野外VSP数据采集处理与资料质量控制研究

王修伟(中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

垂直地震剖面(VSP)作为一种不可或缺的勘探开发工具已广泛应用于油气田勘探开发的各领域中。VSP资料相对于地面地震资料来说，其分辨率和信噪比都更高[1]，井下检波器可以记录到地层内的下行波场和上行波场等非常丰富的地下信息，通过对上行波和下行波进行波场分离，在下行波中设计反褶积因子，对上行波进行震源信号反褶积，从而消除多次上行波，得到精确的一次反射波地震记录，可以提供时深关系及速度模型用来精确标定地面地震[1]。利用常规的测井曲线可推出合成地震剖面。通过垂直地震剖面和合成地震剖面将地面地震资料和测井资料联结起来，可以更可靠地标定地震反射层的地质层位[2]。

近年来，随着VSP技术的飞速发展，VSP的应用范围也进一步扩大，对VSP技术要求也越来越高，除了加快采集设备进行升级更新外，还需要提高野外采集技术与现场资料质量控制，不断提高VSP资料的采集质量，不断进行方法和技术的研究和创新，完善现有方法和技术的不足，以便有效提高VSP测井的质量和效用，取得更加精确的原始资料，更好的为油气田勘探开发生产服务，本文将详细介绍野外VSP采集作业中影响资料质量的因素和提高质控的方法。

1 观测系统设计

总起来说，根据偏移距可将VSP采集观测方式分为两种：零偏VSP和非零偏VSP。零偏VSP指震源距离井口较近，一般不超过100 m范围，检波器置于井下一系列测点的观测方式，它包含了各类直井和斜井常规零偏VSP以及Check Shot VSP；非零偏VSP为震源远离井口，检波器置于井下一系列测点的观测方式。非零偏包含的VSP观测系统比较多，且方法都比较新，测量方式都比零偏VSP先进，它包含了以垂直入射和Walk-away为代表的2D-VSP和各类3D-VSP观测系统。

目前常见VSP作业均为零偏VSP作业，其具有作业时间短、投入成本低、作业难度小、易操作等一系列优点，零偏VSP作业模式如图1所示，假设地层中存在两个不同的水平反射层P1和P2，图1(a)是它的观测系统模式图，图1(b)是它的波阻抗地质模型。

图1 VSP作业模型

2 施工方案注意事项

下面以零偏VSP作业为例，根据中海油服现有Geowaves VSP设备大量现场作业经验总结，对野外VSP数据采集与资料质量控制进行探讨。

(1)震源位置设计时，如果是倾斜地层，则根据几何地震学原理，震源应该置于地层的上倾方向，这样可以扫描到更大的地下观测范围。

(2)在VSP作业中，通常是井下检波器置于固定采集点后地面多次放炮激发，然后多炮叠加，以求提高资料的信噪比，炮数越多，信噪比越高，一般在满足信噪比要求的前提下，还得考虑到作业时效的问题，经过综合计算和实践证明，每个点取得5炮有效记录叠加为最佳炮数。

(3)采用多级井下检波器，多测点组合可以有效地压制削弱井筒波的影响，同时也可以有效地提高整体作业震源重复性，提高作业时效，缩短作业时间。

(4)常规零偏VSP作业，其探测范围受井口和震源偏移距影响较大，设井口到震源的距离为L，地下某探测层位深度为H，井下检波器所处位置深度为D，则VSP地震波能探测到该层位的最大水平距离范围为X=[1-H/(2H-D)]·L。所以，当偏移距越大，探测范围也就越大，同时，大的偏移距还能够更加有效地压制井筒波，但是大偏移距会导致求取的速度模型精度变差，根据实践经验，通常选用30～60 m的偏移距效果比较好。

(5)如果检波器和地层耦合不好，或电缆波太强，也会导致资料质量下降。为了使检波器与井壁耦合良好，可以采取加大开腿电流并多次推靠的方式来解决，同时每1 000 m放松电缆1 m左右用于消除电缆波，注意不宜放松过多，否则极易将井下软连接级间电缆损坏，然后再进行多次激发采集，直至取得足够的有效记录，应当注意，每个采集点电缆静止时间不可超过15 min，以避免电缆吸附卡，当超过15 min后应先给仪器收腿然后上下活动电缆。

(6)根据井眼大小选择合适尺寸的推靠臂，小井眼推荐使用小尺寸推靠臂，可使检波器更好的与地层耦合，获取资料质量更佳。推靠到位后可进行再次推靠，进一步确保与地层耦合良好。

3.4.3 均匀度指数。各土地利用方式大型土壤动物群落均匀度指数（J）湿地＞森林＞农田＞退耕林地＞退耕湿地。

(7)检波器的极间距应该满足空间采样定理

式中：vmin为目的层最小层速度；fmin为目的层的最高反射波主频，考虑到资料质量和作业时效等各方面因素，经过经验计算和大量实际作业证实，采用15 m的极间距最为适宜，最具有普适性。当精细勘探时，可以采用10 m的极间距进行作业。

(9)在整个VSP采集作业中，要明确现场禁止除锈敲击震动等大的声音和震动干扰作业，还应禁止电焊、高频对讲等存在高频信号干扰的作业，同时注意观察井场环境并避开周期性干扰，选择在环境噪声低的时间窗口点炮激发采集地震数据。

(10)在套管中测VSP时，当套管固井质量不好或未固井，会对VSP资料质量产生很大影响，套管中测VSP的前提体检应先确保固好井。

(11)当采集点处于扩径位置，井径超过检波器推靠臂极限无法耦合井壁时，可以上提或者下放2 m左右，在该采集点附近位置选择推靠臂能够较好耦合井壁的地方采集。

(12)当在斜井和大泥浆比重井眼中进行多级VSP采集作业时，由于各级检波器之间使用电缆软连接，设备较轻，为使仪器顺利下放，可在仪器串底部挂接两个或多个加重杆。

①震源的主频带范围；②震源的能量强度；③震源子波的一致性；④震源的优缺点等[3]。目前可用于VSP测井的震源主要有炸药震源、陆地震源车、电火花震源和气枪震源这四大类，综合考虑成本、效用、品质、优缺点和其他客观因素等，空气枪震源的性价比最高。

(14)中海油服现使用G GUN250型250立方英寸容积的空气枪，爆炸当量相当于0.5 kg TNT，采用优化气室结构，能有效地减弱气泡效应，并能够提供单独的TB(Time Break)信号。使用枪压一般在12.41～17.24 MPa，主要根据井深和地下地质情况灵活调节气压，以使得有足够的能量传播到地下。可单枪作业，也可以组成双枪或三枪枪阵，以提供更大的能量，满足不同类型VSP采集作业的需要，同时更加有效压制气泡效应。

(15)气枪的沉放深度一般为5～6 m，太浅会因海面波浪的影响而影响水听器信号。

(16)同一深度点采集的信号发生漂移现象，造成非同相位叠加，对资料后期处理影响较大，资料质量得不到保证。这种现象的发生主要是由于震源不一致所致，主要有两方面原因可能导致此类问题的发生：一是气枪工作压力不一致，在作业过程中气枪点火过于频繁，导致压力变化较大，从而产生此类问题；二是气枪在作业过程中，由于海况(波浪)或气候(风力)影响，导致气枪位置不稳、入水深度变化过大，从而产生了上述问题。因此，在作业中应保证气枪以较恒定的压力工作，另一方面要尽量保持气枪的位置稳定，在海上作业时可以要求在吊放气枪时使用吊车大勾，这样可以更好地保证气枪位置的稳定。

(17)气枪激发间隔时间不够，也会造成震源不一致，导致资料叠加后信噪比偏低，要求工程师在现场作业时，根据实际情况，通过气枪气压表观察，气枪激发一次后，大概需要多少秒，气枪压力能够恢复到设定压力，则该时间为正确的气枪激发最小间隔时间。

(18)除此之外，现场可以手动调节合适的气枪点火延迟时间，来获取完整良好的水听器波形信号；精确的拾取首波也尤为关键，一般沿首波起跳点的切线方向拾取首波。

(19)为确保震源子波保持一致，在VSP作业中还需要在震源附近设置震源检波器，即近场子波检波器[4]，气枪震源的子波检波器是水听器。由此，可利用水听器信号对每道地震记录作震源一致性校正处理。因此，VSP采集时，获取完整准确的水听器信号非常重要。

(20)水听器与气枪的距离，一般不超过气泡的弹性变形带边界1～2 m。如使用其他陆地震源，其近场子波检波器到震源的距离不应超过震源子波优势波长[5]。震源到子波检波器距离过小，则子波不稳定；震源到子波检波器距离过大，则子波易受干扰可能会产生畸变。为了获取完整的水听器信号，同时有效避免水听器处于震源爆炸的塑性变形区内，通常采用2.5 m的水听器到气枪的距离，应时刻注意震源与检波器之间的距离应保持不变。同时，水听器还应该避免离水面太近，以减弱海浪对它的影响。

(21)如果是陆地挖坑使用气枪震源作业，一般要求水坑尺寸：长×宽×高为7 m×7 m×6 m。根据在伊拉克多次VSP陆地作业经验来看，震源坑挖的越大越深越好，以防作业中途气枪把震源坑炸坍塌。为避免震源坑被炸坍塌，所以尽量选取土质较硬的地方挖坑，避开二次填埋平整等土质疏松区域。建议震源坑尽量挖大一点，这样就算在作业中途坑被炸塌一点点，只要不是太严重，还可以继续作业。对于深度，一般挖掘机臂展太短很难挖6 m深，如果挖不到6 m深，至少也要超过5 m。挖完坑后，在坑的周围垒起1 m高左右的围墙，以弥补震源坑过浅等不足，也方便后期能够往坑内充分加水。震源坑的剖面是一个倾角大概80度左右的倒梯形，这样可以有效防止震源坑坍塌。

(22)采集的信号噪音较大，还可能是地面系统地线接触不好。对此，要求VSP工房的地线必需连接可靠，使用滑环接头将地面与电缆直接连接，减少中间环节，另外确保采集机箱和工房接地良好，避免杂波干扰。在现场作业中，如果出现此类干扰，还要调查周围的环境影响因素，排除可能出现的其他干扰源。

(23)VSP采集软件一般都有自动拾取首波起跳点的功能，但是通常电脑自动拾取会有一部分道集拾取不准，需要在资料后处理时人工进行拾取，尽可能减少误差，提高数据质量。

3 结语

本文综合阐述了VSP作业从观测系统的设计，到施工方案、地面采集系统，井下仪器、震源系统，近场子波检波器、施工效率和施工成本等方面与VSP野外数据采集与现场资料质量控制之间的关系。在VSP野外数据采集过程中，对施工方法以及注意事项，提供了一些实际工作中的现场实践经验和理论，对VSP现场作业具有一定的参考意义。