罗家地区转换波地震勘探分辨率定量分析

刘书会,潘 蓓,顾汉明,王长江,张 娟

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257015;2.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北武汉430074)

用纵波震源激发三分量检波器接收，除了能接收Z分量纵波(PP波)外，还能接收到X和Y分量的转换横波(PS波)[1]。近年来，无论是海上还是陆上，转换波勘探的实例都在增加[2-3]。特别是在国内，各大石油公司与科研院所合作，在转换波地震资料采集、处理和综合解释应用方面均取得了一定效果[4-7]。黄中玉等[8]进行了三维多分量资料处理关键技术的研究，旨在提高转换波地震资料的信噪比和分辨率。理论上，转换波波长较短、速度低，在激发主频相同时，应具有更高的分辨率。但在实际观测中，相较于纵波记录而言，无论是陆上或者是海底勘探，转换波记录均具有较低的时间频率[9-10]。针对转换波勘探的分辨率问题，Richard等[11]和Shatilo等[12]研究了Q衰减对转换波分辨率的影响；袁子龙等[13]探讨了激发信号与反射信号主频、振幅衰减及分辨率之间的关系；Xiong等[14]则研究了高精度频率衰减分析方法及应用。这些研究结果均表明吸收衰减与分辨率之间存在一定的数值联系。

为了进一步定量分析衰减对转换波勘探分辨率的影响，我们针对罗家地区的实际地质条件及其转换波资料特点，基于实际地层物性参数，分析在不同的QP值和QS值，以及不同的vP值和vS值情况下，转换波主频、振幅和分辨率随目的层深度的变化规律。

1 转换波分辨率的定义

在水平反射层，转换波的旅行时为

(1)

不考虑频散时，该传播路径下的衰减可表述为以下滤波器[15]：

(2)

衰减后的PS波子波持续时间为

(3)

式中：z为反射层深度；x为偏移距；xP为地下反射/转换点；vP，vS分别为P波及S波速度；f为频率；QP，QS分别为P波及S波品质因子；ΔT0为原始的子波持续时间。

对(1)式在xP处用泰勒级数展开，根据费马原理，(1)式的一阶导数在xP处为0，故求取泰勒展开式的二阶导数。忽略高阶项可得PS波横向分辨率:

(4)

当炮检距为零，ΔTPS为子波半个周期时，(4)式即为Eaton等[16]发现的PS波的菲涅尔带。对(1)式求取关于z的一阶导数，可得子波长度ΔZPS，即为PS波纵向分辨率:

(5)

对于PP波可视为xP=x/2的特殊情况，所以利用(4)式和(5)式同样可以计算PP波横向分辨率和纵向分辨率，此时vS=vP，QS=QP。

由(4)式和(5)式可知，PP波和PS波的横向分辨率及纵向分辨率与地层物性、目标深度和采集参数有关。定义纵波和转换波纵向分辨率相等的反射层深度为交叉点深度Zc，由(4)式和(5)式可求得

(6)

2 罗家地区地震-地质概况

罗家地区位于济阳坳陷沾化凹陷内，属于沾化凹陷的一个次级构造单元，主要勘探目的层古近系沙河街组埋深约2500m。罗家高密度3D3C地震勘探工区表层沉积为近代三角洲沉积，地表介质较复杂，岩性变化比较大。接收条件一般为滨海带的泥沙，表层结构松散，潜水面较浅，一般不超过12m；激发岩性以泥沙为主。

2.1 罗家3D3C地震资料

罗家地区3D3C地震资料是集超万道、全数字、单点接收、三分量采集采于一体的高密度三维地震资料，其观测系统如表1所示。

从工区东区中部地震资料中选取一个近炮单炮记录进行分频扫描分析，可得到纵波信号与转换波信号的频宽(图1)。由图1可见，纵波与转换波的低频信号在5Hz以下都能见到，低频面波干扰的能量主要分布于10Hz以内。而对于信号的高频端，纵波(1.5s左右)在100Hz还可见信号能量；对于转换波(2.0s左右)在50Hz还有信号能量存在。从勘探目的层段(2.0s)的频谱分析得出纵波的有效频宽为5～120Hz，主频基本可达50Hz；转换波有效频带为5～60Hz，目的层段的主频可达25Hz。

表1 罗家地区高密度3D3C地震资料采集观测系统参数

图1 罗家3D3C地震资料一个近炮三分量记录(a)及其频谱分析(b)

2.2 罗家地区物性参数

罗家地区沙河街组泥岩纵波速度主要分布在2800～3600m/s，砂岩纵波速度主要分布在3200～4300m/s。根据罗69井实测砂泥岩纵、横波速度及密度值，可绘出纵波波阻抗ZP与纵横波速度比vP/vS交会图(图2)。由图2可见，该区vP/vS分布范围为1.7～2.2，其中砂岩的vP/vS主要分布在1.7～2.0；泥岩具有比砂岩低的vS和比砂岩高的vP/vS。

图2 罗69井实测砂泥岩ZP-vP/vS交会分析结果

3 基于理论公式的分辨率研究

3.1 吸收衰减对主频的影响

根据(2)式可绘出不同激发主频的PP波和PS波频率和振幅随深度变化曲线，图3给出了不同激发主频时两种波频率随深度的变化。由图3分析可知，PP波和PS波主频均随着传播深度的增加而降低，浅层较深层衰减快，到达一定的深度后，频率值逐渐趋于稳定。其中PS波速度越低，其高频部分衰减越快，稳定值也越小。不同的激发主频(50Hz和100Hz)，对于PS波而言，到达4000m后，频率稳定值差别不大。由此可知，在4000m深度后传播速度变化相较于激发主频变化，对转换波振幅的影响更大。

图3 不同激发主频的PP波和PS波频率随深度变化曲线

图4显示了介质vP/vS=2，主频f=50Hz的雷克子波传播到不同深度时的子波主频及子波形态的变化，可以看出随着传播深度的增加，子波主频和振幅均减小，同时其延续度变长。

3.2 吸收衰减对分辨率的影响

根据(4)式和(5)式，绘出PP波和PS波纵向分辨率随传播深度变化曲线。当原始子波延续时间ΔT0=0.01s，vP/vS分别为1.6，1.8，2.0时，对应的纵波和转换波纵向分辨率交叉点深度分别为1749，1418，1174m(图5a)。比较可以发现，随着vP/vS增大，交叉点深度变浅。

当vP/vS=1.7，子波延续时间ΔT由0.01s变为0.02s时，纵向分辨率整体降低，相应的交叉点深度变深，由1573m变为3146m(图5b)。

3.3 罗家地区理论交叉点深度计算

罗家地区3D3C地震资料2.0s(约2500m)

图4 vP/vS=2时不同传播深度的子波频率(a)与子波形态(b)

图5 不同纵横波速比vP/vS(a)及不同子波延续时间ΔT(b)的纵向分辨率随传播深度变化曲线

目的层纵波主频为50Hz，转换波主频为25Hz，从图5可推知该区勘探激发主频为70～80Hz(本次研究不考虑浅层低速带的影响，故该处激发频率与实际激发频率存在区别)，激发主频为70Hz时，子波延续时间为0.0143s；激发主频为80Hz时，子波延续时间为0.0125s。

按此推断的激发主频范围和子波延续时间范围，计算出罗家地区3D3C地震资料纵向分辨率随深度变化曲线见图6所示。在70Hz激发频率下，求取vP/vS=1.7时PP波与PS波纵向分辨率交叉点深度在2250m；激发主频在80Hz时，相应交叉点深度为1966m。即罗家地区理论计算出的PP波与PS波纵向分辨率交叉点深度在1966～2250m。在地层深度小于1966m时，尽管转换波的频率低于纵波，但由于其传播速度慢，其分辨率高于纵波(图6)；由于转换波频率衰减快，抵消了传播速度慢的特点，在地层深度接近1966m时，转换波和纵波在该点分辨率趋于一致；地层深度大于2250m时，转换波分辨率则低于纵波的分辨率。

图6 罗家地区理论计算的不同子波延续时间纵向分辨率随深度变化曲线

4 基于罗家实际资料的分辨率讨论

4.1 罗家转换波与纵波处理剖面分辨率的对比

图7为基于罗家地区高密度地震资料IL500线的3D3C处理剖面(已将转换波时间剖面压缩至与纵波时间一致)。图7a为纵波时间剖面，图7b为转换波时间剖面(左侧叠合显示了部分纵波剖面以示对比)。对比可见，在小于1.7s(图7中黑色横直线所示位置)的中浅层，转换波剖面上同相轴连续性好、断层清晰，分辨率明显高于纵波；在1.7s左右，两者分辨效果相当；而在大于1.7s的中深层，转换波同相轴波组变宽，层位模糊，分辨率低于纵波。由此可见，此区纵波与转换波纵向分辨率的实际交叉点深度为1.7s(1980m)左右，与理论分析结果吻合。

图7 罗家地区IL500线纵波时间剖面(a)与转换波时间剖面(b)

4.2 转换波对断层的识别能力

图8为研究工区高密度3D3C地震资料PS波与PP波t0=600ms相干水平切片，通过对比可以看出，PS波(图8a)对断层的识别要好于PP波(图8b)，图中箭头所指位置显示出的断层切割关系及延伸长度，在PS波相干图上都表现得更加清晰。但是，在1700ms的相干切片图上，无论是断层的数目还是清晰程度PP波都要高于PS波。所以，对于中深层转换波资料独立解决问题的能力有限，需要与纵波资料进行联合应用。

图8 研究工区t0= 600ms的转换波(a)与纵波(b)相干水平切片

4.3 纵波和转换波联合应用识别浅层气藏

罗家地区馆陶组是典型的“亮点”型气藏，CQ20井在1122.5～1137.5m钻遇气层厚度15m，气层纵波速度2000m/s，非含气层砂岩速度2500m/s，上、下围岩(泥岩)速度2300m/s，其纵波反射为“亮点”。图9a，图9b和图9c分别为沿气层顶面向下20ms时窗提取的纵波、转换波均方根振幅切片及二者振幅比属性。纵波均方根振幅图(图9a)清晰展示出CQ20气藏的范围，CQ20-4井的水层也表现为“亮点”；在转换波均方根振幅图(图9b)上CQ20气藏表现为“暗点”，而水层仍然为“亮点”；但在二者的振幅比属性图上，气藏为高比值，水层为低比值。实际应用效果表明，纵波和转换波的联合解释可以较好地消除纵波资料上的假亮点，减少单一纵波资料对气藏识别的多解性。

图9 研究工区气层顶面向下20ms时窗内的纵波(a)与转换波(b)均方根振幅切片及二者振幅比属性(c)

5 认识与结论

1) 在考虑吸收衰减的情况下，纵波、转换波主频会随着传播深度增加而降低，浅层衰减率大于深层，且转换波频率降低幅度大于纵波。随着vP/vS值增大，转换波主频衰减增大。

2) 一定传播深度后(>3000m)，相较于激发主频，传播速度对地震波主频的影响更大，提升激发主频并不能有效地提高目的层转换波主频。

3) 理论计算分析表明罗家地区纵波与转换波纵向分辨率的交叉点深度在1966～2250m，实际高密度3D3C资料也显示出交叉点深度在1980m附近。当探测深度小于该交叉点深度时，转换波资料的分辨率高于纵波资料；当探测深度大于该交叉点深度时，转换波资料的分辨率则低于纵波资料。

4) 纵波和转换波资料的联合应用可以较好地消除纵波资料上的假亮点，减少单一纵波资料对气藏识别的多解性。

参 考 文 献

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