多分量油气地震勘探技术急需解决的几个问题

王 赟 文鹏飞 李宗杰 刘 佳 李孟泽

(①中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院“多波多分量”研究组，北京100083； ②自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东广州 510075； ②中国石化西北分公司勘探开发研究院，新疆乌鲁木齐 830011；④东方地球物理公司国际勘探事业部，河北涿州 072751)

0 引言

众所周知，地球介质物理性质呈现各向异性，地震各向异性研究也发展了近半个世纪[1]。伴随S波分裂现象的发现[2-5]，地震各向异性成为了地震学界的一个主流研究方向。从极端各向异性，到正交各向异性、横向各向同性，通过物理模拟和数值模拟，对于地震波在各向异性介质中的传播特点已获得了足够的认识，地震各向异性理论已发展得相对完备[6]。随着各向异性等效介质理论多种假设模型的提出和不断发展，以Thomsen 理论为主的等效介质理论[7]在地震领域得到了越来越多的应用和认可[8]。但不可否认的是，地震各向异性理论还处于发展进程中，现有理论模型的适用性仍需要在实践中不断地检验和论证[9]，其中尤以强各向异性介质条件下，例如页岩，Thomsen理论的弱各向异性假设适用性问题最为突出[10]。

伴随着现代电子信息技术的飞速发展，尤其MEMS(Micro-electro-mechanical System，微电子机械系统)传感芯片和光学技术在地学领域的应用，地震多分量观测得到普及[11-20]。多分量地震勘探技术曾在油气勘探领域经历了一段时间试验和应用，但由于数据处理与解释反演技术还不够完善[21]，未能实现大规模的工业推广。不可否认的现实是： 天然地震领域早已使用了三分量波场记录；从20世纪80年代起，油气地震领域几乎所有的VSP技术都采用了三分量观测[22-23]； 海洋地震领域，除了水面的拖缆水听器接收，水听器和陆检三分量结合的四分量OBC(Ocean Bottom Cable，海底电缆)、OBN(Ocean Bottom Node，海底节点)、OBS(Ocean Bottom System or Seismometer，海底采集系统或海底地震仪)观测在区域地质调查、科学研究以及油气勘探开发等领域都获得了广泛的应用[24-25]。六分量地震观测亦应用于天然地震、工程地震[26-28]；地震领域已积累了大量的多分量观测数据，但多分量地震资料的总体解译水平尚停留在单分量的应用阶段[29]。

多分量地震观测的普及应用，不仅仅使弹性波的勘探成为可能，多分量地震资料解译、多波的联合使用对于地震资料精度的提高和地震反演多解性的降低无疑是里程碑式的技术进步[30-31]。但同时需看到，对于地震波动矢量场的三或六分量观测只是矢量运动的部分或全息记录，挖掘其中蕴藏的丰富地下信息是关键，因此矢量处理技术的发展成为迫切需要[32]。但目前只在叠前去噪[33-34]、波场分离[35]和重建[36]、成像[37-38]等一些少数的处理环节应用保矢量特征处理方法[39]。

因此，针对油气勘探的需要，本文首先简单总结了各向异性等效介质理论的适用性问题；然后在此基础上重点阐述了裂缝储层描述所遇到的多组多尺度裂缝预测难题，以及宽方位地震各向异性解译中存在的矛盾；最后，结合深海和深层PS波成像问题，讨论了多分量地震勘探技术急需攻关、研究的难题，以期促进该领域的技术进步。

1 各向异性等效介质理论的适用性

1.1 Thomsen理论的弱各向异性假设

Sondergeld等[40]曾统计了中国以外公开发表文献中页岩各向异性系数γ和ε值，如图1所示。其中95%以上的测量值超过0.1； 页岩的弹性各向异性强度平均为15%，最高可达30%～40%。中国油气勘探开发主要以陆相、水平层理发育的沉积岩为主，其中表现为强各向异性特征的泥岩和页岩占沉积岩的绝大多数[41]。中国大部分煤田的煤系地层岩石物理实验显示：煤和顶底板的泥岩或泥页岩也表现为明显的强各向异性介质[42-43]。

已有相关研究讨论了Thomsen理论的弱各向异性假设是否适用于强各向异性岩石[44-45]，但在中国的陆相油气勘探开发实践中，地震数据的处理和解释反演依然使用了Thomsen的弱各向异性等效介质理论[7]。因此，从煤田地震以及煤层气、页岩气等非常规能源探测的角度，研究强各向异性介质的等效理论是当务之急；忽视强各向异性的存在可能严重影响地震成像精度和多分量地震动力学特征解译的准确性。

图1 页岩各向异性参数统计[40]

1.2 描述裂缝介质等效理论的非一致性

Schoenberg[46]给出了裂缝介质线性滑移理论的垂向、法向弱度与Thomsen参数[7]和Hudson理论参数[47]之间的换算关系，但干裂隙与饱和流体裂隙的等效相速度计算结果(图2)显示，三种理论给出的相速度随入射角变化表现明显不一致，尤其Thomsen理论与另外两种理论存在较大的差异。显然，这是由于三种等效介质理论所定义的裂隙模型假设不同，因此哪种理论模型更适合描述裂隙介质，仍需要大量的岩石物理实验、物理与数值模拟分析，以推动地震各向异性等效介质理论的发展。

1.3 薄互层VTI近似反演面临的窘境

薄互层是中国油气勘探开发的一种主要储层类型。理论上对于薄互层的长波长各向异性效应早有认识[48-49]，对该类储层的反演也有研究给出了可行的技术方案[50]。但在薄互层呈现为“白反射”现象情况下，不论这种现象产生的原因是薄层间的阻抗差异小还是薄层的顶底反射相干干涉，对其中多个薄目的层的反演存在着目标淹没、难以识别的难题[51]。例如对于如图3a所示的杭锦旗致密砂岩储层地震反射，油气勘探感兴趣的是盒1～盒6段数米厚的几个砂体；其中1500ms反射为目的薄互层顶—下石盒子组上覆的石千峰组底反射，1700ms开始是下伏山西组和太原组的煤系地层强反射；下石盒子组为陆相砂泥岩互层沉积，盒1～盒6砂体反射在1500ms至1700ms之间。由地震剖面可见，受煤层强反射影响，薄互层呈“白反射”特征。即使经过了煤层强反射的压制处理[52](图3b)，薄互层层间反射得以加强，在该区25Hz主频、大致4000m/s的P波速度地震反射剖面上，无法识别出3～10m厚的砂体，因为这远超出了地震分辨率的极限。此时地震反射剖面上的波组与砂体并不存在一一对应的关系[48]，而各向异性假设下反演也只能给出砂地比、各向异性参数等等效厚层参数[53]，无法识别出单个砂体，更无法进一步预测出砂体厚度、空间展布以及砂体孔隙含流体性质等。

图2 三种理论计算的相速度随入射角变化曲线对比[8]

图3 下石盒子组薄互层反射特征在强反射压制前(a)、后(b)的对比

2 裂缝型储层的各向异性研究

2.1 裂缝的多组多尺度特征

中国油气工业经过近70年的发展，目前勘探开发的重点是与构造相关、或由构造控制的致密岩性裂缝型油气藏和缝洞型油气藏[54-55]。据统计，裂缝型油气藏的油气含量占到世界剩余油气总量的60%以上，是世界剩余油气资源的主要来源[56-57]。因此，在现代油气藏勘探开发中，裂缝在储层描述中扮演着越来越重要的角色。

中国构造运动的多期次特点使相伴生的不同时期裂缝呈现不同的发育特征，主要表现为不同的裂缝发育方位和尺度特征。而这种裂缝的多组、多尺度效应则超出目前裂缝等效各向异性介质理论所能精确描述的范畴[58]。简单地套用目前的裂缝介质理论，不论是Hudson理论[47]还是Schoenberg理论[59]，均会在实际油气储层裂缝预测中产生较大的误差[60]。对于裂缝的多尺度效应，频率域的S波分裂分析方法提出后得到了有效的应用[32，61-62]； 但对于多组裂缝的存在，简单的HTI介质理论难以取得良好的应用效果[63]。多组裂缝的S波分裂分析[64]、正交与单斜介质理论研究与应用[65]，以及宽方位多波数据，是解决这类储层预测难题的重要前提[66]。

2.2 宽方位P波与S波分裂预测各向异性的对比

随着“两宽一高”地震采集技术在油气领域的推广，基于Rüger理论公式[67-68]的P波各向异性分析技术得到了广泛应用[69-70]。对于厚层、横向相对均一、而纵向发育高角度裂缝的介质，基于HTI介质假设的这一方法技术是可行的，也在国内外获得了一些有效的应用[71-73]。但当该技术应用于陆相薄互层储层时，例如大庆长垣油区的砂泥岩薄互层，以及中国东部煤田的煤系地层时，不同方位P波速度的变化不仅仅是可能存在的裂缝的反映，而更可能是陆相沉积的横向相变；不同方位和蜗牛道集下的P波反射振幅变化也不仅仅只有裂缝这唯一影响因素，更可能是薄层横向的岩性变化以及厚度的变化[74]。已有研究证明，薄互层中发育的裂隙对地震反射波场的影响程度严重受制于薄层的干涉效应[75]。

以大庆喇嘛甸地区采集的高密度宽方位(横纵比为0.8)三维三分量地震数据为例，P波振幅的方位各向异性分析结果所揭示的并非单纯裂缝的信息，如图4所示，而是薄层沉积的横向相变与构造影响的综合作用结果；S波分裂预测的各向异性方位和时差(图5)与P波各向异性分析存在较大差异也证实了这一点[76]。

图4 大庆喇嘛甸地区P波预测T2层的方位各向异性的方位(a)和强度(b)[76]

图5 大庆喇嘛甸地区T2层S波分裂快慢波时差(a)和预测的各向异性的方位(b)[76]

因此，对于宽方位地震数据的分析和P波方位各向异性解译，一是不能简单地套用Rüger理论公式，二是不能简单地把P波各向异性归因为裂缝。在薄互层沉积地区的应用应格外慎重，地震速度和振幅的各向异性特征具有多种复杂的影响因素。因此，相对于S波分裂的有效性和成因解释，P波各向异性分析用于薄互层储层的研究需要更充分的论证。

淮南煤田采集的一块全方位三维三分量数据地震快慢S波分裂分析结果揭示13-1煤层的各向异性发育特征如图6a和图6b所示[55]。错断13-1煤层的区域断层延伸以近东西向为主，预测得到的裂缝方位角以北西向为主，包括局部规律性较差的北北东向。这一推测被4-56井(图6c)和巷道揭露所证实： 4-56井位处13-1煤层以破碎和粉末状为主，裂缝的展布方向规律性较差。

但与该数据采集的野外观测系统炮检点分布(图7)对比可以发现，S波分裂预测的多个裂缝密度发育异常区(图6b)与地表村庄和水塘造成的变观区重叠。在P波处理过程中，针对宽方位的P波数据采用5D插值技术和OVT处理技术，有效地消除了采集脚印或变观的影响，如图8所示。但对于PS波，由于并未采用相同的处理技术和流程，S波分裂分析结果值得质疑。因此，发展针对PS波的宽方位OVT处理和高维插值技术是必要的[77]，但显然中国国内的PS数据处理还缺乏这方面的技术支撑。

图7 淮南煤田三维三分量工区炮(红色)、检(蓝色)点分布

图8 淮南煤田三维三分量工区五维插

3 深海和深层PS波成像问题

3.1 超深层油气勘探中的思路局限性

超深层油气勘探开发技术攻关被纳入了中国国家的中长期油气发展规划，其中地震技术攻关的基本思路仍是沿袭单分量、单纯P波的“两宽一高”采集技术[78]。对于超深层油气藏的识别，尤其深层油气主要以天然气、凝析气藏为主[79-80]，若无法获得更高信噪比和分辨率的地震P波数据，或不能在相关理论方法上有新的突破，单纯P波技术解决问题的能力值得质疑。鉴于S波识别气藏的优势[81-82]，在深层气藏勘探中多波联合应是有效的途径之一。图9为塔河沙48井区三维三分量勘探的深层奥陶系灰岩顶反射(PP波剖面的3.5s处)PP与PS波反射对比， PS波在寒武系顶的反射(图中箭头所示)也很强，这打破了人们以往的S波反射很弱、深部难以应用的惯性思维模式。另外，从图10的塔里木托甫台三分量VSP地震PP、PS波成像剖面也可以看出，井中多波的使用不仅仅有利于深层的精细成像，多波联合解释、反演能降低多解性无疑十分值得期待[83-84]。而塔里木盆地寒武系超深层油气勘探的突破，使得深层内生岩溶及其与构造和裂缝的关系研究成为以后面临的主要课题之一[85]，这也必将需要多分量地震勘探技术。

图9 塔河沙48井区三维三分量地震PP波(a)、PSV波(b)、PSH波(c)叠前时间偏移剖面

图10 托甫台三分量VSP地震PP(a)、PS(b)波成像剖面对比

3.2 深海四分量数据成像

四分量地震观测已在海域广泛使用。在开阔、海底相对平坦的浅海海域四分量OBC技术已经得到了较好的应用[86]。除气泡效应、鬼波和海底鸣震压制外，陆检的三分量地震技术基本可以适用于OBC数据的处理。但目前国内外海域地震勘探面临的更多、更复杂的任务是，在海水深度大幅度变化的深海海域实施四分量的OBN和OBS探测[87]。例如，在东方地球物理公司中标的沙特红海三维OBN勘探中，检波器的布设范围跨越了海拔十几米的岛礁直至水下一千八百多米的深海海域，地形变化剧烈。此时多分量地震数据处理的难点除X、Y分量上鬼波、气泡、洋流和海底鸣震压制外，还有如何兼顾海底地形和深层结构的高精度PS波成像。

设置参数如表1所示的四层海上地震模型，其中海底为起伏界面 (图11)。对该模型进行简单的射线追踪，即可以说明起伏的海底地形将产生下行P波及其反射P波的盲区，并进一步影响海底下伏简单水平界面的PP波与PS波反射照明度。

表1 海上地震模型参数

对于这种起伏海底界面模型，不论拖缆还是OBN观测，即使使用了准确的模型速度，成像剖面均也会存在由于照明不均而产生的横向能量差异(图12)。可以推测，当海底界面以下地层界面也是剧烈起伏变化时，即使加密炮点，成像的横向连续性也会较差；从而导致后续利用振幅信息的反演技术失去了数据保幅的应用前提。

以中国南海神狐海域OBS勘探为例，剧烈起伏的海底使常规的陆上静校正处理技术难以直接用到深海地震数据的处理中；双基准面的静校正和镜像成像方法对于PS波并不适用。图13为镜像成像的时间偏移结果，显然，PP波与PS波对起伏的海底和地下界面成像效果均很差，深层结构成像困难，镜像法不适用于大起伏深海多波数据的偏移[88]。因此，除发展多次波成像技术[89]外，研发深度域、基于共检波点道集的深海多分量成像技术是目前该领域面临的主要任务之一[90]。

图11 海底起伏地震模型

图12 起伏海底模型不同地震数据的时间偏移结果

图13 南海神狐海域OBS工区PP下行波成像剖面(a)及PS波成像剖面(b)

此外，深海OBS观测还具有炮点密集、OBS站点稀疏的特点。除造成了覆盖次数分布不均匀、炮点道集成像困难，需要对数据进行插值和波场规则化重建，以消除稀疏采样和洋流的影响。尽管目前的波场重建技术针对单分量P波是有效的，对于PS波数据也曾有高维插值技术的尝试[36]，但多波联合反演和多波属性的应用需要保护动力学特征，因此兼顾矢量特征保持的高维插值技术是必需的，而不是简单的单个分量分别处理[91]。

4 结论与展望

总结地震各向异性理论研究与多分量地震勘探技术应用中存在的一系列问题，从常规与非常规油气勘探开发的角度，可以获得如下的认识。

(1)相对于发展成熟的地震各向同性弹性介质理论，各向异性理论研究仍需进一步深化。这不仅表现在现存的Schoenberg、Hudson、Thomsen、Chapman理论以及长波长VTI近似理论仍需要不断地进行物理与数值模拟以检验、修正和完善； 对于中国更为复杂的多组多尺度裂缝型储层、薄互层、强各向异性页岩和煤系地层的高精度刻画，这些理论还需要不断的发展。其中急需攻关解决的问题包括：

1)针对强各向异性介质，在Daley等[92]的相速度公式基础上详细讨论各向异性强弱所引起的Thomsen理论的低阶近似误差[44]，给该理论的实际应用提供一个适用范围，是目前该理论在油气地震勘探领域广泛应用的一个重要前提；在此基础上再进一步发展适用于强各向异性介质成像的理论、方法是当务之急；

2)从更具有一般性的单斜介质模型的物理与数值波场模拟入手，从理论上厘定多组裂缝同时存在时会对S波分裂产生的串扰影响，是客观评价S波分裂分析预测裂缝技术可信度的必要条件。在此基础上，充分利用井中多分量观测，发展频率域S波分裂分析技术是实现多组多尺度裂缝预测的可行方案；

3)尽管弱化薄互层顶底的强反射屏蔽可以相对凸显薄互层的内幕反射，但由于薄互层沉积所引起的地震相与沉积相并非一一对应的单调函数关系，在薄互层“白反射”的背景下，若不提高地震分辨率，除了VTI近似反演可以对互层结构和总的砂体含量比进行预测，力图反演其中隐藏的某个或某几组砂体，理论上是无解的。目前薄互层地震反演结果与实际钻孔揭示难以匹配也从应用层面佐证了这一认识。

(2)反射地震理论最基本的模型是建立在阻抗差界面的存在以及应力—位移连续性条件的基础上，用于处理厚层的地震反射是合理的；但用于中国陆相油气储层刻画时，薄层及其横向相变都可能使阻抗差界面反射理论以及建立在此基础上的Rüger各向异性P波分析理论产生较大的误差。因此，从陆相沉积模型的物理模拟和数值模拟出发，通过宽方位的观测模拟与各向异性分析，需要厘定： ①薄层调谐效应影响下，垂直裂缝是否足以引起明显的地震反射P波速度和振幅异常？②薄互层与垂直裂缝叠加所形成的正交各向异性介质条件下，地面宽方位地震P波的速度与反射振幅及其变化率的方位各向异性是否只是由裂缝引起，与陆相沉积的层厚、相变是否有关？这些是应用Rüger理论进行P波各向异性分析的前提；也只有如此，P波各向异性分析才能与S波分裂分析表现出合理的异同。

(3)尽管多分量地震观测在陆地和井中VSP，以及海洋地震探测中都获得了广泛的应用，但显然针对X、Y分量的处理技术，尤其是保矢量特征的处理技术的发展刚刚起步。与P波资料处理相比，PS波资料的处理，在波场重建、宽方位OVT处理以及时间和深度域偏移成像等诸多方面仍存许多不足。多分量地震配套处理技术的缺乏，使得“两宽一高”的地震数据采集目前只能停留在单分量P波观测，大量的非走时的动力学信息和特征的发掘技术缺失，或数据处理质量难以保证，使得采集数据中蕴含的大量信息未能得到充分挖掘。因此，除从地震数据处理、解释、反演系统的基本架构上重新研发针对多分量地震数据的矢量处理与解释反演系统外，尽快研发基于三分量的矢量波场高维插值技术以及联合Z、R、T分量的OVT道集叠加技术，针对剧烈起伏海底界面的深度域偏移成像技术等，是推动多分量地震勘探技术应用，解决深层油气勘探开发难题，大幅度提高油气勘探开发效益的关键措施。

感谢本研究团队的杨宇勇博士、李栋青博士生为本文图件的准备和清绘做了大量细致的工作，感谢广州海洋地质调查局、淮南矿业集团公司和中国石油化工股份有限公司许可部分资料的公开发表。