(第三讲)横波勘探

物探新方法技术（地震勘探）第三讲：横波勘探常规地震勘探是利用单一的纵波进行勘探。多波勘探是指不仅利用纵波、还利用横波、转换波进行勘探，以提供有关地质、油气藏更多的信息，解决单一纵波勘探所不能解决的问题。近年来，由于勘探目标区的复杂程度大大增加，油田开发的难度也日益增大，国内外都在研究利用多波勘探。多波勘探是近年来发展较快的新勘探方法之一。由于采用的三分量检波器记录，不仅记录Z分量，同时记录X分量和y分量，且震源也可以沿X、y、Z三个方向激发，这样在地震记录上就得到了更丰富的信息，不仅可以研究岩性，还可以研究地下介质的裂缝特性，为石油天然气的精细勘探和开发服务【思考题】(1)横波有哪些特点？(2)横波双折射的概念？(3)已知震源子波偏振方向、给定检波器最大灵敏度方向下所能观测到何种类型的波？(4)横波有哪些应用？一、基本原理二、资料采集三、资料处理四、资料应用五、思考题参考答案横波勘探一、基本原理1．纵波、横波及转换波的特点（1）纵波：从地震波动力学中已知，地震波在弹性介质中会产生两种波，一种是在介质中质点振动方向与波的传播方向一致的纵波，其传播速度一、基本原理1．纵波、横波及转换波的特点（2）横波：另一种是介质中质点振动的方向与波传播的方向相互垂直的横波，其传播速度为一、基本原理1．纵波、横波及转换波的特点又有两种横波：一种是在射线平面以内传播的SH横波，一、基本原理1．纵波、横波及转换波的特点另一种是垂直于射线平面的SV横波。这两种横波偶合在一起，所以横波具有极化性。一、基本原理1．纵波、横波及转换波的特点（3）转换波：当存在一个半无限弹性介质的分界面时，入射一个纵波，会产生四种波，即反射纵波、反射横波、透射纵波、透射横波。这时的反射横波不是由横波震源产生的，而是由入射纵波转换产生的，所以叫转换波。一、基本原理1．纵波、横波及转换波的特点（3）转换波：它无需用横波震源，利用纵波震源，采用三分量检波器记录，就可以得到转换反射横波，利用这些方法进行勘探叫转换波反射法勘探，它大大地节省了野外施工的成本和减少了施工的难度。因为纵波震源比横波震源简易得多。转换波不同于纵波的特点在于其射线路径是不对称的，其处理应有独特的方法。一、基本原理2．地震各向异性多年来应用的地震勘探理论都是建立在各向同性、均匀、完全弹性介质的假设基础上，各向同性是指假设介质的弹性参数与波的传播方向无关。实际介质的弹性参数与波的传播方向有关，包括波传播的速度、振幅、偏振特性等，具有这种性质的介质叫各向异性介质。实际介质中存在着广泛的各向异性性质，油气勘探和开发中也是如此。一、基本原理（1）地震各向异性分类速度各向异性：波的传播速度与传播方向有关。在各向异性介质中，例如波沿着地层水平方向传播速度与沿着地层垂直方向传播速度不同。在地震勘探中，常见的各向异性介可简化为两种：一种是横向各向同性(简称TI介质)，它具有一个垂直对称轴，在垂直于对称轴的平面内，介质是各向同性的，在其它平面内，介质是各向异性的。如周期性的薄互层就属于此类。一、基本原理（1）地震各向异性分类另一种是方位各向异性(简称为EDA介质)：它是由平行的垂直裂隙或定向的空隙所引起的，具有水平的无限次旋转轴的介质。还有其它的复杂的各向异性介质。一、基本原理（1）地震各向异性分类利用牛顿定理，广义虎克定律和应变位移方程，可以导出各向异性介质中的波动方程，利用这种波动方程，就可以研究各向异性介质中的弹性波的传播规律，这里我们先从正演模型来看各向异性情况下波场的特点。一、基本原理（1）地震各向异性分类(a)TI介质中弹性波数值模拟，在均匀各向同性介质中，在同一时刻波场波前快照是个圆，表示波的传播速度各方向相同。而在各向异性介质中，波前是一个椭圆，表示波的传播速度各方向不同。一、基本原理（1）地震各向异性分类(b)EDA介质中的三维弹性波数值模拟。在EDA介质中，考虑裂隙是垂直于地面的情况。理论研究表明：平行于裂隙面和垂直于裂隙面波前特征不同。首先，看平行于裂隙面的情况，取某一时刻的快照:有纵波和横波，它们的波前面都是圆；一、基本原理（1）地震各向异性分类(b)EDA介质中的三维弹性波数值模拟。再看垂直于裂隙面的情况，取某时刻的快照:纵波和一个横波耦合在一起，称为准纵波、准横波，此时准纵波波前为菱形，而准横波为梅花状，另有一个纯横波波前面是椭圆，若既不平行也不垂直裂隙面．则波场更加复杂。一、基本原理（2）横波双折射横波的质点振动方向垂直于波的传播方向，通过传播介质时，可以引起特定方向的偏振，横波对各向异性介质很敏感，在各向异性介质中，每一条射线路径可以分裂成两种不同速度的偏振波，而且在后续的各向同性介质中，仍然保留下来。横波双折射方位各向异性介质中横波的分裂一、基本原理（2）横波双折射这时出现两种横波，一种是沿平行于裂隙方向传播的S1波，一种是沿垂直裂隙方向传播的S2波，它们各自有对应的速度，前者传播的速度较快，叫快横波，后者传播的速度较慢，叫慢横波一、基本原理（2）横波双折射由于传播的速度不同，在各向异性介质中形成快慢横波时差，振幅衰减等，这些都与各向异性性质有关(例如，裂隙方位和密度)。因此可根据快、慢波的时差、波形、振幅衰减等反过来研究裂隙的方位和密度。一、基本原理横波双折射特点：（a）EDA介质中弹性波地面地震记录模拟：一、基本原理横波双折射特点：（b）EDA介质中弹性波VSP记录模拟第一层是各向同性介质，第二层是各向异性介质，第三层是各向同性介质.一、基本原理小结：横波特点（1）垂直面内极化的SV波在界面上有二次波型转换（2）水平面内极化的SH波在界面上没有波型转换，也称自生波。（3）转换横波P-SV一、基本原理3．反射横波的时距曲线（1）SH反射波的时距曲线tos为横波的双程垂直旅行时。是双曲线。vxttsos2222一、基本原理（2）水平反射面上的P-SV波的时距曲线tpo为纵波的单程垂直旅行时，tso为横波的单程垂直旅行时。由得：近似为一条双曲线。vxtvxttxxxssspppsp22202220xxxtvvvhtpspospsso,vxxtvvvxttsppospppp2222220一、基本原理（3）倾斜反射面上的P-SV波的时距曲线是一条二次曲线。sspsspppstgtgtghxvxhvhtsincoscossincosvvpssppsinsinxvxvvtvtvxtvtxttssssoppospsospsopsps222222202sinsincossinsin2vhvhtttspsopopso一、基本原理4．横波的能量分配（a）α=0时，61%纵波能量向下透射，39%反射；（b）近于临界角（33度），透射能量急剧减小；（c）临界角后，所有能量都反射了，反射纵波能量占10%，P_SV波占90%。（d）0~90度，输入地下的横波能量为纵波能量的3倍。二、横波的野外观测3．多波采集方式（1）九分量采集真正的多波采集勘探是用三个震源(一个纵波、两个横波)激发，三分量检波器接收。这样可以得到九分量记录。二、横波的野外观测3．多波采集方式（1）九分量采集这样可以得到九分量记录。二、横波的野外观测3．多波采集方式（2）四分量记录在已作过纵波勘探的地区，可以采用四分量记录，即两个横波震源，两个横波检波器。二、横波的野外观测3．多波采集方式（3）三分量记录一个纵波震源，三分量检波器，也叫转换波勘探，这样记录到耦合在一起的纵波、转换波，经过波场分离可得到纵波、转换横波，大大节省了采集费用和提高了效率。二、横波的野外观测4.观测系统观测系统设计的主要参数包括最小炮检距、最大炮检距、道间距、覆盖次数和接收参数等。在资料处理中，缺少小炮检距的资料会降低速度分析对反射层的分辨率，而缺少大炮距的资料会降低速度分析对速度的分辨率，这都不利于确定精确的纵、横波速度比，这在设计观测系统时要加以考虑。(1)最小炮检距。由于转换波在近炮检距的反射能量较弱，一般认为偏移距(最小炮距)应该加大。但是考虑到要接收纵波反射时，偏移距不宜过大，一般仍采用纵波观测系统所设计的偏移距。二、横波的野外观测4.观测系统(2)最大炮检距。最大炮检距的选取一般与目的层的深度、目的层的转换波反射系数有关。由于转换波在大入射角时才会有足够的能量，所以，一般情况下，最大炮检距要比纵波勘探的最大炮检距大。(3)其它如道间距、覆盖次数等参数与常规纵波勘探类似。(4)由于转换波频率较低，接收仪器的频率要比接收纵波时低一些。二、横波的野外观测波型与地震分量之间的关系震源类型波型激发位置井口时间横锤SH波地面无水平可控源SH波地面无三井法SH波井中有二、横波的野外观测检波器震源XYZXSVSV-PYSHZP_SVPX为测线方向，Y为垂直测线方向三、多波的资料处理1.多波资料处理流程三、多波的资料处理（1）波场分离理论模型三、多波的资料处理（1）波场分离实际记录三、多波的资料处理2转换波资料处理流程三、资料处理（1）P-SV波的水平叠加问题三、资料处理（2）共转换点道集选排a)转换波时距方程三、资料处理（2）共转换点道集选排b)转换点的确定要把纵波的水平叠加技术应用到转换波中，必须找到真正的共转换点，关键是求时距方程中的xp，可推导出公式求出xp。三、资料处理（2）共转换点道集选排c)共转换点道集的抽取三、资料处理（2）共转换点道集选排d)转换波速度分析由于在转换波的处理中，转换点坐标的计算与纵波、横波速度有关，而速度分析又需要转换点道集，因此转换波的速度又分为两部分内容，先在共中心点道集上作初步速度分析，后在转换点道集上进行精细速度分析，反复迭代可求得高精度的转换横波叠加速度三、资料处理（2）共转换点道集选排d)转换波速度分析三、资料处理d)转换波速度分析——三次迭代速度谱图三、资料处理（2）共转换点道集选排e)转换波水平叠加由于转换波路径不对称性，如要利用共转换点进行叠加，则在抽取道集时，要进行地面元的划分，面元划分的标准应当是在不影响分辨率的情况下，使得各个面元的覆盖次数尽量一致，使各面元上的炮检距变化范围一致。常规方法是以半个道间距为面元的宽度和面元中心间距来划分面元。三、资料处理（2）共转换点道集选排e)转换波水平叠加四、横波资料的解释与应用1．横波和纵波层位的对比四、横波资料的解释与应用2．纵波和横波的联合应用（1）利用纵横波的振幅信息直接寻找油气a）直接检测：对于含水砂岩，纵波、横波均表示弱反射，对含煤砂岩，纵、横波均为强反射，但对于含气砂岩，纵波为强反射，横波为弱反射，这样就直接检测了气藏。四、横波资料的解释与应用2．纵波和横波的联合应用（1）利用纵横波的振幅信息直接寻找油气a）直接检测：四、横波资料的解释与应用2．纵波和横波的联合应用（1）利用纵横波的振幅信息直接寻找油气b)多波AVO。因为地震波振幅的变化与许多因素有关，多解性很强，如果不仅用纵波也用横波、转换波，就会大大减少多解性。多波AVO是将纵波和横波的AVO结合起来综合应用，不但可以去伪存真，还可以得到更多的岩石物理参数，并能提高有些参数的精度。四、横波资料的解释与应用2．纵波和横波的联合应用（2)用速度比研究岩性变化（3）根据速度比求岩石的弹性参数（4）由波的旅行时比和速度比之差异鉴别岩层的各向异性四、横波资料的解释与应用2．利用横波分裂研究裂隙前面提到地震横波入射到各向异性介质中会产生横波双折射，产生快、慢波。当地下存在含裂隙地层时，表现为各向异性，含裂隙油气储层中的裂隙分布控制油气产量，所以研究裂隙的方位、密度对油气田勘探与开发具有重要意义，利用地震波在含裂隙介质中传播的特征，可反演裂隙的参数。四、横波资料的解释与应用2．利用横波分裂研究裂隙【思考题】1．横波特点（1）垂直面内极化的SV波在界面上有二次波型转换（2）水平面内极化的SH波在界面上没有波型转换，也称自生波。（3）