宽方位地震资料方位各向异性处理——以大庆长垣三分量地震数据为例

张丽艳 李 昂 刘建颖 杨建国 陈志德

(①中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110000； ②中国石油大庆油田勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

0 引言

随着常规油气产量的不断下降，勘探理念的不断转变和创新，页岩油、页岩气勘探、开发逐渐成为油田增储的热点领域[1]。

地下介质广泛呈现各向异性，各向异性已成为影响地震数据处理精度的重要因素，特别是复杂介质的成像精度[2-3]。裂缝储层是页岩油和页岩气主要储层类型，为中、 强各向异性介质[4]。为了利用P波或多波地震资料反演地球内部各向异性参数或了解裂缝的分布规律，考虑介质各向异性的反演技术得到发展和应用[5-7]，如AVO反演、旅行时反演、偏振反演以及全波形反演等。各向异性介质中存在横波分裂现象，利用该现象可预测裂缝的发育特征。描述沉积地层的各向异性基本模型有两种：一是由周期性薄互层或水平平行排列裂缝引起的具有垂直对称轴的横向各向同性介质(VTI介质)；二是由构造应力产生的具有水平对称轴的横向各向同性介质(HTI介质)，用来描述一组垂直排列的裂缝[8-9]。

众所周知，地震波经过裂缝性储层时振幅、速度和旅行时都受裂缝方位和密度的影响，即在不同方向上测量到的地震速度有差别，因此利用各向异性速度差异可预测裂缝密度和方位。窄方位地震资料在某些方位内存在资料的缺失，覆盖次数非常低，而在有些方位覆盖次数非常高，不同方位之间信息不均衡，势必会影响最终的成像和后续的储层预测和油气检测等。所以，宽方位资料有利于裂缝储层的研究[10-12]。Cordsen等[13]认为，宽方位采集的横向不同覆盖次数过渡带要比窄方位角小，更容易跨越地表障碍物和地下阴影带； 在速度分析和成像方面，Cambois等[14]认为宽方位成像比窄方位角成像能够提供更多有利的储层信息。

近年来宽方位地震勘探在国内外得到了广泛的应用。卡塔尔西方国际石油公司于2003～2004年在海上完成了中东第一块宽方位四分量地震采集，资料具有较高的信噪比和丰富的波场信息，很好地识别了近垂直的小断层和裂缝发育的低幅度背斜构造； BP公司于2005年在墨西哥湾进行了宽方位采集，并很好地解决了盐丘油藏成像问题。

在中国，很多油田都进行了宽方位角地震资料采集，取得了较好的勘探效果。如冀东油田某区块由于地层倾角大、断层发育、目的层埋藏深，采用高覆盖小面元、宽方位的采集方法获得了成功；在准噶尔盆地玛湖凹陷总共采集了六块高密度、宽方位三维地震数据，大幅度提升了地震资料的品质，解决了微小断裂识别、沉积相带刻画及优质储层预测等地质难题； 辽河油田在雷家地区采集了210km2三维满覆盖“两宽一高”地震资料，横纵比达0.91，叠前时间偏移后数据频带较老资料拓宽了20Hz以上，为后续应用叠后流体活动属性技术进行储层含油气性预测奠定了基础。

本文以大庆油田喇嘛甸工区宽方位地震资料为基础，针对方位各向异性在宽方位资料的表现特征及不同方位角范围内属性的变化进行详细分析，较好地解决了宽方位处理中的问题，取得了较好的处理效果。

1 方位各向异性表现特征

1.1 喇嘛甸工区宽方位采集参数及处理

大庆油田在喇嘛甸地区采集了满覆盖面积40km2的高密度宽方位三维三分量地震资料：采用正交24L×16S×480R观测系统，炮线距为160m，接收线距为160m，接收点距为10m，面元尺寸为5m×5m，满覆盖次数为15(纵)×12(横)。采用DSU3数字检波器全频带接收，动态范围为120dB；采集方向为从正北方向顺时针旋转109°。图1a为宽方位三维观测系统玫瑰图，图1b和图1c分别是原始Z分量和X分量单炮记录，可见资料品质较好。

由于是三分量地震采集，因此采用纵、横波联合处理，图2为联合处理的流程。其中左边部分是纵波的处理流程，关键技术包括模型约束层析静校正技术、十字交叉排列去噪技术、近地表吸收衰减补偿技术、地表一致性反褶积技术及基于模型道方法的方位各向异性校正技术等(灰色突出部分)；中间及右边框图是转换波处理技术流程，关键技术包括坐标旋转、全局寻优转换波静校正技术(主要是检波点静校正量求取，炮点静校正量采用纵波的)、转换波方位各向异性分析与校正、转换波速度分析技术、转换点道集抽取、转换波叠前数据规则化技术及转换波叠前时间偏移技术。转换波静校正、速度分析及转换波叠前时间偏移都是针对R分量进行处理。应用百分比扫描方法进行转换波偏移速度分析。

图1 喇嘛甸工区宽方位三维地震观测系统玫瑰图(a)及原始Z分量(b)和X分量(c)单炮记录

图2 三分量纵、横波联合处理流程

1.2 方位各向异性的表现特征

横波经过HTI介质会发生分裂，可以利用横波这一现象进行裂缝检测[15-16]。纵波经过HTI介质会造成多种地震属性的变化，其动力学特征(振幅、主频等)和运动学特征(速度)随方位角变化[17-19]，同样可以利用纵波的地震属性的变化进行裂缝检测[20-21]。图3为该工区纵波炮检距道集和方位道角集，该道集已进行了静校正和常规的动校正处理。从炮检距道集上能够看出，由于方位各向异性的影响，同相轴呈现不平现象，而在方位道集上表现为随方位变化的“波浪”形状，波峰代表各向异性的主方位，波谷代表垂直于各向异性走向。纵波沿介质的主方位传播时(第一个波峰位置，约72°)，速度快、时间短；垂直于主方位(第一个波谷位置，约162°)传播时，速度慢、时间长；二者分别对应着椭圆的长轴和短轴。图4为转换波的径向分量和切向分量的方位角道集，从图中也可以看出，径向分量的方位道集存在较大的方位时差，0°到360°的方位道集的同相轴同样表现为波浪状；切向分量具有较强的能量，切向分量上每间隔90°就会发生极性反转现象(快波方向和慢波方向将整个方位分割成四个扇区，每个扇区90°，所以每隔90°就会发生极性反转现象)，而且转换波的方位道集上的各向异性的主方位与纵波具有较好的对应关系。

图5是井震联合分析对比图，其中图5a是全方位地震数据沿S2层振幅属性切片，图中L7-S1130处于黄色振幅属性值区，L7-PS1211处于红色振幅属性区； 图5b是由钻井插值得到的S2层砂岩厚度图，该工区处于开发区，共有开发井两百多口，井网密度非常大，井间距约50m； 图5c为两口井在地震剖面的投影，蓝色虚线代表两口井的位置(绿色椭圆标记处)，蓝色实线对应的位置是S2层顶。

图3 纵波的炮检距道集(a)和方位角道集(b)

图4 转换波径向分量(a)和切向分量(b)方位角道集

对比可以看出，图5a和图5b刻画的砂岩趋势大致一致(图中黑色虚线描绘处)； 由图5d两口井的砂岩曲线上(橘色)可以看出，井L7-PS1211在S2层段含有砂岩，而井L7-S1130在该层段不含砂岩(图5d合成记录上，S2层段为两条蓝线之间，砂岩曲线显示橙色为砂岩)，所以井L7-PS1211所处的红色振幅属性区为砂岩，而井L7-S1130所处的黄色振幅属性区为泥岩。另外，对比两口井合成记录振幅及对应的地震剖面振幅(L7-S1130井：3138；L7-PS1211：815； 差值为2322)可知，井L7-PS1211对应地震剖面振幅值更弱，而井L7-S1130对应的剖面振幅值强(图5c)，所以整个振幅属性图上红色代表砂岩，蓝色代表泥岩(黄色为过渡色)。结合该地区沉积研究可知，该地区主要为三角洲前缘相，振幅属性图上红色为由北向南发育的明显曲流河道特征(图5a中黑色虚线所示)。

方位各向异性不但影响地震波传播速度，同相轴存在方位时差，同时导致地震振幅属性随方位角变化。将该工区分为四个方位(19°～72°、73°～110°、111°～151°、152°～199°)，分别对每个方位地震数据进行叠前时间偏移，对四个不同方位的时间偏移数据体进行沿S2层振幅属性切片分析(图6)。与砂岩厚度图(图5b)对比可见，不同方位振幅属性刻画的河道砂体整体形状和趋势与测井刻画的砂体基本吻合，但存在细节差异。随着方位的变化，不同方位属性图上河道砂体特征和边界的刻画是不同的，其中在方位角111°～151°的属性图上工区中部的小河道(黑色椭圆所示)最清晰。

图7为该工区T2油层组顶界面的不同方位角的相干体属性，可见不同方位角属性断层刻画的整体趋势一致，但由于方位各向异性的影响，不同方位角内的断层细节特征存在差别。具体表现在： 图中北西向①号断层在方位角111°～151°属性图上最连续，断层的走向最清晰，而在其他方位角的属性图上该断层不连续； 在方位角19°～72°、73°～110°、111°～151°属性图上②号断层两侧的另外两条小断层不清晰，但在152°～199°属性图上能清晰刻画出②号断层两侧近南北走向的两条小断层。

图5 井震联合分析对比

图6 不同方位角的振幅属性

图7 不同方位角的相干属性

2 方位各向异性预测与分析

理论研究表明，在方位各向异性介质中，纵波的AVO梯度在平行于裂缝走向和垂直于裂缝走向上存在较大差异。纵波垂直于裂缝带传播会有明显的旅行时延迟和衰减，并有反射强度降低和频率变低等现象，可以利用纵波的这些不同特征预测裂缝储集层[22]。根据裂缝储层的地震散射理论，地震波的衰减与裂缝密度的空间变化有关。沿裂缝走向随炮检距衰减慢，而垂直裂缝走向随炮检距衰减快，裂缝密度越大衰减越快。同样，裂缝储层的岩石物理模型实验研究结果表明，地震纵波沿垂直于裂缝方向的传播速度小于沿平行于裂缝方向的传播速度[23-24]。

利用Ruger[25]提出的HTI介质的反射系数公式，通过一定的近似和反演可以获得各向异性强度和方位，进而预测裂缝发育的密度和方位。图8a为通过纵波叠前数据预测喇嘛甸工区T2层各向异性方位和强度的叠合显示，线条的方向代表各向异性方向，不同颜色代表各向异性强度，其中红色代表各向异性最强。可以看出，该地区T2目的层的各向异性方位主要为北东向；图8b为各向异性的强度，同样，红色代表地下各向异性最强，可以看出地下介质的各向异性强度与地下断裂的走向和发育有很高的相关性(图7中的相干体)，断裂方向为北西向，而各向异性方位为北东向，正好与断层的走向垂直，是由断裂的形成过程中挤压或拉伸的应力导致。图9a为横波分裂所引起的快、慢波时差，时差越大，表明方位各向异性越强，经过分析该时差也与该地区断裂发育程度相关。图9b为横波分裂预测的各向异性方位，主要集中在北东方向，约72°。

图8 纵波预测的T2层的方位各向异性的方位(a)和强度(b)

图9 T2层的横波分裂快、慢波时差(a)和预测的各向异性方位(b)

3 方位各向异性校正处理

由以上分析可知，喇嘛甸工区地下介质呈现方位各向异性。介质方位各向异性会导致地震方位道集上同相轴存在一定时差，如果不进行时差校正，会导致非同相叠加，降低地震资料成像分辨率，影响对薄储层的识别能力。

纵波方位各向异性校正与常规动校正的主要区别在于速度随方位角的变化，所以进行方位各向异性校正的关键是求取方位速度。纵波在HTI各向异性介质中传播方位速度满足椭圆方程

v=v0+αcos2(β-φ)

(1)

式中：v为纵波随方位角变化的速度；v0为方位速度v的平均值；α为与方位速度有关的因子；β为炮检点之间的观测方位角；φ为各向异性的主方向。

将实际观测的地震数据至少划分出三个方位，通过构建最小二乘目标函数

(2)

进行反演即可求出v0、α和φ三个参数，可得到表示各向异性速度的椭圆方程(式(1))。根据椭圆方程计算各CDP的不同方位数据的速度值，此时的速度值反映了各向异性的速度，再利用该速度值对方位数据进行动校正处理[26-27]。

图10为喇嘛甸工区纵波数据在180°内分六个方位的速度分析结果，可以看出，同一CDP点在不同方位角的速度存在差别。图11a和图11b为常规速度分析和椭圆拟合求出的不同方位速度，方位速度刻画出速度随方位变化的细节； 图11c为利用方位速度进行方位各向异性时差校正后的方位道集，可以看出，由方位各向异性引起的道集上存在的时差(图3b)已消除，同相轴拉平。图12a、图12b为纵波方位各向异性校正前、后叠加剖面的对比，可以看出，进行方位各向异性校正后的剖面成像质量得到了改善(绿色方框所示)，弱信号的成像得到加强，分辨率更高，尤其是S2油层组界面(绿箭头所示)，为后续的高分辨率处理和解释奠定了基础。图12c、图12d 为转换波方位各向异性校正前、后的ACCP叠加剖面对比，也可以看出转换波通过方位各向异性校正后成像质量得到了提高(绿色方框所示)。

图10 不同方位角的速度分析结果

图11 常规速度分析结果(a)与椭圆拟合求出的方位速度(b)的对比及方位时差校正后方位道集(c)

图12 方位各向异性校正前、后叠加剖面对比

4 结论

本文基于大庆长垣喇嘛甸地区宽方位地震资料，精细地分析了方位各向异性对宽方位地震资料的道集和属性的影响，并利用椭圆拟合进行了方位各向异性预测和校正，得出以下主要结论：

(1)方位各向异性对地震波传播的速度和振幅等都有影响，尤其是宽方位地震资料，沿着方位各向异性的主方向地震波传播快、垂直主方向传播慢，所以方位道集上存在快慢波时差，且地震波振幅随方位角变化；

(2)根据振幅等动力学属性在不同方位角范围内的差异，利用椭圆拟合可以预测大庆喇嘛甸地区的各向异性方位，且与利用横波分裂预测结果一致；

(3)宽方位地震处理中应该考虑方位各向异性的影响，利用椭圆拟合可准确求出地下HTI介质的方位速度，进行方位速度动校正，能够消除方位各向异性引起的快、慢波时差，提高资料的成像质量和分辨率，为后续开展解释、叠前反演等奠定基础。