井驅(qū)地震速度模型修正技術(shù)及其在隨鉆驅(qū)動(dòng)處理中的應(yīng)用

孫甲慶 徐興榮 寇龍江 王 靖 劉金濤 李慧珍

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

0 引言

隨鉆地震技術(shù)(Seismic while drilling，SWD)可提供井點(diǎn)附近局部油藏模型、隨鉆地震反演等信息，從而指導(dǎo)鉆井軌跡動(dòng)態(tài)優(yōu)化，具有精確、高效的特點(diǎn)[1]，近年來(lái)在油氣田開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)意義上的隨鉆地震技術(shù)，最早可追溯到20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)是用鉆頭作為震源信號(hào)研究地下信息，但由于鉆頭工藝的限制，一直未能取得期望的應(yīng)用效果[2]。1997年，Schlumberger公司提出隨鉆VSP(Vertical seismic profile，垂直地震剖面)技術(shù)，采用與零井源距常規(guī)VSP類似的觀測(cè)系統(tǒng)：在地面設(shè)置震源，利用安裝于井下鉆具上的檢波器接收地面震源釋放的能量[3]。該技術(shù)巧妙地回避了鉆頭問題，具有實(shí)時(shí)測(cè)量且不損失鉆井時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，但儀器穩(wěn)定性受井況影響較大，且費(fèi)用高昂，不利于規(guī)模化推廣應(yīng)用[4]。

從單獨(dú)的隨鉆資料僅能得到井點(diǎn)附近的信息，而地下地質(zhì)體的精確定位受淺層一定范圍內(nèi)地層的共同影響。因此，將地面地震資料與隨鉆資料相結(jié)合，共同刻畫地下目標(biāo)的空間展布，可得到更精確的結(jié)果[4]。2014年，塔里木油田舍棄成本高昂的常規(guī)隨鉆VSP實(shí)時(shí)采集，只在鉆進(jìn)至目的層時(shí)采集一次常規(guī)零井源距VSP，利用獲取的速度信息和時(shí)深關(guān)系對(duì)地面地震速度場(chǎng)和各向異性參數(shù)進(jìn)行修正，通過偏移成像得到更準(zhǔn)確的地下信息，從而確定靶點(diǎn)位置，優(yōu)化入靶軌跡。這樣既可大幅度降低成本，達(dá)到規(guī)模化應(yīng)用的目的，又很好地利用了地面地震資料信息，對(duì)目標(biāo)體精確定位。但該技術(shù)在具體應(yīng)用中面臨諸多問題，其中最重要也最耗時(shí)的一環(huán)是隨鉆驅(qū)動(dòng)處理，即用隨鉆VSP或測(cè)井得到的速度、深度等信息，動(dòng)態(tài)更新地面地震深度偏移速度，并實(shí)時(shí)再處理，得到實(shí)時(shí)更新的成像結(jié)果。

隨鉆驅(qū)動(dòng)處理既要做到精確成像，得到比常規(guī)疊前深度偏移更精確的地下地質(zhì)體定位，又要兼顧時(shí)效性，盡量不額外占用鉆井時(shí)間，這就對(duì)現(xiàn)有的地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了更高的要求。

隨鉆驅(qū)動(dòng)處理需要解決的最核心問題是如何利用隨鉆資料快捷修正地面地震速度模型。本文在分析現(xiàn)有井控速度建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出適用于隨鉆驅(qū)動(dòng)處理的井驅(qū)地震速度模型修正技術(shù)，在現(xiàn)有速度模型基礎(chǔ)上，綜合利用正鉆井已鉆地層的深度、速度信息，結(jié)合周圍已鉆井的測(cè)井及VSP資料，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)速度模型和各向異性參數(shù)的修正，提高地震速度模型與井資料的匹配度，從而提高疊前深度偏移成像的精度。該方法的最大優(yōu)勢(shì)是綜合利用已有地面地震速度和井信息，速度修正后不需對(duì)已鉆地層進(jìn)行反復(fù)迭代，顯著節(jié)省了處理時(shí)間，滿足了隨鉆處理的要求。

1 問題分析

隨鉆驅(qū)動(dòng)處理需解決的最重要問題是地震成像的精度和時(shí)效性。提高地震成像精度的前提是要提高地震成像速度的精度[5]。中國(guó)國(guó)內(nèi)大多數(shù)油氣藏都處于深層高速區(qū)域，由于炮檢距和信噪比的限制，地震資料隨著深度和速度的增大，對(duì)速度的敏感性變差，再加上地震速度存在多解性，僅依賴地震資料難以得到目標(biāo)靶點(diǎn)位置的精確速度。而為了提高成像精度，速度建模中引入測(cè)井等資料，利用多信息約束以達(dá)到速度精細(xì)化的目的，但目前對(duì)井資料的應(yīng)用大多集中于構(gòu)建初始速度模型方面，更新迭代過程還是依靠道集拉平與構(gòu)造合理性判斷。該方法生成的速度模型精度仍受限于地震資料[6]。本文提出的速度模型修正方法，將井資料經(jīng)過調(diào)整后用于層析迭代后速度模型的優(yōu)化，可獲得更精確的地下速度。

之所以井速度(包括聲波速度和VSP速度)不能直接用于地震速度建模，一是因?yàn)闇y(cè)井資料的縱向分辨率雖然比地震資料高數(shù)十倍，而橫向上只能反映井點(diǎn)位置信息；二是因?yàn)闇y(cè)井資料在采集過程中使用的是高頻聲波，它與較低頻地震波在相速度上存在差異[7-8]。閉合差校正法是現(xiàn)有井震速度匹配方法中最簡(jiǎn)單可行的一種，本文對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，以準(zhǔn)確的時(shí)深關(guān)系為基準(zhǔn)，利用每一地質(zhì)分層聲波時(shí)差與同一界面時(shí)間域地震單程反射波旅行時(shí)之差進(jìn)行校正，校正后的速度低頻趨勢(shì)與成像速度更吻合，但卻保留了比常規(guī)地震速度更豐富的局部信息。這樣就為用井速度優(yōu)化地震速度模型提供了可靠的基礎(chǔ)和前提條件。

井資料只能提供井點(diǎn)附近準(zhǔn)確的垂向速度，不能提供準(zhǔn)確的橫向速度變化。實(shí)施隨鉆驅(qū)動(dòng)處理的地區(qū)一般存在一套甚至幾套前期地震處理得到的成果資料，從這些成果資料可得知地層的橫向分布。但不同成果資料上的地層層位解釋可能彼此有差別，或與新鉆井所獲層位信息存在差異。本文以最新的地質(zhì)認(rèn)識(shí)為導(dǎo)向，綜合參考地震反射層位和地質(zhì)層位，建立與最新鉆井信息相符合的構(gòu)造地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上，利用基于射線追蹤的剩余走時(shí)層析技術(shù)，校正地震速度和各向異性參數(shù)體，得到更精確的地震速度模型。

校正后的地震速度模型主要層位與地質(zhì)信息相符，但層內(nèi)速度高頻信息欠豐富。利用校正后的井點(diǎn)速度增補(bǔ)速度模型高頻信息，優(yōu)化地震速度體，從而達(dá)到提高地震成像精度的目的。

由于本文提出的速度模型修正技術(shù)是在前期疊前深度偏移速度模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化方法，它省去了速度重新建模的過程，修正后的速度不需對(duì)已鉆地層進(jìn)行反復(fù)迭代，大幅度地提高了處理效率，因此所提方法完全滿足隨鉆處理對(duì)時(shí)效性的要求。

2 井驅(qū)地震速度模型修正技術(shù)

2.1 技術(shù)思路

基于前期地震疊前深度偏移速度模型，利用新獲得的鉆井信息、VSP地震信息，分別在縱向和橫向上修正地震模型，從而得到更精確的速度和各向異性參數(shù)體，具體實(shí)現(xiàn)步驟或流程(圖1)如下：

圖1 井驅(qū)地震速度模型修正技術(shù)綜合流程

(1)在井點(diǎn)位置利用鉆井信息、VSP測(cè)井信息、現(xiàn)有的地表地震速度模型信息進(jìn)行高效而精確的井震速度匹配，使井點(diǎn)速度縱向趨勢(shì)與井信息一致；

(2)在井周圍三維空間內(nèi)，利用新鉆井信息和地質(zhì)認(rèn)識(shí)建立新的地震構(gòu)造模型，結(jié)合已有地面地震速度和各向異性參數(shù)體，通過保時(shí)層析技術(shù)進(jìn)行模型校正，獲得新的速度模型及各向異性參數(shù)；

(3)利用融合后的井點(diǎn)速度對(duì)校正后的速度模型進(jìn)行修正；

(4)通過網(wǎng)格層析更新各向異性參數(shù)δ、ε，進(jìn)行最終各向異性疊前深度偏移。

2.2 井震速度匹配校正技術(shù)

井速度與地震速度的匹配是本文方法應(yīng)用的前提。實(shí)測(cè)的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)由于受到井徑擴(kuò)張和泥漿侵蝕等因素的影響，導(dǎo)致原始的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)含有大量的噪聲，需做相應(yīng)預(yù)處理。常用的預(yù)處理為中值濾波，它既可消除測(cè)量誤差，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)井速度的降頻處理[7-9]。一般認(rèn)為VSP速度比聲波測(cè)井更接近地震速度，但其準(zhǔn)確度依賴于VSP資料初至的拾取精度，故應(yīng)用前需對(duì)VSP初至做嚴(yán)格質(zhì)控。

預(yù)處理之后，需對(duì)井資料進(jìn)行精細(xì)的井震標(biāo)定，以建立正確的時(shí)深關(guān)系。

以時(shí)深關(guān)系為約束，對(duì)每一層的測(cè)井速度進(jìn)行校正，得到與成像速度低頻趨勢(shì)相匹配的井點(diǎn)速度。實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)對(duì)于淺層、深層井速度缺失段，用地震速度進(jìn)行拼接；

(2)計(jì)算每一分層聲波時(shí)差與相應(yīng)地震層位時(shí)間厚度的差；

(3)計(jì)算每一分層井速度誤差因子；

(4)對(duì)誤差因子進(jìn)行插值平滑；

(5)計(jì)算校正后的井點(diǎn)速度。

由圖2可見，測(cè)井速度校正后低頻趨勢(shì)與傳統(tǒng)各向異性建模速度相一致，但保留了更豐富的局部信息，這就為構(gòu)建精細(xì)速度模型打下了基礎(chǔ)。

圖2 井震匹配后速度(紅)與井旁地震速度(藍(lán))對(duì)比

2.3 井震約束地質(zhì)構(gòu)造模型建立及各向異性參數(shù)模型校正

因地震速度存在多解性，故利用地震資料得到的地下地質(zhì)模型并不是唯一的。在建立構(gòu)造模型過程中引入井資料和地質(zhì)認(rèn)識(shí)，將有利于得到更逼近真實(shí)構(gòu)造形態(tài)的地質(zhì)模型[10-14]。在油田滾動(dòng)開發(fā)中，可不斷獲得新的井資料和地質(zhì)認(rèn)識(shí)，這些資料和認(rèn)識(shí)可能與地震資料處理時(shí)有所差異，以新的地質(zhì)認(rèn)識(shí)為導(dǎo)向，綜合參考地震層位和地質(zhì)層位，建立與新鉆井信息相符合的更新構(gòu)造模型。

前期地面地震處理雖不能提供精確的速度模型，但可提供相對(duì)準(zhǔn)確的成像速度信息，也就是說(shuō)前期地震速度是真實(shí)速度的等效模型，因此速度更新可省去重新進(jìn)行疊前深度偏移的時(shí)間，根據(jù)新的構(gòu)造模型與前期地震處理構(gòu)造模型的差異，采用基于射線追蹤的剩余走時(shí)層析技術(shù)修正速度及各向異性參數(shù)模型(圖3)。

圖3 校正前、后的地面地震速度與構(gòu)造模型及δ參數(shù)與構(gòu)造模型(a)、(b)為校正前、后的地面地震速度模型；(c)、(d)為校正前、后的δ參數(shù)模型

基于射線追蹤的剩余走時(shí)層析成像，或稱保時(shí)層析成像，主要是求解一系列大型超定方程組，這些線性方程可看作是一組線性約束[15]。在保時(shí)層析成像中有兩種類型的線性約束：①設(shè)定每一對(duì)追蹤射線為零旅行時(shí)誤差；②將模型誤差設(shè)定為任一層深度和各向異性速度參數(shù)誤差。解該線性方程組可得到一個(gè)同時(shí)滿足兩類約束的各向異性參數(shù)模型，包含速度、Thomsen參數(shù)及各層深度等[15]。

設(shè)t為射線旅行時(shí)，保時(shí)層析方程可寫成

基本實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)獲取新構(gòu)造模型與原構(gòu)造模型中各地層的深度誤差；

(2)建立保時(shí)層析線性方程組；

(3)求解方程組，得到新的速度和各向異性參數(shù)模型。

2.4 垂向地震速度修正

新得到的各向異性速度模型主要層位與地質(zhì)認(rèn)識(shí)相符，但層內(nèi)缺乏高頻信息，利用校正后的井速度增加速度模型高頻信息，可優(yōu)化地震速度體，提高地震成像精度(圖4)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

圖4 垂向地震速度修正前(a)、后(b)剖面及單點(diǎn)速度對(duì)比(c)

(1)求校正后井速度與井旁地震速度的比例因子；

(2)用新的構(gòu)造模型約束進(jìn)行比例因子的插值與外推，獲得比例因子數(shù)據(jù)體；

(3)從比例因子數(shù)據(jù)體獲得新的各向異性速度體。

2.5 各向異性參數(shù)優(yōu)化及疊前深度偏移

利用上述方法求取的速度和各向異性參數(shù)一般可直接用于偏移，這樣該速度修正流程中只需做一遍各向異性疊前深度偏移，顯著節(jié)省了處理時(shí)間。

少數(shù)情況下各向異性參數(shù)可能存在一定的誤差，這主要是由前期地震速度建模誤差引起的。此時(shí)需對(duì)各向異性參數(shù)做一輪迭代優(yōu)化。

根據(jù)弱各向異性的假設(shè)，δ的取值范圍一般在-0.2～0.2，且在同一地層中較穩(wěn)定。根據(jù)上述條件對(duì)δ進(jìn)行編輯優(yōu)化，然后應(yīng)用網(wǎng)格層析方法在保持速度不變的情況下進(jìn)行一輪優(yōu)化(圖4)。

對(duì)于另一各向異性參數(shù)V，可令ε=δ，獲得初始值，然后調(diào)整δ，使CRP道集遠(yuǎn)道拉平。

利用通過本文建模方法獲得的速度和各向異性參數(shù)進(jìn)行偏移，可得到更精確地下成像。

圖5 各向異性速度修正后(a)速度剖面與原速度剖面(b)對(duì)比

3 應(yīng)用實(shí)例

中國(guó)西部盆地廣泛分布碳酸鹽巖，油氣資源豐富，其中復(fù)雜的斷溶型縫洞碳酸鹽巖是油氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)之一，也是油田“十二·五”以來(lái)原油增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要領(lǐng)域。但古生界縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋藏普遍較深(部分超過7000m)，斷溶體儲(chǔ)集空間小，非均質(zhì)性極強(qiáng)，藏內(nèi)油、氣、水分布規(guī)律復(fù)雜，鉆井過程中準(zhǔn)確入靶的難度大、要求高。縫洞型儲(chǔ)層的開發(fā)尤其需要隨鉆地震技術(shù)，通過隨鉆約束處理得到更精準(zhǔn)的靶點(diǎn)定位，提高鉆探成功率。在井資料較豐富的A區(qū)塊，利用本文提出的井驅(qū)地震速度修正技術(shù)，對(duì)工區(qū)現(xiàn)有地震速度及各向異性參數(shù)體進(jìn)行修正，利用修正后的速度和各向異性體進(jìn)行了克希霍夫疊前深度偏移。

實(shí)踐證明，井驅(qū)地震速度修正技術(shù)在不進(jìn)行疊前深度偏移迭代的情況下，可高效地獲得更精確的速度模型及各向異性參數(shù)體。實(shí)例中更新井周圍36km2范圍內(nèi)的模型，用時(shí)在12h以內(nèi)，顯著縮減了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，滿足了隨鉆地震的要求。

利用修正后的速度和各向異性參數(shù)場(chǎng)進(jìn)行各向異性疊前深度偏移，得到的成像結(jié)果(圖6a)與原始各向異性疊前深度偏移(圖6b)相比，各個(gè)地質(zhì)層位與測(cè)井資料吻合更好，且對(duì)本區(qū)勘探目標(biāo)縫洞體而言，本文方法偏移成像結(jié)果較原成像位置有所變動(dòng)(圖7)。最終利用該處理成果調(diào)整后的鉆井軌跡正中儲(chǔ)層中心，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的可靠性。

圖6 速度修正后疊前深度偏移剖面(a)與原疊前深度剖面(b)對(duì)比

圖7 速度修正后疊前深度偏移目標(biāo)靶點(diǎn)成像位置(a)與原疊前深度偏移(b)對(duì)比

4 結(jié)論

目前地面地震速度建模方法在時(shí)效性和精度上都不能滿足隨鉆地震約束處理的要求，本文提出的井驅(qū)地震模型修正技術(shù)，充分利用了前期地面地震信息和新的鉆井信息，不需做疊前深度偏移迭代，直接修正現(xiàn)有速度和各向異性參數(shù)體，得到更精確的模型及成像結(jié)果，是一種更精確、高效的各向異性速度模型更新方法，滿足了隨鉆處理的需求。

(1)本文方法是在現(xiàn)有地面地震各向異性速度模型基礎(chǔ)上，利用新鉆井提供的已鉆地層速度、深度信息，不需疊前深度偏移迭代，直接快速實(shí)現(xiàn)速度模型和各向異性參數(shù)的修正，提高地震速度模型與井資料的匹配度，從而提高疊前深度偏移成像的精度。

(2)本文提出的井震速度匹配校正方法，以正確的時(shí)深關(guān)系為約束，對(duì)井速度進(jìn)行適當(dāng)校正，可得到與地震速度匹配且保留了比地震速度更豐富的局部信息。利用該校正后速度對(duì)現(xiàn)有速度模型進(jìn)行修正可得到更精確的速度模型。此校正也可用于傳統(tǒng)的井控速度建模中，校正后的井速度與地震速度更匹配。

(3)本文提出的井驅(qū)速度模型修正方法已經(jīng)在油田實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，利用此修正后的精確速度模型和對(duì)應(yīng)的各向異性參數(shù)進(jìn)行疊前深度偏移，得到成像結(jié)果與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的吻合度更高，成像位置更精確。