CN102213769A - 一种利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法，拾取三维VSP实际旅行时，计算每一深度点的时差，用扫描方法计算VTI介质各向异性参数和校正后的剩余时差，根据剩余时差与方位角之间关系拟合确定HTI介质各向异性参数，逐点计算每一深度点的VTI各向异性参数和HTI介质各向异性参数，获得其随深度变化的关系的参数曲线，消除随井源距或炮检距变化的动校正时差的影响。本发明有效解决了VTI各向异性介质和HTI各向异性介质存在相互干扰的问题，可以有效地消除地震各向异性的影响，提高地震数据的成像质量和油气预测的准确率。

Description

一种利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法

技术领域

本发明涉及石油地球物理勘探中垂直地震剖面(VSP)勘探技术，具体是一种利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法。

技术背景

地震勘探是采用人工激发地震波勘测地下石油、天然气及煤田等有关的地壳结构和地层岩性方法的总称。常规地震勘探是使用地表震源和接收器进行地震勘测的技术，垂直地震剖面(VSP)勘探技术是使用地表震源激发，采用单个井下接收器或多个井下接收器阵列在井下不同深度点记录地震信号，对井孔附近的地下进行成像和储层参数分析的地震勘测技术。

Burton于1931年提出了基于井中检波器与地面震源测定地震波旅行时和确定局部地质构造的思想，开创了垂直地震剖面(VSP)勘探的先河。进入二十世纪八十年代以后，VSP技术得到了快速地发展，尤其是VSP的野外数据采集和实际处理能力，目前WALKAWAY VSP和三维VSP技术已经广泛用于复杂构造和地层岩性勘探，VSP与三维地面地震的联合勘探为复杂油气藏地区的勘探提供了有效的新技术手段。

VSP勘探技术由于检波器置于井中，通过垂直方向的检波器分布研究地质剖面的垂向变化，地震波的运动学和动力学特征更加明显、直观，因此能够更准确地研究波的性质和地层岩性。相对于地面地震而言，井中VSP在地层吸收参数、速度场、储层参数确定和精细储层描述方面具有明显的优势。

地震各向异性最初的研究是由波兰科学家M.P.Rudzki在19世纪末提出的，TsvankinI(2005)在其著作中较全面地总结了整个各向异性介质理论的发展和相关理论。各向异性介质可简化为VTI各向异性介质、HTI各向异性介质和TTI各向异性介质。如果弹性介质中存在一个二维平面，在平面内沿所有方向的弹性性质相同，而且垂直平面各点的轴向都是相互平行的，则称这样的平面为各向同性平面，垂直各向同性平面的轴称为对称轴，具有各向同性面的弹性介质称为横向各向同性介质，简称TI(TransversIsotropy)介质。当TI介质的对称轴与Z轴重合时，称VTI介质(VerticalTransverse Isotropy)，它可以近似地表示水平层状介质中周期性沉积的薄互层所表现的横向各向同性(如图1(a)所示)。VTI各向异性会引起地震波在VTI各向异性介质传播时产生射线弯曲现象(如图1(b)所示)，从而引起随井源距(或炮检距)变化的动校正时差问题，影响地震成像精度以及导致地震叠前AVO反演中的相位问题。当TI介质的对称轴与x轴或y轴重合时，称HTI介质(HorizontalTransverse Isotropy)，HTI介质模型可近似表示由于构造应力产生空间排列垂直裂缝群体而引起的各向异性(如图2(a)所示)。对于垂向裂缝性储层即HTI各向异性介质而言，地震波在不同方向传播时会引起不同的射线弯曲现象(如图2(b)所示)，从而造成随方位角的动校正时差变化，进而影响地震成像质量。

发明内容

本发明目的在于提供一种通过三维VSP资料确定VTI各向异性介质参数和HTI各向异性介质参数，消除随井源距(或炮检距)变化的动校正时差和随方位角变化的动校正时差，提高地震成像精度和地震在储层裂缝预 测方面的能力的利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法。

本发明实现的具体步骤是：

1)采用三维垂直地震剖面技术采集地震数据，拾取三维VSP实际旅行时；

步骤1)所述的实际旅行时是指各激发点至各级检波器的实际旅行时，或实际三维VSP数据的下行波初至时间。

步骤1)拾取实际旅行时采用程序自动拾取和人工拾取修正的方法。

2)根据三维VSP实际旅行时和各向同性介质假设条件下的正演旅行时计算每一个深度点的时差。

步骤2)所述正演旅行时通过公式(1)计算得到；

利用零井源距VSP数据得到的垂直反射时间和井旁速度正演计算各激发点至各级检波器的最小旅行时与步骤1)得到的实际旅行时采用公式(2)相减得到每一个深度点处二者之间的时差：

$t_{1,\mathrm{ij}}^2=t_{0,i}^2+\frac{x_{\mathrm{ij}}^2}{V_{\mathrm{nmo},i}^2}---\left(1\right)$

Δt_1，ij＝t_ij-t_1，ij    (2)

其中：t_1，ij是各向同性介质假设条件下各激发点至各级检波器的最小旅行时；t_0，i是垂直反射时间；v_nmo，i是井旁速度；x_ij是井源距；i表示检波器级数，i∈[1，M]，M表示总检波器级数；j表示炮点编号，j∈[1，N]，N表示总炮数；Δt_1，ij是实际旅行时与正演旅行时的时差；t_ij是三维VSP的实际旅行时；

3)根据上述步骤2)获得每一个深度点实际旅行时与正演旅行时的时差，存最小平方误差的原则下利用扫描方法计算VTI介质各向异性参数， 并同时得到经过VTI各向异性校正后的剩余时差；

步骤3)所述计算VTI介质各向异性参数是首先假设地下介质为垂直横向各向同性VTI介质，利用公式(3)的TI介质中地震波旅行时计算方法计算VTI各向异性介质假设条件下各激发点至各级检波器的最小旅行时。

$t_{2,\mathrm{ij}}^2=t_{0,i}^2+\frac{x_{\mathrm{ij}}^2}{V_{\mathrm{nmo},i}^2}-\frac{2{\mathrm{\η}}_i{x}_{\mathrm{ij}}^4}{V_{\mathrm{nmo},i}^2[t_{0,i}^2{V}_{\mathrm{nmo},i}^2+(1+2{\mathrm{\η}}_i)x_{\mathrm{ij}}^2]}---\left(3\right)$

公式(3)中前两项为各向同性条件下的旅行时平方，即(t_1，ij)²，η_i为VTI各向异性参数，第三项为VTI各向异性时差偏离双曲线的修正量，VTI各向异性时差可以表示成实际旅行时与VTI介质旅行时之间的差，在最小平方误差的原则下，利用扫描方法可以获得使公式(4)中误差ε最小的VTI各向异性参数η_i以及VTI介质的旅行时，然后利用公式(5)可以获得经过VTI各向异性校正后的剩余时差：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[t_{\mathrm{ij}}-t_{2,\mathrm{ij}}]}^2---\left(4\right)$

Δt_2，ij＝t_ij-t_2，ij    (5)

其中：t_ij表示三维VSP的实际旅行时；t_2，ij是VTI各向异性介质旅行时；Δt_2，ij是经过VTI各向异性校正后的剩余时差。

4)利用上述步骤3)得到消除VTI各向异性影响后的剩余各向异性时差，根据剩余时差与方位角之间关系拟合确定HTI介质各向异性参数；

步骤4)所述的确定HTI介质各向异性参数是假设地下介质为HTI各向异性介质，采用公式(6)计算HTI各向异性时差，在最小平方误差的原则下采用公式(7)拟合HTI各向异性时差：

t_3，ij＝c_ikα^k       (6)

$\mathrm{\Δ}{t}_{3,\mathrm{ij}}=\underset{c_k}{\min }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{t}_{2,\mathrm{ij}}-t_{3,\mathrm{ij}})}^2---\left(7\right)$

其中：t_3，ij是HTI各向异性时差，c_ik是高阶多项式各项的系数，α是观测方位角，k＝0，Λ，7是高阶多项式各项的阶数；Δt_3，ij是经过HTI各向异性校正后的剩余时差。

5)逐点计算每一深度点的VTI各向异性参数，HTI介质各向异性参数，获得其随深度变化的关系的参数曲线，消除随井源距或炮检距变化的动校正时差的影响，提高地震数据的成像精度以及叠前反演和储层裂缝预测的精度。

本发明有效解决了VTI各向异性介质和HTI各向异性介质存在相互干扰的问题，从而最终获得VTI介质各向异性参数和HTI介质各向异性参数，处理中可以有效地消除地震各向异性的影响，提高地震数据的成像质量，可以满足叠前AVO气藏分布的检测和储层裂缝解释，提高油气预测的准确率。

附图说明

图1(a)是VTI各向异性介质示意图，(b)是VTI各向异性引起地震波射线弯曲和速度变化示意图；

图2(a)是HTI各向异性介质示意图，(b)是HTI各向异性引起地震波射线弯曲和速度变化示意图；

图3是三维VSP观测方式示意图；

图4(a)是三维VSP数据某一炮所有深度点的下行直达波初至时间，图4(b)是三维VSP数据某一深度点所有井源距的实际旅行时平面图；

图5是不同深度点时差与井源距的关系图；

图6是消除VTI各向异性影响后剩余时差与井源距的关系图；

图7是不同深度点各向异性时差与方位角的关系图；

图8是消除HTI各向异性影响后剩余时差与方位角的关系图；

图9是计算得到的随深度变化的VTI各向异性参数曲线；

图10HTI各向异性引起的时差在四个深度点的矢量图；

图11(a)地面地震数据CDP动校正道集显示，(b)地面地震数据经过各向异性校正后CDP动校正道集显示；

图12地面地震CDP道集数据随方位角变化图。

具体实施方式

针对VTI各向异性介质会引起地震波传播时的射线弯曲现象(如图1(a)所示)，从而造成的随井源距(或炮检距)变化的动校正时差问题(如图1(b)所示)，HTI各向异性介质会引起地震波在不同方向传播时发生不同的射线弯曲现象(如图2(a)所示)，从而造成的随方位角变化的动校正时差问题(如图2(b)所示)。本发明提出了一种基于三维VSP数据求取VTI各向异性介质参数和HTI各向异性介质参数的处理方法，其目的是获得复杂岩性储层的VTI和HTI各向异性参数信息，通过各向异性介质较正，消除各向异性介质引起的地震波传播时差问题，提高地震成像精度，为复杂岩性储层的叠前反演与储层裂缝预测研究提供了一种有效的新技术手段。

本发明提供以下基于三维VSP数据计算各向异性参数的方法，具体包含以下步骤：

(1)使用三维VSP采集数据拾取实际旅行时。

使用地表震源激发地震波并用井中接收仪器记录得到三维VSP数据，本实例三维VSP数据观测采用160级大阵列井下检波器，其检波器间距15.24米(如图3所示)。为了获得精确的井旁速度信息，同时进行零井源距VSP观测，零井源距VSP采用全井段观测，观测点距10米。

拾取实际旅行时采用程序自动拾取结合人工拾取修正的方法，图4(a)是本次三维VSP数据某一炮所有深度点显示结果，拾取的实际旅行时如图中红线所示，图4(b)是本次三维VSP数据某一深度点所有井源距炮拾取的实际旅行时平面显示。

(2)根据上述步骤1获得的三维VSP实际旅行时和各向同性介质假设条件下的正演旅行时计算每一个深度点的时差。

假设地下介质为水平层状的各向同性介质，利用零井源距VSP数据得到的垂直反射时间和井旁速度正演计算(上述公式1)各激发点至各级检波器的最小旅行时，与上述步骤1得到的实际旅行时相减(上述公式2)获得每一个深度点处二者之间的时差。

图5给出了两个不同深度(1981米和2591米)检波点实际旅行时与各向同性假设条件下正演旅行时的时差与井源距的关系，从图中可以看出，同一深度处的时差随着井源距的增加而增加，深度为1981米以及井源距为3000米时的时差大于100毫秒，深度为2591米以及井源距为3000米时的时差接近100毫秒，这种时差随着井源距增加而增加的变化特点说明各向同性介质假设不能描述这一地区地层介质中地震波的传播特性。

(3)根据上述步骤2获得每一个深度点实际旅行时与正演旅行时的时差，在最小平方误差的原则下利用扫描方法计算VTI介质各向异性参数(上 述公式3、4)，在确定VTI介质各向异性参数后利用(上述公式5)可以得到消除VTI各向异性影响后的剩余时差。

图5中曲线是上述两个不同深度处各向异性的非双曲线时差与实际旅行时和正演旅行时的时差的拟合情况，即在最小平方误差原则下拟合的上述公式(3)中的第三项数值结果。通过给出一系列不同的各向异性参数，从而得到一系列不同的拟合曲线，其中拟合效果最好的(如图5中结果所示)所对应的各向异性参数即是所求的该深度的VTI介质各向异性参数。

图6是经过VTI各向异性介质较正后的剩余时差结果，除个别点外，深度2591米的剩余时差在4000米井源距范围内减少到±20ms(如图6(a)所示)，深度1981米的剩余时差在3500米井源距范围内减少到±20ms(如图6(b)所示)，而且随井源距变化无明显的规律性，说明这种VTI假设条件下拟合的结果符合本地区地震波的传播规律，因此上述假设条件是成立的。

(4)利用上述步骤3得到的消除VTI各向异性影响后的剩余各向异性时差，根据剩余时差与方位角之间关系采用高阶多项式(上述公式6)拟合确定HTI介质各向异性参数。

假设剩余时差可能来自HTI各向异性介质影响和近地表影响两个因素。图7分别给出了在1981米和2591米深度处剩余时差随方位角的变化关系图，从图中可以看出原来随井源距杂乱无序的剩余时差(图6所示)随方位角变化呈现出明显的规律性，说明了研究区介质具有一定的HTI各向异性介质(含非均匀介质和构造倾角)特性。图7中曲线是采用本方法拟合求出的HTI介质各向异性时差，图8是经过HTI各向异性修正后的剩余时 差，除少数散点外基本减小到为±10ms以内，而且是随机分布没有明显的规律性，基本消除了随方位角变化的HTI各向异性影响。

(5)逐点计算每一深度点的各向异性参数，可以得到不同深度点的VTI介质各向异性参数，HTI介质各向异性参数，获得其随深度变化的关系的参数曲线。

图9是VTI介质各向异性参数随深度的变化关系曲线，从图中看以看出在1-2秒处VTI各向异性参数变化较大。图10是四个不同深度点的HTI各向异性时差大小在平面上的矢量关系图。HTI各向异性引起的时差在各个深度都存在西南方向的时差大于东北方向时差的现象，说明研究区存在一定的HTI各向异性介质特性；分析不同深度处的时差与方位角的关系，可以看出深度1524米的HTI特性明显大于2591米的现象，而在分析零井源距VSP与三维近井地面地震的叠加速度关系时，二种速度在1500m左右存在较大差异，这种速度的差异有可能来自HTI各向异性的影响。

(6)将确定的VTI介质各向异性参数用于地震资料处理，消除随井源距或炮检距变化的动校正时差的影响，提高地震数据的成像精度、叠前反演和储层裂缝预测的精度。

求取各向异性参数的重要目的是指导驱动地面地震数据处理，提高地震成像精度，消除各向异性对叠前AVO和叠前反演的影响，帮助储层裂缝预测解释研究。图11(a)给出了利用VSP计算的均方根速度进行井旁地面地震CDP道集数据的动校正结果，在2.5秒附近的大炮检距部位存在40毫秒的剩余时差。图11(b)给出了利用三维VSP计算的各向异性参数进行校正后的结果，2.5秒附近的大炮检距部位的剩余时差被明显消除了，为叠 前AVO分析创造了良好的研究基础。图12给出了井旁地面地震CDP道集动校正数据随方位角变化的结果，在2.6秒附近存在明显的随方位角变化的时差，结合三维VSP各向异性参数分析，认为产生这种HTI各向异性现象的原因是由于储层的裂缝引起的。

基于三维VSP计算的各向异性参数应用于三维地面地震数据的联合勘探研究可以有效地消除地震各向异性的影响，提高地面地震数据的成像质量，有效地解决各向异性对叠前AVO和叠前反演的影响，采用本发明求取的各向异性参数处理的实际地震数据可以满足叠前AVO气藏分布的检测和储层裂缝解释研究，根据本发明处理结果所提供的建议井成功率和油气预测的准确率明显提高。

Claims (6)

1.一种利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法，其特征是采用以下具体步骤：

1)采用三维垂直地震剖面技术采集地震数据，拾取三维VSP实际旅行时；

2)根据三维VSP实际旅行时和各向同性介质假设条件下的正演旅行时计算每一个深度点的时差；

3)根据每一个深度点实际旅行时与正演旅行时的时差，在最小平方误差的原则下利用扫描方法计算VTI介质各向异性参数，并同时得到经过VTI各向异性校正后的剩余时差；

4)利用步骤3)得到的经过VTI各向异性校正后的剩余时差，根据剩余时差与方位角之间关系拟合确定HTI介质各向异性参数；

5)逐点计算每一深度点的VTI各向异性参数和HTI介质各向异性参数，获得其随深度变化的关系的参数曲线，消除随井源距或炮检距变化的动校正时差的影响，提高地震数据的成像精度以及叠前反演和储层裂缝预测的精度。

2.根据权利要求1的利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法，其特征是步骤1)所述的实际旅行时是指各激发点至各级检波器的实际旅行时，或实际三维VSP数据的下行波初至时间。

3.根据权利要求1的利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法，其特征是步骤1)拾取实际旅行时采用程序自动拾取和人工拾取修正的方法。

4.根据权利要求1的利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法，其特征是步骤2)所述正演旅行时通过以下公式(1)计算得到，

利用零井源距VSP数据得到的垂直反射时间和井旁速度正演计算各激发点至各级检波器的最小旅行时与步骤1)得到的实际旅行时采用以下公式(2)相减得到每一个深度点处二者之间的时差：

$t_{1,\mathrm{ij}}^2=t_{0,t}^2+\frac{{x^2}_{\mathrm{ij}}}{V_{\mathrm{nmo},i}^2}---\left(1\right)$

Δt_1，ij＝t_ij-t_1，ij                            (2)

其中：t_1，ij是各向同性介质假设条件下各激发点至各级检波器的最小旅行时；t_0，i是垂直反射时间；v_nmo，i是井旁速度；x_ij是井源距；i表示检波器级数，i∈[1，M]，M表示总检波器级数；j表示炮点编号，j∈[1，N]，N表示总炮数；Δt_1，ij是实际旅行时与正演旅行时的时差；t_ij是三维VSP的实际旅行时。

5.根据权利要求1的利用三维垂直地震剖面资料确定各向异性参数的方法，其特征是步骤3)所述计算VTI介质各向异性参数是首先假设地下介质为垂直横向各向同性VTI介质，利用以下公式(3)的TI介质中地震波旅行时计算方法计算VTI各向异性介质假设条件下各激发点至各级检波器的最小旅行时，

$t_{2,\mathrm{ij}}^2=t_{0,i}^2+\frac{{x^2}_{\mathrm{ij}}}{V_{\mathrm{nmo}.i}^2}-\frac{2{\mathrm{\η}}_i{x}_{\mathrm{ij}}^4}{V_{\mathrm{nmo},i}^2[t_{0,i}^2{V}_{\mathrm{nmo},i}^2+(1+2{\mathrm{\η}}_i){x^2}_{\mathrm{ij}}]}---\left(3\right)$

公式(3)中前两项为各向同性条件下的旅行时平方，即(t_1，ij)²，η_i为VTI各向异性参数，第三项为VTI各向异性时差偏离双曲线的修正量，VTI各向异性时差可以表示成实际旅行时与VTI介质旅行时之间的差，在最小平方误差的原则下，利用扫描方法可以获得使以下公式(4)中误差ε最小的VTI各向异性参数η_i以及VTI介质的旅行时，然后利用以下公式(5)可以获得经过VTI各向异性校正后的剩余时差：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[t_{\mathrm{ij}}-t_{2,\mathrm{ij}}]}^2---\left(4\right)$

Δt_2，ij＝t_ij-t_2，ij                                (5)

其中：t_ij表示三维VSP的实际旅行时；t_2，ij是VTI各向异性介质旅行时；Δt_2，ij是经过VTI各向异性校正后的剩余时差。

6.步骤4)所述的确定HTI介质各向异性参数是假设地下介质为HTI各向异性介质，采用以下公式(6)计算HTI各向异性时差，在最小平方误差的原则下采用以下公式(7)拟合HTI各向异性时差：

t_3，ij＝c_ikα^k                                        (6)

$\mathrm{\Δ}{t}_{3,\mathrm{ij}}=\underset{c_k}{\min }\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{t}_{2,\mathrm{ij}}-t_{3,\mathrm{ij}})}^2---\left(7\right)$

其中：t_3，ij是HTI各向异性时差，c_ik是高阶多项式各项的系数，α是观测方位角，k＝0，Λ，7是高阶多项式各项的阶数；Δt_3，ij是经过HTI各向异性校正后的剩余时差。

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