基于walkaround VSP的裂缝检测方法及应用

陈占国,陈 林,张卫红

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

基于walkaround VSP的裂缝检测方法及应用

陈占国,陈 林,张卫红

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

研究油气储层裂缝发育情况是降低油气勘探风险,有效开发油气资源的重要任务之一。研究了利用walkaround VSP资料下行qP波的振幅、速度和极性方位各向异性特征分析裂缝参数的方法和流程。其中通过反褶积和伪透射系数( pseudo transmission coefficient,PTC)处理消除了上覆地层对振幅的影响;通过计算与各向异性有关的局部速度避开炮点高程和偏移距及上覆地层对旅行时的影响;提出的相对极化角方法校正了偏振极性受炮点位置的影响;最后通过最小二乘椭圆拟合方法分析了qP波的振幅、速度和偏振极性随方位的变化特征,统计了储层的裂缝走向和发育情况。应用结果表明,3种属性分析的结果吻合度较高,且和横波分裂方法的分析结果一致,从而证明该方法可靠性较高,是一种通过walkaround VSP预测裂缝的有效方法。

walkaround VSP;裂缝;各向异性;振幅;速度;极性

与裂缝方向和流体分布非均质性有关的各向异性研究是地震勘探的重要内容,已成为现今地球物理领域的研究热点之一。缝洞型油气藏是我国油气勘探开发中一种十分重要的油气藏。在碳酸盐岩和火山岩储层中,油气藏主要为缝洞型,即使在碎屑岩储层中,也有相当一部分油气藏为裂缝型。因此识别裂缝型储层对于油气勘探开发,特别是碳酸盐岩地区的油气勘探开发具有重要的现实意义[1]。

VSP裂缝储层预测技术多以基于横波分裂的检测技术为主,但横波受地表影响严重,信噪比和频率较低,同时国内外利用VSP检测裂缝较多采用双横波震源激发的四分量技术,这种横波勘探方法激发条件苛刻,勘探成本较高,难以广泛应用[2-8]。基于方位各向异性的纵波方法在地面地震裂缝检测技术中扮演着重要的角色。与其它技术比较,纵波更低的采集成本和相对成熟的处理技术,使得利用纵波来进行裂缝预测更具现实性[9-12]。walkaround VSP,其多方位采集的特点,使地震波纵波速度、振幅等多种属性携带了裂缝的方位各向异性信息;而井中接收的方式,使地震波受地面影响少,衰减小,信噪比较高;同时多分量多方位接收的方式能够记录与裂缝方位各向异性有关的纵波偏振信息。因此walkaround VSP纵波的这些特点对分析预测地层裂缝非常有利。但是国内外通过walkaround VSP纵波信息研究裂缝各向异性的应用实例较少,而且walkaround VSP观测方式在国内也少有采集。因此通过借鉴地面地震中纵波属性分析裂缝的一些方法和手段,结合walkaround VSP自身特点,研究利用其qP波信息分析井旁裂缝情况的方法和流程,对提高井旁裂缝预测的可靠性具有实际意义。

根据裂缝介质中地震波的传播理论[13],包含一组垂直定向排列的裂缝系统影响地震波的方式取决于裂缝的尺寸与占主导地位的地震波波长的相对关系。如果裂缝尺寸比信号中的主波长小得多,则裂缝导致介质像一个有着与裂缝走向垂直对称轴的等效各向异性地层,因此qP波的振幅、速度和偏振极性的方位各向异性与裂缝的走向有关[14]。本文介绍了利用qP波振幅、速度和偏振极性随方位的变化特征来综合分析地层的裂缝发育情况的理论;结合walkaround VSP的采集方式的特点,研究了利用walkaround VSP多种属性检测裂缝的方法,总结出一套实用的处理流程;最后通过一口井实测的walkaround VSP资料验证了方法技术的实用性。

1 qP波地震属性与裂缝关系

假设裂缝只有一个主走向,则多方位观测的VSP的qP波的振幅、速度和偏振极性等属性可以用一个最小二乘椭圆来拟合,椭圆拟合的长、短轴的走向与裂缝方位有关,而长轴A和短轴B的比值可以表示各向异性百分比程度(图1)。

(1)

研究表明,对于简单介质,qP波沿裂缝走向和垂直裂缝走向传播时的速度不同,从而导致qP波振幅响应的变化[13]。这种qP波通过裂缝介质表现出来的方位各向异性特征是进行裂缝检测的直接参数[15-16]。对于固定炮检距,直达qP波通过裂缝介质时的振幅响应R与炮检方向和裂缝走向之间的夹角φ(图1)有如下关系[17-21]:

(2)

式中:C为与方位振幅有关的偏振因子(均匀介质下透射强度);D为与方位振幅有关的调制因子；θ表示裂缝走向。显而易见,当φ=0时,振幅R最大;随着φ的增大,R变小;当φ=90°时,R最小。因此,振幅椭圆拟合的长轴对应着裂缝的走向[9]。

图1 椭圆拟合裂缝走向

与振幅与裂缝方位的关系一样,速度v与炮检方向和裂缝走向之间夹角φ也满足公式(2)的形式[22],只不过R用v代替,C表示为与速度有关的偏振因子(方位速度平均值),D表示为与方位速度有关的调制因子。因此速度椭圆拟合的长轴也对应着裂缝的走向[23]。

最近的研究表明,沿着垂直井方向测量的qP波的极化角ψ与介质的弱各向异性有关[24]:

(3)

式中:Q为垂直慢度;Φ为方位角;vP为垂向速度;Sn是与局部各向异性有关的参数。方程(3)表明可以通过测量极化角来确定介质的各向异性参数。由于极化角ψ的余弦与局部速度vP成比例(一阶近似),所以极化角的椭圆拟合的短轴对应了裂缝的走向[14]。

2 裂缝参数提取方法

2.1 qP波波场预处理

在裂缝分析之前要对原始数据做一些预处理,以分离下行qP波场。这些处理包括：通过偏振分析方法对水平分量检波器方位的旋转;对垂直分量和径向分量的旋转以及中值滤波等。由于要通过振幅来分析方位各向异性特征,因此不需要采用几何扩散补偿等手段对振幅进行处理。

2.2 qP波振幅属性提取

为了降低随机干扰对初至波能量的影响,对下行qP波场,在初至附近的一个时窗里提取初至的均方根(RMS)振幅。一般情况下,尤其对于陆上walkaround VSP采集,受地形条件限制,不能采用等高程、等偏移距的规则排列进行观测,同时也受地表激发条件及上覆地层等因素影响,qP波的RMS振幅与炮点方位表现出很强的相关性。这种非裂缝因素对振幅的影响往往远强于地层裂缝对方位振幅的影响,因此必须予以消除。

首先消除近地表激发条件对qP波振幅的影响。如图2所示,不同方位的炮点处地表地质条件不同,同时近地表也存在非均匀体,这些因素导致震源激发能量不同,子波的形态和能量也存在差异。为此设计一个零相位反滤波算子,通过反褶积将下行qP波能量相对均衡，同时也对子波整形。具体做法是选择每一炮集的最浅层检波点下行qP波记录作为反褶积参考道,对该炮集qP波记录进行反褶积处理。这相当于将每一炮的能量用最浅层检波点归一化,用最浅层检波点对波形整形,以此消除最浅层检波点以上地表部分及激发条件对qP波振幅的影响。

接下来消除地形和上覆地层各向异性对目标层振幅的影响。在陆上勘探中,受地形限制,各炮点的高程及偏移距往往不一致,使地震波传播距离不同,衰减也不一样，同时上覆地层的各向异性影响也会传递到目标层。在井中,相邻检波点垂直深度差别不大,同一炮两个检波点接收的qP波传播路径可以认为是相同的(图2)。因此,相邻两个检波点之间地层的伪透射系数(pseudo transmission coefficient,PTC)可用目标地层顶、底部检波点的圴方根(RMS)振幅AT和BT的比值表示:

(4)

经过计算伪透射系数,相当于将同一炮相邻两个检波点之间对振幅影响相同的因素(如传播距离、子波形态、目标层上覆地层等)抵消掉,此时的PTC值就可以认为只受一个因素影响,即目标层处的裂缝或各向异性引起的qP波振幅变化。

图2 上覆地层对qP波振幅的影响示意

2.3 qP波局部速度计算

变化较大的炮点高程及偏移距是造成qP波初至旅行时和炮点位置表现出很强相关性的主要原因,其次才是上覆地层各向异性。这些影响造成的旅行时时差较难校正。高志凌等[25]提出了一种沿射线方向计算非零偏VSP局部层速度的方法,这种层速度比沿垂直方向计算的VSP速度更接近偏移速度。本文将这种速度计算方法引入到walkaround VSP层速度的计算,并通过该局部层速度分析walkaround VSP裂缝各向异性,这种层速度比沿垂直方向计算的层速度对局部方位各向异性更为敏感。

如图3所示,一般情况下,有偏VSP的偏移距远大于井中两个相邻检波器的间距,我们可认为相邻两个接收点的直达qP波传输路径相似,两接收点直达qP波传输路径之差(Δs)为两接收点垂直间距(ΔH)与直达qP波相对垂直方向入射角α(通过偏振分析可以得到)余弦的乘积,则两个检波点之间的局部速度可近似的表示为:

(5)

式中:ti和ti+1表示相邻两个接收点的初至时间。通过偏振信息和走时信息计算的层速度与常规的沿垂直方向计算的层速度相比,更能反映地层各向异性分析特征变化。

图3 qP波局部速度计算示意

2.4 qP波相对极性计算

通过偏振极性分析裂缝是VSP等多分量地震的一大优势。在各向同性介质中,P波的偏振方向与波的传播方向一致;在各向异性介质中,qP波偏振方向不再平行或垂直于波传播方向(图4)。由公式(3)也表明,接收点处质点的运动引起的qP波偏振现象与地层的局部各向异性有关。通过三分量记录的偏振分析可以获得每个检波点处的qP波相对井轴(z轴)的偏振角,这个偏振角除了与局部各向异性有关外,也与炮点位置有关。为了消除炮点位置的影响,提出了一个相对偏振极性来表示各向异性引起的偏振方向变化。如图4,当地震波经过裂缝地层后,在裂缝地层中的检波器接收到的qP波的垂向偏振方向为红色射线所指,假设检波点以上地层各向同性,P波的垂向偏振方位为蓝色射线所指,这两个偏振方向之间有相对偏差,我们利用这个角的相对变化来表示各向异性:

(6)

式中,Pani是偏振分析的qP波相对垂直方向实际偏振角;Piso是在假设地层是各向同性介质条件下,通过射线追踪的方法计算接收点处的射线垂直入射角;ψr的大小表示各向异性的程度。如果通过椭圆拟合ψr值,那么和公式(3)有所区别的是,通过相对偏振处理后,椭圆的长轴指示的方向为裂缝的走向方向。

图4 qP波偏振极性示意

2.5 椭圆拟合

经过对振幅、速度和极性进行处理,消除了各种观测痕迹和上覆地层的影响后,这些属性就能反映目标地层的裂缝引起的各向异性情况。因此,分别就目标层中同一深度、不同方位的属性通过最小二乘椭圆进行拟合,然后计算椭圆长轴方向及长短轴比值。椭圆拟合时可以对属性中的一些异常值进行剔除,有必要时做适当的平滑处理。最后对于目标地层,统计各个属性计算的椭圆长轴方向和长短轴比,综合分析后得到裂缝的主方位和各向异性程度。

3 实际资料应用

实际应用中，我们采集了山西某煤层一口气井的walkaround VSP数据。该数据共有24炮,从正北顺时针方向起0～345°,每15°一炮(图5);10m间距32级三分量检波器接收;接收井段在距井口650～960m深度处。目标层位于富含煤层气的790～850m深度的山西组和860～960m深度的太原组。由于工区的山地地形条件复杂,从图5中可以看到,炮点偏移距不是等距离的,同时炮点高程也不在同一水平面上,这样的观测条件为各向异性分析带来了困难。

在裂缝分析之前对原始数据进行水平分量旋转、径向和垂向分量旋转、波场分离等预处理,最后得到下行qP波场(图6)。

首先对振幅进行分析。对下行qP波场,我们选择每一炮最浅层650m深度处检波点记录作为该炮记录的参考道,对整炮记录反褶积。图7是最浅层检波点反褶积前、后的记录,从图中看到,反褶积后记录能量得到均衡,后续的多次波基本消失。然后我们在初至附近30ms的一个时窗里,提取目标层不同方位反褶积后qP波的RMS振幅(图8b)。对比反褶积前目标层qP波的RMS振幅(图8a),可以看到原始RMS振幅和炮点的方位表现出高度相关性,而且不同方位振幅级别相差很大;反褶积后的不同方位qP波RMS振幅还存在一定的相关性,但是不同方位之间能量的级别有所减小。如果仔细观察图8b和图5就会发现,偏移距小、高程低的方位上振幅较大;反之振幅较小。也就是说,炮点偏移距和高程对反褶积后RMS振幅影响还比较严重,必须通过计算伪透射系数(PTC)的办法消除。从计算的反褶积后RMS振幅的PTC值(图8c)可以看出,不同方位的PTC值与炮点方位相关性得以消除,此时可以认为PTC是裂缝各向异性引起的qP波振幅的变化。最后通过椭圆拟合不同深度各个方位的PTC值(图9),并统计的山西组地层的各向异性的平均值为7.5%,裂缝走向为82.5°和127.0°,太原组地层各向异性平均值为6.4%,裂缝主走向97.0°。

图5 walkaround VSP炮点偏移距分布(a)以及炮点的高程分布(b)

图6 预处理分离出的下行qP波部分炮集

图7 最浅层检波点道集(深度650m)反褶积前(a)和反褶积后(b)记录

图8 qP波原始RMS振幅(a);反褶积后的RMS振幅(b)以及qP波伪透射系数(c)

图9 振幅各向异性椭圆拟合结果

随后对速度进行分析。首先拾取qP波初至时间,通过图10a的雷达图看到,初至时间依然与炮点偏移距及高程(图5)存在很强的相关性,这是不能利用走时分析方法分析复杂地形条件下walkaround VSP资料各向异性的主要原因。因此利用初至和偏振分析得到的偏振信息计算与各向异性有关的局部层速度,从局部层速度(图10b)中看到,炮点偏移距及高程与局部层速度的相关性基本消除。结合椭圆拟合的结果(图11),统计在山西组和太原组地层中,各向异性平均值都为5.6%左右,而且裂缝的主方位角都为127°。

最后对极性进行分析。通过偏振分析得到qP波相对垂直方向的偏振极性。炮点偏移距和高程对偏振极性的影响虽然不像其对振幅和旅行时的影响那么明显(图12a),但是还是需要经过相对偏振处理预以消除。消除后的偏振极性(图12b)的变化就表示裂缝地层各向异性特征。图13是椭圆拟合的偏振极性各向异性结果,从结果看椭圆长轴基本都指向北西方向。最后通过统计,山西组地层的各向异性程度平均值为7.1%,裂缝主方位角为112°,太原组地层各向异性程度平均值为5.6%,裂缝主方位为142°。

图14是对3种属性计算的裂缝参数综合分析的总结。目标层振幅、速度和偏振极性所表现的方位各向异性虽然存在具体差异,但是基本方位总体一致。综合统计后,山西组地层的裂缝方位集中指向120°,与通过横波分裂算法计算的该层的裂缝方位120°(图15)完全一致。太原组地层的裂缝主方位127°也与横波分裂算法计算结果一致。对于裂缝引起的各向异性程度,3种属性的各向异性程度曲线趋势很好的吻合(尤其对于太原组地层)。对3种属性的各向异性程度值求平均，得到山西组地层的各向异性平均值为6.7%,太原组地层的各向异性程度平均值为5.8%。

图10 qP波初至波旅行时(a)以及局部速度(b)

图11 速度各向异性椭圆拟合结果

图12 qP波原始偏振极性(a)及其相对偏振极性(b)

图13 偏振极性各向异性椭圆拟合结果

图14 通过振幅、速度和极性综合分析的裂缝参数

图15 横波分裂方法计算的目标层的裂缝方位

4 结论

文中结合实际walkaround VSP资料研究了通过下行qP波振幅、速度和偏振极性的方位各向异性特征分析储层裂缝参数的方法和流程。应用研究表明,炮点激发条件、地形条件和上覆地层中各种因素严重影响了walkaround VSP资料方位各向异性特征,进而影响到对目标层裂缝参数的预测,因此消除这些观测痕迹的影响是利用qP波的各种属性正确分析地层裂缝参数的关键。文中通过最浅层检波点反褶积和PTC处理有效地校正了目的层上覆地层对振幅的影响。通过引入计算与各向异性有关的局部速度方法分析各向异性能避开炮点位置和上覆地层对旅行时时差影响较难消除的弊端。在偏振极性分析各向异性时,提出的相对偏振极化方法消除了炮点位置对偏振极性的影响。最后通过最小二乘椭圆拟合3种属性得到裂缝的主方位和各向异性程度参数,并进行综合统计,能避免单个属性的分析误差,提高了统计结果的可靠性。最终3种属性的统计分析表明,统计后目标层的裂缝主方位清晰集中,和横波分裂算法计算的裂缝方位能很好吻合,而且3种属性的各向异性曲线也有很好的一致性。这证明通过qP波的振幅、速度和偏振极性属性分析裂缝参数的方法和流程可靠有效,在实际生产中具有应用价值。

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(编辑：朱文杰)

Fracture detection method based on walkaround VSP and its application

Chen Zhanguo,Chen Lin,Zhang Weihong

(SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China)

Research on the development of reservoir fractures is to reduce exploration risk and effectively develop hydrocarbon reservoirs.The analysis method and workflow on fracture parameters are studied by using the amplitude,velocity and polarity azimuthal anisotropy of down-going qP wave from walkaround VSP data.The impact of overlaying formations on the amplitude is removed by deconvolution and pseudo-transmission coefficient (PTC) processing.The impact of shot point elevation,offset and overlaying formations on travelling-time is avoided by calculating local velocity related with anisotropy.The impact of shot position on the polarization of polarity is corrected by the proposed relative polarization angle method.Finally,we analyze the variation characteristics of the amplitude,velocity and polarity azimuthal anisotropy of down-going qP wave via azimuth by least square ellipse fitting method.Moreover,the statistics of fracture strike and development in reservoirs is carried out.The application indicates that the analysis results of the attributes match with each other and are consistent with the results obtained from S-wave splitting method,which proves the higher reliability of the method and is effective for fracture prediction by walkaround VSP data.

walkaround VSP,fracture,anisotropy,amplitude,velocity,polarity

2015-04-21;改回日期：2015-07-16。

陈占国(1985—),男,硕士,助理工程师,现主要从事VSP相关方法研究。

国家科技重大专项项目“煤层气井中地球物理勘探技术研究”(2011ZX05035003)资助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0745-10

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.013