大庆探区储层相对发育的油气藏基本勘探完毕，剩余的油气资源分布具有油气藏类型多样，油水分布复杂，储层薄且变化快，勘探目标难以识别等特点.3D VSP技术作为油藏地球物理技术的重要组成部分，以其高分辨率和高信息量的特点在油田的勘探开发过程中发挥重要作用.

从20世纪80年代开始，国内外学者对VSP技术开展了大量研究工作.21世纪以来，随着井下接收仪器的发展，VSP观测方式从零偏发展到WalkawayVSP，后来又研究形成了3D VSP资料采集和处理技术，逐渐为识别井旁断层、井旁精细构造成像、获得有价值的油藏描述信息提供了更为可靠的基础.近年来，国内一些学者应用VSP技术在分辨井周小构造及小断层，与地面地震联合采集等方面取得了一定的应用成果.刘美丽等(2008)讨论了垦71井区三维VSP的采集方法与效果；曹立斌等(2009)将Walkaway VSP技术应用在山地地区；李彦鹏等(2011)论述了大阵列3D-VSP技术在大庆油田的应用；刘守伟等(2012)利用VSP上下行反射波进行联合成像；陈生昌等(2012)提出了一种三维VSP数据高效偏移成像的超道集方法.虽然国内对3D VSP技术有一定程度的应用，但是一直未能取得良好的成像效果.

就VSP成像方法而言，主要进行了Kirchhoff积分法，VSP数据的逆时偏移方法(孙文博和孙赞东，2010；刘诗竹等，2014；程磊磊，2014)研究，此外，李文杰等(2012)还对非零偏VSP弹性波的叠前逆时深度偏移技术进行了探讨，由于速度模型建立的局限，叠前逆时偏移方法尚不能进行广泛的推广应用.就成像的预处理而言，主要包括波场分离、提高分辨率等方法的研究，波场分离主要进行了滤波法，如F-K滤波、SVD变换法(高磊等，2013)、基于斜率属性的方法(杜婧等，2009)和Radon变换等方法(曾有良等，2007；朱海龙和张山，2012；李志娜等，2014)和矢量波场分离方法(孙文博和孙赞东，2009).在提高分辨率上，主要进行了反褶积(孙哲等，2009；于茜，2010)和反Q滤波方法研究(余振等，2010；武银婷等，2010；赵海波等，2011).

本文基于大庆油田地下介质特点，提出了主要包括三分量波场逐点定向方法和Q补偿VSP子波反褶积的叠前Kirchhoff积分的VSP资料成像方法.三分量波场逐点定向可同时完成噪声压制和波场分离的处理，Q补偿VSP子波反褶积在提高分辨率的同时，可有效补偿地震波传播过程中的高频损失，这些方法的有效应用，提高了3D VSP资料处理的分辨率和保真性，为大庆油田VSP资料处理的应用提供了技术基础.

1 3D VSP资料处理技术

大庆油田M1井位于松辽盆地北部大庆长垣喇嘛甸工区，研究目的层为萨尔图油层，部署3D VSP资料的主要目的是进行老油田开发动态监控，为开发方案调整提供基础资料.资料采集时，采用炸药震源激发，激发井深大约为6~7 m；采用40级三分量检波器接收，观测井段为610~1000 m之间，空间采样间隔为10 m，时间采样间隔为1 ms，记录长度为4 s.3D VSP数据共采集两万炮记录，每炮120道接收，炮面积约10 km²，井源距最大为3200 m.图 1为M1井3D VSP采集的炮点分布图，井口是两条黑实线的交差点，位于图的中心位置.

图 1

Fig. 1

图 1 M1井3D VSP炮点分布图 Fig. 1 3D VSP shot point distribution in well M1

M1井3D VSP的原始资料分辨率低，炮点分布不均，不同炮之间采集数据的资料品质差异较大.由于目的层浅，偏移距大，因此动校正拉伸问题严重，同时地面表层地震地质条件复杂，也存在着较为严重的静校正问题，另外地震资料的噪声及多次波发育，信噪比低.

根据M1井3D VSP资料的特点，确定了3D VSP资料的处理流程，如图 2所示.在噪声压制和波场分离方面，重点进行三分量矢量去噪和全方位方向逐点定向处理，可在提高地震资料信噪比的条件下，使不同类型的波场分离更彻底，具有一定的保幅性.静校正主要采用初至波层析静校正方法，有效消除地表高程变化引起的同相轴畸变，提高分辨率处理主要应用反褶积和衰减补偿两方面，反褶积主要应用上行P和SV波反褶积，提高分辨率的同时，使子波的横向连续性增强；另外再进行Q补偿VSP子波反褶积的处理，进一步提高VSP资料的垂向分辨率，在偏移成像处理中，采用积分法Kirchhoff叠前时间偏移成像的常规处理，图 2所示的处理流程的设计主要考虑目的层浅和薄互层的特点，是一个强调高分辨率处理、高保真的VSP资料成像处理流程.

图 2

Fig. 2

图 2 大庆油田M1井3D VSP资料处理流程 Fig. 2 3D VSP data process flow in well M1 in Daqing oilfield

对VSP波场分离处理，发展了F-K滤波法、Radon变换法等，在理论研究和实际资料处理中，也进行了广泛应用(Scott Leaney，2002; Blias，2007; Horne et al., 2008).对三维三分量VSP地震数据，地震波场不仅仅是空间和时间的函数，还应考虑偏振等方向特性.本文应用三分量矢量去噪法对VSP数据进行噪声压制和波场分离处理，通过空间偏振方向扫描分析，可精确定位不同波型波场在空间不同偏振方向上的展布特征，再在空间和时间域将其衰减，然后再重新定向到噪声压制前的偏振方向，所以三分量波场逐点定向技术是三维VSP处理中的重要方法，对后续的噪声压制和波场分离都具有重要的研究意义.

采用全局寻优算法进行检波器方向定向处理，为了确保不受噪声干扰，噪声压制和波场分离须同时进行.图 3为检波器方向定向处理示意图.方向定向处理过程如下：

图 3

Fig. 3

图 3 检波器定向处理示意图 Fig. 3 Diagram of geophone rotation directional process

1)通过全局寻优将检波器自然坐标系旋转至Z分量与AR方向一致(R分量)，X分量位于炮点和检波点所在的平面且与AR垂直(T分量)，Y分量垂直于井口、炮点和检波点所在的平面(H分量)，进而形成R、T、H三个分量.

2)将直达P波质点的振动方向始终沿AR方向，所以将直达P波分量完全分离到AR(即R)方向.对于各向同性介质，在H方向上没有任何形式的有效波场.但由于偏移距和检波器埋深等参数的不同，上、下行P波及上、下行SV波的波场在R和T分量上是不同的.也就是说，同一界面上上述波型的质点振动方向随偏移距、检波器埋深以及地震速度的变化而变化.因此，即使对于各向同性介质，在R和T方向上，还是包含有效波场信息的.

3)根据检波器深度，逐点将经上述定向处理后的T和R两个方向上的上行P波聚焦到GR方向(只含上行P波)，上行SV波聚焦到与GR同一平面内且与GR垂直的方向(只含上行SV波).同时利用噪声的偏振方向特性可将噪声容易地去除.

上面给出的三分量波场逐点定向方法在考虑波场时间和空间方向特性的同时，还考虑了波场的偏振等方向特性，是精度较高的三分量矢量去噪及波场分离的处理技术.此外方法也考虑了VSP资料处理过程中的保幅性，在压制噪声的同时，并不改变剩余波场(P波和S波)的振幅和能量关系.

图 4为3D VSP共炮点记录三分量逐点定向处理效果对比图，由图可知，该方法可以进行炮记录的噪声压制，还可有效实现 P波和S波的波场分离，同时分离的波场也具有很好的保幅性.

图 4

Fig. 4

图 4 3D VSP共炮点记录三分量逐点定向处理对比图 (a)原始记录；(b)上行SV波记录；(c)上行P波记录. Fig. 4 3D VSP common-source point record three-component rotation directional processing (a)Original record;(b)Up-going SV wave record;(c)Up-going P wave record.

由于相同地层纵、横波反射系数不同，需采用不同的反褶积算子进行上行波场的反褶积处理.由于VSP资料中存在不同的波场类型，根据波场的叠加原理，对于多分量VSP资料，其褶积公式可表示为

VSP子波反褶积方法主要包括两个关键技术，一是地震记录Gabor变换与动态褶积模型，二是VSP时变地震子波求取.

1)地震记录Gabor变换与动态褶积模型

Margrave等(Margrave et al., 2002)将非平稳地震信号道 s(t)的Gabor变换近似表示为

如果令_a(t，f)= (f)α_Q(t，f)，则式(2)可表示为

2)VSP时变地震子波求取

由式(4)可知，只需求得反子波，通过反褶积和逆Gabor变换就能得到地层反射系数序列，达到反褶积求取反射系数的目的.

VSP子波反褶积是基于直接获得震源子波(下行波场)条件下的反褶积，不像地面地震反褶积那样需要一系列的假设条件，所以普遍认为VSP子波反褶积更精确，分辨率更高.由于VSP测井所获得的下行波场是远场，传播过程中同样经过地层吸收衰减和各种干扰的影响，为提高处理精度，本文利用零偏VSP下行波场求取地震子波 w(t)和地层品质因子Q值.并将两者有机结合，构造如下动态(时变)子波：

式(5)为Q补偿后的VSP时变地震子波，将上述子波代入式(4)即可求得反子波用于VSP上、下行波场和地面地震资料的反褶积处理(Grossman et al., 2002).

图 5a为M1井零偏VSP波场分离后的上行纵波波场及其频谱，图 5b为经上述Q补偿VSP子波反褶积后的上行纵波波场及其频谱.可以看出，反褶积前的VSP上行纵波频率衰减较严重，频带较窄，反褶积后的VSP上行地震子波得到压缩，分辨率得到明显提高，波阻特征更清楚.

图 5

Fig. 5

图 5 Q补偿VSP子波反褶积前(a)、后(b)的VSP上行P波波场及其频谱对比 Fig. 5 The VSP up-going wavefield and its frequency spectrum before(a) and after(b)Q compensation VSP wavelet deconvolution

依据图 2所给出的处理流程，完成波场分离和反褶积后，下步就进行VSP资料的成像处理，近年来地球物理工作者在VSP数据处理的成像方法方面的研究主要有VSP-CDP成像法(蔡露露等，2011; 梁向豪等，2014)、Kirchhoff叠前时间偏移(程玖兵和马在田，2010)和逆时偏移(程磊磊，2014)等.由于逆时偏移方法主要进行的是二维VSP资料的成像研究，同时该方法对速度精度有较高的要求，目前尚处于方法研究和探索阶段.结合前人研究经验，本文应用传统的Kirchhoff叠前时间偏移方法对预处理后的波场进行偏移成像.

2 成像效果分析

据给出的3D VSP地震资料处理流程，对大庆油田M1井3D VSP资料进行的常规成像处理.图 6为零偏VSP上行P波拉平记录及其走廊叠加记录插入3D VSP过井主线的对比分析图，从图中可以看出，3D VSP纵波成像与零偏VSP上行波拉平记录及其走廊叠加吻合较好，进一步表明本文成像方法具有高分辨率的特点.

图 6

Fig. 6

图 6 零偏VSP上行P波拉平及其走廊叠加插入3D VSP过井剖面对比 Fig. 6 Comparison of the 3D VSP seismic profile，the flattened zero-offset VSP up-going P wave gather and the corresponding corridor stack

图 7为3D VSP成像数据体主测线Inline1261的成像剖面(a)与相应3D地面地震剖面(b)的对比图，其中地面地震数据已经完成Q补偿VSP子波反褶积处理.对比可知，3D VSP纵波成像剖面构造形态与地面地震剖面基本一致，两者吻合度较高，进一步对比可看出，在主要目的层T2(1600 ms)以上，左侧3D VSP成像剖面信噪比高于地面地震剖面，VSP数据体的断层成像更清楚，分辨率更高.为进一步对比分析本文成像方法的效果，图 8给出了Q补偿VSP子波反褶积前(蓝线所示)、后(紫线所示)的地面地震剖面与3D VSP剖面频率(红线所示)比较，可以看出，经Q补偿VSP子波反褶积处理后的3D地面地震剖面分辨率明显提高，可将最终3D地面地震成像剖面目的层T2以上地震反射频带展宽约10~20 Hz左右，3D VSP成像剖面比Q补偿VSP子波反褶积后的地面地震剖面频率还要高.

图 7

Fig. 7

图 7 3D VSP剖面Inline1261线(a)与地面地震剖面(b)比较 Fig. 7 Comparison between 3D VSP profile of Inline1261(a) and the ground seismic data profile(b)

图 8

Fig. 8

图 8 Q补偿VSP子波反褶积前后的地面地震剖面与3D VSP剖面频率比较 Fig. 8 The frequency b and comparison among ground seismic data before and after Q compensating VSP wavelet deconvolution and the 3D VSP seismic data

图 9为Q补偿VSP子波反褶积前、后的地震剖面及3D VSP成像剖面的合成地震记录对比，从图中可以看出，3D VSP成像数据的合成地震记录符合度最好，其次是Q补偿VSP子波反褶积后的地面地震剖面，合成记录对应最差的是原始地面地震数据，同样测井数据的合成记录对比表明，Q补偿VSP子波反褶积后的数据和3D VSP成像数据体可以应用于后续的资料解释和地质综合研究中，其具有更高的分辨率和更好的可信度.

图 9

Fig. 9

图 9 地面地震与3D VSP资料目的层合成地震记录对比 (a)地面地震;(b)Q子波反褶积;(c)3D VSP成像数据. Fig. 9 synthetic seismogram at bed of interest of 3D VSP data comparison with ground seismic (a)ground seismic;(b)Q wavelet deconvolution;(c)3D VSP imaging data.

针对大庆油田3D VSP资料的特点，设计了相应的地震资料处理流程，该流程主要包括三分量波场逐点定向和Q补偿VSP子波反褶积处理.三分量波场逐点定向可同时完成噪声压制和多波场分离，Q补偿VSP子波反褶积可在提高地震数据分辨率的同时，完成地震波衰减的补偿.这两项技术的有效应用，为VSP数据处理精度的提高奠定了基础.

实际3D VSP资料处理成果对比分析表明，应用本文方法处理的成果数据体具有分辨率高、信噪比高和保真性的特点，地面地震和VSP数据的合成地震记录、频率对比分析显示，Q补偿VSP子波反褶积可有效应用于地面地震资料的子波整形和提高分辨率处理，VSP数据的合成记录标定符合度最高，可应用处理成果数据体进行井旁小断层解释，实现井周地质和构造细节的精细刻画，同时表明所研究形成的VSP数据成像方法具有很强的实用性.