縱波源零偏VSP資料中的上行橫波與縱波聯(lián)合反演初探

吳少軍,羅 斌,陳元勇,吳健通,張 文,章學(xué)岐,徐秋云

(1.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司研究院,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;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074)

縱波源零偏VSP資料中的上行橫波與縱波聯(lián)合反演初探

吳少軍1,羅 斌2,陳元勇1,吳健通3,張 文1,章學(xué)岐1,徐秋云1

(1.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司研究院,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;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074)

VSP資料主要包括上、下行縱波(P波)和上、下行轉(zhuǎn)換橫波(SV波)4種地震波場，且其已得到普遍應(yīng)用，但縱波源VSP資料中的上行橫波(SS波)卻鮮為人知并未得到有效應(yīng)用。通過分析研究，總結(jié)了這種上行橫波的成因及其特點(diǎn)，探索了利用縱波源零偏VSP資料中的上行橫波和縱波聯(lián)合反演預(yù)測井筒附近地層流體性質(zhì)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。首先分離零偏VSP上、下行縱波和上、下行橫波，再對上行縱、橫波進(jìn)行1D/2D地震成像并將成像剖面轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的屬性(如振幅包絡(luò))剖面，最后計算兩者的屬性比(或?qū)傩圆?剖面，用于儲層預(yù)測和含油氣分析。給出了資料處理及儲層預(yù)測的詳細(xì)流程，利用實(shí)際VSP資料初步顯示了上述方法的應(yīng)用效果。

VSP;上行橫波;資料處理;儲層預(yù)測;地震成像;屬性分析

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入,勘探目標(biāo)正由構(gòu)造油氣藏向地層、巖性油氣藏和縫洞(裂縫)型油氣藏及其它隱蔽油氣藏發(fā)展。對隱蔽性復(fù)雜油氣藏的預(yù)測變得越來越重要,相關(guān)技術(shù)研究已成為業(yè)界的熱點(diǎn),也是當(dāng)今油氣勘探和開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-5]。研究地下介質(zhì)的物性參數(shù),進(jìn)而分析含油氣儲層的巖性和流體性質(zhì)是地震勘探的重要目標(biāo)。在所有物性參數(shù)中,最常見也是最重要的當(dāng)屬巖石的縱、橫波速度。全波測井能得到分辨率很高的橫波速度,橫波源VSP可得到相對精確的地層橫波速度,但全波測井和橫波源VSP由于采集成本高等原因尚未普遍實(shí)施。因此,利用常規(guī)縱波源VSP資料求取地層縱波速度和橫波速度,進(jìn)而得到地層的縱/橫波速度比和泊松比等物性參數(shù),成為VSP資料處理所追求的目標(biāo)之一[6-9]。

VSP采用井中三分量接收,可以獲得大量地面地震無法得到的地震信息,如下行P波、下行SV波(或下行S波,即下行橫波)及上行反射SV波(或上行轉(zhuǎn)換S波)等。關(guān)于VSP下行橫波的應(yīng)用,業(yè)內(nèi)學(xué)者已做了大量研究工作,主要包括以下兩個方面:一是利用下行橫波求取橫波層速度,再通過縱波層速度獲得地層的縱、橫波速度比和泊松比等儲層物性參數(shù)[6-9];二是利用VSP橫波分裂特性檢測地層裂隙,進(jìn)而分析縫洞型油氣藏性質(zhì)等[10-14]。

利用VSP橫波分裂現(xiàn)象檢測地下裂縫是最有效的地球物理裂隙檢測方法之一,VSP裂縫儲層預(yù)測技術(shù)近年來發(fā)展迅速,且以基于橫波分裂的檢測技術(shù)為主。曾經(jīng)應(yīng)用較多的橫波源四分量VSP技術(shù)使用正交偏振的橫波震源,利用Alford旋轉(zhuǎn)方法[15]分離快、慢波,不僅能檢測裂縫的方位,而且可以檢測裂縫的密度[10-11],但由于采集成本高等原因,近年來其應(yīng)用越來越少,逐漸被利用縱波源(零偏)VSP三分量資料中的下行橫波檢測裂縫方位的方法所取代[12-14]。

綜上所述,VSP物性參數(shù)的求取和地層裂隙的檢測利用了下行橫波,僅限于觀測井段之內(nèi)的地層,對VSP觀測井段之下的地層無能為力[4-14]。對于縱波源零偏VSP資料中的上行橫波的利用,由于波場分離難度大和反射能量相對弱等原因,相關(guān)研究極少。本文探索出一套利用縱波源零偏VSP上行橫波進(jìn)行井筒附近油氣儲層預(yù)測的方法，通過塔里木神木地區(qū)碎屑巖地層幾口縱波源零偏VSP實(shí)際資料的處理,驗(yàn)證了方法的有效性。

1 基本原理及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 縱波源零偏VSP上行橫波成因及其定義

縱波源零偏VSP資料往往存在很強(qiáng)的橫波及其轉(zhuǎn)換波,而橫波源零偏VSP資料也往往存在很強(qiáng)的縱波及其轉(zhuǎn)換波。究其原因,不外乎存在以下兩種情況:一是地下介質(zhì)存在一定程度的各向異性,所謂縱波源,并非只有垂直方向振動的力,也有水平方向上的分力,這種水平分力產(chǎn)生下行橫波,經(jīng)反射界面以橫波形式向上反射,這是第一種形式的縱波源零偏VSP上行橫波,是由縱波源激發(fā)所產(chǎn)生的[16];另一種情況是激發(fā)地表附近存在非均質(zhì)強(qiáng)波阻抗界面,縱波向下以一定角度入射到這種強(qiáng)波阻抗界面時產(chǎn)生下行轉(zhuǎn)換橫波,如果上述強(qiáng)波阻抗界面位于井中檢波器觀測井段之上,則這種轉(zhuǎn)換橫波稱之為全程下行轉(zhuǎn)換橫波,它可以被井中所有檢波器接收到,同樣,如果它在反射界面再以橫波形式向上反射,這就是第二種形式的縱波源零偏VSP上行反射橫波[9,17]。

如圖1所示,S為井口縱波源位置,R為零偏VSP觀測井段內(nèi)某一接收檢波器位置,r為地下某一傾斜反射界面?？v波源在S點(diǎn)激發(fā)時,產(chǎn)生下行縱波,同時產(chǎn)生下行橫波,如果下行橫波到達(dá)反射界面r后再以橫波形式向上反射到接收點(diǎn)R(如圖1a所示路徑SAR),這種反射波即為上述第一種形式的上行反射橫波。如果下行縱波在地表附近遇到非均質(zhì)強(qiáng)波阻抗界面(如圖1b所示S*位置)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波繼續(xù)下行,到達(dá)反射界面r后再以橫波形式向上反射到達(dá)接收點(diǎn)R(如圖1b路徑S*A*R),則這種反射波即為上述第二種形式的縱波源零偏VSP上行反射橫波。

1.2 上行反射橫波技術(shù)特點(diǎn)

如果S點(diǎn)激發(fā)的下行縱波到達(dá)界面r后再以橫波的形式向上反射到達(dá)檢波器R(如圖1所示路徑SBR),則這種形式的反射波為典型的上行轉(zhuǎn)換橫波(也稱為上行SV波)。如果S點(diǎn)激發(fā)的下行縱波到達(dá)界面r后再以縱波形式向上反射到達(dá)檢波器R,則這種形式的反射波無疑為上行反射縱波(也稱為上行縱波或上行P波),根據(jù)Snell定律,反射路徑為如圖1a 所示的SAR,與第一種形式的上行橫波完全相同。

進(jìn)一步假設(shè)界面之上的縱波速度為vP,橫波速度為vS,vP>vS;第一種上行反射橫波在反射界面r上的入射角為,反射角為;第二種上行反射橫波在反射界面r上的入射角為*,反射角為*;上行轉(zhuǎn)換橫波(即上行SV波)在反射界面r上的入射角為,反射角為。根據(jù)Snell定律,對于第一種上行反射橫波,有:

(1a)

對于第二種上行反射橫波,有:

圖1 縱波源零偏VSP上行反射波場a 第一種形式的上行反射橫波; b 第二種形式的上行反射橫波

(1b)

對于上行轉(zhuǎn)換橫波,有:

(1c)

與上行反射縱波和上行轉(zhuǎn)換橫波相比,縱波源零偏VSP上行反射橫波具有如下特點(diǎn):

1) 對于上述第一種類型的上行反射橫波,激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)與上行反射縱波完全相同;對于第二種類型的上行反射橫波,轉(zhuǎn)換點(diǎn)與上行反射縱波反射點(diǎn)不在同一位置,但比較接近。根據(jù)Snell定律,兩者的傳播路徑基本相同,反射點(diǎn)位置相近,2D地震成像范圍基本相當(dāng)(上行SV波成像范圍小于上行P波成像),有利于對比分析縱、橫波成像剖面,獲得優(yōu)于上行P波與上行SV波成像的對比效果。

2) 在觀測井段之內(nèi),由縱波和橫波初至得到的縱波時深關(guān)系和橫波時深關(guān)系可以對同一地層上的縱波和橫波反射進(jìn)行精確的對比和標(biāo)定,觀測井段之下的地層可以通過上行反射波場的射線追蹤進(jìn)行比較精確的標(biāo)定[18]。據(jù)此,可以將上行橫波反射時間精確地轉(zhuǎn)換到縱波反射時間(即將SS波旅行時間轉(zhuǎn)換到PP波旅行時間),也可以將上述縱波和橫波同時轉(zhuǎn)換到深度域進(jìn)行分析。

3) 由于激發(fā)、接收因素完全相同,因此上行反射縱波與上行反射橫波成像及其屬性剖面之間的對比分析完全可以排除采集因素及其傳播路徑的影響。

1.3 處理分析思路及實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)縱波源零偏VSP上行橫波的成因及特點(diǎn),給出了縱波源零偏VSP資料處理及儲層預(yù)測流程(圖2)。首先利用波場分離方法分離出零偏VSP上、下行縱波和上、下行橫波,根據(jù)實(shí)際地層復(fù)雜程度進(jìn)行1D/2D地震成像處理[18](水平地層進(jìn)行1D地震成像,復(fù)雜高陡地層進(jìn)行1D和2D地震成像)。本文VSP上行波場的1D/2D成像采用文獻(xiàn)[18]所述常速度梯度射線追蹤VSP-CDP成像方法;然后將上行縱波和上行橫波成像剖面轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的屬性剖面(如振幅包絡(luò)屬性),得到屬性比和屬性差剖面;最后進(jìn)行儲層預(yù)測和含油氣分析。由于縱波與橫波在含油氣地層中的傳播存在差異,這種剖面可以較好地反映地層的流體性質(zhì)及其含油氣特征。

圖2 縱波源零偏VSP資料處理及儲層預(yù)測流程

在資料處理過程中,振幅保真尤為關(guān)鍵。實(shí)際振幅補(bǔ)償僅進(jìn)行球面擴(kuò)散補(bǔ)償,去噪和波場分離在三分量矢量空間進(jìn)行,要求分離后的所有不同波型波場及其衰減噪聲相加可以恢復(fù)到原始記錄。同時,為了使上行反射縱、橫波頻帶保持一致,需對上行波場進(jìn)行統(tǒng)一的頻率濾波處理。1D地震成像即走廊疊加記錄,水平情況下利用上行波拉平剖面計算地震屬性,而不是利用走廊疊加記錄。

2 實(shí)例分析

2.1 m2井零偏VSP

圖3為塔里木神木地區(qū)m2井零偏VSP原始Z分量和X分量記錄。其主要采集參數(shù)為:縱波可控震源激發(fā),掃描頻率8～96Hz(線性掃描),時間采樣率1ms;觀測井段及其采樣間隔6070～5000m井段為10m,4980～20m井段為20m,偏移距90.33m?？梢钥闯?Z分量記錄的上、下行P波能量較強(qiáng),信噪比較高。

圖4為m2井零偏VSP波場分離后的下行P波及上行P波記錄。由于原始記錄質(zhì)量較好,分離出來的上、下行P波資料信噪比較高。

圖3 m2井零偏VSP原始Z分量(a)和原始X分量(b)記錄

圖4 m2井零偏VSP波場分離后的下行P波(a)和上行P波(b)記錄

圖5為m2井零偏VSP三分量記錄針對橫波定向處理后的波場和進(jìn)一步波場分離出來的上行橫波波場?？梢钥闯?全程下行橫波能量非常強(qiáng),上行反射橫波(即上行SS波)和上行轉(zhuǎn)換橫波(即上行SV波)能量也清晰可見,兩種反射橫波信噪比都相當(dāng)高,可以用于含油氣儲層的預(yù)測研究。

圖6為m2井零偏VSP針對橫波定向處理后的記錄經(jīng)波場分離得到的全程下行橫波記錄和進(jìn)一步提高分辨率處理后的下行橫波記錄，可以看出,下行橫波反褶積前分辨率低,頻散嚴(yán)重。為提高下行橫波初至的拾取精度,我們進(jìn)一步做了Q補(bǔ)償VSP子波反褶積處理(時變子波,相當(dāng)于VSP子波反褶積+反Q濾波處理),使下行橫波初至分辨率和拾取精度得到大幅提高。

圖7為m2井零偏VSP速度和測井曲線(圖7a)、目的層VSP上行縱波拉平剖面(圖7b)及其走廊疊加記錄(圖7c)與地面地震剖面(圖7d)橋式標(biāo)定對比結(jié)果。其中,圖7a中第1道為自然伽馬(GR)測井曲線;第2道為自然電位(SP)測井曲線;第3道紅線為VSP縱橫波泊松比曲線,藍(lán)線為VSP縱橫波速度比曲線;第4道為高分辨率陣列感應(yīng)電阻率(M2R1)測井曲線;第五道紅線為縱波速度測井曲線,藍(lán)線為VSP縱波速度曲線。零偏VSP上行P波拉平剖面(圖7b) 及其走廊疊加記錄(圖7c)與地面地震剖面(圖7d) 吻合較好,氣層K1s2鉆井深度為6054m,被標(biāo)定到地面地震剖面3286ms位置,縱橫波速度比為1.732,泊松比為0.2502,上覆10m地層的縱橫波速度比為1.934,泊松比為0.3175,下伏10m地層的縱橫波速度比為2.010,泊松比為0.3356。該位置VSP縱橫波速度比及泊松比均為低值,具有明顯的含氣指示特征。

圖5 m2井零偏VSP針對橫波定向處理后的波場(a)及其上行反射橫波波場(b)

圖6 m2井零偏VSP反褶積前(a)、后(b)的下行橫波記錄

圖7 m2井零偏VSP速度及測井曲線(a)、上行縱波拉平剖面(b)及其走廊疊加記錄(c)與地面地震剖面(d)橋式標(biāo)定

圖8為m2井零偏VSP上行縱波成像剖面及其走廊疊加記錄和上行橫波成像剖面及其走廊疊加記錄分別插入地面地震剖面對比結(jié)果?？梢钥闯?縱波和橫波走廊疊加記錄與其成像剖面完全吻合,與地面地震剖面吻合較好,縱波和橫波成像剖面構(gòu)造形態(tài)與地面地震剖面構(gòu)造形態(tài)基本一致。此外,縱波和橫波的成像范圍基本相當(dāng),與理論分析相符;從縱波和橫波成像剖面3286ms附近的振幅變化看,縱波成像剖面能量較強(qiáng),表現(xiàn)為“亮點(diǎn)”反射特征,而橫波不受油氣流體性質(zhì)變化的影響,振幅相對較弱。

圖8 m2井零偏VSP上行縱波成像剖面及其走廊疊加記錄(a)與上行橫波成像剖面及其走廊疊加記錄(b)插入地震剖面對比結(jié)果

圖9為m2井零偏VSP上行縱波成像和上行橫波成像屬性分析剖面。其中,圖9a為縱波振幅包絡(luò)屬性剖面;圖9b為橫波振幅包絡(luò)屬性剖面;圖9c為縱橫波振幅包絡(luò)屬性比剖面;圖9d為縱橫波振幅包絡(luò)屬性差剖面。同樣可以看出,3286ms附近縱波包絡(luò)剖面為高峰值,而橫波包絡(luò)剖面為低峰值,縱橫波包絡(luò)屬性比和縱橫波包絡(luò)屬性差均出現(xiàn)異常特征。

2.2 m3井零偏VSP

圖10為研究區(qū)m3井零偏VSP原始Z分量和X分量記錄。主要采集參數(shù)為:觀測井段及其采樣間隔6580～5300m井段為10m,5280～20m井段為20m,偏移距49.74m,其它參數(shù)同m2井?？梢钥闯?Z分量上的上、下行P波能量較強(qiáng),信噪比較高,資料質(zhì)量與m2井基本相當(dāng)。

圖9 m2井零偏VSP地震成像屬性分析剖面a 縱波振幅包絡(luò); b 橫波振幅包絡(luò); c 縱橫波包絡(luò)比; d 縱橫波包絡(luò)差

圖10 m3井零偏VSP原始Z分量(a)和原始X分量(b)記錄

圖11為m3井零偏VSP速度及測井曲線(圖11a)、上行P波拉平剖面(圖11b)及其走廊疊加記錄(圖11c)與地面地震剖面(圖11d)橋式標(biāo)定對比結(jié)果。其中,圖11a第1道為高分辨率陣列感應(yīng)電阻率(M2R1)測井曲線;第2道為自然伽馬(GR)測井曲線;第3道紅線為VSP縱、橫波速度比曲線,藍(lán)線為VSP縱、橫波泊松比曲線;第4道紅線為測井速度曲線,藍(lán)線為VSP縱波速度曲線。m3井零偏VSP上行P波拉平剖面(圖11b) 及其走廊疊加記錄(圖11c)吻合較好,氣層K1s2鉆井深度為6769m,位于VSP觀測井段之下,被標(biāo)定到縱波地面地震剖面上3608ms附近,利用零偏VSP縱橫波物性參數(shù)無法預(yù)測該儲層油氣特征。

圖12為m3井零偏VSP上行縱波成像剖面及其走廊疊加記錄和上行橫波成像剖面及其走廊疊加記錄分別插入地面地震剖面對比結(jié)果?？梢钥闯?縱波和橫波走廊疊加記錄與其成像剖面完全吻合,與地面地震剖面吻合較好,縱波和橫波成像剖面構(gòu)造形態(tài)與地面地震剖面吻合。同樣,從縱波和橫波成像剖面3608ms附近的振幅能量變化看,縱波成像剖面能量較強(qiáng),表現(xiàn)為“亮點(diǎn)”反射特征,而橫波成像剖面由于不受儲層流體性質(zhì)影響,相對為弱反射特征。

圖11 m3井零偏VSP速度及測井曲線(a)、上行P波拉平剖面(b)及其走廊疊加記錄(c)與地面地震剖面(d)橋式標(biāo)定結(jié)果

圖12 m3井零偏VSP上行縱波成像剖面及其走廊疊加記錄(a)與上行橫波成像剖面及其走廊疊加記錄 (b)插入地震剖面對比結(jié)果

圖13為m3井零偏VSP上行縱波成像和上行橫波成像屬性分析剖面。其中,圖13a為縱波振幅包絡(luò)屬性剖面;圖13b為橫波振幅包絡(luò)屬性剖面;圖13c 為縱橫波振幅包絡(luò)屬性比剖面;圖13d為縱橫波振幅包絡(luò)屬性差剖面。同樣可以看出,3608ms附近縱波包絡(luò)剖面為高峰值,而橫波包絡(luò)剖面為低峰值,縱橫波包絡(luò)屬性比和縱橫波包絡(luò)屬性差均出現(xiàn)異常特征。

圖13 m3井零偏VSP地震成像屬性分析剖面a 縱波振幅包絡(luò); b 橫波振幅包絡(luò); c 縱橫波包絡(luò)比; d 縱橫波包絡(luò)差

3 結(jié)束語

通過對縱波源零偏VSP資料中上行橫波特性的分析以及對實(shí)際資料處理結(jié)果的分析,討論了上行橫波及縱波在井筒附近儲層預(yù)測中的應(yīng)用效果,得到以下認(rèn)識:

1) 利用縱波源零偏VSP資料中的上行橫波及上行縱波信息,通過波場分離、1D/2D地震成像及其屬性分析,可以對井筒附近儲層進(jìn)行油氣預(yù)測,預(yù)測效果好于VSP上行縱波和上行轉(zhuǎn)換波成像的對比分析結(jié)果。

2) 結(jié)合縱波源零偏VSP得到的縱、橫波速度比和泊松比等物性參數(shù),預(yù)測結(jié)果可以得到進(jìn)一步佐證,從而提高預(yù)測成功率。

3) 儲層預(yù)測是否成功關(guān)鍵要看預(yù)測資料的質(zhì)量,因此,縱波源零偏VSP資料的處理非常關(guān)鍵,其中,振幅保真至關(guān)重要。

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[13] 高希勤,侯安寧,白俊輝,等.利用P波源三分量VSP檢測裂縫[J].石油地球物理勘探,1998,33(1):109-118 GAO X Q,HOU A N,BAI J H,et al.Fracture detection using three-component VSP data of P-wave source[J].Oil Geophysical Prospecting,1998,33(1):109-118

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(編輯：戴春秋)

Joint inversion of up-going SS-wave and PP-wave in land zero offset VSP with P-wave source and a tentative exploration of their application

WU Shaojun1,LUO Bin2,CHEN Yuanyong1,WU Jiantong3,ZHANG Wen1,ZHANG Xueqi1,XU Qiuyun1

(1.ResearchinstituteofPetroChinaTarimOilfieldCompany,Korla841000,China;2.BeijingBoreholeLoggingPetroleumTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100085,China;3.SchoolofEarthScience,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China)

There are basically 4 main seismic waves of down-going and up-going P-wave,down-going and up-going SV-wave in VSP seismic exploration,which have been widely used,but the up-going SS-wave in land VSP with P-wave source was rarely known and has not been effectively applied.The genesis up-going S-wave and its characteristics are summarized,and the basic principle and implementation of reservoir prediction around borehole are introduced in this paper.We first separate down-going and up-going S-wave,as well as down-going and up-going P-wave,second get 1D/2D images of above up-going P-wave and up-going S-wave and transform them to seismic attribute section,like amplitude envelope,finally calculate attribute ratio or attribute difference sections for reservoirs prediction and analysis of oil and gas potential.The relevant process of data processing and reservoir prediction is also given in the paper.Results of the actual data processing show the effect of the method.

VSP,up-going S-wave,seismic data processing,reservoir predication,seismic image,seismic attribute analysis

2016-07-21;改回日期：2016-10-07。

吳少軍(1988—),男,工程師,現(xiàn)主要從事地震構(gòu)造解釋及儲層預(yù)測研究工作。

羅斌(1960—),男,博士,高級工程師,現(xiàn)主要從事井筒地球物理研究工作。

國家科技重大專項(xiàng)“塔里木前陸盆地油氣富集規(guī)律、勘探技術(shù)與區(qū)帶和目標(biāo)優(yōu)選”(2011ZX05003-04)資助。

P631

A

1000-1441(2017)04-0589-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.04.016

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05003-04).