趙邦六 董世泰 曾 忠

(①中國(guó)石油天然氣股份有限公司，北京 100007； ②中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

井中地震技術(shù)的昨天、今天和明天
——井中地震技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用展望

趙邦六①董世泰*②曾 忠①

(①中國(guó)石油天然氣股份有限公司，北京 100007； ②中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

趙邦六,董世泰，曾忠.井中地震技術(shù)的昨天、今天和明天——井中地震技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用展望.石油地球物理勘探，2017,52(5):1112-1123.

井中地震的接收或激發(fā)設(shè)備位于井中，接近目的層或目標(biāo)地質(zhì)體，避免了近地表和環(huán)境干擾，得到的地震波信息能更直接反映地層、油藏或目標(biāo)體的地質(zhì)屬性，其精度和探測(cè)范圍介于地面地震和測(cè)井方法之間，成為兩種技術(shù)的空間(縱向、橫向)拓展和有效補(bǔ)充；井中地震深度、時(shí)間、速度、時(shí)變子波、頻譜及相對(duì)能量關(guān)系等信息相對(duì)精確，具有識(shí)別精度高、數(shù)據(jù)保真度高的特點(diǎn)。隨著油氣勘探開發(fā)目標(biāo)日趨復(fù)雜和多種井中地震技術(shù)快速發(fā)展且日益成熟，井中地震將在復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜儲(chǔ)層、復(fù)雜油氣藏的勘探開發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，特別是Walkaway/Walkaround/三維VSP、微地震等技術(shù)，在復(fù)雜構(gòu)造地震成像、提高分辨率地震處理、儲(chǔ)層連通性識(shí)別、剩余油預(yù)測(cè)、油氣藏建模等方面，將會(huì)發(fā)揮獨(dú)特和不可取代的重要作用。

井中地震 Walkaway/Walkaround/三維VSP 復(fù)雜構(gòu)造 復(fù)雜儲(chǔ)層

1 引言

井中地震勘探始于1917年，F(xiàn)essenden在他的專利報(bào)告中首次提出利用井中震源和檢波器探測(cè)礦體位置。1927年，美國(guó)第一個(gè)深井檢波器下井探測(cè)鹽丘，首創(chuàng)了利用地震資料指導(dǎo)鉆井的先例。20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)Siotnick和Dix利用井中檢波器測(cè)量速度。20世紀(jì)50年代初，LeVin和Lynn討論利用井中觀測(cè)方法觀察地震脈沖的波形衰減。1959年，前蘇聯(lián)加爾彼林首先提出了垂直地震剖面法(VSP)勘探技術(shù)，1971年出版了專著《垂直地震剖面》，1974年該書介紹到西方，引起了西方地球物理界的廣泛重視，世界各國(guó)都很重視在油氣勘探領(lǐng)域中研究和應(yīng)用垂直地震剖面技術(shù)，當(dāng)時(shí)曾認(rèn)為它是衡量一個(gè)國(guó)家地球物理勘探水平的標(biāo)志[1-4]。1980年，朱光明教授向國(guó)內(nèi)系統(tǒng)介紹垂直地震剖面技術(shù)，并于1983年翻譯出版了加爾彼林院士的《垂直地震剖面法》[2]一書。1984年起，中國(guó)在勝利油田、遼河油田開展了試驗(yàn)，拉開了該技術(shù)在中國(guó)國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用的序幕。

井中地震與常規(guī)(地表)地震觀測(cè)方式不同，它是在井中觀測(cè)或者在井中激發(fā)，即在介質(zhì)的內(nèi)部進(jìn)行觀測(cè)或激發(fā)，可以記錄到比地面記錄更多的地震波信息。除有上行波、直達(dá)波外，還可記錄下行波、轉(zhuǎn)換波、多次波等。它能夠觀測(cè)和研究地震波在實(shí)際介質(zhì)中形成和傳播的真實(shí)過程，取得有關(guān)地震波的成因及其傳播介質(zhì)性質(zhì)的完整資料。采用三分量VSP觀測(cè)時(shí)，由于到達(dá)三分量檢波器的各種類型波的方向不同，其變化規(guī)律也不同，在穿過不同介質(zhì)的地層時(shí)，其波型和強(qiáng)度都可發(fā)生突變。當(dāng)檢波器位于界面附近時(shí)，會(huì)更明顯地觀測(cè)到各種波的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征的變化和區(qū)別，也就能更好地接收和研究與各類界面有關(guān)的對(duì)應(yīng)波場(chǎng)的變化，使勘探效果和分辨力都得到明顯提高。

近百年來(lái)，隨著采集裝備、處理技術(shù)的發(fā)展，井中地震技術(shù)已經(jīng)在垂直地震剖面(VSP)基礎(chǔ)上形成了零井源距(Zero Offset)VSP、非零井源距(Offset)VSP、變井源距(Walkaway/Walkaround)VSP、井間地震(Cross-Well)、三維(3D)VSP、隨鉆地震(SWD)、微地震監(jiān)測(cè)(MS)等系列，成為了不可或缺的勘探方法，在油氣勘探開發(fā)中被廣泛應(yīng)用。例如：零井源距VSP、非零井源距VSP被廣泛應(yīng)用于層位與深度標(biāo)定、速度求取、地震波吸收衰減因子求取和提高分辨率井控處理； Walkaway/Walkaround VSP、3D VSP逐步應(yīng)用于井旁地層成像和復(fù)雜斷裂的識(shí)別；井地聯(lián)采、多井觀測(cè)、井間地震等用于巖性及流體研究、井間連通性預(yù)測(cè)和油藏描述；隨鉆地震逐步用于鉆頭前地層深度預(yù)測(cè)、地層壓力預(yù)測(cè)、鉆頭導(dǎo)向和提高儲(chǔ)層鉆遇率方面；微地震目前已廣泛應(yīng)用于油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)層壓裂的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，井中地震技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2 井中地震技術(shù)的發(fā)展歷程

2.1 國(guó)外發(fā)展歷程

總體來(lái)說，國(guó)外井中地震技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。

2.1.1 起步試驗(yàn)階段(1910～20世紀(jì)70年代)

1917年Fessenden提出井中地震觀測(cè)思路后，1927年美國(guó)開展了第一口井試驗(yàn)，井深800m，采用單級(jí)單分量模擬儀器，用于鹽丘探測(cè)[1]。在20世紀(jì)30～40年代，前蘇聯(lián)、美國(guó)著名地球物理學(xué)者Siotnick、Dix、LeVin、Lynn等研究利用井中檢波器測(cè)量時(shí)—深曲線和時(shí)間—速度關(guān)系曲線，利用井中觀測(cè)方法觀察傳入地下的地震脈沖的演化及波形衰減。1959年，蘇聯(lián)科學(xué)院大地物理所的加爾彼林[2]院士首先提出了垂直地震剖面法勘探技術(shù)(Vertical Seismic Profiling，VSP)，利用井中觀測(cè)進(jìn)行地層成像，成功識(shí)別波場(chǎng)并用于地層解釋。1974年美國(guó)SEG年會(huì)重點(diǎn)推廣VSP法，使VSP技術(shù)從前蘇聯(lián)走向了美國(guó)及世界其他地區(qū)[3-7]。

2.1.2 推廣發(fā)展階段(1980～20世紀(jì)90年代)

20世紀(jì)70年代末至80年代初，VSP技術(shù)得到全面推廣，多數(shù)油公司將該方法列為常規(guī)完井程序，稱之為VSP測(cè)井，用于地層標(biāo)定、速度求取和走廊疊加成像。1986年，美國(guó)AGIP公司采集了全球第一塊三維 VSP數(shù)據(jù)，作業(yè)級(jí)數(shù)8級(jí)，開展了井周成像研究。同期，根據(jù)McMachan提出的井間地震理念，1987年雪佛龍?jiān)诿绹?guó)德克薩斯進(jìn)行了首個(gè)井間地震試驗(yàn)，開展井間儲(chǔ)層連通性研究[6]。至此，井中地震技術(shù)系列基本形成。

2.1.3 深化應(yīng)用階段(1990～21世紀(jì)10年代)

井下接收裝備技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了井中地震技術(shù)的應(yīng)用[7-10]。1993年，美國(guó)Sleefe發(fā)布帶推靠臂的多級(jí)三分量高頻檢波器，提高了井中地震數(shù)據(jù)的信噪比，推動(dòng)了多級(jí)Walkaway VSP、三維VSP技術(shù)發(fā)展[1]；1994年，三維VSP被用于墨西哥灣鹽丘、氣云等復(fù)雜高陡構(gòu)造和儲(chǔ)層成像；2000年后，CGG、GeoSpace、Avalon等公司推出多級(jí)三分量接收系統(tǒng)，TomoSeis、GeoSpace等公司推出了井下激發(fā)設(shè)備，推動(dòng)了井間地震技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一度成為熱點(diǎn)技術(shù)。2001年，光纜傳輸技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了多級(jí)VSP、井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展；2010年，分布式光纖檢波器開始應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全井段觀測(cè)。

2.2 中國(guó)發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)井中地震技術(shù)發(fā)展長(zhǎng)期處于跟隨狀態(tài)，2000年后，在國(guó)外熱度放緩，應(yīng)用實(shí)例減少的情況下，國(guó)內(nèi)井中地震技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，總體分為三個(gè)階段。

2.2.1 引進(jìn)試驗(yàn)階段(1980～20世紀(jì)90年代)

自1980年朱光明[2]向國(guó)內(nèi)介紹了VSP技術(shù)后，在南海、中原、勝利、江蘇、大港、遼河、新疆等探區(qū)進(jìn)行了VSP試驗(yàn)，采用單級(jí)模擬檢波器接收，在層位標(biāo)定、速度求取等方面發(fā)揮了作用。遼河油田在東勝堡潛山的勝11井進(jìn)行垂直地震觀測(cè)，在潛山頂面獲得較強(qiáng)反射。1985年，原中國(guó)石油天然氣總公司將VSP技術(shù)研究列為“七五”攻關(guān)項(xiàng)目，開展采集裝備、處理技術(shù)研究。

2.2.2 推廣應(yīng)用階段(1990～21世紀(jì)初)

自1988年起，原中國(guó)石油天然氣總公司將VSP列為正式生產(chǎn)任務(wù)，在整個(gè)石油系統(tǒng)全面推廣，每年生產(chǎn)任務(wù)約100口。1994年，勝利油田在草橋開展了井間地震試驗(yàn)，可分辨約6m的砂體。1996年，勝利油田在墾71首次開展了三維 VSP試驗(yàn)。2000年，新疆油田在莫北2003井首次開展三維 VSP井地聯(lián)采，獲得地層精細(xì)成像[11-15]。1999年，勝利油田在東辛采油廠開展了井間地震試驗(yàn)，開展井間儲(chǔ)層連通性研究，2001年遼河油田在曙光油田曙68井區(qū)開展了大井距井間地震采集試驗(yàn)，實(shí)施了井間儲(chǔ)層連通性研究和剩余油預(yù)測(cè)[16]。

2.2.3 規(guī)模發(fā)展階段(2000～2015)

隨著耐高溫多級(jí)井下接收裝備技術(shù)的發(fā)展，井中地震技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)入快速規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展階段。中石油、中石化、中海油開展了大量Walkaway VSP、三維VSP以及井間地震技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，并發(fā)展了井—地聯(lián)采等技術(shù)。目前中石油將常規(guī)VSP技術(shù)作為重點(diǎn)井的完井技術(shù)手段，已累計(jì)實(shí)施3568口。2003年，長(zhǎng)慶油田在蘇里格首次開展Walkaway VSP試驗(yàn)，獲得了高精度井旁地震成像后，中石油已累計(jì)實(shí)施Walkaway VSP[17]超過67口； 2004年，長(zhǎng)慶油田在蘇31-13井區(qū)首次開展三維VSP與地面多波地震聯(lián)采，提高氣藏識(shí)別精度；2005年，渤海油田在歧口18-2油田P6井開展了海上三維 VSP，使三維 VSP技術(shù)從陸上發(fā)展到海上，到目前為止，中石油已累計(jì)對(duì)11余口井實(shí)施了三維VSP； 2007年，東方地球物理公司在吐哈探區(qū)首次開展高密度Walkaround VSP試驗(yàn)；2013年在長(zhǎng)慶、青海等探區(qū)開展了多井同步觀測(cè)VSP試驗(yàn)。自2012年開始，中石油全面推廣應(yīng)用井中微地震監(jiān)測(cè)，每年實(shí)施50口井，已累計(jì)完成336口，廣泛應(yīng)用于松遼致密油、長(zhǎng)慶致密油氣、四川頁(yè)巖氣以及山西煤層氣儲(chǔ)層改造等。2014年，中石油在冀東油田開展了國(guó)內(nèi)首個(gè)全井段DAS光纖地震觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了井中地震技術(shù)在全井段求取吸收衰減參數(shù)、提高處理分辨率和井旁地震成像精度等方面的應(yīng)用。

3 獨(dú)特作用

隨著井中地震采集裝備(百級(jí)三分量檢波器、井中激發(fā)裝置、地面可控震源等)技術(shù)的快速發(fā)展、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高及井中地震處理解釋軟件的不斷研發(fā)與完善，中石油井中地震技術(shù)基本形成了配套的技術(shù)系列。

采集方面。井下接收儀器包括三分量加速度檢波器、壓電檢波器、光纖傳感器等類型。模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)為24位，作業(yè)級(jí)數(shù)到達(dá)80～160級(jí)/三分量、320～640級(jí)/壓電、萬(wàn)道/光纖，耐溫達(dá)到125～175℃，數(shù)據(jù)傳輸采用7芯數(shù)字纜或光纜，最大作業(yè)深度可達(dá)7500m。與井壁耦合有推靠式檢波器、自由懸掛式光纖電纜兩種。作業(yè)條件包括裸眼井、套管井、油管內(nèi)等井眼類型等。激發(fā)設(shè)備包括地面炸藥激發(fā)裝備、可控震源、電火花、重錘、氣槍等，井中激發(fā)設(shè)備包括電磁振動(dòng)、電火花、機(jī)械振動(dòng)、重錘等。觀測(cè)方式包括零井源距VSP、Walkaway VSP,Walkaround VSP、三維VSP、井間地震觀測(cè)、井地三維地震聯(lián)合采集、Walkaway VSP多井同步觀測(cè)、井中微地震監(jiān)測(cè)+地面微地震監(jiān)測(cè)、隨鉆地震等形式。

井中地震觀測(cè)方式多樣，得到的地震信息豐富、可靠，使其在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用更加重要。主要用于時(shí)深關(guān)系標(biāo)定和求取速度、可靠識(shí)別地震反射的地質(zhì)層位及吸收衰減參數(shù)分析、地面地震井驅(qū)高分辨率處理、各向異性分析與井旁地震構(gòu)造成像、井控地震反演及巖性解釋以及縱、橫波聯(lián)合識(shí)別流體、油藏精細(xì)建模、地層壓力預(yù)測(cè)和鉆頭前地層預(yù)測(cè)等方面，彌補(bǔ)了地面地震勘探的不足。

3.1 提高地面地震層位標(biāo)定精度

利用零井源距VSP資料的橋梁作用，通過上行波走廊疊加分析和與聲波合成記錄對(duì)比分析，可進(jìn)行地面地震剖面的層位精細(xì)標(biāo)定[17]。圖1為利用零井源距VSP的走廊疊加剖面對(duì)過塔里木玉北1井地面地震剖面的主要反射層進(jìn)行地質(zhì)層位標(biāo)定，標(biāo)定深度誤差為米級(jí)，比地面地震提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為地震層位識(shí)別與構(gòu)造解釋奠定了基礎(chǔ)。

3.2 準(zhǔn)確求取地震速度提高速度建模精度

利用零井源距VSP資料，通過下行波初至處理求取地層的縱橫波速度，并可校正因泥漿侵入、井徑變化等造成的聲波測(cè)井速度異常[18]。圖2左為利用塔里木哈6井區(qū)多口井的零井源距VSP求取一維層速度，可看出在4000～4600m存在速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，以此為基礎(chǔ)，對(duì)地面地震剖面進(jìn)行構(gòu)造解釋和層析速度分析，建立了準(zhǔn)確的二維和三維地震層速度模型(圖2右)，速度倒轉(zhuǎn)得以體現(xiàn)，為提高偏移成像精度和時(shí)間域地震解釋的構(gòu)造成圖精度奠定了基礎(chǔ)。

圖1 玉北1井零井源距VSP層位標(biāo)定

圖2 塔里木哈6井區(qū)VSP層速度曲線(左)及井驅(qū)速度建模結(jié)果(右)

3.3 提取地震波場(chǎng)信息恢復(fù)高頻成分，驅(qū)動(dòng)地面地震提高分辨率

利用零井源距VSP和非零井源距VSP資料，根據(jù)上、下行波的變化，求取時(shí)變子波和球面擴(kuò)散Tar因子；通過疊前時(shí)變反Q濾波提取Q值，將一定空間控制密度的VSP“井點(diǎn)數(shù)據(jù)”和地面地震數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化聯(lián)合處理；根據(jù)地面地震地震波特征與井中地震資料的匹配程度，提供最佳反褶積參數(shù)，進(jìn)行真振幅恢復(fù)和頻率補(bǔ)償，使地面地震資料的分辨率得到大幅度提高(頻帶拓寬約15Hz)(圖3)。

3）在體育舞蹈?jìng)魇谶^程中，讓學(xué)生懂得體育舞蹈賽事組織，學(xué)習(xí)體育舞蹈基本禮儀，促使學(xué)生相互溝通，增進(jìn)友誼，增強(qiáng)自信心，豐富大學(xué)生的社會(huì)文化生活。

3.4 提高井旁復(fù)雜構(gòu)造的地震成像精度

利用Offset VSP、Walkaway VSP、三維 VSP等具有一定觀測(cè)孔徑的井中資料，開展精細(xì)波場(chǎng)信號(hào)處理和層速度建模，使井旁復(fù)雜構(gòu)造可以精確成像。此類觀測(cè)方式因接收系統(tǒng)避開地面干擾和近地表吸收衰減，且直接在目標(biāo)層段附近接收，得到的地震信息相對(duì)可靠，并具有較高的信噪比，能夠直接得到深度域數(shù)據(jù)或直接給出時(shí)間深度關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)。因此，可進(jìn)行井周高分辨率地震成像，進(jìn)而提高井旁復(fù)雜高陡構(gòu)造、小斷層、薄砂體等地質(zhì)體的成像精度。為了解決柴達(dá)木盆地英東地區(qū)復(fù)雜山地風(fēng)蝕地貌下的地下構(gòu)造特征描述難題，在英15-2和英東106井實(shí)施雙井聯(lián)合Walkaway采集試驗(yàn)，采用大陣列井下檢波器，最大限度地?cái)U(kuò)大成像范圍。從圖4的結(jié)果看，英東構(gòu)造頂部斷裂帶成像精度大幅度提高，Walkaway成像斷點(diǎn)與傾角測(cè)井基本吻合。利用Walkaway成像解釋的斷層組合，驗(yàn)證了英東地區(qū)斷層“上封下開”的構(gòu)造模式，為油氣藏晚期源上成藏的成藏模式提供了依據(jù)，為柴西英雄嶺構(gòu)造油氣勘探提供了技術(shù)支撐。同時(shí)，可以利用縱橫波初至反演各向異性參數(shù)η、δ和ε，驅(qū)動(dòng)地面地震數(shù)據(jù)進(jìn)行各向異性的疊前時(shí)間/深度偏移處理。

圖3 哈6井區(qū)Q補(bǔ)償前(左)、后(右)剖面對(duì)比

圖4 英15-2—英東106井Walkaway VSP成像(左)、與地面地震(右)剖面對(duì)比

3.5 利用多次波、井旁轉(zhuǎn)換波信息提高儲(chǔ)層識(shí)別精度

利用多分量零井源距VSP、Walkaway VSP、Walkaround VSP資料，能夠較準(zhǔn)確地獲得縱波、轉(zhuǎn)換波及多次波速度信息[19]?？梢愿鶕?jù)縱波上行波和轉(zhuǎn)換波上行波及多次波的特點(diǎn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換波地震成像或多次波識(shí)別，通過縱波和轉(zhuǎn)換波在目的層段相位及能量的變化，識(shí)別含油氣特征；通過多次波識(shí)別來(lái)消除儲(chǔ)層附近層間多次波的影響，以提高儲(chǔ)層的識(shí)別精度。圖5所示利用VSP資料開展縱波阻抗、橫波阻抗、速度比和泊松比反演，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的含油氣特征，從圖中可以看出，縱波與轉(zhuǎn)換波速度比和泊松比能夠較好地預(yù)測(cè)含氣儲(chǔ)層，圖5c、圖5d中紅色指示了含氣位置。

圖5 VSP資料縱、橫波聯(lián)合儲(chǔ)層反演剖面

3.6 獲取井間地層信息提高儲(chǔ)層連通性描述精度

一定范圍內(nèi)的多井同步Walkaway VSP或井間地震(在一口井內(nèi)激發(fā)，在另一口井內(nèi)接收)采集，地震波直接穿過儲(chǔ)層，能夠獲得可靠的井間縱、橫波層析速度成像和井間地震反射波成像。在精細(xì)地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)井間地震資料進(jìn)行精細(xì)層位標(biāo)定和層位追蹤對(duì)比，表征儲(chǔ)層的橫向變化情況，從而研究井間儲(chǔ)層的連通性，預(yù)測(cè)剩余油。圖6是玉門QT7_Q1-2層析反演速度與反射波成像疊合顯示(彩色背景為井間地震反演速度)，井間地震成果剖面頻帶寬，其分辨率可達(dá)3m，地質(zhì)現(xiàn)象豐富，為開發(fā)井位部署提供了依據(jù)。

圖6 常規(guī)地面地震(左)與井間地震(右)剖面對(duì)比

3.7 獲取巖石物性和鉆前地層信息，服務(wù)鉆探工程

隨鉆地震(將鉆頭作為井下震源，鉆頭在巖層中鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生地震波，檢波器在地面進(jìn)行觀測(cè))能夠開展鉆頭前一定范圍內(nèi)的地層反射界面預(yù)測(cè)，根據(jù)鉆井深度(鉆頭位置)和接收到的上行波反射信息及層速度信息，預(yù)測(cè)鉆頭之下的層位深度、壓力信息，為鉆探工程提供預(yù)判[20]。利用 VSP穿過儲(chǔ)層的地震波特征，隨時(shí)修正速度模型，提高儲(chǔ)層成像精度，實(shí)時(shí)連續(xù)定位鉆頭軌跡，指導(dǎo)鉆頭鉆遇更多儲(chǔ)層。圖7為XK8-6井鉆至井深6400m裸眼進(jìn)行隨鉆地震測(cè)量時(shí)，利用隨鉆資料，38小時(shí)內(nèi)完成井旁三維地震偏移，發(fā)現(xiàn)“串珠”中心向北東偏移39m，及時(shí)調(diào)整軌跡，鉆至井深6791.47m處放空1.38m，預(yù)測(cè)與實(shí)鉆誤差1.5m，極大提高了儲(chǔ)層鉆遇率。

微地震監(jiān)測(cè)是將壓裂井內(nèi)的巖石破裂能量作為震源，在鄰井井下或者地面觀測(cè)，通過精確的速度校正后計(jì)算巖石的破裂位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂縫網(wǎng)生成及延伸范圍，計(jì)算裂縫長(zhǎng)、寬、高及壓裂改造體積SRV，分析天然裂縫活化并預(yù)測(cè)套變風(fēng)險(xiǎn)，開展震源機(jī)制反演，研究壓裂縫網(wǎng)性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)，從而指導(dǎo)水平井間距、段間距及水平井方位設(shè)計(jì)，提高儲(chǔ)層改造成效。該技術(shù)已成為致密油氣儲(chǔ)層改造、頁(yè)巖油氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，是井中地震業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最快的技術(shù)。

圖7 隨鉆地震在塔北鉆探工程中的應(yīng)用

4 井中地震技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

中國(guó)未來(lái)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域向復(fù)雜儲(chǔ)層、復(fù)雜構(gòu)造、深層、非常規(guī)及海洋延伸，油氣勘探開發(fā)面臨的難點(diǎn)是地表復(fù)雜、地下構(gòu)造復(fù)雜、沉積相帶多變、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層物性差、厚度薄(致密儲(chǔ)層、單層厚度2～10m)、埋藏深、圈閉規(guī)模小、儲(chǔ)量品位差等勘探開發(fā)難題。地震技術(shù)急需進(jìn)一步展寬頻帶，提高空間分辨率，識(shí)別更薄儲(chǔ)層(2～10m)和更小斷層(小于5m)，提升復(fù)雜構(gòu)造的成像精度，服務(wù)于油氣勘探新領(lǐng)域和有效開發(fā)的新方式[21，22]。地面地震因近地表起伏、吸收衰減和干擾嚴(yán)重，地震波場(chǎng)特征受上覆地層影響而失真，時(shí)深關(guān)系不確定，無(wú)法直接獲得地層信息，更難以直接描述儲(chǔ)層性質(zhì)。而井中地震因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展地面、井中一體化地震勘探技術(shù)勢(shì)在必行，發(fā)展井中地震技術(shù)更是迫在眉睫。

選擇適合的井中地震技術(shù)，準(zhǔn)確把握與地面地震的結(jié)合點(diǎn)，充分發(fā)揮井中地震技術(shù)的應(yīng)有作用，將影響到油氣勘探開發(fā)成效和地震技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程。

4.1 地層巖性領(lǐng)域

地層巖性油氣藏是中國(guó)成熟探區(qū)的主力勘探開發(fā)領(lǐng)域。目前，陸相大型湖盆坳陷中的大面積地層巖性油氣藏，是探明石油儲(chǔ)量增長(zhǎng)和產(chǎn)量穩(wěn)定的主體，占中石油新增石油儲(chǔ)量的47.2%。但該領(lǐng)域儲(chǔ)層厚度較小(幾米至幾十米)，松遼盆地儲(chǔ)層厚度處于米級(jí)狀態(tài)，單砂體在米級(jí)以下，因此，提高地震分辨率是該領(lǐng)域地震技術(shù)努力的方向和重點(diǎn)。

根據(jù)瑞利準(zhǔn)則和雷克準(zhǔn)則，地面地震剖面的縱向分辨率為λ/4，利用井約束地震反演，將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)匹配到地震剖面上，地震可分辨能力大幅度提高，但依然較難突破λ/8的界限，常規(guī)地震資料不能滿足分辨薄砂體要求。而井中VSP分辨能力是地面地震的1.5～4倍，井間地震分辨能力是地面地震的10～100倍，故井中地震的分辨率可達(dá)米級(jí)～十米級(jí)[23]。圖8 為大慶探區(qū)的應(yīng)用實(shí)例，資料重新處理后分辨率及與VSP資料的相位一致性明顯提高，為薄儲(chǔ)層研究奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)成熟探區(qū)構(gòu)造和儲(chǔ)層厚度普遍偏小的特點(diǎn)，部署密度適當(dāng)?shù)娜瘟憔淳郪SP、Walkaway VSP、井間地震，以驅(qū)動(dòng)地面地震資料的高分辨處理，彌補(bǔ)地面地震分辨率的不足，提高薄油層的識(shí)別精度。

4.2 復(fù)雜構(gòu)造領(lǐng)域

圖8 利用零井源距VSP上行波求取Q 對(duì)地面地震資料進(jìn)行補(bǔ)償處理前(左)、后(右)的對(duì)比(插入VSP走廊接疊加剖面)

(上)頻譜圖； (下)地震剖面

復(fù)雜構(gòu)造是探明天然氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域，占中石油新增天然氣儲(chǔ)量的24.4%。 提高復(fù)雜構(gòu)造的成像精度一直是地震技術(shù)追求的目標(biāo)和工作重點(diǎn)。復(fù)雜構(gòu)造包括山前高陡構(gòu)造、逆掩推覆構(gòu)造、深層潛山構(gòu)造和火山巖體、生物礁體等。地面地震復(fù)雜構(gòu)造成像主要面臨層速度建模精度問題。而井中地震有明顯優(yōu)勢(shì)，利用Walkaway/Walkaround/三維 VSP、隨鉆地震等井中地震技術(shù),可以有效避開近地表吸收衰減影響[24]，降低地面干擾，減少?gòu)?fù)雜地表區(qū)靜校正不準(zhǔn)等問題，有利于井中地震成像[25]，利用井中地震精確速度也可以改進(jìn)地面地震速度場(chǎng)精度，使其復(fù)雜構(gòu)造成像精度逐步提高。

圖9 玉門老君廟油田井中地震應(yīng)用

庫(kù)車、柴達(dá)木、玉門等復(fù)雜構(gòu)造區(qū)實(shí)踐證明，Walkaway VSP是提高復(fù)雜構(gòu)造成像精度的有效技術(shù)。圖9是玉門老君廟油田地面地震剖面與Walkaway VSP鑲嵌剖面的對(duì)比，可以看出，在Walkaway VSP剖面上，逆推斷層和下盤地層反射成像精度明顯提高。在該領(lǐng)域，可以按構(gòu)造區(qū)帶部署Walkaway VSP/三維VSP，規(guī)模推廣應(yīng)用，以提高復(fù)雜構(gòu)造帶的描述精度，提高鉆探成功率，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 碳酸鹽巖非均質(zhì)儲(chǔ)層領(lǐng)域

碳酸鹽巖、火山巖等非均質(zhì)儲(chǔ)層地質(zhì)界面成層性差，有效儲(chǔ)層與圍巖波阻抗差異小，儲(chǔ)層邊界及內(nèi)幕地震響應(yīng)信號(hào)弱，地面地震資料信噪比低、頻率低、分辨率低；因構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜造成速度變化劇烈，波場(chǎng)復(fù)雜，邊界成像模糊；儲(chǔ)層發(fā)育因素多，目前地面地震資料品質(zhì)不能完全滿足儲(chǔ)層精細(xì)預(yù)測(cè)要求，儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難度大。

碳酸鹽巖、火山巖是中石油天然氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)的主要領(lǐng)域之一，占新增天然氣儲(chǔ)量的45%以上，提高非均質(zhì)儲(chǔ)層描述精度是物探工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用Walkaway/Walkaround/三維VSP、多井同步觀測(cè)、多分量觀測(cè)[26]等井中地震技術(shù)，提高井旁構(gòu)造成像精度，可有效識(shí)別洞穴、裂縫性儲(chǔ)層位置[27]、小斷層和裂縫發(fā)育方向、小幅度構(gòu)造等地質(zhì)異常體，識(shí)別有效非均質(zhì)儲(chǔ)層的輪廓，并為非均質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供縱、橫波信息，以大幅度提高儲(chǔ)層描述精度。圖10是新疆克拉瑪依地區(qū)利用VSP資料進(jìn)行井驅(qū)處理的地震相干切片與老資料對(duì)比，從圖中可看出，裂縫(箭頭所示)成像精度大幅度提高。在該領(lǐng)域，針對(duì)縫洞等強(qiáng)非均質(zhì)儲(chǔ)層雕刻，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層類型的變化特點(diǎn)，以能夠控制儲(chǔ)層變化為原則，部署Walkaway VSP/三維 VSP，為大面積非均質(zhì)儲(chǔ)層的研究提供準(zhǔn)確速度、層位標(biāo)定以及構(gòu)造特征信息。

4.4 剩余油預(yù)測(cè)領(lǐng)域

目前，中國(guó)東部老油田開發(fā)已進(jìn)入中后期，含水率較高。但由于前期地面地震精度較低，油田開發(fā)后雖然增加了開發(fā)井?dāng)?shù)據(jù)并開展了油藏描述，其描述精度仍然較低，已探明油藏的開發(fā)動(dòng)用程度很不均衡，斷層邊界、地層巖性邊界仍然存在剩余油分布。如何準(zhǔn)確識(shí)別儲(chǔ)層、斷裂系統(tǒng)、成藏單元，建立精準(zhǔn)的油氣藏三維模型，預(yù)測(cè)剩余油分布，預(yù)測(cè)油層的有效孔隙，描述產(chǎn)層、水層分布規(guī)律，提高油田采收率，將是油田開發(fā)系統(tǒng)長(zhǎng)期面臨的課題。

面對(duì)油田開發(fā)應(yīng)用需求，應(yīng)加大井中地震技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)揮井中地震資料貼近油藏的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在油藏滾動(dòng)評(píng)價(jià)和剩余油預(yù)測(cè)中，推廣應(yīng)用多井VSP、井間地震、三維VSP或井地聯(lián)采，大幅度提高油層的識(shí)別和描述精度，提升井間連通性的預(yù)測(cè)精度[28,29]，通過時(shí)延三維VSP、井地聯(lián)合高分辨率資料處理、小尺度構(gòu)造解釋[30]、多屬性融合綜合評(píng)價(jià)等技術(shù)應(yīng)用，重新構(gòu)建地下油藏模型，精細(xì)刻畫小斷層空間展布、儲(chǔ)層空間展布，提高油藏靜態(tài)描述精度，尋找剩余未動(dòng)用油層，為油藏建模、開發(fā)井位調(diào)整提供有效技術(shù)支撐。

圖10 克拉瑪依地區(qū)Walkaway VSP約束處理前(左)、后(右)相關(guān)切片對(duì)比

4.5 鉆探工程領(lǐng)域

隨著復(fù)雜油氣藏、非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)經(jīng)濟(jì)性問題的凸顯，降低鉆探工程風(fēng)險(xiǎn)、提高勘探開發(fā)成功率和單井產(chǎn)量將是今后的熱點(diǎn)問題。而井中地震技術(shù)方式的多樣性、高精度和低投入將是解決此問題的有效途徑[31]。

零井源距VSP和隨鉆地震能夠?yàn)殂@井提供地層壓力和鉆頭軌跡設(shè)計(jì)調(diào)整的可靠依據(jù)。通過實(shí)時(shí)連續(xù)定位、錄井巖性等信息，指導(dǎo)鉆頭鉆遇更多儲(chǔ)層[32-36]，提高水平井的儲(chǔ)層鉆遇率。因此，應(yīng)加大隨鉆地震技術(shù)的試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)研究，加強(qiáng)與鉆井工程結(jié)合，使地震技術(shù)在鉆井提質(zhì)增效中發(fā)揮作用。地表、淺井、深井微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是致密儲(chǔ)層壓裂效果的有效監(jiān)測(cè)手段，在致密油氣和頁(yè)巖氣、煤層氣勘探開發(fā)中，針對(duì)關(guān)鍵評(píng)價(jià)井和開發(fā)井壓裂過程中部署實(shí)施微地震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂縫網(wǎng)生成及延伸范圍，分析天然裂縫活化預(yù)測(cè)套變風(fēng)險(xiǎn)，為后期開發(fā)方案編制、鉆井及壓裂設(shè)計(jì)(如指導(dǎo)水平井間距、段間距及水平井方位設(shè)計(jì)和判識(shí)儲(chǔ)層改造效果等)提供技術(shù)支撐。

5 展望

雖然井中地震技術(shù)存在資料范圍有限、橫向地震信息覆蓋不均勻等劣勢(shì)，但井中地震技術(shù)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的識(shí)別與描述[37]有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，隨著勘探開發(fā)對(duì)物探技術(shù)描述精度需求不斷提高，高精度、高清晰度和高可信度的井中地震技術(shù)將是今后油氣田勘探開發(fā)的必選手段和有效技術(shù)，必將得到大力發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用。

經(jīng)過近百年的努力探索，井中地震采集方法和裝備已基本成熟和完善，具備工業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)[38-44]，但資料處理和解釋方法與技術(shù)仍處于發(fā)展完善之中。特別是在信號(hào)高精度分離、井筒噪聲壓制[45]、信號(hào)一致性處理、數(shù)據(jù)規(guī)則化保幅處理和高精度地震成像(Q偏移)方法研發(fā)等方面仍需進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)；在井中地震屬性應(yīng)用、物性反演方法[46,47]、時(shí)延地震信息及三分量信息利用方法等方面也需深化研究，需要更多高層次科研人員的潛心努力和工業(yè)界的大力支持與推動(dòng)。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和油田開發(fā)的應(yīng)用需求的有力推動(dòng)下，井中地震技術(shù)將會(huì)在“十三五”期間逐步走向成熟與完善，解決實(shí)際勘探難題的能力將會(huì)得到大幅度提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)不斷擴(kuò)大，井中地震技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊。

感謝中石油集團(tuán)東方地球物理公司新興物探開發(fā)處、川慶物探公司、中石油股份公司塔里木、青海、玉門、冀東、大慶、大港等油田提供了相關(guān)資料。

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(本文編輯：馮杏芝)

趙邦六 教授級(jí)高級(jí)工程師，博士,1964年生; 1985年本科畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院應(yīng)用地球物理專業(yè)，2004年博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所?，F(xiàn)在中國(guó)石油天然氣股份有限勘探與生產(chǎn)分公司任總工程師，主要從事地球物理勘探技術(shù)研究和管理工作。一直以來(lái)，致力于三維地震勘探技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化及深化應(yīng)用研究； 推動(dòng)物探技術(shù)攻關(guān)和新技術(shù)應(yīng)用； 在提高分辨率、多波勘探、井中VSP、井地聯(lián)采、重磁電、物探技術(shù)綜合應(yīng)用等物探新技術(shù)研究應(yīng)用方面發(fā)表文章20余篇； 編寫《多分量地震勘探技術(shù)與實(shí)踐》、《中國(guó)石油地球物理勘探典型范例》、《生物礁地質(zhì)特征與地球物理識(shí)別》、《低滲透薄儲(chǔ)層地震勘探關(guān)鍵技術(shù)》等4部專著。

1000-7210(2017)05-1112-12

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.026

*北京市海淀區(qū)學(xué)院路中石油勘探開發(fā)研究院100083。Email:shitai_dong@petrochina.com.cn

本文于2017年3月8日收到，最終修改稿于同年8月3日收到。