利用VSP多波资料预测地层深度及油气属性

第31卷第1期2019年2月
岩性油气藏
LITHOLOGIC RESERVOIRS
V ol.31No.1Feb.2019
收稿日期：2018-06-16；修回日期：2018-09-06；网络发表日期：2019-01-03
基金项目：“十三五”国家重大专项课题“随钻地震波测量技术及高温随钻测量装备”（编号：2016ZX05020）与国家重点研发计划“井—地联
合CO 2运移及封存监测技术研究及设备研制”（编号：2018YFB060226-03）联合资助
作者简介：蔡志东（1978—），男，中国地质大学（北京）在读博士研究生，高级工程师，研究方向为地球物理方法。

地址：（072751）河北省涿
州市东方地球物理公司新兴物探开发处。

Email ：*******************.cn 。

文章编号：1673-8926（2019）01-0106-07
DOI ：10.12108/yxyqc.20190112
引用：蔡志东，李青，王冲，等.利用VSP 多波资料预测地层深度及油气属性.岩性油气藏，2019，31（1）：106-112.
Cite ：CAI Z D ，LI Q ，W ANG C ，et al.Prediction of strata depth and hydrocarbon attributes by using VSP multi-wave data.Lithologic
Reservoirs ，2019，31（1）：106-112.
利用VSP 多波资料预测地层深度及油气属性
蔡志东1，2
，李青3，王
冲2，王勇4，范桦2
（1.中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京100083；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司新兴物探开发处，河北涿州072751；3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000；4.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院，河北涿州072751）摘要：油气勘探开发过程中须要对钻前地层信息进行预测，VSP 技术是较常用的预测方法。

传统的VSP 方法仅利用上、下行纵波来预测钻前地层深度，预测精度有限，且未与目的层油气属性相结合。

由此提出一种利用VSP 多波信息预测地层深度及油气属性的新方法。

该方法充分利用VSP 丰富的波场信息，首先在垂直地震剖面中同时追踪与目的层相关的多组地震同相轴，然后将追踪所得到的离散函数根据不同交汇点进行分组，再分别求解超定方程组，进而利用统计加权的方法得到最终的预测结果。

该方法减少了预测结果的偶然性，大幅提高了地层深度预测的精度。

在获得准确地层深度数据后，再利用纵、横波的波形信息差异来识别和预测油气属性特征。

通过中国西部地区2个VSP 项目实例验证了该方法的应用效果。

关键词：垂直地震；VSP 多波；地层深度预测；油气属性中图分类号：P631.4
文献标志码：A
Prediction of strata depth and hydrocarbon attributes by using
VSP multi-wave data
CAI Zhidong 1，2
，LI Qing 3，WANG Chong 2，WANG Yong 4，FAN Hua 2
（1.School of Geophysics and Information Technology ，China University of Geosciences ，Beijing 100083，China ；2.New
Resources Geophysical Exploration Division ，Bureau of Geophysical Prospecting Inc.，CNPC ，Zhuozhou 072751，Hebei ，China ；3.Research Institute of Exploration and Development ，PetroChina Tarim Oilfield Company ，Korla 84100，Xinjiang ，China ；4，Geophysical Research Institute ，Bureau of Geophysical Prospecting Inc.，CNPC ，Zhuozhou 072751，Hebei ，China ）
Abstract ：Prediction of pre-drilling strata information is necessary in the process of oil and gas exploration and development.VSP technology is a commonly used prediction method.Traditional VSP method only uses upgoing and downgoing waves to predict the depth of pre-drilled strata ，and the accuracy of the predicted stratigraphic depth is limited.So far ，few scholars have studied attribute prediction methods based on VSP data.A new method for predicting formation depth and hydrocarbon attributes by using VSP multi-wave information was proposed.This method makes full use of the abundant wave field information of VSP.Firstly ，the multiple events related to
2019年蔡志东等：利用VSP多波资料预测地层深度及油气属性107 the target layer were tracked in the data，and according to the tracked result，the discrete function groups were built，and the overdetermined equations were solved separately.Then the statistical weighting method was used to obtain the final prediction depth.This method can reduce the uncertainty of the prediction results and greatly improve the accuracy of the formation depth prediction.After obtaining accurate formation depth data，the differences between compressional wave and shear wave were calculated and used to predict the hydrocarbon attributes.The practical application effect was proved by two examples of VSP projects in western China.
Key words：vertical seismic；VSP multi-wave；strata depth prediction；hydrocarbon attributes
0引言
近年来，随着井中地震采集装备和处理解释技术的不断进步，VSP方法及其应用研究在很多方面都取得了较大进展，然而VSP在钻前预测方面的技术却发展缓慢，目前仍主要沿用朱光明［1］介绍的钻前深度预测方法。

即对VSP数据进行垂直地震动校正（NMO）处理，然后识别目的层的纵波反射同相轴，并拟合出一条直线，该直线与初至波（下行纵波）的延长线相交于一点，计算出交会点所对应的地层深度即得到预测结果，后有学者对该方法进行了一定的算法优化［2］。

这种地层深度预测方法多年来在地球物理勘探领域被广泛应用，并解决了许多在油气勘探和开发过程中地层深度预测的问题［3］，然而该方法也存在一定不足：一是该方法仅利用上、下行纵波进行曲线交汇确定地层深度，所使用的VSP波场信息较少，易受外界因素影响，预测结果不确定性较大；二是该方法仅利用了VSP诸多波场中的上行纵波和下行纵波信息，拟合方法为一次曲线拟合，且追踪结果为2条曲线单一交会点的位置，对于一些复杂构造地区，如果过井地层的倾角较大，则在VSP剖面中下行纵波和上行纵波的夹角较小，这种情况下难以确定交会点深度，预测精度进一步降低。

针对传统方法预测误差较大的问题，提出一种利用VSP多波资料进行地层深度及油气属性预测的新方法。

该方法综合运用了VSP多种地震波场信息来进行钻前地层深度预测，预测结果主要应用于指导钻井工程作业、井旁精细构造研究等，同时也是钻前储集层属性、地层压力等研究的基础［4-6］。

目标地层的多波油气属性特征分析结果，还可以用于油气丰度评估、储量研究等方面［7-8］，可为油气精细勘探开发提供支持。

目前该方法已应用于塔里木盆地、渤海湾盆地、阿姆河右岸等地区的多个钻前地层预测项目，为区域地质构造和油气属性研究提供了有力支持。

1钻前地层深度预测
1.1VSP多波类型
VSP数据波场信息非常丰富［4］，总体上，VSP多波可以分为纵波、横波两大类：纵波主要包括下行纵波（P）和上行纵波（PP），少数剖面中可见横波的上行转换纵波（PsP）；横波主要包括下行横波（S）、下行转换横波（Ps）、上行转换横波（PPs）和上行反射横波（SS，PsPs）等（图1）。

图1VSP剖面中的多波类型
Fig.1Multi-wave classification of VSP data
1.2VSP多波分组
在同一地层界面上，将反射点或转换点位置相同的多波划分为一组，以保证时距曲线追踪时收敛至目标交汇点，本次研究将用到的多波分为2组：第一组为P波、PP波和PPs波；第二组为S波、Ps 波、PsPs波和PsP波。

在考虑多次波的情况下，可以有更多的分组（表1）。

1.3时距曲线追踪
时距曲线追踪是准确进行地层深度预测的一个关键环节，通过对多波类型进行筛选，在VSP波场中拾取每种多波所对应的时距曲线，进而利用函0
400
800
1200
1600
2000
时
间
/
m
s
预测区采集区
P波
PP波
PPs波
PsP波
Ps波（S波）
PsPs波
2000150010005000
深度/m
108岩性油气藏第31卷第1期
数拟合这些离散数据。

拟合过程中须注意以下2点：一是统计数据长度的选择须在保证样本数量的前提下，尽可能选择井底的一段数据作为统计数据；二是选择合适的函数拟合方法，由于地层岩性变化和沉积、成岩作用的存在，垂向地层速度总在变化，传统的直接拟合方式不适合精细的时距曲线拟合，经过理论分析和实际生产试验，本次研究弃
用了传统的直线拟合方式，而是利用二次函数拟合来追踪时距曲线。

表1VSP 多波分组
Table 1VSP multi-wave in groups
1.4求解预测深度
首先将第一组多波拟合的二次函数组成下式，以求解预测结果
ìíî
ïïïïY =a p X 2
+b p X +c p Y =a pp X 2
+b pp X +c pp Y =a pps X 2+b pps X +c
pps （1）
式中：Y 为地层深度，m ；X 为纵波的传播时间，ms ；
a p ，a pp ，a pps ，
b p ，b pp ，b pps ，
c p ，c pp ，c pps 为各方程的系数，其下标指示了多波类型，所有系数均可利用曲线拟合而得到。

计算出该超定方程的最小二乘解X p 和Y p ，得到第一组多波的预测时间和预测深度（图2）。

采用相同的算法，求解第二组多波方程组
ìíî
ïïïïY =a s X 2+b s X +c s
Y =a ps X 2
+b ps X +c ps
Y =a psps X 2
+b psps X +c psps Y =a psp X 2+b psp X +c
psp （2）式中：a s ，a ps ，a psps ，a psp ，b s ，b ps ，b psps ，b pps ，c s ，c ps ，c psps ，c psp 为
各方程的系数，计算出该超定方程的最小二乘解X s 和Y s ，得到第二组多波的预测时间和预测深度。

如果多次波较为发育时，可以采用相同的算法得到更多的预测结果X m1，Y m1，X m2，Y m2，…。

最后，对每组多波计算的预测深度加权求平均计算，以进一步提高预测精度。

Y f =
12
()Y p +Y s +1n ∑1n
Δi Y mi （3）式中：Y f 为最终预测深度，m ；i ∈［1，n ］为多次波的分
组数；Δi 为小于1的经验权系数。

图2时距曲线追踪和交汇示意图
Fig.2Time-distance curves tracing and convergence
实际应用中，多次波参与计算情况较少涉及，仅个别数据中多波不发育但多次波较发育时，才须
考虑多次波项1n
∑1n
Δi Y mi 。

由于VSP 具有明确的时间-深度关系，因此在国内油气勘探领域被广泛应用于地面地震层位标定、测井数据对比分析中。

部分情况下，除对钻前深度预测外，还要对钻前地震传播时间进行预测，此时的预测时间X f 与预测深度Y f 的计算方法类似，但由于纵、横波传播时间不同，因此不能直接利用式（3），须要首先进行时深转换［8］，再进行统计平均求解，如下式所示
X f =12
[]
X p +f ()X s +1
n 1∑1n 1
Δj X mj +
f
(
)
1
n 2∑1n 2
Δk X mk
（4）
式中：X f 为最终预测纵波时间，ms ；f （x ）为纵、横波
时间转换函数；i ∈［1，n 1］为纵波多次波的分组数；k ∈［1，n 2］为纵波多次波的分组数；Δi 和Δk 分别为
纵、横多次波的经验权系数。

2VSP 多波深度预测应用
近年来，VSP
多波钻前地层深度预测方法在
400
8001200
1600
2000
时间/m s
预测区采集区
2000
1500
1000500
深度/m
井底深度
预
测深度
第1交
会点
第2交会点
下行直达纵波（P 波）上行反射纵波（PP ）上行转换纵波（PPs 波）上行反射横波（SS 波、PsPs 波）
上行转换纵波（PsP 波）
下行直达横波（S 波）
或下行转换横波（PS 波）
2019年蔡志东等：利用VSP 多波资料预测地层深度及油气属性109
国、内外多个探区VSP 勘探中进行了应用试验，本次研究以塔里木盆地库车地区A 井为实例分析了VSP 多波深度预测的应用效果。

2.1研究井区地质概况
A 井位于塔里木盆地库车前陆冲断带的克深构造带上，该区蕴藏着巨大的油气资源，是我国重要的油气勘探开发领域，然而该地区的地表和地下结构复杂，油气勘探开发难度较大［9-10］，储集类型多为裂缝-孔隙型，且以剩余原生粒间孔和溶蚀孔为主［11］。

该地区库姆格列木群膏盐岩受构造挤压变形严重，空间分布不规则，因此地层速度变化剧烈，从以往
的地震勘探成果来看，多期次二维地震和三维地震均构造差异很大，地层深度预测难度较大［12-15］。

2.2VSP 多波观测方式及初步预测
本次研究是将检波器放置在20～5300m 的井段来记录地震数据，每两级检波器的间隔为20m ，地表采用零井源距激发方式，采集得到了品质较高的VSP 数据，且数据中纵、横波信息清晰完整，具备较好的数据研究基础。

为了对目标地层深度进行预测，首先尝试进行倾斜地层VSP 多波成像（图3），由图3可看出，纵、横波均有一定的成像范围，且波组特征较好，但由于库姆格列木组泥岩底（T7反射
图3A 井VSP 多波成像
Fig.3VSP multi-wave imaging of well A
层位）附近地层倾角存在一定差异，且成像宽度较小，所以根据多波成像结果进行深度预测，精度难以得到保证。

2.3VSP 多波深度预测
为了获得准确的预测精度，利用VSP 多波预测方法进行深度预测。

图4为VSP 多波地层深度预测示意图，该图由PP 波剖面和Ps 波剖面拼合而来，2个剖面均经过波场分离等处理过程，仅保留了PP 和Ps 这2种波场，“0”时刻所对应的是2个剖面沿初至时间（首波的到达时间）拉平后的P 波（初至波）所在位置。

在A 井的深度预测中使用了3种波场，分别为P 波、PP 波、PPs 波，形成2个交会点，预测深度如表2所列。

2.4预测精度分析
A 井已钻井深度为5300m ，如果采用传统的仅
图4A 井VSP 多波交会预测
Fig.4
Depth prediction of VSP multi-wave of well A
（b ）Ps 波VSP 成像镶嵌过井剖面
（a ）P 波VSP 成像镶嵌过井剖面
800
120016002000240028003200
时间/m s
335385
435
485
535
585
CDP
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
时间/m s
335
385435
485535585
CDP
T7T6
PP 波剖面
PPs 波剖面
时间/m s
20015010050050
1005800
5300
48004300
3800
3300
深度/m
110岩性油气藏
第31卷第1期
表2A 井多波地层深度预测结果
Table 2
Depth prediction result of VSP multi-wave of well A
用上、下行纵波进行交会深度预测的方法，即仅利用P 波与PP 波进行预测，对于T7反射层绝对误差为-36m ，相对误差为-7.06%；采用VSP 多波交会法预测时，绝对误差为-6.5m ，相对误差为-1.27%。

相比之下，采用VSP 多波预测方法所获得的预测结果在精度上提高了约5倍多。

对于第二预测深度T6反射层位，距离井底较近，传统计算方法受到的影响较小，此时的预测结果是可以接受的。

由于该地区T7及以上地层倾角较大，因此在VSP 波场上P 波与PP 波同相轴夹角较小，导致了传统预测方法的不确定性；同时，在这些大倾角地区Ps 波比较发育，且在剖面中P 波与Ps 波夹角较大，故利用VSP 多波预测方法预测效果明显。

3VSP 多波油气属性识别与预测
以2014年准噶尔盆地西北缘地区B 井为例，分析基于VSP 多波信息进行油气属性预测的应用效果。

3.1研究井区地质概况
B 井位于准噶尔盆地玛湖凹陷，是准噶尔盆地勘探热点地区之一［16］，主要勘探目标为三叠系百口泉组［17］和下乌尔禾组［18］，是普遍认可的源外优质轻质油藏储层［19］。

由于百口泉组储层具有典型的低孔、低渗砂砾岩特征，局部发育“甜点”储层，并且“甜点”区与周边地层地球物理响应差异小，导致地震预测难度较大［20-22］。

3.2VSP 多波油气属性预测
通过对B 井纵、横波VSP 数据的处理，得到上行纵波剖面和上行横波剖面，将2个剖面进行首波拉平并拼合，得到多波交会预测图（图5）。

时间“0ms ”为井筒所在位置，亦为下行P 波和下行S 波所在位置，因此该拼合剖面相当于P ，PP ，S ，SS 这4种波场的交会。

由于B 井使用了横波震源采集，因此可以得到纯横波（S 波）及其上行波（SS 波），这与
A 井所讨论的多波的波场类型不同。

通过图5中的波场对比可知，多数地层的纵横波对应关系良好，但部分位置存在着振幅强弱的差异。

在图中箭头所示的位置，上行纵波剖面上没有明显的反射轴特征，但上行横波剖面中却存在着强反射同相轴，这些对比差异为多波油气属性预测提供了充分的依据。

图5B 井多波交会预测
Fig.5Prediction of VSP multi-wave of well B
3.3预测效果分析
三叠系百口泉组二段岩性圈闭是准噶尔盆地西北缘地区重要的油气储集层段，对比可知，B 井所发现的纵横波异常特征深度位置与该层段相吻合，在图6所示的均方根振幅属性剖面上该异常表现得更加清晰，这符合了纵波油气响应敏感、横波反应骨架结构的区域储层特征［23-24］，因此确定该层段为有利储层，实钻结果表明，B 井百口泉组二段厚度为70m ，以绿灰色砂砾岩为主，后续试油证实该段
为含油储层。

1000
500
500
1000
时间/m s
4000
3750
35003250
3000
深度/m
SS 波剖面
PP 波剖面
2019年
蔡志东等：利用VSP 多波资料预测地层深度及油气属性
111
图6B 井均方根振幅属性
Fig.6RMS amplitude attributes of well B
4结论
（1）VSP 多波预测方法采用多种波场，有效降低了地层识别的不确定性，同时引入了加权平均统计计算方法，预测精度得到进一步提升。

（2）传统方法的预测精度随着预测距离增大而显著降低，采用多波预测方法时，预测精度随着预测距离增大降速变缓。

（3）VSP 多波预测方法可提升绝大多数试验项目的预测效果，且对大倾角地层等复杂构造地区尤其适用。

致谢：对于塔里木油田分公司潘阳勇，新疆油田公司王玉伟，东方地球物理公司张庆红、王艳华、付京会等给予的帮助，在此表示感谢。

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（b ）横波属性剖面
（a ）纵波属性剖面
时间/m s
40003750
35003250
3000
深度/m 800
13001800
23002800
时间/m s
800
1300
1800
2300
2800
4000
3750350032503000
深度/m
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（编辑：郭言青）。