非零偏时延VSP资料处理关键技术

doi:10.11720/wtyht.2024.1161

非零偏时延VSP资料处理关键技术

张洁^,, 程磊磊, 曾昭翰, 陈林

中石化石油物探技术研究院有限公司,江苏南京 100021

Key technologies of non-zero offset time-delay VSP data processing

ZHANG Jie^,, CHENG Lei-Lei, ZENG Zhao-Han, CHEN Lin

Geophysical Research Institute Co.,Ltd.,SINOPEC,Nanjing 100021,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2023-04-23 修回日期: 2024-02-20

基金资助:

中石化科技部项目“面向超深层目标的VSP处理关键技术研究”(P22149)

Received: 2023-04-23 Revised: 2024-02-20

作者简介 About authors

张洁(1987-),女,2012年毕业于中国石油大学(北京),主要从事VSP资料处理工作。Email:355907985@qq.com

摘要

非零偏时延VSP资料含有丰富的井旁波场信息,利用VSP反射信息和地震属性,能有效监测井旁注入流体运移情况,具有广阔的应用前景。受观测方式影响,时延非零偏VSP资料叠加次数有限,对两期VSP资料处理要求更加严格。因此,本文在常规非零偏VSP处理技术流程中引入两期资料的可重复性分析和一致性处理方法技术,建立了时延非零偏VSP资料处理技术流程,并针对时延资料的炮内一致性处理和两期资料间一致性处理进行了方法分析研究和试验。从A井实例应用表明,本文提出的非零偏时延VSP资料处理流程和关键技术具有较高可操作性和实用性,具有推广价值。

关键词： 非零偏时延VSP; 资料处理; 一致性处理; 属性分析

Abstract

Since non-zero-offset time-lapse vertical seismic profiling (VSP) data contain abundant near-well wave field information,the VSP reflection information and seismic attributes can be applied to effectively monitor the migration of injected fluids near wells,boasting a broad application prospect.Due to the limitation of observation methods,non-zero-offset time-lapse VSP data exhibit limited superposition times,thus demanding more stringent processing for two-phase VSP data.By introducing the repeatability analysis and consistency processing method of two-phase data into the conventional processing technology for non-zero-offset VSP data,this study developed a processing technology flow for non-zero offset time-lapse VSP data.Moreover,this study conducted analysis and tests of the methods for processing the intra-shot consistency of time-lapse data and the consistency of two-phase data.As verified by the application in well A,the processing flow and key technology for non-zero-offset time-lapse VSP data proposed in this study enjoy high operability and practicability and,thus,have the potential for wide applications.

Keywords： non-zero-offset time-lapse VSP; data processing; consistency processing; attribute analysis

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本文引用格式

张洁, 程磊磊, 曾昭翰, 陈林. 非零偏时延VSP资料处理关键技术[J]. 物探与化探, 2024, 48(2): 470-478 doi:10.11720/wtyht.2024.1161

ZHANG Jie, CHENG Lei-Lei, ZENG Zhao-Han, CHEN Lin. Key technologies of non-zero offset time-delay VSP data processing[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(2): 470-478 doi:10.11720/wtyht.2024.1161

0 引言

时延地震是通过分析不同时期、同一地点的地震资料差异,结合油气开采的生产数据、水驱气驱等注入数据,监测油藏的真实变化,主要包括时延反射地震、时延折射地震、时延多波多分量地震和时延井间地震等多种地震监测手段。时延地震技术可应用于描述油—水、油—气、气—水界面变化,预测剩余油分布范围和储层压力变化等。时延地震广泛应用于油气开发、注采监测、油田管理决策和智慧油田建设中,取得了巨大的经济效益,成为油气田生命周期中的常规技术系列中的重要一环^{[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓-8]}。

相较于常规时延地面地震,时延VSP地震监测传播距离短,避免了浅层干扰,信噪比更高,更能刻画地下特别是井旁地震道属性变化规律,在监测注二氧化碳、注水等流体运移情况方面具有较大优势^{[9⇓⇓⇓⇓⇓⇓-16]}。国内中石油2004年和2013年在准格尔盆地的D10井设计并采集了时延VSP数据,对不同期获取的VSP数据进行了处理和解释研究,利用Walkaround VSP数据进行了油气有利属性预测^[17-18]。神华CCS示范工程于2011~2015年在鄂尔多斯进行了总量30万t的CO₂封存,期间进行三期VSP数据采集用于地震监测,结合地质情况对CO₂封存状态、运移途径等进行了详细评估。

相较于时延地面反射地震资料处理方式,受接收方式影响,时延非零偏VSP资料叠加次数有限,对在两期(或多期)采集的VSP资料处理要求更加严格。因此,本文针对时延非零偏VSP资料建立了处理技术流程,在常规非零偏VSP处理技术流程中引入了可重复性分析技术和一致性处理技术,并着重对一致性处理关键技术进行了方法分析研究和实际资料试验。对西北某地区A井实测时延VSP地震资料进行处理试验,从处理效果分析看出,时延VSP处理效果较好,能有效反映地下注气运移情况及盖层效果。

1 非零偏时延VSP资料处理关键步骤

相较于常规非零偏VSP资料采集和处理,时移VSP资料在野外施工阶段就应当采取科学合理的方法(包括相同的采集设备、施工参数和施工季节等),尽量避免或减小采集阶段带来的不一致性。

1.1 观测系统建立

两期资料野外观测点完全一致,在处理过程中可以共用一套观测系统。查看VSP数据野外采集班报、采集施工总结以及测井结果等文档信息,找到测量井的坐标、偏移距、补心高、观测井段、观测点距等信息。根据VSP数据采集信息建立处理时所需要的观测系统,加载数据并抽取数据中的3个分量信息。

1.2 静校正

非零偏VSP波场静校正主要包括两部分:

1)单偏移距内校正:由于群炮激发井深、激发岩性、激发井偏移距变化等地质类和非地质类因素影响,直达波初至曲线呈无规则的跳跃波动,波场存在时差。

2)不同偏移距间校正:随偏移距的变化,地表激发高程、浅层激发岩性环境等因素变化较大,不同偏移距间波场存在时差。

以A井为例,A井井口地面高程为1 201.11 m,地面地震资料处理基准面是1 300 m,炸药震源激发如图1所示,VSP资料最终将校正到地面地震资料处理基准面。

图1

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图1 VSP地震采集示意

Fig.1 VSP seismic acquisition diagram

静校正包括两个方面:一方面是偏移距校正,根据每一个接收深度点所对应的偏移距,计算出相应的校正量值,经过偏移距校正,已将VSP零偏资料校正到井口地面高程。

第一个静校正量(偏移距校正量)的计算如式(1)所示:

(1)

Δ T_{i} = \frac{\sqrt{(x_{i} - x_{0})^{2} + (y_{i} - y_{0})^{2} + (h_{i} - h_{0})^{2}}}{V_{低 速 层}}

式中: $Δ T_{i} 为第 i$ 个炮点的静校正量, $(x_{i}, y_{i}, h_{i}) 为第 i$ 个炮点的坐标, $(x_{0}, y_{0}, h_{0})$ 为炮群中心的坐标, $V_{低速层}$ 为低速层的层速度(或替换速度)。

另一方面为校正量,是根据激发点的表层速度结构把激发点校正到地面地震处理基准面上,这一步是在VSP处理得到的上行P波双程时间剖面上进行。A井非零偏的校正主要是反射P波成像剖面与同方向地面地震对比时的校正。实际处理时,静校正值是根据A井VSP反射波成像剖面与井旁二维地震剖面的波组(尤其是标志波组)对比来确定的,同时参考了零偏VSP的走廊叠加校正量。

1.3 初至拾取

非零偏VSP野外采集通常采用可控震源或者炸药震源激发。为了保证震源子波的一致性,时延VSP采集首选推荐可控震源,但当作业区地表条件不适合采用可控震源时,采用炸药激发应严格保证两次激发井深和激发药量一致。

在实际资料处理过程中,初至波一致性较好的井段采用人机交互方法拾取初至,受干扰井段可参考干扰段前后的初至时间趋势进行初至拾取。A井非零偏VSP野外采集采用炸药震源激发,因此,我们拾取下行直达波的起跳时间为初至时间,在原始垂直分量上采用人机交互方法拾取初至。

1.4 三分量偏振分析

偏振分析是通过研究波的偏振特性来提取地震波场的空间偏振参数,有助于更好的波场分析。

假设从P波震源传到井下第一个直达P波,其质点运动方向和波的传播方向一致,都在由震源和井确定的平面内,这种直达P波的偏振方向是线性的,它在水平面内的投影也是直线。根据这一假设,就可以用直达波偏振方向在水平面内的投影作为参考,测出三分量检波器观测时水平分量的相对方位,并可将观测到的水平分量的信号转换到以直达P波偏振方向在水平面内投影方向为参考的一致坐标系上(如图2所示)。

图2

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图2 三分量检波器采集示意

Fig.2 Three-component detector acquisition diagram

在某个深度点上,三分量检波器的水平分量 $(x, y)$ 转换到以Hp为参考的一致坐标系 $(x^{,}, y^{,})$ 的转换公式为:

(2)

\begin{array}{l} x^{,} = x c o s θ + y s i n θ \\ y^{,} = y c o s θ - x s i n θ \end{array}

式中: $θ$ 为 $x$ 与 Hp 的夹角,即直达波P的偏振角。

1.5 可重复性分析

时延地震数据的可重复性高低,是时延地震成功与否的关键。在时延地震数据中独立于地下地质条件的剩余差异,会影响时延地震方法的应用效果,例如陆上地表条件变化、炮点的可重复性、检波器的接收差异,以及二次采集之间的记录保真度等。这些因素都会导致非重复性噪声,降低数据的可重复性。因此,在进行时延地震数据每一个处理步骤后,都必须进行可重复性量化分析。我们采用归一化均方根差异方法(normalized root mean square difference method,NRMSD)进行可重复性分析。

NRMSD方法是对给定时窗内两期地震数据的差数据的均方根进行归一化,例如x和y代表两期时延地震数据,在给定t₁到t₂时窗范围内,x(t)和y(t)是时窗内的记录,先求差值数据的均方根振幅值,再除以两期地震数据的均方根振幅之和,即为NRMSD数值,其计算公式如下:

(3)

N R M S D = \frac{200 \times R M S (x_{t} - y_{t})}{R M S (x_{t}) + R M S (y_{t})}

其中的RMS算子定义为:

(4)

R M S (a_{t}) = \sqrt{\frac{\sum_{t_{1}}^{t_{2}} (a_{t})^{2}}{N}}

式中:N是t₁~t₂之间的采样点个数。NRMSD值越低,说明差异越小,重复性越好;其值越大,两期数据的差异越大,重复性越差。两期资料如果有时间、振幅、相位和频率的差异,均可以产生很强的差值数据,因此NRMSD对两期数据在静态时延、振幅能量、相位差异和带宽差异都比较敏感,均可引起较大的NRMSD值。

1.6 一致性处理

经过可重复性分析,能够获取两期地震数据在时间、振幅、频率和相位上的差异。两期时延数据在非储层部分的地质条件是不变的,非储层部分的地震响应特征也应该是不变的,那么非储层区域的地震响应差异,应当主要是由地震子波的不一致性所产生。两期时延数据的一致性处理是时延地震资料处理的重要部分,也是时延地震成功与否的关键。

时延VSP资料一致性处理技术消除非储层因素引起的不一致性差异,包括同期和多期之间两部分处理内容。针对时延地震数据的时间、振幅、频率和相位的差异,利用多个校正归一化算子分别对地震剖面的主要差异逐个进行匹配校正。一致性处理是时延地震成功的关键,在本文第2节中重点论述。

1.7 波场分离

时延非零偏VSP波场分离是在经过偏振处理和一致性处理的基础上进行,在波场分离过程中,应严格保证两期数据处理流程和处理参数的完全一致性。

偏振分析得到径向分量上的上行反射P波能量虽然最强,但部分区域受地下地层影响,转换波和多次波发育,在径向分量剖面上也会存在上行反射P波能量被强能量的转换波和多次波所压制,作为弱信号的单一上行反射波分离难度大。在实际资料处理过程中,需要进行多次流程试验,多类波场的层层剥离分离,从而获得上行反射P波波场和下行转换P-SV波波场。

综合上述处理步骤,本文建立时延非零偏VSP资料处理流程,如图3所示。

图3

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图3 非零偏时延VSP资料处理流程

Fig.3 Non-zero offset time-delay VSP data processing flow

2 时延非零偏VSP资料一致性处理

2.1 同一偏移距内一致性处理

针对不可重复因素导致时延地震信号中的差异,还需要进行一致性分析研究,获得两期数据在时间、振幅、相位和频率的差异性;进行VSP数据的归一化校正处理,获得真正由于注气引起的地震属性差异。为此,在常规非零偏VSP处理流程的基础上建立时延VSP处理流程。

进行非零偏VSP资料采集时,由于受检波器串级数限制,单炮资料通常采用上提检波器串并配合多次激发得到。当采用炸药震源时,受激发条件影响,某些单炮资料多次激发子波之间可能会存在明显不一致现象。震源子波的不一致性带来不同接收段地震波频率和相位差异,地震波同相轴延续性差,严重影响资料品质,需要对单炮资料的子波进行整形一致性处理,使得不同接收井段子波的频率、相位等具有更好一致性^[19]。

利用单炮资料中子波明显不一致的相邻两道(校正直达波时差),采用Wiener-Levinson算法提取滤波器算子,如式(5)

(5)

(\begin{array}{l} r_{x x} (0) & r_{x x} (1) & \dots & r_{x x} (m) \\ r_{x x} (1) & r_{x x} (0) & \dots & r_{x x} (m - 1) \\ ︙ & ︙ & ⋱ & ︙ \\ r_{x x} (m) & r_{x x} (m - 1) & \dots & r_{x x} (0) \end{array}) (\begin{array}{l} h (0) \\ h (1) \\ ︙ \\ h (m) \end{array}) = (\begin{array}{l} r_{d x} (0) \\ r_{d x} (1) \\ ︙ \\ r_{d x} (m) \end{array})

式中:r_xx为输入道x(t)的自相关,r_dx为输出道d(t)与x(t)的互相关,h(t)为滤波器算子。最后,通过褶积处理,对单炮内子波的不一致情况进行校正。

A井非零偏时延VSP资料采集采用24级检波器,由于观测井段为370~1 080 m(间距10 m),单炮资料需要通过上提检波器串并配合3次炸药激发得到。受激发因素影响,某些单炮资料的3次激发子波之间存在明显不一致现象,表现为井中不同接收井段部分,初至波延续性较差,续至波存在明显变化。图4为A井某一个非零偏VSP资料,可以看到3次激发形成的记录有明显差异,记录按不同井段被切割为3部分,深部850~1 080 m井段与370~600 m、610~840 m井段表现不同,激发子波的不一致性严重影响单炮资料品质,需要进行单炮内的一致性处理。

图4

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图4 震源子波不一致单炮记录

Fig.4 Source wavelet inconsistent single shot recording

图5为以610~840 m井段接收记录为标准,对850~1 080 m接收道数据采用分段反褶积进行一致性校正,即对给定时窗长度内记录进行反褶积滤波处理,校正算子长度分别选用1 000 ms和2 000 ms。可以看到,进行分段反褶积炮内一致性校正后的记录,850~1 080 m井段记录经过子波校正后,与相邻近段接收记录的初至直达波一致性有了明显提升,深层同相轴延续性更好。相较于2 000 ms校正算子,1 000 ms校正算子长度对直达波校正后,能量一致性更好,处理效果更佳。

图5

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图5 以610~840 m为标准道进行一致性处理

Fig.5 Consistency processing with 610~840 m as the standard channel

图6为以850~1 080 m井段接收记录为标准,对610~840 m接收道数据采用整道反褶积进行一致性校正,校正算子长度分别选用1 000 ms和2 000 ms。可以看到,采用2 000 ms校正算子长度进行整道反褶积处理,850~1 080 m和610~840 m接收道子波一致性有了明显改善,处理效果明显好于1 000 ms校正算子长度。可在此基础上以610~840 m校正后接收道记录为标准,对370~600 m接收段记录进行一致性处理。

图6

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图6 以850~1 080 m为标准道进行一致性处理

Fig.6 Consistency processing with 850~1 080 m as the standard channel

2.2 两期资料一致性处理

假设同一地区不同时期地震数据分别为G^Y¹(t),G^Y²(t),相应的第Y年份第i条测线、第j道的地震记录记为 $G_{i, j}^{Y}$ (t)。选取归一化算子P使得目标泛函

(6)

E_{i, j} (t) = ‖G_{i, j}^{Y 1} (t) - P G_{i, j}^{Y 2} (t)‖

极小,得到算子组{P_i_,_j}构成的算子P,其中

(7)

P = \{P_{i, j}\}

。

为求式(6)极小值,考虑离散化处理方法,求一长度为L的匹配滤波器{P(m)},m=1,2,…,L。使得E取得最小值:

(8)

E = \sum_{k} {[G^{Y 1} (t) - \sum_{m} P (m) G^{Y 2} (k - m)]}^{2} \to m i n

式中:k=1,2,…,L。计算泛函E关于P(n)的Frechet导数 $\frac{\partial E}{\partial P (n)}$ ,n=1,2,…,L。令 $\frac{\partial E}{\partial P (n)} = 0$ ,则可以获得关于求解匹配滤波器{P(m)}的L个方程的方程组

(9)

\begin{array}{l} \sum_{m} P (m) [\sum_{k} G^{Y 2} (k - m) G^{Y 2} (k - n)] = \\ \sum_{k} G^{Y 1} (k) G^{Y 2} (k - n) \end{array}

式中:n=1,2,…,L。求解上述方程组(9),可以计算获得匹配滤波器{P(m)},作用于G^Y²(t)获得一致性校正后的地震剖面:

(10)

G_{n o r}^{Y 2} (k) = \overset{L}{\sum_{m = 1}} P (m) G^{Y 2} (k - m)

。

由于直达P波能量很强,为了清楚地显示后续波场,分析一致性处理效果,利用三分量偏振处理后的径向分量(上行P波和下行P-SV波为主)来进行两期VSP资料的一致性处理对比分析。图7显示是的Ⅰ期不同方位非零偏VSP径向分量,图8显示的是Ⅱ期相同激发点采集的非零偏VSP径向分量。可以看出,在某些方位上Ⅰ期和Ⅱ期的波场特征(图7、图8中方框内)还是存在明显差异,而这些差异并不是储层变化引起的。

图7

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图7 Ⅰ期VSP径向分量

Fig.7 Radial VSP component of phase I

图8

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图8 Ⅱ期VSP径向分量

Fig.8 Radial VSP component of phase Ⅱ

利用本节所述方法进行两期VSP资料的一致性处理就是要消除VSP资料中非储层因素引起的不一致性。Ⅱ期VSP资料经过一致性处理后(如图9),Ⅱ期VSP资料与I期VSP资料的波组特征基本一致,处理效果较好。

图9

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图9 一致性处理后的Ⅱ期径向分量

Fig.9 Radial VSP component of phase Ⅱ after consistency treatment

为了更好地比较一致性处理效果,对A井201°、214°、221°、229°、236°等不同方位非零偏VSP两期资料进行一致性处理后,再采用完全相同处理流程进行波场分离和VSPCDP叠加成像处理。图10和图11分别为两期资料最后的叠加成像剖面,可以看出,经过一致性处理后,两期的主要反射P波波场特征一致性较好,达到了两期VSP资料一致性处理的目的。

图10

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图10 Ⅰ期VSPCDP叠加成像

Fig.10 VSPCDP overlay imaging of phase Ⅰ

图11

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图11 一致性处理后的Ⅱ期VSPCDP叠加成像

Fig.11 VSPCDP overlay imaging of phase Ⅱ after consistency treatment

3 时延VSP资料差异性分析与解释

经过前期资料的采集和精细处理后,时延VSP资料是否能够真正发挥作用,很大程度取决于资料的解释。对注水地层特性的时延VSP地震反射波特征分析,能够更清楚了解注水运移以及盖层封堵情况。时延地震资料解释分为直接分析法和地震属性分析法两类。直接分析法主要是利用单个地震属性差值对时延资料进行解释,例如层间时差分析法、振幅分析法、频谱分析法等,方法简单直观,易于操作。地震属性分析法主要是从基于多种地震属性的时延地震资料解释方法,包括瞬时属性、层间属性和平面属性等。不同属性代表不同地质意义,如表1所示。

表1 基本地质属性及其地质意义

Table 1 Basic geological attributes and geological significance

基本地质属性	地质意义
振幅	岩性差异、地层连续、孔隙率
频率	地层厚度、岩性差异、流体性质
反射强度	岩性差异、地层空间、地层复合
层速度或波阻抗	岩性、孔隙率
AVO	流体、岩性

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A井采用多方位非零偏VSP采集,在完成两期资料一致性和归一化处理后,静态时延得到基本消除,振幅频率更加均衡,进行VSPCDP叠加成像后,可以直接采用振幅属性进行时延VSP资料解释。

对A井零偏VSP资料进行处理和解释,准确标定反射波组的地层信息,尤其是CO₂注入目的层和盖层信息,保证后续处理和解释的可靠性。结合地质钻测井资料,A井VSP观测井段未钻测到目的层,预测A井CO₂注入目的层位置为714 ms,盖层位置为647 ms。选择合适的剖面能量显示方式,可以看到CO₂注入后目的层在Ⅰ期、Ⅱ期VSPCDP成像差值剖面上表现为明显振幅能量变化(如图12所示)。由此,利用同一激发点两期环形VSP成像目的层振幅差异,确定CO₂注入后运移的位置,利用不同方位不同偏移距两期环形VSP成像目的层振幅差异,最终确定CO₂注入后运移的范围。

图12

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图12 Ⅰ期、Ⅱ期剖面的差值剖面

Fig.12 The difference section of phaseⅠ and phase Ⅱ

4 结论

本文给出了时延非零偏VSP资料的处理技术流程,针对时延资料的同一偏移距炮内一致性和两期实测非零偏VSP资料一致性处理进行了处理流程分析研究和实际应用分析。实际资料处理结果表明,一致性处理方法能有效消除非储层区域由于震源子波或者其他因素引起的资料不一致性问题,有利于后期时延资料的差异性分析与解释。

本文对时延资料进行了求取两期成像剖面差值来进行简单差异性分析与解释的研究,还可结合实际地质要求采用其他属性分析方法进行时延资料差异分析,不作为本文重点讨论范畴。

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