三维三分量vsp数据波场分离方法研究

三维三分量vsp数据波场分离方法研究

1零井源距vsp测量的应用研究进展随着油气勘探和开发的深入和钻井地震技术（软件和硬件）的完善，三维vsp测量技术的研究和应用也得到了迅速发展。但是其中三维三分量VSP的观测系统比较特殊,其数据处理方法既不同于常规的非零井源距多分量VSP数据处理方法,也有别于地面多分量地震方法,因此三维三分量VSP数据处理成了当前发展三维VSP技术的瓶颈。自阿吉普于1986年完成世界上第一块三维VSP数据采集之后,其技术发展和应用经历了漫长的过程。近几年三维VSP测量技术研究和应用发展的步伐明显加快,究起原因可归纳为两个方面:其一是井下接收系统在技术上有重大突破;其二是油田勘探与开发需求日益增强,多学科的综合性研究和应用已成为解决目前地质问题的有效手段。VSP的技术发展轨迹是严格遵循点(零井源距)→面(非零井源距和WalkawayVSP)→体(三维VSP)的趋势前进的。在实现了零井源距VSP技术的工业化生产之后,勘探界在较多领域进行WalkawayVSP测量试验,在后者还没有形成工业化生产的同时就进入了三维VSP测量的应用实验阶段。众所周知,零井源距VSP经过20世纪80年代到90年代的发展,在采集和处理技术上已有工业规范可循;WalkawayVSP技术从测量方式上讲是由多个非零井源距和零井源距测量组成,但实际上具有更为复杂的技术内涵;三维VSP的测量实际上可以看成是多个WalkawayVSP测量的组合,但在数据处理和成像等方面与walkawayVSP的情况却有较大的差别,三维VSP对处理技术的要求更高。由于三维VSP技术属于新兴的勘探技术,国外有许多学者投入了该技术的研究。诸如法国石油研究所ClochardV等人根据北海Oseberg油田采集的三维VSP数据集提出了有关处理研究成果,其基本思路为:首先利用零井源距VSP数据估算子波,对所有数据进行整形反褶积;再用单一算子对5级三分量数据进行预测反褶积和脉冲反褶积(目的是用于消除海底多次波);然后根据声波测井资料对VSP的直达波垂直旅行时进行标定,建立一维速度模型,为了更好地匹配旅行时随井源距变化与一维速度模型的关系,引入了椭圆各向异性常数;最后利用射线—波恩偏移算法进行成像。Conoco加拿大资源公司Satinder等人针对加拿大阿尔伯特省中部采集的一块三维VSP数据体提出了一套数据处理方案,主要做法是首先从三分量数据中选择Z分量进行处理,再按炮点离井口距离进行数据分选,据此数据被分选成若干不同的环状数据集;然后通过炮点静校正将数据集校正到统一基准面上,拾取初至,估算速度变化并确定各向异性模型;再进行波场分离,得到下行、上行波以及下行管波和上行管波四个分量波场;最后对各个环状数据集进行VSP-CDP转换并叠加成像。ELF勘探生产公司的Boelle对三维VSP数据处理中的困难进行了分析,认为在目前普遍用较少的接收级数采集的数据集在波场分离方面面临较大的困难,至于斜井和不规则炮点分布数据处理的难度更大。通过整理国内外已公开的有关三分量处理的流程和方法可以发现,三维VSP数据的处理流程远不如零井源距和非零井源距VSP的规范,许多做法仍处于探索之中,其共同难点表现在以下几个方面。(1)波场分离仍是三维VSP数据处理的关键和重点,它直接影响最终成果的可靠性和效果,许多波场分离方法仍是套用常规VSP的处理方法,而且多数处理工作实际上只使用了Z分量数据,多分量的信息没有得到充分利用。(2)三维VSP数据的速度分析和研究仍是薄弱环节,国外普遍采用的是一维速度模型或在一维模型基础上修改的各向异性速度模型,国内则是利用零井源距、非零井源距以及速度测井资料建立速度模型,没有充分利用三维VSP数据本身的信息进行速度分析。(3)三维VSP数据的高品质成像较少。目前很少见到基于三维VSP成像数据体的分析和解释,多数情况只展示了数条成像剖面而没有成像数据体的显示。在成像过程中,仍有相当一部分采用常规VSP-CDP转换方法,有些还借用地面地震的处理成像方法。(4)至今很少有关于三维转换波成像以及三维多波数据体应用的报道。2三维数据的三维方法研究2.1数据预处理预处理主要包括数据解编、坐标系的确定、观测系统的建立、数据分选以及确定成像基准面等工作。2.1.1正交坐标系鉴于三分量数据处理的情况,采用了两种坐标系:一种用于数据成像;另一种用于波场分离。成像坐标系:选用笛卡尔正交坐标系(X,Y,Z),以便于在有关成像的研究中进行共反射面元设计和网格计算。偏振分析坐标系:该坐标系仍用一正交坐标系(R,N,T)表示,主要用于波场分析。其中R表示径向坐标轴,N表示法向坐标轴,T表示切向坐标轴。在通常情况下,用R表示P波的质点振动方向,N表示SH波的质点偏振方向,T表示SV波的质点偏振方向。2.1.2道集选择及分配方式考虑到三维VSP的特殊观测方式,在数据预处理阶段,分选方式主要有共炮点道集分选和共接收点道集分选。对于多级井下接收系统的数据可采用前者;对于目前只有较少级数采集的数据采用共接收点道集比较合适。2.2共接收点道集波场分离通常非零井源距VSP数据的波场分离采用如下步骤:(1)将水平分量X和Y旋转定向后得到相互正交的两个分量,选取XY分量确定平面内偏振的HP分量;(2)将HP分量与Z分量定向处理后得到两个分量,一个是沿P波直达波方向的径向分量,另一个是与该方向垂直的切向分量(均在炮点与井所在平面内);(3)在径向分量上,直达P波和上行P-SV波近似在同一偏振平面内,其视速度方向相反;(4)在切向分量上,P波上行反射波和下行转换波近似在同一偏振面内,且具有相反的视速度方向;(5)根据各分量视速度方向上的差异,利用F-K等方法将上述4种波场进行分离,得到上行P波和上行P-SV波。由于三维VSP观测系统的特性,波场分离不能套用上述方法。其主要原因在于:其一,在非零井源距VSP测量中震源与接收点的水平距离一般保持不变或变化较小,而且井源距的大小与测量深度需满足一定的设计要求,对于三维VSP测量或WalkawayVSP测量数据,其井源距是变化的,当震源沿某方向偏离接收点的水平距离从小到大变化时,接收到的信号在波场分布特征方面与非零井源距VSP的情况(震源与接收点的垂向距离从浅到深变化)是不同的;其二,常规非零井源距的波场分离是在共炮点道集中进行的,而目前的三维VSP数据在共炮点道集中道数太少,故现有的一些方法不适用于共炮集数据处理。综上所述,针对井下接收级数较少的情况,制定了综合不同井源距段、不同波场的偏振特性以及视速度大小、方向等差异进行分离的对策。具体实施过程如下。(1)按不同井源距段进行数据分选分段的准则是保证在共接收点中待分离信号的波场特征具有明显的分选性。(2)充分利用波场的偏振特性进行波场分离此文主要考虑四种波场,即下行P波、上行P波、下行P-SV波和上行P-SV波,其他波场均忽略。对于共接收点道集数据,首先对两水平分量进行旋转定向,将原始三分量数据转变成二分量数据(X,Z)。如果已知波动在该平面内的传播方向,则可以根据P波和P-SV波的偏振特性确定P波和SV波。(3)根据不同波场的视速度特征差异,利用拉冬变换进行波场分离众所周知,无论是线性变换、双曲线或抛物线变换在地震数据处理中都得到了广泛的应用。对于三维VSP波场分离来说,在共接收点道集上,下行P波、P-SV波、上行P波以及上行P-SV波同相轴可以近似为双曲线,因而可以用双曲拉冬变换(HRT),再根据各种波型的τ和p值,即可将不同波型分离出来;在共炮点道集上,各类波型同相轴表现为线性,因而可以根据视速度的不同来分离各类波场。由于常规拉冬变换不能很好地处理离散化和截断效应的影响,因此在时间域采用最小平方反演的算法实现拉冬变换。假定地震数据为d(z,t),其拉冬变换为m(p,τ),则它们之间有如下的关系其中:当t=τ+px时为线性拉冬变换;t=τ+px称L为拉冬变换算子。为了克服离散化和截断效应对拉冬变换的影响,可用最小平方反演算法求取双曲拉冬变换,即建立目标函数其中:第二项为正则化,W通过求解式(5),可以得到数据d的双曲拉冬变换m。鉴于迭代加权最小平方算法(IRLS)具有良好的收敛特性,因而可用此法来求解式(5)。2.3速度估算中的拉冬变换反演首先说明一下为什么三维VSP数据不能使用按照地面地震的常规速度分析方法。这是因为在水平层状均匀介质的假设条件下,地面地震的每一炮检对所对应的成像轨迹为一垂直地层界面的直线,在共中心点道集数据中,认为纵向覆盖次数是相等的。而在VSP观测方式下对应的纵向覆盖次数为一曲线,具有时变特征。在井下接收点较少的情况下难以按地面地震的情况抽成共中心点的道集进行速度分析。但由于VSP测量中检波器置于地下一定深度,有准确的深度信息,同时能得到较高信噪比的旅行时数据,而旅行时的信息反映了地下介质的速度变化,因此在综合其他信息的基础上,能够比较准确地估算出地下的速度结构。速度的空间变化规律可以用以下程函方程表征式(6)给出了地震波旅行时与介质慢度分布的非线性关系。式中:T为地震波的旅行时;s(x,y,z)为地层慢度分布;l是射线路径。该式也称为数学的拉冬变换,求取s(x,y,z)的过程实际上为拉冬变换的反演问题。求解式(6)通常有滤波反投影、傅里叶重建和代数重建三类方法。对于VSP数据的速度估算,实际上是一种数据不全的拉冬变换反演问题,在数学上又称为不适定问题,一般用约束方法和正则化方法加以解决。在速度估算中,首先需构造目标函数其中:t通过推导整理,上述问题可归结为求解及其中:A为雅可比矩阵;t为旅行时;v为速度;k为第k次计算结果;i为第i个待求的速度参数。该求解过程是通过迭代进行的。为了加速该过程收敛,需在计算中采用一些约束和控制手段。由于利用VSP数据估算速度的拉冬反变换在通常意义下的解都不很稳定,因此除了在算法上要进行数学研究外,还要注重反演参数的地球物理意义。譬如在旅行时数据的拾取过程中,要加强对波场信号的整体认识和反演算法的基本了解,不要在速度估算过程中降低输入数据集,否则会引起解的不稳定性。2.4基于速度模型的射线追踪成像正如前面所述原因,三维VSP数据成像不适合用在地面地震数据处理过程中先进行NMO再叠加的做法。在常规的VSP成像处理中,在算法上分VSP-CDP转换和克希霍夫偏移两类。以往常用的VSP-CDP转换算法主要基于一维速度模型,不能用于二维速度模型,需采用非均质速度模型的射线追踪算法进行深度偏移成像。为了能更好地对比和分析纵波和转换波的成像效果,首先要在深度域进行成像,然后根据需要转换到时间域。归纳其基本做法如下:(1)根据速度分析结果进行三维成像网格设计,确保目的层具有一定的覆盖次数;(2)建立三维纵波和转换波速度场;(3)根据实际观测系统和经波场分离得到的数据,在设计的网格中实现射线追踪偏移成像;(4)按Inline和Crossline方向提取剖面或沿垂向(深度或时间)提取切片进行解释分析。3治疗效果分析3.1有关勘探的地质情况用于进行三维VSP观测的莫北MB2003井是一口位于准噶尔盆地中央拗陷内一个正向构造单元上的开发评价井,地表为大沙漠,勘探条件较为复杂,有关此次勘探的情况叙述如下。3.1.1井深2430400m处在三维VSP测量中,四级三分量接收系统位于MB2003井深2670～2700m处,检波点距为10m,炮点共享三维地面地震的9束81条炮线,炮线距约为200m,炮点距约为100m。图1为炮点分布图,炮点面积近80km3.1.2地下主要波场分布特点为了更合理地对原始数据进行分析,图2展示了一条过井测线(炮线)的三维三分量VSP共接收点道集原始数据,接收点位于深度2670m处。通过对原始数据的分析,确定处理的基本流程和处理方法。下面进行波场分析。由于井下采用三分量接收,来自地下的信号非常丰富,但也给分析带来许多困难。在图2中标注的主要波场有上行反射P波、上行反射P-SV波、下行透射P-SV波,由于原始数据信噪比较低,有些波场通过视觉不易看出。这些主要波场的分布特点表现为:(1)任何一种波场不只出现在某个分量上;(2)上行P波和上行P-SV波由于上行波路径较短,时距关系中下行波起主要作用,因此具有相近的视速度;(3)下行P-SV波能量强,速度较低,几乎分布在所有的炮检距范围之内,严重地掩盖了其他有效波波场;(4)对所有三分量数据进行分析发现,主要的波场中下行波能量最强(下行P波、下行转换波),上行转换波次之,上行P波较弱、下行S波最弱。当然,在局部位置波场能量强弱与井源距和深度有关,可以依据佐普里兹方程计算其变化规律并进行分析。3.2p波和p-sv波速度体由于收集的资料中没有任何有关该地区速度的信息,给速度分析带来很大困难。我们共拾取了10000余个旅行时数据点用于该区的P波和P-SV波速度分析。据此通过反演得到了P波和P-SV波两个速度体用于成像。图3和图4分别为由4个过井且近似相互垂直的深度域P波和S波层速度剖面。3.3p-sv波和p-sv波根据前面所述的方法,对从原始数据中分离出的PP波和P-SV波进行成像。图5显示了一共接收点道集波场分离后的PP波和P-SV波数据,从中可见各种波场得到较有效的分离,P-SV波比PP波的分辨率高。3.4p波和p-sv波深度域成像由于本次三维VSP数据的采集过程是与地面三维地震同步进行的,其采集设计从属于三维地面地震的设计,因此根据本数据集的实际情况(炮线距为200m、炮点距为100m),难以在VSP数据成像中使用较小的面元以使成像结果有较高的横向分辨率。依据VSP的成像范围以及炮点的分布范围,确定P波的成像面元为100m×50m,P-SV波的成像面元为50m×50m,最终得到P波和P-SV波深度域成像两类数据体。P波成像剖面共有81条Inline线和51条Crossline线,P-SV波成像剖面共有81条Inline线和81条Crossline线。图6为在P波Inline方向上相邻的两条深度域成像剖面(No.44～45),其中MB2003井位于测线No.44和No.45之间。在深度为3600～3700m之间的同相轴是该地区侏罗纪煤系的反射。该层在井位的东南方向相对平缓,而沿井位的西北方向倾斜。在Crossline方向上,对应煤层的反射与主测线的形态不一样,沿西南方向呈单斜(限于篇幅,未列出)。图7为P-SV波在Inline方向上相邻的两条深度域成像剖面(No.44～45),其总的特点与P波剖面基本一致。两种波场在Crossline方向的特点也大致相同。但是总