复杂区深井VSP层析求速度场的方法

侯爱源 李庆忠 张文波

(①中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛 266100; ②东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072750)

·处理技术·

复杂区深井VSP层析求速度场的方法

侯爱源*①李庆忠①张文波②

(①中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛 266100; ②东方地球物理公司物探技术研究中心,河北涿州 072750)

针对中国西部山前带地区叠前深度偏移速度场尤其是深层速度场难以确定的难题，提出了一种复杂区深井VSP层析求速度场的方法。该方法以零井源距VSP速度作为相对稳定值填充井径附近速度网格，并通过零井源距VSP速度加权外推建立初始速度模型，同时还给出了一种基于置信度和射线长度的VSP初至旅行时双加权层析反演的算法，通过模型试算验证了方法的有效性。

复杂区 VSP 初至旅行时 双加权层析 深层速度场

1 引言

前陆盆地是我国西部最重要的油气勘探领域，其中大部分油气聚集在山前冲断带，但是，这些地区普遍存在地下构造复杂、地层倾角大、纵横向速度变化剧烈的问题，地震数据叠前深度偏移成像结果精度低，造成了某些勘探的失利[1，2]。李庆忠[1]认为中国西部山前冲断带地区的叠前深度偏移难以取得成效的关键是速度场很难确定，主要原因是：①中国西部地区干旱山体低降速带非常厚，可达500～1200m；②山前冲断带地区几乎找不到连续的折射层，因此通过小折射或大炮初至无法求准浅层速度场[3-13]；③打深井做微测井求表层速度不仅代价很大，而且求出的表层速度未必精确；④由于山区地面地震反射数据的信噪比很低，叠加速度精度低[1]；⑤普通地面地震层析方法需要地面检波器能接收到来自地下深层的回折波，但在山前冲断带地面检波器接收不到回折波。

王卫华[2]从山地资料的横向速度变化角度分析了山地地震勘探失败的原因是水平层状介质的假设与山地的实际情况相差悬殊。王华忠等[14]认为起伏地表情况下的复杂构造准确成像的关键在于建立准确的偏移速度模型，在速度准确的情况下，可以对信噪比很低的地震数据进行准确成像。山前冲断带地震成像的关键是如何根据低信噪比和大道间时差的地震数据求取准确的速度模型。

对于地面地震的深层速度求取，常规的偏移速度分析方法不适用于山前冲断带这种复杂和横向速度剧烈变化的地区，而使用反射波旅行时做层析反演效果较好[15，16]。反射波旅行时层析反演[15-18]是基于地震反射数据CIP道集、角道集的剩余深度或剩余曲率对速度场进行更新的，但是当反射数据的信噪比很低时，无法使用反射波的旅行时做层析反演。在中国西部复杂山地地区，大部分地面地震的反射数据信噪比很低，地面地震的层析成像无法求取深层速度场。

针对这一问题，本文提出了一种复杂区深井VSP层析求速度场的方法，以解决叠前深度偏移速度场求取的问题，通过模型试算验证该方法的有效性。

2 方法原理

复杂区深井VSP层析求速度场的方法的思路是：①在复杂山区将多级井下三分量检波器下到几口井的不同深度，推靠在井壁上； 在井口安置GPS授时无人值守地震仪，全天候接收地震记录；在山上用小药量多炮激发，接收直达初至波，然后根据井下三分量检波器接收的直达初至波旅行时，采用层析的方法反演山体的速度场；②用类似于二维VSP(即Walkaway VSP[19])或三维VSP的勘探方式，在多口井的井下放置多级井下三分量检波器接收VSP的直达波，用层析方法反演深层的速度场。

复杂区深井VSP层析求速度场的方法包括初始速度模型建立方法和VSP初至旅行时双加权层析反演方法两部分内容。

2.1 初始速度模型建立

初始速度模型是复杂区深井VSP层析求速度场方法的关键因素，直接影响反演结果的质量。初始速度模型应尽可能地接近地下的真实速度模型。本文结合VSP数据的特点，在复杂区深井VSP层析求速度场反演建立初始速度模型过程中，为了使建立的模型尽可能接近真实的模型，采取以下四项策略：

(1)利用已知的构造信息。层析反演初始速度模型必须尽量接近真实速度模型，否则，反演的结果往往是不正确的。因此在建立初始速度模型时，应充分利用研究区已知的构造信息。

(2)把零井源距VSP反演所求的层速度[20]当作相对稳定值。对于VSP观测，由于接收点深度已知，所以，由零井源距VSP初至时间反演的井口附近的层速度比较可靠。因此，在建立初始速度模型时，井径上模型网格的速度直接由零井源距VSP反演所求的层速度填充。

(3)对井径附近的初始速度进行加权外推。由于井径附近网格层速度的置信度很高，在井径附近网格点上给定一个速度的加权外推距离，在该外推距离内，网格的速度等于模型已建立的初始速度与乘以不同权系数的零井源距VSP层速度之和，离井口越近权系数越大，把加权外推后的速度作为新的初始速度模型，用于深井VSP层析速度反演。

(4)模型的分层加细。为了防止射线方向扭曲及网格射线空缺，模型的分层厚度不能太大，要尽量接近实际。针对这一问题，采用如下解决办法：第一，增加模型层数。在原来速度模型的每个层内，增加2～3个小层。在给定每个小层的速度时，使多个小层的平均速度与原来大层的速度大致相等；第二，对速度模型进行平滑处理。为了提高射线分布的均匀性，减小速度突变引起的射线空白区，对速度模型进行平滑。

2.2 VSP初至旅行时双加权层析反演

通常情况下，利用零井源距VSP数据可以得到比较可信的井旁速度[20]。对于VSP初至旅行时层析反演，如果只是根据射线长度分配走时误差，可能会降低VSP井旁速度的可靠性。因此，本文引入速度网格“置信度”的概念，在深井VSP层析速度反演中建立置信度场。速度网格的置信度是指在VSP井径附近的速度是由零井源距VSP初至时间反演得到的，其初始速度模型的置信度非常高，在VSP初至旅行时层析反演中应该赋予很高的置信度，仅允许被微小地修改，而远离井径的速度可信程度则下降。图1为置信度场。为此，提出了VSP初至旅行时双加权层析反演算法，该算法有两个关键点。

图1 置信度场

(1)在修改网格的慢度时，使走时误差分配的权系数正比于穿过当前网格的射线长度，反比于该网格的置信度。那么，对于有J个网格的速度模型，如果有I条射线，则第j个网格的慢度修正公式为

(1)

(2)射线排序。在迭代计算过程中，遵循“先浅后深，先小井源距后大井源距”的计算顺序。为此，对VSP直达波的射线先按照检波器深度从浅到深、再按照井源距从小到大的顺序进行排序后做慢度修正。

3 模型试算

3.1 窟窿山二维速度模型试算

图2是窟窿山二维速度模型及VSP观测系统。A井Walkaway VSP的激发点距为100m，总炮数为101炮，接收点深度为500～5850m，接收点距为25m，总接收点道数为215道。

对图2a的真实模型进行局部平滑(51×51点的平面平滑)，加上常速扰动(-500m/s)，再利用零井源距VSP井旁速度对初始速度模型加权外推作为初始速度模型(图2b)。在反演迭代过程中，对速度模型进行局部平滑(3×3点的十字平滑)。图3为窟窿山二维真实速度模型与反演速度模型的对比。可以看出，反演速度模型很接近真实速度模型，且反演得到了深层的速度。图4为窟窿山二维速度误差对比。从初始速度误差(图4左)与反演速度误差(图4右)的对比可以看出，反演后的浅、中、深层速度误差比初始速度误差减小很多。

图2 窟窿山二维速度模型及VSP观测系统示意图

窟窿山二维模型的试算结果表明，本文方法可以比较准确地反演复杂区地下深层的速度。

3.2 却勒二维模型试算

图5为却勒二维速度模型及VSP观测系统示意图。可以看出，却勒二维速度模型在B井附近有一套与周围速度反差很大的地层(图5a椭圆内)。

B井Walkaway VSP的激发点间距为100m，总炮数为101炮，接收点间距为25m，接收道数为255道。在建立初始速度模型时，对真实模型(图5a)进行51点大尺度十字平滑，加上-500m/s的速度扰动，再用零井源距VSP井旁速度进行加权外推得到的速度模型作为初始速度模型(图5b)。图6为却勒二维真实速度模型与反演速度模型的对比。可以看出，本方法反演出了B井附近速度反差大的层(与图5a椭圆内速度接近)。图7为却勒二维初始速度误差与反演速度误差的对比。由图7右可见，浅、中、深层的反演速度误差比初始速度误差减小很多。

却勒二维速度模型的反演结果表明：本文方法不仅能比较准确反演复杂地区的深层速度而且能反演速度反差大的地下深层速度。

图3 窟窿山二维真实速度模型(左)与反演速度模型(右)的对比

图4 窟窿山二维初始速度误差(左)与反演速度误差(右)的对比

图5 却勒二维速度模型及VSP观测系统示意图

图6 却勒二维真实速度模型(左)与反演速度模型(右)对比

图7 却勒二维初始速度误差(左)与反演速度误差(右)对比

4 结论

(1)利用已知的构造信息，零井源距VSP井旁速度作为相对稳定值填充井径附近速度网格，零井源距VSP井旁速度加权外推及模型分层细化可建立更接近实际速度模型的初始速度模型；

(2)基于置信度和射线长度的VSP初至旅行时双加权层析反演算法以及射线排序可使层析反演的速度模型修正更合理；

(3)两个复杂区模型的试算结果表明本文方法的有效性及适用性。

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*山东省青岛市崂山区松岭路238号中国海洋大学海洋地球科学学院，266100。Email:houaiyuan@cnpc.com.cn

本文于2017年2月24日收到，最终修改稿于同年8月25日收到。

1000-7210(2017)06-1150-06

侯爱源，李庆忠，张文波.复杂区深井VSP层析求速度场的方法.石油地球物理勘探，2017,52(6):1150-1155.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.004

(本文编辑：金文昱)

侯爱源 教授级高级工程师，1966年生； 1985年毕业于华东石油学院物探专业; 1998年毕业于成都理工学院数学地质专业，获硕士学位。现在中国石油集团东方地球物理公司物探技术研究中心从事VSP方法研究。