DAS井地聯合勘探實例分析
——以長慶油田環(huán)縣三維井地聯采為例

李彥鵬,劉學剛,王大興,吳俊軍,王艷華,陳 策,李 飛

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司,河北涿州072751;2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司,陜西西安710021)

光纖分布式聲波傳感(distributed acoustic sensing,DAS)技術是光纖傳感技術(optic fiber sensing,OFS)的一個重要分支,近十年來在油氣勘探開發(fā)領域的應用發(fā)展迅速。光纖傳感技術是一種以光纖為媒介,通過光波感知、傳輸信號,并對其進行測量的新型傳感技術。該技術利用外界物理量引起的光纖中傳播的光的特性參數(如強度、相位、波長、偏振、散射等)變化,對外界溫度、壓力、位移、應變及震動等物理量進行測量和數據傳輸。自BARNOSKI等[1]于1976年首次提出瑞利波后向散射理論后,分布式光纖傳感技術已發(fā)展出多種類別,包括基于布里淵散射的布里淵光時域分析儀(B-OTDR)[2-4]、基于拉曼散射的拉曼光時域分析儀(R-OTDR)[5],基于瑞利散射的偏振敏感型光時域反射儀(P-OTDR)[6-7]和相位敏感型的Φ-OTDR[8-9]等。其中基于相位解調原理的Φ-OTDR動態(tài)靈敏度最高,適用于地震波場的觀測。由于光纖本身的特性,其對軸向應變最為敏感,因此目前基于Φ-OTDR的DAS技術主要應用于井中地震波場的觀測[10]。為了獲得信噪比較高的地震記錄,光纖布設需要盡可能地與地層耦合良好,固井時同步布設于套管外的光纜可以取得很好的效果,套管內也可以通過磁吸附等方式取得較好效果。

隨著油氣田進入開發(fā)階段,僅僅依靠地面地震將面臨儲層精細描述、儲層參數求取及地震分辨能力提高等方面的巨大挑戰(zhàn),3D-VSP和地面地震聯合勘探成為國際上地球物理技術競爭的熱點。地面地震并不能直接提供準確地震子波、吸收衰減參數、層速度模型和各向異性參數,VSP直接在井中不同深度接收地震波,非常適合求取地震子波和各種地層參數,彌補地面地震的不足,因此井地聯合顯得尤為必要。另外VSP觀測有利于增加地震數據的完整性,減少求解的不確定性,是進一步提高勘探精度所必需的技術[11]。

井地聯合處理主要體現在兩方面,一方面是處理過程中地層參數及子波的聯合求解和應用,即井驅處理技術,另一方面是井地聯合成像技術。井驅處理技術主要的技術問題包括:井地聯合振幅補償技術、井地聯合靜校正技術、井地聯合Q值估計及吸收補償技術、井地聯合子波一致性處理技術、井地聯合速度場求取及建模技術、井地聯合各向異性參數估計及處理技術等。井地聯合的成像技術包括數據規(guī)則化技術、井地一致性數據校正技術和井地聯合偏移成像技術等。

自1986年采集了世界上第一口3D-VSP數據以來,3D-VSP技術的發(fā)展經歷了漫長的過程。國內外很多公司開展了3D-VSP研究,并取得了一些成果。2007年,東方地球物理公司在大慶徐家圍子地區(qū)進行了最大規(guī)模的井地聯合勘探[12],對各向異性[13]、上行波反褶積[14]、井驅動處理[15]等進行了系統(tǒng)研究,取得了較好的勘探效果。近年來VSP在保真波場分離[16]、速度反演建模、海上VSP多次波衰減、VSP多次波相干成像[17]、VSP和地面三維地震的井地同步聯合采集和處理[12]等方面有了許多新的進展。時移VSP研究在國內外正日趨活躍,一些地球物理服務公司已經采集和處理了大量的數據,獲得了一定的成果。

隨著井中DAS采集技術的快速發(fā)展,目前已經可以實現高密度、全井段VSP采集,使得3D-VSP和地面三維地震聯合采集、處理和解釋成為熱點。目前DAS采集的VSP資料存在的主要問題包括:①資料的信噪比相對偏低,井源距較大時初至難以識別;②DAS采集的單分量數據波場分離比較困難;③地面炮點較稀疏,每個地下反射面元的波場方位性較強、入射角和覆蓋次數高度不均勻。目前3D-VSP的成像結果無法滿足所需要解決的地質問題的要求,井地聯合成像的難度更大,許多方法仍處于探索之中。

長慶油田是國內規(guī)模最大的油氣田,鄂爾多斯盆地發(fā)育中生界延長組湖相泥頁巖和上古石炭-二疊系煤系兩套烴源巖,油氣資源豐富,發(fā)育上古生界碎屑巖和下古生界碳酸鹽巖2套含氣層系,同時發(fā)育侏羅系延安組和三疊系延長組2套含油層系。為推動該地區(qū)油氣開發(fā)工作,結合DAS的技術特點,2020年,在環(huán)縣三維工區(qū)部署了套管外光纖DAS井地聯合勘探,目的是充分挖掘DAS技術優(yōu)勢,提取準確的井驅處理參數用于地面三維地震資料處理,同時研究DAS數據3D-VSP成像技術,提高儲層分辨率和保真度,在落實侏羅系古地貌、前石炭紀古地貌及多套含油氣層系的砂體及甜點展布方面發(fā)揮作用。本文重點分析了DAS井地聯采的數據特點、DAS-VSP的參數提取、多次波識別、波場分離及成像等關鍵技術問題,并提出了下一步攻關的重點方向。

1 數據采集及評價

1.1 觀測系統(tǒng)及主要采集參數

在環(huán)縣三維井地聯合地震采集中,三維部署面積1 000 km2,炮線距200 m,炮點距80 m。根據地質任務,結合選井情況,最終確定工區(qū)中部的珠60井為觀測井(圖1a),并于2020年底與鉆井同步進行了套管外光纖布設,井深2 665 m。光纖DAS采集的炮點范圍約為6 000 m×6 000 m,DAS數據為高密度采集,深度間距1 m。三維實測炮點分布見圖1b,聯采有效炮數2 307炮(其中522炮為可控震源激發(fā))。由于該地區(qū)為典型的黃土山地,溝壑縱橫,因而炮點分布極不均勻,對VSP成像造成了較大影響,本文將在成像處理中進行詳細分析。

圖1 三維工區(qū)(紅框)與井地聯合采集區(qū)域(藍框)位置(a)以及聯采區(qū)域炮點分布(b)

1.2 采集數據分析及質量評價

對零井源距套管內和套管外DAS接收記錄進行了對比(圖2),可以看出,套管外記錄質量明顯優(yōu)于套管內,主要差別在于套管內光纖接收的井筒波極強(圖2a),部分接收段耦合不佳,而套管外光纖固井后與地層完全耦合,因此基本上不受井筒波影響(圖2b)。從圖3的零井源距VSP全波場與聲波曲線深度域對比可以看出,上行波特征清晰,與測井曲線速度變化對應關系良好,說明了DAS采集質量及保真度較高。

圖3 聲波曲線與零井源距VSP全波場對比分析

從不同井源距的VSP記錄(圖4)可以看到,盡管DAS為單分量記錄,僅對波場引起的軸向應變敏感,其它方向的波場響應要乘以系數cos2θ,但2 500 m范圍內都接收到了清晰的上下行縱波、橫波和轉換波。抽取的共接收點記錄(圖5,已做靜校正)上可以看到縱橫波初至清晰,主要反射層波場特征明顯。

圖4 不同井源距炮點VSP記錄

圖5 不同深度檢波點道集

2 VSP數據處理

數據處理是井地聯合勘探的關鍵步驟,主要包括3方面的處理:①基于初至拾取及初至時窗的速度、各向異性、Q值及子波提取;②基于單分量的波場校正、波場分離及反褶積處理;③地震成像處理。

2.1 VSP初至拾取及參數提取

參數提取主要基于高精度的初至拾取,由于DAS數據量較大,可以采用抽道拾取后再插值的方式提高拾取效率。值得注意的是大入射角情況下DAS的初至能量會變得很弱,這時候要通過靜校正后共接收點記錄(圖5)初至呈線性的特點來人工拾取,否則會造成較大的誤差,而炮點靜校正可以通過零井源距VSP的速度正演各炮初至與實際初至求差得到。對比原始記錄共檢波點初至和靜校正后初至(圖6)可以看出,靜校正后初至的規(guī)律性變得非常清晰。

圖6 原始記錄共檢波點初至(a)、高程靜校正后初至(b)及剩余靜校正后初至(c)

在VSP記錄精細初至拾取的基礎上,利用正演初至與實際初至最優(yōu)逼近的方法反演得到層速度和各向異性參數,這些參數在地面地震成像的初始速度模型建立時可以作為很好的約束條件。當然這里還涉及到靜校正時間的影響,可以通過一種迭代求解的方式使速度、各向異性、靜校正不斷收斂,直到滿意為止。

VSP初至時窗統(tǒng)計可以實現多方面的用途,最基本的作用就是統(tǒng)計下行子波。利用初至波排齊疊加就可以得到每炮的子波(圖7a),可以看出井炮激發(fā)和可控震源激發(fā)的統(tǒng)計下行子波有明顯的差異,井炮子波由于表層鳴振影響,可以看到較強的旁瓣,頻帶相對較窄,高頻端約50 Hz,而震源子波則主瓣較強,旁瓣較弱,頻帶較寬(圖7c)。反褶積后(圖7b)二者波形趨于一致,其頻譜也更為接近(圖7d)。

圖7 井炮、震源子波及頻譜對比(白線左邊為井炮記錄、右邊為可控震源記錄)

在獲取VSP下行子波的基礎上,我們在初至時窗頻率域通過譜比法求取地層Q值,為保證譜比法的穩(wěn)定性,需要先在頻率域消除子波的影響。由于DAS-VSP資料高密度的特點和薄層調諧的影響,譜比法求取Q值時會產生求解的不穩(wěn)定性,需要利用局部平滑或線性擬合來保證求解的穩(wěn)定性。

通過VSP統(tǒng)計初至時窗的能量隨深度相對變化,可以得到球面擴散補償的真振幅恢復(true amplitude recovery,TAR)因子,在TAR補償基礎上,通過多炮統(tǒng)計可以得到較為準確的炮點振幅補償因子,用于后續(xù)的振幅補償處理,也可以用于地面地震的振幅補償校正。

以VSP初至拾取為基礎的速度、各向異性、TAR因子、Q值、靜校正量、振幅校正因子和子波等均是井驅地震數據處理的基礎,靜校正量、振幅校正因子等還可以在后續(xù)的處理中通過反射波進行進一步的優(yōu)化。

2.2 VSP波場處理

VSP觀測得到的波場較為豐富,如何充分利用這些不同的波場實現不同的目的成為處理的關鍵。首先可以利用共炮點NMO疊加對用初至統(tǒng)計的靜校正量、振幅校正因子做進一步優(yōu)化,得到更為準確的解,圖8為靜校正前后的炮點NMO疊加對比,可以看到最終靜校正量應用后反射波非常連續(xù)光滑。

圖8 VSP記錄靜校正應用前(a)、后(b)多條炮線共炮點NMO疊加剖面對比

VSP是多次波分析的有效工具,通過下行子波分析我們已經知道井炮激發(fā)會產生較強的地表鳴振,從圖9的反射波NMO疊加剖面也可以看到井炮疊加的每個強反射后面100 ms內有明顯的表層多次波,子波反褶積后井炮和可控震源反射特征趨于一致。而在地面地震的疊加剖面上仍然存在表層多次波。

圖9 VSP井炮、VSP可控震源與地面地震疊加剖面對比以及多次波發(fā)育情況分析

DAS-VSP波場分離與檢波器三分量VSP記錄的波場分離有所不同,由于DAS本身為單分量接收,無法通過矢量旋轉等方式分離縱、橫波,因此主要通過視速度差異來進行波場分離,在高精度縱、橫波初至拾取的基礎上,首先將下行縱橫波先分離出去,然后利用NMO校正將需要成像的反射波拉平,將傾斜的其它波場通過中值濾波等方法進行分離,得到較為單一的反射波(圖10)。

圖10 DAS數據波場分離效果

大道集是分析波場的有效工具,由于該區(qū)地層較為平緩,VSP不同偏移距單炮NMO疊加和地面多炮按偏移距分組疊加具有良好的波場對應關系(圖11)。通過井地對比可以看出,在地面大道集的大偏移距上仍存在未拉平的較為明顯的轉換波和橫波能量,需要在處理中引起重視。

圖11 地面地震多炮NMO后按偏移距分組疊加結果(a)與過井線VSP共炮點NMO疊加結果(b)

由于DAS相位解調采用的空間差分算法,其采集VSP數據的上下行波的極性與常規(guī)檢波器VSP的Z分量有所不同,DAS記錄中正反射系數時上行波與下行波極性相同,而檢波器Z分量在正反射系數時上行波與下行波極性相反,因此DAS處理時要先確保下行波初至下跳,以使上行波與地面地震反射極性一致,這一點需要引起重視。

2.3 3D-VSP成像處理

3D-VSP成像是VSP資料處理的最大難點之一,DAS井地聯合采集時VSP與地面地震共享炮點,雖然得到了全井段高密度VSP數據,但地面三維設計的炮點通常較為稀疏(圖1b),因此在成像時會造成局部成像空白或嚴重的空間假頻及劃弧等問題。圖12a為VSP CDP成像時統(tǒng)計的面元覆蓋次數,可以看出多個方位的面元覆蓋次數為0,為了彌補這種不足,我們采用了扇形面元拉伸的方法,結果見圖12b,可以看出,面元覆蓋次數分布得到明顯改善,但仍存在一定的放射狀采集腳印。圖13為面元拉伸前、后VSPCDP成像對比,可以看出面元拉伸處理的必要性和效果。

圖12 扇形面元拉伸前(a)、后(b)VSP CDP面元覆蓋次數

圖13 面元拉伸前(a)、后(b)的3D-VSP成像剖面對比

3 認識與建議

本次在環(huán)縣部署的DAS三維井地聯合勘探是長慶油田為進一步保障鄂爾多斯盆地伊陜斜坡環(huán)縣三維地震勘探效果,圍繞油氣立體勘探、高效開發(fā)、聚焦長7頁巖油勘探開發(fā)的地質需求而開展的一次新技術應用實踐。通過本次勘探,得到了高品質的DAS-VSP和地面地震資料,本文重點通過對VSP資料的系統(tǒng)分析與處理攻關,在VSP多次波分析、井驅參數提取、單分量保真波場分離及擴展面元VSP CDP成像等方面取得了明顯的效果,形成了如下認識。

1)DAS-VSP井地聯采數據的VSP提取的參數具有較高的精度,結合地面地震的構造格架約束,可以為地面地震提供可靠的參數場,為提高地面地震成像精度做出貢獻。

2)DAS數據波場處理技術是井旁VSP成像的基礎,如何充分利用DAS高密度數據優(yōu)勢進一步提高信噪比,實現更為保真的波場分離是下一步研究的重點。

3)DAS-VSP井地聯采數據三維VSP成像技術正不斷取得新進展,如何在采集和處理中有效克服井地聯合觀測時炮點稀疏帶來的局限性,發(fā)揮VSP的獨特優(yōu)勢是VSP成像技術攻關的重點。

4)DAS-VSP技術作為新一代的采集技術正在取得突飛猛進的進展,基于永久埋置光纖的DAS井地聯合勘探代表了地震勘探發(fā)展的一個重要的方向,有望在油氣開發(fā)中發(fā)揮重要作用。

通過DAS井地聯采方法的創(chuàng)新研究,該技術已經從研究性的物探技術逐步進入油氣田開發(fā)的主流技術行列。通過與地面地震的緊密結合,取長補短,進一步發(fā)展到井地聯合的同步地震成像,相信DAS井地聯合勘探技術將在油氣田開發(fā)及生產中發(fā)揮越來越重要的作用。

致謝:感謝長慶油田勘探事業(yè)部和勘探開發(fā)研究院對DAS井地聯合勘探所提供的采集、處理解釋等方面的支持與幫助。