利用VSP多波資料預(yù)測地層深度及油氣屬性

蔡志東 ，李 青 ，王 沖 ，王 勇 ，范 樺

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司新興物探開發(fā)處，河北涿州072751；3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000；4.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院，河北涿州072751）

0 引言

近年來，隨著井中地震采集裝備和處理解釋技術(shù)的不斷進(jìn)步，VSP方法及其應(yīng)用研究在很多方面都取得了較大進(jìn)展，然而VSP在鉆前預(yù)測方面的技術(shù)卻發(fā)展緩慢，目前仍主要沿用朱光明［1］介紹的鉆前深度預(yù)測方法。即對(duì)VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直地震動(dòng)校正（NMO）處理，然后識(shí)別目的層的縱波反射同相軸，并擬合出一條直線，該直線與初至波（下行縱波）的延長線相交于一點(diǎn)，計(jì)算出交會(huì)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地層深度即得到預(yù)測結(jié)果，后有學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了一定的算法優(yōu)化［2］。這種地層深度預(yù)測方法多年來在地球物理勘探領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并解決了許多在油氣勘探和開發(fā)過程中地層深度預(yù)測的問題［3］，然而該方法也存在一定不足：一是該方法僅利用上、下行縱波進(jìn)行曲線交匯確定地層深度，所使用的VSP波場信息較少，易受外界因素影響，預(yù)測結(jié)果不確定性較大；二是該方法僅利用了VSP諸多波場中的上行縱波和下行縱波信息，擬合方法為一次曲線擬合，且追蹤結(jié)果為2條曲線單一交會(huì)點(diǎn)的位置，對(duì)于一些復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)，如果過井地層的傾角較大，則在VSP剖面中下行縱波和上行縱波的夾角較小，這種情況下難以確定交會(huì)點(diǎn)深度，預(yù)測精度進(jìn)一步降低。

針對(duì)傳統(tǒng)方法預(yù)測誤差較大的問題，提出一種利用VSP多波資料進(jìn)行地層深度及油氣屬性預(yù)測的新方法。該方法綜合運(yùn)用了VSP多種地震波場信息來進(jìn)行鉆前地層深度預(yù)測，預(yù)測結(jié)果主要應(yīng)用于指導(dǎo)鉆井工程作業(yè)、井旁精細(xì)構(gòu)造研究等，同時(shí)也是鉆前儲(chǔ)集層屬性、地層壓力等研究的基礎(chǔ)［4-6］。目標(biāo)地層的多波油氣屬性特征分析結(jié)果，還可以用于油氣豐度評(píng)估、儲(chǔ)量研究等方面［7-8］，可為油氣精細(xì)勘探開發(fā)提供支持。目前該方法已應(yīng)用于塔里木盆地、渤海灣盆地、阿姆河右岸等地區(qū)的多個(gè)鉆前地層預(yù)測項(xiàng)目，為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和油氣屬性研究提供了有力支持。

1 鉆前地層深度預(yù)測

1.1 VSP多波類型

VSP數(shù)據(jù)波場信息非常豐富［4］，總體上，VSP多波可以分為縱波、橫波兩大類：縱波主要包括下行縱波（P）和上行縱波（PP），少數(shù)剖面中可見橫波的上行轉(zhuǎn)換縱波（PsP）；橫波主要包括下行橫波（S）、下行轉(zhuǎn)換橫波（Ps）、上行轉(zhuǎn)換橫波（PPs）和上行反射橫波（SS，PsPs）等（圖 1）。

圖1 VSP剖面中的多波類型Fig.1 Multi-wave classification of VSPdata

1.2 VSP多波分組

在同一地層界面上，將反射點(diǎn)或轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置相同的多波劃分為一組，以保證時(shí)距曲線追蹤時(shí)收斂至目標(biāo)交匯點(diǎn)，本次研究將用到的多波分為2組：第一組為P波、PP波和PPs波；第二組為S波、Ps波、PsPs波和PsP波。在考慮多次波的情況下，可以有更多的分組（表1）。

1.3 時(shí)距曲線追蹤

時(shí)距曲線追蹤是準(zhǔn)確進(jìn)行地層深度預(yù)測的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對(duì)多波類型進(jìn)行篩選，在VSP波場中拾取每種多波所對(duì)應(yīng)的時(shí)距曲線，進(jìn)而利用函數(shù)擬合這些離散數(shù)據(jù)。擬合過程中須注意以下2點(diǎn)：一是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)長度的選擇須在保證樣本數(shù)量的前提下，盡可能選擇井底的一段數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；二是選擇合適的函數(shù)擬合方法，由于地層巖性變化和沉積、成巖作用的存在，垂向地層速度總在變化，傳統(tǒng)的直接擬合方式不適合精細(xì)的時(shí)距曲線擬合，經(jīng)過理論分析和實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，本次研究棄用了傳統(tǒng)的直線擬合方式，而是利用二次函數(shù)擬合來追蹤時(shí)距曲線。

表1 VSP多波分組Table 1 VSPmulti-wave in groups

1.4 求解預(yù)測深度

首先將第一組多波擬合的二次函數(shù)組成下式，以求解預(yù)測結(jié)果

式中：Y為地層深度，m；X為縱波的傳播時(shí)間，ms；ap，app，apps，bp，bpp，bpps，cp，cpp，cpps為各方程的系數(shù)，其下標(biāo)指示了多波類型，所有系數(shù)均可利用曲線擬合而得到。

計(jì)算出該超定方程的最小二乘解Xp和Yp，得到第一組多波的預(yù)測時(shí)間和預(yù)測深度（圖2）。

采用相同的算法，求解第二組多波方程組

式中：as，aps，apsps，apsp，bs，bps，bpsps，bpps，cs，cps，cpsps，cpsp為各方程的系數(shù)，計(jì)算出該超定方程的最小二乘解Xs和Ys，得到第二組多波的預(yù)測時(shí)間和預(yù)測深度。如果多次波較為發(fā)育時(shí)，可以采用相同的算法得到更多的預(yù)測結(jié)果 Xm1，Ym1，Xm2，Ym2，…。最后，對(duì)每組多波計(jì)算的預(yù)測深度加權(quán)求平均計(jì)算，以進(jìn)一步提高預(yù)測精度。

式中：Yf為最終預(yù)測深度，m；i∈［1，n］為多次波的分組數(shù)；Δi為小于1的經(jīng)驗(yàn)權(quán)系數(shù)。

圖2 時(shí)距曲線追蹤和交匯示意圖Fig.2 Time-distance curves tracing and convergence

實(shí)際應(yīng)用中，多次波參與計(jì)算情況較少涉及，僅個(gè)別數(shù)據(jù)中多波不發(fā)育但多次波較發(fā)育時(shí)，才須

由于VSP具有明確的時(shí)間-深度關(guān)系，因此在國內(nèi)油氣勘探領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于地面地震層位標(biāo)定、測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比分析中。部分情況下，除對(duì)鉆前深度預(yù)測外，還要對(duì)鉆前地震傳播時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，此時(shí)的預(yù)測時(shí)間Xf與預(yù)測深度Yf的計(jì)算方法類似，但由于縱、橫波傳播時(shí)間不同，因此不能直接利用式（3），須要首先進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換［8］，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均求解，如下式所示

式中：Xf為最終預(yù)測縱波時(shí)間，ms；f（x）為縱、橫波時(shí)間轉(zhuǎn)換函數(shù)；i∈［1，n1］為縱波多次波的分組數(shù)；k∈［1，n2］為縱波多次波的分組數(shù)；Δi和 Δk分別為縱、橫多次波的經(jīng)驗(yàn)權(quán)系數(shù)。

2 VSP多波深度預(yù)測應(yīng)用

近年來，VSP多波鉆前地層深度預(yù)測方法在國、內(nèi)外多個(gè)探區(qū)VSP勘探中進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，本次研究以塔里木盆地庫車地區(qū)A井為實(shí)例分析了VSP多波深度預(yù)測的應(yīng)用效果。

2.1 研究井區(qū)地質(zhì)概況

A井位于塔里木盆地庫車前陸沖斷帶的克深構(gòu)造帶上，該區(qū)蘊(yùn)藏著巨大的油氣資源，是我國重要的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，然而該地區(qū)的地表和地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，油氣勘探開發(fā)難度較大［9-10］，儲(chǔ)集類型多為裂縫-孔隙型，且以剩余原生粒間孔和溶蝕孔為主［11］。該地區(qū)庫姆格列木群膏鹽巖受構(gòu)造擠壓變形嚴(yán)重，空間分布不規(guī)則，因此地層速度變化劇烈，從以往的地震勘探成果來看，多期次二維地震和三維地震均構(gòu)造差異很大，地層深度預(yù)測難度較大［12-15］。

2.2 VSP多波觀測方式及初步預(yù)測

本次研究是將檢波器放置在20～5 300 m的井段來記錄地震數(shù)據(jù)，每兩級(jí)檢波器的間隔為20 m，地表采用零井源距激發(fā)方式，采集得到了品質(zhì)較高的VSP數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)中縱、橫波信息清晰完整，具備較好的數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)。為了對(duì)目標(biāo)地層深度進(jìn)行預(yù)測，首先嘗試進(jìn)行傾斜地層VSP多波成像（圖3），由圖3可看出，縱、橫波均有一定的成像范圍，且波組特征較好，但由于庫姆格列木組泥巖底（T7反射層位）附近地層傾角存在一定差異，且成像寬度較小，所以根據(jù)多波成像結(jié)果進(jìn)行深度預(yù)測，精度難以得到保證。

2.3 VSP多波深度預(yù)測

為了獲得準(zhǔn)確的預(yù)測精度，利用VSP多波預(yù)測方法進(jìn)行深度預(yù)測。圖4為VSP多波地層深度預(yù)測示意圖，該圖由PP波剖面和Ps波剖面拼合而來，2個(gè)剖面均經(jīng)過波場分離等處理過程，僅保留了PP和Ps這2種波場，“0”時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的是2個(gè)剖面沿初至?xí)r間（首波的到達(dá)時(shí)間）拉平后的P波（初至波）所在位置。在A井的深度預(yù)測中使用了3種波場，分別為P波、PP波、PPs波，形成2個(gè)交會(huì)點(diǎn)，預(yù)測深度如表2所列。

2.4 預(yù)測精度分析

圖4 A井VSP多波交會(huì)預(yù)測Fig.4 Depth prediction of VSPmulti-waveof well A

表2 A井多波地層深度預(yù)測結(jié)果Table 2 Depth prediction result of VSPmulti-wave of well A

A井已鉆井深度為5 300 m，如果采用傳統(tǒng)的僅用上、下行縱波進(jìn)行交會(huì)深度預(yù)測的方法，即僅利用P波與PP波進(jìn)行預(yù)測，對(duì)于T7反射層絕對(duì)誤差為-36 m，相對(duì)誤差為-7.06%；采用VSP多波交會(huì)法預(yù)測時(shí)，絕對(duì)誤差為-6.5 m，相對(duì)誤差為-1.27%。相比之下，采用VSP多波預(yù)測方法所獲得的預(yù)測結(jié)果在精度上提高了約5倍多。對(duì)于第二預(yù)測深度T6反射層位，距離井底較近，傳統(tǒng)計(jì)算方法受到的影響較小，此時(shí)的預(yù)測結(jié)果是可以接受的。由于該地區(qū)T7及以上地層傾角較大，因此在VSP波場上P波與PP波同相軸夾角較小，導(dǎo)致了傳統(tǒng)預(yù)測方法的不確定性；同時(shí)，在這些大傾角地區(qū)Ps波比較發(fā)育，且在剖面中P波與Ps波夾角較大，故利用VSP多波預(yù)測方法預(yù)測效果明顯。

3 VSP多波油氣屬性識(shí)別與預(yù)測

以2014年準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)B井為例，分析基于VSP多波信息進(jìn)行油氣屬性預(yù)測的應(yīng)用效果。

3.1 研究井區(qū)地質(zhì)概況

B井位于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷，是準(zhǔn)噶爾盆地勘探熱點(diǎn)地區(qū)之一［16］，主要勘探目標(biāo)為三疊系百口泉組［17］和下烏爾禾組［18］，是普遍認(rèn)可的源外優(yōu)質(zhì)輕質(zhì)油藏儲(chǔ)層［19］。由于百口泉組儲(chǔ)層具有典型的低孔、低滲砂礫巖特征，局部發(fā)育“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層，并且“甜點(diǎn)”區(qū)與周邊地層地球物理響應(yīng)差異小，導(dǎo)致地震預(yù)測難度較大［20-22］。

3.2 VSP多波油氣屬性預(yù)測

通過對(duì)B井縱、橫波VSP數(shù)據(jù)的處理，得到上行縱波剖面和上行橫波剖面，將2個(gè)剖面進(jìn)行首波拉平并拼合，得到多波交會(huì)預(yù)測圖（圖5）。時(shí)間“0 ms”為井筒所在位置，亦為下行P波和下行S波所在位置，因此該拼合剖面相當(dāng)于P，PP，S，SS這4種波場的交會(huì)。由于B井使用了橫波震源采集，因此可以得到純橫波（S波）及其上行波（SS波），這與A井所討論的多波的波場類型不同。

通過圖5中的波場對(duì)比可知，多數(shù)地層的縱橫波對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，但部分位置存在著振幅強(qiáng)弱的差異。在圖中箭頭所示的位置，上行縱波剖面上沒有明顯的反射軸特征，但上行橫波剖面中卻存在著強(qiáng)反射同相軸，這些對(duì)比差異為多波油氣屬性預(yù)測提供了充分的依據(jù)。

圖5 B井多波交會(huì)預(yù)測Fig.5 Prediction of VSPmulti-wave of well B

3.3 預(yù)測效果分析

三疊系百口泉組二段巖性圈閉是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)重要的油氣儲(chǔ)集層段，對(duì)比可知，B井所發(fā)現(xiàn)的縱橫波異常特征深度位置與該層段相吻合，在圖6所示的均方根振幅屬性剖面上該異常表現(xiàn)得更加清晰，這符合了縱波油氣響應(yīng)敏感、橫波反應(yīng)骨架結(jié)構(gòu)的區(qū)域儲(chǔ)層特征［23-24］，因此確定該層段為有利儲(chǔ)層，實(shí)鉆結(jié)果表明，B井百口泉組二段厚度為70 m，以綠灰色砂礫巖為主，后續(xù)試油證實(shí)該段為含油儲(chǔ)層。

圖6 B井均方根振幅屬性Fig.6 RMSamplitudeattributesof well B

4 結(jié)論

（1）VSP多波預(yù)測方法采用多種波場，有效降低了地層識(shí)別的不確定性，同時(shí)引入了加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，預(yù)測精度得到進(jìn)一步提升。

（2）傳統(tǒng)方法的預(yù)測精度隨著預(yù)測距離增大而顯著降低，采用多波預(yù)測方法時(shí)，預(yù)測精度隨著預(yù)測距離增大降速變緩。

（3）VSP多波預(yù)測方法可提升絕大多數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)測效果，且對(duì)大傾角地層等復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)尤其適用。

致謝：對(duì)于塔里木油田分公司潘陽勇，新疆油田公司王玉偉，東方地球物理公司張慶紅、王艷華、付京會(huì)等給予的幫助，在此表示感謝。