张振， 蔡涵鹏， 王腾宇， 肖又军， 宗晶晶， 黄录忠， 魏巍

(1.中国石油塔里木油田勘探开发研究院， 库尔勒 841000； 2.电子科技大学资源与环境学院， 成都 611731; 3.电子科技大学—爱为贝思智能油气地球物理联合实验室， 成都 611731)

垂直地震剖面(vertical seismic profiling, VSP)数据采集的观测系统中，激发炮点和井中检波器的空间位置可精确测量[1]。与地面地震相比较，VSP特有的观测方式，接收系统不受地面干扰和近地表吸收、衰减的影响，VSP数据中的地震波运动学和动力学特征明显，且具有信噪比、分辨率高，多波场等特点，使得VSP已经成为一种最为有效的构造精细解释、地层深度预测[2]、储层精细描述[3]、油气属性[4]的油气开发地震技术之一。按照激发震源与井口的距离分为零井源距VSP和非零井源距VSP两大类。零井源距观测的VSP资料在纵向上有较高的分辨率，在横向上仅是一个菲涅尔带内的反射，在提取地层地质参数、地层速度、地震子波等地震参数方面具有重要作用[5-6]。VSP记录中的下行纵波是最重要的一种波场，通常也是VSP记录的初至波，是地层的层速度计算的数据基础[7-8]。如果能够拾取准确的下行波初至时间，那么通过速度与走时、距离的关系就能得到准确的地层速度，其对于叠前深度偏移速度模型的优化发挥着重要作用[9]。VSP初至一般指首先到达检波器的下行纵波[10]。初至拾取的精度对层速度计算的准确性至关重要[11]，也对后续的处理环节(如三分量偏振分析、波场分离、静校正、偏移成像等)[12]，以及地质层位标定精度[13]产生举足轻重的影响。拾取初至时间微小的变化会引起计算的地层纵波速度剧烈变化。针对不同的埋深、岩性等差异，拾取初至时间相差1 ms，最终计算的地层纵波速度与真实地层纵波速度的差异可达2 000 m/s以上。沈统等[14]提出一种利用偏振约束实现最小信息准则初至拾取的改进方法，具有不设置阈值和自动化程度高的优点。针对低信噪比导致振幅比法初至拾取的难题，王国富等[15]提出了小波分析与振幅比法联合拾取初至时间的方法，在一定程度上克服了噪声引起的初至误差。刘强[16]在文献[15]的基础上，提出了在时频域直接开展初至拾取的方法，提高了初至拾取的效率。为了解决中国西部沙漠、黄土塬、戈壁等复杂地质区域初至波拾取准确率不高的难题，基于深度学习的初至波拾取方法被相继提出，均取得了良好应用效果[17-18]。

近年来VSP应用范围的不断扩大，在许多深层高陡构造地层的地区进行了VSP采集、处理和应用。根据现有VSP行业规范对初至拾取的规定：当震源为可控震时发，其“初至”为第一个波峰；当激发源为井炮时，其“初至”为起跳点，且初至时间曲线应平滑、连续、渐变。在塔里木盆地深层高陡构造带富含油气地区部署的大量零井源距VSP实践发现：由于反射界面倾角、两侧地层高速度差异的存在，采集的零井源距VSP数据初至波与常规水平地层的初至波的特征存在显著差异，如初至波出现分叉现象、复波等异常，给初至波拾取带来巨大困难，如仍然按照行业规范拾取初至时间，其计算的层速度与测井声波速度曲线的规律不相符，严重影响后续的处理、解释和应用效果。

对于深层高陡复杂地层初至波特征研究，模型论证是分析深层高陡构造初至波场特征的一种有效方法[19]。首先以钻遇深层高陡构造VSP实际资料为基础，总结和分析高陡构造区VSP数据中初至波表现的特点和初至拾取存在的困难，然后设计理论模型分析山地高陡构造区VSP初至波特征，厘清其影响因素，最后以明确的深层高陡构造地层零井源距VSP波场特征为指导，探索深层高陡地层初至拾取方案，并以实际资料分析其有效性。实例分析结果表明在深层高陡、高速度地层存在的地质条件下，利用本文方法获得初至时间后，计算的层速度与测井速度规律吻合，为深层高陡地层初至拾取提供了一种有效手段，对后续VSP资料处理和解释均具有重要的实际意义。

1 问题的提出

塔里木盆地富含油气勘探区的深层广泛发育高陡、高速度地层，如位于塔里木盆地塔中隆起中央主垒带的中寒1号井，钻探目的层为寒武系盐下白云岩，完钻井深7 430 m。过中寒1号井南北向地震剖面见图1。图1表明在3 200 ms附近存在一个陡倾角反射。该井为可控震源激发，VSP测量段井段为20～7 400 m。VSP原始数据Z分量剖面表明VSP资料质量高，信噪比高，初至波起跳点清晰[图2(a)]。从图2(a)可以观察到，从4 500 m开始，初至波表现为一复波特征，第一个波峰的振幅也发生显著变化，到5 000 m该复波分裂为特征清晰的两列波(分叉现象)。根据VSP的相关标准及业内对VSP初至拾取的要求拾取初至波时间，计算的地震层速度见图2(b)。图2(b)显示从4 500 m开始，按照现有行业初至拾取标准获得VSP初至计算的层速度高于声波测井的纵波速度，最大差异达2 000 m/s。图2(b)中展示的声波测井数据进行了井眼环境等校正和一致性处理，其声波速度准确。从图2(b)还可以观察到：浅层(4 500 m以上)与VSP一致性强；不一致处与图2(a)中发现初至分叉现象对应。在位于喀什凹陷北缘乌恰构造带阿图什北1号构造高点上的阿北1井、大北30井、塔里木盆地玛山地区古董2井等VSP资料中同样发现了上述相同现象，难以直接分辨初至波的真假，这使得利用现有的零井源距VSP初至拾取技术和手段难以拾取以上现象的VSP的初至和开展后续处理和解释工作。对于以上现象，提出以下两个问题。

(1)对于可控震源激发情况，是按照现有行业标准要求的一成不变的拾取起跳点下的零相位波峰，还是拾取第二波峰？

(2)拾取不同位置的初至带来的速度差异有多大？

图1 过中寒1井深度域地震剖面Fig.1 Seismic profile cross Zhonghan 1 well in depth domain

图2 中寒1井VSP原始数据Z分量及拾取初至计算的层速度Fig.2 Z component of original VSP data of Zhonghan 1 well and interval velocity calculated by conventional first break picking

2 深层高陡地层零井源距VSP初至波特征分析

2.1 模型构建及波场模拟

为深入分析高陡构造情况下初至波对地层速度计算等的影响，首先通过录井分层、地震构造解释方案制作了过中寒1井的地质模型，结合地震速度和测井速度等基础资料填充每一个地质单元的纵波速度(图3)；然后设计与中寒1井实际采集完全一致的采集观测系统，利用波动方程数值模拟方法得到的零井源距VSP模拟数据如图4所示。与实际VSP数据相似，初至波在4 500 m处开始表现为一复波特征，并且随着深度的增加，逐渐分裂为两个波峰。

图3 中寒1井速度模型Fig.3 Velocity model of Zhonghan 1 well

通过建立速度模型和波动方程数值模拟的波场快照能够明确波场的传播路径和波场响应特征。如图5所示，在1.4 s时，具有较大倾角处地震波前面发生变化，井筒右侧(地层上倾方向)的地震波先进入高速地层，此时左右两侧地震波被接收的时间开始有了时差，但还在同一个相位中，表现出一个初至的特征；在1.6 s时，检波点接收到两个路径传播的透射波，一个波为正常向下传播，另一个波为在高速地层中传播距离较多、走时短的透射波，高速层中传播的透射波先于沿井筒路径传播的透射波到达井中检波器。图5中展示的零井源距VSP初至波特征与前述实际VSP数据观察现象一致。

图4 波动方程正演数值模拟的VSP数据(局部)Fig.4 VSP data of wave equation forward numerical simulation(local)

图5 不同时刻地震波场快照Fig.5 Snapshots of seismic wave fields at different times

提取了正演使用的井点位置速度曲线，再拾取两个初至到时，求取VSP层速度曲线。通过平滑后与正演的地层速度对比研究，发现拾取分叉的初至得到的速度与真实速度偏差较大，而拾取浅层开始的第一个零相位波峰(蓝色线)得到的速度与真实速度更接近(图6)，其VSP初至计算的层速度与正演模型中速度最大差异仅仅46 m/s。

2.2 产生零井源距VSP初至波异常的关键因素分析

为了深入探讨前述实际数据和模拟数据中出现的异常现象的本质，以及给生产带来的影响，设计了具有地层倾角变化、岩性突变等特点的两层地质模型(图7)对该现象进行解剖，从理论的角度分析影响VSP初至的关键因素。针对高陡构造VSP初至波的现象分析，本次分析的因素包括地层倾角大小、上覆地层与下伏地层岩性差异大小，以及界面的埋藏深度。对于上覆地层井中检波器，仅仅单一的初至波。而根据费马最短时间原理，地层接触界面以下检波器(下伏地层中的检波器)可能接收到至少两个透射波(图7)，一是来自于与井筒平行的透射波，二是来自于地层接触界面上倾透射的透射波，它们到达检波器的时间存在差异。下面章节将逐一分析地层倾角、岩性差异以及埋藏深度对两个透射波在不同深度检波器接收到时的影响。

2.2.1 地层倾角对VSP初至及速度影响

在固定上覆地层纵波速度为4 500 m/s，下伏地层速度为6 600 m/s时，获得不同地层倾角下检波器接收的不同射线路径的走时以及计算的纵波速度。图8显示了不同地层倾角对透射点横向位移、初至到时、初至到时与沿井孔传播时差、由初至计算的VSP速度、VSP速度与地层真实速度误差，以及速度误差百分比。图8表明：①当地层倾角从10°变为40°，两条路径的透射波到达井中检波器的时差存在显著差异，且地层倾角越大，相同深度检波器的时差越大；②利用初至波到达时间计算的层速度误差从地层分界面开始随深度逐渐减小；③利用初至波计算的层速度与真实地层速度的误差随着地层倾角的增加而显著增大，在地层倾角为40°时，利用初至波走时计算的层速度与地层真实速度的误差达到约1 000 m/s，与中寒1井实际数据处理结果[图2(b)]一致。

图6 初至拾取选择对层速度的影响Fig.6 Influence of first break picking selection on interval velocity

图7 具有地层倾角变化、岩性突变等特点的两层结构地质模型以及下行波传播示意图Fig.7 The geological model of two-layer structure with dip Angle change and lithologic abrupt change, and the schematic diagram of downgoing wave propagation

2.2.2 界面速度差异对VSP初至及速度影响

基于斯奈尔定律可知，当界面两侧速度存在不同的差异，透射波会通过不同的传播路径到达井中检波器中。固定地层倾角为30°，设置不同的上覆地层与下伏地层的速度差异(图9)。图9中两个模型的上覆地层介质的纵波速度分别为4 500、4 000 m/s，下伏地层介质的速度均为6 600 m/s。图9所示结果表明：①当在相同的地层倾角情况下，上覆地层和下伏地层速度差异越大，其利用常规初至到时计算的速度与真实地层速度的误差越大，且呈现出非线性相关特征；②上覆地层与下伏地层速度差异越大，利用初至波计算的层速度误差的深度范围越大。

2.2.3 倾斜地层埋深对VSP初至及速度影响

保持地层倾角与上覆地层和下伏地层的速度相同，设置上覆地层厚度分别为2 000、6 000 m。速度模型及实验结果如图10所示。图10表明倾斜地层的埋藏深度越深，利用初至波到时计算的层速度与真实地层速度差异影响的深度范围越宽，如当上覆地层厚度2 000 m时，有误差的速度深度为2 000～3 020 m，而当上覆地层厚度6 000 m，有误差的速度深度为6 000～9 100 m。

3 拾取策略及实际资料应用

基于声波测井的纵波速度计算公式为

(1)

式(1)中：VpAC为由声波测井计算的纵波速度，m/s；Δt为声波测井获得声波时差，μs/ft。

图8 地层倾角对初至到时及VSP速度的影响Fig.8 Influence of dip angle on first arrival time and VSP velocity

图9 界面速度差异对初至及VSP速度的影响Fig.9 Influence of interface velocity difference on first arrival time and VSP velocity

图10 倾斜地层埋深对VSP初至及速度影响Fig.10 Influence of buried depth on first arrival time and VSP velocity

由VSP初至时间获取纵波速度的计算公式为

(2)

式(2)中：X为激发点与井口之间的垂直距离，即井源距；H为从井口地面起算的深度，m；T为初至时间，s；i为深度采样点序号。对于零井源距情况，X≪H，则式(2)可以简化为

(3)

由于VSP测量时观测点道距较小(一般为10 m，或者20 m)，初至时间的误差会引起层速度的高频抖动误差。一般应对层速度进行一定的数学平滑处理。为此，在利用VSP初至计算层速度时，本次采用5点中心差分计算初至时间梯度

Vpvsp(i)=12ΔH/[T(i+2)-T(i-2)+

8T(i+1)-8T(i-1)]

(4)

图11 本文方案初至拾取结果及计算VSP速度与声波速度差异Fig.11 The results of first arrival picking using our method, and the difference between VSP velocity and acoustic velocity

结合上述的数值模拟分析和关键因素对初至影响的分析结果可知，对于中寒1井面临的地质情况，初至拾取需要拾取分叉复波的第二个波峰。初至拾取结果见图11(a)。按照式(1)和式(4)获得声波速度与VSP层速度见图11(b)，其中绿色曲线为原始声波测井计算的层速度，红色曲线为VSP初至时间计算的层速度。图11(b)表明，按照本文研究的初至拾取方案计算VSP速度与声波速度随深度变化的规律一致。如果按照行业常规初至拾取标准拾取中寒1井的“首波”初至，计算的VSP速度在陡倾角地层以下部分VSP速度显著高于测井声波速度(图2)，最高速度差异达2 000 m/s，与前述理论分析一致，且与测井速度随深度变化的规律也不吻合。

图12为两种方案初至拾取获得时深关系，与测井合成记录对比，以及地面地震标定结果。图12表明，按照本文研究的拾取初至方案和速度计算方法获得时深关系更正确，声波测井合成记录与VSP叠加走廊的波组关系更为一致，且与地面地震的波组关系特征更吻合。

4 结论

图12 两种拾取方案的井震标定Fig.12 Well to seismic calibration of two kinds of first break picking schemes

针对深层高陡构造VSP记录呈现的复波或分叉初至波现象进行了理论和实际研究与分析，研究结果表明：表现为复波或者分叉初至波的现象与地层倾角、界面的速度差有密切关系；地层倾角越大、界面速度差值越大，初至分叉现象越明显，采取不同的拾取方案计算的速度误差越大。

当深井-超深井零井源距VSP中初至波出现分叉现象时，按照行业标准拾取“首波”初至不反映垂直投射的垂向速度，将产生严重的速度误差，应沿浅层“首波”同相轴连续向下拾取。

本文实例为可控震源激发，其“初至”为第一个波峰。当初至波出现分叉时，容易连续按照“初至”第一个波峰的同相轴拾取；如果激发源为井炮时，其“初至”为起跳点，当初至波出现分叉时，受早至“首波”干涉，将难以准确拾取，需要采取压制波前，或先拾取波峰等其他技术手段后换算至起跳等，非本文讨论范畴。