井驅地震速度模型修正技術及其在隨鉆驅動處理中的應用

孫甲慶 徐興榮 寇龍江 王 靖 劉金濤 李慧珍

(中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

隨鉆地震技術(Seismic while drilling，SWD)可提供井點附近局部油藏模型、隨鉆地震反演等信息，從而指導鉆井軌跡動態優化，具有精確、高效的特點[1]，近年來在油氣田開發中得到廣泛應用。

傳統意義上的隨鉆地震技術，最早可追溯到20世紀30年代，當時是用鉆頭作為震源信號研究地下信息，但由于鉆頭工藝的限制，一直未能取得期望的應用效果[2]。1997年，Schlumberger公司提出隨鉆VSP(Vertical seismic profile，垂直地震剖面)技術，采用與零井源距常規VSP類似的觀測系統：在地面設置震源，利用安裝于井下鉆具上的檢波器接收地面震源釋放的能量[3]。該技術巧妙地回避了鉆頭問題，具有實時測量且不損失鉆井時間等優點，但儀器穩定性受井況影響較大，且費用高昂，不利于規模化推廣應用[4]。

從單獨的隨鉆資料僅能得到井點附近的信息，而地下地質體的精確定位受淺層一定范圍內地層的共同影響。因此，將地面地震資料與隨鉆資料相結合，共同刻畫地下目標的空間展布，可得到更精確的結果[4]。2014年，塔里木油田舍棄成本高昂的常規隨鉆VSP實時采集，只在鉆進至目的層時采集一次常規零井源距VSP，利用獲取的速度信息和時深關系對地面地震速度場和各向異性參數進行修正，通過偏移成像得到更準確的地下信息，從而確定靶點位置，優化入靶軌跡。這樣既可大幅度降低成本，達到規模化應用的目的，又很好地利用了地面地震資料信息，對目標體精確定位。但該技術在具體應用中面臨諸多問題，其中最重要也最耗時的一環是隨鉆驅動處理，即用隨鉆VSP或測井得到的速度、深度等信息，動態更新地面地震深度偏移速度，并實時再處理，得到實時更新的成像結果。

隨鉆驅動處理既要做到精確成像，得到比常規疊前深度偏移更精確的地下地質體定位，又要兼顧時效性，盡量不額外占用鉆井時間，這就對現有的地震數據處理技術提出了更高的要求。

隨鉆驅動處理需要解決的最核心問題是如何利用隨鉆資料快捷修正地面地震速度模型。本文在分析現有井控速度建模技術的基礎上，提出適用于隨鉆驅動處理的井驅地震速度模型修正技術，在現有速度模型基礎上，綜合利用正鉆井已鉆地層的深度、速度信息，結合周圍已鉆井的測井及VSP資料，快速實現對速度模型和各向異性參數的修正，提高地震速度模型與井資料的匹配度，從而提高疊前深度偏移成像的精度。該方法的最大優勢是綜合利用已有地面地震速度和井信息，速度修正后不需對已鉆地層進行反復迭代，顯著節省了處理時間，滿足了隨鉆處理的要求。

1 問題分析

隨鉆驅動處理需解決的最重要問題是地震成像的精度和時效性。提高地震成像精度的前提是要提高地震成像速度的精度[5]。中國國內大多數油氣藏都處于深層高速區域，由于炮檢距和信噪比的限制，地震資料隨著深度和速度的增大，對速度的敏感性變差，再加上地震速度存在多解性，僅依賴地震資料難以得到目標靶點位置的精確速度。而為了提高成像精度，速度建模中引入測井等資料，利用多信息約束以達到速度精細化的目的，但目前對井資料的應用大多集中于構建初始速度模型方面，更新迭代過程還是依靠道集拉平與構造合理性判斷。該方法生成的速度模型精度仍受限于地震資料[6]。本文提出的速度模型修正方法，將井資料經過調整后用于層析迭代后速度模型的優化，可獲得更精確的地下速度。

之所以井速度(包括聲波速度和VSP速度)不能直接用于地震速度建模，一是因為測井資料的縱向分辨率雖然比地震資料高數十倍，而橫向上只能反映井點位置信息；二是因為測井資料在采集過程中使用的是高頻聲波，它與較低頻地震波在相速度上存在差異[7-8]。閉合差校正法是現有井震速度匹配方法中最簡單可行的一種，本文對該方法進行改進，以準確的時深關系為基準，利用每一地質分層聲波時差與同一界面時間域地震單程反射波旅行時之差進行校正，校正后的速度低頻趨勢與成像速度更吻合，但卻保留了比常規地震速度更豐富的局部信息。這樣就為用井速度優化地震速度模型提供了可靠的基礎和前提條件。

井資料只能提供井點附近準確的垂向速度，不能提供準確的橫向速度變化。實施隨鉆驅動處理的地區一般存在一套甚至幾套前期地震處理得到的成果資料，從這些成果資料可得知地層的橫向分布。但不同成果資料上的地層層位解釋可能彼此有差別，或與新鉆井所獲層位信息存在差異。本文以最新的地質認識為導向，綜合參考地震反射層位和地質層位，建立與最新鉆井信息相符合的構造地質模型。在此基礎上，利用基于射線追蹤的剩余走時層析技術，校正地震速度和各向異性參數體，得到更精確的地震速度模型。

校正后的地震速度模型主要層位與地質信息相符，但層內速度高頻信息欠豐富。利用校正后的井點速度增補速度模型高頻信息，優化地震速度體，從而達到提高地震成像精度的目的。

由于本文提出的速度模型修正技術是在前期疊前深度偏移速度模型基礎上的優化方法，它省去了速度重新建模的過程，修正后的速度不需對已鉆地層進行反復迭代，大幅度地提高了處理效率，因此所提方法完全滿足隨鉆處理對時效性的要求。

2 井驅地震速度模型修正技術

2.1 技術思路

基于前期地震疊前深度偏移速度模型，利用新獲得的鉆井信息、VSP地震信息，分別在縱向和橫向上修正地震模型，從而得到更精確的速度和各向異性參數體，具體實現步驟或流程(圖1)如下：

圖1 井驅地震速度模型修正技術綜合流程

(1)在井點位置利用鉆井信息、VSP測井信息、現有的地表地震速度模型信息進行高效而精確的井震速度匹配，使井點速度縱向趨勢與井信息一致；

(2)在井周圍三維空間內，利用新鉆井信息和地質認識建立新的地震構造模型，結合已有地面地震速度和各向異性參數體，通過保時層析技術進行模型校正，獲得新的速度模型及各向異性參數；

(3)利用融合后的井點速度對校正后的速度模型進行修正；

(4)通過網格層析更新各向異性參數δ、ε，進行最終各向異性疊前深度偏移。

2.2 井震速度匹配校正技術

井速度與地震速度的匹配是本文方法應用的前提。實測的聲波測井數據由于受到井徑擴張和泥漿侵蝕等因素的影響，導致原始的聲波測井數據含有大量的噪聲，需做相應預處理。常用的預處理為中值濾波，它既可消除測量誤差，也可實現對井速度的降頻處理[7-9]。一般認為VSP速度比聲波測井更接近地震速度，但其準確度依賴于VSP資料初至的拾取精度，故應用前需對VSP初至做嚴格質控。

預處理之后，需對井資料進行精細的井震標定，以建立正確的時深關系。

以時深關系為約束，對每一層的測井速度進行校正，得到與成像速度低頻趨勢相匹配的井點速度。實現方法如下：

(1)對于淺層、深層井速度缺失段，用地震速度進行拼接；

(2)計算每一分層聲波時差與相應地震層位時間厚度的差；

(3)計算每一分層井速度誤差因子；

(4)對誤差因子進行插值平滑；

(5)計算校正后的井點速度。

由圖2可見，測井速度校正后低頻趨勢與傳統各向異性建模速度相一致，但保留了更豐富的局部信息，這就為構建精細速度模型打下了基礎。

圖2 井震匹配后速度(紅)與井旁地震速度(藍)對比

2.3 井震約束地質構造模型建立及各向異性參數模型校正

因地震速度存在多解性，故利用地震資料得到的地下地質模型并不是唯一的。在建立構造模型過程中引入井資料和地質認識，將有利于得到更逼近真實構造形態的地質模型[10-14]。在油田滾動開發中，可不斷獲得新的井資料和地質認識，這些資料和認識可能與地震資料處理時有所差異，以新的地質認識為導向，綜合參考地震層位和地質層位，建立與新鉆井信息相符合的更新構造模型。

前期地面地震處理雖不能提供精確的速度模型，但可提供相對準確的成像速度信息，也就是說前期地震速度是真實速度的等效模型，因此速度更新可省去重新進行疊前深度偏移的時間，根據新的構造模型與前期地震處理構造模型的差異，采用基于射線追蹤的剩余走時層析技術修正速度及各向異性參數模型(圖3)。

圖3 校正前、后的地面地震速度與構造模型及δ參數與構造模型(a)、(b)為校正前、后的地面地震速度模型；(c)、(d)為校正前、后的δ參數模型

基于射線追蹤的剩余走時層析成像，或稱保時層析成像，主要是求解一系列大型超定方程組，這些線性方程可看作是一組線性約束[15]。在保時層析成像中有兩種類型的線性約束：①設定每一對追蹤射線為零旅行時誤差；②將模型誤差設定為任一層深度和各向異性速度參數誤差。解該線性方程組可得到一個同時滿足兩類約束的各向異性參數模型，包含速度、Thomsen參數及各層深度等[15]。

設t為射線旅行時，保時層析方程可寫成

基本實現步驟如下：

(1)獲取新構造模型與原構造模型中各地層的深度誤差；

(2)建立保時層析線性方程組；

(3)求解方程組，得到新的速度和各向異性參數模型。

2.4 垂向地震速度修正

新得到的各向異性速度模型主要層位與地質認識相符，但層內缺乏高頻信息，利用校正后的井速度增加速度模型高頻信息，可優化地震速度體，提高地震成像精度(圖4)。具體實現方法如下：

圖4 垂向地震速度修正前(a)、后(b)剖面及單點速度對比(c)

(1)求校正后井速度與井旁地震速度的比例因子；

(2)用新的構造模型約束進行比例因子的插值與外推，獲得比例因子數據體；

(3)從比例因子數據體獲得新的各向異性速度體。

2.5 各向異性參數優化及疊前深度偏移

利用上述方法求取的速度和各向異性參數一般可直接用于偏移，這樣該速度修正流程中只需做一遍各向異性疊前深度偏移，顯著節省了處理時間。

少數情況下各向異性參數可能存在一定的誤差，這主要是由前期地震速度建模誤差引起的。此時需對各向異性參數做一輪迭代優化。

根據弱各向異性的假設，δ的取值范圍一般在-0.2～0.2，且在同一地層中較穩定。根據上述條件對δ進行編輯優化，然后應用網格層析方法在保持速度不變的情況下進行一輪優化(圖4)。

對于另一各向異性參數V，可令ε=δ，獲得初始值，然后調整δ，使CRP道集遠道拉平。

利用通過本文建模方法獲得的速度和各向異性參數進行偏移，可得到更精確地下成像。

圖5 各向異性速度修正后(a)速度剖面與原速度剖面(b)對比

3 應用實例

中國西部盆地廣泛分布碳酸鹽巖，油氣資源豐富，其中復雜的斷溶型縫洞碳酸鹽巖是油氣勘探開發的主要目標之一，也是油田“十二·五”以來原油增儲上產的主要領域。但古生界縫洞型碳酸鹽巖儲層埋藏普遍較深(部分超過7000m)，斷溶體儲集空間小，非均質性極強，藏內油、氣、水分布規律復雜，鉆井過程中準確入靶的難度大、要求高。縫洞型儲層的開發尤其需要隨鉆地震技術，通過隨鉆約束處理得到更精準的靶點定位，提高鉆探成功率。在井資料較豐富的A區塊，利用本文提出的井驅地震速度修正技術，對工區現有地震速度及各向異性參數體進行修正，利用修正后的速度和各向異性體進行了克希霍夫疊前深度偏移。

實踐證明，井驅地震速度修正技術在不進行疊前深度偏移迭代的情況下，可高效地獲得更精確的速度模型及各向異性參數體。實例中更新井周圍36km2范圍內的模型，用時在12h以內，顯著縮減了數據處理時間，滿足了隨鉆地震的要求。

利用修正后的速度和各向異性參數場進行各向異性疊前深度偏移，得到的成像結果(圖6a)與原始各向異性疊前深度偏移(圖6b)相比，各個地質層位與測井資料吻合更好，且對本區勘探目標縫洞體而言，本文方法偏移成像結果較原成像位置有所變動(圖7)。最終利用該處理成果調整后的鉆井軌跡正中儲層中心，進一步驗證了本文方法的可靠性。

圖6 速度修正后疊前深度偏移剖面(a)與原疊前深度剖面(b)對比

圖7 速度修正后疊前深度偏移目標靶點成像位置(a)與原疊前深度偏移(b)對比

4 結論

目前地面地震速度建模方法在時效性和精度上都不能滿足隨鉆地震約束處理的要求，本文提出的井驅地震模型修正技術，充分利用了前期地面地震信息和新的鉆井信息，不需做疊前深度偏移迭代，直接修正現有速度和各向異性參數體，得到更精確的模型及成像結果，是一種更精確、高效的各向異性速度模型更新方法，滿足了隨鉆處理的需求。

(1)本文方法是在現有地面地震各向異性速度模型基礎上，利用新鉆井提供的已鉆地層速度、深度信息，不需疊前深度偏移迭代，直接快速實現速度模型和各向異性參數的修正，提高地震速度模型與井資料的匹配度，從而提高疊前深度偏移成像的精度。

(2)本文提出的井震速度匹配校正方法，以正確的時深關系為約束，對井速度進行適當校正，可得到與地震速度匹配且保留了比地震速度更豐富的局部信息。利用該校正后速度對現有速度模型進行修正可得到更精確的速度模型。此校正也可用于傳統的井控速度建模中，校正后的井速度與地震速度更匹配。

(3)本文提出的井驅速度模型修正方法已經在油田實際生產中得到了應用，利用此修正后的精確速度模型和對應的各向異性參數進行疊前深度偏移，得到成像結果與測井數據的吻合度更高，成像位置更精確。