VSP 测井基础理论及其应用

VSP测井基础理论及其应用贺小黑，孟召平，薛鲜群中国矿业大学资源与地球科学系，北京 (100083)E-mail: lanchaoheiniang@摘要: 垂直地震剖面法(VSP)是一种井中地震观测技术,即激发震源位于地表,在井中不同深度进行观测,研究井附近地质剖面的垂直变化。

VSP较地面地震信噪比、分辨率更高,波的运动学和动力学特征更明显，但也有井场时间长，经费开支大，接收器组合级数少，叠加次数低，处理流程不完善等缺点。

本文采用了地质学、岩体（石）力学和地震波动力学等方法，结合前人研究成果，探索了一条应用VSP测井信息来计算岩体物理力学参数，进而得出地下岩层的岩石物理性质的途径；系统总结了VSP测井原理；并对影响VSP测井的控制因素进行了分析，得出影响VSP测井的控制因素有深度、岩性、频率、视速度、岩石密度等。

这为本区岩性反演和岩体物理力学参数计算提供理论了依据，适应了当前发展的需要。

关键词：VSP；岩体物理力学参数；影响因素；层速度1. 引言多年以来，地震勘探工作一直是在地面布置测线，设置排列，这种方法称为水平地震勘探方法，所得剖面是常规的地震剖面。

随着时代的发展，我们的勘探技术水平也在不断提高。

近些年来，出现了在井中与地面结合起来设置观测系统的地震勘探方法。

该方法在地表附近激发，在井中不同深度布置一些多级多分量的检波器进行观测。

即:检波器放在井中，测线沿井孔垂向布置，所以这种方法称为垂直地震剖面法，简称为VSP(Vertical Seismic Profiling)。

地震源放置于地面，接收的检波器置于深井中，地面激发震动后由不同深度的检波器接收地震波讯号，减少了表层干扰和吸收，可获得较高频段信息。

这种方法获得的地震波讯号是单程的，而不是反射或折射回来的，对分析和认识地下地质构造情况更为准确。

与常规的水平地震勘探相比，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，由下行P波和转换SV 波下行波场,求得各地层纵、横波速度比、泊松比以及各种弹性模量参数,与地层岩性进行比较,可对储集层含油气特征予以评价。

尽管VSP技术有上述诸多优点，但占用井场时间长，经费开支大，接收器组合级数少，叠加次数低，而且处理流程不完善，三维VSP尚未成为常规的勘探技术方法。

但由于能提供其他技术无法提供的信息,VSP技术还是成为不可缺少的勘探开发工具。

如今,石油勘探对地下构造和岩性的勘探精度提出了更高的要求。

地震勘探也已从只研究构造到不但要研究构造,更要研究地层岩性的阶段，如何利用地震波信息进行地层岩性分析受到了普遍关注。

常规的水平地震勘探方法因地面接收干扰严重，衰减和吸收作用较大所测得的地震资料不够准确。

VSP测井资料能提能够提供准确的速度参数、井孔周围的构造、岩性及储层的分布范围，从中还能够提取高精度的地震属性, 从中提取的地震属性是地层岩性勘探的一个有力工具[1，2]。

2. 国内外研究进展垂直地震剖面法是在地震测井基础上发展起来的地震技术。

VSP是在20世纪50年代就开始实验，1953年美国在一口试验井中利用垂直剖面法首先得到地层的反射波，1959年前苏联科学院大地物理研究所的研究和野外工作导致了VSP的创立。

80年代前后，国外推广使用VSP，促进了VSP进入实用阶段。

1984年,我国开始引进这项技术。

VSP在改进勘探方法、研究地下岩石和物性，以及提供有关的参数等方面有着广泛的用途。

目前，在一些地区已成为地面地震资料处理和解释工作中必不可少的勘探技术手段，许多国家已将VSP列入常规的测井系列。

VSP技术从开始的竖井的零偏、非零偏VSP技术,扩展到斜井VSP 、水平井VSP技术,再从只能接收到井附近信息的零偏、非零偏VSP技术,扩展成沿测线采集的2D-VSP和面采集的三维3D-VSP,以及将振源置于井下的RVSP(Reverse VSP)技术。

为了克服覆盖区域上有一定角度限制的缺陷，发展了井周区域全方位激发的三维VSP 技术。

三维VSP资料分辨率高，可以对井眼附近区域地面地震无法成像的小构造进行成像。

为了提高工作时效、降低施工成本，发展了三维VSP与三维地震数据采集一体化技术。

为了满足不同的需要，发展了逆VSP（R-VSP）技术。

逆VSP技术的特点是在井中激发，地面接收，作业效率有很大的提高。

随钻VSP测量（利用钻头噪声作震源）作为R-VSP 技术的一种，具有资料应用的实时性，可以对钻前地层进行预测。

井区域附近构造及盐丘成像，需要逐步加大偏移距，因而发展了变偏VSP成像技术。

但由于VSP技术占用井场时间长，经费开支大等缺点,VSP技术还没有得到常规化。

进一步提高资料采集速率，降低成本，开发新的资料处理解释技术，挖掘资料所蕴涵的实用价值也是VSP技术常规化的基础和前提[3，5]。

3. VSP原理从观测原理上讲,VSP方法是震源位于地表激发，在井中不同深度点上同时观测地震信号、获得一张多道的垂直地震剖面的一种方法。

该方法的主要特点有：(1)接收点分布在介质内部；(2)可记录被研究对象的“单一”地震波；(3)干扰因素少；(4)可记录上行波和下行波。

在垂直地震剖面勘探中出现的几种主要地震波有: (1)直达波；(2)一次反射波；(3)多次波；(4)上行波；(5)下行波；(6)井筒波。

这种垂直地震剖面有零井源距观测、非零井源距观测和斜井VSP观测三种观测方法。

VSP几何观测如图1所示。

VSP资料处理的项目大致可分为三类。

第一类，预处理。

包括解编、相关、编辑、增益恢复等。

第二类，常规处理。

包括同深度迭加、初至拾取、静态时移排齐、震源子波整形、带通波振幅处理、分离上行波和下行波、反褶积等。

第三类是其它处理。

包括斜井处理、三分离VSP资料处理等。

垂直地震剖面的解释和应用主要有：（1）改图1 VSP几何观测图善地面地震资料的解释；（2）可靠地识别地震反S——地面震源; R——反射界面射层的地质层位；（3）利用VSP资料，提高地面地震记录的分辨力；（4）利用VSP资料提高横向分辨地质现象的能力；（5）利用VSP探测真实的构造形态（6）利用VSP资料研究岩性和储集层[6，11]。

4. 基于VSP 测井信息的岩体物理力学参数的计算及其应用4.1基于VSP 测井信息的岩体物理力学参数的计算根据VSP 测井信息可以计算的岩体物理力学参数有：纵横播速度比、泊松比、剪切模量、拉梅常数、压缩模量、杨氏模量、波阻抗等。

计算岩体物理力学参数的公式如下: 计算纵横波速度比: PS S P T T V V r ΔΔ== （1） 计算泊松比: )1(2222r r −−=σ （2） 计算剪切模量: 2S V ×=ρμ （3）计算拉梅常数: μρλ22−×=P V （4）压缩模量 3/)23(μλ+=K （5）杨氏模量 )/()23(μλμλμ++=E （6）计算纵波波阻抗: P P V I ×=ρ （7） 计算横波波阻抗: S S V I ×=ρ （8）下面将各种岩体物理力学参数的计算过程介绍如下（如图2）图2 相关参数计算流程图4.2 岩体物理力学参数的应用1) 泊松比的应用泊松比是一个与岩石的矿物成分、结构、构造、孔隙度和含水量等有关的物理参数。

因此我们可以根据泊松比随深度的变化情况来推断岩层的孔隙度、渗透性等参数随深度的变化情况。

2) 剪切模量的应用剪切模量μ表征岩层或岩体受剪切力的承受能力,μ值的大小反映了岩石的韧性。

在地质解释中,μ值的大小可反映岩石颗粒的粗细,如在同一岩体的岩石中,岩石颗粒粗时,μ值增加,颗粒细时,μ值减小；胶结程度好的岩层,μ值高,胶结程度差的岩层,μ值低。

3） 压缩模量的应用体积压缩模量K 也是反映岩石刚性程度的物理参数,它也可以称为岩石抗压系数。

因此K 值的大小与岩体的围压密切相关。

因此我们可以根据计算出来的压缩模量随深度的变化情况来推断地层压力随深度的变化情况。

4）杨氏模量的曲线特征影响杨氏模量E 的主要因素是岩石内部结构、岩石的矿物成分、构造和孔隙度。

杨氏模量从另一个方面补充说明了井周围岩体垂向的岩石物理变化特征。

例如,通常不含砂体的粘土层,杨氏模量E 的变化范围较小,而含大量砂体的地层，杨氏模量变化范围很大[19-20]。

类似地，我们也可以通过观测其它各种岩体物理力学参数随深度的变化特征，根据这些岩体物理力学参数在地质解释中所反映的岩体或岩石的物理力学性质，来说明地下岩层的物理力学性质特征[12，19]。

5. VSP 测井的影响因素分析5.1 深度因素在岩性和地质年代相同的条件下,地震波的速度随岩石埋藏深度的增大而增大,埋藏越深的岩石,承受上覆地层压力越大,压实作用强,岩石越致密,其波速增大。

5.2 岩性因素由于各种岩石类型的成分不同,其传播地震波的速度是不同的；有时即使是同一种岩石类型,由于结构不同其波速也在一定范围内变化。

地震波传播速度主要取决于构成这些岩石矿物的弹性性质,一般来说,火成岩孔隙很少或没有孔隙,地震波速度比变质岩和沉积岩的都高,且变化范围小;变质岩的波速变化范围较大,沉积岩波速波速最低,变化范围大,这主要与沉积岩成分和结构复杂,受孔隙度和流体性质的影响较大有关。

5.3 频率因素测井方法之间所用的频率是有差异的，如全波测井是用103Hz 量级的高频地震波测量的, 与地震勘探采用的l01Hz 量级频率有相当大的差异。

VSP 测井一般用的是小于100Hz 的地震波，反映的是岩石的弹性特征，而声波速度测井用的是15～30kHz 的声波，反映的是岩石的声学特性。

前人已推导出公式:（23）其中,ηη×=′)3/4(，,η为岩体的弹性粘滞系数；ω为圆频率；ν为波速。

因此，在同一岩体中，由频率高的方法测试得到的岩体波速大于用频率低的方法测得的波速。

5.4 视速度费马原理阐明波垂直于波前面的路径传播时间最短。

在点震源作用下，对于均匀无限弹性介质，时间场的等时面是以震源为中心的同心圆族，对于非均匀介质则为曲面族。

波射线传播时是以真速度传播的。

但在测试中，无法确定射线来的方向，则往往是在包括射线方向在内的任意方向来观测波动。

因此，在除了射线方向以外的任意方向观测到的波速称为视速度v*，它与真速度有如下关系：（24）式中e为观测方向与射线方向的夹角；显然，*v≥v。

5.5 岩体中的含水量差异在岩体中，存在孔隙、节理、裂隙、层面、断层等；在各种状态下，其含水量有明显的差异，这种差异也影响到岩体的波速。

对钙质细砂岩岩石试验表明，饱和状态比烘干状态的纵波波速增加约16%，横波速度增加约14%；而且，①烘干状态下，具有较低波速的岩石，在其饱水下波速的增加比具有较低波速的岩石更加明显；②各种岩石波速在烘干时的差异大，在饱水时差异小。