页岩气地震勘探技术中的多波多分量技术

1.横波分裂技术

当地震波通过各向异性介质（如裂缝）时，横波会发生分裂现象，导致横波分裂成具有不同速度的两个波，即一个快波和一个慢波。快横波质点振动方向与裂缝方向平行，慢横波质点振动方向与裂缝方向垂直。通过识别快慢横波传播方向可准确确定裂缝走向，而且快慢横波时差可指示裂缝密度。快慢横波传播时差与裂缝相对发育程度有关，时差越大，裂缝相对越发育（如图5—51所示）。理论和实践证明，单层模型情况下横波分裂参数（快波偏振和快、慢波时差）与裂缝发育方向和裂缝发育强度有一一对应的关系。只要找出快横波的方向，就能准确预测裂缝发育的走向；测量出快、慢横波的层间时差，就能够识别出裂缝发育的强度。Naville（1986）和Garotta（1988）分别用旋转扫描和径向—横向能量比法识别快、慢横波，并用快、慢横波的时间差（垂直传播速度）表示了裂隙密度，快横波偏振方向指示裂缝的方位。WesternGeco公司提出了一些新方法，如超道集分析、共偏移距环分析、2C—2C转换波Alford旋转分析等。上覆地层各向异性对目标层的转换波处理影响很大，可以通过Alford旋转和剥层分析法消除。最近，人们提出了一些对横波分裂敏感的属性（剩余非对角线2C—2C振幅和快、慢横波等时线差）。张明等（2007）利用横波双折射现象，采用最小熵值旋转法、正交基旋转法、全局寻优法等方法对裂缝走向、密度进行了预测。横波分裂裂缝检测能够较为精确、有效地预测裂缝，然而横波勘探成本昂贵，横波地震资料的信噪比较低，导致该方法至今未得到广泛应用。而且横波分裂法只能检测垂直裂隙的方位和密度，对裂隙中所含的流体类型不敏感。

图5—51　（a）横波分裂示意图；（b）快、慢横波地震剖面（TomBratton等，2006）

多分量（3C，3D—3C，9C）资料的反射P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征很敏感，利用横波数据可进行非常规天然气储层各向异性的检测和估计裂隙延伸方向、密度及其横向延伸范围。

利用各向异性奇异点的出现可判别页岩中的裂缝含水或气体特性。俄克拉荷马大学的Dileep K.Tiwary等（2008）利用各向异性研究了Huron页岩中充水、充气裂缝的横波特性，模拟结果说明，奇异点的出现与否可以用来判别页岩中的裂缝是水充填还是气充填的。(www.xing528.com)

2.P-S转换波技术

S波数据用于探测地质体各向异性和估计裂隙延伸方向、密度及其横向延伸范围等方面的作用明显，其实际效果取决于地震数据的质量。考虑经济因素，可用P—S转换波（三分量）替代全弹性波场（九分量）来推导S波特性。但由于动态转换点引起叠合的不定性，使得转换波的应用比非转换波更为麻烦，尤其在横向和垂向速度变化的情况下更是如此。

20世纪80年代以来，随着各向异性研究的深入，特别是横波分裂现象的发现和多分量地震检波器的研制成功，使得应用多分量转换波研究裂缝成为可能。横波勘探由于受采集成本和技术条件的限制，进展缓慢；而转换波地震勘探技术（多波勘探）克服了纯横波勘探激发难、成本高、静校正量大等缺点，同时具有所得信息多、兼有纵横波的长处、信噪比较高、频带较宽、勘探深度较大，以及可利用纵波和转换横波资料联合检测裂缝等优点，而且其处理解释方面技术发展较快，使得多分量转换波勘探成为油气储层探测的有力工具，也使从多分量转换波资料中确定裂缝的方向和密度成为地震勘探的重要目标之一。Ata和Michelena（1995）给出了在委内瑞拉通过星型布置的3条三分量地震测线进行裂缝检测的应用实例。Van Dok等（1997）和Gaiser（1999）给出了风河盆地3C—3D地震勘探的实例。2000年之后，利用多分量转换波进行各向异性研究和裂缝密度及方位检测的实例报道也日渐增多。

在处理多分量资料时，如何判别快、慢横波是否完全分离是多分量裂缝预测的关键。其中比较有代表性的方法包括最小熵旋转法、正交基旋转法及全局寻优法。Gabriela和Richard（2000）提出的最小熵旋转法，无须互相关法中快、慢波波型相似这一假设条件，就可以对快、慢横波的方向作出评估。用最小熵旋转法计算的裂缝走向较为准确，尤其是快慢波时差较大的情况下。然而，如果快慢波时差较小，该方法受干涉的影响，精度降低。黄中玉和赵金洲（2004）提出了一种正交基旋转的方法。该方法是在假设快、慢横波为正交偏振的基础上，推导出野外采集系统坐标与自然坐标之间夹角的解析关系式，从而实现快、慢横波分离，估算地层裂缝发育方位，实现裂缝检测的目的。理论模型测试表明，该方法具有较高的准确性与可靠性，但受资料的信噪比影响较大。如果地下有多层各向异性介质，且方位角各不相同，则快、慢波分离过程要复杂得多。Dariu（2005）把全局寻优法中的模拟退火技术引入到裂缝探测工作当中，研制了一种自动逐层估算极化方向和快、慢波时间延迟技术。

转换波裂缝检测常用的方法有相对时差梯度法和层剥离法。相对时差梯度法是一种在数据体上计算裂缝发育方位和密度的方法，其步骤为：首先分时窗扫描裂缝发育方向；然后将各方位的径向分量和横向分量数据旋转到裂缝方向上得到快、慢波数据体；最后计算快、慢波的时差数据体，并计算其梯度以获得反映裂缝发育密度的相对时差梯度数据体，用以检测裂缝在空间上的发育情况。层剥离法是一种沿层位进行检测的方法，其步骤为：首先沿目的层顶面计算裂缝发育方位和密度，并通过时间补偿和旋转分析，消除掉上覆地层各向异性的影响；然后在目的层底界面分析裂缝发育方位和密度，以获得某一特定勘探目的层的裂缝发育方位和密度。

转换波资料，由于其传播路径的非对称性，使得转换点位置的计算成为资料处理中的一个关键问题。Aki和Richards（1980）、阴可和杨慧珠（1996）、陈天胜等（2005）推导了P—SV波反射系数的近似公式。郭向宇等（2002）研究了PS转换波共转换点的几种计算方法及实际应用。Thomsen（1999）提出多层介质条件下的共转换点计算公式，其假设前提与实际情况更为接近，对横纵波速度比定义更为精细，对共转换点计算的近似解精度明显提高，转换波的共转换点叠加效果明显改善。此外，由于P—SV波射线路径的不对称性，资料处理不能采用共中心点叠加技术，而是共反射点叠加；其静校正包括P波的炮点静校正量和S波的检波点静校正量等。Levine（1999）研究如何从P波和PS波数据中提取S波速度，并给出了具体步骤。刘洋和魏修成（2006）建立了三维三分量地震资料处理流程，对实际地震资料进行了处理，得到较高质量的三维转换波处理结果。张晓斌等（2003）根据上行转换横波穿过裂隙介质时产生的分裂特征来研究裂隙特征，采用旋转分析法识别出裂缝的方位，并借助NMO速度分析、纵横波垂直速度分析及快慢横波时差分析成功计算了裂缝密度。