地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (4): 1705-1714   PDF    
逆时偏移在声反射成像测井中的应用方法研究
李雨生1,2, 李宁2, 武宏亮2, 王克文2, 冯周2, 刘鹏2     
1. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;
2. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
摘要:声反射成像测井中常用的基于射线理论的Kirchhoff积分偏移算法和基于单程波理论的F-K偏移算法均可实现井旁缝洞反射体的快速偏移成像,但其仅适用于地层垂向变化较弱的速度场和高陡角裂缝的偏移成像,无法实现低角度反射体的准确偏移归位,产生偏移假象误导测井解释.逆时偏移基于全波动方程,可适应强垂向变化速度场,实现近似水平反射体的偏移成像.本文详细分析了将逆时偏移应用于声反射成像测井时存在的数据准备、时间采样间隔匹配和成像条件改进等若干问题,通过设置多组理论模型来说明算法对井旁不同反射体的识别能力.模拟资料和实际资料处理结果证实,较F-K偏移算法,逆时偏移算法成像精度更高、收敛性更好,可有效实现近似水平构造偏移归位.改进的归一化互相关成像条件可解决深部地层的远井壁成像衰减问题,降低测井解释的多解性.逆时偏移将成为声反射成像测井高精度偏移技术的发展方向.
关键词: 声反射成像测井      逆时偏移      归一化互相关成像条件      井旁裂缝成像     
Study on application method of reverse time migration in acoustic reflection imaging logging
LI YuSheng1,2, LI Ning2, WU HongLiang2, WANG KeWen2, FENG Zhou2, LIU Peng2     
1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
2. Petro China Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China
Abstract: The Kirchhoff integral migration based on ray theory and the F-K migration based on one-way wave theory are common in acoustic reflection imaging logging. These algorithms can achieve fast migration imaging of fracture reflectors by boreholes,but they are only appropriate for the velocity field with weak variation in the vertical direction and the imaging of high angle cracks. They cannot achieve the migration of low angle fracture reflectors,which will result in the imaging artifacts and the misunderstanding of logging interpretation. Based on the full wave equation,reverse time migration (RTM) can adapt to the velocity field with strong variation in the vertical direction and achieve the imaging of the approximate horizontal reflectors. In this paper,several problems of using RTM in the data processing of acoustic reflection imaging logging are analyzed in details,the data preparation,the match of time sampling interval and the improvement of imaging condition. The recognition ability of RTM algorithm of different reflectors is illustrated by setting multiple sets of theoretical models. The processing results of synthetic data and real data demonstrate that,compared to the F-K migration algorithm,RTM has a higher imaging accuracy and a better convergence,which can effectively achieve the migration homing of approximate horizontal structures. The modified normalized cross-correlation imaging condition can solve the problem of imaging attenuation far from boreholes in deep formation,and reduce the multi-solution of logging interpretation. RTM can be described as the development direction of acoustic reflection imaging logging high precision migration technology.
Keywords: Acoustic reflection imaging logging    Reverse time migration    Normalized cross-correlation    Recognition of fractures by boreholes    
0 引言

地面地震勘探技术在识别油气藏横向展布上具有优势但其分辨率有限,测井技术虽具有较高分辨率但其探测距离有限.一种可能的解决方案就是利用声波测井独有优点,结合地震勘探的信号采集和处理方法,发展一种声反射成像测井技术(李宁,2013).声反射成像测井的出现克服了测井“一孔之见”和井震结合“雾里看花”的局限(唐晓明等,2013),将常规测井的3 m探测深度拓宽至数十米(单极纵波)甚至几十米(偶极横波),填补了井震间的勘探盲区,是两个学科的良好结合点.

Hornby(1989)首先提出利用阵列声波数据中的反射信号对井旁构造进行成像的思想.随着声波测井仪器的发展,Li等(2002)论述了声反射成像测井系统和单极纵波成像处理方法,在井中激发和接收,辐射至地层深处又受缝洞影响反射回井中的反射波,用于探测井旁缝洞储层的发育情况,其中偏移方法选择Kirchhoff积分偏移.Tang(2004)提出了利用四分量偶极换能器激发和接收反射波进行方位远探测,由于数据主频较低(2~3 kHz),探测深度可达15 m.随后,Tang等(2007)研究了反射波数据的处理方法,包括参数法反射波提取,叠加和上下行波分离成像等.Tang和Patterson(2009)研究了偶极横波辐射、反射和接收的波场特征,证明通过交叉偶极反射波确定反射体方位的可行性,为偶极横波方位远探测奠定理论基础.唐晓明和魏周拓(2012)通过有限差分数值模拟证实了偶极横波,尤其是SH波具有更远的穿透深度,同时具备方位特性.关于反射波资料的偏移成像方法,Zheng和Tang(2005)将基于单程波理论的F-K偏移引入声反射成像测井,并根据测井观测系统做了改进,得到后续实际资料处理的广泛沿用.肖承文等(2014)在反射波测井中实现裂步式傅里叶法偏移成像,并针对声反射测井数据特性作了改进,相较F-K偏移其不受倾角限制和频散的影响,同时可适应速度场中等程度的垂向变化.近几年有学者在声反射成像测井射线类偏移方面做了许多工作,Li等(2015)提出改进的高分辨率射线束偏移方法,可实现井筒附近的三维成像,并指出影响成像分辨率的主要因素为数据主频和仪器观测孔径. Hirabayashi(2016)针对测井中短偏移距等问题进行Kirchhoff积分偏移算法改进,加入相关类权重因子,无需先验信息,在单极纵波远探测中获得良好成像效果.

偏移成像是地震数据处理中的核心技术,主体思想是将接收到的波形转化为空间构造(Etgen et al., 2009).历经几十年的发展历程,从叠后走向叠前,从2D走向3D(李振春,2014),大体可归为射线类偏移、单程波偏移和双程波偏移三个发展阶段(撒利明等,2015).其中基于射线理论的Kirchhoff积分偏移在实际生产中被广泛应用,但无法处理多路径问题,且由于其基于高频渐进理论,只适用于背景速度相对平滑的构造体成像.单程波偏移经过上下行波分离,传播方向受到90°倾角限制,无法进行回转波成像(张宇,2018).声反射成像测井要实现对井旁反射体偏移成像,缝洞体发育错综复杂,射线类和单程波偏移算法均很难取得较好的成像结果.地震逆时偏移基于全波动方程,可适应高陡角构造和横向变速情况,实现回转波等复杂波形的偏移归位,具备最高的理论成像精度.有一些学者已将其引入声反射成像测井:Li等(2013)提出将逆时偏移应用于声反射成像测井.Li等(2014b)总结了包含逆时偏移的声反射成像测井数据处理流程.Li等(2015)探讨了各向异性介质中井孔逆时偏移的实现方法;Li等(2016)提出利用3D逆时偏移算法消除声反射成像测井模拟数据中的方位不确定性.Li等(2014a)给出了声反射成像测井中弹性波逆时偏移的实现方法.Zhang等(2015)研究了逆时偏移对井旁裂缝的识别能力.但至今未见相关文献资料详细介绍逆时偏移算法在声反射成像测井实际资料处理中的应用方法,尤其针对偶极横波声反射成像测井.

逆时偏移为解决高速屏蔽体(盐丘)边界及下方成像难的问题而被提出,Farmer等(2009)给出经典盐丘模型的不同偏移算法成像结果对比,逆时偏移对于盐丘边界的刻画明显优于单程波偏移.这种近似垂直的构造在变换到测井观测系统后变为低倾角构造(倾角定义为反射体和水平方向夹角),如井旁水平裂缝和过井地层界面等,常规偏移方法很难实现此类构造的偏移归位,且由其引起的无效反射残留在偏移结果上,将严重干扰测井解释结论.在此基础上,本文从模型数据出发,讨论逆时偏移在声反射成像测井应用中的数据准备和时间采样率匹配等问题,证实其具备对水平裂缝和地层界面无效反射进行准确偏移归位的能力,进一步通过归一化改进互相关成像条件解决远井壁深层反射体能量较弱的问题,从而实现地层深部反射体的高精度成像,最后通过若干口井的实际资料处理结果说明该方法的有效性和先进性.

1 算法实现与模拟资料处理

逆时偏移需要震源波场的正传模拟和检波波场的反传模拟,并应用成像条件进行成像.我们选择高精度交错网格有限差分求解一阶速度-应力形式的声波方程从而实现波场模拟,如式(1)所示.其中vσ表示速度和应力分量,g表示声源.选择零延迟互相关成像条件,如式(2)所示,其中Ps(x, y, z; t)和Pr(x, y, z; t)分别表示正传和反传波场,I(x, y, z)表示成像结果.

(1)

(2)

为验证算法正确性,设计如图 1所示凹陷速度模型,包含多条垂直和倾斜反射界面,x方向和z方向的差分网格数分别为400和1000.有限差分参数中空间网格选择0.025 m,对应的处理深度和径向探测深度分别为25 m和10 m,时间网格选择2.5 μs,震源主频选择6000 Hz.阵列声波测井实测资料为多炮的共偏移距道集(common offset gather, COG),而逆时偏移需要单炮的共炮点道集(common shot gather, CSG)作为反传震源,因此需进行道集数据转换.从深度点700开始处理,共进行40炮的正演模拟和逆时偏移处理,炮间隔为10个网格点,偏移后叠加结果如图 1所示,模拟数据CSG与COG如图 2所示.从图中可以看出,逆时偏移在声反射成像测井中对井旁垂直和倾斜反射界面成像效果良好,COG道间距选择10,其可大致反应反射体形态.

图 1 凹陷速度模型和成像结果 (a)速度模型;(b)逆时偏移结果. Fig. 1 The sunken velocity model and RTM result (a) The velocity model; (b) The RTM result.
图 2 凹陷模型反射波CSG(a)和反射波COG(b) Fig. 2 The reflection COG (a) and the reflection CSG(b) of the sunken model

实际测井数据的时间采样间隔通常无法满足有限差分的时间采样间隔,如仪器XMAC-F1的时间采样间隔为36 μs,若直接将提取的反射波形作为反传震源输入会导致反传波场不稳定,影响偏移结果,需要对反射波数据进行插值处理,将实际测井资料的时间采样率插值为满足差分条件的时间采样率.我们按照实际测井数据的采样率对模拟波形进行抽稀后再进行插值,插值前后的波形反传波场如图 3所示,插值前第一个反传同相轴淹没在不稳定波场中,又因不稳定波场能量很强第二个反传同相轴也基本无法辨别,插值后两个反传同相轴清晰可见.插值前后的逆时偏移结果如图 4所示,证实声反射成像测井实际资料逆时偏移时需经插值处理才能得到有效的成像结果.

图 3 凹陷模型插值前反传波场(a)与插值后反传波场(b) Fig. 3 The backward wave-field of the sunken model before (a) and after interpolation (b)
图 4 凹陷模型插值前逆时偏移结果(a)与插值后逆时偏移结果(b) Fig. 4 The RTM results of the sunken model before (a) and after interpolation (b)

为研究声反射成像测井逆时偏移对不同倾角反射体的识别能力,设置两组裂缝模型进行模型试算. 第一个模型包含多条不同倾角的倾斜裂缝模型,如图 5所示,背景速度设置为5000 m·s-1,裂缝充填速度3000 m·s-1,由下至上四条裂缝倾角逐渐增大.从偏移结果可以看出,倾角越大的裂缝在成像结果上显示越完整,但是即使对于水平裂缝,反射波也得到良好归位,裂缝左边界清晰可见,如图中箭头所示.第二个模型设计为三个过井水平薄层,用于测试逆时偏移对地层界面反射波的偏移归位能力,成像结果显示即使逆时偏移无法清晰刻画出薄层顶底界面,但其与井壁交接处归位效果良好,如图 6中圆圈所示,可为实际资料处理结果中地层界面反射波归位的测井解释提供参考.

图 5 倾斜裂缝模型(a)和逆时偏移结果(b) Fig. 5 The dipping fracture model (a) and The RTM result(b)
图 6 水平薄层模型(a)和逆时偏移结果(b) Fig. 6 The horizontal thin layers model (a) and RTM result(b)

声反射成像测井需从声波测井资料中分离反射波进行偏移成像,沿井壁传播的井筒波能量远大于来自地层深部的反射波能量,井筒波去除不彻底易造成近井壁处成像能量过强的问题.逆时偏移常用的零延迟互相关成像条件如上文式(2)所示,其对相同时刻的正传和反传波场进行互相关求和得到成像结果,而未考虑波场在时间正向和反向延拓过程中的能量衰减,相乘之后进一步加剧了深浅层成像能量的不均一,导致深层反射体很难清晰呈现在偏移结果上.这里将改进后的归一化互相关成像条件引入声反射成像测井逆时偏移,采用入射波场能量来归一化反射波能量以解决地层深部反射体成像问题,如式(3)所示.通过坐标旋转和数据尺度转变,将Sigsbee模型变换至测井观测系统以建立井旁不规则反射体模型,精确速度模型和低频偏移速度模型如图 7所示.常规互相关成像条件和归一化互相关逆时偏移成像结果如图 8所示,比较可知其有效解决深浅层成像能量不均一问题,常规逆时偏移中反射体底界面几乎无法分辨,基于归一化互相关的逆时偏移有效实现深层构造的精确成像,如图中箭头所示.

(3)

图 7 井旁不规则反射体精确速度模型(a)和低频偏移速度模型(b) Fig. 7 The accurate velocity model (a) and low frequency migration velocity model (b) of the irregular reflector model
图 8 常规互相关逆时偏移结果(a)和归一化互相关逆时偏移结果(b) Fig. 8 The conventional cross-correlation RTM result (a) and the normalized cross-correlation RTM result (b)
2 实际资料验证

反射波提取是后续偏移成像处理的基础,反射信号的有效分离是偏移成像的保证,本文选择中值滤波结合F-K滤波的方法进行反射波提取.高精度偏移速度模型有利于实现高精度偏移成像,考虑声反射成像测井探测距离有限,且通常情况在观测深度段速度变化不大,本文选择将时差曲线进行横向延拓的偏移速度建模方法,对于时差变化较为剧烈的层段需对速度模型进行平滑处理.基于CIFLog统一处理解释测井平台,将前文所示反射声波测井逆时偏移算法制作成逆时偏移模块,可实现声反射成像测井资料的高精度偏移处理.首先选择西南某油田X井数据进行算法测试,探测仪器为SonicScanner,时间采样点数为763,时间采样间隔为40 μs,处理深度6576~6718 m,处理结果如图 9所示.第一列为偶极反射横波(SH波)COG,第二、第三列为F-K偏移上下行波成像剖面,第四列为RTM成像剖面,第五列为常规GR曲线.F-K偏移基于单程波动方程,井筒左右分别对应上行波和下行波的成像结果,而逆时偏移基于双程波动方程,成像结果中包含波动方程的全部信息.处理结果显示该井井旁缝洞体不发育,反射资料中包含大量地层界面反射,表现为共轭的上下倾反射波形,F-K偏移无法处理近似水平构造的偏移归位,共轭反射残留在在偏移剖面中,极易与真正过井裂缝混淆.经逆时偏移处理地层界面反射收敛归位于井壁旁,GR曲线的突变也证实这三个深度点存在地层界面.由此可见相较F-K偏移,逆时偏移可有效实现井旁近似水平构造反射波的精确归位,降低测井解释的多解性.

图 9 西南X井F-K偏移和逆时偏移处理结果 Fig. 9 The results of F-K migration and RTM of the X-well in the Southwest

选择西北某油田X井作为测试井,探测仪器为XMAC-II,时间采样点数为400,时间采样间隔为36 μs,处理深度为7168~7280 m.偶极横波反射波提取结果如图 10中第一列所示,可以看出浅部地层井旁无明显裂缝发育,多为小尺度散射体,而深层裂缝反射清晰可见,如图中箭头所示.F-K偏移结果如图中第二列所示,偏移处理可大致勾画出深层裂缝的形态,但成像同相轴较粗且深度方向延展较长,与反射波叠加剖面中裂缝形态较为相似,如图中箭头所示,说明F-K偏移算法没有较好地实现反射波偏移归位,收敛性较差.第三列为基于常规互相关成像条件的逆时偏移结果,深层裂缝同相轴较细,形态更为收敛,如图中箭头所示.第四列为基于归一化互相关成像条件的逆时偏移成像结果,远井壁处小尺度成像效果更为明显,如图中圆圈所示.为进一步研究常规逆时偏移和归一化互相关逆时偏移在实际资料中的应用效果,选择西北某油田Z井做算法测试,结果如图 11所示.记录仪器为XMAC-F1,时间采样点数为688,第三列和第四列逆时偏移成像结果中井旁裂缝的收敛效果明显较第二列中F-K偏移更好,如图中圆圈所示,且较第三列常规互相关成像条件,第四列中归一化互相关成像条件明显压制井旁成像能量,突出深层成像构造,如图中箭头所示.

图 10 西北某油田Y井F-K偏移与逆时偏移结果 Fig. 10 The results of F-K migration and RTM of the X-well in the Northwest
图 11 西北某油田Z井F-K偏移与逆时偏移结果 Fig. 11 The results of F-K migration and RTM in the Z-well in the Northwest
3 结论

F-K偏移具备处理效果高的优势,且由于其基于单程波动理论可实现上行波和下行波分别成像,适合于声波测井观测系统,是现阶段较为常用的声反射成像测井偏移处理技术,但其只能较好地实现井旁高陡角裂缝的偏移成像,对水平发育的裂缝或地层界面反射波偏移归位能力较差.本文分析逆时偏移在声反射成像测井中应用的若干问题,包括观测系统搭建,实测COG数据到CSG数据转换,时间采样率插值等,通过模型数据处理说明算法的有效性.设计不同倾角裂缝和过井薄层等多种速度模型,证实逆时偏移对低角度反射体的归位能力,可刻画出水平裂缝的左边界,将过井薄层归位到井壁旁一个点.进一步引入改进的归一化互相关成像条件解决近井壁处和地层深处成像能量不均一的问题.最后,通过三口声反射成像测井实际资料证实:F-K偏移受制于单程波动理论,无法实现近似水平构造的偏移成像,对应的反射波残留在偏移剖面上与倾斜裂缝混淆,干扰测井解释结论;逆时偏移可实现近似水平构造的偏移成像,对井旁反射体偏移归位效果更好;归一化互相关成像条件可有效压制近井壁处过强的成像能量,突出地层深部的反射体.本文的研究内容可为逆时偏移在声反射成像测井实际资料处理中的应用提供有效的理论指导和技术支持.

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