基于walkaround VSP的裂縫檢測方法及應(yīng)用

陳占國,陳 林,張衛(wèi)紅

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

基于walkaround VSP的裂縫檢測方法及應(yīng)用

陳占國,陳 林,張衛(wèi)紅

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

研究油氣儲層裂縫發(fā)育情況是降低油氣勘探風(fēng)險,有效開發(fā)油氣資源的重要任務(wù)之一。研究了利用walkaround VSP資料下行qP波的振幅、速度和極性方位各向異性特征分析裂縫參數(shù)的方法和流程。其中通過反褶積和偽透射系數(shù)( pseudo transmission coefficient,PTC)處理消除了上覆地層對振幅的影響;通過計算與各向異性有關(guān)的局部速度避開炮點高程和偏移距及上覆地層對旅行時的影響;提出的相對極化角方法校正了偏振極性受炮點位置的影響;最后通過最小二乘橢圓擬合方法分析了qP波的振幅、速度和偏振極性隨方位的變化特征,統(tǒng)計了儲層的裂縫走向和發(fā)育情況。應(yīng)用結(jié)果表明,3種屬性分析的結(jié)果吻合度較高,且和橫波分裂方法的分析結(jié)果一致,從而證明該方法可靠性較高,是一種通過walkaround VSP預(yù)測裂縫的有效方法。

walkaround VSP;裂縫;各向異性;振幅;速度;極性

與裂縫方向和流體分布非均質(zhì)性有關(guān)的各向異性研究是地震勘探的重要內(nèi)容,已成為現(xiàn)今地球物理領(lǐng)域的研究熱點之一。縫洞型油氣藏是我國油氣勘探開發(fā)中一種十分重要的油氣藏。在碳酸鹽巖和火山巖儲層中,油氣藏主要為縫洞型,即使在碎屑巖儲層中,也有相當(dāng)一部分油氣藏為裂縫型。因此識別裂縫型儲層對于油氣勘探開發(fā),特別是碳酸鹽巖地區(qū)的油氣勘探開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

VSP裂縫儲層預(yù)測技術(shù)多以基于橫波分裂的檢測技術(shù)為主,但橫波受地表影響嚴(yán)重,信噪比和頻率較低,同時國內(nèi)外利用VSP檢測裂縫較多采用雙橫波震源激發(fā)的四分量技術(shù),這種橫波勘探方法激發(fā)條件苛刻,勘探成本較高,難以廣泛應(yīng)用[2-8]?；诜轿桓飨虍愋缘目v波方法在地面地震裂縫檢測技術(shù)中扮演著重要的角色。與其它技術(shù)比較,縱波更低的采集成本和相對成熟的處理技術(shù),使得利用縱波來進(jìn)行裂縫預(yù)測更具現(xiàn)實性[9-12]。walkaround VSP,其多方位采集的特點,使地震波縱波速度、振幅等多種屬性攜帶了裂縫的方位各向異性信息;而井中接收的方式,使地震波受地面影響少,衰減小,信噪比較高;同時多分量多方位接收的方式能夠記錄與裂縫方位各向異性有關(guān)的縱波偏振信息。因此walkaround VSP縱波的這些特點對分析預(yù)測地層裂縫非常有利。但是國內(nèi)外通過walkaround VSP縱波信息研究裂縫各向異性的應(yīng)用實例較少,而且walkaround VSP觀測方式在國內(nèi)也少有采集。因此通過借鑒地面地震中縱波屬性分析裂縫的一些方法和手段,結(jié)合walkaround VSP自身特點,研究利用其qP波信息分析井旁裂縫情況的方法和流程,對提高井旁裂縫預(yù)測的可靠性具有實際意義。

根據(jù)裂縫介質(zhì)中地震波的傳播理論[13],包含一組垂直定向排列的裂縫系統(tǒng)影響地震波的方式取決于裂縫的尺寸與占主導(dǎo)地位的地震波波長的相對關(guān)系。如果裂縫尺寸比信號中的主波長小得多,則裂縫導(dǎo)致介質(zhì)像一個有著與裂縫走向垂直對稱軸的等效各向異性地層,因此qP波的振幅、速度和偏振極性的方位各向異性與裂縫的走向有關(guān)[14]。本文介紹了利用qP波振幅、速度和偏振極性隨方位的變化特征來綜合分析地層的裂縫發(fā)育情況的理論;結(jié)合walkaround VSP的采集方式的特點,研究了利用walkaround VSP多種屬性檢測裂縫的方法,總結(jié)出一套實用的處理流程;最后通過一口井實測的walkaround VSP資料驗證了方法技術(shù)的實用性。

1 qP波地震屬性與裂縫關(guān)系

假設(shè)裂縫只有一個主走向,則多方位觀測的VSP的qP波的振幅、速度和偏振極性等屬性可以用一個最小二乘橢圓來擬合,橢圓擬合的長、短軸的走向與裂縫方位有關(guān),而長軸A和短軸B的比值可以表示各向異性百分比程度(圖1)。

(1)

研究表明,對于簡單介質(zhì),qP波沿裂縫走向和垂直裂縫走向傳播時的速度不同,從而導(dǎo)致qP波振幅響應(yīng)的變化[13]。這種qP波通過裂縫介質(zhì)表現(xiàn)出來的方位各向異性特征是進(jìn)行裂縫檢測的直接參數(shù)[15-16]。對于固定炮檢距,直達(dá)qP波通過裂縫介質(zhì)時的振幅響應(yīng)R與炮檢方向和裂縫走向之間的夾角φ(圖1)有如下關(guān)系[17-21]:

(2)

式中:C為與方位振幅有關(guān)的偏振因子(均勻介質(zhì)下透射強(qiáng)度);D為與方位振幅有關(guān)的調(diào)制因子；θ表示裂縫走向。顯而易見,當(dāng)φ=0時,振幅R最大;隨著φ的增大,R變小;當(dāng)φ=90°時,R最小。因此,振幅橢圓擬合的長軸對應(yīng)著裂縫的走向[9]。

圖1 橢圓擬合裂縫走向

與振幅與裂縫方位的關(guān)系一樣,速度v與炮檢方向和裂縫走向之間夾角φ也滿足公式(2)的形式[22],只不過R用v代替,C表示為與速度有關(guān)的偏振因子(方位速度平均值),D表示為與方位速度有關(guān)的調(diào)制因子。因此速度橢圓擬合的長軸也對應(yīng)著裂縫的走向[23]。

最近的研究表明,沿著垂直井方向測量的qP波的極化角ψ與介質(zhì)的弱各向異性有關(guān)[24]:

(3)

式中:Q為垂直慢度;Φ為方位角;vP為垂向速度;Sn是與局部各向異性有關(guān)的參數(shù)。方程(3)表明可以通過測量極化角來確定介質(zhì)的各向異性參數(shù)。由于極化角ψ的余弦與局部速度vP成比例(一階近似),所以極化角的橢圓擬合的短軸對應(yīng)了裂縫的走向[14]。

2 裂縫參數(shù)提取方法

2.1 qP波波場預(yù)處理

在裂縫分析之前要對原始數(shù)據(jù)做一些預(yù)處理,以分離下行qP波場。這些處理包括：通過偏振分析方法對水平分量檢波器方位的旋轉(zhuǎn);對垂直分量和徑向分量的旋轉(zhuǎn)以及中值濾波等。由于要通過振幅來分析方位各向異性特征,因此不需要采用幾何擴(kuò)散補償?shù)仁侄螌φ穹M(jìn)行處理。

2.2 qP波振幅屬性提取

為了降低隨機(jī)干擾對初至波能量的影響,對下行qP波場,在初至附近的一個時窗里提取初至的均方根(RMS)振幅。一般情況下,尤其對于陸上walkaround VSP采集,受地形條件限制,不能采用等高程、等偏移距的規(guī)則排列進(jìn)行觀測,同時也受地表激發(fā)條件及上覆地層等因素影響,qP波的RMS振幅與炮點方位表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。這種非裂縫因素對振幅的影響往往遠(yuǎn)強(qiáng)于地層裂縫對方位振幅的影響,因此必須予以消除。

首先消除近地表激發(fā)條件對qP波振幅的影響。如圖2所示,不同方位的炮點處地表地質(zhì)條件不同,同時近地表也存在非均勻體,這些因素導(dǎo)致震源激發(fā)能量不同,子波的形態(tài)和能量也存在差異。為此設(shè)計一個零相位反濾波算子,通過反褶積將下行qP波能量相對均衡，同時也對子波整形。具體做法是選擇每一炮集的最淺層檢波點下行qP波記錄作為反褶積參考道,對該炮集qP波記錄進(jìn)行反褶積處理。這相當(dāng)于將每一炮的能量用最淺層檢波點歸一化,用最淺層檢波點對波形整形,以此消除最淺層檢波點以上地表部分及激發(fā)條件對qP波振幅的影響。

接下來消除地形和上覆地層各向異性對目標(biāo)層振幅的影響。在陸上勘探中,受地形限制,各炮點的高程及偏移距往往不一致,使地震波傳播距離不同,衰減也不一樣，同時上覆地層的各向異性影響也會傳遞到目標(biāo)層。在井中,相鄰檢波點垂直深度差別不大,同一炮兩個檢波點接收的qP波傳播路徑可以認(rèn)為是相同的(圖2)。因此,相鄰兩個檢波點之間地層的偽透射系數(shù)(pseudo transmission coefficient,PTC)可用目標(biāo)地層頂、底部檢波點的圴方根(RMS)振幅AT和BT的比值表示:

(4)

經(jīng)過計算偽透射系數(shù),相當(dāng)于將同一炮相鄰兩個檢波點之間對振幅影響相同的因素(如傳播距離、子波形態(tài)、目標(biāo)層上覆地層等)抵消掉,此時的PTC值就可以認(rèn)為只受一個因素影響,即目標(biāo)層處的裂縫或各向異性引起的qP波振幅變化。

圖2 上覆地層對qP波振幅的影響示意

2.3 qP波局部速度計算

變化較大的炮點高程及偏移距是造成qP波初至旅行時和炮點位置表現(xiàn)出很強(qiáng)相關(guān)性的主要原因,其次才是上覆地層各向異性。這些影響造成的旅行時時差較難校正。高志凌等[25]提出了一種沿射線方向計算非零偏VSP局部層速度的方法,這種層速度比沿垂直方向計算的VSP速度更接近偏移速度。本文將這種速度計算方法引入到walkaround VSP層速度的計算,并通過該局部層速度分析walkaround VSP裂縫各向異性,這種層速度比沿垂直方向計算的層速度對局部方位各向異性更為敏感。

如圖3所示,一般情況下,有偏VSP的偏移距遠(yuǎn)大于井中兩個相鄰檢波器的間距,我們可認(rèn)為相鄰兩個接收點的直達(dá)qP波傳輸路徑相似,兩接收點直達(dá)qP波傳輸路徑之差(Δs)為兩接收點垂直間距(ΔH)與直達(dá)qP波相對垂直方向入射角α(通過偏振分析可以得到)余弦的乘積,則兩個檢波點之間的局部速度可近似的表示為:

(5)

式中:ti和ti+1表示相鄰兩個接收點的初至?xí)r間。通過偏振信息和走時信息計算的層速度與常規(guī)的沿垂直方向計算的層速度相比,更能反映地層各向異性分析特征變化。

圖3 qP波局部速度計算示意

2.4 qP波相對極性計算

通過偏振極性分析裂縫是VSP等多分量地震的一大優(yōu)勢。在各向同性介質(zhì)中,P波的偏振方向與波的傳播方向一致;在各向異性介質(zhì)中,qP波偏振方向不再平行或垂直于波傳播方向(圖4)。由公式(3)也表明,接收點處質(zhì)點的運動引起的qP波偏振現(xiàn)象與地層的局部各向異性有關(guān)。通過三分量記錄的偏振分析可以獲得每個檢波點處的qP波相對井軸(z軸)的偏振角,這個偏振角除了與局部各向異性有關(guān)外,也與炮點位置有關(guān)。為了消除炮點位置的影響,提出了一個相對偏振極性來表示各向異性引起的偏振方向變化。如圖4,當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過裂縫地層后,在裂縫地層中的檢波器接收到的qP波的垂向偏振方向為紅色射線所指,假設(shè)檢波點以上地層各向同性,P波的垂向偏振方位為藍(lán)色射線所指,這兩個偏振方向之間有相對偏差,我們利用這個角的相對變化來表示各向異性:

(6)

式中,Pani是偏振分析的qP波相對垂直方向?qū)嶋H偏振角;Piso是在假設(shè)地層是各向同性介質(zhì)條件下,通過射線追蹤的方法計算接收點處的射線垂直入射角;ψr的大小表示各向異性的程度。如果通過橢圓擬合ψr值,那么和公式(3)有所區(qū)別的是,通過相對偏振處理后,橢圓的長軸指示的方向為裂縫的走向方向。

圖4 qP波偏振極性示意

2.5 橢圓擬合

經(jīng)過對振幅、速度和極性進(jìn)行處理,消除了各種觀測痕跡和上覆地層的影響后,這些屬性就能反映目標(biāo)地層的裂縫引起的各向異性情況。因此,分別就目標(biāo)層中同一深度、不同方位的屬性通過最小二乘橢圓進(jìn)行擬合,然后計算橢圓長軸方向及長短軸比值。橢圓擬合時可以對屬性中的一些異常值進(jìn)行剔除,有必要時做適當(dāng)?shù)钠交幚?。最后對于目?biāo)地層,統(tǒng)計各個屬性計算的橢圓長軸方向和長短軸比,綜合分析后得到裂縫的主方位和各向異性程度。

3 實際資料應(yīng)用

實際應(yīng)用中，我們采集了山西某煤層一口氣井的walkaround VSP數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)共有24炮,從正北順時針方向起0～345°,每15°一炮(圖5);10m間距32級三分量檢波器接收;接收井段在距井口650～960m深度處。目標(biāo)層位于富含煤層氣的790～850m深度的山西組和860～960m深度的太原組。由于工區(qū)的山地地形條件復(fù)雜,從圖5中可以看到,炮點偏移距不是等距離的,同時炮點高程也不在同一水平面上,這樣的觀測條件為各向異性分析帶來了困難。

在裂縫分析之前對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行水平分量旋轉(zhuǎn)、徑向和垂向分量旋轉(zhuǎn)、波場分離等預(yù)處理,最后得到下行qP波場(圖6)。

首先對振幅進(jìn)行分析。對下行qP波場,我們選擇每一炮最淺層650m深度處檢波點記錄作為該炮記錄的參考道,對整炮記錄反褶積。圖7是最淺層檢波點反褶積前、后的記錄,從圖中看到,反褶積后記錄能量得到均衡,后續(xù)的多次波基本消失。然后我們在初至附近30ms的一個時窗里,提取目標(biāo)層不同方位反褶積后qP波的RMS振幅(圖8b)。對比反褶積前目標(biāo)層qP波的RMS振幅(圖8a),可以看到原始RMS振幅和炮點的方位表現(xiàn)出高度相關(guān)性,而且不同方位振幅級別相差很大;反褶積后的不同方位qP波RMS振幅還存在一定的相關(guān)性,但是不同方位之間能量的級別有所減小。如果仔細(xì)觀察圖8b和圖5就會發(fā)現(xiàn),偏移距小、高程低的方位上振幅較大;反之振幅較小。也就是說,炮點偏移距和高程對反褶積后RMS振幅影響還比較嚴(yán)重,必須通過計算偽透射系數(shù)(PTC)的辦法消除。從計算的反褶積后RMS振幅的PTC值(圖8c)可以看出,不同方位的PTC值與炮點方位相關(guān)性得以消除,此時可以認(rèn)為PTC是裂縫各向異性引起的qP波振幅的變化。最后通過橢圓擬合不同深度各個方位的PTC值(圖9),并統(tǒng)計的山西組地層的各向異性的平均值為7.5%,裂縫走向為82.5°和127.0°,太原組地層各向異性平均值為6.4%,裂縫主走向97.0°。

圖5 walkaround VSP炮點偏移距分布(a)以及炮點的高程分布(b)

圖6 預(yù)處理分離出的下行qP波部分炮集

圖7 最淺層檢波點道集(深度650m)反褶積前(a)和反褶積后(b)記錄

圖8 qP波原始RMS振幅(a);反褶積后的RMS振幅(b)以及qP波偽透射系數(shù)(c)

圖9 振幅各向異性橢圓擬合結(jié)果

隨后對速度進(jìn)行分析。首先拾取qP波初至?xí)r間,通過圖10a的雷達(dá)圖看到,初至?xí)r間依然與炮點偏移距及高程(圖5)存在很強(qiáng)的相關(guān)性,這是不能利用走時分析方法分析復(fù)雜地形條件下walkaround VSP資料各向異性的主要原因。因此利用初至和偏振分析得到的偏振信息計算與各向異性有關(guān)的局部層速度,從局部層速度(圖10b)中看到,炮點偏移距及高程與局部層速度的相關(guān)性基本消除。結(jié)合橢圓擬合的結(jié)果(圖11),統(tǒng)計在山西組和太原組地層中,各向異性平均值都為5.6%左右,而且裂縫的主方位角都為127°。

最后對極性進(jìn)行分析。通過偏振分析得到qP波相對垂直方向的偏振極性。炮點偏移距和高程對偏振極性的影響雖然不像其對振幅和旅行時的影響那么明顯(圖12a),但是還是需要經(jīng)過相對偏振處理預(yù)以消除。消除后的偏振極性(圖12b)的變化就表示裂縫地層各向異性特征。圖13是橢圓擬合的偏振極性各向異性結(jié)果,從結(jié)果看橢圓長軸基本都指向北西方向。最后通過統(tǒng)計,山西組地層的各向異性程度平均值為7.1%,裂縫主方位角為112°,太原組地層各向異性程度平均值為5.6%,裂縫主方位為142°。

圖14是對3種屬性計算的裂縫參數(shù)綜合分析的總結(jié)。目標(biāo)層振幅、速度和偏振極性所表現(xiàn)的方位各向異性雖然存在具體差異,但是基本方位總體一致。綜合統(tǒng)計后,山西組地層的裂縫方位集中指向120°,與通過橫波分裂算法計算的該層的裂縫方位120°(圖15)完全一致。太原組地層的裂縫主方位127°也與橫波分裂算法計算結(jié)果一致。對于裂縫引起的各向異性程度,3種屬性的各向異性程度曲線趨勢很好的吻合(尤其對于太原組地層)。對3種屬性的各向異性程度值求平均，得到山西組地層的各向異性平均值為6.7%,太原組地層的各向異性程度平均值為5.8%。

圖10 qP波初至波旅行時(a)以及局部速度(b)

圖11 速度各向異性橢圓擬合結(jié)果

圖12 qP波原始偏振極性(a)及其相對偏振極性(b)

圖13 偏振極性各向異性橢圓擬合結(jié)果

圖14 通過振幅、速度和極性綜合分析的裂縫參數(shù)

圖15 橫波分裂方法計算的目標(biāo)層的裂縫方位

4 結(jié)論

文中結(jié)合實際walkaround VSP資料研究了通過下行qP波振幅、速度和偏振極性的方位各向異性特征分析儲層裂縫參數(shù)的方法和流程。應(yīng)用研究表明,炮點激發(fā)條件、地形條件和上覆地層中各種因素嚴(yán)重影響了walkaround VSP資料方位各向異性特征,進(jìn)而影響到對目標(biāo)層裂縫參數(shù)的預(yù)測,因此消除這些觀測痕跡的影響是利用qP波的各種屬性正確分析地層裂縫參數(shù)的關(guān)鍵。文中通過最淺層檢波點反褶積和PTC處理有效地校正了目的層上覆地層對振幅的影響。通過引入計算與各向異性有關(guān)的局部速度方法分析各向異性能避開炮點位置和上覆地層對旅行時時差影響較難消除的弊端。在偏振極性分析各向異性時,提出的相對偏振極化方法消除了炮點位置對偏振極性的影響。最后通過最小二乘橢圓擬合3種屬性得到裂縫的主方位和各向異性程度參數(shù),并進(jìn)行綜合統(tǒng)計,能避免單個屬性的分析誤差,提高了統(tǒng)計結(jié)果的可靠性。最終3種屬性的統(tǒng)計分析表明,統(tǒng)計后目標(biāo)層的裂縫主方位清晰集中,和橫波分裂算法計算的裂縫方位能很好吻合,而且3種屬性的各向異性曲線也有很好的一致性。這證明通過qP波的振幅、速度和偏振極性屬性分析裂縫參數(shù)的方法和流程可靠有效,在實際生產(chǎn)中具有應(yīng)用價值。

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(編輯：朱文杰)

Fracture detection method based on walkaround VSP and its application

Chen Zhanguo,Chen Lin,Zhang Weihong

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

Research on the development of reservoir fractures is to reduce exploration risk and effectively develop hydrocarbon reservoirs.The analysis method and workflow on fracture parameters are studied by using the amplitude,velocity and polarity azimuthal anisotropy of down-going qP wave from walkaround VSP data.The impact of overlaying formations on the amplitude is removed by deconvolution and pseudo-transmission coefficient (PTC) processing.The impact of shot point elevation,offset and overlaying formations on travelling-time is avoided by calculating local velocity related with anisotropy.The impact of shot position on the polarization of polarity is corrected by the proposed relative polarization angle method.Finally,we analyze the variation characteristics of the amplitude,velocity and polarity azimuthal anisotropy of down-going qP wave via azimuth by least square ellipse fitting method.Moreover,the statistics of fracture strike and development in reservoirs is carried out.The application indicates that the analysis results of the attributes match with each other and are consistent with the results obtained from S-wave splitting method,which proves the higher reliability of the method and is effective for fracture prediction by walkaround VSP data.

walkaround VSP,fracture,anisotropy,amplitude,velocity,polarity

2015-04-21;改回日期：2015-07-16。

陳占國(1985—),男,碩士,助理工程師,現(xiàn)主要從事VSP相關(guān)方法研究。

國家科技重大專項項目“煤層氣井中地球物理勘探技術(shù)研究”(2011ZX05035003)資助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0745-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.013