李彥鵬,劉學(xué)剛,王大興,吳俊軍,王艷華,陳 策,李 飛

(1.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司,陜西西安710021)

光纖分布式聲波傳感(distributed acoustic sensing,DAS)技術(shù)是光纖傳感技術(shù)(optic fiber sensing,OFS)的一個(gè)重要分支,近十年來(lái)在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。光纖傳感技術(shù)是一種以光纖為媒介,通過(guò)光波感知、傳輸信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的新型傳感技術(shù)。該技術(shù)利用外界物理量引起的光纖中傳播的光的特性參數(shù)(如強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、偏振、散射等)變化,對(duì)外界溫度、壓力、位移、應(yīng)變及震動(dòng)等物理量進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。自BARNOSKI等[1]于1976年首次提出瑞利波后向散射理論后,分布式光纖傳感技術(shù)已發(fā)展出多種類別,包括基于布里淵散射的布里淵光時(shí)域分析儀(B-OTDR)[2-4]、基于拉曼散射的拉曼光時(shí)域分析儀(R-OTDR)[5],基于瑞利散射的偏振敏感型光時(shí)域反射儀(P-OTDR)[6-7]和相位敏感型的Φ-OTDR[8-9]等。其中基于相位解調(diào)原理的Φ-OTDR動(dòng)態(tài)靈敏度最高,適用于地震波場(chǎng)的觀測(cè)。由于光纖本身的特性,其對(duì)軸向應(yīng)變最為敏感,因此目前基于Φ-OTDR的DAS技術(shù)主要應(yīng)用于井中地震波場(chǎng)的觀測(cè)[10]。為了獲得信噪比較高的地震記錄,光纖布設(shè)需要盡可能地與地層耦合良好,固井時(shí)同步布設(shè)于套管外的光纜可以取得很好的效果,套管內(nèi)也可以通過(guò)磁吸附等方式取得較好效果。

隨著油氣田進(jìn)入開發(fā)階段,僅僅依靠地面地震將面臨儲(chǔ)層精細(xì)描述、儲(chǔ)層參數(shù)求取及地震分辨能力提高等方面的巨大挑戰(zhàn),3D-VSP和地面地震聯(lián)合勘探成為國(guó)際上地球物理技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。地面地震并不能直接提供準(zhǔn)確地震子波、吸收衰減參數(shù)、層速度模型和各向異性參數(shù),VSP直接在井中不同深度接收地震波,非常適合求取地震子波和各種地層參數(shù),彌補(bǔ)地面地震的不足,因此井地聯(lián)合顯得尤為必要。另外VSP觀測(cè)有利于增加地震數(shù)據(jù)的完整性,減少求解的不確定性,是進(jìn)一步提高勘探精度所必需的技術(shù)[11]。

井地聯(lián)合處理主要體現(xiàn)在兩方面,一方面是處理過(guò)程中地層參數(shù)及子波的聯(lián)合求解和應(yīng)用,即井驅(qū)處理技術(shù),另一方面是井地聯(lián)合成像技術(shù)。井驅(qū)處理技術(shù)主要的技術(shù)問(wèn)題包括:井地聯(lián)合振幅補(bǔ)償技術(shù)、井地聯(lián)合靜校正技術(shù)、井地聯(lián)合Q值估計(jì)及吸收補(bǔ)償技術(shù)、井地聯(lián)合子波一致性處理技術(shù)、井地聯(lián)合速度場(chǎng)求取及建模技術(shù)、井地聯(lián)合各向異性參數(shù)估計(jì)及處理技術(shù)等。井地聯(lián)合的成像技術(shù)包括數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)、井地一致性數(shù)據(jù)校正技術(shù)和井地聯(lián)合偏移成像技術(shù)等。

自1986年采集了世界上第一口3D-VSP數(shù)據(jù)以來(lái),3D-VSP技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。國(guó)內(nèi)外很多公司開展了3D-VSP研究,并取得了一些成果。2007年,東方地球物理公司在大慶徐家圍子地區(qū)進(jìn)行了最大規(guī)模的井地聯(lián)合勘探[12],對(duì)各向異性[13]、上行波反褶積[14]、井驅(qū)動(dòng)處理[15]等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,取得了較好的勘探效果。近年來(lái)VSP在保真波場(chǎng)分離[16]、速度反演建模、海上VSP多次波衰減、VSP多次波相干成像[17]、VSP和地面三維地震的井地同步聯(lián)合采集和處理[12]等方面有了許多新的進(jìn)展。時(shí)移VSP研究在國(guó)內(nèi)外正日趨活躍,一些地球物理服務(wù)公司已經(jīng)采集和處理了大量的數(shù)據(jù),獲得了一定的成果。

隨著井中DAS采集技術(shù)的快速發(fā)展,目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高密度、全井段VSP采集,使得3D-VSP和地面三維地震聯(lián)合采集、處理和解釋成為熱點(diǎn)。目前DAS采集的VSP資料存在的主要問(wèn)題包括:①資料的信噪比相對(duì)偏低,井源距較大時(shí)初至難以識(shí)別;②DAS采集的單分量數(shù)據(jù)波場(chǎng)分離比較困難;③地面炮點(diǎn)較稀疏,每個(gè)地下反射面元的波場(chǎng)方位性較強(qiáng)、入射角和覆蓋次數(shù)高度不均勻。目前3D-VSP的成像結(jié)果無(wú)法滿足所需要解決的地質(zhì)問(wèn)題的要求,井地聯(lián)合成像的難度更大,許多方法仍處于探索之中。

長(zhǎng)慶油田是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的油氣田,鄂爾多斯盆地發(fā)育中生界延長(zhǎng)組湖相泥頁(yè)巖和上古石炭-二疊系煤系兩套烴源巖,油氣資源豐富,發(fā)育上古生界碎屑巖和下古生界碳酸鹽巖2套含氣層系,同時(shí)發(fā)育侏羅系延安組和三疊系延長(zhǎng)組2套含油層系。為推動(dòng)該地區(qū)油氣開發(fā)工作,結(jié)合DAS的技術(shù)特點(diǎn),2020年,在環(huán)縣三維工區(qū)部署了套管外光纖DAS井地聯(lián)合勘探,目的是充分挖掘DAS技術(shù)優(yōu)勢(shì),提取準(zhǔn)確的井驅(qū)處理參數(shù)用于地面三維地震資料處理,同時(shí)研究DAS數(shù)據(jù)3D-VSP成像技術(shù),提高儲(chǔ)層分辨率和保真度,在落實(shí)侏羅系古地貌、前石炭紀(jì)古地貌及多套含油氣層系的砂體及甜點(diǎn)展布方面發(fā)揮作用。本文重點(diǎn)分析了DAS井地聯(lián)采的數(shù)據(jù)特點(diǎn)、DAS-VSP的參數(shù)提取、多次波識(shí)別、波場(chǎng)分離及成像等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,并提出了下一步攻關(guān)的重點(diǎn)方向。

1 數(shù)據(jù)采集及評(píng)價(jià)

1.1 觀測(cè)系統(tǒng)及主要采集參數(shù)

在環(huán)縣三維井地聯(lián)合地震采集中,三維部署面積1 000 km2,炮線距200 m,炮點(diǎn)距80 m。根據(jù)地質(zhì)任務(wù),結(jié)合選井情況,最終確定工區(qū)中部的珠60井為觀測(cè)井(圖1a),并于2020年底與鉆井同步進(jìn)行了套管外光纖布設(shè),井深2 665 m。光纖DAS采集的炮點(diǎn)范圍約為6 000 m×6 000 m,DAS數(shù)據(jù)為高密度采集,深度間距1 m。三維實(shí)測(cè)炮點(diǎn)分布見圖1b,聯(lián)采有效炮數(shù)2 307炮(其中522炮為可控震源激發(fā))。由于該地區(qū)為典型的黃土山地,溝壑縱橫,因而炮點(diǎn)分布極不均勻,對(duì)VSP成像造成了較大影響,本文將在成像處理中進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖1 三維工區(qū)(紅框)與井地聯(lián)合采集區(qū)域(藍(lán)框)位置(a)以及聯(lián)采區(qū)域炮點(diǎn)分布(b)

1.2 采集數(shù)據(jù)分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)零井源距套管內(nèi)和套管外DAS接收記錄進(jìn)行了對(duì)比(圖2),可以看出,套管外記錄質(zhì)量明顯優(yōu)于套管內(nèi),主要差別在于套管內(nèi)光纖接收的井筒波極強(qiáng)(圖2a),部分接收段耦合不佳,而套管外光纖固井后與地層完全耦合,因此基本上不受井筒波影響(圖2b)。從圖3的零井源距VSP全波場(chǎng)與聲波曲線深度域?qū)Ρ瓤梢钥闯?上行波特征清晰,與測(cè)井曲線速度變化對(duì)應(yīng)關(guān)系良好,說(shuō)明了DAS采集質(zhì)量及保真度較高。

圖3 聲波曲線與零井源距VSP全波場(chǎng)對(duì)比分析

從不同井源距的VSP記錄(圖4)可以看到,盡管DAS為單分量記錄,僅對(duì)波場(chǎng)引起的軸向應(yīng)變敏感,其它方向的波場(chǎng)響應(yīng)要乘以系數(shù)cos2θ,但2 500 m范圍內(nèi)都接收到了清晰的上下行縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波。抽取的共接收點(diǎn)記錄(圖5,已做靜校正)上可以看到縱橫波初至清晰,主要反射層波場(chǎng)特征明顯。

圖4 不同井源距炮點(diǎn)VSP記錄

圖5 不同深度檢波點(diǎn)道集

2 VSP數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是井地聯(lián)合勘探的關(guān)鍵步驟,主要包括3方面的處理:①基于初至拾取及初至?xí)r窗的速度、各向異性、Q值及子波提取;②基于單分量的波場(chǎng)校正、波場(chǎng)分離及反褶積處理;③地震成像處理。

2.1 VSP初至拾取及參數(shù)提取

參數(shù)提取主要基于高精度的初至拾取,由于DAS數(shù)據(jù)量較大,可以采用抽道拾取后再插值的方式提高拾取效率。值得注意的是大入射角情況下DAS的初至能量會(huì)變得很弱,這時(shí)候要通過(guò)靜校正后共接收點(diǎn)記錄(圖5)初至呈線性的特點(diǎn)來(lái)人工拾取,否則會(huì)造成較大的誤差,而炮點(diǎn)靜校正可以通過(guò)零井源距VSP的速度正演各炮初至與實(shí)際初至求差得到。對(duì)比原始記錄共檢波點(diǎn)初至和靜校正后初至(圖6)可以看出,靜校正后初至的規(guī)律性變得非常清晰。

圖6 原始記錄共檢波點(diǎn)初至(a)、高程靜校正后初至(b)及剩余靜校正后初至(c)

在VSP記錄精細(xì)初至拾取的基礎(chǔ)上,利用正演初至與實(shí)際初至最優(yōu)逼近的方法反演得到層速度和各向異性參數(shù),這些參數(shù)在地面地震成像的初始速度模型建立時(shí)可以作為很好的約束條件。當(dāng)然這里還涉及到靜校正時(shí)間的影響,可以通過(guò)一種迭代求解的方式使速度、各向異性、靜校正不斷收斂,直到滿意為止。

VSP初至?xí)r窗統(tǒng)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多方面的用途,最基本的作用就是統(tǒng)計(jì)下行子波。利用初至波排齊疊加就可以得到每炮的子波(圖7a),可以看出井炮激發(fā)和可控震源激發(fā)的統(tǒng)計(jì)下行子波有明顯的差異,井炮子波由于表層鳴振影響,可以看到較強(qiáng)的旁瓣,頻帶相對(duì)較窄,高頻端約50 Hz,而震源子波則主瓣較強(qiáng),旁瓣較弱,頻帶較寬(圖7c)。反褶積后(圖7b)二者波形趨于一致,其頻譜也更為接近(圖7d)。

圖7 井炮、震源子波及頻譜對(duì)比(白線左邊為井炮記錄、右邊為可控震源記錄)

在獲取VSP下行子波的基礎(chǔ)上,我們?cè)诔踔習(xí)r窗頻率域通過(guò)譜比法求取地層Q值,為保證譜比法的穩(wěn)定性,需要先在頻率域消除子波的影響。由于DAS-VSP資料高密度的特點(diǎn)和薄層調(diào)諧的影響,譜比法求取Q值時(shí)會(huì)產(chǎn)生求解的不穩(wěn)定性,需要利用局部平滑或線性擬合來(lái)保證求解的穩(wěn)定性。

通過(guò)VSP統(tǒng)計(jì)初至?xí)r窗的能量隨深度相對(duì)變化,可以得到球面擴(kuò)散補(bǔ)償?shù)恼嬲穹謴?fù)(true amplitude recovery,TAR)因子,在TAR補(bǔ)償基礎(chǔ)上,通過(guò)多炮統(tǒng)計(jì)可以得到較為準(zhǔn)確的炮點(diǎn)振幅補(bǔ)償因子,用于后續(xù)的振幅補(bǔ)償處理,也可以用于地面地震的振幅補(bǔ)償校正。

以VSP初至拾取為基礎(chǔ)的速度、各向異性、TAR因子、Q值、靜校正量、振幅校正因子和子波等均是井驅(qū)地震數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ),靜校正量、振幅校正因子等還可以在后續(xù)的處理中通過(guò)反射波進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.2 VSP波場(chǎng)處理

VSP觀測(cè)得到的波場(chǎng)較為豐富,如何充分利用這些不同的波場(chǎng)實(shí)現(xiàn)不同的目的成為處理的關(guān)鍵。首先可以利用共炮點(diǎn)NMO疊加對(duì)用初至統(tǒng)計(jì)的靜校正量、振幅校正因子做進(jìn)一步優(yōu)化,得到更為準(zhǔn)確的解,圖8為靜校正前后的炮點(diǎn)NMO疊加對(duì)比,可以看到最終靜校正量應(yīng)用后反射波非常連續(xù)光滑。

圖8 VSP記錄靜校正應(yīng)用前(a)、后(b)多條炮線共炮點(diǎn)NMO疊加剖面對(duì)比

VSP是多次波分析的有效工具,通過(guò)下行子波分析我們已經(jīng)知道井炮激發(fā)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的地表鳴振,從圖9的反射波NMO疊加剖面也可以看到井炮疊加的每個(gè)強(qiáng)反射后面100 ms內(nèi)有明顯的表層多次波,子波反褶積后井炮和可控震源反射特征趨于一致。而在地面地震的疊加剖面上仍然存在表層多次波。

圖9 VSP井炮、VSP可控震源與地面地震疊加剖面對(duì)比以及多次波發(fā)育情況分析

DAS-VSP波場(chǎng)分離與檢波器三分量VSP記錄的波場(chǎng)分離有所不同,由于DAS本身為單分量接收,無(wú)法通過(guò)矢量旋轉(zhuǎn)等方式分離縱、橫波,因此主要通過(guò)視速度差異來(lái)進(jìn)行波場(chǎng)分離,在高精度縱、橫波初至拾取的基礎(chǔ)上,首先將下行縱橫波先分離出去,然后利用NMO校正將需要成像的反射波拉平,將傾斜的其它波場(chǎng)通過(guò)中值濾波等方法進(jìn)行分離,得到較為單一的反射波(圖10)。

圖10 DAS數(shù)據(jù)波場(chǎng)分離效果

大道集是分析波場(chǎng)的有效工具,由于該區(qū)地層較為平緩,VSP不同偏移距單炮NMO疊加和地面多炮按偏移距分組疊加具有良好的波場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖11)。通過(guò)井地對(duì)比可以看出,在地面大道集的大偏移距上仍存在未拉平的較為明顯的轉(zhuǎn)換波和橫波能量,需要在處理中引起重視。

圖11 地面地震多炮NMO后按偏移距分組疊加結(jié)果(a)與過(guò)井線VSP共炮點(diǎn)NMO疊加結(jié)果(b)

由于DAS相位解調(diào)采用的空間差分算法,其采集VSP數(shù)據(jù)的上下行波的極性與常規(guī)檢波器VSP的Z分量有所不同,DAS記錄中正反射系數(shù)時(shí)上行波與下行波極性相同,而檢波器Z分量在正反射系數(shù)時(shí)上行波與下行波極性相反,因此DAS處理時(shí)要先確保下行波初至下跳,以使上行波與地面地震反射極性一致,這一點(diǎn)需要引起重視。

2.3 3D-VSP成像處理

3D-VSP成像是VSP資料處理的最大難點(diǎn)之一,DAS井地聯(lián)合采集時(shí)VSP與地面地震共享炮點(diǎn),雖然得到了全井段高密度VSP數(shù)據(jù),但地面三維設(shè)計(jì)的炮點(diǎn)通常較為稀疏(圖1b),因此在成像時(shí)會(huì)造成局部成像空白或嚴(yán)重的空間假頻及劃弧等問(wèn)題。圖12a為VSP CDP成像時(shí)統(tǒng)計(jì)的面元覆蓋次數(shù),可以看出多個(gè)方位的面元覆蓋次數(shù)為0,為了彌補(bǔ)這種不足,我們采用了扇形面元拉伸的方法,結(jié)果見圖12b,可以看出,面元覆蓋次數(shù)分布得到明顯改善,但仍存在一定的放射狀采集腳印。圖13為面元拉伸前、后VSPCDP成像對(duì)比,可以看出面元拉伸處理的必要性和效果。

圖12 扇形面元拉伸前(a)、后(b)VSP CDP面元覆蓋次數(shù)

圖13 面元拉伸前(a)、后(b)的3D-VSP成像剖面對(duì)比

3 認(rèn)識(shí)與建議

本次在環(huán)縣部署的DAS三維井地聯(lián)合勘探是長(zhǎng)慶油田為進(jìn)一步保障鄂爾多斯盆地伊陜斜坡環(huán)縣三維地震勘探效果,圍繞油氣立體勘探、高效開發(fā)、聚焦長(zhǎng)7頁(yè)巖油勘探開發(fā)的地質(zhì)需求而開展的一次新技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。通過(guò)本次勘探,得到了高品質(zhì)的DAS-VSP和地面地震資料,本文重點(diǎn)通過(guò)對(duì)VSP資料的系統(tǒng)分析與處理攻關(guān),在VSP多次波分析、井驅(qū)參數(shù)提取、單分量保真波場(chǎng)分離及擴(kuò)展面元VSP CDP成像等方面取得了明顯的效果,形成了如下認(rèn)識(shí)。

1)DAS-VSP井地聯(lián)采數(shù)據(jù)的VSP提取的參數(shù)具有較高的精度,結(jié)合地面地震的構(gòu)造格架約束,可以為地面地震提供可靠的參數(shù)場(chǎng),為提高地面地震成像精度做出貢獻(xiàn)。

2)DAS數(shù)據(jù)波場(chǎng)處理技術(shù)是井旁VSP成像的基礎(chǔ),如何充分利用DAS高密度數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高信噪比,實(shí)現(xiàn)更為保真的波場(chǎng)分離是下一步研究的重點(diǎn)。

3)DAS-VSP井地聯(lián)采數(shù)據(jù)三維VSP成像技術(shù)正不斷取得新進(jìn)展,如何在采集和處理中有效克服井地聯(lián)合觀測(cè)時(shí)炮點(diǎn)稀疏帶來(lái)的局限性,發(fā)揮VSP的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是VSP成像技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。

4)DAS-VSP技術(shù)作為新一代的采集技術(shù)正在取得突飛猛進(jìn)的進(jìn)展,基于永久埋置光纖的DAS井地聯(lián)合勘探代表了地震勘探發(fā)展的一個(gè)重要的方向,有望在油氣開發(fā)中發(fā)揮重要作用。

通過(guò)DAS井地聯(lián)采方法的創(chuàng)新研究,該技術(shù)已經(jīng)從研究性的物探技術(shù)逐步進(jìn)入油氣田開發(fā)的主流技術(shù)行列。通過(guò)與地面地震的緊密結(jié)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,進(jìn)一步發(fā)展到井地聯(lián)合的同步地震成像,相信DAS井地聯(lián)合勘探技術(shù)將在油氣田開發(fā)及生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

致謝:感謝長(zhǎng)慶油田勘探事業(yè)部和勘探開發(fā)研究院對(duì)DAS井地聯(lián)合勘探所提供的采集、處理解釋等方面的支持與幫助。