復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法

侯愛源 李慶忠 張文波

(①中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島 266100; ②東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心,河北涿州 072750)

·處理技術(shù)·

復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法

侯愛源*①李慶忠①張文波②

(①中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島 266100; ②東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心,河北涿州 072750)

針對中國西部山前帶地區(qū)疊前深度偏移速度場尤其是深層速度場難以確定的難題，提出了一種復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法。該方法以零井源距VSP速度作為相對穩(wěn)定值填充井徑附近速度網(wǎng)格，并通過零井源距VSP速度加權(quán)外推建立初始速度模型，同時還給出了一種基于置信度和射線長度的VSP初至旅行時雙加權(quán)層析反演的算法，通過模型試算驗證了方法的有效性。

復(fù)雜區(qū) VSP 初至旅行時 雙加權(quán)層析 深層速度場

1 引言

前陸盆地是我國西部最重要的油氣勘探領(lǐng)域，其中大部分油氣聚集在山前沖斷帶，但是，這些地區(qū)普遍存在地下構(gòu)造復(fù)雜、地層傾角大、縱橫向速度變化劇烈的問題，地震數(shù)據(jù)疊前深度偏移成像結(jié)果精度低，造成了某些勘探的失利[1，2]。李慶忠[1]認為中國西部山前沖斷帶地區(qū)的疊前深度偏移難以取得成效的關(guān)鍵是速度場很難確定，主要原因是：①中國西部地區(qū)干旱山體低降速帶非常厚，可達500～1200m；②山前沖斷帶地區(qū)幾乎找不到連續(xù)的折射層，因此通過小折射或大炮初至無法求準淺層速度場[3-13]；③打深井做微測井求表層速度不僅代價很大，而且求出的表層速度未必精確；④由于山區(qū)地面地震反射數(shù)據(jù)的信噪比很低，疊加速度精度低[1]；⑤普通地面地震層析方法需要地面檢波器能接收到來自地下深層的回折波，但在山前沖斷帶地面檢波器接收不到回折波。

王衛(wèi)華[2]從山地資料的橫向速度變化角度分析了山地地震勘探失敗的原因是水平層狀介質(zhì)的假設(shè)與山地的實際情況相差懸殊。王華忠等[14]認為起伏地表情況下的復(fù)雜構(gòu)造準確成像的關(guān)鍵在于建立準確的偏移速度模型，在速度準確的情況下，可以對信噪比很低的地震數(shù)據(jù)進行準確成像。山前沖斷帶地震成像的關(guān)鍵是如何根據(jù)低信噪比和大道間時差的地震數(shù)據(jù)求取準確的速度模型。

對于地面地震的深層速度求取，常規(guī)的偏移速度分析方法不適用于山前沖斷帶這種復(fù)雜和橫向速度劇烈變化的地區(qū)，而使用反射波旅行時做層析反演效果較好[15，16]。反射波旅行時層析反演[15-18]是基于地震反射數(shù)據(jù)CIP道集、角道集的剩余深度或剩余曲率對速度場進行更新的，但是當(dāng)反射數(shù)據(jù)的信噪比很低時，無法使用反射波的旅行時做層析反演。在中國西部復(fù)雜山地地區(qū)，大部分地面地震的反射數(shù)據(jù)信噪比很低，地面地震的層析成像無法求取深層速度場。

針對這一問題，本文提出了一種復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法，以解決疊前深度偏移速度場求取的問題，通過模型試算驗證該方法的有效性。

2 方法原理

復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法的思路是：①在復(fù)雜山區(qū)將多級井下三分量檢波器下到幾口井的不同深度，推靠在井壁上； 在井口安置GPS授時無人值守地震儀，全天候接收地震記錄；在山上用小藥量多炮激發(fā)，接收直達初至波，然后根據(jù)井下三分量檢波器接收的直達初至波旅行時，采用層析的方法反演山體的速度場；②用類似于二維VSP(即Walkaway VSP[19])或三維VSP的勘探方式，在多口井的井下放置多級井下三分量檢波器接收VSP的直達波，用層析方法反演深層的速度場。

復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法包括初始速度模型建立方法和VSP初至旅行時雙加權(quán)層析反演方法兩部分內(nèi)容。

2.1 初始速度模型建立

初始速度模型是復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場方法的關(guān)鍵因素，直接影響反演結(jié)果的質(zhì)量。初始速度模型應(yīng)盡可能地接近地下的真實速度模型。本文結(jié)合VSP數(shù)據(jù)的特點，在復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場反演建立初始速度模型過程中，為了使建立的模型盡可能接近真實的模型，采取以下四項策略：

(1)利用已知的構(gòu)造信息。層析反演初始速度模型必須盡量接近真實速度模型，否則，反演的結(jié)果往往是不正確的。因此在建立初始速度模型時，應(yīng)充分利用研究區(qū)已知的構(gòu)造信息。

(2)把零井源距VSP反演所求的層速度[20]當(dāng)作相對穩(wěn)定值。對于VSP觀測，由于接收點深度已知，所以，由零井源距VSP初至?xí)r間反演的井口附近的層速度比較可靠。因此，在建立初始速度模型時，井徑上模型網(wǎng)格的速度直接由零井源距VSP反演所求的層速度填充。

(3)對井徑附近的初始速度進行加權(quán)外推。由于井徑附近網(wǎng)格層速度的置信度很高，在井徑附近網(wǎng)格點上給定一個速度的加權(quán)外推距離，在該外推距離內(nèi)，網(wǎng)格的速度等于模型已建立的初始速度與乘以不同權(quán)系數(shù)的零井源距VSP層速度之和，離井口越近權(quán)系數(shù)越大，把加權(quán)外推后的速度作為新的初始速度模型，用于深井VSP層析速度反演。

(4)模型的分層加細。為了防止射線方向扭曲及網(wǎng)格射線空缺，模型的分層厚度不能太大，要盡量接近實際。針對這一問題，采用如下解決辦法：第一，增加模型層數(shù)。在原來速度模型的每個層內(nèi)，增加2～3個小層。在給定每個小層的速度時，使多個小層的平均速度與原來大層的速度大致相等；第二，對速度模型進行平滑處理。為了提高射線分布的均勻性，減小速度突變引起的射線空白區(qū)，對速度模型進行平滑。

2.2 VSP初至旅行時雙加權(quán)層析反演

通常情況下，利用零井源距VSP數(shù)據(jù)可以得到比較可信的井旁速度[20]。對于VSP初至旅行時層析反演，如果只是根據(jù)射線長度分配走時誤差，可能會降低VSP井旁速度的可靠性。因此，本文引入速度網(wǎng)格“置信度”的概念，在深井VSP層析速度反演中建立置信度場。速度網(wǎng)格的置信度是指在VSP井徑附近的速度是由零井源距VSP初至?xí)r間反演得到的，其初始速度模型的置信度非常高，在VSP初至旅行時層析反演中應(yīng)該賦予很高的置信度，僅允許被微小地修改，而遠離井徑的速度可信程度則下降。圖1為置信度場。為此，提出了VSP初至旅行時雙加權(quán)層析反演算法，該算法有兩個關(guān)鍵點。

圖1 置信度場

(1)在修改網(wǎng)格的慢度時，使走時誤差分配的權(quán)系數(shù)正比于穿過當(dāng)前網(wǎng)格的射線長度，反比于該網(wǎng)格的置信度。那么，對于有J個網(wǎng)格的速度模型，如果有I條射線，則第j個網(wǎng)格的慢度修正公式為

(1)

(2)射線排序。在迭代計算過程中，遵循“先淺后深，先小井源距后大井源距”的計算順序。為此，對VSP直達波的射線先按照檢波器深度從淺到深、再按照井源距從小到大的順序進行排序后做慢度修正。

3 模型試算

3.1 窟窿山二維速度模型試算

圖2是窟窿山二維速度模型及VSP觀測系統(tǒng)。A井Walkaway VSP的激發(fā)點距為100m，總炮數(shù)為101炮，接收點深度為500～5850m，接收點距為25m，總接收點道數(shù)為215道。

對圖2a的真實模型進行局部平滑(51×51點的平面平滑)，加上常速擾動(-500m/s)，再利用零井源距VSP井旁速度對初始速度模型加權(quán)外推作為初始速度模型(圖2b)。在反演迭代過程中，對速度模型進行局部平滑(3×3點的十字平滑)。圖3為窟窿山二維真實速度模型與反演速度模型的對比。可以看出，反演速度模型很接近真實速度模型，且反演得到了深層的速度。圖4為窟窿山二維速度誤差對比。從初始速度誤差(圖4左)與反演速度誤差(圖4右)的對比可以看出，反演后的淺、中、深層速度誤差比初始速度誤差減小很多。

圖2 窟窿山二維速度模型及VSP觀測系統(tǒng)示意圖

窟窿山二維模型的試算結(jié)果表明，本文方法可以比較準確地反演復(fù)雜區(qū)地下深層的速度。

3.2 卻勒二維模型試算

圖5為卻勒二維速度模型及VSP觀測系統(tǒng)示意圖。可以看出，卻勒二維速度模型在B井附近有一套與周圍速度反差很大的地層(圖5a橢圓內(nèi))。

B井Walkaway VSP的激發(fā)點間距為100m，總炮數(shù)為101炮，接收點間距為25m，接收道數(shù)為255道。在建立初始速度模型時，對真實模型(圖5a)進行51點大尺度十字平滑，加上-500m/s的速度擾動，再用零井源距VSP井旁速度進行加權(quán)外推得到的速度模型作為初始速度模型(圖5b)。圖6為卻勒二維真實速度模型與反演速度模型的對比。可以看出，本方法反演出了B井附近速度反差大的層(與圖5a橢圓內(nèi)速度接近)。圖7為卻勒二維初始速度誤差與反演速度誤差的對比。由圖7右可見，淺、中、深層的反演速度誤差比初始速度誤差減小很多。

卻勒二維速度模型的反演結(jié)果表明：本文方法不僅能比較準確反演復(fù)雜地區(qū)的深層速度而且能反演速度反差大的地下深層速度。

圖3 窟窿山二維真實速度模型(左)與反演速度模型(右)的對比

圖4 窟窿山二維初始速度誤差(左)與反演速度誤差(右)的對比

圖5 卻勒二維速度模型及VSP觀測系統(tǒng)示意圖

圖6 卻勒二維真實速度模型(左)與反演速度模型(右)對比

圖7 卻勒二維初始速度誤差(左)與反演速度誤差(右)對比

4 結(jié)論

(1)利用已知的構(gòu)造信息，零井源距VSP井旁速度作為相對穩(wěn)定值填充井徑附近速度網(wǎng)格，零井源距VSP井旁速度加權(quán)外推及模型分層細化可建立更接近實際速度模型的初始速度模型；

(2)基于置信度和射線長度的VSP初至旅行時雙加權(quán)層析反演算法以及射線排序可使層析反演的速度模型修正更合理；

(3)兩個復(fù)雜區(qū)模型的試算結(jié)果表明本文方法的有效性及適用性。

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*山東省青島市嶗山區(qū)松嶺路238號中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，266100。Email:houaiyuan@cnpc.com.cn

本文于2017年2月24日收到，最終修改稿于同年8月25日收到。

1000-7210(2017)06-1150-06

侯愛源，李慶忠，張文波.復(fù)雜區(qū)深井VSP層析求速度場的方法.石油地球物理勘探，2017,52(6):1150-1155.

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.004

(本文編輯：金文昱)

侯愛源 教授級高級工程師，1966年生； 1985年畢業(yè)于華東石油學(xué)院物探專業(yè); 1998年畢業(yè)于成都理工學(xué)院數(shù)學(xué)地質(zhì)專業(yè)，獲碩士學(xué)位。現(xiàn)在中國石油集團東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心從事VSP方法研究。