第五节 垂直地震剖面法
多年以来地震勘探工作一直是在地面布置测线设置排列这种方法称为水平地震勘探方法。所得剖面是常规的地震剖面。近些年来 出现了在井中
与地面结合起来设置观测系统的地震勘探方法。该方法在地表附近激发在井中不同深度布置一些检波器进行观测。即 :检波器放在井中,测线沿井孔垂向布置所以这种方法称为垂直地震剖面法简称为 VSP(Vertical Seismic Profiling) 。当前VSP法大多采用在地面设置震源来激发地震波而在井中安置测井检波器的观测方法。
垂直地震剖面法有一些明显的特点
1 接收点分布在介质内部。
因VSP法的测井检波器是被安置在井中故 VSP的接收点是分布在被测介质内部的 因此它可用接收点的垂直方向分布形式来研究地质剖面的垂向变化而水平地震观测则是以接收点在地表的水平方向分布形式来观测和研究地下地质剖面的垂向变化的所以前者能更明显、更直接地反映波的运动学
和动力学特征。
可记录被研究对象的“单一”地震波由于 VSP的测井检波器置于井中故可将其放置在被测地层界面之上、附近或其中间 因此检波器可直接记录由震源产生而传播到所研究对象的“单一”地震波。而常规勘探由于检波器置于地表故只能间接接收由震源产生而又返回地表的双程地震波。
干扰因素少VSP在井中观测可以避免或减少地面以上的自然干扰而水平地震测量则所受干扰因素较多。所以前者是易于波的记录和识别。
可记录上行波和下行波 VSP在井中观测 即可记录到来自观测点下方的上行波 (如反射波) 又可以记录到来自观测点上方的下行波 (直达波) 而水平地震测量只能记录到上行波是无法记录到下行波的因此在垂直地震剖面上波的信息是很丰实的。
VSP由于具有这些特点所以得到日益广泛的应用。 目前垂直地震剖面除了用于改善地面记录剖面的解释外还可用于测定平均速度、反褶积因
子、反射系数、衰减系数等物理参数还可以识别多次波、改善信噪比、提高地震分辨率从而用于提取岩性信息和研究井孔周围细微的地质结构。 由此可见随着VSP技术进一步发展垂直地震剖面法的探测能力和地质效果必将进一步得到发展和提高。
一、垂直地震剖面中出现的几种主要地震波
垂直地震剖面地震波动画演示
在垂直地震剖面中出现的地震波有上行波和下行波。上行波中又可分为一次反射波和多次上行波。下行波中可分为初至直达波和下行波。另外还有井
筒波和其它干扰波。
1 初至直达波
直达波是由震源点出发向接收点直接传播的波。即依次到达井内各观测点的初至波。直达波也称下行波。其波的旅行时间随观测点深度增大而增大
形成的初至同相轴具有正的视速度。
2一次反射波
即波由反射界面向上反射然后传播到观测点的波。一次反射波旅行时间随观测深度增大而减小且只有当观测点位于界面之上时才能记录到它。其
同相轴具有负的视速度。
3 多次波
VSP观测到的多次波有下行多次波和上行多次波凡是来自检波器以上的多次波都是下行多次波其旅行时随观测点深度增加而增大 ,其同相轴具有正视速。反之凡是来自检波器以下的多次波都是上行多次波。
4上行波
接收到来自观测点以下的各种行程的波 (无论是一次的或多次的波)统称上行波。
5 下行波
凡是接收到来自观测点以上的各种行程的波 (无论是初至直达波或多次下行波 )统称为下行波。
6 井筒波
有了以上各种波就可对波场进行分析分析下行波场可更好地确定所产生的多次波和层间多次波范围。同时用下行波来设计反褶积因子对水平地
震资料进行反褶积处理其效果优于常规地震资料的反褶积处理此外用下行直达波能较准确地测量地震波振幅的衰减藉以研究地震波在地下介质中传播的
规律。 VSP信噪比远比水平地震勘探反射波地震记录信噪比高 因而能较清楚地反映地质现象也由于 VSP反射波旅行路径较水平地震勘探反射波的旅行路径短故其具有能量强的特点便于清楚地观测地质体的细微变化还因为 VSP接收点接近目的层所以 VSP所记录的上行波比水平地震勘探中的反射波有更高的分辨率。
二、垂直地震剖面的观测方法
进行垂直地震剖面测量时通常将地震震源布置在地面或地表附近并在井中按相间较近的距离放置检波器。从原理上讲地面一次激发井中各深
度点上检波器同时接收获得一张多道的垂直地震剖面。从实际情况考虑在充满泥浆具有高温高压的深井中要在各个深度点上同时记录地震波在技术和设备
上是有许多困难的所以在生产中往往是采用单道或几道沿井逐点移动进行多次观测最后将多次观测的记录拼成一张多道记录如果震源稳定重复性好
则这种单点测量多次观测的方法与多点测量一次观测的方法其效果基本上是一致的。地面震源偏离井口的水平距离称为偏移距或井源距。在实际生产过程
为了适应各种不同的VSP采集任务 出现了各种不同的观测方法设计了各种不同的观测系统。 按震源、检波器和井三者空间位置组合关系可分为零井源距
VSP观测系统、非零井源距 VSP观测系统、变井源距观测系统等等。
1 零井源距
零井源距观测系统动画演示
从原理上讲零井源距是使震源位于观测井的井口之上如图 552所示。当地下界面水平时零井源距是不能探测井身周围的地质情况的。当地层倾斜时地层的探测范围随地层倾角而变化探测范围可用虚震源到起止观测点的两条直线所限的界面长度确定。而实际上不可能使震源点位于观测井的井口
之上一般距观测井井口都有一定的距离。最大井源距约百米小则几十米且震源位置固定。每激发一次测井检波器由井底向上提升一次。检波器间隔一
般为20m左右最小距离3m 最大50m 左右 当求取速度时一般采用等间距观测。若研究波的衰减或某一有意义的目的层时则采用小间距观测。 用零偏移距获得的资料在纵向上有较高的分辨力但在横向上仅是一个菲涅尔带的反射 因此零井源距的 VSP也称为一维VSP 。
2 非零井源距观测系统
非零井源距观测系统动画演示
非零井源距的震源固定在离所测井一定距离的位置上其检波器由下向上提其井源距的大小根据目的层埋藏深度而定。井源距和可能勘探的界面范
围之间的关系如图553所示当界面水平时且井为垂直井时非零偏移距则可勘探从观测井到震源一半距离的界面范围。当界面倾斜时勘探界面的范围与
倾角有关勘探范围可用虚震源图 554在斜井中作VSP观测对井中最浅和最深的两个检波点所引直线截取的界面段近似地确定。显然对于同样的偏移距 ,地层上倾方向的探测范围大于地层下倾方向的探测范围所以在生产中将震源设在地层上倾方向是有利的。
3斜井 VSP观测
垂直地震部面记录经排齐后的显示方式见图 556 。 (a)是射线路径 (b) 、 (e)为相应的排齐以前的记录。 (c) 、 (f)分别是上行波和下行波排齐后的记录。 (d) 、(g)分别是(c) 、 (f) 图转动90°的结果。 转动后可以与水平地震部面进行层位对比。图 556VSP 记录排齐后的显示方式 在界面倾斜或非零偏移距的情况下下行直达波和上行反射波的同相轴都是双曲线如图 557( a) 。进行静态时移上行反射波和下行初至波仍不能排齐。如图 557(b)和557(c )。为了将同相轴较直还需进一步作动校正。动校正值与偏移距、观测点深度、反射层的双程垂直时间以及波的传播速度有关。因此应在静校正之后按类似
地面记录剖面进行动校正的方法再作校正。将上行波和下行波的同相轴较直这样校正后的同相轴就与界面产状一致。 (a)非零偏移距射线图 (b)非零偏移距上行波静校正 (c )非零偏移距下行波静校正 图557上行波与下行波的静校正经过处理后的垂直记录剖面如图 558 就如同地面记录的地震剖面一样可以直接用于地质解释。
(b) 图558经过上行波和下行波分离及时移排齐的上行波场 (a)和下行波场(b)
四、垂直地震剖面的解释和应用
1 改善地面地震资料的解释
垂直地震剖面富含地震波动力学信息信噪比高因此利用 VSP资料改善地面地震资料的解释是 VSP资料的一项基本和主要的应用。 在一些地表条件复杂或深层地质条件差的地区地面观测是难以获得高质量地面记录资料的。在这些地区应用 VSP资料可以改善地面记录资料的解释。 图559(a)是在海面上记录一条地震剖面。在这条剖面上 23s以上的反射可以识别而在 23s以下几乎未见任何反射迹象。 在这个地区钻了一口深井井深超过14,000ft 。从钻井资料得知该剖面处于礁块群内礁块群顶部反射性是较差的。但礁块群之下为基底灰岩波阻抗很大具有良好的反射条件应该产
生强反射。为了查明基底的形态在剖面中部的井孔中作了垂直剖面观测。又为了减小上覆层的屏蔽影响将气枪震源下至井中在井深 9400ft(相当20s)处激发在接近基底灰岩处观测获得了良好的 VS P剖面。如图559(c)所示。 在VSP剖面上 26s处出现了弱振幅的低倾角同相轴此系来自礁块群的反射。在29s(相当13,700 ft)附近 出现了清晰的同相轴 这就是来自基底灰岩的反射。 根据井中所作的连续速度测井资料 (图559(b)) 推断在深于13,700 ft以下为高速灰岩,这就证明VSP资料上的29s反射定为基底灰岩是可靠的。这个实例说明在地质情况复杂、地面记录质量差的地区利用 VSP资料改进地面记录部面 的解释是有效的。
(a)地面记录剖面测井曲线(c)VSP剖面 图559地面记录剖面、测井曲线和 VSP剖面的对比
2可靠地识别地震反射层的地质层位
在地面地震资料的地质解释中可靠地识别地震反射的地质层位是非常重要的一项基础工作层位对比错误或对比不准有时会对构造作出错误的解释也会引
起对油藏错误的评价。利用高分辨率和高精度的 VSP资料能建立井中地质界面与地面地震反射之间的可靠的时深转换 ,准确标定层位和计算平均速度、层速度。
3 利用VSP资料提高地面地震记录的分辨力
利用VSP资料可以改善地面地震记录反褶积的效果提高地面地震记录的分辨力。高分辨率地震勘探是目前地震勘探发展的一个重要课题 ,反褶积是资料处理过程中提高分辨率的一项关键技术。 地面记录只能测出上行波场不能测出下行波场因此地面记录剖面只能根据上行波场计算反褶积因子来改进垂直分辨率。 VSP下行波能量很强干扰少,能近似代表震源子波因此利用下行波计算的反褶积因子要比利用上行波场的低信噪比计算的反褶积因子可
靠的多。利用这种反褶积因子 ,可以对VSP下行波作反褶积,提高地面地震记录的垂向分辨率。在两张剖面的井孔部位都内插了 VSP的上行波记录剖面。对两个剖面进行比较,可以明显的看出常规处理用 VSP计算的反褶积因子处理不整合面处的地层尖灭现象是不清楚的。这说明 ,利用 VSP提取的反褶积因子对地面地震记录作反褶积比用地面地震资料本身提取的反褶积因子作反褶积其效果有明显的改善。
4利用VSP资料提高横向分辨地质现象的能力
就观察井周围地质情况的水平分辨率而言 VSP资料要比地面地震资料更高。因为 VSP观测直接靠近研究对象对地质现象的观测更细。 VSP资料水平分辨率高的另一个原因 VSP 震源——检波器布置方式所产生的第一个菲涅尔带要比地面地震资料采用的震源——检波器布置方式所产生的第一个菲涅尔带要
小。 地面记录道间距50m 在反射层的构造高点部位有可能产油。通过构造高点打了一口探井从地面记录资料来看在探井穿过构造高点附近并没有明
显的断层。在探井中进行 VSP观测记录的道间距为 76m VSP资料是在震源偏离井口3048m米获得的。由于VSP 记录的道间距比地面记录的道间距小得多因此在VSP剖面上能发现的地质细节要比地面记录地震剖面图上多得多。
在处理地面记录资料和 VSP资料时所用的时间基准不同。因此为与地面记录资料相联结 VSP资料应前移约40毫秒(Waytt和Waytt,1982)在最右边的那张图上放大的 VSP部面图象表明在探井右测的 23m处预期的生产层段上有一条明显的小断层而这条小断层在地面记录的剖面上是见不到的。
利用VSP资料研究岩性和储集层
利用VSP资料可以提取多种地震信息如地震波的旅行时、传播方向、振幅、层速度、波阻抗、衰减系数、泊松比等。而且所提取的信息有更高的精度
根据这些信息有可能判别岩性、估计孔隙度及含油饱和度甚至可能直接检测石油和天然气。 利用衰减系数可以提取岩性信息我们曾经讨论过波的衰减随波的传播路径呈指数规律变化。按弹性理论吸收系数与频率的一次方成正比 α =α0f,于是上式可写为 于是并作振幅比与频率的关系曲线 即可求出吸收系数αx,其中α为x0与x之间的累计衰减不代表岩石固有的性质于是我们取 kx=αx/(x-x0)定为间隔衰减系数。
利用VSP资料提取衰减值判别岩性左图 衰减值Kx10-6Np s/ft, 对应砂岩含量的百分比约为 6。 (5513根据能量比检测油气而右图衰减值 kx=58 ×10 -5Np s/ft, 对应的砂岩含量的面分比为 70经过证实右图反映的是多孔隙的产油层。
图5513是利用 VSP资料结合地面记录资料作油气检测的例子井孔位于图的中部井的右侧在已知礁块上低频能量有明显的正异常 由此推出左侧
的正异常也可能反映礁块补充钻井证实了这一解释并找到了产油层带。
