横波分裂和纵波方位各向异性在油气勘探中的应用

李向阳, 王赟, 孙鹏远, 李乐, 丁拼搏

1 中国石油集团东方地球物理有限责任公司, 河北涿州 072750

2 中国地质大学(北京)“多波多分量”(MWMC)团队, 北京 100083

3 中国石油大学(北京)地球物理学院, 北京 102200

0 引言

Crampin等(1980)首次从三分量天然地震记录中观测到了地壳中的横波分裂现象,并提出了应用横波分裂预测地应力变化和预报地震的设想.随后Crampin(1983,1984)提出了应用横波分裂描述裂缝性油气藏的构想.伴随20世纪70年代末横波可控震源的出现,横波分裂在油气勘探中的应用潜力引起了油气行业的重视.Willis等(1986)进一步证实了在北美多个盆地采集的多分量横波数据中广泛存在横波分裂现象.

从地壳中首次观测到横波分裂已过去四十余年,横波分裂在油气勘探中的应用也大致经历了3个阶段.最初十年主要是利用多分量二维横波地震勘探数据检验横波分裂的应用潜力,这些实践证实了横波分裂现象的普遍性和复杂性(Martin and Davis, 1987; Squires et al., 1989).随后的二十多年中,由于地面接收的反射横波数据信噪比低、横波可控震源使用成本高等因素,横波勘探的重点转移到了横波垂直地震剖面(VSP)勘探(Yardley and Crampin,1991;Liu et al.,1993;Winterstein et al.,2001;Maultzsch et al.,2003),以及纵波源激发三分量接收的转换波勘探(Li,1998;Gaiser,1999;Lu et al.,2023).2017年中石油地球物理勘探局在青海三湖成功获得了信噪比和频带与纵波相当的三方向集中力源激发、三分量接收的九分量地震数据(Wu et al.,2018;苟量等,2021),横波勘探再次受到业界的重视,从而进入第三阶段,即近些年来纵波源和横波源在海底、陆地地面和井中多分量地震勘探中同时并存的发展阶段.

在地震波长远大于裂缝尺度的情况下,定向排列的裂缝介质可以等效为地震方位各向异性介质(Hudson,1981).在方位各向异性介质中,地震横波的主要响应特征是横波分裂,而地震纵波的响应特征是其速度、走时和振幅等属性具有随方位变化的特征,统一简称为纵波方位各向异性.Sena(1991), Li和Crampin(1993), Tsvankin(1995), Li(1997a)等研究了纵波速度和走时的方位变化特征;Mallick和Frazer(1991),Lefeuvre(1994),Lynn等(1996a),Rüger(1996),MacBeth等(1997)研究了纵波振幅的方位变化特征.至今,纵波方位各向异性的研究已经历了两个阶段三十余年的发展：前十年为第一段,主要集中在方位属性变化特征的实验观测及验证;后二十年为第二阶段,随着宽方位高密度纵波三维地震的大规模采集,纵波方位各向异性检测裂缝得到了广泛的应用(Lynn, 2020).

目前,无论是横波分裂还是纵波方位各向异性,业界都有大量的文献资料和应用案例.尤其是最近十年,利用纵波方位各向异性预测裂缝储层变得非常流行起来,甚至导致忽略其应用条件的事例时有发生(王赟等,2020).本文通过回顾横波分裂及纵波方位各向异性早期的发展历程,着重讨论其在上地壳中的分布;并从理论及实验两方面分析二者间的相互关系及其在裂缝检测方面的应用条件,以期提升二者的应用效果,提高地震裂缝检测的精度和有效性,为裂缝油气藏的勘探开发提供可靠的技术支撑.对于该领域更全面的综述请参考Lynn(2020),该文较为详细地总结了1986—2020年横波分裂与纵波方位各向异性在油气勘探中的应用.

1 地震各向异性和地震波属性

地震波的传播速度、走时、振幅与频率及其衰减系数、偏振特性等统称为地震波属性.当地震波在各向异性介质中传播时,这些属性参数受到介质各向异性的影响而发生变化,使之成为研究地下介质物理特性的重要信息,可以从观测的多分量地震数据中获取.

1.1 地震各向异性

广义上,地震各向异性泛指速度各向异性和品质因子各向异性等;狭义上,地震各向异性是指地震波的传播速度随传播方向的改变而发生变化的现象;反之,则称介质为速度各向同性.本文只讨论速度各向异性问题.显然地震各向异性是普遍存在的,而各向同性并不常见(张中杰,2002).地壳中常见的各向异性介质包括两大类：一类是以页岩或泥页岩薄互层为代表的具有垂直对称轴的横向各向同性介质,简称为VTI(Vertical Transverse Isotropy)介质;另一类是以垂直定向裂缝为代表的具有水平对称轴的横向各向同性介质,简称为HTI(Horizontal Transverse Isotropy)介质,图1是这两类各向异性介质的示意图.其中,在图1a所示的薄互层岩石中,地震波沿层理方向的传播速度比任何其他方向都快;而在图1b所示的裂缝性地层中,地震波沿裂缝方向的传播速度比任何其他方向都快.其他类型各向异性介质包括具有倾斜对称轴的横向各向同性介质TTI(Tilted Transverse Isotropy),以及正交各向异性介质等(张中杰等,1999;高原等,1999;郝重涛和姚陈,2007;王赟等,2017a,b),本文不再赘述.

图2 横波分裂示意(Crampin,1985)

1.2 快横波偏振及快慢横波时差

如图2所示,当横波在含有定向排列裂缝的岩层中传播时会发生分裂,形成一个快横波和一个慢横波;快横波的偏振方向平行于裂缝走向,而慢横波的偏振方向垂直于走向(Crampin,1985);且快慢横波的时差与裂缝密度成正比.这一现象被称为横波分裂(或横波双折射),是利用横波数据预测裂缝油气储层的基础.即,通过记录横波数据求解快横波的偏振属性和快慢横波时差,然后利用偏振属性可确定裂缝储层中裂缝的走向,利用时差可确定裂缝密度.当介质中所含裂缝方向发生变化,横波会发生连续分裂.因此上覆地层中若发育有不同走向的裂缝,或存在多组裂缝,受其影响,地表记录的快横波偏振属性可能不代表真正的储层裂缝走向(Li,1995;刘恩儒等, 2006).快慢横波的时差取决于分裂后的横波的传播距离、方向、各向异性的复杂性及强度等.对记录的横波进行快慢横波分离,然后对分离后的快慢横波进行相关运算,就可以得到快慢横波的时差(Lu et al., 2017).时差属性的优点在于其简单实用,上覆地层的影响可以通过求取层间时差消除;横波分裂的强度可以通过求取单位走时的快慢横波时差而获得.

1.3 纵波方位属性

如前所述,纵波方位属性参数较多,本文只讨论三种纵波方位属性：反射振幅、速度及层间时差.从反射振幅可以推导出一些其他属性,比如AVO梯度等(Rüger,1996),在此不再单独讨论.如图3所示,通过数值模拟纵波在一个三层含裂缝模型中的传播,在模型表面布置全偏移距全方位的观测系统(Liu,2003),然后利用记录的纵波波场来展示这三种纵波属性的方位变化特征,以便于更好地理解利用纵波方位属性检测裂缝的原理.

图3 含裂缝介质模型纵波特征波场正演模拟显示的纵波属性的方位变化(a) 含裂缝储层的三层介质模型,介质参数见表1; (b) 裂缝顶层记录的纵波反射振幅随方位变化; (c) 裂缝层纵波速度随方位变化; (d) 裂缝层纵波层间时差随方位变化.

图3a展示了一个三层含裂缝储层的数值模型,各层的弹性参数见表1.第一层(L1)是一个各向同性介质,第二层(L2)是含裂缝的目标层;第三层(L3)是一个各向异性的基底.模型顶布置一个中心放炮的全方位观测系统,其中X坐标轴沿裂缝法向;Y轴沿裂缝走向.图3b、3c和3d分别展示了模型顶接收的来自裂缝顶的纵波反射振幅、计算的裂缝层速度和裂缝层间时差.从图中可以看出三种属性的方位变化都呈现椭圆形特征.其中,图3b的反射振幅随方位变化的椭圆长轴代表裂缝的法向,这是因为裂缝顶层是一个高阻抗到低阻抗的反射界面,裂缝法向平面内的波阻抗差大于裂缝走向平面内的波阻抗差.同理,图3d显示的层间时差随方位变化的椭圆长轴也代表裂缝的法向,这是因为沿裂缝法向的传播速度低于沿裂缝走向的传播速度.相反,图3c显示的速度随方位变化的椭圆长轴代表裂缝的走向;长短轴的百分比差异可以用来估算方位各向异性的强度(Liu,2003).方位平面内,纵波属性的椭圆变化特征是利用宽方位纵波地震数据检测裂缝储层的依据.

表1 图3a 中三层模型的弹性参数Table 1 The elastic parameters of the three-layer model in Fig.3a

2 主动源横波地震资料中观测到的横波分裂

20世纪80年代,利用横波可控震源可以采集由两个正交的水平横波震源和两个正交的水平检波器组成的四分量横波资料.Mueller(1991)、 Li(1997b)等发表了利用二维横波四分量资料描述碳酸盐岩裂缝储层的实例.这些资料显示横波分裂在北美各大盆地广泛存在,横波分裂的强度代表方位各向异性的强度,大约为1%～2%.尽管这个百分比很小,但在4 s横波走时深度,累积时差亦可以达到40～80 ms.Lewis等(1991)阐述了利用三维横波四分量资料刻画裂缝性砂岩储层的实例.由于成本和信噪比的原因,这种四分量横波地震勘探并没有在工业界流行起来.

20世纪90年代中期,Berg等(1994)成功地利用纵波入射到界面上得到的反射转换横波实现了气烟囱成像,转换波地震勘探技术随之发展起来.转换波地震勘探利用纵波源激发、三分量检波器接收,可以采集到从地下界面反射回来的转换横波.2000年以来,随着微电子机械系统(Micro-Electro Mechanical System,MEMS)数字检波器的兴起,陆上转换波地震勘探技术进入了迅速发展阶段(Gaiser et al.,2001;Garotta et al., 2002;张永刚等,2004;赵波等,2012).陆上转换波勘探通常都是宽方位观测,有利于开展纵波方位各向异性及转换横波分裂分析.在北美开展的一些转换横波分裂应用研究再次证实转换横波分裂同样广泛存在,其强度仍然约为1%～2%(Liu et al., 2003; Roche et al.,2005;Mattocks and Roche,2005;Lewallen et al.,2011;Johns, 2018).

在国内,张中杰等(张中杰和何樵登,1989;张中杰等,1994)较早开展了裂缝各向异性的研究;唐建侯和邓富求(1993)介绍了我国早期开展的横波地震勘探试验.最近20年,转换波地震勘探在我国得到快速发展(丁伟等,2002;刘恩儒等, 2006; 黎书琴等,2009;符志国等,2013).其中利用转换横波分裂最成功的一个应用实例是四川新场(Tang et al.,2008, 徐天吉等, 2008).随后各大油田都开展了转换波勘探试验,包括西部的长庆(Zhou et al.,2010),东部的胜利(Bi et al., 2011),东北的大庆(张丽艳等,2011),西北的塔里木(边冬辉等, 2017)、 三湖(Wang et al.,2009; Wang et al.,2019)等等.至今,三维三分量(3D3C,3-dimension and 3-component)转换波勘探在四川盆地已经形成标准化工业生产流程(Li et al.,2019a; Hu et al.,2019).其中,四川新场观测到的横波分裂强度约为1%(Li and Zhang,2011);而在三湖观测到的横波分裂高达4%,但集中在PS转换波走时1.2 s(约800 m)以浅(Zhang and Li, 2020;李向阳和张少华,2021).

40年横波及转换横波勘探实践证实横波分裂广泛存在于上地壳中,平均强度在1%～4%;有些地区近地表可达5%.20世纪90年代以来,除了开展地面反射地震勘探,横波VSP勘探也受到工业界重视.横波VSP勘探是标定横波分裂的重要手段.图4a展示了为刻画奥斯汀白云岩而采集的一套横波四分量VSP资料.图4b是从浅到深求得的快横波偏振方向及快慢横波时差.快横波偏振从浅到深基本不变,且保持在北50°东方位;大部分时差集中在浅层200 m深度, 累计约10 ms,横波分裂强度约5%(横波速度约1000 m·s-1).而100 m厚的奥斯汀白云岩层间时差约为1 ms,横波分裂强度约2%(横波速度约2000 m·s-1).这与三湖观测到的结果基本相符(李向阳和张少华,2021),也与Winterstein等(2001)总结的23套北美VSP资料基本相符.他们发现最强的横波分裂(≥4%)集中在1200 m以浅,而目标储层的分裂强度大大低于近地表;同时,他们还发现快波偏振方向基本不随深度改变.

Olofsson等(2003)、Gumble和Gaiser(2006)利用海底四分量资料也发现欧洲北海横波分裂虽然高达3%～5%,但主要集中在近海底.40年的横波观测发现横波分裂无论是陆地还是海上都主要集中在上地壳的浅部,这已经在学术界和工业界达成共识(Crampin and Gao, 2009;李向阳和张少华, 2021;Lynn,2020).

3 主动源地震资料中观测到的纵波方位各向异性

从Mallick和Frazer(1991)、 Lefeuvre(1994)提出利用纵波方位各向异性预测裂缝以来,该项技术得到学术、工业界及政府机构的重视.美国能源部在20世纪90年代中期资助了一系列利用纵波检测裂缝的陆上试验项目,这些成果大部分发表在1996年8月出版的地震勘探前沿TheLeadingEdge杂志.这些项目的主要目的是研究陆上纵波方位各向异性与横波分裂的关系,以及利用纵波方位各向异性检测裂缝的可行性,因为纵波地震资料比横波资料更经济、更容易获取.同时MacBeth等(1997)、Li(1997b)开始研究海上纵波方位各向异性在裂缝检测中的应用.随后许多理论研究及应用实例出现在各类油气勘探的文献中.尤其近些年这项技术在北美非常规页岩气、致密气以及中东碳酸盐岩等领域得到广泛应用(Bachrach et al., 2014; Ghahfarokhi and Wilson, 2015; Zhang et al., 2020 ).

在国内,郝守玲等(1998)首先开展了纵波方位各向异性的物理模型实验研究,魏建新和狄帮让(2007,2008)进一步研究了裂缝密度及张开度对纵波方位各向异性的影响.杜启振和杨慧珠(2003)、王赟等(2003,2008)探讨了利用PS波检测裂缝的理论方法;Li等(2003)成功把纵波裂缝检测技术应用于胜利油田泥岩裂缝检测中;Zhang和Li(2013)研究了正交各向异性介质中纵波方位各向异性的特征;印兴耀等(2018)总结了我国纵波方位各向异性的研究现状,并与五维地震勘探相结合,形成了五维纵波地震裂缝检测技术体系和工业化应用流程.

30年的纵波方位各向异性观测发现,不同地区地壳中纵波方位各向异性的变化从浅到深差异很大.在北美犹他落矶山脉,Lynn等(1996a)发现1000 m以浅纵波方位各向异性约3%～5%,而深部目标层(约2100 m)可达10%.在英国北海Clair油田,Horne等(1998)利用多方位Walkaway VSP在1500 m以浅观测到的纵波方位各向异性仅为2%,深部2000 m左右为6%.Cary等(2010)利用3D3C资料解译发现加拿大地区500 m以浅纵波方位各向异性约为4%,而深部几乎没有.Che和Chen(2014)在中国西部利用Walkaround VSP 在900 m以浅观测到了8%纵波方位各向异性,而1000 m以深约为6%.Horne和MacBeth(1997)总结了来自北美地区6口井的Walkaround VSP,其中4口是500 m以浅的近地表观测井,他们发现其强度变化从20%到40%,非常剧烈.为了进一步表明浅层纵波方位各向异性的变化特征,我们重新处理了这6口井的资料,结果如图5和图6所示.

从图5与图6可以看出,纵波方位振幅属性变化剧烈,幅度有时超过50%;但是其主应力方向(右列箭头所示)与所在地区的构造应力方向有较好的对应关系(左列双向箭头所示),说明采集得到的振幅是有一定可信度的.

总之,与横波分裂观测结果不同,纵波方位各向异性观测虽然有许多应用实例,但其在近地表的分布从无到有、从弱到强,变化很大,没有规律.相比横波分裂,对近地表纵波方位各向异性的分布缺乏系统的研究.主要原因在于要观察纵波方位各向异性除了需要多方位观测外,还需要足够大的偏移距;偏移距的长度需要大于观测目标的深度(Li,1999;Wang et al.,2007).由于地滚波及动校正拉伸的影响,利用地表反射纵波来观测近地表的纵波方位各向异性是非常困难的.要精确观测近地表纵波方位各向异性,最有效的手段是采集多偏移距、多方位Walkaway VSP和Walkaround VSP, 如图5、图6所示.基于降本增效的压力,采集多方位Walkaway VSP或Walkaround VSP的必要性经常被工业界忽略(Lu et al.,2023),这一点在中国的油气行业尤为明显(王赟等,2020).相比近地表纵波方位各向异性的观测,近地表横波分裂观测仅需要近偏移距射线路径的横波资料,并且快慢横波对比分析抗噪性强,容易实施,其主要限制是需要横波震源;而转换横波勘探容易实现,获得了一些有益的认识(蔡志东,2023).

图5 从6个不同地区的Walkaround VSP观测到的纵波方位各向异性,此处展示是VSP 1、2和3的结果(修改自Horne and MacBeth,1997),其中左列为炮点分布,中列为波形图,右列为直达波方位均方根振幅变化特征

图6 从6个不同地区的Walkaround VSP观测到的纵波方位各向异性,此处展示是VSP 4、5和6的结果(修改自Horne and MacBeth,1997),其中左列为炮点分布,中列为波形图,右列为直达波方位均方根振幅变化特征

4 横波分裂与纵波方位各向异性的关系及应用条件分析

如前所述,横波分裂广泛存在,并且大部分横波分裂主要集中在近地表.而纵波方位各向异性的分布在各个地区从浅到深变化很大.比如在美国科罗纳州西部,Thompson等(2002)发现横波分裂2000 m以上高达5%,而纵波方位各向异性却很难观测到.在加拿大,Cary等(2010)在500 m以浅观测到了4%的纵波方位各向异性,但横波分裂更强、高达11%.同样在美国犹他州,Lynn等(1996a)观测到了10%的横波分裂,3%～5%纵波方位各向异性.相对于近地表横波分裂的观测,由于缺乏经济有效的观测手段和对近地表纵波方位各向异性的必要性认识不足,没有对近地表纵波方位各向异性进行系统的观测,获得系统的观测数据.那么,我们能否从横波分裂的观测结果预测纵波方位各向异性?假设方位各向异性由裂缝诱导产生,以下部分将从理论和实验上讨论横波分裂与纵波方位各向异性的关系,并进一步分析它们在裂缝检测中的应用条件.

4.1 横波分裂与纵波方位各向异性的关系

考虑图1b所示的含单组垂直定向排列裂缝的HTI介质,这是最简单的方位各向异性介质,仅有5个弹性常数.如图3a所示,在含有裂缝法向(X)、走向(Y)和垂直轴(Z)的自然坐标系统中,这5个弹性常数组成的弹性张量矩阵为

(1)

通常裂缝走向的方位与地震测线之间有一夹角(如图3a中虚线所示),裂缝走向及密度需要从观测数据中求取.观测系统的纵横测线组成一个观测坐标系,所获得的地震波场取决于观测坐标系下形成的新弹性张量矩阵.这个新弹性张量矩阵与自然坐标系下的矩阵公式(1)不同,可由Bond变换转换(Winterstein,1990). 如果裂缝走向的方位与地震测线之间的夹角已知,通过对矩阵(1)绕垂直轴顺时针旋转该角度可获得观测坐标系下的新弹性矩阵.除了弹性矩阵(1),还可以用其他参数来描述裂缝型HTI介质.其中常用的有Hudson(1981)理论模型的裂缝几何参数,例如裂缝密度、横纵比和裂缝充填物,以及Thomsen参数(Thomsen,1986).通过Thomsen参数与Hudson裂缝参数转换可建立纵波方位各向异性与横波分裂的关系.

根据Thomsen理论(Thomsen, 1986), 公式(1)定义的HTI介质的Thomsen参数可表达为：

(2)

注意：原Thomsen参数是为VTI介质模型定义的,从VTI到HTI需要进行绕y轴作90°的旋转;且此处定义的δ是原δ的一阶近似.从公式(2)可知ε代表纵波的方位各向异性强度,而γ代表横波分裂的强度.假设HTI介质(公式(1))是对一个各向同性背景介质加入裂缝获得,该各向同性介质的纵横波速度分别为VP0和VS0.应用Hudson裂缝等效介质理论,可以建立Thomsen参数(公式(2))与裂缝密度εd,横纵比εar及裂缝流体充填物速度Vf之间的一阶近似关系(Li,1998)：

(3)

其中,

(4)

(5)

(6)

得出纵波方位各向异性ε与横波分裂γ之间的关系：

(7)

Ding等(2017,2020)通过制作已知裂缝参数的人工岩心样品来研究裂缝介质的地震波响应特征.如表2所示,包括4个不同裂缝密度但相同裂缝横纵比的岩样,且包括含气和含水岩样.重新分析这批实验数据,比较含水和含气时ε和γ的变化情况,制作ε和γ的交会图,如图7所示.

图7 表2中4个裂缝样品纵波方位各向异性ε与横波分裂γ交互图

表2 图7中4块人工合成裂缝岩样的参数(Ding et al.,2020)Table 2 The parameters of the four synthetic fractured samples in Fig.7(Ding et al., 2020)

从图7可以看出,含气时纵波方位各向异性大约是横波分裂的两倍,与理论结果基本相符;而含水时纵波方位各向异性约为横波分裂的一半,比理论值高,但变化趋势与理论预测一致.岩样的实际裂缝横纵比为0.02,理论预测的纵波方位各向异性约为横波分裂的20%.因此,当横波分裂与纵波方位各向异性只观测到一方时,上述理论结果是可以用来评估另一方的变化特征,同时进一步评估裂缝预测的应用条件.

4.2 横波分裂裂缝检测应用条件

与纵波方位各向异性不同,横波分裂裂缝检测对裂缝性气藏和油藏都适用(Li et al., 2022a,b).过去40年的实践使得学术和工业界对横波分裂的应用条件有以下共识：

(1)裂缝走向主要是通过快横波的偏振属性来求取.而影响偏振属性的主要因素是横波数据的信噪比以及上覆地层中是否发育有不同走向的裂缝,或是否存在多组裂缝.因此横波勘探目前只局限于地表条件和地下构造相对简单的地区,最理想的情况是裂缝方向从浅到深基本保持不变.

(2)由于横波震源的激发、耦合等问题,横波资料信噪比低,横波采集成本居高不下,这也是限制横波分裂应用的主要障碍.因此,需要开展横波激发试验,选取最佳激发参数,通过适当震源组合改善激发和耦合条件.

(3)在选定工区开展横波分裂裂缝检测时,需同时采集横波或转换横波VSP用来标定近地表的横波分裂,以便于消除近地表的影响.

(4)储层必须足够厚,达到横波子波能够分辨的厚度.

(5)在横波震源难以获得情况下,利用纵波源的转换横波进行裂缝的检测也是可行的,但需要对转换波数据进行复杂的波场分离等处理.

4.3 纵波方位各向异性裂缝检测应用条件

由上述分析可知,纵波方位各向异性检测裂缝具有一定的局限性,主要表现为：(1)观测系统要求大偏移距和多方位观测,偏移距至少要大于目标层的深度;(2)方位要有3个以上,最好全方位、全偏移距.对观测系统的要求,学术和工业界都已形成共识,有许多文献明确了这些要求(如Li et al., 2003;Wang et al., 2007).另外,通过前面的分析,我们可以进一步对勘探目标和辅助数据提出如下要求：

(1)应用目标仅限于裂缝性气藏,并且最好是具有纵波子波可分辨的厚度,尽量避免薄储层.过去30年的实践也基本证实纵波方位各向异性对薄储层的应用效果不佳(王赟等,2023).

(2)除了测井、岩心、露头等辅助资料外,还需采集至少3个方位的Walkaway VSP,或Walkaround VSP数据,用来标定目标层以上的纵波方位各向异性,尤其是近地表.

(3)复杂地表,复杂目标区不适合纵波方位各向异性研究.任何复杂地质体无论是在地下还是地表,都会影响纵波方位属性的变化特征.

(4)当缺乏近地表纵波方位各向异性数据,但却收集了相应的横波分裂数据时,可以利用本文的纵波方位各向异性与裂缝参数或横波分裂的关系公式(7)来标定浅层的纵波方位各向异性.

5 讨论与结论

本文简单回顾了横波分裂和纵波方位各向异性在油气勘探中的应用发展历程.横波分裂预测裂缝油气藏经历了四十余年的发展,学术界研发了各种横波分裂地震属性,如快横波偏振方向和快慢横波时差用来检测裂缝走向和密度,以及频率相关的属性检测裂缝的尺度及识别裂缝中的流体(Maultzsch et al., 2003;Qian et al.,2007;Zhang et al., 2013; Luo et al., 2017;Li et al., 2019b; Yang et al., 2019).工业界研发了专门的横波震源用来采集多分量横波反射及VSP数据.与之相比,纵波方位各向异性裂缝检测经历了三十余年的发展,需要采集大偏移距及宽方位三维纵波数据.随着宽频宽方位高密度(“两宽一高”)三维纵波勘探技术的发展,纵波方位各向异性裂缝检测也逐渐被工业界接收,但各种不顾应用条件的事例时有发生.讨论和明确纵波方位各向异性的应用条件是本文的主要目的之一.

40年的研究和观测发现地壳中广泛存在横波分裂现象,其平均强度约1%～4%,并且大部分横波分裂主要集中在近地表(<1200 m).至今利用横波分裂进行裂缝检测仅在地表和地下构造相对简单,从浅至深只发育一套主裂缝的情况下见到了效果,尽管采用逐层剥离或分频技术能相对克服多组裂缝隙和多层裂缝的影响(Wang et al., 2019; 张安家等, 2019).虽然这样的条件看起来很严格,其实在沉积盆地中并不罕见.如果盆地未遭受剧烈构造运动影响,主裂缝或主应力的方向从浅到深通常是不变的.与横波分裂的观测相比,30年的研究和观测发现纵波方位各向异性的发育程度并没有横波分裂广泛,各个地区从浅到深变化很大.一方面是由于观测手段的限制,纵波方位各向异性需要大偏移距和多方位观测,这对近地表的观测是不利的;另一方面,纵波方位各向异性仅对含气裂缝发育区敏感,对充填其他流体的裂缝发育区非常不敏感.由于这些因素,造成了学术界与工业界缺乏对近地表纵波方位各向异性的统一认识.

要充分发挥横波分裂和纵波方位各向异性裂缝检测的潜力,目前仍然面临至少两大挑战.第一,无论是横波分裂裂缝检测还是纵波方位各向异性裂缝检测都面临着近地表的挑战.欲厘定地下储层的裂缝特征,就必须消除近地表的影响,其难易程度横波与纵波稍有差别.对横波来说,难点是查明近地表的横波分裂特征,因为近地表的横波速度通常变化剧烈.而在了解近地表横波特性的基础上,消除其影响相对容易,因为横波存在快慢两个波;描述横波分裂或消除其影响需要研究的是两个波的差异特征,数学算法相对简单成熟;同时抗噪性、鲁棒性较高.而对纵波来说,即使已知近地表的各向异性特征,要消除其影响也是非常困难的;欲查明近地表的纵波方位各向异性,尚需地质构造、露头、测井、岩心等资料的支持,且需进一步采集横波VSP,标定横波分裂;或采集Walkaround纵波VSP,或多方位Walkaway VSP,了解目标层以上纵波方位各向异性的分布特征.

第二,对横波来说,主要是横波资料的采集成本及信噪比的挑战.如何改善横波震源的适用性及有效性、降低成本、提高信噪比是横波勘探面临的巨大挑战.工业界做了许多尝试,应用PS 转换波是目前最有效的方法(Gaiser et al.,2001);其他尝试包括提高横波震源的输出功率和底盘的重量,以及使用扭转激发方式等(苟量等,2021;王赟等,2021).对纵波而言,如何建立精确的各向异性速度模型,从而消除上覆地层包括近地表在内的各种传播影响是一个巨大挑战.当前已发展了包括层析及全波形反演在内的各种先进的建模方法,但目前这些方法大部分是各向同性的,如何开发经济有效的各向异性的算法还面临挑战.

总之,横波分裂以及纵波方位各向异性的发现及其在裂缝性油气藏勘探开发中应用是勘探地震发展及工业化应用的里程碑之一.但横波,包括转换横波勘探面临着资料品质和高效采集的挑战;而纵波方位各向异性的应用需要全偏振距、全方位及高密度观测.它不仅面临高效、高成本采集的挑战,还面临着如何建立精确的各向异性地壳介质模型,从而消除上覆地层传播效应影响的挑战.要想提高应用成效,就必须注重应用条件的分析.工业界对横波的应用条件已有共识,而纵波只在观测系统设计方面有共识,但对应用目标不明确.理论与实践都证明纵波方位各向异性仅适用于大厚度的裂缝性气藏,对油藏不敏感,同时还需要精确刻画和消除近地表纵波方位各向异性的影响.

致谢谨以此文祝贺滕吉文先生90华诞暨从事地球物理工作70年.感谢论文评审专家给予的建设性修改意见.