楊宏偉，王霽川，孔慶豐，谷丙洛，孫衛(wèi)國，李振春

(1.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司物探研究院，山東 東營 257022；2.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

地震勘探技術(shù)作為尋找油氣藏的重要手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實際中。但隨著地震勘探的需求不斷提高，構(gòu)造簡單易于探測的油氣藏逐步減少，取而代之的是一些深層特殊地質(zhì)體下的復(fù)雜、精細構(gòu)造油氣藏，勘探目標(biāo)日趨復(fù)雜[1]。復(fù)雜構(gòu)造油氣藏具有儲層薄、分布廣、賦存狀態(tài)隱蔽等特點，對儲層內(nèi)部小構(gòu)造的高精度成像有重大需求，這對地面地震勘探技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。井中地震勘探技術(shù)是在傳統(tǒng)的地面地震勘探和VSP勘探的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新技術(shù)。不同于地面地震技術(shù)和VSP技術(shù)，井中地震采用井中激發(fā)地面接收的方式進行觀測。震源位置靠近目的層，且波場減少了一次經(jīng)過淺層降速帶，采集信號信噪比高，對儲層識別能力強，可以對井周構(gòu)造進行高精度成像，彌補了常規(guī)地面地震在深層復(fù)雜油氣藏勘探及井周小構(gòu)造成像效果不理想的現(xiàn)象，是一種新型物探方法。因此，發(fā)展井中地震對當(dāng)前深層復(fù)雜油氣藏勘探開發(fā)至關(guān)重要。

井中地震技術(shù)起源于隨鉆井中地震，即依靠隨鉆地震的思想，利用鉆頭的振動作為震源進行井地觀測[2]，基于該思想國內(nèi)外很多學(xué)者都做了相關(guān)研究。Deily等[3]研發(fā)了一種記錄儀器，可以在實際鉆井條件下測量和記錄鉆柱中任意位置的力和運動。Squire和Alsup[4]提出了可以處理具有大時間帶寬積復(fù)雜信號的線性橫向濾波器。Haldorse等[5]提出了一種提取鉆頭地震子波和反卷積算法，該方法在信噪比低的情況下也可獲得較好成像剖面。方家福[6]首次介紹了隨鉆地震的概念，并對其優(yōu)勢進行了相關(guān)介紹。楊微[7]對隨鉆地震的信號檢測方法進行了研究，重新設(shè)計了野外隨鉆地震的觀測模式。呂海川等[8]對隨鉆地震的波場特征及隨鉆地震的技術(shù)特點進行了分析。

隨鉆地震因探測深度有限，難以滿足深層復(fù)雜油氣藏精細勘探的需求，隨之發(fā)展了爆震井中地震技術(shù)，即本文所研究的井中激發(fā)地面接收技術(shù)。對于井中地震技術(shù)，其波場僅經(jīng)過淺層低降速帶一次，能量損耗少，不包含面波，使得地震數(shù)據(jù)具有較高的分辨率。此外，該觀測系統(tǒng)能夠適應(yīng)檢波器的任意排列，減少面元數(shù)據(jù)體丟失，有利于構(gòu)造的精細成像。Liang等[9]闡述了井中地震資料在逆時偏移方法中的主要處理步驟。許多學(xué)者還將爆震井中地震應(yīng)用在波場模擬及成像方面，胡建平[10]應(yīng)用漸近射線理論制作了變偏移距射線模型，并實現(xiàn)了波場數(shù)值模擬。朱龍生[11]對井中地震技術(shù)進行了多方位角的層析成像研究，提出了新的表層速度求解方法，完善了多方位角情況下的數(shù)據(jù)采集和觀察系統(tǒng)布置方案。胡明順[12]將井中地震技術(shù)應(yīng)用到煤層氣儲層這一特殊的地質(zhì)構(gòu)造上，系統(tǒng)地分析了煤層氣井中地震勘探的相關(guān)特點，并提出了基于RVSP-CDP道集抽取的RVSP完全等效地面處理成像新方法。結(jié)合井中地震資料的優(yōu)點，金紅娣[13]應(yīng)用等效地面處理方法有效地提高了疊加剖面的信噪比。張輝[14]對碳酸鹽巖地區(qū)進行井中地震勘探研究，并基于空腔震源激發(fā)理論對波場特征進行了研究，同時對五輪山地區(qū)的資料進行了實際測試。Hu等[15]對喀斯特地貌地區(qū)的煤田應(yīng)用井中地震進行多井聯(lián)采研究。

井中地震技術(shù)具有獨特的觀測方式，其震源和檢波器的布置與地面地震不同，這使得地震波的傳播路徑與地面地震存在較大差異，因此對于井中地震，不能直接套用相對成熟的地面地震成像流程[16-17]。此外，井中激發(fā)地震波需要考慮實際情況，為保護井壁，震源能量較小，使得信號能量弱。地層的粘滯效應(yīng)造成地震信號的高頻成分被嚴(yán)重吸收，相比于地面地震，井中地震吸收衰減的影響更為嚴(yán)重，有效信號更加微弱，因此對于井中地震應(yīng)需研究新的針對性成像方法。井中地震技術(shù)主要目的是對深層復(fù)雜構(gòu)造進行井周區(qū)域精細成像，而逆時偏移在復(fù)雜構(gòu)造偏移成像方面具有顯著優(yōu)勢，鑒于上述原因，發(fā)展針對井中地震資料的粘聲逆時偏移成像方法是實現(xiàn)井中地震數(shù)據(jù)高質(zhì)量成像的首選。本文應(yīng)用BP氣云模型進行數(shù)值試驗，通過多組實驗分析討論了炮數(shù)、炮間距、井位、多井聯(lián)采等因素對成像結(jié)果的影響，為井中地震技術(shù)在實際中的應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 井中地震的特征

井中地震觀測方式如圖1所示，其震源排列布置于井中，檢波器布置于地表，是一種井中激發(fā)、地面接收的新型物探方法，在井中地震數(shù)據(jù)采集過程中，地震波僅經(jīng)過了一次低降速帶。與常規(guī)地面地震相比，井中地震存在諸多優(yōu)點：地面沒有炮點干擾，可以大范圍布置檢波器，更容易實現(xiàn)大面積高密度采集；采用規(guī)則化觀測系統(tǒng)在地面布置檢波器，可降低面元數(shù)據(jù)體丟失的風(fēng)險，便于在采集區(qū)域獲得更豐富的有效信息；由于炮點位于井中，地震波僅經(jīng)過低降速帶一次，降低了能量衰減，同時避免了面波的產(chǎn)生；震源靠近目的層，地震波傳播距離更短，有助于采集更高分辨率及信噪比的地震信號，可更好地對井筒附近構(gòu)造進行精細成像。

圖1 二維井中地震觀測系統(tǒng)示意

基于檢波點分布的不同，常用的三維井中地震觀測系統(tǒng)[18-19]有線性觀測系統(tǒng)、環(huán)形觀測系統(tǒng)和放射狀觀測系統(tǒng)，如圖2 所示。線性觀測系統(tǒng)的檢波器布置方式與傳統(tǒng)地面地震類似，均是在地面橫向、縱向均勻布置多條檢波線。環(huán)形觀測系統(tǒng)的檢波器在以井點為圓心的多個圓周上分布，每個圓周上檢波點據(jù)井口的距離不固定，但相對于井都處于不同方位。放射狀觀測系統(tǒng)在地面布置多條呈輻射狀的直測線，相鄰測線夾角相等，井位于測線交點處，檢波器呈放射狀在測線上等間距排布。

圖2 井中三維觀測系統(tǒng)示意

2 粘聲逆時偏移成像原理

2.1 分數(shù)階粘聲波方程

在地震勘探領(lǐng)域，介質(zhì)的衰減特性通常被認為與頻率呈線性關(guān)系。因此，在地震資料頻帶范圍內(nèi)，可以假定Q與頻率無關(guān)，也就是所說的常Q模型?；诖思僭O(shè)，Kjartansson[20]推導(dǎo)了常Q模型的速度相位頻散和衰減關(guān)系：

(1)

(2)

式中：ω0是參考角頻率；ω是角頻率；c0是在參考角頻率對應(yīng)的聲波速度；cp是聲波速度；γ=tan-1(1/Q)/π，是無量綱參數(shù)；α是衰減因子?；谏鲜龀頻散關(guān)系，Zhu和Harris[21]推導(dǎo)了時間域分數(shù)階粘聲波方程：

(3)

其中：

(4)

式中：p是地震波場，2是拉普拉斯算子，

為了便于實現(xiàn)基于上述波方程的粘聲逆時偏移，本文使用統(tǒng)一的粘聲波方程進行波場的正向延拓和反向延拓，具體如下：

(5)

式(5)右端第二項和第三項分別表示相位頻散和振幅衰減，其中，β1可以取1和0，β2可以取1，0和-1。對于相位頻散項，β1=1表示包含相位頻散，β1=0表示無相位頻散。對于振幅衰減項，β2=1表示振幅衰減，β2=0表示無振幅衰減，β2=-1表示振幅衰減補償。

基于上述分析，Q補償逆時偏移需包含相位頻散項，而且需對振幅衰減進行補償，也即β1=1，β2=-1，則式(5)可重寫為：

(6)

本文利用式(6)進行波場的正向和反向延拓，校正地震波傳播過程中的振幅衰減和相位頻散。

2.2 Q補償逆時偏移原理

對比常用的Kirchhoff積分偏移、單程波偏移、逆時偏移等常用的成像算法，同時考慮到粘彈性介質(zhì)的影響，本文選用沒有角度限制，適合復(fù)雜介質(zhì)成像的逆時偏移算法進行偏移成像。常用的逆時成像條件有激發(fā)振幅、激發(fā)時間、振幅比、互相關(guān)成像條件等。激發(fā)振幅成像條件具有計算效率高、偏移剖面分辨率較高的特點，但在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，得到的偏移剖面會出現(xiàn)偏移假象。激發(fā)時間成像條件計算效率極高，但獲取的偏移剖面分辨率較低，且振幅失真。振幅比成像條件是在成像剖面的最大振幅軌跡處計算振幅比，更多用于估算反射系數(shù)的大小，而不是直接用于成像。相比其他的成像條件，互相關(guān)成像條件應(yīng)用最為廣泛，具有實現(xiàn)簡單、成像結(jié)果穩(wěn)定的特點，在成像過程中同時利用了震源波場和檢波點波場的信息，可以對所有波進行成像。因此，本文選用互相關(guān)成像條件進行成像，使用吸收邊界作為邊界條件。

疊前逆時偏移分為3個步驟:①震源波場正傳；②檢波點波場反傳；③應(yīng)用成像條件得到偏移成像剖面。常用的互相關(guān)成像條件[22]可以表示為：

(7)

式中：I(x)表示成像結(jié)果，S(x,t)和R(x,t)分別表示t時刻成像空間x處的震源波場和檢波點波場，x=(x,y,z)表示成像點空間位置矢量，T為最大記錄時間。

圖3為井中地震波場正向延拓及逆時偏移原理示意。圖3a和3b分別表示無衰減介質(zhì)和衰減介質(zhì)的地震波場正向延拓過程，對比可知，對于衰減介質(zhì)，波場由震源點傳播至檢波點過程中振幅的衰減情況可以表示為：

(8)

式中，LD和LU分別表示波場下行和上行傳播的距離。

實際地層并非是完全彈性介質(zhì)，而是呈一種粘彈性狀態(tài)。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谡硰椥越橘|(zhì)中傳播時，波場的振幅和相位會發(fā)生變化，最終影響逆時偏移成像剖面。圖3c和3d分別表示聲波逆時偏移和Q補償逆時偏移的基本原理。由圖可知，對于衰減介質(zhì)，需在震源波場正向延拓和檢波點波場反向延拓過程中對波場的吸收衰減效應(yīng)進行補償?；趫D3b所示的地震波場衰減規(guī)律，Q補償逆時偏移過程中，任意成像點處的震源波場和檢波點波場可分別使用算子e+αLD和e+αLU進行衰減補償，具體可表示為：

圖3 井中地震波場延拓及逆時偏移原理示意

SC(x,t)=S(x,t)e+αLD，

(9)

(10)

利用補償后的震源波場SC(x,t)和檢波點波場RC(x,t)，應(yīng)用零延遲互相關(guān)條件實現(xiàn)成像，具體為：

(11)

結(jié)合式(8)、(10)和(11)可知，由零延遲互相關(guān)成像條件得到的補償后圖像IC(x)，理論上等于聲波逆時偏移得到的圖像I(x)，即介質(zhì)的吸收衰減效應(yīng)得到完全補償。

彈性介質(zhì)的波場正向延拓和逆時延拓在參數(shù)選取合理的情況下都是穩(wěn)定的。地震波在粘滯性介質(zhì)中傳播時，波場正傳過程中能量是衰減的，所以該過程穩(wěn)定，但在逆時延拓的過程中，需要對震源波場和檢波點波場進行補償，能量呈指數(shù)型增大，這同時導(dǎo)致高頻噪聲得到極大的增強，出現(xiàn)高頻不穩(wěn)定現(xiàn)象。為保證波場的穩(wěn)定[21]，本文通過在波數(shù)域使用低通濾波的方式將高頻噪聲去除。

圖4為地面地震與井中地震粘聲逆時偏移波場延拓示意，圖5為逆時偏移中實際構(gòu)建的震源與檢波點波場。從圖4和圖5 中可以看出，在逆時偏移中震源波場和檢波點波場均出現(xiàn)背向反射，震源波場的背向反射波前表現(xiàn)為反射圓弧，而檢波點波場的背向反射波前表現(xiàn)為向界面彎曲的弧。井中地震與地面地震相比，在震源波場中能觀測到更為完整的入射波波前，檢波點波場與地面地震差別不大。

圖4 粘聲逆時偏移中的波場延拓示意

圖5 粘聲逆時偏移中的震源波場和檢波點波場

3 數(shù)值算例

為了驗證不同因素對井中地震粘聲逆時偏移成像的影響，采用一個典型衰減介質(zhì)模型進行數(shù)值試驗?；谠撃Ｐ?，共設(shè)計4個對比測試，從以下方面分析參數(shù)選取對成像效果造成的影響：①炮間距變化對成像的影響；②炮數(shù)變化對成像的影響；③強衰減區(qū)域?qū)Τ上竦挠绊?；④多井?lián)合探測對成像的影響。

圖6為所用的BP氣云模型[23]。該模型中心處存在一個由氣窗引起的低速高衰減區(qū)域。模型大小為3 980m×1 610m，模型在深度方向上有161個網(wǎng)格點，采樣間隔為10 m，在水平方向上有398個網(wǎng)格點，采樣間隔為10 m。采用主頻為20 Hz的雷克子波作為震源激發(fā)地震波場，記錄時長為2 s，采樣間隔為1 ms，共設(shè)置398個檢波器均勻分布于地表，道檢距為10 m。

圖6 BP氣云模型

3.1 炮間距對成像的影響

在模型1 200 m處設(shè)置一口井，從井深300 m處開始由淺至深進行放炮，激發(fā)井段長度為1 000 m，通過改變炮間距，測試不同炮間距下炮間距對偏移結(jié)果的影響，成像結(jié)果如圖7所示。圖7中紅色線條代表井位，圖7a～d分別表示：炮數(shù)100炮間距10 m、炮數(shù)50炮間距20 m、炮數(shù)34炮間距30 m和炮數(shù)25炮間距40 m的粘聲逆時偏移成像剖面。對比可知，在有效成像范圍內(nèi)，激發(fā)井段長度固定的情況下，隨著炮間距逐漸增加，成像剖面假象逐漸增多，成像效果逐漸變差。

圖7 BP模型不同炮間距下的粘聲逆時偏移剖面

3.2 炮數(shù)對成像的影響

在模型1 200 m處設(shè)置一口井，從井深300 m處開始由淺至深進行放炮，炮間距為10 m。通過改變炮數(shù)，測試相同炮間距情況下炮數(shù)對偏移結(jié)果的影響，成像結(jié)果如圖8所示，圖中紅色線條代表井位。對比可知，隨著炮數(shù)增加，深層構(gòu)造成像更加清晰，成像效果更佳。

圖8 BP模型不同炮數(shù)下粘聲逆時偏移剖面

3.3 強衰減區(qū)域?qū)Τ上竦挠绊?/h3>

本文選取模型中心處的低速強衰減區(qū)域作為目標(biāo)層，測試強衰減區(qū)域?qū)ζ破拭娴挠绊?。目?biāo)層和井的位置如圖9所示，圖中紅色線條代表井位，黃色矩形代表目標(biāo)層范圍。分別在目標(biāo)層的左側(cè)、右側(cè)、上方、下方設(shè)置一口井，炮數(shù)為40，炮間距為10 m。通過對比圖9中不同井位的偏移剖面可知：當(dāng)井位于目標(biāo)層的左側(cè)、右側(cè)和上方時，均可進行成像，但當(dāng)井位于目標(biāo)層下方時，由于受到低速高衰減區(qū)域的影響，無法正確成像。

圖9 BP模型井位于目標(biāo)層不同位置的粘聲逆時偏移剖面

3.4 多井聯(lián)采對成像的影響

單井井中地震的射線路徑及覆蓋范圍如圖10所示，可以看出單井井中地震的成像范圍有限，隨著震源深度增大，覆蓋范圍逐漸減小，最大覆蓋半徑為炮檢距的一半，此時激發(fā)點位于井口。為擴大井中地震的探測范圍，突出井中地震技術(shù)在深層構(gòu)造成像上的優(yōu)勢，進行了多井聯(lián)采實驗，通過在模型橫向上布置多口井模擬多井聯(lián)采對成像的影響。在模型70 m處由左向右布置震源，震源深度為50 m，炮間距為50 m，共激發(fā)77炮，得到地面地震偏移剖面如圖11a所示，圖中紅點代表震源位置。在模型中分別設(shè)置2口、3口、4口和5口井，每口井的炮數(shù)為15炮，炮間距為20 m，從井深100 m處開始由淺至深進行放炮，得到偏移剖面如圖11b～e所示。

圖10 井中地震射線路徑及覆蓋范圍示意

圖11 BP模型井地粘聲逆時偏移剖面對比

圖中紅色線條代表井位；紅色方框圈中的部分為局部放大區(qū)域，地面地震和5口井的局部放大偏移剖面如圖12所示。

通過圖12的對比發(fā)現(xiàn)，考慮地層粘彈性的影響，相對于地面地震，當(dāng)勘探目的層較深時井中地震具有一定的優(yōu)勢。在井中地震中由于震源位置較深，距離勘探目的層較近，因此可以更清晰地刻畫深層構(gòu)造。但與成熟的地面地震技術(shù)相比，井中地震存在成像范圍有限的、易受噪聲影響等缺點。通過圖11和圖12的偏移剖面和局部放大剖面的對比可以看出，與地面地震相比，多井聯(lián)合成像具有一定的優(yōu)勢，在模型深層位置可以更清晰地刻畫地質(zhì)構(gòu)造，獲得更佳的偏移剖面。

圖12 BP模型井地粘聲逆時偏移剖面局部放大對比

4 結(jié)論

本文將粘聲逆時偏移成像方法應(yīng)用至井中地震，利用BP氣云模型進行數(shù)值測試和分析，通過對不同參數(shù)的成像結(jié)果進行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)炮間距的改變本質(zhì)是改變炮點排列的密度，炮間距越大炮點排列越稀疏，而炮數(shù)的測試是在保證炮點排列密度不變的情況下，增加炮線長度。通過模型的炮間距和炮數(shù)測試表明，炮點排列越稀疏成像效果越差；排列密度不變，增加炮數(shù)有助于對深層構(gòu)造的刻畫，但整體來說對成像結(jié)果影響不大。

2)強衰減區(qū)域?qū)Φ卣鸩ǖ奈账p作用對偏移成像結(jié)果有較大影響。當(dāng)井位于強衰減區(qū)的左右側(cè)時，對成像結(jié)果影響不大；當(dāng)井位于衰減區(qū)上方時，衰減區(qū)的影響會導(dǎo)致衰減區(qū)下方成像困難；當(dāng)井位于衰減區(qū)下方時，由于衰減區(qū)的強吸收作用，難以成像。因此，在實際生產(chǎn)中應(yīng)謹慎選擇激發(fā)井位。

3)模型測試表明，使用粘聲逆時偏移技術(shù)可以對使用井中地震采集的數(shù)據(jù)進行較好的成像。井中地震與地面地震的對比表明，通過多井聯(lián)合成像的方式也可獲得較好的結(jié)果，且與地面地震相比，井中地震在深層具有一定優(yōu)勢，應(yīng)用井中地震的方式能夠更好地刻畫模型深層的構(gòu)造特征。