各向异性裂缝预测(石油勘探)

各向异性裂缝预测(石油勘探)

物探技术资料

2015年11月-2016年11月

Wild Boar

前言

常规地震勘探中，地下介质总是被假设为各向同性介质，几乎所有的地震采集、处理和解释软件认定的介质模型都是各向同性介质。例如地震资料处理中，地表高程静校正使用的近地表速度模型为常速度，是各向同性的；正常时差校正(NMO)，考虑的均方根速度场是随着深度的增加而增加的层状速度场，也就是说在同一个地层内的速度与地震波的传播路径无关，这样简化了时距曲线，同时确认了层内的介质速度是各向同性的；偏移和时深转换都没有考虑地震波沿着射线路径发生变化的过程。可以说石油勘探目前使用的各种基础理论都是建立在各向同性介质上的，包括高程校正、剩余静校正、时距曲线方程、NMO、波动方程等等。

人们很早就观察到了介质的各向异性现象，从19世纪50年代，各向异性的研究形成了一些最基础的理论，这些理论主要是从数学的角度分析介质的属性，物理意义不是很明确，更不用说具体的行业应用了。此后，多名地震勘探专业的数学家不断完善、扩充基础理论，先后发现了横波分裂现象；提出了各向异性的EDA模型，证实了横波分裂现象的存在性和裂隙引起的各向异性现象；最终Thomsen通过分析弹性系数给出了一套Thomsen各向异性参数，并于1995年提出了裂隙理论，分析了波在VTI介质中的传播特征。可见，这套理论是数学理论+基础物理学+专业应用的产物，经历了约150年的发展历史，大约在老佛爷入宫那年老外就研究基础理论了，而那时中华帝国还沉浸在天朝四大发明的往事中。相对于其它地震理论，各向异性的应用为什么如此滞后呢？俺认为主要是工业需求问题，既然常规的地震勘探理论和商业应用已经能满足绝大部分油气勘探的要求了，为什么还研究应用面狭窄、商业实现复杂、使用疗效未明的各向异性问题？理论发展来源于商业需求，如同没有买卖就没有杀戮一样。

那么，现在为什么在石油勘探领域开始注重各向异性研究了呢？主要有以下几个原因，首先是现有的计算机处理能力可以满足研究需求，全方位角大数据地震采集技术提供的海量数据中含有各向异性信息，这是各向异性研究的物质基础；其次，现在石油物探已经从粗糙的宏观介质属性研究转向了微观岩石物理结构的研究，需要揭示储层的成分、物理结构等特征，具体商业需求若此，特别是通过地震数据研究储层裂隙分布急需可靠的商业应用；最后，各向异性研究的理论基础已经完备，只需把数学物理公式转译为计算机算法，然后在软件上实现即可。因此现在各向异性的研究已经万事俱备了，就差抄一抄老外的文章就可以发表论文了。

虽然介质的各向异性被证实是普遍存在的，但实际的商业化地震资料处理、解释依旧还是应用各向同性地震波传播理论。目前对于地震各向异性的研究，是以薄互层与裂隙作为产生各项异性的基础，通过含油气层的裂隙所引起的岩层各向异性研究，可以得到岩层中裂隙的密度和其分布信息，为油气勘探提供储层情况资料；对薄互层的各向异性研究，可以对薄互层的位置、分布、以及物性进行预测。现在老衲知道的商用的各向异性分析软件只有CGG地震数据处理软件下的各向异性因子扫描模块，还没有形成完整的分析处理系统。

各向异性在石油勘探领域理论研究虽然已经比较成熟了，但市场需求始终制约着资本家在此类软件方面的投资，有些技术是通过市场需求和投资之间博弈后产生的。总之，各向异性成为标准地震勘探处理软件还需要很长的路。

1.各向同性和各向异性介质简介

各项同性指物体的物理、化学方面的性质不会因测量方向的不同而有所变化的特性，既某一物体的

沿着不同的方向所测得的物理参数值大小完全相同，又称为均质性。也可以说成物理性质不随量度方向变化，例如纯水和黄金的密度。试想一下，如果同样纯度的黄金的密度不一样，银行发行的纪念金币岂不是每块的价格都不一样。现实生活中，我们多数时候把各种物品的看成各向同性的，买西瓜时，一般人的理

解是花的钱越多、买的西瓜就越大，隐含的理解则是不同大小的西瓜密度是一致的，瓜皮和瓜瓤没有区别，它们都是各项同性材料构成的；同样你在买猪肉时肯定也没想过同样的重量，那家的肉密度小些、体积大点，除非你真的测出了低密度猪肉口感好些。所以宏观的现实世界中，人们一般认为同样材料构成的物品都是个性同性的。

当材料的尺度缩小到微观世界，由于在不同方向构成其结构的分子、原子数目是不同的，很多材料则呈现出了各向异性特征。

各向异性是指晶体沿着晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。这里的各向异性特别说明为“晶体”，可见这一概念来源于微观世界，在宏观测量上很多介质则难以表现出各向异性的。

关于各向异性的意义在不同领域中也是不同的，通常来说，在相同位置测量时，当测量方向变化时若介质的物理量也是变化的，则该介质就被称为各向异性介质，如地震波速的各向异性是地震波速度随测量方向的变化而变化。在地球物理学的领域，一般均匀介质的传播特性是随方向变化而变化的，但对于非均匀的各向异性介质，波的传播特征是另外一种特征。

在地震勘探中，各向异性指的是由于偏振方向的变化，波在介质中传播时引起物理性质的数值的变化。如速度、振幅、频率等地球物理参数的变化。目前地层的速度各向异性为实际的地震勘探中主要的各向异性。所以地震勘探的各向异性核心是角度对地震波速度的影响。

例如上图所示的一种质点均匀分布的材料，测定其中心A 点密度，这时从水平y 轴方向测量的密度都是相同的，因为这两个方向质点的数目都是5个；而沿着图示L 线方向只有1个质点，密度变为正方向的了。所以密度的测量结果与测量方向直接关联，呈现出各向异性，粗俗的解释为各个方向都存在差异的特性。这玩意有点相对论的味道，观测结果不仅与观测对象有关，而且依赖于观测者所处的观察位置。

各向同性和各向异性的根本区别是在于“各向”二字，在同一个物理点，各向异性测定的某一物理

属性是空间方向的多值函数，各向同性测量结果则是一个标量，与方向无关。各种气体、液体和非晶态固

体中，原子排布是混乱的，因此在各个方向上的统计结果是相同的，所以是各向同性介质。大多数情况下，生活中常见的材料都属于各向同性介质。但如果你是一个土豪，购买宝石如同菜市场上买白菜一样，这时就不得不考虑各向异性这样高深的问题了。宝石绝大多数都是某种矿物的单晶体，如钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、猫眼、碧玺等，大多数单晶体都是各向异性的，特别表现在光学特性上，在暧昧的灯光照射下，宝石色彩纷呈，不同位置的观众看着有不同的感受，的确能提高身价，总比镶一颗大金牙，四面八方看起来都是黄橙橙的一个色彩档次要威猛一些。而玉石则是单一矿物或多种矿物晶体的集合体，多表现为各向同性，对着光源观察玉器的透光性，不同位置和角度也可以色彩纷呈，实质上是由于玉石内含有多种矿物晶体的比例不同造成的，不纯而已，也与光线穿过玉器不同部位的厚度有关，传播路径引起的差异也是直接原因。注意钻石是各向同性的物质，其流光溢彩的表现在于切割工艺。多晶体是由多个单晶体所组成，由于组成它的单晶体在空间上是随机分布的，所以其物理性质在不同方向上的统计效应是相同的，表现为各向同性。

不过俺本人认为各向同性是宏观角度考察物性，各向异性是从微观角度观察目标，只要观测工具足够小，小到可以测量分子的级别，任何介质都是各向异性材料构成的。各向同性和各向异性是材料自身的固有属性，与材料的尺寸大小，内部原子排列结构和相互作用的密切相关。材料的物理属性很多，例如密度、电阻率、导热率等等，各向异性和各项同性不是一个孤立的物理属性，它是用来修饰基础的物理属性的，例如金属密度的各向同性、半导体在不同方向上导电性的各向异性、晶体的应变的各向异性等等。所以脱离了具体的物理特性描述，各向异性和各向同性没有实际意义。在日常生活中，大家讨论材料的各向同性属性都隐含一个假设：材料的体积无限大。这种情况下讲木材、沙子、钢铁或者黄金白银的密度当然都是各向同性的，才有实际意义。估计把任何材料切割成纳米级别，各向异性都不是问题。

研究各向同性材料的结构信息，只需要从整个材料上切割很小的一部分即可查明整个材料的属性，

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