VSP技术综述

VSP技术综述1前言垂直地震剖面技术（简称VSP技术）是一种垂直地震剖面是一种地面激发、井中接收的地震观测技术。与地面地震相比,VSP技术中，地震波少经过一次地表低速带，其得到的地震资料的信噪比要好,分辨率高,波的运动学和动力学特征更加明显。本文综合了一部分前人的研究成果，简要介绍了vsp技术的原理、采集和处理等方面的内容，并阐述了VSP的一些优缺点。1.1研究目的及意义常规地震勘探是在地面激发地震波、地面布置检波器接收的一种勘探手段，这种勘探手段所得的剖面是常规地震剖面。随着油田勘探开发难度的增大，常规勘探手段所得到的地震资料精度已经无法满足勘探的需要。因此，出现了在地面激发、井中接收，利用直达波和反射波研究井旁构造和岩性的地震勘探方法。这种方法就是垂直地震剖面法，简称为VSP(VerticalSeismicProfiling)方法。VSP技术是一种检波器沿井孔放置，在地层内部接收地震波的方法。与地面地震相比，VSP资料具有信噪比高、分辨率高、波的运动学和动力学特征明显等优点。由于VSP观测系统中接收到的地震记录只穿过一次低降速带，地震波能量特别是高频成分相对于地面地震损失减少，具有更高的分辨率；VSP记录中既包含上行波，又包含下行波，波场信息丰富；VSP技术提供了地下地层结构同地面测量参数之间最直接的对应关系，可以为地面地震资料处理解释提供精确的时深转换及速度模型，可以可靠地识别地震反射层的地质层位，改善地面地震资料的解释效果，甚至可以利用VSP资料直接研究岩性和储层物性。所以，VSP技术是一种很有前途的地震观测技术，研究VSP技术的理论及应用也有很重要的实际意义[3]。1.2国内外研究及应用现状40年代，一些前苏联科学家研制了体系完全的VSP野外采集系统及其相应的处理、解释理论，这使VSP技术发展成为了一套完整的、独立的、新颖的观测体系。在1973年，加尔彼林院士出版了专著《垂直地震剖面》，这本书对前苏联十多年的研究工作做了很好的总结，为VSP技术的发展奠定了坚实的基础[3]。随着石油勘探难度的不断增大，常规地震勘探的成功率逐渐下降，这使得各石油公司对VSP技术的兴趣逐渐增加。在西方各个石油公司的推动下，从1979年到1982年，VSP技术在西方迅速推广，并得到了进一步发展，此时，VSP野外资料采集、资料处理以及资料解释技术得到了极大的发展，西方科学家发表了大量关于VSP技术的论文，VSP技术在探测复杂构造和进行岩性解释方面得到了广泛的应用[3][5]。自从1978年加尔彼林院士的专著《垂直地震剖面》的英译本传入我国之后，这项新技术立刻引起了我国石油工业界的重视。我国石油勘探科研人员形成了学习推广VSP技术的热潮，经过自力更生的试验，VSP技术在我国得到了进一步的发展。目前，VSP技术已经成为了我国地球物理勘探领域中最为活跃的手段之一[3]。半个多世纪的发展，VSP技术已发到出很多的体系，现有的VSP技术大致可以分为以下几类[3][4][5]：（1）零偏移距VSP（zero-offsetVSP）：零偏移距VSP技术一般激发点在探井井口200m以内。在零偏移距VSP采集系统中，因为检波器的深度已知，所以能建立精确的时-深关系，从而能准确的识别反射层位和计算层速度。（2）非零偏移距VSP（offsetVSP）：非零偏移距VSP技术一般激发点与探井井口之间有一定距离，通常在900m至3100m之间。非零偏移距VSP技术的主要任务是探明井周区域的地质构造，它可以以很高的垂向分辨率和横向分辨率来对井周构造成像。（3）变偏移距VSP（walkwayVSP）：变偏移距VSP技术的激发点沿过井测线逐渐移动。变偏移距VSP记录可以抽成共炮点地震剖面和共检波点地震剖面。（4）方位VSP（azimuthalVSP）：方位VSP技术是在井旁不同方位激发地震波，以此来探明不同方位地质情况变化特性的一种方法。（5）三维VSP（3DVSP）：三维VSP技术是激发点按所设计的观测系统，围绕井孔逐点激发的一种方法。（6）逆VSP（reverseVSP）：RVSP技术是采用井中激发，地面全方位接收的一种观测系统。RVSP技术在保持了资料高分辨率的基础上又扩大了井周区域的成像范围，具有较高的应用价值。（7）随钻RVSP技术（SWD）：SWD技术是将钻头做为震源，检波器在地面接收钻头产生的实时信号的一种RVSP技术。应用SWD技术可以对尚未钻开地层的反射层进行识别、归位，以此来进行钻头周围及前方目标的成像。（8）多分量VSP（multi-componentVSP）：多分量VSP技术采用特殊的多分量震源和多分量检波器进行采集。在多分量VSP观测系统中，根据震源和检波器的不同，可以分为九分量VSP技术、四分量VSP技术和三分量VSP技术。（9）方向VSP（directionalVSP）：方向VSP技术是针对海上斜井的一种采集系统。在方向VSP技术中，震源在船行驶中激发，使激发位置位于检波器之上，另外在井口处还另外布置一个震源。2VSP技术2.1vsp技术原理VSP是地面激发，井中接收。自震源出发下传播的波，一部分向下直接传播到井中个接收点，形成直达波，也称作下行波；另一部分经过反射界面一次反射后向上传播，依次到达井中个观测点，称为上行一次反射波[5]。Vsp系统中观测到的波如下图（1）所示：从上图可以看出，在VSP中，到达检波器的波主要有直达初至波、一次反射波和多次反射波，当偏移距较大时，还会接收到转换波。下面我们介绍一下VSP相关波的时距曲线。（1）均匀介质中的直达波时距曲线设波的传播速度为v,接收点在井中连续分布，设某观测点的深度为h，激发点s距井口的距离为d，如图（2），则直达波传播的时间t满足;图（2）它是一个双曲线方程，即时距曲线为双曲线，但当d=0时，变为直线方程，也就是说零偏移距或偏移距较小时，直达波的同相轴可视为直线。（2）均匀介质反射波时距曲线：如下图（3），H为反射界面的深度，z为接收检波器的深度,则可得反射波时距曲线：图（3）所以此时直达波与一次反射波的关系可用下图（4）表示，当Z=H时，一次反射波时间等于直达波时间，这是VSP中识别反射界面的一个重要依据。图（4）直达波与一次反射波时距曲线关系（3）均匀介质情况下一个反射界面的上行波时距曲线这是水平界面推广到一般情况下的反射波时距曲线，如图（5），地下反射界面倾角为fai。图（5）当界面水平时（角为0），时距方程变为水平界面的反射波时距曲线。当d很小并趋于零时，反射波时距曲线可视为直线。实际情况下，检波器的沉放深度一般小于界面的二倍埋深，所以反射波在地震剖面上具有从左向右向上倾斜的近乎直线的同相轴。（4）一个平界面的二次下行波时距曲线二次下行波是多次波的一种，其时时距方程为当界面水平时，旅行时岁检波器的沉放深度的增加而增加，当d之很小，二次下行反射波同相轴近似为置线，d=0时，直达波和二次下行波的时距方程分别为：比较两式可知下行二次波旅行时比直达波增加一个常数，两波的同相轴有相同的斜率，故在d较小时，下行二次波的同相轴和直达波是平行的，只是增加了一个系统的时间值。如下图（6）图（6）2.2VSP资料采集技术2.2.1VSP采集的一般要求;常规VSP的采集过程是：地表多次激发，井中三分量检波器不同深度观测，是一个激发提升，再激发再提升的接收过程。VSP数据采集中采用的设备主要包括井孔震源、及井下检波器、参考检波器等[5]。在进行VSP工作中，理想的震源应该满足以下条件;(1)震源能激发宽高频信号，使之有较高的分辨率(2)能量强，干扰少，多在低俗层以下介质中激发，为增加信号能量，采取统一观测点多次重复激发的方法(3)震源子波的一致性，，要求每次激发的儿子波都一样，激发条件必须重复(4)相邻道震源的标时误差应小于1ms，以保证有较高的精度。井下检波器的VSP工作中的主要设备，他应当有可伸缩的推靠臂，沉放到某一观测点时，要求将检波器推靠在套管上，保证有良好的耦合条件。同时要求检波器具有较宽的通频带，有可调的动态增益，可接收纵横波，并能承受高温高压。参考检波器，又称近场检波器，用于监视地震子波，要求尽可能与井中检波器的性能相同，他可以为子波处理提供依据[5]。2.2.2长排列资料采集技术；长排列组合的优势是一次激发躲到接收，可以降低成本，并且有助于提高资料质量，改善三维成像结果。[1]2.2.3三维VSP与三维地震数据联合采集技术该技术是在进行三维地震数据采集的同时进行三维VSP观测，是提高观测时效和降低观测成本的有效途径之一，并且可以增强资料的可对比性。下图（7）是一个实际的三维VSP与三维地震数据联合采集对比，可见联合采集技术具有更高的分辨率和信噪比[1]。2.3VSP数据处理技术VSP数据的处理一般可分为预处理、常规处理和特殊处理三类。（参考课本）预处理和地面地震基本相同，常规处理用于处理零偏VSP数据，特殊处理对于不同的数据各有不同的处理方式，如非零偏VSP，变偏VSP，三分量VSP等等。这里我们简要介绍一下VSP数据处理中的一些重、难点。2.3.1VSP波场分离波场分离是vsp数据处理的关键，目前的vsp波长分离方法主要是根据波的视速度和偏振差异而形成的，主要包括f-k滤波，t-p滤波和中指滤波等[5]。（1）f-k滤波对包含上下行波的地震剖面进行二维傅里叶变换，则时间-空间域的数据变为频率-波数域，这时，下行波位于正波数平面上，而上行波位于负平面上。这样上下行波在频率-波数域就被分离开来，在频率-波数域分别进行下、上行波滤波，再反变换会时间-空间域就可以分别得到上行波、下行波。（2）t-p滤波t-p域滤波是利用上行波和下行波的书速度差异来进行滤波的。在t-z域内的直线同相轴，在t-p域能量可聚焦到一点。由于上下行波的书速度符号相反，所以t-p域内他们分别位于负p半平面和正p半平面。再分别滤波后进行反变换就可以得到波场分离后的上行波或下行波。（3）中值滤波中值滤波进行波场分离的流程是：首先将初始数据按照使初至时间校正到同一时间的原则进行时移，使下行波沿垂直方向排齐。再沿垂直方向做中值滤波，此时垂直平排齐的下行波得到增强，而上行波大大减弱。只要中值滤波跨度选择合适，就可以达到突出上行波、削弱下行波从而分离出上行波的目的。2.3.2VSP-CDP叠加成像方法VSP-CDP叠加成像方法主要用于非零偏VSP数据的处理中，为了消除偏移距的影响和减少多解性。其处理方式，是将有偏移距的VSP记录的上行波数据中每个深度的每个样点，从深度-时间（x，t）域变换到反射点的偏移距及对应于深度的双程垂直时间域（x，T），及NMO校正。在变换后的（x，T）空间，按deltax和deltat分成网格，把属于某个CDP附近的样点进行叠加，作为该店的输出，在每个网格点上重复这种处理，最后得到VSP-CDP叠加剖面。随着VSP技术的发展，但单独纵波的VSP-CDP叠加成像方法并不能满足需求，在此基础上，转换波的VSP-CDP方法被提出来，他利用了纵波和转换横波的信息，能够适应更加复杂的地质构造问题和岩性问题[5]。3VSP技术的应用及其优缺点VSP技术的主要应用在一下几个方面[1][2][6]：（1）提取准确的速度及时深关系（2）标定地震地质层位（3）多次波的识别（4）提取反褶积因子（5）预测井底下反射层的深度（6）计算吸收衰减系数（7）提取纵横波速度比及泊松比等参数这些应用也可以与地面地震资料的处理联系在一起，有利于提高地面地震资料处理的分辨率。与地面地震相比，VSP技术具有一些明显的有点：1）、地面剖面基本上是通过观测波场在水平方向（地表）的分布来研究地质剖面的垂向变化，VSP是通过观测波场在垂直方向的分布来研究地质剖面的垂向变化，因此，波的运动学和动力学特征更明显、更直接、更灵敏。2）、地表观测离开介质内部有意义的界面较远，与界面有关的波需经过一段复杂的旅程才到达地表，VSP可以在介质内部紧靠界面附近观测，因而可直接记录到与界面有关的较纯的地震子波的波形。3）、地面地震记录上主要的干扰波大都来自剖面上