李緒宣 范廷恩 胡光義 馬淑芳 井涌泉 張顯文

（中海油研究總院 北京 100028）

海上WalkawayVSP技術(shù)研究與應(yīng)用＊

李緒宣 范廷恩 胡光義 馬淑芳 井涌泉 張顯文

（中海油研究總院 北京 100028）

為了更好地滿足我國海上油田開發(fā)中小斷層識別、薄儲層刻畫的需求，綜合考慮VSP平面方位角、井眼條件等因素，根據(jù)正演模擬和槍陣組合震源優(yōu)化，面向油田地質(zhì)目標，提出了Walkaway VSP資料采集方法，針對渤海H油田W1井設(shè)計了8方位的Walkaway VSP采集測線；針對常規(guī)VSP波場分離方法存在的混波、低頻化、波形畸變等缺陷，提出了基于全局參數(shù)反演的波場分離技術(shù)；針對常規(guī)反Q濾波技術(shù)僅適用于地面地震數(shù)據(jù)，提出了基于VSP射線路徑的反Q濾波技術(shù)；首次將時域任意廣角單程波動方程偏移算法推廣到Walkaway VSP偏移成像中。這些技術(shù)成功應(yīng)用于渤海H油田Walkaway VSP資料采集和處理中，獲得了高分辨率的成果剖面，有利于波組特征識別和斷層的精細刻畫，滿足了油藏精細研究的資料質(zhì)量要求。

海上油田；Walkaway VSP；觀測系統(tǒng)設(shè)計；波場分離；反Q濾波；偏移成像

近幾年，VSP技術(shù)得到了快速發(fā)展［1－4］，其在復(fù)雜構(gòu)造和巖性圈閉勘探及油氣田開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，且三維VSP技術(shù)與地面地震技術(shù)的結(jié)合也被廣泛應(yīng)用于各類油田的開發(fā)和動態(tài)監(jiān)測中。Walkaway VSP技術(shù)是一種炮點沿著一條或多條過井的直線激發(fā)、井中布置檢波器接收的非零偏VSP方法，其所得到的資料可以抽成共檢波點道集和共炮點道集，使各個反射點的覆蓋次數(shù)得以提高，從而實現(xiàn)用較高精度和分辨率資料研究目的層復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，進而指導(dǎo)開發(fā)過程中的鉆井。

Du和Zhang［5］利用變偏移距VSP資料指導(dǎo)鉆井和調(diào)整井軌跡，得到了較好的應(yīng)用效果；Sayed等［6］利用Walkaway VSP技術(shù)對2口井之間的地層進行精確成像，利用成像結(jié)果對地層結(jié)構(gòu)進行了精細解釋，較好地指導(dǎo)了頁巖中水平井的鉆進；Leaney［7］提出了與位置有關(guān)的一個平均項，將偏移距和共中心點的影響包含在內(nèi)，很好地解決了VSP地震數(shù)據(jù)的一致性問題，并將其應(yīng)用到Walkaway VSP記錄和水壓裂縫監(jiān)測記錄中取得了較好的效果；王玉貴等［8］在大慶油田進行了Walkaway VSP資料的采集和處理試驗，研究了其觀測系統(tǒng)設(shè)計、資料采集和資料處理等方法，得到了重要的結(jié)論；姚忠瑞 等［9］從觀測系統(tǒng)的定義、抽道集、速度分析、波場分離、縱波和轉(zhuǎn)換波深度域成像等方面對多方位Walkaway VSP資料處理方法進行了討論，并在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。在提高VSP記錄分辨率方面，余振 等［10］將穩(wěn)定的反Q濾波方法引入到VSP記錄中；在此基礎(chǔ)上，嚴紅勇等［11］給出了零偏和非零偏VSP資料的反Q濾波方法。

渤海H油田是典型的明化鎮(zhèn)組河流相油藏，目前已進入調(diào)整挖潛階段，100余口井的井位調(diào)整是油田研究的主要目標，然而油田開發(fā)調(diào)整面臨儲層薄、非均質(zhì)性強等諸多難題，而地面地震資料分辨率低，已無法滿足實際生產(chǎn)需要，須開展井中高分辨率地震技術(shù)應(yīng)用研究，提高小斷層和薄儲層的刻畫精度，同時為地面地震資料處理提供更準確的地層參數(shù)。本文綜合考慮VSP平面方位角、井眼條件等因素，根據(jù)正演模擬和槍陣組合震源優(yōu)化，針對該油田W1井開展了觀測系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計了8方位的Walkaway VSP采集測線，提出了基于全局參數(shù)反演的波場分離、基于VSP射線路徑的反Q濾波和基于單程波動方程的VSP偏移成像等處理關(guān)鍵技術(shù)，獲得了高分辨率的成果剖面。

1 面向油田地質(zhì)目標的Walkaway VSP資料采集方法

常規(guī)Walkaway VSP觀測系統(tǒng)不一定能把各個方位都覆蓋到，此次提出Walkway VSP觀測系統(tǒng)設(shè)計成“米”字型，具體測線部署原則為：①8條VSP測線應(yīng)當(dāng)覆蓋8個不同的方位；②各VSP測線應(yīng)盡可能與已有井的平面投影軌跡或地面地震測線重合；③VSP測線目的層覆蓋范圍應(yīng)包含或者接近已有井目的層段。這樣既可以將資料用于井位優(yōu)化，又可以獲取各向異性參數(shù)。

基于上述測線部署原則，針對渤海H油田W1井設(shè)計了8條二維Walkaway VSP測線的方位，如圖1所示（圖中紅虛線和粗白實線分別表示淺和深目的層的Walkaway VSP覆蓋范圍，細白實線為已有井的井軌跡，綠實線為地面地震測線）。可以看出，本文設(shè)計的Walkaway VSP測線的位置和方位充分兼顧了與地面地震測線及已有井的平面投影軌跡的重合，如測線1與地面地震測線268基本重合，并且與W1、W2和W3井平面投影軌跡基本重合。

圖1 針對渤海H油田W1井設(shè)計的8條二維Walkaway VSP測線的位置和方位Fig.1 Location and azimuth of eight 2DWalkaway VSP lines designed for W1well in H oilfield，Bohai sea

以W1井為例，為了滿足該井目的層段的覆蓋范圍和覆蓋次數(shù)，本次Walkaway VSP觀測系統(tǒng)震源布設(shè)范圍為－1 900～1 900 m，炮間距25 m（以不大于臨界角為標準）；W1井中檢波器布設(shè)范圍為600～800 m，間距10 m，20級檢波器，每個“排列”上提5 m重復(fù)測量，最終達到5 m的檢波點間距；時間采樣間隔為1 ms，記錄長度為4 000 ms。基于該區(qū)井孔和地面地震資料設(shè)計了Walkaway VSP模型，圖2為過W1井測線1的速度模型，圖3為該井區(qū)測線1射線追蹤模型，圖4為該井區(qū)測線1射線追蹤覆蓋次數(shù)。W1井目的層段深度范圍為1 000～1 500 m，從圖3可以看出目的層段的橫向覆蓋范圍在575 m左右，從圖4可以看出覆蓋次數(shù)為85～105次，所以采集資料可以滿足油田地質(zhì)研究的需要。

圖2 渤海H油田W1井區(qū)測線1速度模型Fig.2 Velocity model of line 1in W1well zone of H oilfield，Bohai sea

圖3 渤海H油田W1井區(qū)測線1射線追蹤模型Fig.3 Ray tracing model of line 1in W1well zone of H oilfield，Bohai sea

圖4 渤海H油田W1井區(qū)測線1射線追蹤覆蓋次數(shù)Fig.4 Ray tracing multiplicity of line 1in W1well zone of H oilfield，Bohai sea

2 Walkaway VSP資料處理技術(shù)

實際資料處理按以下流程進行：①初始Walkaway VSP數(shù)據(jù)經(jīng)過檢波器旋轉(zhuǎn)定向后，進行炮點和檢波點的地表一致性處理；②處理后的數(shù)據(jù)進行波場分離和反Q濾波處理；③進行偏移成像處理，得到最終的偏移剖面。上述流程中還可以加入其他常規(guī)處理流程，如去噪、反褶積等。本文以測線1采集的Walkaway VSP數(shù)據(jù)為例，重點對基于全局參數(shù)反演的波場分離、基于VSP射線路徑的反Q濾波和基于單程波動方程的偏移成像這3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行論述。

2.1 基于全局參數(shù)反演的波場分離

斜井條件下多分量VSP波場更加復(fù)雜，分離難度更大［12－14］，目前常用的VSP波場分離方法有中值濾波、速度濾波和F－K濾波，但是這些方法均存在混波、低頻化、波形畸變等缺陷，往往因波場分離不理想而導(dǎo)致后續(xù)成像效果差。本文提出了基于全局參數(shù)反演的波場分離方法，即利用遺傳算法［15］直接求取縱、橫波速度及入射角，從而實現(xiàn)斜井條件下多分量VSP數(shù)據(jù)的波場分離。該分離方法可以同時得到下行縱波、上行縱波、下行橫波、上行橫波，不需要先進行上、下行波場分離后進行縱、橫波分離。

如圖5所示，深度z處的檢波器會接收到上行P波、下行P波、上行S波和下行S波等4種波型，ΨPdown、ΨPup、ΨSdown和ΨSup分別為下行縱波、上行縱波、下行橫波和上行橫波的入射角；hPdown、hPup、hSdown和hSup分別為下行縱波、上行縱波、下行橫波和上行橫波的偏振矢量。

圖5 VSP資料中地震波傳播及極化示意圖Fig.5 Sketch map of VSP seismic waves propagation and polarization

當(dāng)頻率固定時，以z點為中心的一個窗內(nèi)有

式（1）～（5）中：M1、M2為空間窗的上下邊界；（ω）為空間窗內(nèi)（－M1～M2）各檢波點處的頻率域合成波場值，包括水平分量和垂直分量兩部分；為分離后下行縱波、上行縱波、下行橫波、上行橫波的頻率域波場值；hPdown、hPup、hSdown和hSup為偏振矢量；d為不同波的相移量。

目標函數(shù)為

式（6）中：vP，vS為縱波速度和橫波速度；ω1，ω2分別為起始和終止頻率；ū（ω）為實測波場。

利用全局反演算法（遺傳算法）求取式（6）的極小值，進而獲得模型速度與入射角參數(shù)［10］，代入式（1）計算z點4種波的頻率域波場值，再進行反傅里葉變換得到該點時間域的上行P波、下行P波、上行S波和下行S波，重復(fù)上面的步驟完成井內(nèi)其他檢波點的波場分離。井傾斜時，只須對方程（6）的4個入射角做相應(yīng)的修正即可。

圖6 渤海H油田Walkaway VSP記錄原始共炮點道集（測線1）Fig.6 Original common shot gathers of Walkaway VSP in H oilfield，Bohai sea（line 1）

圖7 渤海H油田Walkaway VSP記錄波場分離后共炮點道集（測線1）Fig.7 Common shot gathers of Walkaway VSP after separation in H oilfield，Bohai sea（line 1）

圖6為測線1某一炮的Walkaway VSP三分量資料，其中Z分量連續(xù)性較好，X分量和Y分量連續(xù)性較差，而且不同類型的波疊加在一起難以區(qū)分。圖7為其波場分離后的結(jié)果，可以看出，4種類型的波得到了有效分離，但由于P波的能量要遠強于S波，所以分離出的P波的精度和連續(xù)性更好。此外，分離得到的波頻帶較窄，同相軸較為光滑，這主要是由于原始資料的頻帶范圍較窄導(dǎo)致，分離算法中最高頻率是作為一個參數(shù)輸入的。

2.2 基于VSP射線路徑的反Q濾波

常規(guī)的反Q濾波技術(shù)僅適用于地面地震數(shù)據(jù)，應(yīng)用于 VSP數(shù)據(jù)時存在一定問題。本文將Wang［16－17］針對地面地震資料提出的穩(wěn)定的反Q濾波方法推廣到Walkaway VSP數(shù)據(jù)處理中。在水平層狀介質(zhì)假設(shè)下，通過射線追蹤確定Walkaway VSP記錄上各個時間點對應(yīng)的傳播路徑，將地震波在各層中的下行旅行時記為td，1，td，2，…，td，m，上行旅行時記為tu，1，tu，2，…，tu，m，m為地層層數(shù)；對于下行直達波和多次波，統(tǒng)一近似按照下行直達波的傳播路徑，將tu，m設(shè)為零即可。

Walkaway VSP反Q濾波公式可寫為

式（7）～（9）中：U（τ，ω）為反Q濾波后時間τ處的波場記錄；（τ，ω）為反Q濾波前時間τ處的波場記錄；ω為角頻率；ωh為與地震頻帶最高頻率相關(guān)的一個調(diào)諧參數(shù)；σ2為穩(wěn)定因子；Qj為第j層的Q值。

圖8a、b為測線1反Q濾波前后下行P波對比，圖8c、d為該測線反Q濾波前后下行P波頻譜對比；圖9a、b為測線1反Q濾波前后上行P波對比，圖9c、d為該測線反Q濾波前后上行P波頻譜對比?？梢钥闯?，經(jīng)反Q濾波處理后，Walkaway VSP記錄高頻成分的能量得到了補償，地震振幅能量得到了增強，同相軸連續(xù)性和記錄的分辨率得到了有效改善，尤其是中、深層中一些復(fù)合波也被分離開來，波場信息更加豐富。

2.3 基于單程波動方程的偏移成像

圖8 渤海H油田Walkaway VSP記錄反Q濾波前后下行P波（測線1）Fig.8 Down－going P－wave of Walkaway VSP before or after inverse Qfiltering in H oilfield，Bohai sea（line 1）

圖9 渤海H油田Walkaway VSP記錄反Q濾波前后上行P波（測線1）Fig.9 Up－going P－wave of Walkaway VSP before or after inverse Qfiltering in H oilfield，Bohai sea（line 1）

本文首次將時域任意廣角單程波動方程（AW WE）偏移算法［18－19］推廣到WalkawayVSP偏移成像中。震源波場和接收記錄波場分別滿足式（10）、（11），利用這些方程進行Walkaway VSP疊前深度延拓成像。假設(shè)震源波場滿足下行波方程，井中檢波器的記錄滿足上行波方程，分別采用下行波方程和上行波方程將震源波場和接收記錄波場沿深度延拓，在同一深度上應(yīng)用互相關(guān)成像條件得到該深度上的成像結(jié)果，然后進行下一個深度的延拓成像，最后對井中檢波器下方地層進行成像。

式（10）、（11）中：us（x，t）為震源波場；uR（x，t）為接收記錄波場；其他變量定義詳見Guddati和Heidari（2005）的論文［19］。對方程（10）、（11）采用有限差分進行數(shù)值計算，可適應(yīng)橫向不均勻介質(zhì)。

抽取共成像點道集進行偏移成像處理，然后再利用互相關(guān)方法對得到的共成像點道集進行校正，使偏移結(jié)果能夠更好地進行同相疊加，從而提高成像質(zhì)量。圖10為測線1水平偏移距400 m處的共成像點道集，對比可以看出，校正后的共成像點道集同相軸連續(xù)性得到增強。圖11為測線1的偏移剖面。

圖10 渤海H油田校正前后共成像點道集（測線1偏移距400 m處）Fig.10 CIP gathers before or after correction in H oilfield，Bohai sea（offset of line 1 with 400 m）

圖11 渤海H油田共成像點道集校正后偏移剖面（測線1）Fig.11 Migration section after CIP correction in H oilfield，Bohai sea（line 1）

3 實際應(yīng)用

基于油田地質(zhì)目標設(shè)計了Walkaway VSP觀測系統(tǒng)，完成了渤海H油田8條二維Walkaway VSP測線的采集和處理工作。以測線1為例，圖12a為該測線Walkaway VSP剖面，圖12b為該測線Walkaway VSP剖面與地震剖面疊合圖，圖12c、d分別為該測線地面地震剖面與Walkaway VSP剖面的頻譜?？梢钥闯觯琖alkaway VSP剖面具有更高的分辨率和保幅性，主頻達到100 Hz，頻帶寬度8～180 Hz，可識別5～7 m的薄儲層，更有利于波組特征的識別和斷層的精細刻畫。

4 結(jié)束語

精細的油藏地球物理描述是油田開發(fā)的核心。通過渤海H油田Walkaway VSP資料的采集和處理試驗，提出了面向油田地質(zhì)目標的Walkaway VSP資料采集方法以及基于全局參數(shù)反演的波場分離、基于VSP射線路徑的反Q濾波和基于單程波動方程的VSP偏移成像等關(guān)鍵技術(shù)，并成功應(yīng)用于該油田Walkaway VSP資料的采集和處理中，得到了高分辨率的Walkaway VSP成像剖面，為油藏精細研究提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)資料。此外，零井源距VSP和Walkaway VSP資料可以得到準確的時－深關(guān)系、速度、球面擴散補償因子、吸收因子以及各向異性等參數(shù)，這些參數(shù)可以應(yīng)用到地面地震數(shù)據(jù)的處理中，從而提高地面地震資料的保真度、分辨率和成像精度。

圖12 渤海H油田資料處理效果對比（測線1）Fig.12 Comparison of data processing results in H oilfield，Bohai sea（line 1）

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Study and application of offshore Walkaway VSP methodology

Li Xuxuan Fan Tingen Hu Guangyi Ma Shufang Jing Yongquan Zhang Xianwen
（CNOOC Research Institute，Beijing100028，China）

To satisfy the requirements of small faults and thin reservoirs description in our offshore oilfield development，considering azimuth，borehole conditions and geological targets，eight Walkaway VSP lines aimed at W1 well of H oilfield in Bohai Bay are proposed based on forward modeling and source optimization of gun arrays.To avoid mixed wave，low frequency and waveform distortion existing in conventional methods，a new VSP wave－field separation method is proposed based on global parameter inversion.The conventional inverse Q filtering is only applicable to surface seismic data，so a new inverse Q filtering method is realized based on VSP ray path.Arbitrary wide－angle one－way wave equation migration is extended to Walkaway VSP data for the first time.The techniques have been successfully applied to Walkaway VSP data acquisition and processing in H oilfield，and the resulting high resolution sections are beneficial for wave group features recognition and detailed faults characterization.

offshore oilfield；Walkaway VSP；acquisition geometry design；wave－field separation；inverse Q filtering；migration imaging

TE5132.1＋4

A

2014－06－16改回日期：2014－12－09

（編輯：周雯雯 馮 娜）

李緒宣，范廷恩，胡光義，等.海上Walkaway VSP技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.中國海上油氣，2015，27（2）：1－7，23.

Li Xuxuan，F(xiàn)an Tingen，Hu Guangyi，et al.Study and application of offshore Walkaway VSP methodology［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：1－7，23.

1673－1506（2015）02－0001－07

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.001

＊“十二五”國家科技重大專項“海上開發(fā)地震關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究（編號：2011ZX05024－001）”部分研究成果。

李緒宣，男，教授級高級工程師，1982年畢業(yè)于原山東海洋學(xué)院，獲理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋石油物探方法研究。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院中海油大廈B座（郵編：100028）。E－mail：lixx＠cnooc.com.cn。