随着地震勘探技术的快速发展和日趋成熟, 多波多分量联合地震勘探已经成为复杂油气藏和非常规油气勘探的重要技术手段之一^[1]。横波地震勘探技术作为一种多波地震勘探手段, 始于20世纪30年代的前苏联, 随后美国和法国等国家相继对横波地震勘探技术进行了研究, 以期利用横波传播速度低的特点来获得比纵波分辨率高的地震资料^[2], 但由于该方法技术及相关装备发展的限制, 并未获得预期的研究成果。直到20世纪80年代前后, 多波多分量地震勘探技术才受到更多人的关注并投入了更多的研究经费, 因此在理论方法与技术装备等研究领域取得了较大进展, 获得了显著的实际应用效果, 已迈入工业化应用阶段^[3]。与此同时, 受限于纯横波地震勘探的高成本和横波震源的局限, 低成本的转换横波地震勘探逐渐取代了纯横波地震勘探。近年来随着研究经费的进一步增加和对新技术的不断探索, 横波勘探技术得到了大力发展, 特别是在国内, 横波勘探发展迅速, 作为一种新的勘探手段为油田勘探开发和增储上产提供了新的研究方向。

柴达木盆地三湖地区作为生物气勘探的主要地区, 生物气资源量丰富, 气藏类型主要包括低幅度构造气藏和岩性复合气藏。三湖驼峰山地区位于三湖凹陷北部斜坡, 其新近系生物气田埋藏浅。在新近系七个泉组的沉积时期, 受三湖凹陷中心沉降作用影响, 其周边前缘发育滨浅湖沉积体系, 沉积相带变化快^[4], 薄层泥质粉砂岩和粉砂岩为该区储集层的主要岩性^[5-7]。由于该区含气层段多, 含气丰度高, 故以往采集的纵波地震资料能量吸收严重、频率衰减快, 成像效果差, 含气下拉造成低幅度构造恢复有误^[8-9], 增加了储层预测及含气检测的难度和多解性。

为了解决纵波地震勘探的问题, 前期在三湖地区部署了基于转换横波的多波多分量三维地震勘探, 得到的转换横波地震资料在一定程度上解决了气云区的构造成像和构造形态恢复问题。因转换横波包含半支入射纵波的信息, 故受到气云区的影响时仍存在气云区纵波地震资料所面临的问题, 难以满足低幅度构造识别和薄储层预测的地质需求。

近年来, 国内外地球物理公司及其物探技术装备厂商致力于横波震源的研发, 特别是致力于SH横波可控震源的研究, 实现了横波可控震源技术首次突破及产业化, 奠定了纯横波地震勘探的技术装备基础, 有望有效降低纯横波地震勘探的成本进而提升工程的可实施性。针对柴达木盆地三湖北斜坡的盐湖及驼峰山地区地质问题, 在该区开展了SH横波可控震源采集现场试验, 获取了高品质纯横波地震资料。纯横波地震资料消除了气云及浅层异常所带来的干扰, 大大改善了资料信噪比和分辨率, 为纵、横波联合勘探提供了良好的基础。

本文尝试利用横波地震勘探得到的高品质地震资料, 在纵波、纯横波精细处理基础上, 进行纵、横波地震资料联合解释。理论研究表明: 利用线性化纵波的振幅随偏移距变化(AVO)和有限偏移距的数据难以反演出可靠的横波速度和密度信息; 纯横波地震直接由横波震源激发产生横波, 与横波速度直接相关, 可以反演出更准确的横波速度信息^[10]。因此, 利用纵波叠前AVO同步反演得到纵波速度信息, 利用横波叠前AVO同步反演得到横波速度信息, 综合分析上述信息并进行岩性预测与流体识别研究, 可以提高预测成果的精度。

地震资料中纵波与横波由于传播速度不同、地下传播路径不同、对流体的响应也不同, 因而其剖面反射特征也不同。在通过地下含气岩层的时候, 纯横波地震数据不受流体影响, 能够获得更好的成像效果, 恢复气云区真实构造, 提高断层识别能力和构造解释精度。根据纵向分辨率与地震波长的关系可知, 地震波长越小, 纵向分辨率越大, 在纵波和横波频带宽度和主频相当的情况下, 纯横波传播速度低, 波长短, 因此其地震资料纵向分辨率比纵波地震资料分辨率高得多。研究表明, 横波特别是浅层横波传播速度远低于纵波传播速度, 约为纵波传播速度的1/2到1/6, 因此, 在厚度相同介质中横波的传播时间更长, 横波对应的时间记录剖面中同一目的层位的时间记录为纵波剖面的2倍以上^[11]。基于横波的这些特点, 横波地震勘探在浅层地震勘探中得到了广泛的应用。在中、深层的地震勘探中, 由于勘探成本和横波可控震源技术的限制, 横波地震勘探效果一直不佳。新型高精度横波可控震源技术突破原有的技术限制, 在三湖驼峰山地区特殊的地质条件下得到成功试验及应用, 保证了横波原始地震资料品质, 使其在频带、信噪比、传播深度方面都与纵波相当, 充分体现了横波地震勘探的优势。图 1为三湖地区过驼峰山构造的纵波与纯横波叠前时间偏移二维地震剖面, 两者差异明显。

图 1(Fig. 1)

图 1 过三湖地区驼峰山构造的叠前时间偏移地震剖面 a 纵波; b 纯横波

纵波和纯横波剖面在气云区的成像特征差异大。图 1a中的纵波剖面气云区因地层含气产生目的层反射轴下拉现象, 进而导致构造形态发生畸变, 含气区纵波能量衰减严重导致地震反射波成像效果较差, 无法表征真实的构造特征。图 1b的纯横波剖面较好地消除了气云的影响, 构造成像得以恢复, 可以看到一个简单的背斜构造受构造应力作用发育多组断层, 形成多个断阶, 层位、断层等反射波阻特征清晰且易于解释。

纵波和纯横波剖面上断裂特征差异大。图 1中气云区左侧F1断层在纵波和纯横波剖面上均可解释, 但气云影响纵波剖面断层解释的准确性; F7断层只在纯横波剖面清晰显示且易于解释, 而纵波剖面受气云影响无法对其成像并解释; F2, F3断层在纵波剖面上显示为一个Y字形组合断层, 断层下部因为气云影响无法准确解释, 而纯横波剖面上, 上部F2断层以右倾断层为主, F3断层以左倾断层为次, F8断层右倾断层位于F2断层左侧, 共同形成断层组, 这条断层在纵波剖面上无法成像并解释; F4, F5断层在纵波剖面显示为一个左倾断层与一个右倾断层相交于浅层形成的一个断层组, 而纯横波剖面显示的是左倾的几条断层构成的一个断裂带, 而F5断层右倾的特征不明显; F6断层在纯横波剖面上显示的是一个左倾的断层组(断裂破碎带), 纵波剖面上显示的是一个左倾的断层; F9断层在纯横波剖面上显示为一个右倾的断层, 而纵波剖面上难以识别该断层。整体来看, 纯横波剖面对断层的识别能力更强, 气云区的断裂特征完全得到刻画, 气云区外的断裂展布特征也更清晰, 可以识别出更多的断层, 对小断距断层的识别能力更强。

由于横波的传播速度较低, 同样的地震主频下横波地震勘探得到的地震资料分辨率比纵波地震勘探资料高出很多。经过保真保幅处理后的高分辨率横波地震资料有助于识别小构造、小断层、薄层、尖灭等小尺度的地质构造。

图 2a、图 2b和图 2c分别为三湖驼峰山地区过X井的纵波域纵波地震剖面、横波域纯横波地震剖面和转换到纵波域的纯横波地震剖面, 图中测井曲线为自然伽马曲线。可以看到纵波和纯横波剖面差异明显, 一是由于纵向分辨率的不同导致对地下岩层界面的识别能力有所差异, 二是由于纵波反射特征是对地下孔隙流体和岩石骨架的综合响应, 纯横波反射特征只是地下岩石骨架的响应, 因此两者对相同岩层界面的地震响应有所不同。在分辨率较低的纵波地震剖面上, 一个同相轴往往与伽马曲线上多个薄层砂泥岩变化对应, 不能完全区分不同的薄层砂泥岩, 横波域的纯横波剖面和纵波域的纯横波剖面上的反射同相轴均与伽马曲线的砂泥岩变化有良好的对应关系, 基本上一个同相轴对应一套岩性变化。对目的层段纵波域的纵波地震资料和横波域的纯横波地震资料进行频谱分析(图 3a和图 3b), 可以更直观地看出纵波和纯横波地震资料的分辨率差异, 纵波域的纵波地震资料的频谱范围约为5~60 Hz, 主频约为35 Hz, 横波域的纯横波地震资料频谱范围同样约为5~60 Hz, 主频约为35 Hz, 纵波和纯横波频带和主频相当。纯横波传播速度低, 因此纯横波比纵波地震剖面的纵向分辨率高很多。转换到纵波域的纯横波地震资料的频谱范围约为5~120 Hz, 其对应的主频可以达到70 Hz(图 3c)。纵波域的纯横波地震资料主频为纵波地震资料主频的2倍, 其纵向分辨能力也提高了2倍, 这也更好地说明了纯横波地震资料对薄互储层识别更具优势。

图 2(Fig. 2)

图 2 三湖驼峰山地区过X井的地震剖面 a 纵波域纵波地震剖面; b 横波域纯横波地震剖面; c 转换到纵波域的纯横波地震剖面

图 3(Fig. 3)

图 3 三湖驼峰山地区目的层段过X井地震资料频谱 a 纵波域的纵波; b 横波域的纯横波; c 转换到纵波域的纯横波

不论纵波还是横波的叠前AVO同步反演, 都是利用振幅随偏移距变化的叠前道集数据来反演包括纵波速度、横波速度、密度等的储层弹性参数。叠前AVO同步反演考虑了入射角与反射系数的关系, 充分利用了叠前道集的AVO信息, 因此可以得到比叠后波阻抗反演更加真实的地下地层的阻抗信息, 其理论基础是Zoeppritz方程及其衍生的一系列近似简化式。因为Zoeppritz精确方程的形式太过复杂, 不易于直观看出各个参数之间的关系, 所以实际应用时大都使用其近似简化式^[12]。对于纵波来说, 叠前AVO同步反演技术已经成熟, 因此通常根据测井资料和地层框架模型建立纵波阻抗、横波阻抗及密度的初始模型, 将其作为约束, 然后通过一定的算法对CRP道集或者部分叠加数据进行叠前AVO同步反演, 求取纵波阻抗、横波阻抗和密度不同属性数据体, 最后换算得到其它反映岩性、物性、流体敏感性的弹性参数并进行分析^[13]。

目前, 多以Aki与Richards简化式为基础来构建纵波反射系数近似表达式R_PP(θ), 具体如下:

式中: v_P, v_S, ρ分别为界面上、下地层的纵波速度、横波速度和密度的平均值; Δv_P, Δv_S, Δρ分别为界面上、下地层的纵波速度、横波速度和密度的差值; θ为纵波的入射角与透射角的平均值^[14]。

(1) 式给出了地震波以非零角度入射时, 纵波反射系数与纵波速度、横波速度和密度之间的关系。

对于横波的叠前AVO同步反演, 以Aki与Richards简化式为基础构建的横波反射系数近似表达式^[15]R_SS(β)如下:

式中: β为横波的入射角与透射角的平均值。

(2) 式给出了地震波以非零角度入射时, 横波反射系数与密度、横波速度之间的关系。

根据褶积模型理论, 假设噪声为N, 横波地震记录可以表示为:

式中: D为地震数据记录; W为子波褶积矩阵; R_SS为横波反射系数矩阵。R_SS可以表示为:

式中: M代表由地层弹性参数组成的矩阵; G代表R_SS与M之间的映射矩阵。

令A=－1/2(1－4sin²β), B=－(1/2cos²β－4sin²β), 则不同入射角时横波反射系数的矩阵表达式为:

将(4)式代入到(3)式中得到地震记录表达式为:

将(5)式代入(6)式中, 得到不同入射角时横波地震记录的矩阵表达式为:

横波叠前AVO同步反演的具体实现过程中, 首先需要给出初始模型M_初, M_初由测井得到的地层弹性参数和地层框架模型构建得到, 根据(7)式计算得到合成记录D_合, 然后求取实际地震记录D_实与合成记录的L₂范数^[16]:

当L₂范数达到设定的迭代终止条件时, 即初始模型与实际模型的差别趋于最小时, 停止反演, 此时的M便是反演结果; 如L₂范数不满足迭代终止条件, 则继续迭代更新M, 直到满足迭代终止条件, 得到最优的反演结果M。本文采用最小二乘法迭代更新M_初。

在实际应用中, 充分利用纯横波地震资料的优势开展纵、横波地震资料联合解释。涉及的关键解释技术如下。

1) 纵波纯横波井震联合标定。它是保证后续纵、横波联合解释工作顺利进行的基础。横波资料的合成记录标定和纵波合成记录标定的方法类似, 需要利用横波速度曲线和密度计算对应的横波波阻抗, 再生成横波反射系数序列与横波子波褶积得到横波合成地震道^[17]。对比纵波和纯横波标定结果, 使合成记录分别与各自的地震资料匹配, 并保证两者之间主要标志层的波组特征基本一致。

2) 纵波纯横波精细构造解释。在精细标定的基础上, 根据地质构造特征和岩性特征不变性原则、厚度一致性原则等开展全工区纵波纯横波目标地质层位和断裂体系的解释。对比纵波、纯横波构造成图结果, 利用纯横波地震资料的优势进行构造和断裂特征研究。

3) 储层敏感参数分析与选取。将岩石物理研究和敏感参数分析作为叠前弹性参数反演的基础和成果解释依据, 通过测井成果的地球物理参数交会分析、岩石物理建模等方法找出对储层(油气)最敏感的弹性参数, 用于指导下一步储层反演和预测效果分析^[18]。

4) 纵波、纯横波时间域匹配和叠前AVO同步反演综合分析。对纵波和纯横波道集进行入射角度分析和近、中、远地震数据部分角度叠加, 开展纵、横波联合匹配: 首先在精细纵、横波井震联合标定的基础上进行井点处纵波、纯横波时间匹配; 再利用目标层位匹配拓展到整条剖面, 完成纵波、横波时间域匹配, 将纯横波近、中、远部分叠加地震数据转换到纵波域; 在此基础上, 分别提取纵波和纵波域纯横波的近、中、远井旁道子波, 利用解释层位建立地质框架模型。叠前AVO同步反演主要的实现过程如下: 采用反距离加权算法将测井纵波阻抗、横波阻抗和密度曲线进行空间插值, 得到初始模型, 将其作为反演的初始输入和约束条件, 补充反演结果的低频信息^[19]; 再分别输入纵波时间域的分角度部分叠加数据、井震标定后的测井曲线、近、中、远井旁道子波、初始模型来实现纵波、纯横波反演; 最后综合分析纵波和纯横波叠前AVO同步反演结果, 开展砂体预测和流体识别。

三湖驼峰山地区构造气藏具有孔隙度高、含气层多的特征, 以往纵波地震剖面上“气烟囱”现象明显^[17], 气云区构造成像差, 构造细节和断裂展布落实不清, 含气层段多而薄, 含气层段预测精度低。因此, 前期实施的纵波、转换波勘探均不能彻底解决气云影响, 进而影响真实构造恢复, 难以满足低幅度构造识别及岩性气藏预测的需求。本文对采集的高品质纵波和纯横波地震资料联合解释, 优势互补, 有效解决了该地区的地质问题。

图 4为工区内实测横波测井目的层段合成记录标定结果, 可以看到, 纵波和纯横波合成记录与各自地震反射对应特征相似度较高, 纵波和纯横波之间几个关键标志层的特征表现一致, 例如七个泉组K₁反射层在纵波和纯横波合成记录上均表现为中强波谷反射, K₂反射层均表现为中强波峰反射, K₅反射层均表现为强波谷反射特征, K₆反射层则表现为强波峰反射。纵波和纯横波对同一岩层的地震响应有所不同, 且纵波和纯横波地震资料的纵向分辨率也存在较大的差异。我们正是利用上述差异来预测砂体和识别流体。总体而言, 纵波和纯横波井震标定质量较高。

图 4(Fig. 4)

图 4 工区内实测横波测井目的层段合成记录标定结果 a 纵波; b 纯横波

在纵、横波精细井震标定的基础上完成全区目标层位和断裂系统的剖面解释, 得到如图 5所示的过气云区构造主体部位的纵波和纯横波地震剖面。利用纵波和纯横波地震资料解释成果分别进行地质成图得到的驼峰山构造区K₉地震反射层的等T0图, 结果如图 6所示。从图 5可以看到, 纵波等T0平面图上标注的气云区即驼峰山构造顶部因含气下拉变成向斜构造, 受含气影响气云区地震资料信噪比低, 断裂展布不清楚, 相应的纯横波等T0图上驼峰山构造得到恢复, 整个构造形态呈西南低东北高的单斜展布。纵波等T0图上标注的下拉区表现为局部向斜, 在相应的横波等T0图上, 该区域被恢复成局部构造高或单斜构造, 虚线箭头标注的区域在纵波等T0图表现为局部构造高, 而在纯横波等T0图表现为单斜, 对比分析可知, 纵波等T0图上表现的局部构造高是其西侧构造含气导致的下拉现象, 进而形成的假构造高。图 6b的断裂展布特征比图 6a表现得更丰富、走向更准确, 气云区新增加了两条断层F7, F8, F1断层得到延长, 非气云区增加了F9断层。利用纯横波地震资料解释成果进一步变速成图得到构造特征。统计各目的层实钻井的地质分层与地震成图的误差, 发现实钻井的相对误差都控制在2%以内, 符合构造成图作图规范标准, 尤其是气云区钻井的误差比原来纵波地震数据构造成图的误差更低, 相对误差从原来的3%缩小到2%以内。总之, 纯横波地震资料对目的层构造形态的反映更加真实, 构造幅度更加真实可靠, 断裂发育特征更加清晰和全面, 因此利用纯横波地震资料解释成果可以得到更加准确的构造特征。

图 5(Fig. 5)

图 5 过气云区构造主体部位的纯横波(a)和纵波(b)地震剖面

图 6(Fig. 6)

图 6 三湖地区驼峰山构造区K9地震反射层等T0图 a 纵波; b 纯横波

选取研究区内产气井测井曲线资料较全的井, 利用交会图法对纵波阻抗、横波阻抗、纵横波速度比及泊松比等弹性参数进行交互分析以及敏感参数优选, 最终得到了敏感的岩性和流体识别弹性参数。图 7a和图 7b分别为实际测井纵波阻抗与纵横波速度比交会结果以及横波阻抗与纵横波速度比交会结果, 红色散点代表气层, 蓝色散点代表泥岩, 绿色散点代表砂岩。从纵波阻抗与纵横波速度比交会结果可以看出, 气层表现为低纵波阻抗、纵横波低速度比的响应特征, 利用纵横波速度比识别气层的效果更好, 因纵波阻抗叠置严重, 故无法很好地区分岩性; 从横波阻抗与纵横波速度比交会结果可以看出, 横波阻抗对砂泥岩具有较好的分异性。因此后续反演预测储层和流体时, 利用横波阻抗区分岩性, 利用纵横波速度比识别流体。

图 7(Fig. 7)

图 7 产气井测井曲线交会结果 a 纵波阻抗与纵横波速度比交会; b 横波阻抗与纵横波速度比交会

钻探证实, 本区除在构造高部位发育构造气藏外, 斜坡带内目前已证实的含气砂体均为薄层滩砂, 连通性较差, 纵向无主力砂体。而纵波地震资料分辨率远低于单砂层的厚度, 单纯依靠纵波地震资料难以进行单砂体刻画, 识别岩性气藏。因此, 需要利用横波高分辨率地震叠前AVO反演进行砂体预测, 结合纵波反演综合识别流体。

经过纵波和横波的叠前反演处理后得到纵波阻抗、横波阻抗、纵横波速度比等多种弹性参数, 利用上述参数进行储层和流体预测。X井实钻两套主产气层, 两层日产气共计超过5 000 m³, 气层薄, 主要岩性为粉砂岩及泥质粉砂岩。从前述构造图得知X井处于构造斜坡部位, 并未形成有效构造圈闭, 因此判定该气藏类型为岩性气藏。图 8a为过X井纵波叠前反演得到的纵波阻抗剖面, 其剖面纵向分辨率较低, 但是仍然可以看到黑色线段标注的两套产气层段对应蓝绿色低阻抗特征, 这与岩石物理分析结果吻合, 说明地层含气导致其纵波阻抗降低。K₁₀标示的第1套气层对应蓝色低阻抗层段, K₁₁层附近的黑色线段标示的第2套气层对应相对上、下围岩相对低阻抗的蓝绿色层段。图 8b为过X井横波叠前AVO同步反演得到的横波阻抗剖面, 黑色线段标示的两套产气层段对应砂岩, 相比上、下围岩, 砂岩表现为红黄色或黄绿色的相对高阻抗特征, 这与岩石物理分析结果一致, 这表明横波不受含气影响, 且黑色线段所标示的井点附近的砂体是不连续分布的, 这种特征与本区目的层段三角洲前缘相砂泥交互叠置的特征相吻合, 横波阻抗可以更好地反映岩性的空间展布特征和变化, 储层的纵向分辨率也得到了极大提高。图 8c为纵横波速度比剖面, 分辨率同样得到了提高。两套气层与红黄色代表的低速度比特征对应, 这与产气井气层纵横波速度比降低的特征吻合。这几种属性所反应的特征相互印证, 也进一步证实了X井附近发育岩性气藏。

图 8(Fig. 8)

图 8 过X井的叠前反演属性剖面 a 纵波阻抗剖面; b 横波阻抗剖面; c 纵横波速度比剖面

图 9为井点处反演结果与实际测井曲线, 可以看到, 反演结果与实测曲线的趋势基本一致, 横波阻抗的分辨率比纵波阻抗的分辨率高, 与实测曲线吻合度更高。利用相对误差来分析反演结果的精度, 相对误差越小代表反演精度越高。统计得到的纵波阻抗反演结果相对误差为4.656%, 横波阻抗反演结果的相对误差为2.895%, 横波阻抗反演结果的相对误差较小, 这是因为横波地震资料纵向分辨率高, 反演的细节匹配度更高, 也证明了本次横波叠前反演的可靠性。

图 9(Fig. 9)

图 9 井点处反演结果(红色)与实际测井曲线(黑色)

1) 综合分析三湖驼峰山地区纵波和横波地震资料的应用效果可知, 三湖驼峰山地区横波地震资料相比纵波地震资料在地震资料分辨率、气云区构造精确成像以及断裂断点识别方面更具优势, 为构造气藏或构造岩性气藏的识别奠定了地震资料基础。

2) 利用高分辨率的纯横波地震资料进行叠前AVO同步反演结果精度更高, 对薄砂体识别更具优势, 结合纵波反演结果进行综合分析可以有效识别薄气层, 为岩性气藏识别提供有效的技术支撑。

3) 基于SH横波可控震源采集的高品质纯横波地震资料为纵波和横波地震资料在三湖驼峰山地区的联合应用打下了坚实的地震资料基础, 其良好的应用效果也为下一步横波勘探从二维向三维推广提供了有利支撑, 可以推动横波勘探更快发展。