多波多分量地震勘探技术进展

摘 要：综述多波多分量地震勘探技术的发展历程和应用现状,讨论多波多分量地震勘探在采集、处理和解释等相关工作领域面临的问题,并结合上述问题和国内外多波多分量勘探的发展趋势对其未来一段时间内的发展方向进行展望.

关 键 词 ：多波多分量 问题 展望

中图分类号：P631.46 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-125-02

1.引言

随着勘探难度的增加和对岩性勘探要求的日益提高,以纵波勘探技术为依托的传统三维地震勘探已经难以应对勘探过程中遇到的诸多新问题.在这样的背景下,多波多分量地震勘探技术在近年来得到了迅速的发展.所谓多波多分量勘探是指利用三分量检波器同时记录地震纵波（P波）、横波（S波）和转换波（P-S波）信号,并进行相应的资料处理和解释工作.相比以记录纵波为主的传统勘探方法,该技术能够获取更丰富的波动信息,在描述储层参数和空间展布、预测裂缝发育程度、研究储层含气性等方面表现出明显的优越性.

2.多波多分量地震技术发展历程和应用现状

针对多波多分量地震勘探的理论研究最早始于前苏联,而相应的勘探实践则自20世纪70年代以来先后在前苏联、美国、法国等国家展开.这一时期的勘探主要着力于利用横波速度低于纵波从因此在理论上能实现更高的分辨率这一特点,试图获取分辨率更高的地震资料.但由于横波在速度低于纵波的同时,其频率也低于纵波在因此传播的过程中衰减严重,采集到的横波地震资料信噪比过低,因此多波多分量勘探在该阶并未取得显著进展.

20世纪70年代末至80年代中期的多波多分量勘探开始转为综合利用纵波、横波的联合勘探,其应用主要集中于求取包括泊松比在内的岩石弹性信息和鉴别含气亮点的真伪等方面.但由于多波勘探相较于单一的纵波勘探成本过高,且在当时尚有诸多相关基础理论和技术问题未能得到妥善解决,因此多波地震勘探在岩性勘探方面的应用最终被以O为基础的纵波岩性勘探所取代.

多波多分量勘探近年来的再次兴起始于20世纪90年代海上多波地震勘探的成功.海上多波多分量地震勘探先于陆上取得成功的原因主要来自两个方面：（1）一定深度的海床相比于陆地环境噪声更低,采集到的横波资料信噪比较低；（2）海洋地震勘探面临着诸如硬海底、气柱等用传统纵波勘探难以解决的问题,这些问题的提出促进了海上多波勘探的发展.此外,海底多分量电缆接收系统（OBC）的研制成功为海上多波勘探排除了资料采集方面的障碍.

自20世纪90年代末期以来,陆上多波多分量勘探再次受到关注.基于微电子机械系统（MEMS）的三分量数字检波器的广泛应用为多波多分量勘探的实现提供了有力的技术保障.相比传统的检波器,三分量数字检波器的优越性表现在动态范围大,输出的信号频带平坦,具备较大的频带宽度,抗干扰能力强等方面.近年来的多波多分量勘探以利用P-S转换波为主,这是因为激发横波需要专门的震源而导致成本升高.相比之下转换波利用传统的纵波震源即可激发,并且同横波一样能够反映岩性和各向异性等地下信息,尽管成本仍然高于普通的纵波勘探但低于专门的横波勘探.因此,目前工业界应用较多的多波勘探方法是利用纵波激发,同时采集纵波和转换波的地震资料.

目前,海上多波多分量地震勘探正逐渐趋于成熟,而路上勘探受限于低信噪比、静校正复杂等问题尚不能完全实现商业化应用.北海地区的Alba油田是应用多波多分量进行勘探取得良好收益的典范,对P-S转换波的地震解释发现了以往纵波难以识别的含油饱和砂岩,进而从根本上改变了对该区域的油藏构造认识.我国多波多分量勘探应用较为成功的案例是南海西部的莺歌海盆地多波地震勘探,应用转换波地震勘探成功解决了纵波勘探面临的“气云”问题,在中深部地层的岩性识别和含气预测方面也取得了较大进展.

3.多波多分量地震勘探相关技术

3.1 采集技术

与采集相关的技术主要包括震源、检波器、观测系统三个方面,由于需要激发并接受到横波或转换波以及纵波,多波多分量地震勘探对上述三个方面提出了比传统纵波勘探更多的要求.

目前陆上多波勘探用来激发横波的震源有三排井震源、水平可控震源、倾斜震源等,但这些方法存在的共同缺点在于成本过高对周围环境影响较大,且激发的横波衰减较快观测效果并不理想.因此采用纵波激发对,对转换波观测仍是目前多波地震勘探的主要方式.海上多波地震勘探震源则同纵波勘探一样采用空震源.

早期的陆上多波地震勘探采集使用双检波器,即除设置用于记录地面震动垂直分量的检波器外再沿水平方向设置一个用于记录水平震动的检波器,近年来微电子机械系统（MEMS）的发展使三分量数字检波器成为主流.海上多波多分量采集目前主要采用4C OBC电缆（由四个检波器组成,其中三个记录速度分量,一个记录压力分量）,将检波器组内置或外挂在电缆上铺设于海底.相比陆上作业海上多波勘探面临着更复杂的定位问题.

陆上和海上多波勘探都面临着数据量增多的问题,由于要在记录纵波信息的同时记录横波或转换波的信息因此多波勘探的观测系统记录道数相比于纵波勘探成倍的增加.此外,考虑到纵波和转换波传播特点的不同,在设置偏移距时要兼顾对二者的接收,要实现这一目的就要在施工前进行波场特征调查.

3.2 处理技术

当前针对多波多分量地震资料的处理技术根据处理流程的不同大体上可以分为两类,一类是基于标量波场理论的波场分离处理方法；另一类是基于矢量波场理论的多波联合处理方法.其中波场分离处理方法是目前应用的主流,而多波联合处理方法由于相关技术不够完善目前尚处于理论研究阶段.

转换波地震资料处理的思路大体上同纵波地震资料相同,但考虑到其传播路径的非对称性这一特点又不能完全照搬纵波资料处理中的成熟方法.目前基于波场分离理论的多波地震资料处理基本流程是首先进行波场波场分离,然后分别处理纵波和转换波.对转换波的处理主要涉及到不对称抽道集、确定转换点、噪声压制、静校正、动校正、转换横波速度分析、转换横波偏移、求取纵横波速度比等.其中,横波静校正问题是转换波资料处理面临的主要难题之一.这源自横波信噪比低、对应的低速带更加复杂,且受到各向异性的影响等方面. 3.3 解释技术

多波多分量地震资料解释的基础是做好纵、横波地震资料的层位对比,这也是其主要难点之一.在此基础上要结合VSP和测井资料等进行纵、横波联合反演.正确解释的多波地震资料可用于分析地下介质的岩性及其含油气性、识别真检测两点,利用横波分辨率高的优势可识别小断层、薄互层、尖灭等微小构造,通过横波分裂现象研究地下介质的各向异性进而发现裂缝油气藏.此外转换波资料还可以用于改善地震成像质量,在对饱含气的油藏和波阻抗差异较小的储层其应用效果尤为明显.综合多种资料信息进行综合解释是多波多分量地震资料解释的主要发展方向.

4.多波多分量地震勘探技术面临的主要问题及发展趋势

4.1 多波多分量地震勘探技术面临的问题

尽管对多波多分量地震勘探的研究迄今已经取得了较大的进展,并实现了一系列成功的商业应用,但这项新技术仍然面临着诸多尚未解决的问题,这里对其中较具代表性的几个方面进行总结：

（1）横波在传播过程中衰减严重,接收到的信号信噪比低.如何有效的去除其中的噪音,并正确认识其传播规律进行有效的静校正是利用多波地震资料的基础.

（2）当前缺乏针对转换波和横波的精确速度建模方法.由于横波和转换波的传播规律比纵波更加复杂,且缺乏相应的岩石物理实验数据,因此对这两种波尚不能进行精确的速度建模.精确的速度模型是对相应地震资料进行一系列处理的基础,对深度域成像和纵、横波联合层位对比等工作也有着重要的意义.

（3）对横波分裂不能实现准确的分析.横波在传播过程中遇到各项异性介质时会分离为极性正交的两类横波.该现象有助于认识裂缝的发育情况,进而预测裂缝油气藏.但目前对各项异性的分析在各向异性层位较多时便会出现较大误差.

（4）对多波多分量地震资料的综合解释在理论和技术上不够健全.

4.2 发展趋势

多波多分量地震勘探被认为是地震勘探领域的第四次革命.尽管该技术从基础理论层面到技术层面都还面临着诸多尚未解决的障碍,但随着勘探工作对复杂油气藏和岩性勘探要求的提高,以及对各向异性问题认识的深入认识,多波多分量勘探有着广阔的发展空间和应用前景.

在可预见的未来,多波多分量地震勘探仍将以转换波勘探取代直接针对横波的勘探,而与转换波特点相适应的处理技术将是研究的重点.现有的多波资料处理方法基本是以波场分离技术为基础,但该方法很多情况下仍然难以解决纵、横波场的耦合问题,很多情况下难以是两种波的波场真正分离开进而影响成像精度.相比之下,多波地震资料联合处理方法从理论上能根本性的避免波场耦合对成像精度的影响,但该方法目前尚在理论研究阶段且对计算能力要求较高,投入实际应用尚需时日.

目前的多波勘探更多的关注对勘探本身在采集、处理、解释方面的研究,而在多波勘探资料与其他勘探和地质资料的结合方面研究较少.事实上,转换波资料与纵波资料、VSP资料、测井资料等其他资料的综合运用将对其解释工作具有重要意义.

此外,目前尚无针对多波多分量资料进行综合处理、解释的专门商业软件,这种情况也从一定程度上制约了多波多分量勘探技术的快速发展.此类软件的开发将随着多波多分量勘探商业价值的日益凸显而受到更多的重视.

除了自身理论和方法上的完善,多波多分量勘探也将与O、时移地震、全波形反演、逆时偏移等技术实现更加紧密的结合,在微小构造解释、岩性勘探等方面发挥优于传统勘探手段的作用.