海上WalkawayVSP技术研究与应用＊

李绪宣 范廷恩 胡光义 马淑芳 井涌泉 张显文

（中海油研究总院 北京 100028）

海上WalkawayVSP技术研究与应用＊

李绪宣 范廷恩 胡光义 马淑芳 井涌泉 张显文

（中海油研究总院 北京 100028）

为了更好地满足我国海上油田开发中小断层识别、薄储层刻画的需求，综合考虑VSP平面方位角、井眼条件等因素，根据正演模拟和枪阵组合震源优化，面向油田地质目标，提出了Walkaway VSP资料采集方法，针对渤海H油田W1井设计了8方位的Walkaway VSP采集测线；针对常规VSP波场分离方法存在的混波、低频化、波形畸变等缺陷，提出了基于全局参数反演的波场分离技术；针对常规反Q滤波技术仅适用于地面地震数据，提出了基于VSP射线路径的反Q滤波技术；首次将时域任意广角单程波动方程偏移算法推广到Walkaway VSP偏移成像中。这些技术成功应用于渤海H油田Walkaway VSP资料采集和处理中，获得了高分辨率的成果剖面，有利于波组特征识别和断层的精细刻画，满足了油藏精细研究的资料质量要求。

海上油田；Walkaway VSP；观测系统设计；波场分离；反Q滤波；偏移成像

近几年，VSP技术得到了快速发展［1－4］，其在复杂构造和岩性圈闭勘探及油气田开发领域发挥着越来越重要的作用，且三维VSP技术与地面地震技术的结合也被广泛应用于各类油田的开发和动态监测中。Walkaway VSP技术是一种炮点沿着一条或多条过井的直线激发、井中布置检波器接收的非零偏VSP方法，其所得到的资料可以抽成共检波点道集和共炮点道集，使各个反射点的覆盖次数得以提高，从而实现用较高精度和分辨率资料研究目的层复杂地质构造，进而指导开发过程中的钻井。

Du和Zhang［5］利用变偏移距VSP资料指导钻井和调整井轨迹，得到了较好的应用效果；Sayed等［6］利用Walkaway VSP技术对2口井之间的地层进行精确成像，利用成像结果对地层结构进行了精细解释，较好地指导了页岩中水平井的钻进；Leaney［7］提出了与位置有关的一个平均项，将偏移距和共中心点的影响包含在内，很好地解决了VSP地震数据的一致性问题，并将其应用到Walkaway VSP记录和水压裂缝监测记录中取得了较好的效果；王玉贵等［8］在大庆油田进行了Walkaway VSP资料的采集和处理试验，研究了其观测系统设计、资料采集和资料处理等方法，得到了重要的结论；姚忠瑞 等［9］从观测系统的定义、抽道集、速度分析、波场分离、纵波和转换波深度域成像等方面对多方位Walkaway VSP资料处理方法进行了讨论，并在实际应用中取得了很好的效果。在提高VSP记录分辨率方面，余振 等［10］将稳定的反Q滤波方法引入到VSP记录中；在此基础上，严红勇等［11］给出了零偏和非零偏VSP资料的反Q滤波方法。

渤海H油田是典型的明化镇组河流相油藏，目前已进入调整挖潜阶段，100余口井的井位调整是油田研究的主要目标，然而油田开发调整面临储层薄、非均质性强等诸多难题，而地面地震资料分辨率低，已无法满足实际生产需要，须开展井中高分辨率地震技术应用研究，提高小断层和薄储层的刻画精度，同时为地面地震资料处理提供更准确的地层参数。本文综合考虑VSP平面方位角、井眼条件等因素，根据正演模拟和枪阵组合震源优化，针对该油田W1井开展了观测系统设计，设计了8方位的Walkaway VSP采集测线，提出了基于全局参数反演的波场分离、基于VSP射线路径的反Q滤波和基于单程波动方程的VSP偏移成像等处理关键技术，获得了高分辨率的成果剖面。

1 面向油田地质目标的Walkaway VSP资料采集方法

常规Walkaway VSP观测系统不一定能把各个方位都覆盖到，此次提出Walkway VSP观测系统设计成“米”字型，具体测线部署原则为：①8条VSP测线应当覆盖8个不同的方位；②各VSP测线应尽可能与已有井的平面投影轨迹或地面地震测线重合；③VSP测线目的层覆盖范围应包含或者接近已有井目的层段。这样既可以将资料用于井位优化，又可以获取各向异性参数。

基于上述测线部署原则，针对渤海H油田W1井设计了8条二维Walkaway VSP测线的方位，如图1所示（图中红虚线和粗白实线分别表示浅和深目的层的Walkaway VSP覆盖范围，细白实线为已有井的井轨迹，绿实线为地面地震测线）。可以看出，本文设计的Walkaway VSP测线的位置和方位充分兼顾了与地面地震测线及已有井的平面投影轨迹的重合，如测线1与地面地震测线268基本重合，并且与W1、W2和W3井平面投影轨迹基本重合。

图1 针对渤海H油田W1井设计的8条二维Walkaway VSP测线的位置和方位Fig.1 Location and azimuth of eight 2DWalkaway VSP lines designed for W1well in H oilfield，Bohai sea

以W1井为例，为了满足该井目的层段的覆盖范围和覆盖次数，本次Walkaway VSP观测系统震源布设范围为－1 900～1 900 m，炮间距25 m（以不大于临界角为标准）；W1井中检波器布设范围为600～800 m，间距10 m，20级检波器，每个“排列”上提5 m重复测量，最终达到5 m的检波点间距；时间采样间隔为1 ms，记录长度为4 000 ms。基于该区井孔和地面地震资料设计了Walkaway VSP模型，图2为过W1井测线1的速度模型，图3为该井区测线1射线追踪模型，图4为该井区测线1射线追踪覆盖次数。W1井目的层段深度范围为1 000～1 500 m，从图3可以看出目的层段的横向覆盖范围在575 m左右，从图4可以看出覆盖次数为85～105次，所以采集资料可以满足油田地质研究的需要。

图2 渤海H油田W1井区测线1速度模型Fig.2 Velocity model of line 1in W1well zone of H oilfield，Bohai sea

图3 渤海H油田W1井区测线1射线追踪模型Fig.3 Ray tracing model of line 1in W1well zone of H oilfield，Bohai sea

图4 渤海H油田W1井区测线1射线追踪覆盖次数Fig.4 Ray tracing multiplicity of line 1in W1well zone of H oilfield，Bohai sea

2 Walkaway VSP资料处理技术

实际资料处理按以下流程进行：①初始Walkaway VSP数据经过检波器旋转定向后，进行炮点和检波点的地表一致性处理；②处理后的数据进行波场分离和反Q滤波处理；③进行偏移成像处理，得到最终的偏移剖面。上述流程中还可以加入其他常规处理流程，如去噪、反褶积等。本文以测线1采集的Walkaway VSP数据为例，重点对基于全局参数反演的波场分离、基于VSP射线路径的反Q滤波和基于单程波动方程的偏移成像这3个关键环节进行论述。

2.1 基于全局参数反演的波场分离

斜井条件下多分量VSP波场更加复杂，分离难度更大［12－14］，目前常用的VSP波场分离方法有中值滤波、速度滤波和F－K滤波，但是这些方法均存在混波、低频化、波形畸变等缺陷，往往因波场分离不理想而导致后续成像效果差。本文提出了基于全局参数反演的波场分离方法，即利用遗传算法［15］直接求取纵、横波速度及入射角，从而实现斜井条件下多分量VSP数据的波场分离。该分离方法可以同时得到下行纵波、上行纵波、下行横波、上行横波，不需要先进行上、下行波场分离后进行纵、横波分离。

如图5所示，深度z处的检波器会接收到上行P波、下行P波、上行S波和下行S波等4种波型，ΨPdown、ΨPup、ΨSdown和ΨSup分别为下行纵波、上行纵波、下行横波和上行横波的入射角；hPdown、hPup、hSdown和hSup分别为下行纵波、上行纵波、下行横波和上行横波的偏振矢量。

图5 VSP资料中地震波传播及极化示意图Fig.5 Sketch map of VSP seismic waves propagation and polarization

当频率固定时，以z点为中心的一个窗内有

式（1）～（5）中：M1、M2为空间窗的上下边界；（ω）为空间窗内（－M1～M2）各检波点处的频率域合成波场值，包括水平分量和垂直分量两部分；为分离后下行纵波、上行纵波、下行横波、上行横波的频率域波场值；hPdown、hPup、hSdown和hSup为偏振矢量；d为不同波的相移量。

目标函数为

式（6）中：vP，vS为纵波速度和横波速度；ω1，ω2分别为起始和终止频率；ū（ω）为实测波场。

利用全局反演算法（遗传算法）求取式（6）的极小值，进而获得模型速度与入射角参数［10］，代入式（1）计算z点4种波的频率域波场值，再进行反傅里叶变换得到该点时间域的上行P波、下行P波、上行S波和下行S波，重复上面的步骤完成井内其他检波点的波场分离。井倾斜时，只须对方程（6）的4个入射角做相应的修正即可。

图6 渤海H油田Walkaway VSP记录原始共炮点道集（测线1）Fig.6 Original common shot gathers of Walkaway VSP in H oilfield，Bohai sea（line 1）

图7 渤海H油田Walkaway VSP记录波场分离后共炮点道集（测线1）Fig.7 Common shot gathers of Walkaway VSP after separation in H oilfield，Bohai sea（line 1）

图6为测线1某一炮的Walkaway VSP三分量资料，其中Z分量连续性较好，X分量和Y分量连续性较差，而且不同类型的波叠加在一起难以区分。图7为其波场分离后的结果，可以看出，4种类型的波得到了有效分离，但由于P波的能量要远强于S波，所以分离出的P波的精度和连续性更好。此外，分离得到的波频带较窄，同相轴较为光滑，这主要是由于原始资料的频带范围较窄导致，分离算法中最高频率是作为一个参数输入的。

2.2 基于VSP射线路径的反Q滤波

常规的反Q滤波技术仅适用于地面地震数据，应用于 VSP数据时存在一定问题。本文将Wang［16－17］针对地面地震资料提出的稳定的反Q滤波方法推广到Walkaway VSP数据处理中。在水平层状介质假设下，通过射线追踪确定Walkaway VSP记录上各个时间点对应的传播路径，将地震波在各层中的下行旅行时记为td，1，td，2，…，td，m，上行旅行时记为tu，1，tu，2，…，tu，m，m为地层层数；对于下行直达波和多次波，统一近似按照下行直达波的传播路径，将tu，m设为零即可。

Walkaway VSP反Q滤波公式可写为

式（7）～（9）中：U（τ，ω）为反Q滤波后时间τ处的波场记录；（τ，ω）为反Q滤波前时间τ处的波场记录；ω为角频率；ωh为与地震频带最高频率相关的一个调谐参数；σ2为稳定因子；Qj为第j层的Q值。

图8a、b为测线1反Q滤波前后下行P波对比，图8c、d为该测线反Q滤波前后下行P波频谱对比；图9a、b为测线1反Q滤波前后上行P波对比，图9c、d为该测线反Q滤波前后上行P波频谱对比。可以看出，经反Q滤波处理后，Walkaway VSP记录高频成分的能量得到了补偿，地震振幅能量得到了增强，同相轴连续性和记录的分辨率得到了有效改善，尤其是中、深层中一些复合波也被分离开来，波场信息更加丰富。

2.3 基于单程波动方程的偏移成像

图8 渤海H油田Walkaway VSP记录反Q滤波前后下行P波（测线1）Fig.8 Down－going P－wave of Walkaway VSP before or after inverse Qfiltering in H oilfield，Bohai sea（line 1）

图9 渤海H油田Walkaway VSP记录反Q滤波前后上行P波（测线1）Fig.9 Up－going P－wave of Walkaway VSP before or after inverse Qfiltering in H oilfield，Bohai sea（line 1）

本文首次将时域任意广角单程波动方程（AW WE）偏移算法［18－19］推广到WalkawayVSP偏移成像中。震源波场和接收记录波场分别满足式（10）、（11），利用这些方程进行Walkaway VSP叠前深度延拓成像。假设震源波场满足下行波方程，井中检波器的记录满足上行波方程，分别采用下行波方程和上行波方程将震源波场和接收记录波场沿深度延拓，在同一深度上应用互相关成像条件得到该深度上的成像结果，然后进行下一个深度的延拓成像，最后对井中检波器下方地层进行成像。

式（10）、（11）中：us（x，t）为震源波场；uR（x，t）为接收记录波场；其他变量定义详见Guddati和Heidari（2005）的论文［19］。对方程（10）、（11）采用有限差分进行数值计算，可适应横向不均匀介质。

抽取共成像点道集进行偏移成像处理，然后再利用互相关方法对得到的共成像点道集进行校正，使偏移结果能够更好地进行同相叠加，从而提高成像质量。图10为测线1水平偏移距400 m处的共成像点道集，对比可以看出，校正后的共成像点道集同相轴连续性得到增强。图11为测线1的偏移剖面。

图10 渤海H油田校正前后共成像点道集（测线1偏移距400 m处）Fig.10 CIP gathers before or after correction in H oilfield，Bohai sea（offset of line 1 with 400 m）

图11 渤海H油田共成像点道集校正后偏移剖面（测线1）Fig.11 Migration section after CIP correction in H oilfield，Bohai sea（line 1）

3 实际应用

基于油田地质目标设计了Walkaway VSP观测系统，完成了渤海H油田8条二维Walkaway VSP测线的采集和处理工作。以测线1为例，图12a为该测线Walkaway VSP剖面，图12b为该测线Walkaway VSP剖面与地震剖面叠合图，图12c、d分别为该测线地面地震剖面与Walkaway VSP剖面的频谱。可以看出，Walkaway VSP剖面具有更高的分辨率和保幅性，主频达到100 Hz，频带宽度8～180 Hz，可识别5～7 m的薄储层，更有利于波组特征的识别和断层的精细刻画。

4 结束语

精细的油藏地球物理描述是油田开发的核心。通过渤海H油田Walkaway VSP资料的采集和处理试验，提出了面向油田地质目标的Walkaway VSP资料采集方法以及基于全局参数反演的波场分离、基于VSP射线路径的反Q滤波和基于单程波动方程的VSP偏移成像等关键技术，并成功应用于该油田Walkaway VSP资料的采集和处理中，得到了高分辨率的Walkaway VSP成像剖面，为油藏精细研究提供了高质量的基础资料。此外，零井源距VSP和Walkaway VSP资料可以得到准确的时－深关系、速度、球面扩散补偿因子、吸收因子以及各向异性等参数，这些参数可以应用到地面地震数据的处理中，从而提高地面地震资料的保真度、分辨率和成像精度。

图12 渤海H油田资料处理效果对比（测线1）Fig.12 Comparison of data processing results in H oilfield，Bohai sea（line 1）

［1］刘颖宇，田洪，李东，等.中途VSP地层层速度反演技术的拓展应用［J］.中国海上油气，2011，23（3）：163－165.

Liu Yingyu，Tian Hong，Li Dong，et al.Extended applications of intenval velocity inversion on intermediate VSP［J］.China Offshore Oil and Gas，2011，23（3）：163－165.

［2］郭军，沈章洪.基于波动方程正演的倾斜地层VSP走时差异分析［J］.中国海上油气，2014，26（2）：20－23.

Guo Jun，Shen Zhanghong.An analysis of VSP travel－time difference in tilted formation based on the forward modeling of wave equation［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（2）：20－23.

［3］杨红君，蔡军.基于VSP的孔隙压力预测方法在莺歌海盆地的应用［J］.中国海上油气，2014，26（4）：20－24.

Yang Hongjun，Cai Jun.Applying a method to predict pore pressure based on VSP in Yinggehai basin［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（4）：20－24.

［4］余连勇，胡光义，赵岩，等.稳定的反Q滤波统一算法及其在地震资料高分辨率处理中的应用［J］.中国海上油气，2014，26（4）：29－33.

Yu Lianyong，Hu Guangyi，Zhao Yan，et al.A unified algorithm of stable inverse Q filtering and its application to highresolution processing of seismic data［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（4）：29－33.

［5］DU Jinling，ZHANG Qinghang，FU Jinghui，et al.Adjustment of drilling trajectory onsite using multi－offset VSP technology［C］.Technical Program，SEG，Expanded Abstracts，2012：1－5.

［6］SAYED A，LAWU I，FRYER A，et al.Multi－well Walkaway VSP to resolve structural uncertainty in the Haynesville Shale Play［C］.82nd Annual International Meeting，SEG，Expanded Abstracts，2012：1－5.

［7］LEANEY W S，SACCHI M D，ULRYCH T J.Station－consistent deconvolution for multi－source borehole seismic data［C］.Journal of Seismic Exploration，2009，18（3）：229.

［8］王玉贵，王建民，王双喜，等.Walkaway VSP资料采集与处理技术实践［J］.石油地球物理勘探，2010（增刊1）：40－43.

Wang Yugui，Wang Jianmin，Wang Shuangxi，et al.The technical practice for walkaway VSP data acquisition and processing［J］.Oil Geophysical Prospecting，2010（S1）：40－43.

［9］姚忠瑞，何惺华，左建军，等.多方位Walk－away VSP处理方法［J］.石油物探，2006，45（4）：380－384.

Yao Zhongrui，He Xinghua，Zuo Jianjun，et al.Multi－azimuth walk－away VSP data processing methods［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2006，45（4）：380－384.

［10］余振，王彦春，何静.一种稳定的VSP反Q滤波方法［J］.地球物理学进展，2010，25（5）：1676－1684.

Yu Zhen，Wang Yanchun，He Jing.A stable inverse Q filtering for VSP［J］.Progress in Geophysics，2010，25（5）：1676－1684.

［11］严红勇，刘洋，赵前华，等.一种提高VSP分辨率的反Q滤波方法［J］.石油地球物理勘探，2011，46（6）：873－880.

Yan Hongyong，Liu Yang，Zhao Qianhua，et al.A method for improving VSP resolution by inverse Q filtering［J］.Oil Geophysical Prospecting，2011，46（6）：873－880.

［12］范廷恩，余连勇，杨飞龙，等.斜井VSP高斯射线束正演方法［J］.中国海上油气，2014，26（5）：30－35.

Fan Tingen，Yu Lianyong，Yang Feilong，et al.A method of Gaussian beam forward modeling in deriated－well VSP［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（5）：30－35.

［13］ESMERSOY C.Inversion of P and S waves from multicomponent offset vertical seismic profiles［J］.Geophysics，1990，55：39－50.

［14］LEANEY S W，ESMERSOY Y C.Parametric decomposition of offset VSP wave fields［C］.59th Annual International Meeting，SEG，Expanded Abstracts，1989：26－29.

［15］STOFFA P L，SEN M K.Nonlinear multiparameter optimization using genetic algorithms：inversion of plane－wave seismograms［J］.Geophysics，1991，56：1794－1810.

［16］WANG Yanghua.A stable and efficient approach of inverse Q filtering［J］.Geophysics，2002，67：657－663.

［17］WANG Yanghua.Inverse Q－filter for seismic resolution enhancement［J］.Geophysics，2006，71：51－60.

［18］GUDDATI M N.Arbitrarily wide－angle wave equations for complex media［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2006，195：65－93.

［19］GUDDATI M N，HEIDARI A H.Migration with arbitrarily wide－angle wave equations［J］.Geophysics，2005，70：61－70.

Study and application of offshore Walkaway VSP methodology

Li Xuxuan Fan Tingen Hu Guangyi Ma Shufang Jing Yongquan Zhang Xianwen
（CNOOC Research Institute，Beijing100028，China）

To satisfy the requirements of small faults and thin reservoirs description in our offshore oilfield development，considering azimuth，borehole conditions and geological targets，eight Walkaway VSP lines aimed at W1 well of H oilfield in Bohai Bay are proposed based on forward modeling and source optimization of gun arrays.To avoid mixed wave，low frequency and waveform distortion existing in conventional methods，a new VSP wave－field separation method is proposed based on global parameter inversion.The conventional inverse Q filtering is only applicable to surface seismic data，so a new inverse Q filtering method is realized based on VSP ray path.Arbitrary wide－angle one－way wave equation migration is extended to Walkaway VSP data for the first time.The techniques have been successfully applied to Walkaway VSP data acquisition and processing in H oilfield，and the resulting high resolution sections are beneficial for wave group features recognition and detailed faults characterization.

offshore oilfield；Walkaway VSP；acquisition geometry design；wave－field separation；inverse Q filtering；migration imaging

TE5132.1＋4

A

2014－06－16改回日期：2014－12－09

（编辑：周雯雯 冯 娜）

李绪宣，范廷恩，胡光义，等.海上Walkaway VSP技术研究与应用［J］.中国海上油气，2015，27（2）：1－7，23.

Li Xuxuan，Fan Tingen，Hu Guangyi，et al.Study and application of offshore Walkaway VSP methodology［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：1－7，23.

1673－1506（2015）02－0001－07

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.001

＊“十二五”国家科技重大专项“海上开发地震关键技术及应用研究（编号：2011ZX05024－001）”部分研究成果。

李绪宣，男，教授级高级工程师，1982年毕业于原山东海洋学院，获理学博士学位，现从事海洋石油物探方法研究。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院中海油大厦B座（邮编：100028）。E－mail：lixx＠cnooc.com.cn。