地震虚源法技术

地震虚源法技术张荣忠;曹玉玲;郭良川【摘要】为应对地震成像中上覆层的复杂性问题,R.Calvert和A.Bakulin提出虚震源法,用于近地表精确速度建模.笔者阐述了地震虚源法的原理,与井间地震技术的对比,国外在时移地震监测、成像和虚横波源等三个方面的应用现状.文章将对有关人员了解该技术起到一定帮助指导作用.%In order to tackle the problem of complex overburden formation, R. Calvert and A Bakulin of Shell developed the virtual source method, which can solve the problem of building accurate velocity model. In this paper, the authors have dealt with the principle of virtual source, made a comparison with the crosswell seismic technology, and described its application in such aspects as time-lapse monitoring, imaging and virtual-shear wave. The results can provide some guidance for the understanding of this method.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2012(036)002【总页数】6页(P208-213)【关键词】虚源法;VSP;干涉测量;时移地震;地震成像;虚横波源;井间地震【作者】张荣忠;曹玉玲;郭良川【作者单位】中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院,山东东营257022;中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院,山东东营257022;中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院,山东东营257022【正文语种】中文【中图分类】P631.4上覆层的复杂性是地震成像的主要问题。

在各个空间方向，速度的急剧、大幅变化会产生强的散射，从而严重扭曲并弥散波前的传播。

这时，基于几何射线理论或其他近似的常规成像技术不能描述波的传播，成像结果也不好。

如果能够建立详细上覆层速度模型的话，波动方程成像可以得到比较好的结果。

不过对所有成像方法来说，要得到精确的速度难度都很大。

在常规地震勘探中，震源和检波器都在地表。

VSP勘探在井中进行记录，可以得到较高频率成像。

大家普遍认为，信号只穿过近地表一次，以及可以用测量得到的子波进行更好地反褶积是VSP成像频率高的原因。

井间地震和单井地震都是将震源和检波器放在井孔中，可以进一步提高频率，完全避免近地表和上覆层畸变。

为应对复杂地区地震成像的挑战，壳牌国际勘探与开发公司的Rodney Calvert和Andrey Bakulin倡导提出虚震源方法。

Bakulin等人从采集方面入手来解决问题：将检波器置于非常复杂上覆岩层之下，在地表激发，然后应用时间逆技术，该技术不需要建立速度模型，就能消除近地表所有的透射效应。

每个检波点变成一个虚震源(VS)，该技术因此而得名［1-2］。

这种新的方法介于VSP、井间地震及单井地震之间。

这种方法的采集方式与VSP相同，将检波器放在井中、震源在地面，不过却是计算得到与井中震源-检波器相对应的数据。

得到的波场对应一种新的排列形式，震源和检波器都在井中，位于上覆层之下。

由于井下震源是用计算机模拟出来的，且位于井中检波器位置处，所以将其称为虚震源，并把这项技术称为虚震源法(VSM)。

过去几年里，由Jorge Lopez领导的油藏地球物理项目组达到顶峰。

该团队集中了壳牌公司大多数的虚震源专家，集中研究虚震源方法。

在2001～2006年，他们将该方法发展成为一种可行的技术，壳牌公司最先获得该技术的专利权，并将该技术应用在很多方面，如复杂上覆层下成像，时移地震监测，虚横波震源等。

1 地震虚源法的原理震源发射信号，波在均匀介质向所有方向传播(图1a)，用检波器排列记录围绕震源闭合面上每一点的波场。

如果将每个检波器转换为一个震源，并在时间逆的时序中发射记录的波场，那么，就可以在逆时间中重新生成波动(图1b)。

试验中，时间逆信号产生波，波向中心传播，并恰好落在原始震源位置。

能量落回原始震源位置之后，波又开始发射而离开原始震源。

这种波好像是虚震源处真存在一个物理震源。

由于可以直接测量地面震源和井中检波器间及虚震源和每个地面震源间的透射响应，通过时间逆可以把能量聚焦回虚震源点。

因而，不要求震源和检波器间介质速度。

由于时间逆从本质上是一种全波动方程法，所以虚震源法对虚震源和实际震源间介质的复杂性也没有约束。

图1 解释时间逆的简单试验［3］2 VS 数据的生成［1，4］VS数据是通过相关算法得到的。

检波器置于井孔中，记录非均质近地表的下行波场(黑色箭头)和更深目标层的反射信号(红色箭头)［1］。

首先，在井中任意检波器位置选取一个VS位置，如图2中的Rα。

然后，选取检波器Rβ，计算Rβ处所对应的地震道。

对零井源距地震道，α=β，同一个检波器位置拾取两次。

所选取VS 检波器对的井中地震道Dαβ(t)可用公式估算，式中，Skβ(t)是地面第k个震源、检波器Rβ记录的地震道;Skα(-t)是震源 Sk、虚震源位置检波器Rα记录地震道的时间逆部分。

图2 虚震源试验［1］3 地震虚源法进行时移地震监测生成VS数据不要求检波器之上的速度模型，这样就降低了非重复采集和上覆层变化的负面影响，这一点对于4D地震监测具有深远的意义。

K.Mehta、J.L.Sheiman 等［5-7］和 V.Korneev、A.Bakulin等［8］分别研究了地震虚源法在墨西哥湾Mars油田和中东进行时移地震监测的应用。

虚源法的第一个成功应用是在 Peace River油田［1］。

在加拿大的Peace River油田，通过蒸汽吞吐开发稠油储层。

研究表明，储层的蒸汽路径很难模拟，必须改变蒸汽注入方案，提高采收率。

油田上覆的冰川河道和地表的季节性变化影响资料品质和地面地震的可重复性，利用虚震源法监测来寻求解决方案。

采集了4D VSP数据，进行综合油藏监测(图3)。

斜井中有50个永久3C 检波器(绿色三角)，地面的炮线上有100个炮点(绿色三角)。

用相同的炮线，同时用井中和地面检波器进行接收。

图3 加拿大Peace River油田4D VSP采集观测系统图4 45°斜井VS数据叠前深度偏移的最终成像时移地震所用的基础数据是2002年9月首次注蒸汽时采集的，监测数据是2002年12月注蒸汽周期结束时采集的。

VS数据的叠前深度偏移可以得到令人满意的成像(图4)。

箭头所指为储层顶、底。

注意储层顶及其下的强时延信号;尽管VSP 采集是不重复的，但储层顶之上的信号高度重复。

图5为用完全相同的炮对地下同一地方的成像结果，成像和4D响应的细节差别很大。

在图5地面数据中只有储层顶、底(箭头所指分别为储层顶、底)，而图4的VS成像则具有更高的频率和分辨率，除储层顶、底之外，还有储层内同相轴。

将储层段放大，可以识别出一隐蔽的垂直断层和间隔，而且在断层的左、右两侧也不相同;在地面地震资料上则无法进行如此精细的识别(图6)。

由VS成像可知：储层内间隔在深蓝色断层的左、右两端膨胀和收缩不同。

图5 地面震数据叠前深度偏移成像图6 图4储层段的放大比较4 虚震源法用于改进成像应用变井源距VSP或3D VSP可以生成盐体中的虚震源。

应用这种方法可以进行盐体和盐基底之下的成像，评估钻井风险。

也可以用于陡倾盐体侧翼的精确定位［9］。

在墨西哥湾，当钻井穿过厚的盐体时，从地面地震资料可以看出，钻井的路径可能有一些潜在风险(图7)：①在至盐基底约半程处，有一小而亮的盐内同相轴，其性质不确定(是假象或是风险);②复杂的盐基底界面，可能之下有超压的砂岩。

图7 墨西哥湾野外实例的地面地震和变井源距VSP采集观测系统为了提前得到钻井轨迹的高分辨率成像，应用了虚震源技术，在预计盐基底之上约4 000 ft进行变井源距VSP。

VSP数据集包括40个检波器，间距50 ft;将数据集转换为1 600个震源-检波器对，对窄的井轨迹进行照明。

这种高覆盖次数数据集证实：盐体内的主要地震特征实际上是盐体内部反射，不是地面地震的多次波。

仔细地研究虚震源道集可以估算盐体内反射层的倾角、时间和地震特征。

由虚拟校验炮进行盐体速度估算，在钻井前预测反射层深度2 000 ft，有50 ft的不确定性;根据预测指导钻头，钻遇2 ft的杂质岩。

相似的分析还预测到盐基底的深度为4 000 ft，有70 ft的不确定性。

该预测也得到钻井结果的证实。

进一步分析虚震源资料中盐基底反射，发现盐下350 ft处有一亮同相轴，可能为油气显示，也得到井资料证实。

另外，为了对盐丘边界及相邻近的沉积层进行成像，Lu Rongrong、Mark Willis 等提出一种对盐丘侧翼及相邻沉积层进行成像的策略［10］，方法有两步：(1)重建基准面和偏移。

在重建基准面方法中，应用足够的孔径采集WVSP数据集，得到盐侧翼反射的回转射线能量。

然后将数据分出共检波器道集。

将同一地面炮的连续的成对的地震道进行互相关(干涉测量)。

将最终的互相关记录进行叠加，得到的地震道代表井孔中放炮、井孔中检波器记录。

对井孔中所有检波器位置重复以上过程，生成有效的炮道集。

由于该过程可以自动完成，所以在采集过程中就可以完成。

(2)进行两次偏移扫描。

第一次扫描，用简单的v(z)速度模型描述盐边界;第二次扫描用包括第一次偏移拾取盐边界的速度模型揭示沉积层。

这种方法是面向目标的，至少比一般的成像方法快3倍。

另外，也不需要对复杂上覆层迭代成像。

方法要求有足够的采集孔径，以获得盐丘和沉积层的反射。

做试验应用的是声波模型资料，还要做更多的工作，将方法扩展到弹性多分量数据及3D盐丘目标。

另外，方法若应用于野外数据还需测试对噪声震源的敏感性。

5 虚横波源由于S波在分辨率和识别孔隙流体方面的优势，在勘探和储层描述中得到广泛应用。

通常，反射S波的地下成像要比反射P波的分辨率高。

同时应用P波和S波比仅应用P波可以提供更精确的孔隙流体和岩性属性信息;此外，应用S波还可以识别裂缝方向。

但是，由于施工和地下条件的限制，制约了其应用。

Bakulin和Carvert［11］将虚震源概念扩展到横波地震法，用一个inline水平方向(SV)震源和井孔中水平分量检波器生成虚横波震源数据。