多波多分量地震勘探技术研究进展_马昭军

文章编号:1671-8585(2010)04-0247 -07
收稿日期:2010-04-29;改回日期:2010-06-03。

第一作者简介:马昭军(1978)),男,2005年毕业于中国石油大学(北京)地球探测与信息技术专业,获硕士学位,主要从事多波多分量地震资料处理及各向异性研究工作。

基金项目:国家科技攻关项目(2008ZX05000)资助。

多波多分量地震勘探技术研究进展
马昭军,唐建明,徐天吉
(中国石油化工股份有限公司西南油气分公司勘探开发研究院德阳分院,四川德阳618000)
摘要:随着采集设备的发展以及采集技术的提高,多波多分量采集成本大大降低,在当前的油气勘探中的应用呈现上升趋势。

与此同时,其技术和实际应用研究也得到了迅速发展,并逐渐进入工业化生产。

回顾了多波多分量地震勘探的发展历程,总结了国内外多波多分量研究进展。

详细论述了多波多分量应用研究进展,包括多波多分量地震数据采集、数据处理、资料解释和成果综合运用。

分析了多波多分量地震勘探技术在实际应用中存在的问题,展望了今后多波多分量地震勘探的发展趋势。

关键词:多波多分量;数据处理;解释;联合反演;各向异性中图分类号:P631.4
文献标识码:A
多波多分量地震勘探是进行岩性油气藏和隐蔽油气藏勘探的一种非常有潜力的方法。

利用多波多分量的运动学(走时、速度、结构、相似性等)和动力学(振幅、频率、相位、吸收、衰减、频散、方位各
向异性等)特征,以及纵横波之间的时差比、振幅比、速度比,就可以对储层展布、储集参数分布特征、裂缝发育程度、含气性及流体性质等进行全面的刻划,最大限度地消除利用单纯纵波进行地震勘探的非唯一性,提高复杂隐蔽性、非均质气藏勘探开发的成功率。

多波多分量地震勘探技术在石油天然气勘探中的应用始于20世纪70年代,已有近40年历史,经历了横波勘探、九分量地震勘探、多波多分量勘探、海上三维四分量(3D4C)勘探和陆上三维三分量(3D3C)勘探5个发展阶段。

与此同时,多波多分量的理论和技术研究上也取得了长足的进步,多波多分量地震勘探技术在海上的油气勘探中已经取得了良好的效果[1,2]。

目前,工业化应用的陆上多波多分量采集、处理、解释一体化技术正在逐步形成并完善。

可以预测,多波多分量地震勘探技术在21世纪将掀起一个地震勘探新浪潮,是自三维地震勘探技术以来的又一次技术革命[3]。

1 多波多分量地震勘探技术发展历程
1828年泊松从弹性体运动方程中推证横波,1897年Oldham 在天然地震信号中证实了横波的存在,1911年Lo ve 提出另一类Love 波,多波地震勘探逐渐被人们重视[4]。

在过去的几十年里,多波
多分量地震方法经历了横波勘探、转换波勘探和多波多分量地震勘探3个发展阶段。

20世纪30年代,前苏联首先进行了P -SV 波的研究,在这方面贝尔宗和她的学生作出了重大贡献,贝尔宗著有5地震反射转换波6一书,并于70年代将转换波用于石油勘探。

转换波的处理比较复杂,前苏联在20世纪80年代初提出了非对称观测系统以解决共反射点叠加问题。

1985年普济廖夫等编著了5横波和转换波的地震勘探方法6一书,这是一本全面阐述横波和转换波勘探的专著,它标志着前苏联的多波多分量勘探已基本进入应用阶段
[5]。

美国和西欧国家对横波的研究较前苏联晚
一些,比较有意义的工作从20世纪70年代初开始。

由于想用地震勘探直接寻找含油气异常,美国、法国和西德纷纷开展了对横波的研究,做了许多试验,取得了一定的勘探效果。

此后,多波地震勘探开始进入试验生产阶段,这一阶段利用多波的主要目的是想解决岩性油气藏的勘探开发问题,例如联合应用纵横波资料获取地下岩性参数、预测岩性和识别真假亮点等。

从20世纪80年代初开始,开展了大量的多波多分量勘探工作,但多波多分量勘探并未能得到广泛的推广应用[6],主要是由于多波勘探的成本太高,而且多波多分量资料采集、处理和解释中的许多问题也没有得到较好的解决,特别是以AVO 为基础的纵波油气检测方法出现后,人们便/放弃0了对多波的研究。

20世纪90年代中期,随着海底多分量电缆接收系统(OBC)的出现,发展了海上多波勘探技术。

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第33卷第4期2010年8月
勘探地球物理进展
P ro gr ess in Ex plor ation Geo phy sics
V o l.33,N o.4A ug.,2010
2000年SEG(美国勘探地球物理学家协会)和EA-GE(欧洲地质学家与工程师学会)联合举办了多波技术研讨会。

这次会议对多波多分量技术在油气勘探中的作用、存在的问题、应用情况和发展趋势做了详细的总结。

在采集、处理和解释方面提出了进一步研究和发展的方向。

对利用井中地震、测井、岩心和其他地质及生产信息为多波多分量处理解释提供实质性帮助的重要性形成了共识。

在这次会议上,国内外许多专家也逐渐认识到了开展多波多分量勘探面临的机遇和挑战。

从2000年以来,陆上多波多分量勘探逐渐兴起。

2005年,EAGE和SEG联合召开了第二届多波研讨会。

研讨会上,在数据采集方面集中讨论了微电机系统(micr o-electronic-mechanica-l sy stem 简称M EMS)检波器的应用技术[7]、矢量保真度技术和3D多分量采集技术[8];在多分量处理方面主要是叠前去噪方法、各向异性介质中转换波运动学特征和转换波偏移成像技术等[9]。

另一个讨论重点是如何利用多波多分量资料解释储层描述中的地质问题,如介质的各向异性研究、裂缝方位检测技术、弹性波反演岩石物性参数、砂岩储层描述等。

由于转换波勘探可同时获得反映岩石骨架和各向异性特性的转换波资料及反映骨架及流体特性的纵波资料,兼备了纵波勘探和转换波勘探的优势,且转换波勘探在采集成本方面虽稍高于纵波勘探,但远低于纯横波勘探,因此,目前较为实用的多波多分量勘探通常指纵波激发,同时接收纵波和转换波信息的地震勘探,有时又称为转换波勘探。

2多波多分量勘探技术应用研究进展
近年来,随着采集装备的改进和采集技术水平的提高,转换波勘探在全球油气勘探中的地位呈现上升趋势,其技术研究和实际应用也取得了长足的进展。

英国地质调查局各向异性项目组(EAP)对多波多分量地震勘探技术的理论和实际应用进行了深入的研究,取得了大量理论研究成果[10~13]。

加拿大卡尔加里大学的CREWES研究小组近20年来一直在进行纵横波联合解释、纵横波联合反演的研究,取得了大量的研究成果,并在实际应用中取得了较好的效果[14~17]。

国外大的石油公司和地球物理服务公司在陆上多波多分量地震勘探方面也做了许多工作,具有代表性的地球物理服务公司有ION公司、CGGV eritas公司、WesternGeco公司等。

目前,国外多波多分量地震勘探在岩性预测、构造成像改善、油藏监测、裂缝检测等方面的试验和研究取得了很大进展。

国内的一些研究机构及大学也开展了多波多分量地震勘探的技术研究与实践,并取得了一定的成果;各大油气田(如四川、大庆、胜利、长庆等)纷纷开展了转换波勘探工作,一些油气田的勘探程度已接近实现工业化生产的规模。

2.1多波多分量地震数据采集
我国多波多分量油气勘探工作起步较晚,始于/六五0期间。

1980年,四川石油管理局在川中遂宁地区,开展了横波试验,采用三排井对称激发的方式获取水平极化横波,研究了一套横波处理程序,并进行了纵横波资料的联合解释[18]。

1981年,地矿部石油海洋地质局南京石油物探研究大队在江苏最早开展了多波勘探的采集工作,并最早得到了转换波资料。

1985年,石油工业部物探局利用引进的横波可控震源,在河南、内蒙等地区进行了水平极化横波资料采集的野外试验。

/七五0期间,国内进行了转换波地震勘探技术的研究工作。

武汉地质学院、石油大学、成都地质学院、长春地质学院、中国科学院地球物理研究所、地矿部石油海洋局、西南石油局等单位,在多波多分量资料的采集、处理、解释实践中,不断地修正、改进,逐渐完善这一方法技术的研究。

到/八五0结束时,中国科学院地球物理研究所做了多个区块的单分量转换波勘探实验。

/九五0期间,大庆、塔里木、辽河等油区都做了2D3C地震勘探的野外采集,以及室内的资料处理解释试验研究。

1997年,煤田地质局同美国德士古公司合作,在已知的煤层气富集区开展了2D3C的地震勘探研究。

1998)2001年,地球物理研究所在河北、淮南及河南的煤矿进行了3D2C及3D3C的地震勘探研究,胜利油田在泥岩裂缝发育的罗42井区试验了2D3C地震勘探。

21世纪初,I/O(现ION)和CGG(现CGG-Ver itas)等地球物理服务公司研发出了MEM S数字三分量检波器。

该数字检波器代替了传统的模拟检波器,提高了陆上多波多分量资料的信号保真度、分量隔离度,保证了分量一致性、信噪比和分辨率,同时也极大地降低了陆上多波多分量勘探成本,带动了陆上多波勘探技术的迅速发展。

2002年,中石化中原油田和I/O公司利用SystemÔ仪器和V ectorseis TM数字三分量检波器首次在中国陆地油气田采集了2D3C资料。

2003年,中石油在长庆苏里格气田利用相同的仪器采集了中国陆
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地油气勘探的第一块3D3C资料。

2004年,中石化西南分公司在新场气田开展了当时全球较大的一块陆地宽方位转换波3D3C地震勘探项目[19]。

2005年中石化在胜利油田利用CGG Sercel DSU3在垦71地区进行了3D3C勘探试验。

随后,中石油西南油气田分公司、中石化西北分公司、中石油辽河油田,中石化中原油田、勘探南方分公司、中石油大庆油田等先后开展了2D3C或3D3C勘探试验。

2008年和2009年中石化西南分公司利用ION公司的Scor pionVC仪器和Vecto rseis TM数字三分量检波器分别在川西合兴场-高庙子和孝泉地区实施了全方位3D3C地震勘探工业化生产项目。

由于纵横波的差异,多波多分量地震数据采集既要满足转换波勘探的要求,同时也要求兼顾纵横波联合勘探的优势,由此设计合理的多波多分量观测系统是关键。

在多波多分量采集观测系统设计中,采集参数论证以及设计满足地质任务要求的观测系统模板是核心。

近几年来,对转换波勘探的观测系统设计研究越来越多[20~24],主要包括:面元大小、最小炮检距、最大炮检距、接收点距、接收线距、炮点距、炮线距、ACCP(渐进共转换点)覆盖次数、炮间距分布、炮点和接收点的位置关系等。

由于在岩性勘探、裂隙勘探和流体识别等方面的独特优势,结合宽方位(或全方位)纵波和转换波特点的宽方位(或全方位)3D3C地震勘探逐渐被采用。

在设计宽方位3D3C采集观测系统时,还需要考虑方位角特性、方位角的覆盖次数分布及其方位角面元特性。

总之,最近几年国内多波多波分量勘探已取得了长足的进步,各大油田都展开了多波多分量地震勘探方法的研究。

目前都采用了先进的数字三分量采集系统和转换波采集技术,资料品质有了显著提高,为多波多分量资料处理和解释打下了良好的基础。

2.2多波多分量数据处理
由于转换波传播路径的特殊性,共转换点轨迹呈倾向检波点方向的不对称分布,转换波需要采取不同于P波的处理技术。

近年来,转换波静校正、转换波CCP(共转换点)道集选排、转换波速度分析、转换波叠前时间偏移等处理方面的研究取得了明显的进展,一些技术已经达到了进行工业化应用的水平。

2.2.1转换波静校正
由于横波的低速带比潜水面深且起伏变化较大,在地表浅层横波速度又小于纵波速度,这就导致了P-SV波静校正量大,且道与道之间时差变化剧烈。

P-SV波静校正一直是多分量处理的难题,许多学者进行了大量的研究,形成了横波静校正的不同思路及其解决方法。

Schafter[25]提出了基于转换折射横波初至的转换波静校正方法。

Cary 等[26]提出了依据有效反射波共检波点叠加互相关来求取P-SV波静校正量的转换波静校正方法。

依据纵波构造相控制的转换波长波长静校正方法以及利用面波进行速度反演的转换波静校正方法也是常用的方法[27]。

研究表明,利用一种转换波静校正方法处理某一地区的转换波资料时可能存在一定的不足。

根据工区地表特点,选择合适的静校正方法以及多种静校正、剩余静校正方法相结合的方式,是解决转换波静校正问题的较好途径[28]。

2.2.2CCP(共转换点)道集选排[29~33]
与纵波共中心点(CM P)不同,转换波的转换点位置是偏移距、界面深度、速度比和倾角的函数。

转换波在最浅层的转换点最靠近接收点,随着地层的加深,转换点逐渐向中心点靠近。

对于转换波的转换点求取问题,不少学者进行了较深入的研究,到目前为止,已经提出了渐进逼近道分类法、直射线路经近似道分类法、分层CCL(共转换线)选排法、DM O(倾角时差校正)法、依赖深度的映射法和基于模型的共转换点道集选排等方法。

把这些方法分两类进行说明。

第一类方法包括转换点渐进逼近道分类法、直射线路径近似道分类法和分层CCL选排方法,这类方法引入了一个与CMP道集概念相对应的CCP概念,并抽取CCP道集。

该类算法的过程是:先计算出目标反射层上的转换点的坐标,再把转换点落在反射界面上某一反射点上或该反射点附近的所有记录道选排在一起,组成一个共转换点道集。

该类方法的共同点是:只是对某一深度最为正确,都能在目标层聚焦成像,但在所选反射层的上下界面,反射界面的叠加成像可能会变得模糊。

分层CCL选排方法能够使不同深度的转换波均能达到较好的聚焦效果,但需要在不同层之间进行道集拼接,实际操作比较困难。

第二类方法包括DMO方法、依赖深度的映射法和基于模型的共转换点道集选排方法,该类方法没有采用传统的抽取CCP道集的做法,而是通过对记录道的数据进行直接处理,消除正常时差及转换点的侧向位移,以达到实现正确成像的目的。

2.2.3转换波速度分析及动校正
由于下行纵波和上行横波的不对称路径,转换
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第4期马昭军等1多波多分量地震勘探技术研究进展
波时距曲线即使在小偏移距也不再是双曲线,在动校时必须考虑非双曲线动校。

转换波旅行时方程较早采用的是泰勒展开式,该方程能较好地进行参数估计,并把转换波处理脱离于纵波处理变为可能。

利用P波和S波速度来描述转换波时距曲线的DSR(双平方根)方程,对转换波的动校精度较高,但依赖于纵波速度。

在实际中,要提高转换波速度分析精度,必须要考虑VT I介质各向异性的影响。

地层的各向异性特征主要表现在大偏移距上,而转换波在中大偏移距才有较强的能量,因此,转换波动校方程必须要校平大偏移距同相轴。

Thom sen[34]在转换波时距曲线中引入各向异性参数,提高了速度分析精度。

但是Thom sen方程只是在x/z(偏移距/深度)<1的情况下能够完全校平转换波同相轴。

Li Xiang yang等[10~13]在Thom sen公式基础上引入了转换波各向异性参数并提出了改进公式,增加了x/z的动校正范围。

由于Li Xiangy ang转换波方程速度分析时只针对转换波进行,减小了纵波的影响,且该方程中只有4个参数,易于速度场的估计。

因此,该方程现被广泛用于转换波处理。

2.2.4转换波叠前时间偏移[35~38]
虽然实现转换波叠前时间偏移的发展历程不长,但是现在转换波已发展到各向同性和各向异性两种偏移方法。

转换波各向同性介质方法主要有:等效偏移距法(EOM)、虚拟偏移距法(POM)、共炮点记录叠前相移法等偏移方法。

转换波各向异性叠前时间偏移主要有:精确旅行时各向异性叠前时间偏移、各向异性双平方根方程叠前时间偏移、L-i XY改进双平方根方程叠前时间偏移等方法。

随着计算机技术的高速发展,转换波波动方程叠前时间偏移也逐渐被采用。

在解决了转换波处理的一些关键技术后,人们建立了早期的转换波资料处理基本流程,流程包括转换波静校正、抽CCP道集、速度分析、动校正、DM O、叠加和叠后偏移。

该处理流程在处理三维转换波资料时存在一些缺点[39],如CCP面元化时不易找准转换点的真实位置,DMO方法不能适应层间速度剧烈变化和大陡倾角情况等。

采用转换波叠前时间偏移方法能克服这些缺点,因为该方法不需要抽取CCP道集和进行DM O,能实现全空间三维转换波资料的准确成像。

在目前的转换波处理流程中,叠前时间偏移处理已经成为不可缺少的关键步骤。

2.2.5转换波各向异性和各向同性处理
由于利用宽方位大炮检距转换波3D3C地震勘探技术的目的是既要解决储层预测、岩性识别、流体识别等问题,同时又要求利用纵波和转换波的方位各向异性特征和转换横波分裂特征准确检测裂缝。

因此,为适应这两种完全不同的需求,宽方位转换波3D3C地震资料必须分为方位各向同性和方位各向异性进行处理。

1)方位各向同性处理。

方位各向同性处理的目的是尽可能保留方位各向异性特征,以利于纵波和横波方位各向异性研究及横波分裂研究。

因此方位各向同性处理要求将宽方位3D3C资料分为不同的方位扇区,对每个方位角扇区采用VT I(垂向各向同性)各向异性特征进行处理,保留方位扇区之间的速度、时间、振幅等的变化特征。

用不同方位的叠加成果或者偏移叠加成果研究各向异性并进行裂缝方位及密度检测。

2)方位各向异性处理。

方位各向异性处理的目的是尽可能消除不同方位的速度、时间、振幅等差异。

方位各向异性处理要求采用与方位有关的速度分析、动校正及振幅、频率和时差补偿技术,以获得全方位的同相轴拉平的叠前CMP道集或叠前偏移的CRP道集。

该道集可用于纵波AVO(振幅随偏移距变化)分析、转换波AVO分析、纵横波叠前联合反演等研究。

利用这些道集得到的全方位叠加剖面可用于纵横波构造解释、纵横波联合解释以及纵横波叠后联合反演等研究。

转换波处理是3D3C地震勘探能否取得成功的关键。

尽管国内外已有不少3D3C勘探项目,但是由于3D3C资料的特殊性和复杂性,以及目前处理软件和技术的不完善,陆上3D3C地震资料处理成果一直难以令人满意,技术瓶颈还较多。

特别是转换波静校正、转换波保持振幅处理、转换波方位各向异性处理、转换波叠前偏移成像处理、转换波提高分辨率处理、转换波极性及相位作校正处理、转换波分裂和校正处理等都需要进行不断的研究和完善。

2.3多波多分量资料解释
对多波多分量地震勘探资料的综合解释应用进行了大量的研究,具有标志性、权威性和系统性的综合应用实例却不多,尤其是陆上多波勘探方面,效果显著的实例更少。

现在成功的实例有: Valhall3D4C用于气烟囱屏蔽、Alba3D4C用于岩
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性屏蔽和Emilio3D4C用于裂隙检测,都来自于海上多波多分量地震勘探。

3D3C资料解释研究的重点主要集中在纵横波联合标定、纵横波匹配、纵横波联合反演、全波属性分析、裂缝检测等方面。

2.3.1纵横波联合标定
纵横波联合标定主要是确定纵波反射面和横波转换面的地质属性,并对比分析纵波反射面和横波转换面的相互关系,以此确定各地层分界面的纵横波波组特征和对比原则。

该步骤是纵横波联合解释的基础。

采用的方法有两种,一是基于测井曲线的纵横波合成记录标定,二是基于正演模拟的标定。

2.3.2纵横波匹配
纵横波匹配是纵横波联合解释和纵横波叠后联合反演的关键。

在纵波和转换波标定的基础上,对纵波和转换波进行时间压缩或者拉伸,对振幅进行标定,对频率及相位作校正处理。

目前纵横波时间匹配主要还是采用人工拾取特征反射层位,然后进行自动压缩拉伸处理。

人工拾取反射层存在一定的不足,在一些层间/小层0或者/杂乱0层上很难对应。

在主要反射层位控制下的基于目标函数反演获得的纵横波速度比在时间标定上具有更高的精度,目前已引起人们的广泛关注。

振幅标定主要基于测井资料的合成地震记录。

频率处理主要通过频率滤波使其频率在一个相近的范围内。

2.3.3纵横波联合反演
纵横波联合反演分为叠前联合反演和叠后联合反演。

通过纵横波联合反演可以得到纵波声阻抗、横波阻抗、弹性阻抗、纵横波速度比、泊松比、密度、拉梅常数、剪切模量等参数。

根据这些参数可以研究储层岩性、预测有利储层分布、判别流体性质等。

2.3.4全波属性分析
利用传统的沿层属性和体属性分析技术,对纵波数据体、转换波数据体及纵横波联合反演数据体,提取主要目的层的地震属性并进行分析。

也可采用体交汇、多体融合显示和多体解释技术,同时提取纵波和转换波以及纵横波联合反演成果中具有某种特定规律的属性。

2.3.5裂缝预测
多波多分量勘探的重要贡献是可以结合利用纵横波的优势可靠地研究裂缝发育带。

裂缝预测是一个综合的预测过程。

对于大尺度的断裂和破裂系统,可靠的方法是采用纵波和横波的相干体、倾角、方位角或像素处理等进行综合预测;对于小尺度裂缝网络系统,有效的方法是采用纵波方位各向异性、转换横波方位各向异性以及横波分裂进行预测;对裂缝有效性的分析,较好的方法是采用基于地史成因的裂缝预测技术和曲率体技术,对构造演化史进行恢复预测和研究不同期次构造运动所产生的裂缝及其连通性和有效性。

到目前为止,仅有CGGVeritas公司推出了初级版本的VectorVista多波解释系统,GNT公司的T ransfor m软件具有部分多波解释功能。

软件的缺乏是制约多波多分量综合解释工业化应用的原因之一。

对于多波多分量解释来说,至少需要以下软件系统:多层裂缝介质转换波正演模拟软件、纵横波叠前联合反演软件、横波分裂分析和方位各向异性校正软件及全波属性分析和应用软件;同时,还需要形成完善的多波多分量资料解释的工作流程和相关配套技术。

3多波多分量勘探技术发展趋势及存在问题
陆地多波多分量地震勘探技术正逐渐进入工业化生产阶段,围绕多波多分量的理论和应用研究也成为目前的研究热点。

总的来说,多波多分量地震勘探技术还不够完善,仍然存在较多问题。

3.1转换波处理问题
波场分离、转换波静校正、转换波一致性处理、转换多次波衰减、速度建模、深度域成像等都是多波多分量处理中较难解决的问题。

3.2方位各向异性问题
在多波多分量资料处理中如何保留或者消除方位各向异性影响,在资料解释中如何利用方位各向异性特征是转换波3D3C地震勘探技术研究的重点。

如果在方位各向异性处理中能够消除方位各向异性及横波分裂的影响,就能得到高质量的处理成果。

如果在方位各向同性处理中能够保留各个方位之间的各向异性特征,在解释过程中就能更为准确地进行裂缝预测。

3.3流体识别问题
现有的基于多波多分量资料的流体描述主要是识别孔隙中是否含有流体,如何利用多波资料确定孔隙中流体的性质(油、气、水)以及不同流体的含量是以后的研究方向。

3.4横波分裂分析问题
当出现多个各向异性层时,转换波就会发生多次分裂,为了确定每个层的各向异性参数,转换波
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