多分量地震在致密氣儲層精細描述中的應用

張明，張昕，梁菁，姜曉宇，甘利燈，尉曉瑋

（中國石油勘探開發研究院，北京 100083）

0 引言

多分量地震勘探與常規縱波勘探相比增加了轉換波信息，在非均質性儲層預測、油氣藏的精細描述中具有巨大的應用潛力[1-2]。從20世紀70年代，人們開始利用橫波地震勘探，以期獲得比縱波勘探相對高的地震分辨率，但由于橫波頻率低、能量衰減快而未能取得預期的效果[3]。20世紀80年代中、后期，縱波激發、縱橫波聯合接收的多分量地震技術在海上開始了工業化應用[4]。經過近40年的發展，目前多分量地震采集技術已經基本成熟，建立了比較系統的疊前時間偏移成像處理流程，初步形成縱、橫波聯合儲層描述技術體系。在巖性油氣藏儲層預測[5-7]及動態監測[8]、頁巖氣方位各向異性和裂縫預測[9-11]等領域都取得了理想的應用效果。盡管如此，多分量地震勘探的發展仍面臨著許多問題，其中最突出的是對轉換波的應用不足，在實際生產中的作用沒有得到充分體現[12]。

在解釋四川盆地秋林地區沙溪廟組地震數據過程中，精細刻畫河道砂巖及其疊置關系對準確預測泥巖夾層位置、指導水平井部署起到至關重要的作用。但由于沙溪廟組砂巖與泥巖縱波阻抗差別小，采用常規的縱波勘探難以取得理想效果，給地震預測帶來極大的挑戰。本文通過對多分量地震資料的分析，發現轉換波雖然分辨率低于縱波，但在反映巖性變化方面更具優勢。通過縱、橫波聯合反演提升巖性預測精度，能夠解決沙溪廟組疊置砂巖及泥巖夾層的預測問題，并取得了良好的應用效果。

1 研究區概況

1.1 地質概況

研究區位于四川盆地川中地區（圖1 左）。沙溪廟組是一套巨厚的陸相碎屑沉積，地層厚度約1000～1500 m，河道砂體普遍相對較薄[13]，厚約10～20 m。由該區地質綜合柱狀圖（圖1 右）可知，沙溪廟組縱向劃分為沙一段和沙二段，沙一段主要為三角洲—湖泊沉積體系，沙二段為河流沉積體系。根據基準面旋回，沙二段又分為J2s21、J2s22、J2s23、J2s24四個亞段[14]。砂巖物性總體表現為低孔—中孔、特低滲—低滲特征，川中地區孔隙度為3%～18%，滲透率為0.05～1.00 mD[15]。砂體規模大、非均質性強，勘探實踐證實河道砂的儲集條件最好，是油氣聚集的有利砂體[16]。

圖1 研究區位置（左）和地質綜合柱狀圖（右）

圖2 過W17 井地震剖面（a）、合成記錄標定（b）及井旁道疊前道集（c）

1.2 勘探開發面臨的問題

圖3 8 號砂組PP 波數據最大振幅屬性

2 多分量地震數據基礎

2020年秋林地區采集了滿覆蓋面積為200 km2的多分量地震資料。多分量地震采用炸藥震源，激發點間距為40 m，激發線距為360 m，采用DSU3數字三分量檢波器，接收點距為40 m，接收線距為280 m，最小炮檢距為260 m，最大炮檢距為6000 m，轉換波覆蓋次數為50～70。地震資料處理以PP、PS 波保幅處理為目標，針對PS 波信噪比低的難點，采用分區、分域、分步保真保幅噪聲衰減技術，有效提高了PS 波資料信噪比，為多分量地震聯合解釋奠定了較好基礎。

圖4 為W16 井井震標定結果，PP、PS 波實際地震與合成記錄吻合度很高，目的層段沙溪廟組PP 波主頻約為35 Hz，PS波主頻約為18 Hz。

圖4 W16 井PP 波（a）和PS 波（b）合成記錄標定

3 多分量地震反演

3.1 縱、橫波匹配

圖5 PP 波（a）、PS 波（b）地震剖面及校正至PP 波時間域的PS 波地震剖面（c）

3.2 巖石物理分析

圖6 川中地區測井曲線

圖7 川中地區 巖石物理交會分析

3.3 地震反演

根據圖7 交會分析結果可知，橫波速度能夠較好地區分砂、泥巖（圖7b），因此可以反演橫波速度體作為巖性預測的主要依據。一般可以通過PP 波疊前反演或PP-PS 波聯合疊前反演獲得橫波速度。本文對比了這兩種方法的反演結果，并利用W13 井進行了驗證。

3.3.1 PP 波疊前反演

采用基于Aki-Richards 近似公式的疊前同時反演方法，對PP 波不同角度的部分疊加體進行反演，從而獲得縱波速度、橫波速度、縱橫波速度比、彈性模量等參數。

根據Aki-Richard 公式，PP 波反射系數為入射角的函數[25],有

式中：θ為縱波入射角；vp、vs、ρ分別為界面上、下縱波平均速度、橫波平均速度、介質平均密度；Δvp、Δvs、Δρ分別為界面上、下縱波速度差、橫波速度差、密度差；γ為橫波與縱波速度比。

高質量的疊前道集數據是保證反演效果的重要基礎，尤其是道集的保幅性。圖8 表明，8 號砂組地震道集（圖中紅線）III類AVO 曲線特征與正演結果吻合較好，說明道集質量滿足疊前反演需求。

圖8 PP 波正演（a）和實際道集（b）及AVO 曲線（c）

PP波疊前反演采用的技術流程為：

（1）基于疊前道集覆蓋次數和反演穩定性兩個方面考慮，采用5°～15°、15°～25°、25°～35°三個角度疊加數據體作為輸入進行彈性反演；

（2）分別提取3個部分疊加體的地震子波；

（3）根據測井資料及地震層位建立vp、vs、ρ的低頻模型；

（4）利用式（1）進行組合反演，得到vp、vs、ρ的反演結果。

3.3.2 PP-PS 波聯合疊前反演

PP-PS 波聯合反演引入了實測的轉換波地震數據，相對于常規地震反演提高了反演結果的穩定性和可靠性。根據 Aki-Richards 公式，PS波反射系數可表示為[26]

式中φ為轉換波反射角。

PP-PS波聯合疊前反演的技術流程為：

（1）由于PS 波低角度數據信噪比較低，分別對10°～27°、27°～44°、44°～60°的疊前數據進行疊加；

（2）將PS波部分疊加數據校正至PP時間域，采用的方法與PS波疊后資料校正方法相同；

（3）通過井震標定，分別提取3 個PS 波部分疊加體在PP波時間域的地震子波；

（4）根據測井資料及地震解釋層位建立vp、vs、ρ的低頻模型；

（5）輸入PP、PS 波部分疊加數據體及各疊加體的子波進行組合反演，得到vp、vs、ρ的反演結果。

3.3.3 反演結果對比

圖9 PP 波（左）、PP-PS 波聯合（右）疊前反演橫波速度剖面

4 縱、橫波聯合分析

圖10 為過W17-H 井的PP 波、PS 波剖面及PPPS 波聯合反演橫波速度剖面，從伽馬曲線（圖中紫色線）可知，該井水平段前端以低伽馬值為主，表明鉆遇砂巖儲層，而后端伽馬值明顯升高，說明泥質含量增加。在PP 波剖面上，W17-H 井地震響應始終為強振幅的“亮點”特征，水平段橫向變化不大，沒有反映出巖性變化（圖10a）。而在PS 波剖面上，W17-H 井地震響應為疊置的波組特征，沿著鉆井水平段地震波形存在明顯變化，在水平段前端低伽馬值位置，井軌跡（圖中黑色線）處于波峰內；在水平段后端較高伽馬值位置，井軌跡處于波谷內，地震響應與伽馬曲線具有很好的對應關系（圖10b）。橫波速度反演剖面顯示該井水平段前端處于橫波速度高值區域，說明以砂巖為主，后端井軌跡處于砂巖邊界，地層泥質含量增加導致伽馬值升高（圖10c）。

圖10 過W17-H 井PP 波（a）、PS 波（b）剖面及PP-PS 波聯合反演橫波速度剖面（c）

圖11 為過W211-H 井的PP 波、PS 波剖面及PPPS 波聯合反演橫波速度剖面，從伽馬曲線（圖中紫色線）可見，該井水平段前端伽馬值較高，判斷巖性為泥巖，中部及后端伽馬值低，巖性以砂巖為主。在PP 波剖面（圖11a）上，沿著W211-H 井水平段地震響應沒有明顯變化，同為強振幅的“亮點”特征。而在PS 波剖面（圖11b）上，W211-H 井前端泥巖段明顯為弱振幅，中部及后端砂巖段為強振幅。橫波速度反演結果（圖11c）表明該井鉆遇的是兩套疊置砂體中范圍較小的砂體，在水平段前端，橫波速度較低，砂巖厚度薄，鉆遇泥巖為主；中段橫波速度高，以砂巖為主，末端橫波速度低，又鉆遇泥巖。

圖11 過W211-H 井PP 波（a）、PS 波（b）剖面及PP-PS 波聯合反演橫波速度剖面（c）

5 結論

多分量地震在提高川中地區沙溪廟組砂巖預測精度方面具有較大優勢，為推動多分量地震在致密油氣藏勘探與開發中的應用創造了良好條件。研究表明：

（1）相對于縱波速度，橫波速度對沙溪廟組巖性有更高區分度；

（2）8號砂組河道在縱波剖面上為“亮點”特征，河道內砂體厚度及疊置關系變化引起的縱波響應變化小，而在轉換波剖面上變化明顯；

（3）與縱波疊前反演相比，縱、橫波聯合反演的橫波速度精度有大幅度提升，能夠準確、精細地刻畫河道內部巖性變化情況；

（4）縱、橫波聯合反演能夠很好地解釋水平井鉆遇的巖性變化情況，有效解決了河道內砂體疊置關系的預測問題。因此，充分利用多分量地震信息將對水平井井位部署、提高水平井砂巖鉆遇成功率提供可靠的數據支撐。