（地球探测与信息技术专业论文）井地联合反演方法研究.pdf

井地联合反演方法研究 谢万学( 地球探测与信息技术) 指导教师：王永刚教授 确要 地球物理反演的核心问题是如何根据地面上的观测信号推测地层 内部与信号有关部位的物理参数。随着勘探的不断深入，多资料联合反 演成为当今地球物理资料反演的总趋势。它与单一的反演方法相比有两 大优势：有更高的分辨率；能较好地解决反演的非唯一性问题。井间与 地面地震数据的联合反演，就是指利用井间地震资料( 或v s p 资料、时 移井中地球物理资料等) 和地面地震资料，以已知地质规律和钻井、测 井资料为约束，进而对地下岩层空间结构和物理性质进行求解。 依据数学算法的不同，反演算法可分为线性反演和非线性反演。由 于地震反演问题通常都是强烈非线性的，目标函数有多个极小值，因而 以求导为手段的线性优化方法常常限入局部极小值而无法达到全局最优 解。必须采用全局最优化算法才能有效地解决非线性反演问题，提高反 演结果的可靠性。 文中较全面地讨论了地球物理资料匹配校正、子波提取、初始模型 建立以及波阻抗反演的原理，这些步骤是井地联合反演的基础。井地联 合反演采用基于模型的波阻抗反演方法，它结合测井资料分别反演出地 面地震波阻抗和井间地震波阻抗，然后从已反演的井间地震及地面地震 波阻抗中抽取出虚拟井数据，综合实际测井数据，建立二维或三维初始 地质模型，接着采用模拟退火法与共轭梯度法相组合的混合优化算法进 行波阻抗迭代计算，最终输出的高分辨率波阻抗模型便是井地联合反演 的结果。虚拟井技术是联系高分辨率井问地震资料和较低分辨率地面地 震资料的桥梁，可以有效解决单纯地面地震资料中因测井点分布不均而 造成插值建模精度不高的问题。 关键词：联合反演，井间地震，非线性全局优化算法，匹配校正，子波 提取，模型建立，虚拟井 r e s e a r c ho f j o i n ti n v e r s i o nm e t h o d sf o rc r o s s w e l la n d s u r f a c es e i s m i cd a t a ew a n x u e ( t e c h n o l o g yo fg e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g y o n g - g a n g a b s t r a c t t h ek e yp r o b l e mo fg e o p h y s i c a li n v e r s i o ni sh o wt o p r e d i c tt h e p h y s i c a lp a r a m e t e r sw h i c ha r er e l a t e dw i t hs u r f a c eo b s e r v a t i o ns i g n a l j o i n t i n v e r s i o no fm u l t id a t ai st h eg r o s st e n d e n c yo fg e o p h y s i c a li n v e r s i o ni n k e e p i n gw i t hd e v e l o p i n go fe x p l o r a t i o n i th a st w oa d v a n t a g e sb yc o n t r a s t w i t ht h es i n g l ei n v e r s i o n ：h i g h e rr e s o l u t i o na n dl e s sn o n u n i q u e n e s s t h i s j o i n ti n v e r s i o ni st oc o m b i n ec r o s s w e l l ( o rv s pd a t a ，b o r e h n l eg e o p h y s i c a l d a t a ，e t c ) a n ds u r f a c es e i s m i cd a t a t os o l v et h er o c kf o r m a t i o ns p a t i a l s t r u c t u r ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sw i t ht h e g e o l o g i c a l ，d r i l l i n g ，a n dw e l l l o g g i n gr e g u l a r i t y i n v e r s i o n a l g o r i t h m s c a nb ec l a s s i f i e di n t ol i n e a ra n dn o n l i n e a r a l g o r i t h m s t h es e i s m i ci n v e r s i o np r o b l e mi su s u a l l yv e h e m e n t l yn o n l i n e a r a n dh a sm u l t im i n i m u ms o l u t i o n s s ot h el i n e a ra l g o r i t h mb a s e do nm e t h o d o fd e r i v a t i o ni sg e n e r a l l yt r a p p e di n t ol o c a lm i n i m u ms o l u t i o n sa n dc a n tg e t t ot h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o n w em u s ta d o p tt h eg l o b a lo p t i m u ma l g o r i t h m t or e s o l v et h en o n l i n e a ri n v e r s i o np r o b l e m se f f i c i e n t l ya n de n h a n c et h e r e l i a b i l i t yo f i n v e r s i o nr e s u l t s t h e p a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e so fm a t c h i n ga n dc a l i b r a t i o no fs e i s m i c a n dl o g g i n gd a t a ，w a v e l e te x t r a c t i o n ，i n i t i a lm o d e le s t a b l i s h m e n t ，a n d i m p e d a n c ei n v e r s i o nc o m p r e h e n s i v e l y , w h i c ha r et h ef a n d a m e n to fj o i n t i n v e r s i o no fc r o s s w e l la n ds u r f a c es e i s m i cd a t a t h i sj o i n ti n v e r s i o nu s e st h e i m p e d a n c ei n v e r s i o nb a s e do nm o d e l i n gm e t h o d f i r s t l y , w ei n t e g r a t et h e 1 1 1 w e l ll o g g i n gd a t at oi n v e r s et h ei m p e d a n c eo fs u r f a c es e i s m i cd a t aa n d c r o s s w e l ls e i s m i cd a t as e p a r a t e l y , a n dt h e ne x t r a c tp s e u d ow e l l sf r o mt h e i m p e d a n c ei n v e r s i o nr e s u l t so fc r o s s - w e l ld a t a s e c o n d l y , w ec o m b i n et h e p s e u d ow e l l sa n dv i r t u a lw e l l st o g e t h e rt oe s t a b l i s ht h e2 do r3 dg e o l o g i c s t r u c t u r em o d e l ，a n dt h e ni n v e r s et h el o w e rb a n di m p e d a n c ea n dr e l a t i v e i m p e d a n c es e p a r a t e l y f i n a l l y , w em e r g et h et w oi m p e d a n c e sa b o v et o g e t h e r a n dg e n e r a t et h eu l t i m a t eh i g hr e s o l u t i o ni m p e d a n c em o d e lw h i c hi st h e r e s u l to f t h ej o i n ti n v e r s i o n ， t h et e c h n i q u eo fp s e u d ow e l l si st h eb r i d g et r l l s so fc o r r e l a t i n gt h e c r o s s w e l ld a t ao fh i g h e rr e s o l u t i o na n dt h es u r f a c es e i s m i cd a t ao fl o w e r r e s o l u t i o n i tc a nr e s o l v et h ep r o b l e mt h a th o wt oi m p r o v et h el o w e ra c c u r a c y o fm o d e lb u i l d i n ga n di n t e r p o l a t i n gb e e a n s eo ft h e u n h o m o g e n e o u s d i s t r i b u t i o no f v i r t u a lw e l l si no n l ys u r f a c es e i s m i cd a t ac o n d i t i o n k e yw o r d s ：j o i n ti n v e r s i o n ，c r o s s w e l ls e i s m i c ，n o n l i n e a rg l o b a lo p t i m a l a l g o r i t h m ，m a t c h i n ga n dc a l i b r a t i o n ，w a v e l e te x t r a c t i o n ，m o d e le s t a b l i s h m e n t ，p s e u d ow e l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：邋丕婆玖，。石年岁月3 p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：邋丕望6 年 月3 。日 导师签名： 渔幽 加么年扩月弓。日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 1 选题背景 第1 章前言 本论文题目为“井地联合反演方法研究”。 地球物理反演是在地球物理学中利用地球表面观测到的物理现象推 测地球内部介质物理状态的空间变化及物性结构的一个分支。其核心问 题是如何根据地面上的观测信号推测地球内部与信号有关部位的物理状 态，如物理性质、受力状态或热流密度分布等，这些问题就构成了地球 物理反演的独特研究对象【l 】。 地球物理反演可分为单一地球物理现象的反演和多种地球物理现象 的联合反演1 2 1 ( 杨文采，1 9 9 6 ) 。在当今地球科学大发展的新时代，地球 物理学对确定新的地球观提供了重要的证据，起了十分重要的作用。而 在寻找有用矿产( 如石油、天然气及各种金属和非金属矿) 、使之为人类服 务方面，地球物理勘探又战功显赫。在这两方面地球物理反演理论都做 出了不朽的功绩。然而，随着勘探的不断深入，待解决问题更加复杂， 单一物探方法的反演工作已不完全适应新形势的要求，联合反演己迫在 眉睫。把单一地球物理资料的反演变为反映各种不同地球物理场或地球 物理资料的联合反演，是当今地球物理资料反演的总趋势，也是技术发 展的必然例( 王家映，1 9 9 8 ) 。 所谓联合反演，就是在地球物理反演时联合应用多种地球物理观测 数据，通过地质体的岩石物性和几何参数之间的相互关系求得同一个地 下地质、地球物理模型。由于我们要推测的具体地质模型应该是唯一的， 它必须和地表观测到的所有物理现象保持一致，即各种地球物理数据共 同反映的介质参数，如界面深度、起伏等，都应受到各种地球物理数据 的共同制约，从而使反演问题的非唯一性得到了一定的限制。因此，联 合反演是地球物理数据分析的最理想工具，也越来越受到人们的重视【4 j 。 石油地球物理勘探发展的一个重要方向，就是开展综合地球物理研 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 究。地球物理反演问题的多解性，单一地球物理方法解决地质问题的局 限性，以及地质、地球物理条件的复杂多样性，都决定了油气勘探必须 在先进的地质理论指导下走综合勘探之路【5 】。只有这样，才能充分发挥 各种地球物理方法的优势和特长，高效率、高效益地评价含油气沉积盆 地，加快石油勘探步伐。因此，联合反演方法与任何单一的地球物理方 法相比，有两大优势：( 1 ) 有更高的分辨率；( 2 ) 能较好地解决反演 问题的非唯一性问题。 1 2 研究意义 在开展并地联合反演方法研究之前，首先应该明确并地联合反演的 研究范畴。井地联合反演中的“地”指的是地面地震资料，尤其感兴趣 的是高精度三维地面地震资料；井地联合反演中的“井”指的是井中地 球物理资料，包括井间地震资料、v s p 资料、井中电磁资料、井中微震 资料、井中重力资料、时移井中地球物理资料等，广义地讲，测井资料 也属于井中地球物理资料的范畴。图1 - 2 1 是对井地联合反演定义的概 括。从反演的维数来看，分为二维联合反演和三维联合反演。在二维联 合反演中，井、地资料均为二维剖面资料：而在三维联合反演中，井中 地球物理资料主要倾向于三维数据体资料( 也包括二维剖面资料，如目 前的井间地震资料还无法实现三维采集) ，地面资料更倾向于高精度三维 地震资料。本论文所研究的井地联合反演，重点是井间地震资料与地面 地震资料的联合反演。 图l - 2 1 井地联合反演的定义 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 众所周知，测井资料具有很高的纵向分辨率和精度，但其探测范围 非常有限，探测的地质目标的尺度也很小；地面地震资料具有较好的横 向连续性，但其纵向分辨率常常不能满足我们精细勘探的要求。而井中 地球物理技术的最大特点与优势就是在纵、横向上均具有高分辨率和高 精度，因此能很好地弥补前面两种尺度资料的缺陷，从而使得井中地球 物理资料和地面地震资料的联合反演成为一种非常具有发展潜力的反演 方法。 与地面地震相比，井中地球物理技术中的井间地震技术具有能量传 播距离短、接近探测目标、避开低降速带等特点。因此，井间地震采集 到的数据具有地面地震无法比拟的高分辨率，一般可达地面地震的l o 倍，能够分辨米级的地质目标体。 井间地震技术主要利用层析反演获得的速度场和反射成像获得反射 波场等信息。井间地震层析成像获得的速度场等参数具有很高的分辨率， 是复杂油藏研究的重要工具；井问地震反射成像获得的反射波的分辨率 更高c 一般是层析成像的3 倍左右) ，反射波主频可达5 0 0 h z 甚至更高。 目前，井闯地震技术主要用于油气田开发中的油藏精细研究、动态 啦测e k 及油藏管理等方面；单井地震则主要用于探测一些特殊的地质目 标体，铷盐丘翼部、盐下、火山岩下部等常规勘探盲区部位的探测等。 此外，层析成像获得的速度还能够为地震偏移成像与反射成像提供高质 量的速度模型，从而可达到提高偏移成像质量的目的。 就现阶段而言，无论井中地球物理技术( 包括v s p 、逆v s p 、3 d v s p 、 随钻v s p 、井中地震( 单井、井间) 、井中微地震技术、井中电磁法、井 中重力、井中震电技术等) 怎样发展，它们仍然无法动摇地面地震技术 在石油物探行业的主导地位，这是由现阶段石油勘探开发的局面决定的， 但这并不意味着井中地球物理技术没有自己的发展空间。如果我们把现 今广泛使用的地面地震比喻为油气勘探、开发中的常规武器，那么井中 地球物理技术当属特种武器。我们完全有理由相信，它们的未来是光明 的、发展潜力是巨大的。据文献调研主要有以下几点认识： 1 、随着油气勘探开发的不断深入，人们对地球物理资料的分辨率与 精度的要求越来越高，甚至可以说石油勘探开发对分辨率与精度的要求 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 是无限的。井中地球物理技术的最大特点与优势就是高分辨率、高精度。 即使是最先进的3 d 地震技术，也无法获得像井间地震那样高的分辨率 与精度。测井技术的分辨率与精度都很高，但令人遗憾的是，其探测的 范围非常有限，探测的地质目标的尺度也很小。井中地球物理技术很好 地填补了这两种尺度资料之闻的空白。此外，作为连接这两种资料的最 佳桥梁，井中地球物理技术的发展也必然会进一步提升这些资料的整体 利用价值。 2 、无论是储层的精细描述，还是油藏的精细研究，对地球物理技术 定量化的要求都越来越高。现有条件下，大多数地面地球物理资料的标 定都依赖于测井技术。但由于两者在观测方式与探测尺度上的差异，这 种标定实际上存在很多不确定性因素。井中地球物理技术是高精度、高 分辨率技术，与测井方法相比，它更具有可对比性。因此，利用井中地 球物理资料对地面地球物理资料进行标定，整体提升地面地球物理技术 的定量化水平，将是未来的一种发展趋势。 3 、尽管地面地震占据主导地位，但它也有其自身的局限性。例如， 在灰岩裸露区、火成岩发育地区以及盐丘侧翼或盐丘下方等地区，由于 屏蔽等作用，通常得不到良好的资料。而井中地球物理技术则可以不受 这些条件的限制，既可以穿过屏蔽层激发，也可以穿过屏蔽层接收。此 外，井中地球物理技术还可以接收到来自角度近乎直立( 如盐丘侧翼等) 的地质体的信息，而地面地震却无法实现这一目标。 4 、与地面地球物理技术相比，并中地球物理技术的发展程度相对较 低。任何事物的发展都有其客观规律，开始起步阶段发展迅速，技术成 熟时期发展平稳，再往后发展的难度就会不断加大。地面地震虽然仍在 发展之中，但由于目前从事这项工作的人员非常多，投入也非常大，因 此，它的发展可以说已经比较成熟，再想要有质的飞跃，难度可想而知。 井中地球物理技术的出现虽然已经较长时问，但其发展大都处于起步阶 段，发展潜力巨大。但是，目前从事井中地球物理资料处理、解释与地 面地震资料的力量对比，以及人们对这两种方法技术的关注程度来看， 技术力量的投入严重不够，也许我们只要稍加重视，就有可能取得预想 不到的成果。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 近几年来，我国东部油田大力开展油藏精细描述，几乎覆盖了绝大 部分油气储量。许多学者感到：开发区钻井密度已经很大，又进行了精 细油藏描述，对地下的认识已经差不多了。其实，钻井资料无法解决井 间问题，而三维地震由于受频带宽度和分辨率的限制，也不可能达到“精 细”程度。许多油田注采对应率低，水驱控制程度不高，水驱采收率低， 这固然与井况变差有一定的关系，但对地下的认识不够也是一个重要因 素。因此，开展井中地球物理资料的综合解释研究与开发，使认识手段 有一个飞跃，才能使对地下的认识有一个飞跃。由此建立油田地质模型， 这是解决河道砂体等小尺度油藏的滚动勘探开发问题、注采关系问题、 黄土源等复杂地表的地面地震资料采集问题，以及改善二次采油，进而 逐步进入三次采油的技术关键。 1 3 国内外研究现状分析 ( 一) 联合反演方法的发展历程i “w ? 自从v o z o f f 和j u p p 于1 9 7 5 年利用他们发展的迭代二阶马奎特阻尼最 d x - - 乘法( j u p p 和v o z o f f , 1 9 7 5 ) ，联合反演了直流电测深( d c ) 和大地电 磁测深( m ，r ) 资料以来，联合反演方法越来越受到人们的重视，相继提出 了多种地球物理资料的综合解释、综合反演方法。如r a i c h e 等 ( r a i c h e ，e t a l ，1 9 8 5 ) 联合反演了澳大利亚南部半干旱地区沙漠、粘土覆盖下 的煤层上脉冲瞬变电磁测深法( t e m ) 和直流电测深( v e s ) 资料； m e j u ( 1 9 9 6 ) 发展了t e m 和m t 钡i 深资料的联合反演方法，且在巴西半干旱 的p a m a i b a 盆地东缘运用v e s t e m a m t e m a p 的资料进行联合反演，解 决了该地区地下水分布问题，并成功地找到了多处深达2 0 0 0 余米的地下 水源( m e j u 等，1 9 9 9 ) ；l i n e s 等( 1 9 8 8 ) 以最b - - 乘反演和一系列正演模拟为 具体手段对地面地震、声波测井、地面重力测量资料进行充分的正演模 拟，求介质的特性参数；d o b m k a 等( 1 9 9 1 ) 用垂直地震剖面走时数据、地 面电阻率和阻抗，运用联合反演方法求煤层的特性参数；h e r i n g ( 1 9 9 5 ) 提出了直流电测深( d c ) 和地震面波的联合反演方法，对浅层勘探收到了 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 较好的效果；a l e k s e e v ( 1 9 9 3 ) 对联合反演问题解的定量描述及其一般特性 作了讨论，并从理论上给出了联合反演问题比单独一种地球物理资料反 演的优越性。 近年来，我国地球物理学者也非常重视地球物理联合反演的研究。 胡建德( 1 9 8 9 ) 在v o z o f j f 等学者研究的基础上，利用最小二乘马奎特法 联合反演了瞬变电磁与直流电测深资料。此外，还有学者对地面地震反 射波场和一维大地电磁测深视电阻率数据的联合反演方法进行了研究。 在联合反演方法研究中，其震源参数与地壳速度结构的联合反演方法已 日益成熟，并已在应用中取得了瞩目的成果，如李松林等( 2 0 0 2 ) 利用 联合反演技术同时得到了伽师地震区地震源位置和地震区地壳三维速度 结构；方盛明等( 2 0 0 1 ) 利用联合反演技术对中国东部及其领域岩石圈 底界面特征及地震活动性进行了研究。遗传算法等非线性反演方法也已 广泛用于联合反演研究中。 综上所述，可以看到联合反演从上世纪7 0 年代中期的问世，经8 0 年代的迅速发展，至9 0 年代的广泛应用，虽然不足3 0 年，但已引起了 人们的高度重视和极大关注，据不完全统计( 资料统计来源：g e o p h y s i c s 、 t h el e a d i n ge d g e 、g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g 、f i r s tb r e a k 、a s e g 、 g e o p h y s i c a lj 0 1 1 t i l a li n t e r n a t i o n a l 、s e g 、e a e g 、地球物理学报、石油 地球物理勘探、石油物探等国内外期刊) ，3 0 年来，国内外联合反演文章 发表数量如图1 3 1 所示( 其中，国内联合反演发表文章数量8 0 年代占 1 0 ，9 0 年代占3 0 ) ，可见在这一领域，增长速度很快。国内联合反演 研究起步较晚，主要始于9 0 年代，但进展较快，其研究内容主要集中在 地震与重力、地震与大地电磁测深( 仃) 联合反演的研究，地震之间、 各种电法之间的联合反演研究明显少于国外，而国内地震与m t 联合反 演的研究明显多于国外，这可能与我国广泛应用m t 有关。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 图1 - 3 1国内、外联合反演文章发表数量统计图 ( 二) 国内外联合反演现状总结 ( 1 ) 根据反演条件的不同，可以有以下四种联合反演方法： 同步反演； 顺序反演： 剥离法反演： 伸展法反演。 从反演的效果上看，顺序反演及剥离法反演均有非常成功的实例， 这也预示了今后的发展方向。 ( 2 ) 地球物理资料联合反演两两结合类型涉及以下两大类型： 基于相同岩石物性地球物理观测数据之间，如各种地震之间、各 种电法之间等，这一类型的联合反演从实际应用上看应集中在各种地震 之间的联合反演研究； 基于不同岩石物性地球物理观测数据之间，如地震和重力、地震 和m t 等，这一类型的层析成像联合反演已取得成功实例。 ( 3 ) 从联合反演假设的地质构造的维数上看，己涉及一维、二维甚 至三维( 仅限于剥离法反演) ，二维是主流，三维是方向。 ( 4 ) 从联合反演算法上看，已经涉及马奎特、广义逆等线性反演算 法到包括模拟退火算法、遗传算法等在内的非线性反演算法。 7 发表文章数量 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 附 加 信 息 勘探程度 图1 - 3 - 2 地震反演在石油勘探开发中的应用 总之，随着石油勘探开发进程的逐步深入，对地震资料反演结果的 确定性和分辨率的要求越来越高，单纯地面地震资料反演的局限性越来 越明显，而地面和井中地球物理资料的联合反演则必然成为地震反演发 展的未来趋势【i 卜1 6 1 ，如图1 - 3 - 2 所示。井中地球物理技术普遍具有高分辨 率、高精度的特点。在油藏地球物理技术越来越受到重视的今天，它们 的发展速度必将加快，应用领域也必将越来越广泛。目前，这些技术已 经或正在成为储层特征精细研究、储层流体特征分析、油藏动态特征襄 征、提高采收率( e o r ) 监测等等的关键技术。越来越多的事实说明， 利用井中地球物理技术与地面地震技术的结合，可以有效地提高钻井成 功率、降低开发风险、缩短开发周期、提高开发效益。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 第2 章井中地球物理技术的发展现状 随着油气田勘探和开发工作的深入发展，精细地描述储集层内部地 质特征的任务已迫在眉睫。当前，各油田的构造油气藏已不再是勘探工 作中的难题，代之而起的是岩性等复杂、隐蔽油气藏的勘探。此时以井 间地震技术、v s p 技术等为代表的并中地球物理技术便发挥了其自身独 特的优势。当前的井中地球物理技术主要包括井间地震技术、v s p 技术、 井中电法、井中微震监测及时移井中地球物理技术等。井孔地球物理技 术与三维地震技术一样，在未来的油气勘探开发中将发挥十分重要的作 用。随着井下震源和检波器性能的改善，其应用也越来越普遍。对此， 人们必须给予充分的重视。 2 1 井问地震技术 井闻地震技术是油气田勘探开发领域的一项新技术，它将震源置入 一口井中( 震源井) 激发，在其周围一口井或多口井( 接收井) 放置检 波器接收地震波，记录地震波的频率、振幅、相位等信息的地震技术。 同利用井间地震成像技术可以对井问小幅度构造、小断块、薄层的横向 变化等进行精细的描述，并可在油气开采过程中对储集层参数进行动态 监测，分析流体的流动方向、残余油气数量及分布情况，以提高油气采 收率1 1 7 - 2 5 1 。 2 1 1 井间地震资料的采集 ( 1 ) 观测方式 井问地震的基本观测原理如图2 1 1 所示。井问地震的观测系统通常 包括注入井、震源井、接收井、生产井等。将震源置于一口井中的相应 研究井段，在另一口井或几口井中的相应井段放置密集的接收嚣，通过 改变震源和井中检波器的深度进行激发和接收。观测方式有两种：单道 观测方式和多道观测方式。图中s 表示震源井和震源在井中的位置，r 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 表示接收井和接收器在井中的位置。 s卫 s置 s譬 s 卫 蕊襄鼍缨 蓬琴 躐 图2 - 1 1 井间地震观测方式 ( 2 ) 井下震源 井下震源主要分为可控型和脉冲型两大类。可控震源的输出能量可 以控制，它能调节不至于对井眼的水泥胶结带造成损害和破坏测量效果， 某些可控震源的输出与深度无关。脉冲震源可直接在井壁附近产生一个 局部的瞬间高能压强，要求在充满液体的井中工作，而不能在充满空气 的井中工作，脉冲震源的地震输出与下井深度有关。常用于井间地震的 震源如表2 1 1 所示。 ( 3 ) 井下检波器 常规检波器 接收系统直接关系到数据质量、工作效率和采集成本，所以井下检 波器需具备与井下震源相应的条件，尤其对采集数据重复性方面要求更 高，因为它是时移数据的基本保证。常用的检波器有三分量检波器、水 听器、检波器串、压电陶瓷压敏检波器等，如表2 1 - 2 所示。在实际生产 中，我们常采用多级井下接收器，主要有两种类型：一种是基于与流体 耦合的多级水听器拖缆，其布置简单、频率响应高，不过其受管波影响 严重；种为推靠式三分量多级检波器，具有矢量波场的测量能力。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 表2 卜l常用井间地震震源系统 类型震源系统名称研制机构 可控型井下液压可控震源r i c h f i e l d 公司及 s e i s m o g r a p h 服务公司 并下液压式三分量可控震源雪佛龙研究公司 井下压电可控震源美国标准石油公司 频率扫描井下震源d s s 公司 井下谐振频率扫描工横波可劳伦斯一伯克利实验室 控震源 脉冲型并下空气枪震源b o l tw e l l s e i s 公司 井下取芯枪s c h l u m b e r g e r 技术公司 井下多点激发炸药震源e s s o 生产研究公司 井下重锤震源法国石油研究院( i f p ) 井下电火花枪美国地质调查局 耦合索井下震源c g g 公司 表2 - 1 2 常规井下检波器 检波器系统名称研制机构 5 0 道压敏检波器串法国石油研究院 三分量检波器法国c g g 公司 压电陶瓷圆柱状压敏检波器美国西南研究所 压电陶瓷压敏检波器美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 四轴检波器美国桑迪国家实验室 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 永久井下光纤检波器 目前，时移地震越来越多的用到了生产中，相应对数据的重复性要 求随之提高，为此有人提出了永久地震测量的方法。由于其检波器阵列 成像性能的统计一致性，提高了地震测量的可靠性。由于检波器的参数 不变，因此简化了体积图像的处理过程，而且误差率低。基于此，威德 福公司推出了一种永久井下光纤4 d 地震检波器，它是专门为永久性井 下测量而设计的。 基于光栅技术的全光学地震加速度检波器是专门为永久性井下测量 而设计的，在单根光纤上能布置多传感器阵列，包括威德福生产的光纤 温度计、压力计、多相流量计和分布式温度传感器系统。光线从地面沿 光缆向下传播到井内并反射回到地面，光学信号被转换成测量数据，用 常规方法解释获取的测量资料。井下地震加速度检波器接收地震波，可 处理成地层和流体前缘图像。 2 1 2 井问地震资料的处理 目前t o m o s e i s 公司已做了多对井的井间地震采集和处理工作，形成 了一套较完善的井间地震处理系统。图2 1 2 为t o m o s e i s 公司的常规井 间地震处理流程图。 野外记录到的井间地震数据至少包含两种类型的地震波：一种是直 达波，它是从震源直接到达检波点的地震波；另一种是反射波，它是从 震源出发到达地下界面后经界面反射返回接收点的地震波。通常利用直 达波旅行时进行层析成像可获得井间速度剖面，利用反射波成像可获得 高分辨率的井间反射剖面。因此，在井问地震资料处理中，主要包括两 部分：( 1 ) 直达波旅行时速度层析反演；( 2 ) 反射波成像。 井间地震旅行时层析反演是采用穿过地层的许多条射线的直达波旅 行时及其传播路径来计算地层速度的一种方法。直达波旅行时层析反演 包括六个步骤：( 1 ) 直达波的识别与初至时间的拾取；( 2 ) 模型的建立； ( 3 ) 地震射线追踪；( 4 ) 旅行时计算；( 5 ) 井斜校正；( 6 ) 速度层析反 演。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 井间反射波成像处理一般包括以下几个步骤：( 1 ) 波场分离；( 2 ) 振幅校正；( 3 ) v s p - - c d p 成像；( 4 ) 角度域转换；( 5 ) 角度选择与叠 加；( 6 ) 偏移和信号增强。 图2 - l 一2t o m o s e i s 公司的常规井间地震处理流程图 2 1 3 井问与地面地震数据的联合解释 分析研究表明，井间地震提供的深度域数据可以直接与测井资料相 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 对比，是测井资料与地面地震资料相结合的桥梁。将井间地震资料、地 面的三维地震资料、测井资料综合解释分析，必将大大提高油藏描述的 水平。在油藏开发阶段，井间地震还发挥着储层静态描述与动态监测的 作用。将井间地震提供的丰富的宽高频率纵波资料与其他资料综合研究， 可以解决薄互层、储层连通性、流体分布、注气效果、压裂效果等复杂 的油藏地质问题。 图2 1 3 为江汉油田某测线内穿过m a 5 7 ，m a 5 2 1 和m a 5 6 1 井的井间 剖面与地面地震剖面的对比图【2 ”。方框内的地面地震剖面和井间剖面分 别为同一深度的时间域和深度域剖面，将井间剖面进行深时转换之后， 便可进行与地面地震的联合反演。如图所示，有些特殊地层组合关系只 根据地面地震资料根本无法解释，而联合井间地震资料，则可以对地层 的接触关系进行清晰成像。对于那些小断层或地层尖灭发育的复杂地区， 仅用地面地震资料难以进行成像解释，联合宽高频带的井间地震资料， 就可以得到清晰成像结果。 图2 一卜3 同- n 线内的地面地震数据与井间地震数据对比图 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 2 2v s p 技术 v s p 技术已经历了很长的一段发展历程，从早期的地震速度测井发展 起来的零偏移距v s p 技术开始，就几乎同时出现了非零偏移距v s p 观测和 多方位、多分量的非零偏移距v s p 观测，后来还曾一度出现变偏移距v s p ( w a l k - a w a yv s p ) ，至2 0 世纪8 0 年代末，三维v s p 技术问世，极大地促 进和拓宽y v s p 技术的应用。随着井下震源性能的改善，三维逆v s p 观测 也就成为可能。与此同时，人们还开发了随钻v s p 技术【2 7 - 3 2 】。 与地面地震相比，v s p 资料的信噪比和分辨率均有很大提高，波的 运动学和动力学特征明显；接收点分布在介质内部，记录的地震波较真 实地反映研究对象，干扰因素少，不仅可以获得直达波信息，还可同时 记录上行波和下行波，震源可重复性容易实现，能在开发过程中有效地 监测油藏流体的动态变化，为油藏开发调整提供依据。v s p 技术提供了 地下地层结构同地面测量参数之间最直接的对应关系，可以为地面地震 资料处理解释提供精确的时深转换及速度模型，为零相位子波分析提供 支持 3 3 - 4 4 1 。 2 2 1v s p 数据的采集 v s p 技术利用地面激发、井孔接收的观测系统，同时记录上行和下 行波场。不同的观测系统可获得不同的v s p 观测数据，这些数据在地面 地震数据品质不高的地区将发挥巨大作用。图2 - 2 - 1 为一个观测系统的实 例脚】，在该工区内，传统的地面地震由于受到油藏埋深、地质构造的复 杂性以及上覆盐丘体屏蔽的影响，采集数据的品质很差，到达目标层的 能量很低，因海底和盐丘界面而造成的多次波干扰严重。为此，设计了 一种二维变偏移距v s p 观测系统，使情况大为改观。在图2 - 2 1 所示的 施工方案中，震源能量避开盐丘直接到达目标层，最后被井中检波器接 收，由于地震波所走射线路径较短，能量衰减较弱，同时避免了因海底 和特殊岩性界面造成的多次波，因此，v s p 资料具有更高的分辨率和频 带范围，能识别出更细小的构造特征。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章井中地球物理技术的发展现状 图2 2 1 一种v s p 采集系统示意图 2 2 2v s p 数据的处理 与地面地震处理一样，v s p 资料处理大致可分为三步：预处理、常 规处理、特殊处理。 ( 一) 预处理 预处理主要包括解编、相关、道编辑、增益恢复等步骤，与地面地 震预处理一致，是对v s p 资料的初步处理。 ( 二) 常规处理 常规处理与地面地震的资料处理有些不一样，由于其检波器布置方 向是向下的，与震源的组合方式也不同，其处理主要包括零偏移距v s p 资料处理的同深度叠加、初至拾取、静态时移和排齐、震源子波整形、 带通滤波、振幅处理、分离上行波和下行波、反褶积、垂直叠加等。 2 2 3v s p 数据与地面地震数据的联合解释 三维v s p 数据处理完之后，接下来的工作便是将处理后的三维v s p 数据体与三维地面地震数据体进行整合，实现v s p 与地面地震数据的联 合反演。 其中地面地震数据体的解释是基础，v s p 数据体的价值主要体现在 微小构造的识别上。此外，由于两种数据体的采集尺度不同，地面地震 数据体的面元尺寸大，v s p 数据体面元尺寸小，需要将地面地震数据体 进行插值使得二者的面元尺寸相等。图2 - 2 2 为从三维v s p 数据体得到 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章井中地球物理技术的发展现状 的垂直切片【3 3 1 ，由该图可以更精细地了解到井孔周围三维空间内的构造 特征。图2 - 2 3 为过某一测线的地面地震数据和v s p 数据的整合剖面【蚓， v s p 剖面嵌入到地面地震剖面之中，由图可见，同相轴的连续性较好， 识别薄层的能力明显增强，感兴趣的目标层的分辨率得到有效提高。 图2 - 2 - 2 三维v s p 数据体的垂直切片 图2 - 2 - 3 地面地震和v s p 数据的整合 对于变偏移距v s p ( w a l k - a w a yv s p ) 资料而言，由于地面地震资料 和v s p 资料来自同一个震源，具有很好的相关性，加大了资料的可对比 性，为v s p 和三维地面地震联合解释提供了基础。 对于多方位v s p 资料而言，主要用于进行深层气藏勘探的解释。与 三维地面地震的成像比较，多方位v s p 成像剖面具有更高的分辨率，可 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井中地球物理技术的发展现状 以更清晰地描述深层含气砂岩储层。剖面能显示出多孔隙渗水储层的趋 势分布，从而降低了钻水平井的不确定性，进而提高产气率。井周不同 方位的非零偏v s p 成像剖面可以减少由邻井测试显示的储层边界问题。 因此，需要得到更清晰的储层成像，尤其是利用水平井和斜井穿过储层 内部或作地质导向时，非零偏v s p 观测会发挥积极的作用。 对于多分量v s p 资料而言，三维一三分量井筒地震提供了高矢量保 真度的数据，而且数据的高频成分给成像细节提供了较高的垂向和横向 分辨率。极好的勘探可重复性和高信噪比的数据使复杂动态储层监测技 术得以实现。地震数据与测井资料的结合确保了三维图像的精确性并且 降低了不可靠性。 多分量v s p 技术可用于研究各向异性。研究中常见的是伴随着裂缝 发育的砂泥岩薄互层模型。由于裂缝发育对应着强弱不同的垂直双折射 现象，当泥岩层中有比较强的各向异性现象( 大于1 5 ) 时，表明了此 层有大的裂缝发育；当对应砂岩层有弱到中等的垂直双折射( 1 - - 5 ) ， 钻井记录有泥浆漏失现象时，说明有微弱的裂缝发育。 多分量v s p 技术的另一个应用领域是监测压裂施工作业。压裂诱导 缝的产生，可以在作业井中或井的周围用多分量v s p 技术来监测。监测 结果可以用来确定裂缝的方向和范围，以及进行储层描述和油气检测。 对井周附近区域或远距离储层，监测都可以实现。对于井周附近地层的 监测，可直接在作业井中用多分量v s p 信号进行；对于远距离监测，可 在距作业井有一定距离的其它井中用多分量v s p 信号进行。 概括地讲，v s p 与地面地震数据的联合反演的优点是，能有效拓宽 地震资料的带宽，信噪比高，同时提高垂向和横向上的分辨率，更好地 识别油藏精细特征；而且，时移v s p 技术与地面地震技术的结合，能同 时静态和动态地监测油藏构造特征，对于指导实际的生产、开发具有很 高的可信度。 该方法的缺陷是v s p 技术的成本较高，限制了此技术的广泛应用。 此外，在资料采集方面，要发展和完善多级检波器组合技术，增加叠加 次数，改进资料质量，还要进一步发展v s p 资料采集同地面地震联合作 业的技术。在v s p