行左側(cè)單邊放炮。檢波器沉放深度2300～3200m,井中采樣為10m,采用50%的拉伸切除。圖9為fix-WVSP固定井段觀測系統(tǒng);圖10為up-away-WVSP觀測系統(tǒng),10級檢波器施工,級間距為10m,由井口炮點開始放炮,檢波器不動時,沿炮線連續(xù)放12炮,每當檢波器向上提一級時,炮點由井口向遠離井口炮點方向移動12個炮點——即接著上一級最后一個炮點向外放12炮?？梢钥闯?兩種觀測系統(tǒng)的野外采集工作量完全相同,圖9所示觀測系統(tǒng)井間目的層反射縱波成像照明出現(xiàn)空白,覆蓋次數(shù)分布極不均勻,Roi=0.415,而圖10所示觀測系統(tǒng)井間目的層反射縱波成像照明無空白,覆蓋次數(shù)分布相對均勻,Roi=0.516。以上僅僅展示了觀測系統(tǒng)施工方式的變化所造成的差異,而在實際采集設計過程中,我們還對偏移距、檢波器沉放深度進行了反復論證,這里不再贅述。

圖9 井間fix-WVSP反射縱波成像照明能量(覆蓋次數(shù))分布

圖10 井間up-away-WVSP反射縱波成像照明能量(覆蓋次數(shù))分布

2.2 勘探目標照明與后續(xù)實際資料處理效果分析

VSP勘探目標成像照明不僅可用于VSP資料采集設計,而且可輔助后續(xù)VSP資料處理及其效果評估,同時,通過與后續(xù)資料處理成果對比,還可以準確判斷采集設計是否合理。因此,在勘探目標成像照明模擬過程中,我們給出了每個炮集記錄的成像照明結(jié)果及偏移后、疊加前每個CRP點道集的成像照明結(jié)果。

圖11為某井實際WVSP單炮記錄反射縱波成像結(jié)果與采集設計時所模擬的上述炮點反射縱波成像照明結(jié)果。圖12為該井實際偏移后的疊前CRP道集及采集設計時所模擬的上述CRP點成像照明結(jié)果?？梢钥闯?無論是炮點道集(相當于非零偏移距VSP)還是偏移后的疊前CRP道集,模擬得到的成像范圍及覆蓋次數(shù)與實際資料處理所得到的結(jié)果完全吻合。

圖13為圖11和圖12所示某井實際WVSP資料最終反射縱波成像剖面和根據(jù)實際炮點位置等模擬所得到的反射縱波成像照明模擬剖面。同樣可以看出,最終成像剖面與勘探目標成像照明模擬結(jié)果吻合較好。

圖11 實際單炮記錄成像結(jié)果(a)與采集設計時所模擬的該炮點成像照明結(jié)果(b)

圖12 實際偏移后的疊前CRP道集(a)與采集設計時所模擬的該CRP點成像照明結(jié)果(b)

圖13 某井實際WVSP反射縱波成像剖面(a)與WVSP反射縱波成像照明模擬剖面(b)比較

3 結(jié)束語

本文通過VSP反射縱波成像照明模擬分析、采集參數(shù)和觀測系統(tǒng)對地震縱波成像照明的影響分析,以及與后續(xù)VSP資料處理成果的對比,討論了面向勘探目標、基于反射縱波成像照明的VSP采集設計技術(shù)及其應用效果,得到以下認識:

1) 面向勘探目標、基于反射縱波成像照明的VSP采集設計技術(shù)并不注重勘探目標內(nèi)部細節(jié)的模擬,而是注重控制勘探目標的反射縱波成像照明及其分布,即覆蓋次數(shù)及其分布,因此主要可用于優(yōu)化勘探效果及勘探投資,避免勘探目標落空,這也是所有采集設計所追求的主要目標。

2) 觀測井段的選擇是VSP采集成敗的關(guān)鍵因素之一。非零偏移距VSP反射縱波成像照明模擬不僅可以模擬地震成像范圍及其覆蓋次數(shù)分布,還可以有效檢測觀測井段的層速度異常對非零偏移距VSP資料的影響,從而有效避開層速度異常井段。

3) VSP采集設計可用于輔助后續(xù)VSP資料處理,充分體現(xiàn)“所見即所得”的設計理念,特別是共炮點記錄成像照明和共CRP點(偏后、疊前)成像照明模擬,更有利于監(jiān)控資料處理的中間成果。同時,VSP資料處理成果又可用于檢驗采集設計的正確性和合理性。