斜井VSP共反射點(diǎn)交互疊加成像方法

楊飛龍，劉東明，秦民君，蘇志東

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地測(cè)學(xué)院，西安 710054；2.中國石油測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心，西安 710201；3.西安威爾羅根能源科技有限公司，西安 710077）

斜井VSP共反射點(diǎn)交互疊加成像方法

楊飛龍1，劉東明2，秦民君2，蘇志東3

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地測(cè)學(xué)院，西安 710054；2.中國石油測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心，西安 710201；3.西安威爾羅根能源科技有限公司，西安 710077）

疊加可以壓制噪聲提高地震資料信噪比，是地震數(shù)據(jù)處理中十分重要的環(huán)節(jié)之一。采用逐段迭代算法進(jìn)行波場(chǎng)正演，計(jì)算地震波反射點(diǎn)的位置。在利用Qt語言編制的波場(chǎng)對(duì)比交互軟件界面上，進(jìn)行正演記錄與實(shí)際資料的波場(chǎng)特征對(duì)比，建立速度場(chǎng)模型。將共炮點(diǎn)道集數(shù)據(jù)搬家至反射點(diǎn)真實(shí)位置形成共反射點(diǎn)道集記錄，以一定的面元尺寸疊加。應(yīng)用斜井VSP（垂直地震剖面法）共反射點(diǎn)交互疊加方法對(duì)W地區(qū)進(jìn)行成像研究，結(jié)果表明，該方法可以有效地反演地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，為地震數(shù)據(jù)的處理與解釋提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

垂直地震剖面法；共反射點(diǎn)疊加；逐段迭代；交互界面；成像

0 引言

地震波場(chǎng)成像是地震數(shù)據(jù)處理與解釋的基本技術(shù)，如何使反射波正確歸位是地震資料處理的核心環(huán)節(jié)。對(duì)于斜井VSP地震勘探，基于射線理論的常規(guī)水平疊加方法，面對(duì)復(fù)雜構(gòu)造時(shí)成像精度受到限制，而共反射點(diǎn)疊加方法能夠準(zhǔn)確反映真實(shí)反射點(diǎn)處波場(chǎng)特征。斜井VSP共反射點(diǎn)交互疊加技術(shù)包括逐段迭代正演、交互波場(chǎng)對(duì)比以及共反射點(diǎn)疊加。

逐段迭代正演方法是基于兩點(diǎn)間射線追蹤的一種快速、準(zhǔn)確、有效的射線追蹤方法。80年代末，隨著Kirchhoff積分疊前深度偏移在復(fù)雜構(gòu)造中的較好效果，使得射線追蹤方法得到快速發(fā)展。高頻近似情況下，地震波的傳播可近似地認(rèn)為是沿射線軌跡傳播［1］。Sambridge和Kennett［2］設(shè)計(jì)出不連續(xù)介質(zhì)的邊界射線追蹤方法；Rawlinson等［3］使用三次B樣條差值函數(shù)來描述地層界面，求解射線與界面的交點(diǎn)計(jì)算地震波旅行時(shí)；在國內(nèi)，馬爭(zhēng)鳴、李衍達(dá)等［4］提出了二步法射線追蹤，能夠有效地確定射線的出射角度；高爾根等［5］提出基于兩點(diǎn)間追蹤的逐段迭代射線追蹤方法，其運(yùn)算速度比傳統(tǒng)的打靶法提高一倍，高爾根等［6］將該方法推廣到三維。考慮逐段迭代正演時(shí)的速度、精度以及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造建模，在這里利用三次樣條插值函數(shù)模擬地層與井的位置形態(tài)，根據(jù)逐段迭代算法對(duì)不同模型進(jìn)行正演模擬，并使用C＋＋語言結(jié)合QT軟件平臺(tái)編制用戶操作界面，采用交互式對(duì)比技術(shù)調(diào)整模型參數(shù)，使得正演模擬結(jié)果與實(shí)際資料波場(chǎng)特征吻合。根據(jù)波場(chǎng)交互對(duì)比建立精細(xì)速度場(chǎng)模型，使用共反射點(diǎn)疊加方法進(jìn)行成像研究。

當(dāng)?shù)叵聵?gòu)造復(fù)雜時(shí)，常規(guī)水平疊加（共中心點(diǎn)疊加）不再是共反射點(diǎn)疊加，這樣疊加后得到的疊加剖面不能反映真實(shí)地質(zhì)特征。基于波動(dòng)方程的偏移技術(shù)可以解決反射波歸位等問題，但其算法存在運(yùn)算量大的缺點(diǎn)。20世紀(jì)90年代末，Karlsruhe大學(xué)Hubral教授［7］從旁軸射線理論出發(fā)，提出了共反射面元（CRS）疊加成像方法。所謂的共反射點(diǎn)疊加是把共反射面元看作為一個(gè)反射點(diǎn)，也就是將面元內(nèi)的所有反射看作是同一點(diǎn)的反射；楊鍇［8，10－13］、王華忠等［9］開始對(duì)CRS疊加方法進(jìn)行研究；韓立國［14］與李振春等［15］從不同的角度將共反射點(diǎn)疊加方法進(jìn)行推廣，在實(shí)際的地震數(shù)據(jù)處理中也取得了一定的效果。

1 方法技術(shù)

斜井VSP共反射點(diǎn)疊加方法是在地面附近激發(fā)地震波，在接收井中的每一個(gè)檢波器處記錄，得到一個(gè)共炮點(diǎn)道集。隨著震源

逐點(diǎn)移動(dòng)激發(fā)，形成多個(gè)共炮點(diǎn)道集，對(duì)這些道集利用VSP共反射點(diǎn)疊加方法進(jìn)行反射波歸位，得到共反射點(diǎn)道集，然后以一定的面元對(duì)其進(jìn)行疊加獲得成像記錄。圖1為斜井VSP變偏觀測(cè)方式，檢波器安置在接收井中，震源位置逐點(diǎn)移動(dòng)的觀測(cè)方式。

圖1 斜井變偏VSP觀測(cè)示意圖Fig.1 Variable offset diagram in deviated well

1.1 逐段迭代正演

逐段迭代法是高爾根、徐果明等［16］提出的，假定地震波傳播的初始路徑，選擇相連續(xù)的射線與地層的交點(diǎn)，通過多次迭代來修改中間點(diǎn)最終得到真實(shí)的射線路徑。逐段迭代方法可以快速地對(duì)任意界面進(jìn)行射線路徑追蹤［17］，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，精度比較高。與打靶法相比，其運(yùn)算速度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。

以層狀模型反射波為例，當(dāng)?shù)叵聻槎鄠€(gè)地層時(shí)，假設(shè)地震波從震源出發(fā)遇到反射界面時(shí)發(fā)生反射到達(dá)檢波點(diǎn)（圖2）。初始射線路徑是S－P1－P2－ P3－R，v1、v2為相應(yīng)的地層速度，f1（x）、f2（x）為界面函數(shù)，并且假設(shè)每個(gè)界面函數(shù)至少是光滑連續(xù)函數(shù)。地震波在傳播過程中遵循斯奈爾定理，即滿足同一個(gè)射線參數(shù)。如圖2所示，根據(jù)炮點(diǎn)S與檢波點(diǎn)R的位置確定射線路徑S－P2－R路徑，由于是反射波傳播，所以選擇炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)的終點(diǎn)位置作為中間點(diǎn)R2的位置，以一定的步長(zhǎng)Δx移動(dòng)使得S－P2－R射線傳播滿足SNELL定理，基于同樣的原理確定P1點(diǎn)和P3點(diǎn)的位置。通過這樣的逐段計(jì)算所得到的中間點(diǎn)與震源和檢波點(diǎn)構(gòu)成了一次迭代射線路徑（圖2中S、P1＇、P2＇、P3＇、R）。當(dāng)新得到的射線路徑傳播至檢波點(diǎn)時(shí)滿足誤差范圍，則認(rèn)為射線追蹤成功；否則需要重新開始，修改增量重復(fù)上述過程，直到滿足誤差范圍為止。當(dāng)滿足誤差范圍時(shí)所得到的中間點(diǎn)與震源和檢波點(diǎn)構(gòu)成了整條射線路徑。然后計(jì)算炮點(diǎn)傳播至每一層地層交點(diǎn)的時(shí)間直到檢波點(diǎn)處，即得到炮點(diǎn)至接收點(diǎn)的旅行時(shí)。

圖2 逐段迭代法射線追蹤原理示意圖Fig.2 Piecewise iteration method of ray tracing principle diagram

1.2 交互式正演

1991年奇趣科技開發(fā)的跨平臺(tái)C＋＋圖形用戶界面應(yīng)用程序Qt，它很容易擴(kuò)展并且可以組件編程。交互波場(chǎng)對(duì)比時(shí)采用基于Qt編制的交互式顯示界面，檢驗(yàn)正演所建立的模型以及選取的參數(shù)的準(zhǔn)確性。

基于Qt編制的交互式顯示界面，可以用來檢驗(yàn)正演時(shí)所建立的模型以及選取的參數(shù)的準(zhǔn)確性［18］。圖3（a）為基于Qt編制的波場(chǎng)交互界面。圖3中黑色波場(chǎng)特征為VSP野外采集的上行P波波場(chǎng)，紅色波場(chǎng)特征為正演得到的上行P波波場(chǎng)特征［19］。通過疊合比較，當(dāng)波場(chǎng)特征存在差異時(shí)需調(diào)整模型的參數(shù)。圖3（a）中藍(lán)色四邊形區(qū)域內(nèi)正演波場(chǎng)與實(shí)際波場(chǎng)特征存在差異，現(xiàn)使用修改模型界面來調(diào)整模型參數(shù)。點(diǎn)擊波場(chǎng)對(duì)比交互界面上鼠標(biāo)按鈕，彈出修改模型用戶界面，選擇要修改的地層號(hào)，以及該層的第幾個(gè)控制點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改地層參數(shù)，包括地層坐標(biāo)以及地層速度。地質(zhì)模型與速度場(chǎng)是根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景、測(cè)井資料以及聯(lián)井剖面建立的，初始模型根據(jù)井控資料可考慮地層傾角，一般情況下建立水平地層模型，然后根據(jù)正演記錄與實(shí)際記錄對(duì)比調(diào)整模型及速度場(chǎng)，正演時(shí)子波采用雷克子波。修改模型參數(shù)后得到如圖3 （b）所示的波場(chǎng)對(duì)比特征，從圖3（b）中可以看到，正演的結(jié)果與實(shí)際波場(chǎng)特征吻合，因此該正演的模型以及速度場(chǎng)參數(shù)可以作為下一步成像的基礎(chǔ)。在實(shí)際處理中，修改模型的過程是迭代進(jìn)行的，因?yàn)槭芤巴獾刭|(zhì)信息的不完整以及測(cè)井資料的限制，使得地質(zhì)模型及速度場(chǎng)的準(zhǔn)確性需要多次調(diào)整。

圖3 波場(chǎng)對(duì)比交互界面Fig.3 The interactive interface of contrastive wave field

1.3 共反射點(diǎn)疊加

共反射點(diǎn)時(shí)距曲線反映了地震波傳播經(jīng)過地層時(shí)反射點(diǎn)的信息，同時(shí)也反映了地下地層結(jié)構(gòu)的特征。假設(shè)地層為均勻各向同性介質(zhì)，建立如圖4（a）所示的地質(zhì)模型，在接收井上有5個(gè)檢波器，通過逐共炮點(diǎn)道集數(shù)據(jù)以10m為面元大小進(jìn)行疊加得到的疊加剖面。

VSP共反射點(diǎn)疊加成像方法，可以獲得地下地層的準(zhǔn)確構(gòu)造信息。如圖5所示，首先對(duì)研究區(qū)進(jìn)行正演研究，獲得地震波在地下介質(zhì)中傳播的射線路徑（圖5（b））與波場(chǎng)記錄（圖5（c））。在實(shí)際疊加處理時(shí)，對(duì)比正演的波場(chǎng)特征與實(shí)際波場(chǎng)的關(guān)系，采段迭代正演得到如圖4（b）所示的上行P波波場(chǎng)特征。共反射點(diǎn)疊加的過程其實(shí)是使得反射波正確歸位的一個(gè)過程。通過正演計(jì)算每一個(gè)反射點(diǎn)的位置及地震波傳播至此的旅行時(shí)，對(duì)比波場(chǎng)特征獲得準(zhǔn)確速度場(chǎng)，然后將共炮集記錄中的每一道波場(chǎng)特征搬家至相應(yīng)的反射點(diǎn)時(shí)刻，最后經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)于反射點(diǎn)位置的波場(chǎng)特征［20］（圖4（c））。在所建立的地質(zhì)模型中，按照一定的間隔大小將模型劃分為多道，再以固定的面元尺寸將同一面元中的地震道疊加起來，得到最終的疊加剖面（圖4（d））。

2 模型試算

如圖5（a）所示，建立一套具有傾斜地層和正斷層結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)模型，該模型中具有一套傾斜地層，一套正斷層，地層速度分別為v1＝1 600m／s，v2＝2 100m／s，v3＝2 600m／s。炮點(diǎn)置于地面處，距井口距離為900m，檢波點(diǎn)位于接收井中，接收井為斜井，檢波器起始深度為40m，檢波器之間垂深為20m，共70道接收，正演時(shí)子波選擇雷克子波。圖5（b）、5（c）和5（d）分別為利用VSP共反射點(diǎn)疊加成像方法得到的射線路徑、共炮點(diǎn)道集記錄以及對(duì)用交互式操作。當(dāng)正演結(jié)果與實(shí)際波場(chǎng)相符時(shí)，采用共反射點(diǎn)疊加，獲得疊加剖面（圖5（d）），通過疊加剖面特征可以清楚地反映地下地層的結(jié)構(gòu)信息。經(jīng)理論研究表明，該方法計(jì)算準(zhǔn)確、精度較高、界面友好、操作簡(jiǎn)便，可以快速準(zhǔn)確地反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，為地震資料處理提供了準(zhǔn)確的速度場(chǎng)，指導(dǎo)下一步的反演工作。

圖4 共反射點(diǎn)疊加Fig.4 Common reflection point stack

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證交互式斜井VSP共反射點(diǎn)疊加成像的應(yīng)用效果，將該方法應(yīng)用在W地區(qū)斜井VSP反射波成像研究之中。首先根據(jù)W地區(qū)地質(zhì)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立如圖6（a）所示的地質(zhì)模型及相應(yīng)的觀測(cè)系統(tǒng)，或者根據(jù)研究區(qū)地面地震疊加剖面上所劃分的地層來建立VSP地質(zhì)模型，地層的層數(shù)根據(jù)研究區(qū)目的層的有效信息來確定，劃分的越細(xì)，速度場(chǎng)越準(zhǔn)確，疊加成像的結(jié)果越真實(shí)。正演時(shí)，使用的是雷克子波。正演的結(jié)果僅用來對(duì)比調(diào)整所建立的速度場(chǎng)與地質(zhì)模型是否與真實(shí)記錄匹配，當(dāng)疊加成像時(shí)是對(duì)實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行VSP－CDP成像。地層速度分別為v1＝1 600m／s，v2＝1 720m／s，v3＝1 850 m／s，v4＝2 000m／s，v5＝2 120m／s，v6＝2 310 m／s，v7＝2 450m／s，v8＝2 600m／s，v9＝2 760 m／s。炮點(diǎn)置于地面處，檢波點(diǎn)位于接收井中，采用變偏VSP勘探方法，最小偏移距為50m，最大偏移距為1 600m。接收井為斜井，檢波器起始深度為80m，檢波器之間垂深為10m，共40道接收。建立模型時(shí)需考慮地層傾角，并且在波場(chǎng)對(duì)比時(shí)不斷調(diào)整速度與地層傾角變化，使得正演波場(chǎng)與實(shí)際記錄匹配。在交互分析的過程中，需要調(diào)整迭代調(diào)整速度與模型參數(shù)，需要花費(fèi)一定的時(shí)間。正演模型越準(zhǔn)確，成像的結(jié)果也越真實(shí)。使用交互式斜井VSP共反射點(diǎn)疊加成像方法對(duì)其研究，得到正演波場(chǎng)與實(shí)際地震勘探的共炮集地震波場(chǎng)對(duì)比圖（圖6（b））。通過交互式對(duì)比分析，調(diào)整地層速度與模型參數(shù)，正演的地震波場(chǎng)與實(shí)際波場(chǎng)信息十分吻合，然后采用共反射點(diǎn)疊加方法進(jìn)行成像研究，疊加面元為10 m，獲得如圖6（c）所示的疊加剖面。從疊加結(jié)果可以看出實(shí)際地層的結(jié)構(gòu)特征，說明共反射點(diǎn)疊加成像方法對(duì)斜井VSP成像具有較好效果，為進(jìn)一步地震資料解釋提供了依據(jù)。

圖5 共反射點(diǎn)疊加示意圖Fig.5 Common reflection point stack

4 結(jié)論

作者研究了斜井VSP共反射點(diǎn)疊加成像方法，在QT環(huán)境下，編制用戶操作界面，可以進(jìn)行交互式對(duì)比研究，使得計(jì)算方便簡(jiǎn)單并且準(zhǔn)確快速。利用所編制的軟件對(duì)理論模型以及實(shí)際資料進(jìn)行研究，結(jié)果充分說明作者所使用的交互式斜井VSP共反射點(diǎn)疊加成像方法，能夠準(zhǔn)確反映地下地層結(jié)構(gòu)信息，計(jì)算效率優(yōu)于其他方法，方便用戶使用，對(duì)斜井VSP成像研究具有深刻意義，在斜井VSP地震勘探開發(fā)領(lǐng)域中有非常好的應(yīng)用前景。

致謝：

長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院孫淵教授為本文的完成提供了大量有益的建議。西安石油大學(xué)李輝峰教授在實(shí)現(xiàn)該程序算法上提出寶貴的建議，在此感謝。

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圖6 W地區(qū)實(shí)際資料共反射點(diǎn)疊加Fig.6 Common reflection point stack in W area data

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Interactive stack imaging method of VSP common reflection point in deviated well

YANG Fei－long1，LIU Dong－ming2，QIN Min－jun2，SU Zhi－dong3
（1。College of the Geological Engineering and Geomatics，Chang'an University，Xi'an 710054，China；2.Production Logging Center，CNPC Logging，Xi＇an 710201，China；3.Well Logging Energy Technology（Xi＇an）CO.，LTD，Xi'an 710054，China）

Stack is one of the most important links in seismic data processing，which can suppress noise and improve the signal－to－noise ratio.The method of piecewise iteration algorithm is used for seismic wave forward，and calculating the positions of seismic wave reflection points.The velocity field model is built through comparing the forward records with the wave field characteristics of actual data on the interactive interface which is compiled in Qt.The common reflection point gathers are formed by moving the common shot point gathers data to the real location of reflection points，and stacking in a bin size.Interactive deviated well VSP common reflection point stack method is applied in imaging study of W area，the results are shown that this method can effectively inverse the underground geological structure characteristics，and provide accurate basis for seismic data processing and interpretation.

VSP；common reflection point stack；piecewise iteration；interactive interface；imaging

P 631.4

：ADOI：10.3969／j.issn.1001－1749.2015.06.10

1001－1749（2015）06－0728－07

2014－12－18改回日期：2015－06－02

十二五國家科技重大專項(xiàng)子課題（2011ZX05024－001－03）

楊飛龍（1988－），男，博士，主要從事地震波波場(chǎng)數(shù)值模擬方法及其應(yīng)用技術(shù)研究，E－mail：feilongyang2006＠126.com。