陆上高分辨率多分量地面地震勘探的潜力和策略

陆上高分辨率多分量地面地震勘探的潜力和策略张山江苏南京卫岗21号，210014摘要本文从理论分析、物理模型试验、VSP记录和地面地震记录四个方面分析了陆上高分辨率多波多分量地震勘探的潜力；分析了现行生产中影响多波多分量地震勘探分辨率的几个关键因素；提出了提高陆上多波多分量地震勘探分辨率的基本策略。认为通过努力可以把陆上多波多分量地震勘探的分辨率提高到现有纵波高分辨率地震勘探的水平。一、引言相对于常规的纵波勘探而言，多分量地震勘探增加了有关横波的独特信息，这些信息的增加意味着岩性/油气预测和储层描述的可靠性和精度将成倍增加；同时对某些P波不能很好成像的特殊层位也可能得到较好的成像。概括起来，多分量地震勘探可以解决或有潜力解决以下几个方面的问题：（1）综合利用多分量地震资料提供的纵波速度Vp、横波速度Vs以及由此导出的泊松比、速度比、速度积等,可直接预测岩性和油气，估算砂泥比、孔隙率、地层压力等参数，评估流体性质；（2）改进盐岩、玄武岩下成像，改进气藏及弱P波波阻抗差界面成像；（3）提高储层描述和横向预测的可靠性；（4）研究地层的横向各向异性，描述裂隙性储层的发育特征。近年来，随着海底接收技术的发展，海上4C地震勘探技术取得了长足的进展，对上述问题大都取得了令人满意的结果。但作为多分量地震勘探起始点的陆上多分量地震勘探，虽经多年努力，在解决上述问题上却没能取得多少令人满意的结果。究其原因就是因为分辨率太低，所得结果对岩性/油气预测或储层描述意义不大。在现实生产中需要采用多分量信息的地区都是非构造控制油气的隐蔽型圈闭，解决这些地区的油气/岩性预测或储层描述问题，必须采用高分辨率的资料才能得出有意义的结果。因此，提高多分量地震资料的分辨率，尤其是横波分量的分辨率，是多分量地震勘探能否在陆上非构造控制油气区推广应用的前提，也是在这类地区能否可靠预测油气、精确描述储层的重要方面。陆上多分量地面地震勘探的出路在高分辨率。目前，我国绝大部分构造控制油气区都已得到了较充分的勘探开发，油气勘探开发的重点正在转向非构造控制油气区。因此，开展陆上高分辨率多分量地震勘探具有非常现实的意义，也具有相当的紧迫感。我们知道，地震系统的分辨率主要取决于地震子波的有效频带宽度；在现实生产中，主要是向高频方向拓展有效频带。具体到多分量地震勘探而言，它所关心的波型是PP波（纵波入射产生的纵波反射）和PS波（纵波入射产生的横波反射）。大量的多分量地震勘探实践和高分辨率与转换波联合勘探试验证明，多分量地震勘探提高分辨率的瓶颈在PS波方面。鉴于纵波高分辨率地震勘探已得到了广泛的推广应用，高分辨率多分量地震勘探的核心问题是提高PS波分辨率的问题。只要我们克服了资料采集和处理等各个环节上影响PS波分辨率的各主要因素，再结合纵波高分辨率勘探的原则、方法和经验，高分辨率多分量地震勘探也就基本成功了。因此，本文主要从PS波方面，或者更具体地说，从PS波的频谱成分方面，来分析高分辨率多分量地震勘探的潜力和策略。二、提高陆上多分量地震勘探分辨率的潜力当初，着眼于横波波长小于相应纵波波长，人们把提高分辨率作为横波地震勘探和多波多分量（转换横波）地震勘探的重要目的之一。经过多年的试验，人们发现横波或多波地震勘探的分辨率往往低于相应的纵波地震勘探。于是，在油气地震勘探中人们不愿再把高分辨率与横波（包括转换横波）联系在一起；即使纵波高分辨率地震勘探已然成熟且大面积推广的今天也是如此。现在，有相当一部分专业人员认为横波（包括转换横波）的地震应响应具有低频化倾向。然而，这种认识是不全面的。就地面人工激发的横波而言，这种认识基本上是正确的；但绝不能套用到PS波上。下面，我们从几个方面加以说明。1、理论上地震波在分界面上的转换不具频散性单色波在多层介质中传播、转换时，频率不变是其基本特征；但随着介质中相应波型、波速的变化，其波长按同一比例变化。纵波在界面上发生反射、透射、转换时，能量分配系数不具频散性。因此，理论上入射纵波与相应的反射纵波、转换横波具有相同的频谱成分。上述分析，实际上隐含着一个前提条件，就是不同层位的反射波或转换波不存在互相干涉。但在实际资料中，这是不可能的，由于薄互层的综合滤波响应及纵、横波的波长不同，总会导致纵波及相应转换横波的频谱之间出现差异。这种综合滤波作用完全依赖于薄互层的物性差异、层厚和纵/横波波长，它不一定对纵波高频成分有利而对横波高频成分不利；反之亦然；它完全取决于具体的情况，而与波型无关。2、物理模型试验证明了理论的正确图1是双层介质中所做的物理模型结果，试验中为保证不发生薄层滤波作用，双层介质的厚度远大于所用波长。结果表明，PP波与PS波的频谱特征非常一致。总结上述分析，我们可以说，理论上转换横波的高频成分不一定比相应纵波的高频成分差。也就是说，理论上多波（PP波和PS波）地震勘探的分辨率潜力不比纵波的分辨率潜力低。3、横波的吸收不一定比纵波严重在以往的陆上多波多分量地震勘探中，也有人把造成PS波低频化的原因归结于横波的吸收，认为横波的吸收比纵波严重。其实，实际情况可能并非完全如此。图2a中箭头区间内的同相轴分别是来自同一深度区域的VSP上行纵波和上行PS波。我们可以看到，上行纵波与上行转换横波具有基本相同的分辨率，转换波分辨率似乎更高一些。图2b上的频谱是用2000米深处的记录（右侧）计算的，两种波自反射界面（4300米到5800米）至接收点传播了2300到3800米，但纵波与转换波具有基本相同的频谱特征，PS波衰减并不比PP波更严重。图3a是地面地震资料，左边为径向分量，右边为垂直分量；图3b是对应的（同一接收点同一层段上的PS波及PP波，PS波1.5-1.7s，PP波1.1-1.3s）频谱。由图看到，在40赫兹以前，没有任何迹象说明横波吸收更严重；40赫兹以后，横波仍存在足以拓宽有效频带的能量。如果我们能够把PS波的有效频带拓宽到6—66赫兹，则其分辨率足可与常规纵波高分辨率（10—100赫兹）比拟，甚至更高（相对带宽大）。在近地表固结较好的地区，横波吸收并不比纵波大多少，可以期望PS波分辨率大于PP波。综上所述，无论从理论分析、物理试验分析，还是从实际资料分析，都说明转换横波具有提高分辨率的潜力；如果这一潜力得以充分挖掘，我们至少可以期望转换横波（进而多波勘探）的分辨率达到现行纵波高分辨率的水平。三、现行多分量地震勘探中影响分辨率的主要因素然而，在现实生产中，陆上多波多分量地震勘探的分辨率往往很低（主频为20赫兹），基本上不能达到可靠预测岩性/油气以及精确描述储层的要求。也就是说多波勘探的优势和潜力没有得到现实的发挥。我们认为，造成这种后果的主要原因是，在以往的多波勘探中没能正确地对待原始资料中实际存在着的高频PS波成分。下面就影响PS波分辨率的主要因素进行简略的分析。1、采集阶段（1）组合基距过大，造成低速PS波尤其是大偏移距道上的PS波低频化。组合对PS波的低频化作用大于对PP波的低频化作用。（2）大药量，随着药量的增加，高频成分的增大不如低频成分增大得多，扩大了高低频能量的差，当这一差超出仪器动态范围时，高频成分就没有机会被转换成数字记录。（3）组合接收时，检波器不在同一水平面上引起低速PS波以较大的时差被叠合，产生低频化。（4）由于横波速度与地下水无关，近地表横波速度的横向变化远大于纵波的变化，即使检波器组合基本在同一水平面上，低速PS波仍可能以较大的时差被叠合，产生低频化；并且组合基距越大，低频化作用越大。2、处理阶段（1）对PS波而言，静校正问题是一个非常突出的问题。一方面是因为近地表风化层的横波速度远低于纵波速度（Vs/Vp：1/10∽1/5），另一方面是因为潜水面的存在没有象P波那样使S波的速度增大并使其横向均匀化。图4说明S波比P波存在更为严重的静校正问题。（2）同样，PS波的剩余静校正问题也比PP波严重，“静校不静”的问题比较突出，也是因为PS波速度低及横向变化大等原因引起的。（3）横波速度低、PS波偏移距大使得动校拉伸造成的低频化问题非常突出。图5是松辽南部盆地某区的数字模拟结果，说明动校拉伸会在该地区造成严重的PS波叠加结果的低频化。（4）多分量地震记录的水平分量（PS波分量）上往往存在较强的相干噪声，为克服这些干扰波，以往大都采用大窗口多道滤波处理手段，这是造成PS波低频化的又一个原因。（5）PS波速度分析和PS波共转换点道集生成是一个互为前提的过程，如不仔细处理，很难做到同相叠加，不但会降低分辨率，信噪比也难以达到最佳化。四、提高陆上多分量地震勘探分辨率的基本策略针对以上影响多分量地震勘探分辨率的因素，我们提出以下克服策略：1、充分利用多分量地震记录中的矢量波场特征，采用偏振滤波或矢量旋转提取有效波，避免野外大基距组合及室内大窗口多道滤波。多分量记录中的主要干扰波是来自浅层的面波、折射横波、侧面波等干扰波，它们在传播方向和偏振方向方面明显不同于来自深部的反射纵波和转换横波。这为我们通过偏振滤波分离波场提供了良好的基础。在资料处理过程中，我们必须认识到多分量地震记录的矢量特征，尽量扬弃传统的思维模式，用“矢量”的思维进行处理。2、采用组合激发降低单井激发药量，在不降低信噪比的同时提高信号源的高频含量。以往在松辽南部盆地进行的高分辨率P波与PS波联合勘探中，我们采用6kg的普通炸药就得到了较好的高分辨率P波资料和高质量的PS波资料。预计即使在某些困难地区，3井或2井垂直叠加（药量约为33kg或42kg）就有可能得到较好结果。3、利用面波提取近地表横波速度及层位结构，用于PS波静校正。由于近地表风化层的横波速度横向变化非常剧烈，想通过低速带调查准确掌握横波低速带的变化无论在方法上还是在经济上都是不现实的；然而，我们可以利用面波速度与横波速度相近并相关的特点，充分利用地面地震勘探中普遍发育的面波提取近地表横波速度及层位结构。这样不但解决了技术难题，而且也降低了勘探成本。4、采用动态剩余静校正强化PS波的同相性。由于PS波偏移距大、速度低等特点，PS波“静校不静”的问题远比PP波严重，必须采用“动态剩余静校正”解决PS波的同相性问题，即从浅到深建立多个“标准层”进行静校正分析，不同层位给出不同的静校正量。5、考虑到PS波振幅对入射角的强烈依赖性，实际上对PS波进行水平叠加在动力学上已无任何物理意义，所得结果很难解释。在Vp、Vs已知的情况下，可沿PS波时距曲线拟合特定入射角的PS波能量，并映射到零入射角。这样既克服了动校拉伸的低频化作用，又使所得结果更具物理意义和可解释性。6、充分利用近年来计算机软件技术发展的成果，建立灵活的PS波处理分析系统，进行密集的人机交互速度分析，并在此基础上进行多次共转换点（CCP）抽道—速度分析循环，提高PS波速度分析精度和CCP抽道精度。我们相信，在成功施实上述策略的条件下，再借鉴近年来纵波高分辨率地震勘探中有关的成熟方法和经验，高分辨率多分量地震堪探是可以取得成功的，从而使高分辨率地震勘探迈上一个新台阶。五、结论多波多分量地震勘探可以提供很多纵波地震勘探不能提供的独特信息，是油气田开发勘探的重要手段之一；但是，因其目前在陆上应用中分辨率不高而没能推广。分辨率问题限制了多波多分量地震勘探潜在优势和能力的发挥。开展陆上高分辨率多分量地震勘探研究势在必行。现实生产中，影响多分量地震勘探分辨率进一步提高的瓶颈在PS波方面。与传统观点不同，我们认为PS波存在进一步提高分辨率的潜力；现实生产中多波多分量地震勘探分辨率不高的关键在于采集、处理等各关键环节上，现有处理手段无法正确地对待实际存在着的高频PS波成分，即没能完全根据多分量记录和PS波的特点进行相应的采集和处理。我们认为，通过组合激发、降低检波点组合基距、采用偏振滤波、基于PS波本身的特点改进静校正和成像方法等多方面的努力，可以把多波多分量地震勘探的分辨率提高到现有纵波高分辨率勘探的水平。参考文献1、张山华素琴，四川大足高分辨率地震资料处理及效果，《石油物探》1991年第三期2、李庆忠，走向精确勘探的道路—高分辨率地震勘探系统工程剖析，石油工