多分量油氣地震勘探技術(shù)急需解決的幾個問題

王 赟 文鵬飛 李宗杰 劉 佳 李孟澤

(①中國地質(zhì)大學(北京)地球物理與信息技術(shù)學院“多波多分量”研究組，北京100083； ②自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東廣州 510075； ②中國石化西北分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊 830011；④東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部，河北涿州 072751)

0 引言

眾所周知，地球介質(zhì)物理性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性，地震各向異性研究也發(fā)展了近半個世紀[1]。伴隨S波分裂現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[2-5]，地震各向異性成為了地震學界的一個主流研究方向。從極端各向異性，到正交各向異性、橫向各向同性，通過物理模擬和數(shù)值模擬，對于地震波在各向異性介質(zhì)中的傳播特點已獲得了足夠的認識，地震各向異性理論已發(fā)展得相對完備[6]。隨著各向異性等效介質(zhì)理論多種假設模型的提出和不斷發(fā)展，以Thomsen 理論為主的等效介質(zhì)理論[7]在地震領域得到了越來越多的應用和認可[8]。但不可否認的是，地震各向異性理論還處于發(fā)展進程中，現(xiàn)有理論模型的適用性仍需要在實踐中不斷地檢驗和論證[9]，其中尤以強各向異性介質(zhì)條件下，例如頁巖，Thomsen理論的弱各向異性假設適用性問題最為突出[10]。

伴隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其MEMS(Micro-electro-mechanical System，微電子機械系統(tǒng))傳感芯片和光學技術(shù)在地學領域的應用，地震多分量觀測得到普及[11-20]。多分量地震勘探技術(shù)曾在油氣勘探領域經(jīng)歷了一段時間試驗和應用，但由于數(shù)據(jù)處理與解釋反演技術(shù)還不夠完善[21]，未能實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)推廣。不可否認的現(xiàn)實是： 天然地震領域早已使用了三分量波場記錄；從20世紀80年代起，油氣地震領域幾乎所有的VSP技術(shù)都采用了三分量觀測[22-23]； 海洋地震領域，除了水面的拖纜水聽器接收，水聽器和陸檢三分量結(jié)合的四分量OBC(Ocean Bottom Cable，海底電纜)、OBN(Ocean Bottom Node，海底節(jié)點)、OBS(Ocean Bottom System or Seismometer，海底采集系統(tǒng)或海底地震儀)觀測在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、科學研究以及油氣勘探開發(fā)等領域都獲得了廣泛的應用[24-25]。六分量地震觀測亦應用于天然地震、工程地震[26-28]；地震領域已積累了大量的多分量觀測數(shù)據(jù)，但多分量地震資料的總體解譯水平尚停留在單分量的應用階段[29]。

多分量地震觀測的普及應用，不僅僅使彈性波的勘探成為可能，多分量地震資料解譯、多波的聯(lián)合使用對于地震資料精度的提高和地震反演多解性的降低無疑是里程碑式的技術(shù)進步[30-31]。但同時需看到，對于地震波動矢量場的三或六分量觀測只是矢量運動的部分或全息記錄，挖掘其中蘊藏的豐富地下信息是關鍵，因此矢量處理技術(shù)的發(fā)展成為迫切需要[32]。但目前只在疊前去噪[33-34]、波場分離[35]和重建[36]、成像[37-38]等一些少數(shù)的處理環(huán)節(jié)應用保矢量特征處理方法[39]。

因此，針對油氣勘探的需要，本文首先簡單總結(jié)了各向異性等效介質(zhì)理論的適用性問題；然后在此基礎上重點闡述了裂縫儲層描述所遇到的多組多尺度裂縫預測難題，以及寬方位地震各向異性解譯中存在的矛盾；最后，結(jié)合深海和深層PS波成像問題，討論了多分量地震勘探技術(shù)急需攻關、研究的難題，以期促進該領域的技術(shù)進步。

1 各向異性等效介質(zhì)理論的適用性

1.1 Thomsen理論的弱各向異性假設

Sondergeld等[40]曾統(tǒng)計了中國以外公開發(fā)表文獻中頁巖各向異性系數(shù)γ和ε值，如圖1所示。其中95%以上的測量值超過0.1； 頁巖的彈性各向異性強度平均為15%，最高可達30%～40%。中國油氣勘探開發(fā)主要以陸相、水平層理發(fā)育的沉積巖為主，其中表現(xiàn)為強各向異性特征的泥巖和頁巖占沉積巖的絕大多數(shù)[41]。中國大部分煤田的煤系地層巖石物理實驗顯示：煤和頂?shù)装宓哪鄮r或泥頁巖也表現(xiàn)為明顯的強各向異性介質(zhì)[42-43]。

已有相關研究討論了Thomsen理論的弱各向異性假設是否適用于強各向異性巖石[44-45]，但在中國的陸相油氣勘探開發(fā)實踐中，地震數(shù)據(jù)的處理和解釋反演依然使用了Thomsen的弱各向異性等效介質(zhì)理論[7]。因此，從煤田地震以及煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)能源探測的角度，研究強各向異性介質(zhì)的等效理論是當務之急；忽視強各向異性的存在可能嚴重影響地震成像精度和多分量地震動力學特征解譯的準確性。

圖1 頁巖各向異性參數(shù)統(tǒng)計[40]

1.2 描述裂縫介質(zhì)等效理論的非一致性

Schoenberg[46]給出了裂縫介質(zhì)線性滑移理論的垂向、法向弱度與Thomsen參數(shù)[7]和Hudson理論參數(shù)[47]之間的換算關系，但干裂隙與飽和流體裂隙的等效相速度計算結(jié)果(圖2)顯示，三種理論給出的相速度隨入射角變化表現(xiàn)明顯不一致，尤其Thomsen理論與另外兩種理論存在較大的差異。顯然，這是由于三種等效介質(zhì)理論所定義的裂隙模型假設不同，因此哪種理論模型更適合描述裂隙介質(zhì)，仍需要大量的巖石物理實驗、物理與數(shù)值模擬分析，以推動地震各向異性等效介質(zhì)理論的發(fā)展。

1.3 薄互層VTI近似反演面臨的窘境

薄互層是中國油氣勘探開發(fā)的一種主要儲層類型。理論上對于薄互層的長波長各向異性效應早有認識[48-49]，對該類儲層的反演也有研究給出了可行的技術(shù)方案[50]。但在薄互層呈現(xiàn)為“白反射”現(xiàn)象情況下，不論這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是薄層間的阻抗差異小還是薄層的頂?shù)追瓷湎喔筛缮?，對其中多個薄目的層的反演存在著目標淹沒、難以識別的難題[51]。例如對于如圖3a所示的杭錦旗致密砂巖儲層地震反射，油氣勘探感興趣的是盒1～盒6段數(shù)米厚的幾個砂體；其中1500ms反射為目的薄互層頂—下石盒子組上覆的石千峰組底反射，1700ms開始是下伏山西組和太原組的煤系地層強反射；下石盒子組為陸相砂泥巖互層沉積，盒1～盒6砂體反射在1500ms至1700ms之間。由地震剖面可見，受煤層強反射影響，薄互層呈“白反射”特征。即使經(jīng)過了煤層強反射的壓制處理[52](圖3b)，薄互層層間反射得以加強，在該區(qū)25Hz主頻、大致4000m/s的P波速度地震反射剖面上，無法識別出3～10m厚的砂體，因為這遠超出了地震分辨率的極限。此時地震反射剖面上的波組與砂體并不存在一一對應的關系[48]，而各向異性假設下反演也只能給出砂地比、各向異性參數(shù)等等效厚層參數(shù)[53]，無法識別出單個砂體，更無法進一步預測出砂體厚度、空間展布以及砂體孔隙含流體性質(zhì)等。

圖2 三種理論計算的相速度隨入射角變化曲線對比[8]

圖3 下石盒子組薄互層反射特征在強反射壓制前(a)、后(b)的對比

2 裂縫型儲層的各向異性研究

2.1 裂縫的多組多尺度特征

中國油氣工業(yè)經(jīng)過近70年的發(fā)展，目前勘探開發(fā)的重點是與構(gòu)造相關、或由構(gòu)造控制的致密巖性裂縫型油氣藏和縫洞型油氣藏[54-55]。據(jù)統(tǒng)計，裂縫型油氣藏的油氣含量占到世界剩余油氣總量的60%以上，是世界剩余油氣資源的主要來源[56-57]。因此，在現(xiàn)代油氣藏勘探開發(fā)中，裂縫在儲層描述中扮演著越來越重要的角色。

中國構(gòu)造運動的多期次特點使相伴生的不同時期裂縫呈現(xiàn)不同的發(fā)育特征，主要表現(xiàn)為不同的裂縫發(fā)育方位和尺度特征。而這種裂縫的多組、多尺度效應則超出目前裂縫等效各向異性介質(zhì)理論所能精確描述的范疇[58]。簡單地套用目前的裂縫介質(zhì)理論，不論是Hudson理論[47]還是Schoenberg理論[59]，均會在實際油氣儲層裂縫預測中產(chǎn)生較大的誤差[60]。對于裂縫的多尺度效應，頻率域的S波分裂分析方法提出后得到了有效的應用[32，61-62]； 但對于多組裂縫的存在，簡單的HTI介質(zhì)理論難以取得良好的應用效果[63]。多組裂縫的S波分裂分析[64]、正交與單斜介質(zhì)理論研究與應用[65]，以及寬方位多波數(shù)據(jù)，是解決這類儲層預測難題的重要前提[66]。

2.2 寬方位P波與S波分裂預測各向異性的對比

隨著“兩寬一高”地震采集技術(shù)在油氣領域的推廣，基于Rüger理論公式[67-68]的P波各向異性分析技術(shù)得到了廣泛應用[69-70]。對于厚層、橫向相對均一、而縱向發(fā)育高角度裂縫的介質(zhì)，基于HTI介質(zhì)假設的這一方法技術(shù)是可行的，也在國內(nèi)外獲得了一些有效的應用[71-73]。但當該技術(shù)應用于陸相薄互層儲層時，例如大慶長垣油區(qū)的砂泥巖薄互層，以及中國東部煤田的煤系地層時，不同方位P波速度的變化不僅僅是可能存在的裂縫的反映，而更可能是陸相沉積的橫向相變；不同方位和蝸牛道集下的P波反射振幅變化也不僅僅只有裂縫這唯一影響因素，更可能是薄層橫向的巖性變化以及厚度的變化[74]。已有研究證明，薄互層中發(fā)育的裂隙對地震反射波場的影響程度嚴重受制于薄層的干涉效應[75]。

以大慶喇嘛甸地區(qū)采集的高密度寬方位(橫縱比為0.8)三維三分量地震數(shù)據(jù)為例，P波振幅的方位各向異性分析結(jié)果所揭示的并非單純裂縫的信息，如圖4所示，而是薄層沉積的橫向相變與構(gòu)造影響的綜合作用結(jié)果；S波分裂預測的各向異性方位和時差(圖5)與P波各向異性分析存在較大差異也證實了這一點[76]。

圖4 大慶喇嘛甸地區(qū)P波預測T2層的方位各向異性的方位(a)和強度(b)[76]

圖5 大慶喇嘛甸地區(qū)T2層S波分裂快慢波時差(a)和預測的各向異性的方位(b)[76]

因此，對于寬方位地震數(shù)據(jù)的分析和P波方位各向異性解譯，一是不能簡單地套用Rüger理論公式，二是不能簡單地把P波各向異性歸因為裂縫。在薄互層沉積地區(qū)的應用應格外慎重，地震速度和振幅的各向異性特征具有多種復雜的影響因素。因此，相對于S波分裂的有效性和成因解釋，P波各向異性分析用于薄互層儲層的研究需要更充分的論證。

淮南煤田采集的一塊全方位三維三分量數(shù)據(jù)地震快慢S波分裂分析結(jié)果揭示13-1煤層的各向異性發(fā)育特征如圖6a和圖6b所示[55]。錯斷13-1煤層的區(qū)域斷層延伸以近東西向為主，預測得到的裂縫方位角以北西向為主，包括局部規(guī)律性較差的北北東向。這一推測被4-56井(圖6c)和巷道揭露所證實： 4-56井位處13-1煤層以破碎和粉末狀為主，裂縫的展布方向規(guī)律性較差。

但與該數(shù)據(jù)采集的野外觀測系統(tǒng)炮檢點分布(圖7)對比可以發(fā)現(xiàn)，S波分裂預測的多個裂縫密度發(fā)育異常區(qū)(圖6b)與地表村莊和水塘造成的變觀區(qū)重疊。在P波處理過程中，針對寬方位的P波數(shù)據(jù)采用5D插值技術(shù)和OVT處理技術(shù)，有效地消除了采集腳印或變觀的影響，如圖8所示。但對于PS波，由于并未采用相同的處理技術(shù)和流程，S波分裂分析結(jié)果值得質(zhì)疑。因此，發(fā)展針對PS波的寬方位OVT處理和高維插值技術(shù)是必要的[77]，但顯然中國國內(nèi)的PS數(shù)據(jù)處理還缺乏這方面的技術(shù)支撐。

圖7 淮南煤田三維三分量工區(qū)炮(紅色)、檢(藍色)點分布

圖8 淮南煤田三維三分量工區(qū)五維插

3 深海和深層PS波成像問題

3.1 超深層油氣勘探中的思路局限性

超深層油氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關被納入了中國國家的中長期油氣發(fā)展規(guī)劃，其中地震技術(shù)攻關的基本思路仍是沿襲單分量、單純P波的“兩寬一高”采集技術(shù)[78]。對于超深層油氣藏的識別，尤其深層油氣主要以天然氣、凝析氣藏為主[79-80]，若無法獲得更高信噪比和分辨率的地震P波數(shù)據(jù)，或不能在相關理論方法上有新的突破，單純P波技術(shù)解決問題的能力值得質(zhì)疑。鑒于S波識別氣藏的優(yōu)勢[81-82]，在深層氣藏勘探中多波聯(lián)合應是有效的途徑之一。圖9為塔河沙48井區(qū)三維三分量勘探的深層奧陶系灰?guī)r頂反射(PP波剖面的3.5s處)PP與PS波反射對比， PS波在寒武系頂?shù)姆瓷?圖中箭頭所示)也很強，這打破了人們以往的S波反射很弱、深部難以應用的慣性思維模式。另外，從圖10的塔里木托甫臺三分量VSP地震PP、PS波成像剖面也可以看出，井中多波的使用不僅僅有利于深層的精細成像，多波聯(lián)合解釋、反演能降低多解性無疑十分值得期待[83-84]。而塔里木盆地寒武系超深層油氣勘探的突破，使得深層內(nèi)生巖溶及其與構(gòu)造和裂縫的關系研究成為以后面臨的主要課題之一[85]，這也必將需要多分量地震勘探技術(shù)。

圖9 塔河沙48井區(qū)三維三分量地震PP波(a)、PSV波(b)、PSH波(c)疊前時間偏移剖面

圖10 托甫臺三分量VSP地震PP(a)、PS(b)波成像剖面對比

3.2 深海四分量數(shù)據(jù)成像

四分量地震觀測已在海域廣泛使用。在開闊、海底相對平坦的淺海海域四分量OBC技術(shù)已經(jīng)得到了較好的應用[86]。除氣泡效應、鬼波和海底鳴震壓制外，陸檢的三分量地震技術(shù)基本可以適用于OBC數(shù)據(jù)的處理。但目前國內(nèi)外海域地震勘探面臨的更多、更復雜的任務是，在海水深度大幅度變化的深海海域?qū)嵤┧姆至康腛BN和OBS探測[87]。例如，在東方地球物理公司中標的沙特紅海三維OBN勘探中，檢波器的布設范圍跨越了海拔十幾米的島礁直至水下一千八百多米的深海海域，地形變化劇烈。此時多分量地震數(shù)據(jù)處理的難點除X、Y分量上鬼波、氣泡、洋流和海底鳴震壓制外，還有如何兼顧海底地形和深層結(jié)構(gòu)的高精度PS波成像。

設置參數(shù)如表1所示的四層海上地震模型，其中海底為起伏界面 (圖11)。對該模型進行簡單的射線追蹤，即可以說明起伏的海底地形將產(chǎn)生下行P波及其反射P波的盲區(qū)，并進一步影響海底下伏簡單水平界面的PP波與PS波反射照明度。

表1 海上地震模型參數(shù)

對于這種起伏海底界面模型，不論拖纜還是OBN觀測，即使使用了準確的模型速度，成像剖面均也會存在由于照明不均而產(chǎn)生的橫向能量差異(圖12)?？梢酝茰y，當海底界面以下地層界面也是劇烈起伏變化時，即使加密炮點，成像的橫向連續(xù)性也會較差；從而導致后續(xù)利用振幅信息的反演技術(shù)失去了數(shù)據(jù)保幅的應用前提。

以中國南海神狐海域OBS勘探為例，劇烈起伏的海底使常規(guī)的陸上靜校正處理技術(shù)難以直接用到深海地震數(shù)據(jù)的處理中；雙基準面的靜校正和鏡像成像方法對于PS波并不適用。圖13為鏡像成像的時間偏移結(jié)果，顯然，PP波與PS波對起伏的海底和地下界面成像效果均很差，深層結(jié)構(gòu)成像困難，鏡像法不適用于大起伏深海多波數(shù)據(jù)的偏移[88]。因此，除發(fā)展多次波成像技術(shù)[89]外，研發(fā)深度域、基于共檢波點道集的深海多分量成像技術(shù)是目前該領域面臨的主要任務之一[90]。

圖11 海底起伏地震模型

圖12 起伏海底模型不同地震數(shù)據(jù)的時間偏移結(jié)果

圖13 南海神狐海域OBS工區(qū)PP下行波成像剖面(a)及PS波成像剖面(b)

此外，深海OBS觀測還具有炮點密集、OBS站點稀疏的特點。除造成了覆蓋次數(shù)分布不均勻、炮點道集成像困難，需要對數(shù)據(jù)進行插值和波場規(guī)則化重建，以消除稀疏采樣和洋流的影響。盡管目前的波場重建技術(shù)針對單分量P波是有效的，對于PS波數(shù)據(jù)也曾有高維插值技術(shù)的嘗試[36]，但多波聯(lián)合反演和多波屬性的應用需要保護動力學特征，因此兼顧矢量特征保持的高維插值技術(shù)是必需的，而不是簡單的單個分量分別處理[91]。

4 結(jié)論與展望

總結(jié)地震各向異性理論研究與多分量地震勘探技術(shù)應用中存在的一系列問題，從常規(guī)與非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的角度，可以獲得如下的認識。

(1)相對于發(fā)展成熟的地震各向同性彈性介質(zhì)理論，各向異性理論研究仍需進一步深化。這不僅表現(xiàn)在現(xiàn)存的Schoenberg、Hudson、Thomsen、Chapman理論以及長波長VTI近似理論仍需要不斷地進行物理與數(shù)值模擬以檢驗、修正和完善； 對于中國更為復雜的多組多尺度裂縫型儲層、薄互層、強各向異性頁巖和煤系地層的高精度刻畫，這些理論還需要不斷的發(fā)展。其中急需攻關解決的問題包括：

1)針對強各向異性介質(zhì)，在Daley等[92]的相速度公式基礎上詳細討論各向異性強弱所引起的Thomsen理論的低階近似誤差[44]，給該理論的實際應用提供一個適用范圍，是目前該理論在油氣地震勘探領域廣泛應用的一個重要前提；在此基礎上再進一步發(fā)展適用于強各向異性介質(zhì)成像的理論、方法是當務之急；

2)從更具有一般性的單斜介質(zhì)模型的物理與數(shù)值波場模擬入手，從理論上厘定多組裂縫同時存在時會對S波分裂產(chǎn)生的串擾影響，是客觀評價S波分裂分析預測裂縫技術(shù)可信度的必要條件。在此基礎上，充分利用井中多分量觀測，發(fā)展頻率域S波分裂分析技術(shù)是實現(xiàn)多組多尺度裂縫預測的可行方案；

3)盡管弱化薄互層頂?shù)椎膹姺瓷淦帘慰梢韵鄬ν癸@薄互層的內(nèi)幕反射，但由于薄互層沉積所引起的地震相與沉積相并非一一對應的單調(diào)函數(shù)關系，在薄互層“白反射”的背景下，若不提高地震分辨率，除了VTI近似反演可以對互層結(jié)構(gòu)和總的砂體含量比進行預測，力圖反演其中隱藏的某個或某幾組砂體，理論上是無解的。目前薄互層地震反演結(jié)果與實際鉆孔揭示難以匹配也從應用層面佐證了這一認識。

(2)反射地震理論最基本的模型是建立在阻抗差界面的存在以及應力—位移連續(xù)性條件的基礎上，用于處理厚層的地震反射是合理的；但用于中國陸相油氣儲層刻畫時，薄層及其橫向相變都可能使阻抗差界面反射理論以及建立在此基礎上的Rüger各向異性P波分析理論產(chǎn)生較大的誤差。因此，從陸相沉積模型的物理模擬和數(shù)值模擬出發(fā)，通過寬方位的觀測模擬與各向異性分析，需要厘定： ①薄層調(diào)諧效應影響下，垂直裂縫是否足以引起明顯的地震反射P波速度和振幅異常？②薄互層與垂直裂縫疊加所形成的正交各向異性介質(zhì)條件下，地面寬方位地震P波的速度與反射振幅及其變化率的方位各向異性是否只是由裂縫引起，與陸相沉積的層厚、相變是否有關？這些是應用Rüger理論進行P波各向異性分析的前提；也只有如此，P波各向異性分析才能與S波分裂分析表現(xiàn)出合理的異同。

(3)盡管多分量地震觀測在陸地和井中VSP，以及海洋地震探測中都獲得了廣泛的應用，但顯然針對X、Y分量的處理技術(shù)，尤其是保矢量特征的處理技術(shù)的發(fā)展剛剛起步。與P波資料處理相比，PS波資料的處理，在波場重建、寬方位OVT處理以及時間和深度域偏移成像等諸多方面仍存許多不足。多分量地震配套處理技術(shù)的缺乏，使得“兩寬一高”的地震數(shù)據(jù)采集目前只能停留在單分量P波觀測，大量的非走時的動力學信息和特征的發(fā)掘技術(shù)缺失，或數(shù)據(jù)處理質(zhì)量難以保證，使得采集數(shù)據(jù)中蘊含的大量信息未能得到充分挖掘。因此，除從地震數(shù)據(jù)處理、解釋、反演系統(tǒng)的基本架構(gòu)上重新研發(fā)針對多分量地震數(shù)據(jù)的矢量處理與解釋反演系統(tǒng)外，盡快研發(fā)基于三分量的矢量波場高維插值技術(shù)以及聯(lián)合Z、R、T分量的OVT道集疊加技術(shù)，針對劇烈起伏海底界面的深度域偏移成像技術(shù)等，是推動多分量地震勘探技術(shù)應用，解決深層油氣勘探開發(fā)難題，大幅度提高油氣勘探開發(fā)效益的關鍵措施。

感謝本研究團隊的楊宇勇博士、李棟青博士生為本文圖件的準備和清繪做了大量細致的工作，感謝廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、淮南礦業(yè)集團公司和中國石油化工股份有限公司許可部分資料的公開發(fā)表。