利用VSP多波資料預測地層深度及油氣屬性

蔡志東 ，李 青 ，王 沖 ，王 勇 ，范 樺

（1.中國地質(zhì)大學（北京）地球物理與信息技術(shù)學院，北京100083；2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新興物探開發(fā)處，河北涿州072751；3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000；4.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院，河北涿州072751）

0 引言

近年來，隨著井中地震采集裝備和處理解釋技術(shù)的不斷進步，VSP方法及其應用研究在很多方面都取得了較大進展，然而VSP在鉆前預測方面的技術(shù)卻發(fā)展緩慢，目前仍主要沿用朱光明［1］介紹的鉆前深度預測方法。即對VSP數(shù)據(jù)進行垂直地震動校正（NMO）處理，然后識別目的層的縱波反射同相軸，并擬合出一條直線，該直線與初至波（下行縱波）的延長線相交于一點，計算出交會點所對應的地層深度即得到預測結(jié)果，后有學者對該方法進行了一定的算法優(yōu)化［2］。這種地層深度預測方法多年來在地球物理勘探領域被廣泛應用，并解決了許多在油氣勘探和開發(fā)過程中地層深度預測的問題［3］，然而該方法也存在一定不足：一是該方法僅利用上、下行縱波進行曲線交匯確定地層深度，所使用的VSP波場信息較少，易受外界因素影響，預測結(jié)果不確定性較大；二是該方法僅利用了VSP諸多波場中的上行縱波和下行縱波信息，擬合方法為一次曲線擬合，且追蹤結(jié)果為2條曲線單一交會點的位置，對于一些復雜構(gòu)造地區(qū)，如果過井地層的傾角較大，則在VSP剖面中下行縱波和上行縱波的夾角較小，這種情況下難以確定交會點深度，預測精度進一步降低。

針對傳統(tǒng)方法預測誤差較大的問題，提出一種利用VSP多波資料進行地層深度及油氣屬性預測的新方法。該方法綜合運用了VSP多種地震波場信息來進行鉆前地層深度預測，預測結(jié)果主要應用于指導鉆井工程作業(yè)、井旁精細構(gòu)造研究等，同時也是鉆前儲集層屬性、地層壓力等研究的基礎［4-6］。目標地層的多波油氣屬性特征分析結(jié)果，還可以用于油氣豐度評估、儲量研究等方面［7-8］，可為油氣精細勘探開發(fā)提供支持。目前該方法已應用于塔里木盆地、渤海灣盆地、阿姆河右岸等地區(qū)的多個鉆前地層預測項目，為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和油氣屬性研究提供了有力支持。

1 鉆前地層深度預測

1.1 VSP多波類型

VSP數(shù)據(jù)波場信息非常豐富［4］，總體上，VSP多波可以分為縱波、橫波兩大類：縱波主要包括下行縱波（P）和上行縱波（PP），少數(shù)剖面中可見橫波的上行轉(zhuǎn)換縱波（PsP）；橫波主要包括下行橫波（S）、下行轉(zhuǎn)換橫波（Ps）、上行轉(zhuǎn)換橫波（PPs）和上行反射橫波（SS，PsPs）等（圖 1）。

圖1 VSP剖面中的多波類型Fig.1 Multi-wave classification of VSPdata

1.2 VSP多波分組

在同一地層界面上，將反射點或轉(zhuǎn)換點位置相同的多波劃分為一組，以保證時距曲線追蹤時收斂至目標交匯點，本次研究將用到的多波分為2組：第一組為P波、PP波和PPs波；第二組為S波、Ps波、PsPs波和PsP波。在考慮多次波的情況下，可以有更多的分組（表1）。

1.3 時距曲線追蹤

時距曲線追蹤是準確進行地層深度預測的一個關鍵環(huán)節(jié)，通過對多波類型進行篩選，在VSP波場中拾取每種多波所對應的時距曲線，進而利用函數(shù)擬合這些離散數(shù)據(jù)。擬合過程中須注意以下2點：一是統(tǒng)計數(shù)據(jù)長度的選擇須在保證樣本數(shù)量的前提下，盡可能選擇井底的一段數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)；二是選擇合適的函數(shù)擬合方法，由于地層巖性變化和沉積、成巖作用的存在，垂向地層速度總在變化，傳統(tǒng)的直接擬合方式不適合精細的時距曲線擬合，經(jīng)過理論分析和實際生產(chǎn)試驗，本次研究棄用了傳統(tǒng)的直線擬合方式，而是利用二次函數(shù)擬合來追蹤時距曲線。

表1 VSP多波分組Table 1 VSPmulti-wave in groups

1.4 求解預測深度

首先將第一組多波擬合的二次函數(shù)組成下式，以求解預測結(jié)果

式中：Y為地層深度，m；X為縱波的傳播時間，ms；ap，app，apps，bp，bpp，bpps，cp，cpp，cpps為各方程的系數(shù)，其下標指示了多波類型，所有系數(shù)均可利用曲線擬合而得到。

計算出該超定方程的最小二乘解Xp和Yp，得到第一組多波的預測時間和預測深度（圖2）。

采用相同的算法，求解第二組多波方程組

式中：as，aps，apsps，apsp，bs，bps，bpsps，bpps，cs，cps，cpsps，cpsp為各方程的系數(shù)，計算出該超定方程的最小二乘解Xs和Ys，得到第二組多波的預測時間和預測深度。如果多次波較為發(fā)育時，可以采用相同的算法得到更多的預測結(jié)果 Xm1，Ym1，Xm2，Ym2，…。最后，對每組多波計算的預測深度加權(quán)求平均計算，以進一步提高預測精度。

式中：Yf為最終預測深度，m；i∈［1，n］為多次波的分組數(shù)；Δi為小于1的經(jīng)驗權(quán)系數(shù)。

圖2 時距曲線追蹤和交匯示意圖Fig.2 Time-distance curves tracing and convergence

實際應用中，多次波參與計算情況較少涉及，僅個別數(shù)據(jù)中多波不發(fā)育但多次波較發(fā)育時，才須

由于VSP具有明確的時間-深度關系，因此在國內(nèi)油氣勘探領域被廣泛應用于地面地震層位標定、測井數(shù)據(jù)對比分析中。部分情況下，除對鉆前深度預測外，還要對鉆前地震傳播時間進行預測，此時的預測時間Xf與預測深度Yf的計算方法類似，但由于縱、橫波傳播時間不同，因此不能直接利用式（3），須要首先進行時深轉(zhuǎn)換［8］，再進行統(tǒng)計平均求解，如下式所示

式中：Xf為最終預測縱波時間，ms；f（x）為縱、橫波時間轉(zhuǎn)換函數(shù)；i∈［1，n1］為縱波多次波的分組數(shù)；k∈［1，n2］為縱波多次波的分組數(shù)；Δi和 Δk分別為縱、橫多次波的經(jīng)驗權(quán)系數(shù)。

2 VSP多波深度預測應用

近年來，VSP多波鉆前地層深度預測方法在國、內(nèi)外多個探區(qū)VSP勘探中進行了應用試驗，本次研究以塔里木盆地庫車地區(qū)A井為實例分析了VSP多波深度預測的應用效果。

2.1 研究井區(qū)地質(zhì)概況

A井位于塔里木盆地庫車前陸沖斷帶的克深構(gòu)造帶上，該區(qū)蘊藏著巨大的油氣資源，是我國重要的油氣勘探開發(fā)領域，然而該地區(qū)的地表和地下結(jié)構(gòu)復雜，油氣勘探開發(fā)難度較大［9-10］，儲集類型多為裂縫-孔隙型，且以剩余原生粒間孔和溶蝕孔為主［11］。該地區(qū)庫姆格列木群膏鹽巖受構(gòu)造擠壓變形嚴重，空間分布不規(guī)則，因此地層速度變化劇烈，從以往的地震勘探成果來看，多期次二維地震和三維地震均構(gòu)造差異很大，地層深度預測難度較大［12-15］。

2.2 VSP多波觀測方式及初步預測

本次研究是將檢波器放置在20～5 300 m的井段來記錄地震數(shù)據(jù)，每兩級檢波器的間隔為20 m，地表采用零井源距激發(fā)方式，采集得到了品質(zhì)較高的VSP數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)中縱、橫波信息清晰完整，具備較好的數(shù)據(jù)研究基礎。為了對目標地層深度進行預測，首先嘗試進行傾斜地層VSP多波成像（圖3），由圖3可看出，縱、橫波均有一定的成像范圍，且波組特征較好，但由于庫姆格列木組泥巖底（T7反射層位）附近地層傾角存在一定差異，且成像寬度較小，所以根據(jù)多波成像結(jié)果進行深度預測，精度難以得到保證。

2.3 VSP多波深度預測

為了獲得準確的預測精度，利用VSP多波預測方法進行深度預測。圖4為VSP多波地層深度預測示意圖，該圖由PP波剖面和Ps波剖面拼合而來，2個剖面均經(jīng)過波場分離等處理過程，僅保留了PP和Ps這2種波場，“0”時刻所對應的是2個剖面沿初至時間（首波的到達時間）拉平后的P波（初至波）所在位置。在A井的深度預測中使用了3種波場，分別為P波、PP波、PPs波，形成2個交會點，預測深度如表2所列。

2.4 預測精度分析

圖4 A井VSP多波交會預測Fig.4 Depth prediction of VSPmulti-waveof well A

表2 A井多波地層深度預測結(jié)果Table 2 Depth prediction result of VSPmulti-wave of well A

A井已鉆井深度為5 300 m，如果采用傳統(tǒng)的僅用上、下行縱波進行交會深度預測的方法，即僅利用P波與PP波進行預測，對于T7反射層絕對誤差為-36 m，相對誤差為-7.06%；采用VSP多波交會法預測時，絕對誤差為-6.5 m，相對誤差為-1.27%。相比之下，采用VSP多波預測方法所獲得的預測結(jié)果在精度上提高了約5倍多。對于第二預測深度T6反射層位，距離井底較近，傳統(tǒng)計算方法受到的影響較小，此時的預測結(jié)果是可以接受的。由于該地區(qū)T7及以上地層傾角較大，因此在VSP波場上P波與PP波同相軸夾角較小，導致了傳統(tǒng)預測方法的不確定性；同時，在這些大傾角地區(qū)Ps波比較發(fā)育，且在剖面中P波與Ps波夾角較大，故利用VSP多波預測方法預測效果明顯。

3 VSP多波油氣屬性識別與預測

以2014年準噶爾盆地西北緣地區(qū)B井為例，分析基于VSP多波信息進行油氣屬性預測的應用效果。

3.1 研究井區(qū)地質(zhì)概況

B井位于準噶爾盆地瑪湖凹陷，是準噶爾盆地勘探熱點地區(qū)之一［16］，主要勘探目標為三疊系百口泉組［17］和下烏爾禾組［18］，是普遍認可的源外優(yōu)質(zhì)輕質(zhì)油藏儲層［19］。由于百口泉組儲層具有典型的低孔、低滲砂礫巖特征，局部發(fā)育“甜點”儲層，并且“甜點”區(qū)與周邊地層地球物理響應差異小，導致地震預測難度較大［20-22］。

3.2 VSP多波油氣屬性預測

通過對B井縱、橫波VSP數(shù)據(jù)的處理，得到上行縱波剖面和上行橫波剖面，將2個剖面進行首波拉平并拼合，得到多波交會預測圖（圖5）。時間“0 ms”為井筒所在位置，亦為下行P波和下行S波所在位置，因此該拼合剖面相當于P，PP，S，SS這4種波場的交會。由于B井使用了橫波震源采集，因此可以得到純橫波（S波）及其上行波（SS波），這與A井所討論的多波的波場類型不同。

通過圖5中的波場對比可知，多數(shù)地層的縱橫波對應關系良好，但部分位置存在著振幅強弱的差異。在圖中箭頭所示的位置，上行縱波剖面上沒有明顯的反射軸特征，但上行橫波剖面中卻存在著強反射同相軸，這些對比差異為多波油氣屬性預測提供了充分的依據(jù)。

圖5 B井多波交會預測Fig.5 Prediction of VSPmulti-wave of well B

3.3 預測效果分析

三疊系百口泉組二段巖性圈閉是準噶爾盆地西北緣地區(qū)重要的油氣儲集層段，對比可知，B井所發(fā)現(xiàn)的縱橫波異常特征深度位置與該層段相吻合，在圖6所示的均方根振幅屬性剖面上該異常表現(xiàn)得更加清晰，這符合了縱波油氣響應敏感、橫波反應骨架結(jié)構(gòu)的區(qū)域儲層特征［23-24］，因此確定該層段為有利儲層，實鉆結(jié)果表明，B井百口泉組二段厚度為70 m，以綠灰色砂礫巖為主，后續(xù)試油證實該段為含油儲層。

圖6 B井均方根振幅屬性Fig.6 RMSamplitudeattributesof well B

4 結(jié)論

（1）VSP多波預測方法采用多種波場，有效降低了地層識別的不確定性，同時引入了加權(quán)平均統(tǒng)計計算方法，預測精度得到進一步提升。

（2）傳統(tǒng)方法的預測精度隨著預測距離增大而顯著降低，采用多波預測方法時，預測精度隨著預測距離增大降速變緩。

（3）VSP多波預測方法可提升絕大多數(shù)試驗項目的預測效果，且對大傾角地層等復雜構(gòu)造地區(qū)尤其適用。

致謝：對于塔里木油田分公司潘陽勇，新疆油田公司王玉偉，東方地球物理公司張慶紅、王艷華、付京會等給予的幫助，在此表示感謝。