李向陽(yáng), 王赟, 孫鵬遠(yuǎn), 李樂(lè), 丁拼搏

1 中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理有限責(zé)任公司, 河北涿州 072750

2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)“多波多分量”(MWMC)團(tuán)隊(duì), 北京 100083

3 中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院, 北京 102200

0 引言

Crampin等(1980)首次從三分量天然地震記錄中觀測(cè)到了地殼中的橫波分裂現(xiàn)象,并提出了應(yīng)用橫波分裂預(yù)測(cè)地應(yīng)力變化和預(yù)報(bào)地震的設(shè)想.隨后Crampin(1983,1984)提出了應(yīng)用橫波分裂描述裂縫性油氣藏的構(gòu)想.伴隨20世紀(jì)70年代末橫波可控震源的出現(xiàn),橫波分裂在油氣勘探中的應(yīng)用潛力引起了油氣行業(yè)的重視.Willis等(1986)進(jìn)一步證實(shí)了在北美多個(gè)盆地采集的多分量橫波數(shù)據(jù)中廣泛存在橫波分裂現(xiàn)象.

從地殼中首次觀測(cè)到橫波分裂已過(guò)去四十余年,橫波分裂在油氣勘探中的應(yīng)用也大致經(jīng)歷了3個(gè)階段.最初十年主要是利用多分量二維橫波地震勘探數(shù)據(jù)檢驗(yàn)橫波分裂的應(yīng)用潛力,這些實(shí)踐證實(shí)了橫波分裂現(xiàn)象的普遍性和復(fù)雜性(Martin and Davis, 1987; Squires et al., 1989).隨后的二十多年中,由于地面接收的反射橫波數(shù)據(jù)信噪比低、橫波可控震源使用成本高等因素,橫波勘探的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了橫波垂直地震剖面(VSP)勘探(Yardley and Crampin,1991;Liu et al.,1993;Winterstein et al.,2001;Maultzsch et al.,2003),以及縱波源激發(fā)三分量接收的轉(zhuǎn)換波勘探(Li,1998;Gaiser,1999;Lu et al.,2023).2017年中石油地球物理勘探局在青海三湖成功獲得了信噪比和頻帶與縱波相當(dāng)?shù)娜较蚣辛υ醇ぐl(fā)、三分量接收的九分量地震數(shù)據(jù)(Wu et al.,2018;茍量等,2021),橫波勘探再次受到業(yè)界的重視,從而進(jìn)入第三階段,即近些年來(lái)縱波源和橫波源在海底、陸地地面和井中多分量地震勘探中同時(shí)并存的發(fā)展階段.

在地震波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于裂縫尺度的情況下,定向排列的裂縫介質(zhì)可以等效為地震方位各向異性介質(zhì)(Hudson,1981).在方位各向異性介質(zhì)中,地震橫波的主要響應(yīng)特征是橫波分裂,而地震縱波的響應(yīng)特征是其速度、走時(shí)和振幅等屬性具有隨方位變化的特征,統(tǒng)一簡(jiǎn)稱(chēng)為縱波方位各向異性.Sena(1991), Li和Crampin(1993), Tsvankin(1995), Li(1997a)等研究了縱波速度和走時(shí)的方位變化特征;Mallick和Frazer(1991),Lefeuvre(1994),Lynn等(1996a),Rüger(1996),MacBeth等(1997)研究了縱波振幅的方位變化特征.至今,縱波方位各向異性的研究已經(jīng)歷了兩個(gè)階段三十余年的發(fā)展：前十年為第一段,主要集中在方位屬性變化特征的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)及驗(yàn)證;后二十年為第二階段,隨著寬方位高密度縱波三維地震的大規(guī)模采集,縱波方位各向異性檢測(cè)裂縫得到了廣泛的應(yīng)用(Lynn, 2020).

目前,無(wú)論是橫波分裂還是縱波方位各向異性,業(yè)界都有大量的文獻(xiàn)資料和應(yīng)用案例.尤其是最近十年,利用縱波方位各向異性預(yù)測(cè)裂縫儲(chǔ)層變得非常流行起來(lái),甚至導(dǎo)致忽略其應(yīng)用條件的事例時(shí)有發(fā)生(王赟等,2020).本文通過(guò)回顧橫波分裂及縱波方位各向異性早期的發(fā)展歷程,著重討論其在上地殼中的分布;并從理論及實(shí)驗(yàn)兩方面分析二者間的相互關(guān)系及其在裂縫檢測(cè)方面的應(yīng)用條件,以期提升二者的應(yīng)用效果,提高地震裂縫檢測(cè)的精度和有效性,為裂縫油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供可靠的技術(shù)支撐.對(duì)于該領(lǐng)域更全面的綜述請(qǐng)參考Lynn(2020),該文較為詳細(xì)地總結(jié)了1986—2020年橫波分裂與縱波方位各向異性在油氣勘探中的應(yīng)用.

1 地震各向異性和地震波屬性

地震波的傳播速度、走時(shí)、振幅與頻率及其衰減系數(shù)、偏振特性等統(tǒng)稱(chēng)為地震波屬性.當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诟飨虍愋越橘|(zhì)中傳播時(shí),這些屬性參數(shù)受到介質(zhì)各向異性的影響而發(fā)生變化,使之成為研究地下介質(zhì)物理特性的重要信息,可以從觀測(cè)的多分量地震數(shù)據(jù)中獲取.

1.1 地震各向異性

廣義上,地震各向異性泛指速度各向異性和品質(zhì)因子各向異性等;狹義上,地震各向異性是指地震波的傳播速度隨傳播方向的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象;反之,則稱(chēng)介質(zhì)為速度各向同性.本文只討論速度各向異性問(wèn)題.顯然地震各向異性是普遍存在的,而各向同性并不常見(jiàn)(張中杰,2002).地殼中常見(jiàn)的各向異性介質(zhì)包括兩大類(lèi)：一類(lèi)是以頁(yè)巖或泥頁(yè)巖薄互層為代表的具有垂直對(duì)稱(chēng)軸的橫向各向同性介質(zhì),簡(jiǎn)稱(chēng)為VTI(Vertical Transverse Isotropy)介質(zhì);另一類(lèi)是以垂直定向裂縫為代表的具有水平對(duì)稱(chēng)軸的橫向各向同性介質(zhì),簡(jiǎn)稱(chēng)為HTI(Horizontal Transverse Isotropy)介質(zhì),圖1是這兩類(lèi)各向異性介質(zhì)的示意圖.其中,在圖1a所示的薄互層巖石中,地震波沿層理方向的傳播速度比任何其他方向都快;而在圖1b所示的裂縫性地層中,地震波沿裂縫方向的傳播速度比任何其他方向都快.其他類(lèi)型各向異性介質(zhì)包括具有傾斜對(duì)稱(chēng)軸的橫向各向同性介質(zhì)TTI(Tilted Transverse Isotropy),以及正交各向異性介質(zhì)等(張中杰等,1999;高原等,1999;郝重濤和姚陳,2007;王赟等,2017a,b),本文不再贅述.

圖2 橫波分裂示意(Crampin,1985)

1.2 快橫波偏振及快慢橫波時(shí)差

如圖2所示,當(dāng)橫波在含有定向排列裂縫的巖層中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生分裂,形成一個(gè)快橫波和一個(gè)慢橫波;快橫波的偏振方向平行于裂縫走向,而慢橫波的偏振方向垂直于走向(Crampin,1985);且快慢橫波的時(shí)差與裂縫密度成正比.這一現(xiàn)象被稱(chēng)為橫波分裂(或橫波雙折射),是利用橫波數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)裂縫油氣儲(chǔ)層的基礎(chǔ).即,通過(guò)記錄橫波數(shù)據(jù)求解快橫波的偏振屬性和快慢橫波時(shí)差,然后利用偏振屬性可確定裂縫儲(chǔ)層中裂縫的走向,利用時(shí)差可確定裂縫密度.當(dāng)介質(zhì)中所含裂縫方向發(fā)生變化,橫波會(huì)發(fā)生連續(xù)分裂.因此上覆地層中若發(fā)育有不同走向的裂縫,或存在多組裂縫,受其影響,地表記錄的快橫波偏振屬性可能不代表真正的儲(chǔ)層裂縫走向(Li,1995;劉恩儒等, 2006).快慢橫波的時(shí)差取決于分裂后的橫波的傳播距離、方向、各向異性的復(fù)雜性及強(qiáng)度等.對(duì)記錄的橫波進(jìn)行快慢橫波分離,然后對(duì)分離后的快慢橫波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,就可以得到快慢橫波的時(shí)差(Lu et al., 2017).時(shí)差屬性的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)單實(shí)用,上覆地層的影響可以通過(guò)求取層間時(shí)差消除;橫波分裂的強(qiáng)度可以通過(guò)求取單位走時(shí)的快慢橫波時(shí)差而獲得.

1.3 縱波方位屬性

如前所述,縱波方位屬性參數(shù)較多,本文只討論三種縱波方位屬性：反射振幅、速度及層間時(shí)差.從反射振幅可以推導(dǎo)出一些其他屬性,比如AVO梯度等(Rüger,1996),在此不再單獨(dú)討論.如圖3所示,通過(guò)數(shù)值模擬縱波在一個(gè)三層含裂縫模型中的傳播,在模型表面布置全偏移距全方位的觀測(cè)系統(tǒng)(Liu,2003),然后利用記錄的縱波波場(chǎng)來(lái)展示這三種縱波屬性的方位變化特征,以便于更好地理解利用縱波方位屬性檢測(cè)裂縫的原理.

圖3 含裂縫介質(zhì)模型縱波特征波場(chǎng)正演模擬顯示的縱波屬性的方位變化(a) 含裂縫儲(chǔ)層的三層介質(zhì)模型,介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1; (b) 裂縫頂層記錄的縱波反射振幅隨方位變化; (c) 裂縫層縱波速度隨方位變化; (d) 裂縫層縱波層間時(shí)差隨方位變化.

圖3a展示了一個(gè)三層含裂縫儲(chǔ)層的數(shù)值模型,各層的彈性參數(shù)見(jiàn)表1.第一層(L1)是一個(gè)各向同性介質(zhì),第二層(L2)是含裂縫的目標(biāo)層;第三層(L3)是一個(gè)各向異性的基底.模型頂布置一個(gè)中心放炮的全方位觀測(cè)系統(tǒng),其中X坐標(biāo)軸沿裂縫法向;Y軸沿裂縫走向.圖3b、3c和3d分別展示了模型頂接收的來(lái)自裂縫頂?shù)目v波反射振幅、計(jì)算的裂縫層速度和裂縫層間時(shí)差.從圖中可以看出三種屬性的方位變化都呈現(xiàn)橢圓形特征.其中,圖3b的反射振幅隨方位變化的橢圓長(zhǎng)軸代表裂縫的法向,這是因?yàn)榱芽p頂層是一個(gè)高阻抗到低阻抗的反射界面,裂縫法向平面內(nèi)的波阻抗差大于裂縫走向平面內(nèi)的波阻抗差.同理,圖3d顯示的層間時(shí)差隨方位變化的橢圓長(zhǎng)軸也代表裂縫的法向,這是因?yàn)檠亓芽p法向的傳播速度低于沿裂縫走向的傳播速度.相反,圖3c顯示的速度隨方位變化的橢圓長(zhǎng)軸代表裂縫的走向;長(zhǎng)短軸的百分比差異可以用來(lái)估算方位各向異性的強(qiáng)度(Liu,2003).方位平面內(nèi),縱波屬性的橢圓變化特征是利用寬方位縱波地震數(shù)據(jù)檢測(cè)裂縫儲(chǔ)層的依據(jù).

表1 圖3a 中三層模型的彈性參數(shù)Table 1 The elastic parameters of the three-layer model in Fig.3a

2 主動(dòng)源橫波地震資料中觀測(cè)到的橫波分裂

20世紀(jì)80年代,利用橫波可控震源可以采集由兩個(gè)正交的水平橫波震源和兩個(gè)正交的水平檢波器組成的四分量橫波資料.Mueller(1991)、 Li(1997b)等發(fā)表了利用二維橫波四分量資料描述碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層的實(shí)例.這些資料顯示橫波分裂在北美各大盆地廣泛存在,橫波分裂的強(qiáng)度代表方位各向異性的強(qiáng)度,大約為1%～2%.盡管這個(gè)百分比很小,但在4 s橫波走時(shí)深度,累積時(shí)差亦可以達(dá)到40～80 ms.Lewis等(1991)闡述了利用三維橫波四分量資料刻畫(huà)裂縫性砂巖儲(chǔ)層的實(shí)例.由于成本和信噪比的原因,這種四分量橫波地震勘探并沒(méi)有在工業(yè)界流行起來(lái).

20世紀(jì)90年代中期,Berg等(1994)成功地利用縱波入射到界面上得到的反射轉(zhuǎn)換橫波實(shí)現(xiàn)了氣煙囪成像,轉(zhuǎn)換波地震勘探技術(shù)隨之發(fā)展起來(lái).轉(zhuǎn)換波地震勘探利用縱波源激發(fā)、三分量檢波器接收,可以采集到從地下界面反射回來(lái)的轉(zhuǎn)換橫波.2000年以來(lái),隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical System,MEMS)數(shù)字檢波器的興起,陸上轉(zhuǎn)換波地震勘探技術(shù)進(jìn)入了迅速發(fā)展階段(Gaiser et al.,2001;Garotta et al., 2002;張永剛等,2004;趙波等,2012).陸上轉(zhuǎn)換波勘探通常都是寬方位觀測(cè),有利于開(kāi)展縱波方位各向異性及轉(zhuǎn)換橫波分裂分析.在北美開(kāi)展的一些轉(zhuǎn)換橫波分裂應(yīng)用研究再次證實(shí)轉(zhuǎn)換橫波分裂同樣廣泛存在,其強(qiáng)度仍然約為1%～2%(Liu et al., 2003; Roche et al.,2005;Mattocks and Roche,2005;Lewallen et al.,2011;Johns, 2018).

在國(guó)內(nèi),張中杰等(張中杰和何樵登,1989;張中杰等,1994)較早開(kāi)展了裂縫各向異性的研究;唐建侯和鄧富求(1993)介紹了我國(guó)早期開(kāi)展的橫波地震勘探試驗(yàn).最近20年,轉(zhuǎn)換波地震勘探在我國(guó)得到快速發(fā)展(丁偉等,2002;劉恩儒等, 2006; 黎書(shū)琴等,2009;符志國(guó)等,2013).其中利用轉(zhuǎn)換橫波分裂最成功的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是四川新場(chǎng)(Tang et al.,2008, 徐天吉等, 2008).隨后各大油田都開(kāi)展了轉(zhuǎn)換波勘探試驗(yàn),包括西部的長(zhǎng)慶(Zhou et al.,2010),東部的勝利(Bi et al., 2011),東北的大慶(張麗艷等,2011),西北的塔里木(邊冬輝等, 2017)、 三湖(Wang et al.,2009; Wang et al.,2019)等等.至今,三維三分量(3D3C,3-dimension and 3-component)轉(zhuǎn)換波勘探在四川盆地已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)生產(chǎn)流程(Li et al.,2019a; Hu et al.,2019).其中,四川新場(chǎng)觀測(cè)到的橫波分裂強(qiáng)度約為1%(Li and Zhang,2011);而在三湖觀測(cè)到的橫波分裂高達(dá)4%,但集中在PS轉(zhuǎn)換波走時(shí)1.2 s(約800 m)以淺(Zhang and Li, 2020;李向陽(yáng)和張少華,2021).

40年橫波及轉(zhuǎn)換橫波勘探實(shí)踐證實(shí)橫波分裂廣泛存在于上地殼中,平均強(qiáng)度在1%～4%;有些地區(qū)近地表可達(dá)5%.20世紀(jì)90年代以來(lái),除了開(kāi)展地面反射地震勘探,橫波VSP勘探也受到工業(yè)界重視.橫波VSP勘探是標(biāo)定橫波分裂的重要手段.圖4a展示了為刻畫(huà)奧斯汀白云巖而采集的一套橫波四分量VSP資料.圖4b是從淺到深求得的快橫波偏振方向及快慢橫波時(shí)差.快橫波偏振從淺到深基本不變,且保持在北50°東方位;大部分時(shí)差集中在淺層200 m深度, 累計(jì)約10 ms,橫波分裂強(qiáng)度約5%(橫波速度約1000 m·s-1).而100 m厚的奧斯汀白云巖層間時(shí)差約為1 ms,橫波分裂強(qiáng)度約2%(橫波速度約2000 m·s-1).這與三湖觀測(cè)到的結(jié)果基本相符(李向陽(yáng)和張少華,2021),也與Winterstein等(2001)總結(jié)的23套北美VSP資料基本相符.他們發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的橫波分裂(≥4%)集中在1200 m以淺,而目標(biāo)儲(chǔ)層的分裂強(qiáng)度大大低于近地表;同時(shí),他們還發(fā)現(xiàn)快波偏振方向基本不隨深度改變.

Olofsson等(2003)、Gumble和Gaiser(2006)利用海底四分量資料也發(fā)現(xiàn)歐洲北海橫波分裂雖然高達(dá)3%～5%,但主要集中在近海底.40年的橫波觀測(cè)發(fā)現(xiàn)橫波分裂無(wú)論是陸地還是海上都主要集中在上地殼的淺部,這已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界達(dá)成共識(shí)(Crampin and Gao, 2009;李向陽(yáng)和張少華, 2021;Lynn,2020).

3 主動(dòng)源地震資料中觀測(cè)到的縱波方位各向異性

從Mallick和Frazer(1991)、 Lefeuvre(1994)提出利用縱波方位各向異性預(yù)測(cè)裂縫以來(lái),該項(xiàng)技術(shù)得到學(xué)術(shù)、工業(yè)界及政府機(jī)構(gòu)的重視.美國(guó)能源部在20世紀(jì)90年代中期資助了一系列利用縱波檢測(cè)裂縫的陸上試驗(yàn)項(xiàng)目,這些成果大部分發(fā)表在1996年8月出版的地震勘探前沿TheLeadingEdge雜志.這些項(xiàng)目的主要目的是研究陸上縱波方位各向異性與橫波分裂的關(guān)系,以及利用縱波方位各向異性檢測(cè)裂縫的可行性,因?yàn)榭v波地震資料比橫波資料更經(jīng)濟(jì)、更容易獲取.同時(shí)MacBeth等(1997)、Li(1997b)開(kāi)始研究海上縱波方位各向異性在裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用.隨后許多理論研究及應(yīng)用實(shí)例出現(xiàn)在各類(lèi)油氣勘探的文獻(xiàn)中.尤其近些年這項(xiàng)技術(shù)在北美非常規(guī)頁(yè)巖氣、致密氣以及中東碳酸鹽巖等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用(Bachrach et al., 2014; Ghahfarokhi and Wilson, 2015; Zhang et al., 2020 ).

在國(guó)內(nèi),郝守玲等(1998)首先開(kāi)展了縱波方位各向異性的物理模型實(shí)驗(yàn)研究,魏建新和狄?guī)妥?2007,2008)進(jìn)一步研究了裂縫密度及張開(kāi)度對(duì)縱波方位各向異性的影響.杜啟振和楊慧珠(2003)、王赟等(2003,2008)探討了利用PS波檢測(cè)裂縫的理論方法;Li等(2003)成功把縱波裂縫檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于勝利油田泥巖裂縫檢測(cè)中;Zhang和Li(2013)研究了正交各向異性介質(zhì)中縱波方位各向異性的特征;印興耀等(2018)總結(jié)了我國(guó)縱波方位各向異性的研究現(xiàn)狀,并與五維地震勘探相結(jié)合,形成了五維縱波地震裂縫檢測(cè)技術(shù)體系和工業(yè)化應(yīng)用流程.

30年的縱波方位各向異性觀測(cè)發(fā)現(xiàn),不同地區(qū)地殼中縱波方位各向異性的變化從淺到深差異很大.在北美猶他落磯山脈,Lynn等(1996a)發(fā)現(xiàn)1000 m以淺縱波方位各向異性約3%～5%,而深部目標(biāo)層(約2100 m)可達(dá)10%.在英國(guó)北海Clair油田,Horne等(1998)利用多方位Walkaway VSP在1500 m以淺觀測(cè)到的縱波方位各向異性僅為2%,深部2000 m左右為6%.Cary等(2010)利用3D3C資料解譯發(fā)現(xiàn)加拿大地區(qū)500 m以淺縱波方位各向異性約為4%,而深部幾乎沒(méi)有.Che和Chen(2014)在中國(guó)西部利用Walkaround VSP 在900 m以淺觀測(cè)到了8%縱波方位各向異性,而1000 m以深約為6%.Horne和MacBeth(1997)總結(jié)了來(lái)自北美地區(qū)6口井的Walkaround VSP,其中4口是500 m以淺的近地表觀測(cè)井,他們發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度變化從20%到40%,非常劇烈.為了進(jìn)一步表明淺層縱波方位各向異性的變化特征,我們重新處理了這6口井的資料,結(jié)果如圖5和圖6所示.

從圖5與圖6可以看出,縱波方位振幅屬性變化劇烈,幅度有時(shí)超過(guò)50%;但是其主應(yīng)力方向(右列箭頭所示)與所在地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力方向有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(左列雙向箭頭所示),說(shuō)明采集得到的振幅是有一定可信度的.

總之,與橫波分裂觀測(cè)結(jié)果不同,縱波方位各向異性觀測(cè)雖然有許多應(yīng)用實(shí)例,但其在近地表的分布從無(wú)到有、從弱到強(qiáng),變化很大,沒(méi)有規(guī)律.相比橫波分裂,對(duì)近地表縱波方位各向異性的分布缺乏系統(tǒng)的研究.主要原因在于要觀察縱波方位各向異性除了需要多方位觀測(cè)外,還需要足夠大的偏移距;偏移距的長(zhǎng)度需要大于觀測(cè)目標(biāo)的深度(Li,1999;Wang et al.,2007).由于地滾波及動(dòng)校正拉伸的影響,利用地表反射縱波來(lái)觀測(cè)近地表的縱波方位各向異性是非常困難的.要精確觀測(cè)近地表縱波方位各向異性,最有效的手段是采集多偏移距、多方位Walkaway VSP和Walkaround VSP, 如圖5、圖6所示.基于降本增效的壓力,采集多方位Walkaway VSP或Walkaround VSP的必要性經(jīng)常被工業(yè)界忽略(Lu et al.,2023),這一點(diǎn)在中國(guó)的油氣行業(yè)尤為明顯(王赟等,2020).相比近地表縱波方位各向異性的觀測(cè),近地表橫波分裂觀測(cè)僅需要近偏移距射線路徑的橫波資料,并且快慢橫波對(duì)比分析抗噪性強(qiáng),容易實(shí)施,其主要限制是需要橫波震源;而轉(zhuǎn)換橫波勘探容易實(shí)現(xiàn),獲得了一些有益的認(rèn)識(shí)(蔡志東,2023).

圖5 從6個(gè)不同地區(qū)的Walkaround VSP觀測(cè)到的縱波方位各向異性,此處展示是VSP 1、2和3的結(jié)果(修改自Horne and MacBeth,1997),其中左列為炮點(diǎn)分布,中列為波形圖,右列為直達(dá)波方位均方根振幅變化特征

圖6 從6個(gè)不同地區(qū)的Walkaround VSP觀測(cè)到的縱波方位各向異性,此處展示是VSP 4、5和6的結(jié)果(修改自Horne and MacBeth,1997),其中左列為炮點(diǎn)分布,中列為波形圖,右列為直達(dá)波方位均方根振幅變化特征

4 橫波分裂與縱波方位各向異性的關(guān)系及應(yīng)用條件分析

如前所述,橫波分裂廣泛存在,并且大部分橫波分裂主要集中在近地表.而縱波方位各向異性的分布在各個(gè)地區(qū)從淺到深變化很大.比如在美國(guó)科羅納州西部,Thompson等(2002)發(fā)現(xiàn)橫波分裂2000 m以上高達(dá)5%,而縱波方位各向異性卻很難觀測(cè)到.在加拿大,Cary等(2010)在500 m以淺觀測(cè)到了4%的縱波方位各向異性,但橫波分裂更強(qiáng)、高達(dá)11%.同樣在美國(guó)猶他州,Lynn等(1996a)觀測(cè)到了10%的橫波分裂,3%～5%縱波方位各向異性.相對(duì)于近地表橫波分裂的觀測(cè),由于缺乏經(jīng)濟(jì)有效的觀測(cè)手段和對(duì)近地表縱波方位各向異性的必要性認(rèn)識(shí)不足,沒(méi)有對(duì)近地表縱波方位各向異性進(jìn)行系統(tǒng)的觀測(cè),獲得系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù).那么,我們能否從橫波分裂的觀測(cè)結(jié)果預(yù)測(cè)縱波方位各向異性?假設(shè)方位各向異性由裂縫誘導(dǎo)產(chǎn)生,以下部分將從理論和實(shí)驗(yàn)上討論橫波分裂與縱波方位各向異性的關(guān)系,并進(jìn)一步分析它們?cè)诹芽p檢測(cè)中的應(yīng)用條件.

4.1 橫波分裂與縱波方位各向異性的關(guān)系

考慮圖1b所示的含單組垂直定向排列裂縫的HTI介質(zhì),這是最簡(jiǎn)單的方位各向異性介質(zhì),僅有5個(gè)彈性常數(shù).如圖3a所示,在含有裂縫法向(X)、走向(Y)和垂直軸(Z)的自然坐標(biāo)系統(tǒng)中,這5個(gè)彈性常數(shù)組成的彈性張量矩陣為

(1)

通常裂縫走向的方位與地震測(cè)線之間有一夾角(如圖3a中虛線所示),裂縫走向及密度需要從觀測(cè)數(shù)據(jù)中求取.觀測(cè)系統(tǒng)的縱橫測(cè)線組成一個(gè)觀測(cè)坐標(biāo)系,所獲得的地震波場(chǎng)取決于觀測(cè)坐標(biāo)系下形成的新彈性張量矩陣.這個(gè)新彈性張量矩陣與自然坐標(biāo)系下的矩陣公式(1)不同,可由Bond變換轉(zhuǎn)換(Winterstein,1990). 如果裂縫走向的方位與地震測(cè)線之間的夾角已知,通過(guò)對(duì)矩陣(1)繞垂直軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)該角度可獲得觀測(cè)坐標(biāo)系下的新彈性矩陣.除了彈性矩陣(1),還可以用其他參數(shù)來(lái)描述裂縫型HTI介質(zhì).其中常用的有Hudson(1981)理論模型的裂縫幾何參數(shù),例如裂縫密度、橫縱比和裂縫充填物,以及Thomsen參數(shù)(Thomsen,1986).通過(guò)Thomsen參數(shù)與Hudson裂縫參數(shù)轉(zhuǎn)換可建立縱波方位各向異性與橫波分裂的關(guān)系.

根據(jù)Thomsen理論(Thomsen, 1986), 公式(1)定義的HTI介質(zhì)的Thomsen參數(shù)可表達(dá)為：

(2)

注意：原Thomsen參數(shù)是為VTI介質(zhì)模型定義的,從VTI到HTI需要進(jìn)行繞y軸作90°的旋轉(zhuǎn);且此處定義的δ是原δ的一階近似.從公式(2)可知ε代表縱波的方位各向異性強(qiáng)度,而γ代表橫波分裂的強(qiáng)度.假設(shè)HTI介質(zhì)(公式(1))是對(duì)一個(gè)各向同性背景介質(zhì)加入裂縫獲得,該各向同性介質(zhì)的縱橫波速度分別為VP0和VS0.應(yīng)用Hudson裂縫等效介質(zhì)理論,可以建立Thomsen參數(shù)(公式(2))與裂縫密度εd,橫縱比εar及裂縫流體充填物速度Vf之間的一階近似關(guān)系(Li,1998)：

(3)

其中,

(4)

(5)

(6)

得出縱波方位各向異性ε與橫波分裂γ之間的關(guān)系：

(7)

Ding等(2017,2020)通過(guò)制作已知裂縫參數(shù)的人工巖心樣品來(lái)研究裂縫介質(zhì)的地震波響應(yīng)特征.如表2所示,包括4個(gè)不同裂縫密度但相同裂縫橫縱比的巖樣,且包括含氣和含水巖樣.重新分析這批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),比較含水和含氣時(shí)ε和γ的變化情況,制作ε和γ的交會(huì)圖,如圖7所示.

圖7 表2中4個(gè)裂縫樣品縱波方位各向異性ε與橫波分裂γ交互圖

表2 圖7中4塊人工合成裂縫巖樣的參數(shù)(Ding et al.,2020)Table 2 The parameters of the four synthetic fractured samples in Fig.7(Ding et al., 2020)

從圖7可以看出,含氣時(shí)縱波方位各向異性大約是橫波分裂的兩倍,與理論結(jié)果基本相符;而含水時(shí)縱波方位各向異性約為橫波分裂的一半,比理論值高,但變化趨勢(shì)與理論預(yù)測(cè)一致.巖樣的實(shí)際裂縫橫縱比為0.02,理論預(yù)測(cè)的縱波方位各向異性約為橫波分裂的20%.因此,當(dāng)橫波分裂與縱波方位各向異性只觀測(cè)到一方時(shí),上述理論結(jié)果是可以用來(lái)評(píng)估另一方的變化特征,同時(shí)進(jìn)一步評(píng)估裂縫預(yù)測(cè)的應(yīng)用條件.

4.2 橫波分裂裂縫檢測(cè)應(yīng)用條件

與縱波方位各向異性不同,橫波分裂裂縫檢測(cè)對(duì)裂縫性氣藏和油藏都適用(Li et al., 2022a,b).過(guò)去40年的實(shí)踐使得學(xué)術(shù)和工業(yè)界對(duì)橫波分裂的應(yīng)用條件有以下共識(shí)：

(1)裂縫走向主要是通過(guò)快橫波的偏振屬性來(lái)求取.而影響偏振屬性的主要因素是橫波數(shù)據(jù)的信噪比以及上覆地層中是否發(fā)育有不同走向的裂縫,或是否存在多組裂縫.因此橫波勘探目前只局限于地表?xiàng)l件和地下構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的地區(qū),最理想的情況是裂縫方向從淺到深基本保持不變.

(2)由于橫波震源的激發(fā)、耦合等問(wèn)題,橫波資料信噪比低,橫波采集成本居高不下,這也是限制橫波分裂應(yīng)用的主要障礙.因此,需要開(kāi)展橫波激發(fā)試驗(yàn),選取最佳激發(fā)參數(shù),通過(guò)適當(dāng)震源組合改善激發(fā)和耦合條件.

(3)在選定工區(qū)開(kāi)展橫波分裂裂縫檢測(cè)時(shí),需同時(shí)采集橫波或轉(zhuǎn)換橫波VSP用來(lái)標(biāo)定近地表的橫波分裂,以便于消除近地表的影響.

(4)儲(chǔ)層必須足夠厚,達(dá)到橫波子波能夠分辨的厚度.

(5)在橫波震源難以獲得情況下,利用縱波源的轉(zhuǎn)換橫波進(jìn)行裂縫的檢測(cè)也是可行的,但需要對(duì)轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的波場(chǎng)分離等處理.

4.3 縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)應(yīng)用條件

由上述分析可知,縱波方位各向異性檢測(cè)裂縫具有一定的局限性,主要表現(xiàn)為：(1)觀測(cè)系統(tǒng)要求大偏移距和多方位觀測(cè),偏移距至少要大于目標(biāo)層的深度;(2)方位要有3個(gè)以上,最好全方位、全偏移距.對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的要求,學(xué)術(shù)和工業(yè)界都已形成共識(shí),有許多文獻(xiàn)明確了這些要求(如Li et al., 2003;Wang et al., 2007).另外,通過(guò)前面的分析,我們可以進(jìn)一步對(duì)勘探目標(biāo)和輔助數(shù)據(jù)提出如下要求：

(1)應(yīng)用目標(biāo)僅限于裂縫性氣藏,并且最好是具有縱波子波可分辨的厚度,盡量避免薄儲(chǔ)層.過(guò)去30年的實(shí)踐也基本證實(shí)縱波方位各向異性對(duì)薄儲(chǔ)層的應(yīng)用效果不佳(王赟等,2023).

(2)除了測(cè)井、巖心、露頭等輔助資料外,還需采集至少3個(gè)方位的Walkaway VSP,或Walkaround VSP數(shù)據(jù),用來(lái)標(biāo)定目標(biāo)層以上的縱波方位各向異性,尤其是近地表.

(3)復(fù)雜地表,復(fù)雜目標(biāo)區(qū)不適合縱波方位各向異性研究.任何復(fù)雜地質(zhì)體無(wú)論是在地下還是地表,都會(huì)影響縱波方位屬性的變化特征.

(4)當(dāng)缺乏近地表縱波方位各向異性數(shù)據(jù),但卻收集了相應(yīng)的橫波分裂數(shù)據(jù)時(shí),可以利用本文的縱波方位各向異性與裂縫參數(shù)或橫波分裂的關(guān)系公式(7)來(lái)標(biāo)定淺層的縱波方位各向異性.

5 討論與結(jié)論

本文簡(jiǎn)單回顧了橫波分裂和縱波方位各向異性在油氣勘探中的應(yīng)用發(fā)展歷程.橫波分裂預(yù)測(cè)裂縫油氣藏經(jīng)歷了四十余年的發(fā)展,學(xué)術(shù)界研發(fā)了各種橫波分裂地震屬性,如快橫波偏振方向和快慢橫波時(shí)差用來(lái)檢測(cè)裂縫走向和密度,以及頻率相關(guān)的屬性檢測(cè)裂縫的尺度及識(shí)別裂縫中的流體(Maultzsch et al., 2003;Qian et al.,2007;Zhang et al., 2013; Luo et al., 2017;Li et al., 2019b; Yang et al., 2019).工業(yè)界研發(fā)了專(zhuān)門(mén)的橫波震源用來(lái)采集多分量橫波反射及VSP數(shù)據(jù).與之相比,縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)經(jīng)歷了三十余年的發(fā)展,需要采集大偏移距及寬方位三維縱波數(shù)據(jù).隨著寬頻寬方位高密度(“兩寬一高”)三維縱波勘探技術(shù)的發(fā)展,縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)也逐漸被工業(yè)界接收,但各種不顧應(yīng)用條件的事例時(shí)有發(fā)生.討論和明確縱波方位各向異性的應(yīng)用條件是本文的主要目的之一.

40年的研究和觀測(cè)發(fā)現(xiàn)地殼中廣泛存在橫波分裂現(xiàn)象,其平均強(qiáng)度約1%～4%,并且大部分橫波分裂主要集中在近地表(<1200 m).至今利用橫波分裂進(jìn)行裂縫檢測(cè)僅在地表和地下構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,從淺至深只發(fā)育一套主裂縫的情況下見(jiàn)到了效果,盡管采用逐層剝離或分頻技術(shù)能相對(duì)克服多組裂縫隙和多層裂縫的影響(Wang et al., 2019; 張安家等, 2019).雖然這樣的條件看起來(lái)很?chē)?yán)格,其實(shí)在沉積盆地中并不罕見(jiàn).如果盆地未遭受劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,主裂縫或主應(yīng)力的方向從淺到深通常是不變的.與橫波分裂的觀測(cè)相比,30年的研究和觀測(cè)發(fā)現(xiàn)縱波方位各向異性的發(fā)育程度并沒(méi)有橫波分裂廣泛,各個(gè)地區(qū)從淺到深變化很大.一方面是由于觀測(cè)手段的限制,縱波方位各向異性需要大偏移距和多方位觀測(cè),這對(duì)近地表的觀測(cè)是不利的;另一方面,縱波方位各向異性僅對(duì)含氣裂縫發(fā)育區(qū)敏感,對(duì)充填其他流體的裂縫發(fā)育區(qū)非常不敏感.由于這些因素,造成了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界缺乏對(duì)近地表縱波方位各向異性的統(tǒng)一認(rèn)識(shí).

要充分發(fā)揮橫波分裂和縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)的潛力,目前仍然面臨至少兩大挑戰(zhàn).第一,無(wú)論是橫波分裂裂縫檢測(cè)還是縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)都面臨著近地表的挑戰(zhàn).欲厘定地下儲(chǔ)層的裂縫特征,就必須消除近地表的影響,其難易程度橫波與縱波稍有差別.對(duì)橫波來(lái)說(shuō),難點(diǎn)是查明近地表的橫波分裂特征,因?yàn)榻乇淼臋M波速度通常變化劇烈.而在了解近地表橫波特性的基礎(chǔ)上,消除其影響相對(duì)容易,因?yàn)闄M波存在快慢兩個(gè)波;描述橫波分裂或消除其影響需要研究的是兩個(gè)波的差異特征,數(shù)學(xué)算法相對(duì)簡(jiǎn)單成熟;同時(shí)抗噪性、魯棒性較高.而對(duì)縱波來(lái)說(shuō),即使已知近地表的各向異性特征,要消除其影響也是非常困難的;欲查明近地表的縱波方位各向異性,尚需地質(zhì)構(gòu)造、露頭、測(cè)井、巖心等資料的支持,且需進(jìn)一步采集橫波VSP,標(biāo)定橫波分裂;或采集Walkaround縱波VSP,或多方位Walkaway VSP,了解目標(biāo)層以上縱波方位各向異性的分布特征.

第二,對(duì)橫波來(lái)說(shuō),主要是橫波資料的采集成本及信噪比的挑戰(zhàn).如何改善橫波震源的適用性及有效性、降低成本、提高信噪比是橫波勘探面臨的巨大挑戰(zhàn).工業(yè)界做了許多嘗試,應(yīng)用PS 轉(zhuǎn)換波是目前最有效的方法(Gaiser et al.,2001);其他嘗試包括提高橫波震源的輸出功率和底盤(pán)的重量,以及使用扭轉(zhuǎn)激發(fā)方式等(茍量等,2021;王赟等,2021).對(duì)縱波而言,如何建立精確的各向異性速度模型,從而消除上覆地層包括近地表在內(nèi)的各種傳播影響是一個(gè)巨大挑戰(zhàn).當(dāng)前已發(fā)展了包括層析及全波形反演在內(nèi)的各種先進(jìn)的建模方法,但目前這些方法大部分是各向同性的,如何開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的各向異性的算法還面臨挑戰(zhàn).

總之,橫波分裂以及縱波方位各向異性的發(fā)現(xiàn)及其在裂縫性油氣藏勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用是勘探地震發(fā)展及工業(yè)化應(yīng)用的里程碑之一.但橫波,包括轉(zhuǎn)換橫波勘探面臨著資料品質(zhì)和高效采集的挑戰(zhàn);而縱波方位各向異性的應(yīng)用需要全偏振距、全方位及高密度觀測(cè).它不僅面臨高效、高成本采集的挑戰(zhàn),還面臨著如何建立精確的各向異性地殼介質(zhì)模型,從而消除上覆地層傳播效應(yīng)影響的挑戰(zhàn).要想提高應(yīng)用成效,就必須注重應(yīng)用條件的分析.工業(yè)界對(duì)橫波的應(yīng)用條件已有共識(shí),而縱波只在觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有共識(shí),但對(duì)應(yīng)用目標(biāo)不明確.理論與實(shí)踐都證明縱波方位各向異性僅適用于大厚度的裂縫性氣藏,對(duì)油藏不敏感,同時(shí)還需要精確刻畫(huà)和消除近地表縱波方位各向異性的影響.

致謝謹(jǐn)以此文祝賀滕吉文先生90華誕暨從事地球物理工作70年.感謝論文評(píng)審專(zhuān)家給予的建設(shè)性修改意見(jiàn).