時深標定中VSP時深關系調整影響因素分析

姜本厚，張 凱,張平平,蔡越釬,王玉英

(1.中海石油(中國)天津分公司勘探開發研究院，天津塘沽 300452；2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院)

時深標定是聯系時間域(地震)與深度域(地質、測井)關系的橋梁和紐帶，也是合成記錄制作中的核心問題，在地震資料精細解釋和砂體標定中發揮著重要的作用[1-3]。隨著勘探難度的加大，對時深標定精細程度的要求也越來越高，特別是隨著VSP資料的出現和廣泛應用，利用VSP資料進行標定也成為當前時深標定的主要方法。

目前VSP時深關系被認為是最準確的時深關系[5]，并被廣泛應用于合成記錄制作中。但多年來筆者在渤海油田多口井的時深標定中發現，要使地震剖面與合成記錄具有較好的對應關系，經常需要對VSP時深關系進行“整體時移”和“局部拉伸”。“整體時移”現象在標定中時有發生，最大整體時移量有時可達二十多毫秒，由于對如此大的整體時移量找不到合理的解釋，有些研究者往往舍棄合適的子波極性不用，而選擇使整體時移量最小的反極性子波，這就容易造成對儲層認識的偏差；“局部拉伸”現象在時深標定中也普遍存在，且局部拉伸量往往隨深度增加而呈現增加的趨勢，有時會達到近百毫秒，有的研究者由于不能接受這樣的拉伸量而寧愿選擇地震剖面與合成記錄不對應的情況。有的研究者認為局部拉伸是合理的，但對于引起如此大的拉伸量原因缺乏必要的認識和研究。

1 時深調整原因分析

時深調整涉及VSP時深關系和偏移剖面兩個方面，因此，要弄清時深調整的真正原因，需要對VSP時深關系和偏移剖面及其兩者存在的時差進行詳細分析。

1.1 偏移剖面及其存在時差

根據惠更斯原理與 Kirchhoff 積分偏移理論[6]，地下模型可看作由很多散射點組成，地面觀測信號則是所有到達地表的散射能量的疊加。Kirchhoff 積分偏移理論都是假設從震源點到散射點再到接收點的路徑為直線，在速度為v的常速介質中，設從震源S到散射點再回到接收點R的地震波的傳播路徑如圖1所示。整個過程的旅行時滿足如下雙平方根方程：

(1)

其中S和R分別是炮點和檢波點位置；x是散射點(SP)的空間位置；X是DMO后地震道的空間位置；y是炮檢中心點空間位置；h是半偏移距；τ是雙程垂直旅行時間或偏移時間；t0是DMO校正后反射的雙程旅行時；t'0是Hale(1984)DMO后反射的雙程旅行時。

常規疊前時間偏移就是按上述時距關系將散射能量偏移歸位到散射點正下方τ時間。對每個散射點，將偏移孔徑內所有輸入道對應此點的散射能量疊加起來就得到了它的像。

理論情況下，經過疊前時間偏移的剖面應該歸位到正確的位置。對于地下某一深度的分界面，其地震反射波在偏移剖面上出現的時間也是唯一的。但研究發現，同一采集資料在不同時間或不同處理后，經常存在時差。如果在研究目的層段，要使兩個資料較好的對應，經常需要整體時移，有的時移量超過20 ms，有的甚至還要反轉極性(圖2)。而且，一般兩次處理資料的時差并不是常數，而是隨時間變化的變量，如圖3所示。在圖2的目的層段(1.7 s)新老資料對應較好的情況下，新老資料在淺、深層對應不好，明顯可以看到，新資料在淺層偏淺，而在深層偏深。要使淺、深層也能較好的對應，如果以新資料為準，淺層0.5 s處的老資料大致需要向上局部拉伸6 ms，深層2.8 s處的老資料需要向下局部拉伸16 ms。兩次處理資料存在時差是地震處理過程后表現出來的一種現象。由于處理較復雜，需要從疊前時間偏移理論入手，對具體原因進行分析研究。

圖1 疊前時間偏移的幾何關系

圖2 新資料上移10ms并顛倒極性

圖3 新老資料在淺、深層的對比

1.1.1 縱向速度拾取不準引起時間偏移剖面時差

由疊前時間偏移脈沖響應橢圓方程和雙平方根旅行時方程出發，根據圖1中的幾何關系可以得到DMO校正后反射的雙程旅行時t0與雙程旅行時t的關系式：

(2)

再由DMO校正后反射的雙程旅行時t0可以解出雙程偏移時間τ：

(3)

從方程(2)和(3)式不難發現，DMO校正后反射雙程旅行時t0和雙程偏移時間τ都與地層速度v呈正比關系，地層速度越大，t0和τ越大，地層速度越小，則t0和τ越小。

要獲得準確的雙程偏移時間τ，需要準確的地層速度v。因此速度分析時，拾取的速度準確程度和精度，直接影響到雙程偏移時間τ的求取準確度和偏差。當拾取的速度比真實速度偏大時，雙程偏移時間τ就會比真實時間偏大；當拾取的速度比真實速度偏小時，雙程偏移時間τ值就會比真實時間小。在速度不準的情況下，偏差大小也隨偏移距增大而增大。如表1所示，假設真實地層速度v為3 000 m/s，X為1 000 m，x為500 m，y為1 500 m，h為1 500 m，則真實雙程偏移時間τ為2.808 s，當速度偏高10%時，計算的雙程偏移時間τ比真實值偏大35 ms。當速度偏低10%時，計算的雙程偏移時間τ比真實值偏小46 ms。

表1 速度變化對偏移時間影響統計

在實際地震處理的速度拾取中，由于淺層地震波能量較強，速度譜上能量團較集中，易于識別，因此淺層拾取的速度較準確，其求取的雙程偏移時間也較準確，誤差一般較小；隨著深度增加，地震波能量逐漸衰減，多次波及干擾波的影響加大，速度譜上能量團一般較分散，速度的準確拾取變得困難，加上拾取的精度有限，使拾取的速度與真實速度的偏差也越來越大,誤差也隨之增大。

在渤海油田，東二下段、東三段廣泛發育大套的低速泥巖，時深標定過程中經常發現，當井鉆遇大套低速泥巖時，其拉伸量一般都較大。結合井曲線和速度譜曲線的分析認為，在速度拾取時，往往在低速泥巖段拾取的速度高于地層真實速度，因此，在進行NMO、DMO和偏移校正時，由于速度偏高，易造成校正量偏小，從而導致偏移時間過大，地震反射軸在時間剖面上偏深。其偏差大小主要是由拾取速度與真實速度的偏差引起的。

1.1.2 地震波相位變化引起的時差

地震波在地層中傳播時，其波形和相位會受到大地濾波器的整形和改造作用，此外，實際資料處理過程中反褶積等與子波處理相關的處理手段也會引起相位變化，相位發生變化的地震波在時間域剖面反映同一深度界面時會存在時差。

1.1.3 各向異性引起的時差

常規處理方法是在地層各向同性的假設條件下進行的，但在實際的地下地層中，各向異性廣泛存在，地震波不是沿直射線而是沿彎曲射線傳播，地震波走時也不再是雙曲線形式，隨著偏移距與深度比的增大，各向異性引起的時差也會隨之增大[7]。常規處理在不考慮各向異性的情況下，與地震波真實走時相比，計算的地震波走時不夠準確，使反射層部分不在正確位置上，從而造成一定的時差。

1.1.4 偏移方法差異引起的時差

當地下情況比較復雜時，疊前時間偏移不再滿足其假設條件，加上偏移速度拾取不準確，可能會造成偏移歸位不準。此時，偏移剖面也會產生一定的誤差。總之，縱向速度拾取不準、相位變化、各向異性、偏移方法差異等因素都會造成偏移剖面產生時差。而且這個時差是不容忽視的，甚至是時深調整量的主要原因。而縱向速度拾取不準是造成偏移剖面時差的主要影響因素。

1.2 VSP時深關系及時差

時間偏移剖面的檢波器置于地表，沿地面布置觀測點，“間接”測量地震波在垂直方向上的旅行時間和速度變化。與時間偏移剖面相比，VSP的檢波器放在井中，在垂直方向上進行觀測，“直接”測量地層垂直剖面上地震波的旅行時間和速度隨深度的變化，且VSP的反射波旅行路徑較地面地震反射波的旅行路徑短；另外，由于地面觀測受剖面淺部影響，地震波畸變較大，而VSP可觀測到比較單純的波形，因此，VSP確定的時深關系比時間偏移剖面可靠。

當地層為水平層狀均勻介質時，對于直井零偏移距VSP而言，此時VSP時間傳播路徑跟VSP深度路徑是一致的，故水平地層的VSP時深關系是可靠的。

當地層為傾斜層狀均勻介質時，由于地震波傳播遵循費馬定理的最短走時原則，VSP時間不再沿深度路徑傳播，而是沿用時間最短的折線路徑傳播，此時得到的VSP時深關系就不準確，需要對傾斜地層引起的時差進行校正。

如圖4所示，設傾斜地層的傾角分別為θi(i=1,2, ，……，n)，入射波與地層法向的夾角為αi，入射波到達每個傾斜界面的偏移距為xi，地層速度為vi，井點處的地層厚度為hi。則在井中海拔深度為Z處，VSP時間按照下式計算:

(4)

地震波沿深度路徑傳播的時間減去VSP時間就是因地層傾斜引起的VSP時差。在深度和厚度已知的情況下，VSP時差只是地層傾角的函數，它隨地層傾角的增大而增大。張平平等(2011年)[8]用有限差分波動方程方法對多種傾斜角度的地層模型進行了正演模擬，研究結果表明，VSP時差隨地層傾斜角度的增加而快速增大。當地層為砂泥巖互層時，VSP時差變化梯度小于阻抗遞增模型。此外，在實際的VSP處理中，海上資料未作潮差校正、槍深及偏移距校正時的人為失誤、VSP初至拾取不準及地層非均質性等因素也會引起一定的VSP時差，但這些時差跟地層傾斜引起的時差相比，一般都較小。

圖4 傾斜地層VSP傳播路徑示意圖

1.3 時深標定原則

時深標定是建立深度域地層界面與時間域地震反射軸間的對應關系。由于地震剖面不能局部拉伸和整體平移，而合成記錄的調整比較方便，因此，時深標定是以實際偏移剖面為標準進行調整，即使在VSP時深關系比偏移剖面可靠的情況下。因此，時深調整中的“整體時移”主要是地震處理過程引起的，除地層傾斜以外的其它因素造成的VSP時差一般較小，對“整體時移”的貢獻不大。而“局部拉伸”主要是由縱向速度拾取不準、相位變化引起的偏移剖面時差和由地層傾斜引起的VSP時差共同作用的結果，且縱向速度拾取不準是造成偏移剖面時差的主要因素。

2 應用實例

A井是渤海油田的一口探井，由于該井鉆井深度大，雖然該井進行了VSP測井，但是，如圖5所示，在深層用原始VSP時深關系標定的合成記錄與疊前時間偏移剖面對應不上，需要進行較大調整才能達到較好的對應關系，其中該井基本不需要進行“整體平移”，而“局部拉伸”達到95 ms。從過A井地震剖面來看(圖6)，該井已鉆遇的地層存在傾斜層，因此需要明確因地層傾斜引起的VSP時差的大小。為了驗證該井VSP時差大小，采用有限差分波動方程正演模擬方法，用該井的實測聲波和密度曲線來近似模擬真實地層情況，正演模型采用水平地層形式，由于水平地層模型在VSP正演時，其深度路徑和時間路徑是一致的，將VSP正演的初至時間和VSP實測數據進行對比，即可確定每口井VSP時差的大小。該井VSP正演的初至時間和實測數據對比如圖7所示，從圖中來看， VSP正演的初至時間比VSP實測結果要大，且隨地層傾角而變化，這跟VSP原理是符合的。對比結果表明，由于傾斜地層引起的VSP時差大致為35 ms。

圖5 VSP調整前、后合成記錄對比圖

圖6 過A井地震剖面

圖7 A井VSP正演與實測結果對比

該井時深標定的局部拉伸量大致為95 ms，除去地層傾斜引起的35 ms的VSP時差，大致還有60 ms的時差，而這部分時差被認為是由偏移剖面時差引起的。原因在于該井在3 800～4 800 m處，存在約1 000 m的大套低速泥巖，而疊加速度轉化為地震層速度后，明顯高于低速泥巖的聲波速度和VSP速度。結合上述(2)和(3)式可知，在地震速度比地層真實速度偏大的情況下，DMO校正后，反射雙程旅行時和雙程偏移時間的計算結果都會偏大，從而產生偏移剖面時差，偏差大小跟拾取的速度偏離真實速度的大小有關。

統計表明，在渤海油田，其它鉆遇大套低速泥巖的井，其時深調整量也一般較大。且低速泥巖段拾取的速度一般較真實速度偏高，這也說明大套低速泥巖處的縱向速度拾取不準，是引起偏移剖面時差的主要因素。

通過上述典型實例分析認為，VSP時深關系的調整量是VSP和偏移剖面時差共同作用的結果。VSP時差主要是由于地層傾斜引起的。而偏移剖面時差主要是縱向速度拾取不準造成的。

3 結束語

(1)時深標定時，由于時深調整是以實際偏移剖面為標準，因此時深調整時經常需要“整體時移”和“局部拉伸”。調整量往往是VSP時差和偏移剖面時差共同作用的結果，且偏移剖面時差常是主要影響因素。

(2)通過疊前時間偏移理論分析，結合大量已鉆井的時深標定結果，認為偏移剖面時差主要是縱向速度拾取不準造成的。

(3)與地面地震相比，VSP測量路徑較短，且可以直接測量垂向的旅行時，所以VSP時深關系比偏移剖面更可靠。

(4)VSP時差主要是由于傾斜地層引起的，且VSP時差隨傾角增大而增大。

(5)渤海油田東二下段、東三段廣泛發育大套的低速泥巖，由于低速泥巖段的速度拾取偏高，在進行NMO、DMO和偏移校正時，易造成校正量偏小，從而導致偏移時間偏大，使地震反射軸在時間剖面上偏深。

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