（地球探测与信息技术专业论文）三分量井孔地震资料波场分离与应用.pdf

摘要 当今勘探和开发工作面临的挑战需要高精度、高清晰度和高可信度的技术，井孔 地震的研究日益受到广泛的应用，尽管目前无论垂直地震剖面( v e r t i c a ls e i m i cp r o f i l e ， 简称v s p ) 还是井间地震的成本较其他技术来说是比较高的。从复杂的井孔地震记录 中提取纵横波场，进行有效波成像日益关键。 本文针对井间三分量采集数据，研究纵横波分离方法，提取纵横波分量，进而研 究反射波波动方程成像方法。根据高分辨率r a d o n 变换基本原理，针对井孔地震采样 率高、频带宽、主频高、道间距小等特点，对高分辨率r a d o n 正反变换方法进行了研 究，编制了相关程序，调试参数使收敛效果最佳。根据并中三分量接收系统的独特性， 结合纵波和横波在不同分量上的极性特性，在r a d o n 域用极化滤波对纵横波进行分 离，并编程现实。对理论模型和实际数据进行处理，成功分离了纵横波波场。然后对 提取的纵横波波场，进行井间波动方程有限差分偏移成像。从波动方程偏移基本原理 出发，结合井间地震的特点，对井间剖面进行网格划分，利用射线追踪方法求取成像 时间，利用有限差分方法对井间波场进行延拓，并应用成像条件，实现了有限差分逆 时偏移算法。模型和实际资料处理结果表明纵横波波场成像能够真实地反应地层产 状，且其成像结果具有较高的分辨率和信噪比。通过对比发现，横波成像结果要比纵 波成像结果好，更充分地利用了井中的地震波场信息。 关键词：井孔地震，高分辨率r a d o n 变换，三分量坐标旋转，极化滤波，有限差 分逆时偏移 3 cb o r e h o l es e i s m i cd a t aw a v e f i e l d s e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o n s o n gh a i y a n ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c r e db ya s s o c i a t ep r o f s o n gj i a n g u o a b s t r a c t n o w d a y st h ec h a l l e n g eo fs e i s m i ce & dn e e d st h et e c h n i q u e so fh i g ha c c u r a c y , h i g h d e f i n i t i o n ，h i g hc o n f i d e n c e ；t h i sg i v e sr i s et oq u i c kd e v e l o p m e n to fb o r e h o l es e i s m i c t e c h n i q u e ，t h o u g ha tp r e s e n tt h ec o s to fn om a t t e rv s po rc r o s s w e l li sh i g h e r h o wt og e t p sw a v ef r o mc o m p l e xb o r e h o l es e i s m i cr e c o r da n dc r o s s w e l ls e i s m i ci m a g i n ga r eh o t r e s e a r c hp o i n to fc r o s s w e l ls e i s m i cd a t ap r o c e s s i n g b a s e do nt h ea c q u i s i t i o no f3 cb o r e h o t es e i s m i c ，w er e s e a r c ht h es e p a r a t i o no fpa n d sw a v e s ，e x t r a c tpa n dsw a v ec o m p o n e n t , a n ds t u d yw a v ee q u a t i o ni m a g i n gm e t h o d s d e p e n d i n go np r i n c i p l eo fh i g hr e s o l u t i o nf r e q u e n c yd o m a i nr a d o nt r a n s f o r m ，a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r so fc r o s s w e l ld a t as u c ha s h i g hs a m p l er a t e ，w i d es p e c t r u m ，h i g hm a i n f r e q u e n c yq u a n t i t y , w er e s e a r c hh i g hr e s o l u t i o nr a d o nt r a n s f o r m ；c o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n g p r o g r a ma r ed e v e l o p e da n dv a r i o u sp a r a m e t e r sa r et e s t e da n da d j u s t e d c o n s i d e r i n gt h e s p e c i f i cf e a t u r eo f3 cb o r e h o l es e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h ed i f f e r e n c eo fpa n ds w a v ei np o l a rn a t u r e ，w eu t i l i z eh i g hr e s o l u t i o nf o r w a r d i n v e r s er a d o nt r a n s f o r mt od e v e l o p t h ep sw a v e f i e l ds e p a r a t i o nm e t h o di n r pd o m a i n ，a n dd e s i g nc o r r e s p o n d i n gp r o g r a m p r o c e s s i n go fs i m u l a t e dd a t ao ft h e o r e t i c a lm o d e la n dp r a c t i c a lc r o s s w e l lm o d e ls e p a r a t e s p sw a v e f i e l ds u c c e s s f u l l y i nt h eb a s i so f e x t r a c t i n gpa n dsw a v e f i e l d ，d e p e n d i n go nd a t a s t r u c t u r eo fe x i s t i n gc r o s s w e l ls e i s m i cp r o c e s s i n gs y s t e m ，w et r a n s p l a n tw a v ee q u a t i o n f i n i t e - d i f f e r e n c em i g r a t i o nm e t h o di n t oc r o s s w e l ls e i s m i cd a t ap r o c e s s i n g c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e ro fe r o s s w e l ls e i s m i c ，w e 面dt h ee r o s s w e l ls e c t i o n ，c a l c u l a t ei m a g i n gt i m eb y r a y - t r a c i n g ，u s ef i n i t e d i f f e r e n c em e t h o dt oa c h i e v ec r o s s w e l lw a v e f i e l dr e v e r s et i m e c o n t i n u a t i o n ，a n df i n a l l ya p p l yi m a g i n gc o n d i t i o nt og e tf i n i t e d i f f e r e n c er e v e r s e t i m e m i g r a t i o np r o f i l e p r o c e s s i n gr e s u l t si m p l i e st h a ti m a g i n gf r o me x t r a c t e dp sw a v e f i l e dc a n r e f l e c ta c t u a la t t i t u d eo fs t r a t aa c t u a l l y , a n dt h ei m a g i n gr e s u l t sh a v eh i g hr e s o l u t i o na n d l l i g hs n k e yw o r d s ：b o r e h o l es e i s m i c , h i g hr e s o l u t i o nr a d o n t r a n s f o r m ，3 cc o o r d i n a t er o t a t e ， p o l a r i z a t i o nf i r e r i n g ，f m i t e - d e f f e r e n c er e v e r s et i m em i g r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：狮) 7 年多月争日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垒盈堇 指导教师签名：_ 乏争仁 日期：冽年5 月垆日 日期：b 叼年6 月严日if 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章引言 1 1 立题的意义 随着我国经济规模的扩大和发展速度长期保持在较高水平，我国石油资源短缺状 态比较严峻，石油供需矛盾日益加剧。从长远看，除了通过勘探扩大石油储量之外， 努力提高已开发油田采收率，充分利用可采石油资源是一项势在必行且十分紧迫的任 务。2 0 世纪8 0 年代以来，随着勘探程度的提高，我国陆上油气资源的勘探目标已从 大型整装构造油藏转向中小型复杂隐蔽型油藏，勘探难度越来越大。特别是对于一些 地质特征比较复杂、储量品位比较差的地区，由于勘探阶段资料少，认识程度差，储 层预测的精度已远远不能满足编制开发方案的需要。另一方面，目前大部分主要油田 已相继进入开发中后期，老油田进入高水油比及产量递减开采阶段，采油成本不断上 升，开发效果逐渐变差，开采对象日益复杂，开发难度不断加大。总的来说，油气藏 开发对地震储层预测技术主要提出了3 个迫切需要解决的问题：l 、微构造及微地质 界面识别及横向预测精度低、效果差，无法满足陆相沉积复杂油藏精细描述和进一步 提高采收率的要求；2 、储层物性横向预测精度低、可靠性差；3 、多学科协同攻关及 多种资料综合应用的能力差。虽然已经明确了地质、地震、测井、油藏、数值模拟及 计算机多学科协同攻关的优势和必要性，但长期形成的单学科独立作战的习惯和观念 难以转变。 三维地震资料具有覆盖面广、横向采集密度大的特点，有利于研究储层属性的横 向分布。然而，三维地震资料面临的主要难题是垂向分辨率低。对我国普遍存在的陆 相储层( 以“米级”规模薄层间互的砂泥岩) 来说，单纯依靠常规的三维地震很难分辨 至单砂体规模，而且预测的储层参数( 如孔隙度、流体饱和度) 的精度较低，难以满足 目前勘探开发的需要。 当今勘探和开发工作面临的挑战需要高精度、高清晰度和高可信度的技术，井孔 地震的研究日益受到广泛的应用，尽管目前无论v s p 还是井间地震的成本较其他技 术来数是比较高的。井孔地震技术( 包括v s p 和井间地震等) 的发展为高精度储层参数 预测提供了有效的手段。v s p 具有优越的激发与接收条件，具有较高的分辨地层的能 力，可提供准确的子波并为上行波提供准确的反褶积因子；由于避开了地表低速带对 地震信号高频成分的吸收，井间地震资料可以获得更高分辨率的地震信号。近年来， v s p 已在油田普及应用并采集了大量的数据，在层位识别、层速度确定以及多波联合 第一章引言 解释等方面都积累了丰富的经验：井间地震也逐渐引起人们的重视，其研究已由科研 攻关向应用攻关转化，其应用正从强化采油( e n h a n c eo i lr e c o v e r y , 简称e o r ) 监测 向储层描述、储层横向预测方向发展，国内也己合作完成了近4 0 对井间地震剖面。 针对井中地震资料的特点，本文重点研究研究井孔地震波场分离技术，并应用波 场分离的结果进行反射波偏移成像技术。对于井中地震资料，现行一般采用三分量检 波器进行接收，因此要进行对其波场分离，首先根据三分量地震记录进行坐标旋转， 得到u 和w 分量，再进行利用下行波与上行波的视速度差异进行上下行波分离，最 后利用纵横波的极性差异进行纵横波场分离，提取出纵横波波场。由于是井中接收， 实际资料会存在严重的管波噪音，所以处理过程中，要利用管波的周期性及管波低速 性对管波进行适当的压制。纵横波的上行波场成功提取后，采用波动方程有限差分逆 时偏移算法，利用初至波到达时建立速度模型，进行有限差分波场延拓和成像：并利 用现有的地震资料，研究井孔地震资料的处理流程，以便日后的应用。 1 2 技术现状 1 2 1 井中地震技术发展现状 井中地震( b o r e h o l es e i s m o l o g y ) 【l 】，又叫井孔地震技术，目前没有严格的定义， 国外通常把凡是使用检波器、震源和井的测量技术都归于此类。其中，v s p 测量技术 已商业化生产多年；井间地震技术在美国已进入商业化生产，其他国家仍在发展和向 实用性转化的过程中；其他大部分技术仍处于研究阶段。 1 v s p 技术 2 0 世纪5 0 年代，除苏联地球物理学家外，西方j o l l y ( 1 9 5 3 ) ，r i g g s ( 1 9 5 5 ) l e v i n 以及l y r m ( 1 9 5 8 ) 的著作阐明，如果井检波器不仅用于记录初至波，而且研究直达波后 面的续至波，有可能更严格地究波的传播，说明一次反射和多次反射之间的相互关系， 研究地震子波的衰减，实际上就是v s p 的基本内容。当时，苏联在加尔彼林组织下， 经过一直以来坚持不懈的努力，研制了v s p 观测的专门的仪器系统，试验了成套的 野外工作方法，并发展了应的解释理论基础，使v s p 成为一套完整的独立的新的观 测方法。到2 0 世纪7 0 年代末，随着石油勘探进入复杂构造和地层岩性油藏等困难地 区，地震勘探的成本益增高，成功率却逐渐下降，西方在各个石油公司的推动下迅速 发展v s p ，在野外采集资料处理以及解释，尤其是探测复杂构造和地层岩性解释方面 均取得重大突破。 随着v s p 技术的发展，其在复杂构造和岩性勘探及油气田开发领域发挥着越来 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 越重要的作用。由于v s p 井下仪器设备【2 j 的快速发展和处理技术的提高，v s p 技术 数据采集方式明显增多，施工效率明显提高，所提供的地震信息在数量、种类和精度 方面都有显著提高。为了适应不同的地质目的，可以设计出各种观测系统，从零偏到 非零偏，再到多方位、多偏移距和变偏，直至三维v s p 。这些新的观测方式，为解决 储层精细构造、储层描述( 岩性、孔隙度、各向异性及地层弹性参数等) 和储层预测等 提供了更大的潜力。因此，尽管成本比较高，v s p 技术f 3 】还是成为不可缺少的勘探开 发工具。 第一次三维v s p 采集是在1 9 8 6 年完成了的，之后三维v s p 技术发展经历了漫 长的过程。采集技术是影响三维v s p 技术发展的主要瓶颈，而它的发展则受到井下 仪器设备的制约。井下地震信号接收系统的研制一直伴随和影响着v s p 技术的发展。 近十年来，随着井下多级多分量接收系统的成功研制而发展的井周区域全方位激发的 三维v s p 技术，克服覆盖区域上有一定角度限制的缺陷，并于1 9 9 8 年达到了高潮。 三维v s p 资料分辨率高，各向异性信息丰富，可以实现井周高分辨率三维成像，有 利于岩性特征研究和井位评价。 井区域附近构造及盐丘成像，需要逐步加大偏移距，因而发展了变偏v s p 成像 技术。为了深入研究地层的各向异性，裂隙型油藏特性的描述，将三维v s p 技术与 井间地震技术联合，广泛应用于各种类型油田的开发和动态监测。由于资料来自同一 震源，具有很好的相关性，加大了资料的可比性，为三维v s p 与三维地震数据处理 解释一体化奠定了基础。目前，限制三维v s p 技术更广泛应用的因素，主要是资料 处理技术还不够完善，在属性参数提取以及与其他资料的匹配和综合解释等方面还存 在一些不足。 为了满足不同的需要，发展了逆v s p ( r e v e r s ev e r t i c a ls e i m i cp r o f i l e ，简称r v s p ) 技术。逆v s p 技术的特点是在井中激发，地面接收，作业效率有很大的提高。井中 激发，地面全方位接收，扩大了井周附近区域的覆盖范围，增加了资料的信息量及应 用价值，为v s p 技术的发展拓宽了空间。 随钻v s p 测量( 利用钻头噪声作震源) 作为r v s p 技术的一种，具有资料应用 的实时性，可以对钻前地层进行预测，在钻头尚未钻开地层之前进行标志层识别、归 位，确定层速度，对钻头周围及前方目标成像，是钻前预测的有力工具。 时移三维v s p 相对于地面四维地震来说，采集周期短，费用少，处理迅速，并 且可以重复应用于油藏勘探，可以用于确定最佳井位，优化某特定区域的油藏特性， 3 第一章引言 监测流体运动及减少新生产设备的投资风险等。 2 井间地震 2 0 世纪7 0 年代，诊断医学层析成像( c h r o m a t o g r a p h y ，简称c d 获重大突破和空 前成功，并迅速影响到众多科学领域。自8 0 年代起，美国石油界率先将层析成像技 术移植到油气勘探开发方面，提出了“井间地震 的基本原理与方法。1 9 8 9 年，雪 弗龙石油公司利用井间地震技术1 4 】成功地监测出了油藏蒸汽驱的地下动态。8 0 年代 末，井间地震技术投入实用，主要用于监测稠油层中蒸汽前缘位置和油气运移方向， 确定小构造、小断层与砂岩体，研究储层横向连通性等。目前，美国的井间地震己进 入稳步发展的阶段，井间地震已从简单的二维逐步走向三维、四维( 时延井间地震) 。 井间地震专业服务公司每年为各国石油公司进行数以百计的工作项目，每年的s e g 年会和石油物探刊物都有许多井间地震的论文发表。 “七五”期间，我国一些大学与研究机构己开始井间地震的理论研究。其中以石 油大学( 北京) 吴律教授为首的研究小组进行了射线理论与波动理论的层析研究，取得 了许多成果，某些方面当时已达到国际领先水平。 自1 9 9 2 年起，我国胜利、辽河等油田相继开展井间地震研究工作。1 9 9 4 年，胜 利油田利用自己研制的采集设备与处理软件，在草桥油田稠油区进行了一对深井的井 间地震采集与处理工作，第一次取得了井间纵横波速度层析剖面与纵横反射波成像剖 面。2 0 0 0 2 0 0 2 年，中石化集团与美国t o m o s e i s 公司合作，为胜利、江汉、中原和 江苏等油田做了近3 0 对井间地震剖面。从初步成果来看，反射波成像剖面的主频可 达3 0 0 5 0 0 h z 。胜利永安镇地区与河口地区的3 条井问剖面对于了解查明砾岩体中的 砂体、火成岩的蚀变带、薄砂层、三角洲前积层、小断层等地质现象提供了非常有益 的资料。 由于避开了地表低速带对地震信号高频成分的吸收，利用井间地震资料【5 】可以获 得更高分辨率的地震信号。通过对记录的地震波走时、振幅和频率等信息的处理，结 合测井、地质和地面地震等资料，得到井间地下介质的结构特征和物性变化情况。在 石油天然气勘探阶段，井间地震可以发现分布广泛的小断块、地层( 不整合、超退覆、 尖灭等) 圈闭与岩性( 砂岩体、裂缝带、火成岩等) 圈闭。在开发阶段【6 ，井间地震发 挥重要的储层静态描述与动态监测的作用。它在地面三维或四维高分辨率地震与测 井、油藏地质之间搭起一座相互联系的桥梁。将它所提供的丰富的超高频率纵、横波 资料与其他资料综合研究，可以解决薄互层，储层连通性、流体分布、注气与压裂效 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 果等复杂的地质问题。 通过反射波信息的应用，井间地震技术能够提供高分辨率( 垂归分辨率达2 米量 级) 高质量的图象；通过旅行时层析成像的应用，井间地震技术又可提供稳健的、相 对低分辨率的地层速度。此外，井问直达波可用于获得反射成像的低频分量( 即层析 成像) 。 1 2 2r a d o n 变换用于波场分离的研究现状 波场分离一般采用策略：将数据变换到某一新域，在新的域中，将各种波场分开： 然后将处理后的数据反变换回原来的域，达到分离的目的。r a d o n 变换【8 1 就是这样一 种的数学方法。波场分离可以在t - x 域、f - x 域、f p 域以及f g 域等实现。线性r a d o n 变换又叫f p 变换对具有明显的线性特征的波场，如v s p 或井间波场的分离非常适 用。 r a d o n 变换最早是由r a d o n 在1 9 1 7 年提出，它为物理学、天文学、医学、光学、 无损探测以及地球物理学中图像重建问题提供了基本框架。在地球物理领域中， p h i n n e ye t a l 9 1 检验t r a d o n 变换的特性；c h a p m a n 1 伽建立了笛卡尔坐标系和球坐标系 下点源、柱坐标系下线源的精确变换公式。t h o r s o n 1 1 1 、b e y l k i n l l 2 】分别研究了计算 r a d o n 变换的最小平方方法。为避免大矩阵求逆，r a d o n 变换问题可在f - x 域建立， b e y l k i n 1 3 1 、f o s t e r 和m o s h e r 1 4 1 、z h o u 【1 5 1 均采用这种技术，但这种方法存在稳定性问 题，尤其在低频段，最小平方解很不稳定。许多学者研究在时间一空间域直接计算r a d o n 变换，t 如r s o n 【1 1 】在时间空间域设计了高分辨率最小平方倾斜叠加算子，他们采用迭 代反演方法求解大型线性稀疏算子。q i a n gl i 1 6 】采用最速下降法求解双曲线r a d o n 变 换，来去除多次波。 在国内，曹景忠等【1 7 】利用线性离散r a d o n 变换依据速度差异，分离不同波场； 李远铡1 8 1 提出了一种非线性r a d o n 变换，并利用该方法对非零偏移距v s p 资料进行 了上、下行波分离；曹务样等【1 9 1 针对v s p 资料，根据地震波传播特性及偏振控制方 程，先在频率域提取地层参数，最后在时间域实现波场分离；张秉铭等【2 0 】在f p 域 内，利用检波器响应特性分离p 波和s 波；刘喜武【2 1 1 等采用最小二乘高分辨率r a d o n 变换压制多次波；曾有良等【2 2 1 ，基于高分辨率r a d o n 变换的v s p 波场分离方法。 1 2 3 逆时偏移研究现状 井孔资料的偏移成像是其处理中的重要环节。它与地面三维地震数据一样，根据 5 第一章引言 不同的分类标准有不同的分类方法，如时间偏移和深度偏移，叠前偏移和叠后偏移， 二维偏移和三维偏移等。当前，三维叠前深度偏移代表了地震偏移的发展水平。根据 求解波动方程实现的方法，波动方程偏移包括k i r c l l l l o 嗣爽分方法( s c h n e i e 产3 1 ，1 9 7 8 ) 、 f k 法( g a z d a g 【2 4 】，1 9 7 8 ；s t o l t l 2 5 1 ，1 9 7 5 ) 和有限差分法( c l a e f b o u t l 2 6 1 ，1 9 7 1 ；d o h e r y l 2 t i ，1 9 7 2 ) 及其各种变形等方法。 波动方程偏移成像的各种运算都是建立在波场反向外推的基础之上的，每一种偏 移方法都有其优点和局限性【2 3 1 。针对井中数据反射波的特点，本文采用逆时偏移。该 方法不是在深度域，而是通过在时间域外推来求解声波或弹性波方程，对波场进行延 拓成像。 逆时偏移的思想最早是由w h i t m o r e d 在1 9 8 2 年的第5 2 届s e g 年会上提出的，后来 逆时被用于叠后数据偏移，取得了较好效果。有些学者对声波( c h a n g ， m c m e c h a i l 【2 9 1 ，1 9 8 6 ) 和弹性波( s 眦a n dm e m e e h a n 3 0 l ，1 9 8 6 ) 叠前逆时偏移进行了研究， m c m e c l l a i l 【3 1 】研究了各向异性逆时偏移。国内有些学者对有限元逆时偏移进行了研究 进行了研究；何兵寿【3 2 】研究了具有垂直对称轴和倾斜对称轴的横向各向同性介质条件 下的矢量波逆时偏移。逆时偏移中的波场延拓大多采用有限差分的方法，但也可以采 用射线追踪和有限元的方法。逆时偏移采用的是双程波动方程，在偏移过程中避免了 上下行波分离，因而没有倾角限制，能适应陡倾角和空间速度变化的情况，并且由于 逆时偏移用时间外推代替深度外推，从而避免了深度外推中的倏逝波。逆时偏移完全 遵守全波波动方程，被认为是最为精确的方法。 1 3 主要研究内容 三分量井孔地震资料波场分离与应用的主要研究内容： 1 、针对三维井孔地震资料的特点，研究r a d o n 域的波场分离技术。对于三维井间 地震资料特性，进行三分量的坐标旋转，再通过对高分辨率线性r a d o n 变换的研究进 行纵横波场分离，提取出纵、横波场：利用下行波与上行波的视速度差异进行分离， 利用纵横波的极化特性进行极化滤波。 2 、采用高分辨率r a d o n 变换对3 dv s p 数据进行r a d o n 变换，再采用极化滤波对实 际的3 dv s p 资料进行波场分离。 3 、应用波场分离得到的上行纵横波场，进行三维反射波偏移成像技术研究。首 先在波场分离的基础上研究波动方程有限差分算法，利用初至波到达时建立速度模 型，进行有限差分波场延拓和偏移成像。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章井孔数据处理方法概述 将震源或者检波器放在井中进行勘探的基本思想发源于地震勘探的初期，可追溯 到2 0 世纪2 0 年代。f e s s e n d e n 的专利是这方面的第一个文献。后来，b a r t o n 曾参考 f e s s e n d e n 早期的工作，介绍了井中地震测量的可能应用。m c c o l l u m 和l a r u e 明确建 议，通过测量地表震源到井中地下检波器的旅行时来确定局部地质构造，它们介绍了 用深井检波器探测盐丘的办法。这些建议实际上已经包含有垂直地震剖面的基本原 理，但是西方地球物理学家并没有把这些井中勘探的思想发展成为v s p 方法。2 0 世 纪3 0 年代末，d i x 提出利用并中检波器测量时一深曲线和时间一速度关系，导致地 震测井( 速度检验放炮) 技术的发展。这对地表地震资料的解释的价值是无法估量的， 但是地球物理学家们仍然没有继续前进，将这种具有肯定物理和地质前提的井中地震 方法【3 3 】发展为同时观测和利用续至波的垂直地震剖面及井间地震技术。 井孔地震中，v s p 技术是由地震测井演化而来的一项新技术，由于能量传播路线 较短，检波器和离近地表噪音较远的地层较好联接，v s p 可以产生比近地表地震资料 更高的分辨率，产生的多种噪音也能被v s p 测量下行波所确定的反褶积算子直接分 辨和压制。因此一直被作为地面地震资料处理和解释的辅助手段，成功用于确定井附 近的异常地质现象、精确确定层速度以及鉴别多次波根源等方面。 井间地震由于不受风化层干扰，可以完全避免表层吸收的影响，有很高的成像分 辨率( 1 m 左右) ，可以直接确定阻挡层的位置和储层的连通性，并且不仅可以利用反射 波，也可利用透射波来研究地层的岩性，正日益引起石油勘探开发界的重视。 2 1 井中观测方式分析 常规地面地震是将检波点和震源放在地面上进行观测的一种地震勘探方式，它施 工简单，成本较低，覆盖面积较大，已成为地下构造认识和油气资源勘探的主要方法。 为更加细致地描述井旁地质构造和储层发育情况，逐步发展到将震源或( 和) 检波器放 在井中【3 4 1 ，例如v s p 即是将其中一种放在地面，另一种放置井中的观测方式( 常用的 是震源放置地面) ，而井间地震则是将震源和检波点放在相邻的不同井中进行观测。 井间地震和地面地震的观测方式差异较大，但不同的v s p 观测方式得到的道集与地 面地震观测到的某一种道集具有相应关系。 v s p 就是在地面激发地震信号在井中不同深度上用检波器接收并记录地震信号 的技术。进行v s p 观测，要有以下基本条件：( 1 ) 、井孔；( 2 ) 、震源；( 3 ) 、井下检波 7 第二章井孔数据处理方法概述 器；( 4 ) 、记录仪器系统，如图2 1 所示。在水平地震剖面勘探【3 5 1 中，震源和检波器都 布置在地面上；而在垂直地震剖面【3 6 , 3 7 ，3 8 1 中，检波器是布置在与震源垂直的方向上， 布置在地下深处的检波器对上行和下行地震波都有反应，而在地面的检波器只能记录 到地震反射波。 ( a ) 深 度 时间 直达波反射波 vv vv vv v v vv vv ( b ) 图2 - 1v s p 观测不葸图 ( a ) v s p 观测系统( b ) v s p 记录 进行v s p 测量时，通常将地震震源布置在地面或地表附近，并在井中按相间较 近的距离放置检波器。从原理上讲，地面一次激发，井中各深度点上检波器同时接收 获得一张多道的垂直地震剖面。 所谓井间地震是在一口井内置放震源，激发地震波，在另一口井中用检波器接收， 并利用记录下来的地震记录进行一套完善的处理，以获得井间地质剖面的新技术1 3 9 】。 每次在一e l 井的研究井段上，设置密集的震源点，在其预定位置上安放震源；而在另 一口井( 或几1 ：3 井) 的相应井段设置密集接收点，布置若干接收检波器。通过改变震源 和井中检波器的深度位置，进行激发和接收，地震射线便能穿越井间的研究区域，由 于地震波的传播速度和其能量衰减，取决于岩层的物理参数( 如密度、孔隙度、含水 饱和度及裂隙的大小等) ，故利用弹性波的传播时间、振幅特性可了解地下岩石性质。 图2 2 是井间地震观测方式示意图，检波点和震源同时放在井中，完全避开了低 降速带的影响，同时这种接收方式导致接收方位角大都为广角，因此与地面地震接收 方式完全不同。它是将震源、检波器分别放置在相邻的两口井中，在目的层内部或目 8 l 2 3 4 s 6 r r r r r r r l 2 3 4 5 6 r r r r r r r 检波器 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的层附近，一口井激发地震波，另一口井观测接收地震波，通过对所记录的地震波的 走时、振幅和频率等信息的处理，结合测井、地质和地面地震等资料的综合分析，得 到地下两井之间储层和地质体的精细构造形态和有关物性的空间分布的图像的一种 新技术。 一 j i i 一 i 图2 - 2 井间地震观测系统图 与地面地震相比，v s p 资料的信噪比高，分辨率高，波的运动学和动力学特征明 显，v s p 技术提供了地下地层结构同地面测量参数之间最直接的对应关系。应用v s p 资料的准确信息可以进行速度分析，消除多次波，改进地面资料成像处理的精度，能 够可靠地识别地震反射层的地质层位，从而提供可靠的钻井目标地质体的位置及深 度，避免钻井偏靶漏靶事件的发生。而且，利用v s p 资料可以提取多种地震信息， 如地震波的旅行时、传播方向、振幅、层速度、波阻抗、衰减系数、泊松比等，而且 所提取的信息有更高的精度，根据这些信息，有可能判别岩性、估计孔隙度及含油饱 和度，甚至可能直接检测石油和天然气。正因为v s p 技术能够提供其它技术所无法 提供的信息，因此尽管成本比较高，v s p 技术还是成为不可缺少的勘探开发工具，相 信经过进一步发展，v s p 技术会有更大的应用空间，会逐步成为油气勘探开发领域常 规的应用技术。 井间地震和地面地震相比的主要优点是：井间地震激发和接收都在地下，可以避 开地表表层低速带对高频成分的吸收衰减，井间地震波传播的距离比地面地震波传播 的距离短，使井间地震观测到的地震波的分辨率比地面地震分辨率高1 2 个数量级， 从而可以对比追踪小层，对井间小断层和小构造进行精细成像，并能较精细的提取属 9 第二章井孔数据处理方法概述 性。除此之外，井间地震可以方便地观测到多种类型的波，例如，透射波和反射波， 上行反射波和下行反射波，纵波、横波和转换波，并且可以在深度域比较直接地查明 各种波的生成、演化和发展的历史，以及它们之间的相互关系，从而方便地实现多波 多分量调查，实现井下和地面、地质和地球物理的综合解释。井间地震，特别是在油 气田开发阶段，“静态 的可用于精细的油藏描述，“动态”的可用于油藏工程检测， 是人们向往和寄予厚望的一种油气田勘探开发的新技术。 2 2 井孑l 数据特征分析 对油气藏地球物理而言，提高分辨率是永恒的课题。地震资料的分辨率决定于绝 对频带宽度，频带越宽分辨率越高。由于地震波向地下传播时高频成分迅速衰减，因 此，扩展和增强地震资料的高频成分、扩大绝对和相对频宽是提高地震资料分辨率的 关键。 提高地震勘探分辨率是一项系统工程。目前采用的高分辨率采集、严格野外施工、 提高炮点：检波点测量定位精度、提高静校正精度、高分辨处理等已经取得了很大成 效。与测井资料相比，地面地震资料的横向分辨率( 横向采样率) 远高于测井，而垂向 分辨率远低于测井。在井中地球物理观测中，检波器在井中s p 、井间) ，一方面由 于避开了低降速带对高频的吸收，得到了频带较宽的地震信号；另一方面，通过不同 深度的连续观测，可以计算精确的参数，如速度、q 值等。与地面地震相比，v s p 、 井间地震覆盖面积较小，介于测井与地面地震之间，其垂向分辨率也介于测井与地面 地震之间。近年来，v s p 、井间地震等井中地球物理技术的发展和广泛应用，使得利 用地面地震、v s p 、井间、测井等资料进行联合采集、处理和反演成为可能。因此， 在现有资料的基础上，地面地震与v s p 或井间地震相结合也是提高分辨率的重要途 径之一。 2 2 1v s p 波场分析 垂直地震剖面( v s p ) 是一种井中地震观测技术，是把检波器置于钻孔中，以记录 地表激发的地震信号。相对于地面地震勘探来说，其资料的优点是把记录时间一记录 波形一岩性信息三者有机地结合起来，从而克服了地面地震的地质解释对速度参数的 依赖性；同时记录上、下行波，提供一些地面无法得到的有用信息，为其处理和解释 提供佐证：有较高的信噪比和分辨率；为目的层段提供详细的成像。总体来说，v s p 资料的信噪比高，分辨率高，波的运动学和动力学特征明显。v s p 技术提供了地下地 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 层结构同地面测量参数之间最直接的对应关系，可以为地面地震资料处理解释提供精 确的时深转换及速度模型，为零相位子波分析提供支持。v s p 资料的准确信息可以进 行速度分析，消除多次波，改进地面资料成像处理的精度，从而提供可靠的钻井目标 地质体的位置及深度，处理出来的资料更能准确的对地下的地质情况有很好地呈现。 - 刃。1 7 j ， 一d2 ， r 肌产一7 价w u u p p 嬲m 2 r 爪州 7 3 r 心1 2 2 1 r ( b ) 舭7 惟：芝 r ( d ) 汀贰 。 l，、 弋， l vv 卜； r ( e ) 图2 - 3v s p 波场几种主要的地震波 ( a ) 下行直达波( b ) 一次反射波( c ) 上行多次波( d ) 下行多次波( e ) v s p 记录剖面 图2 3 e 是一张假想的v s p 记录剖面。1 表示由最初震源点激发产生的下行直达 波和一次反射波，用重粗线表示；2 表示由界面l 1 反射回来的波到达地表后，经地 第二章井孔数据处理方法概述 表反射重新产生的“下行直达波 和“一次反射波”，用中粗线表示，实际上都是多 次波，前者是下行多次波，后者是上行多次波；3 表示由界面l 2 反射回来的波到达 地表后，经地表反射重新产生的“下行直达波和“一次反射波，用细线表示，实 际上也都是多次波，前者是下行多次波，后者是上行多次波。 管波是井孔地震中最为常见的一种干扰波，是沿着井筒中流体( 泥浆) 传播的波， 也可看成是沿着井筒中流体( 泥浆) 与周围固体地层( 井壁等) 的柱形分界面附近传播的 一种界面波，所以又叫井筒波，其传播只限于井筒流体柱和围绕井的一个很薄的柱形 壳层内。只要井中流体柱的任何部分被扰动( 如由体波或者面波导致) ，并引起流体 质点按地震频带内的频率振动，都会产生管波，管波有时呈多组形式出现，即会产生 多种模式的管波。与体波不同，管波没有球面扩散，其振幅不随深度衰减和变化；但 会随着径向( 横向) 距离的增加而呈指数衰减，当径向( 横向) 距离大于几个井径之 后，就可以认为没有什么管波能量存在，即管波会消失。所以，管波的能量沿着井筒 流体柱的井轴聚焦。 有了以上各种波，就可对波场进行分析。分析下行波场，可更好地确定所产生的 多次波和层间多次波范围；同时用下行波来设计反褶积因子，对水平地震资料进行反 褶积处理，其效果优于常规地震资料的反褶积处理；此外，用下行直达波能较准确地 测量地震波振幅的衰减，以研究地震波在地下介质中传播的规律。v s p 信噪比远比水 平地震勘探反射波地震记录信噪比高，因而能较清楚地反映地质现象；也由于v s p 反射波旅行路径较水平地震勘探反射波的旅行路径短，故其具有能量强的特点，便于 清楚地观测地质体的细微变化；还因为v s p 接收点接近目的层，所以v s p 上的一次 反射波较地面地震反射波有更高的分辨率。 与水平地震剖面相比，v s p 地震资料具有以下特点： 1 、v s p 在远离地表的井下介质内部接收地震波，避开了近地表对地震波场的强 烈影响：同时由于在井下介质中和靠近物性界面接收地震波，所以可观测到比常规地 面地震更多类型的地震波。v s p 法的测井检波器是被安置在井中，故v s p 的接收点 是分布在被测介质内部的，因此，它可用接收点的垂直方向分布形式来研究地质剖面 的垂向变化，而水平地震观测则是以接收点在地表的水平方向分布形式来观测和研究 地下地质剖面的垂向变化的，所以，前者能更明显、更直接地反映波的运动学和动力 学特征。 2 、v s p 既包容了地面地震观测所能接收的波场，同时还采集到地面地震观测所 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不能接收到的下行直达波，v s p 与地面地震观测记录的地震波波形和频域类同，基于 弹性波理论的地面地震观测数据处理方法大多可应用于v s p 数据处理。 3 、v s p 在地面激发，沿井筒顺序布观测点接收，可以获得地面地震处理所需的 地震子波和精确的地震传播速度。 4 、v s p 采用井下三分量接收，可以观测到纵波、横波和转换波等多种类型的地 震波，各种波的到达方向明显不同，且随震源和观测点的变化而变化，因此更易于界 面附近地震波动力学的研究。 在v s p 测量【4 0 】中，有零井源距和非零井源距之分。其中，零井源距v s p 观测中， 激发点位于井口附近，若地层为水平，观测井为直井，则上、下行波都沿垂向传播， 地震波速度为垂向速度，波射线为垂向直射线。非零井源距观测时，激发点位于离井 口某个位置处，上、下行波都不是垂向传播。在非均匀地层条件下，根据费马原理， 波沿最小传播时间路径传播，表现为折线。若以均匀层近似，用直达波计算地震波速 度，即以激发点与接收点之间的直线距离除以地震波旅行时间，会表现为垂向传播时 速度低，非垂向传播时速度高。其结果是用垂向速度做v s p 资料的动校正后，水平 地层的反射也会出现弯曲现象。 目前v s p 技术正从二维向三维发展，因为三维v s p 测量既具有二维v s p 测量的 特点，又有利于更好地进行地震成像和油藏监测。对于地震成像，将三维v s p 数据 同地面三维地震数据相结合，可以为地震偏移建立更准确的深度模型。对于油藏监测， 一般采用检波器在井中永久埋