橫波源三維地震資料矢量橫波四分量旋轉和快慢波分離技術

公 亭 王兆磊 羅文山 王永生 岳媛媛 顧小弟

(①東方地球物理公司研究院，河北涿州 072750； ②青海油田勘探事業部，甘肅敦煌 736202； ③東方地球物理公司物探技術研發中心，河北涿州 072750)

0 引言

彈性介質中能夠傳播兩種不同類型的體波，一種是質點振動方向與傳播方向一致的縱波(壓縮波)，另一種是質點振動方向與傳播方向垂直的橫波(剪切波)[1-2]。油氣儲層的橫波和縱波響應特征不同：一方面，橫波傳播只與巖石骨架有關，對流體不敏感，對存在氣云區的特殊油藏，能更準確地對地下構造成像； 另一方面綜合利用縱波和橫波信息可以提高儲層反演和預測的精度[3-4]?；谏鲜鰞瀯?，從二十世紀三十年代開始，前蘇聯科學家就開展橫波勘探方法研究，美國、法國、西德也相繼開展了大量橫波勘探方法的試驗。二十世紀七、八十年代后，受震源的限制，橫波勘探逐步被成本更低的轉換波勘探取代，針對橫波勘探的研究幾乎停滯。但由于轉換波勘探射線路徑不對稱，上、下行波類型不一致[5-6]，給資料處理、解釋帶來許多困難，2010年后也開始歸于沉寂[7]。

近年來，東方地球物理公司(BGP)通過不斷地研究和探索，成功研發了大噸位橫波可控震源EV-56S，采集了橫波源三維地震資料，橫波勘探取得重大技術突破。橫波勘探不同于縱波，多分量檢波器記錄的地震波場與橫波震源激發方向、地下介質的裂隙方向直接相關，有著明顯的矢量特性，而以往橫波處理技術研究局限于二維橫波處理或者建立在三維轉換波地震資料處理基礎上，對橫波三維空間上復雜波場的矢量關系考慮不足，無法應用于三維橫波地震資料，因此迫切需要形成一套完整的矢量處理技術。

在柴達木盆地三湖地區開展的可控震源縱、橫波聯合激發的三維多波矢量采集，即在同一位置，縱波震源、x方向橫波震源(振動方向與接收排列平行)、y方向橫波震源(振動方向與接收排列垂直)各激發一次，三分量數字檢波器接收，獲得了三維九分量(3D9C)地震數據。

本文僅對橫波震源激發、水平分量接收到的四個分量數據開展針對橫波勘探多方向性的矢量處理技術研究。

圖1 四分量數據定義示意圖

1 四分量旋轉技術

為方便后續闡述，在野外觀測系統坐標系中，定義平行于檢波線方向為x方向，垂直于檢波線方向為y方向，如用SxRy表示震源沿x方向水平激發、三分量檢波器沿y方向接收的地震道； 在室內處理R、T坐標系中，定義平行于炮檢點連線方向為徑向R，垂直于連線方向為切向T，如用SRRT表示震源徑向投影能量、檢波點切向接收能量的地震道。

對于三維橫波源地震資料，在各向同性水平層狀介質假設條件下，如果橫波震源激發方向與穿過炮點和接收點的垂直面即不平行也不垂直，則檢波器兩個水平分量上均會接收到能量，即在SxRx、SxRy、SyRx和SyRy四個水平分量上都會接收到橫波能量。另一方面，受地表條件影響，實際野外采集時，震源車行進方向無法嚴格遵照施工設計中規定的檢波線方向，不同的震源車車頭朝向導致接收到的橫波相位存在差異，當震源車朝向相反時，子波相位差180°，極性相反?；谝陨蟽煞矫嬖?，任意水平分量未經矢量處理直接疊加均無法獲得較好的成像效果。

因此，三維橫波地震資料處理應首先將四個初始分量數據旋轉到與炮、檢點連線平行或正交的R、T方向，以尋求R、T方向能量最大化。借鑒橫波分裂分析與校正公式[8-9]，四分量旋轉可表示為

(1)

式中θ為炮檢點連線與x方向的夾角。

如圖2所示，使用原始四個水平分量數據進行疊加，成像效果較差。通過四分量旋轉后，SRRR和STRT分量的疊加能量得以恢復(圖3a和圖3b)，但由于實際介質的各向異性，SRRT和STRR分量的疊加剖面仍有有效能量殘留(圖3c和圖3d)，將在后續快、慢波分離處理中得到進一步解決。

圖2 四分量旋轉前疊加剖面

圖3 四分量旋轉后疊加剖面

2 快慢橫波分離技術

當橫波在含有裂縫的各向異性介質中傳播時，就會明顯分裂為兩個偏振互相正交而速度不同的剪切波[10-12]，一個是偏振方向平行于裂縫的快橫波，另一個是偏振方向垂直于裂縫的慢橫波[13]。

2.1 裂縫方位角求取

圖4 旋轉互相關法求取的裂縫方位角(a)、Alford旋轉掃描法求取的裂縫方位角(b)及對應的SRRR分量疊加剖面(c)

2.2 快慢波分離技術

假設地下含裂縫地層和預處理得到橫波地震記錄滿足：①選定分析時窗內的目標地層只發育單一方向的裂縫； ②地下裂縫地層可等效于HTI介質，即裂縫垂直于地層。

快、慢波分離就是根據橫波在各向異性介質中傳播特性，應用傳播矩陣旋轉法，將混合了快、慢橫波能量的R、T分量轉換為快、慢橫波記錄

(2)

式中：β為裂縫方向與炮檢連線方向的夾角； SS1RS1分量表示分離后得到的快橫波； SS2RS2分量表示分離后得到的慢橫波； SS1RS2和SS2RS1分量能量在快、慢波分離徹底的情況下為0。

為了驗證上述結論，設計了一個三層水平層狀模型，第一層、第三層是各向同性介質，第二層是裂縫方位角為60°的HTI介質，具體參數如表1所示。

表1 模型參數

應用反射系數法合成第2個界面的橫波反射數據，再將R、T方向四個分量按10°增量劃分扇區進行疊加，得到第2界面的橫波反射方位角道集(圖5a～圖5d)。受方位各向異性的影響，SRRR和STRT分量同相軸呈現周期性波浪狀，而SRRT和STRR分量每隔90°則會出現極性反轉現象。根據SRRR或STRT分量出現最大時差位置可推知，裂縫方位角β=60°。將裂縫方位角代入式(2)，旋轉得到快(SS1RS1分量)、慢(SS2RS2分量)波分離結果(圖5e、圖5f)。分離后的SS1RS2分量(圖5g)和SS2RS1分量(圖5h)能量為0，說明利用該方法能夠比較徹底地分離快、慢橫波。

圖5 單層HTI介質快、慢波分離結果

圖6為實際地震數據SRRR分量和分離的快橫波分量的速度譜及道集，可以看出，分離后道集中不同炮檢距同相軸錯斷的異?，F象得到有效消除，連續性增強，道集質量明顯提高，速度譜能量也更為聚焦。圖7、圖8分別是快、慢橫波分離前、后的疊加剖面和疊前時間偏移剖面對比，從中可以看到，相較于SRRR和STRT分量，快橫波和慢橫波數據的波阻關系清楚，消除了同一套地層橫向上能量強弱不一致的異?，F象，同相軸更光滑，層位可解釋性明顯提高，且快、慢橫波波組特征基本一致，同一套層位僅存在時延，隨深度增加而增大。

圖6 SRRR分量(a)和快橫波分量(b)的速度譜(左)及道集(右)

圖7 快、慢波分離前、后疊加剖面對比

3 應用效果

柴達木盆地三湖地區生物天然氣藏發育。但受氣云影響，縱波地震剖面成像效果較差，構造變形，無法落實氣云區構造形態特征，嚴重制約該區后續勘探開發進程。為此，BGP在研究區部署了縱、橫波聯合激發的三維多波地震勘探項目。針對橫波資料明顯的矢量特性，初步形成了以四分量旋轉和快慢波分離技術為核心的橫波源三維地震資料矢量橫波配套處理技術流程(圖9)。通過該套技術流程的應用，獲得了高品質的橫波地震剖面。

圖9 矢量橫波四分量處理技術流程

研究區東側位于A號氣田，從圖10 的縱、橫波時間域處理成果可以看出，縱波受氣云的影響，存在明顯的低頻下拉現象，成像質量極差，而橫波在含氣異常區成像優勢明顯，較好地恢復了A號氣田區的構造形態。圖11是根據縱、橫波聯合解釋方案目的層K9所在位置平均時間提取的時間切片，圖12是提取的目的層K13的沿層相干切片，可以看出，相較于縱波，橫波除在含氣異常區構造成像方面的優勢外，對于微小斷裂及地質異常體的刻畫能力明顯增強。

圖10 縱波(a)、快橫波(b)疊前時間偏移剖面對比

圖11 縱波(a)、快橫波(b)疊前時間偏移切片對比

圖12 縱波(a)、慢橫波(b)疊前時間偏移相干切片對比

從圖13利用縱、橫波成果獲得的疊前波阻抗反演結果可見，在相同域(橫波標定到縱波域)中，縱波僅能識別研究區厚度約為8.6m的薄儲層，而橫波能夠識別的厚度約為4.6m，相較于縱波，橫波分辨率提高了近一倍，這為落實該區域構造背景、助力開發階段薄儲層預測奠定了資料基礎。

圖13 縱波(a)、慢橫波(b)疊前反演剖面對比黑色曲線為伽馬測井曲線

4 結論及認識

(1)在柴達木盆地三湖地區，成功應用了橫波源三維地震資料矢量橫波配套處理技術，獲得了可靠的快、慢橫波成果資料。

(2)在研究區，相比于縱波，橫波資料不僅能夠有效刻畫氣云區的構造形態，而且分辨率更高。

(3)四分量旋轉和快慢波分離技術的聯合應用，基本解決了研究區橫波勘探的處理難題。但目前僅能應用于單組裂縫發育地區，當實際地質條件更復雜、在多層系發育多組裂縫時，如何逐層開展矢量處理尚需進一步研究。