0 引言

尽管纵波地震勘探仍将是地震勘探的主流技术, 但是国内外勘探学家已普遍认识到多波多分量地震勘探在油气勘探领域的潜力^[1]。自20世纪60年代以来, 多波资料采集、处理和解释技术也有了全面的发展, 获得了一些成功的实例, 但由于地面激发震源装备太大, 许多复杂地表区, 如沙漠、黄土塬、山地等区域很难开展横波勘探, 而是利用三分量检波器接收到的反射PP波、PSV波和PSH波来分析地下构造、岩性、裂缝及含油气性^[2]。国内外纵横波联合勘探应用实例较少, 在工程物探领域主要应用于浅层断裂活动的调查与研究^[3]。石油工业界纵横波应用实例少见, 2017—2018年, 东方地球物理公司首次在国内开展了“低频+横波”可控震源多波二维联合激发的油气勘探攻关试验, 实现了横波勘探工业化生产的规模应用。

以柴达木盆地三湖地区第四系生物气气藏为例, 该区构造气藏具有孔隙度高、含气饱和度高的特征, 地震剖面上表现为明显的“气烟囱”现象, 气云区成像品质差, 构造细节落实不清, 岩性气藏丰度低, 含气异常特征不明显, 含气检测精度低^[4]。针对这一特征, 先后开展了高分辨、高精度、转换波等地震勘探工作, 但在气云区PP资料不能恢复气藏构造, 难以满足对低幅度构造识别及岩性预测的需求。通过多波二维地震勘探攻关试验, 采用分开激发和接收、获取高品质的PP波和SS波资料, 采取PP波、SS波联合勘探的互补性及优越性^[5]开展解释技术攻关, 以期形成纵横波解释配套技术, 推动多波地震勘探。

1 纵波勘探在气云区难以解决的问题

气云区又称“气烟囱”, “气烟囱”是由于天然气(流体)垂向运移在地震剖面上形成的含气异常现象, 是气藏超压、构造低应力和泥页岩封隔层3种因素综合作用的结果^[6-8]。柴达木盆地三湖地区第四系生物气气藏资源丰富, 由于地层沉积时代新, 成岩作用差, 岩石结构疏松等独特的地质特征, 储层孔隙度为25%~35%, 渗透率多在12 100 mD左右, 具有高孔隙度、高渗透率的特点。构造气藏一般具有丰度高、分布面积大、埋藏浅(300~1 700 m)、含气井段长(最大累计厚度达到1~100 m)、产气层数多、单层厚度小(1~3 m)等特点。同时, 由于天然气藏的气体向上运移及逸出, 地震波传播时间增加, 在地震剖面上出现同相轴下拉, 地震波能量被吸收引起频率降低、深层成像差等现象^[9-13]。三湖地区已发现的台南、涩北等气田在剖面上均表现为典型的“气烟囱”现象(图 1)。

在气云区, 构造圈闭形态难以准确落实, 气藏边界难以确定, 气藏深度预测困难, 同时浅层含气后影响了深层资料的成像质量, 导致深层资料品质信噪比极低, 既影响了深层圈闭形态刻画, 又制约了纵向气层段的分布认识。

2 纵横波联合勘探的技术优势

由于SS波资料不受孔隙流体的影响, 能较好地恢复气云区低幅度构造成像^[9], 同时SS波速度比PP波速度低, 对于厚度较小的同一地层, 具有更高的分辨能力^[13], 因此利用SS波的优势可以准确地刻画浅、深层构造圈闭的形态, PP波和SS波联合解释预测岩性分布, 可以提高预测的精度。

2.1 横波资料能够有效恢复气云区成像

利用高精度多波表层调查及建模技术, 建立PP波和SS波的表层速度模型, PP波和SS波静校正问题得到了很好地解决。通过资料处理得到了高品质的PP波、SS波资料, 其中, 气层在PP波剖面上表现为同相轴下拉, 频率下降和振幅衰减, 受浅层含气影响深层信噪比极低, 成像质量极差[图 2(a)], 而在对应的SS波资料上, 信噪比和分辨率等却明显提升, 表现为一完整的背斜形态, 同时深层成像得到质的改善, 有利于准确刻画浅、深层构造圈闭形态[图 2(b)]。

2.2 横波资料能精细识别微小断裂

三湖地区气云区在PP资料上成像品质差, 构造主体断裂识别困难, 翼部小断裂却能够较清晰识别[图 3(a)], 而在SS波资料上成像品质较好, 构造主体部位断层轨迹清晰[图 3(b)], 极大地提高了微小断裂的识别精度, 研究区浅层发育了一系列的正断裂, 断裂向上延伸至浅表, 破坏了第四系地层中的原生油气藏, 对早期油气藏起到破坏作用的同时, 也可能使油气纵向运移, 聚集到浅层高部位, 形成次生油气藏。

2.3 横波资料具有较高的分辨能力

地震高分辨能力既要求体现横向分辨率也要求体现纵向分辨率^[14]。通常认为横向分辨率是分辨反射体的大小或间隔的能力, 可用菲涅耳带的大小来衡量, 即菲涅尔半径越小, 地震波的横向分辨率越高^[15-17]。

$ R=\sqrt{\frac{v h}{2 f_{c}}} $

(1)

式中：v为地震波传播速度, m/s；h为界面深度, m；f_c为地震主频, Hz。

在研究区采用相同的仪器接收, 从提取的PP波、SS波的K₅—K₉目的层段叠前时间资料频谱分析结果看, PP波的频率为5~60 Hz, 主频为32 Hz, SS波的频率为5~60 Hz, 主频为35 Hz, 两者频带宽度和主频基本一致(图 4), 但由于纵横波速度存在差异, 根据统计, PP波速度是SS波速度的2倍, 根据式(1)计算SS波的横向分辨率比PP波的分辨率高出1.4倍。

纵向分辨率与地震波长成正比关系

$ \frac{\lambda_{\mathrm{p}}}{\lambda_{\mathrm{s}}}=\frac{v_{\mathrm{p}} f_{\mathrm{s}}}{v_{\mathrm{s}} f_{\mathrm{p}}} $

(2)

式中：λ_p, λ_s分别为PP波、SS波的波长, m；v_p, v_s分别为PP波、SS波的传播速度, m/s；f_p, f_s分别为PP波、SS波的主频, Hz。

根据式(2)计算SS波的分辨能力较纵波的分辨能力提高了2倍, 因此SS波勘探更有利于薄砂层的识别。

3 纵横波联合解释的关键技术

在多波勘探技术中, 地震资料的综合解释是一个难点。其中, 纵横波时间尺度匹配是承接多波数据处理和解释的必要环节^[18]。只有做好二者的匹配工作, 才能为后续的构造解释、岩性识别及储层预测提供依据, 进而寻找可能的油气资源。

3.1 对PP波、SS波合成记录进行标定

SS波人工合成记录的制作与PP波合成记录制作原理一致, 都是利用速度曲线和密度计算相应的波阻抗值, 再计算反射系数序列与子波相褶积生成合成地震道。根据测井资料分别求取PP波、SS波的反射系数序列, 提取PP波、SS波资料目的层的井旁道子波, 分别制作PP波, SS波的合成记录(图 5)], 使对应的合成地震道与PP波、SS波地震资料达到高度统一。从标定结果来看, PP波及SS波的合成记录与井旁道特征基本一致, K₅及K₉为三湖研究区的地震标志层, 均表现为强波峰特征, SS波与PP波的波组特征基本一致。

3.2 PP波与SS波时间域匹配

在地面地震资料解释中, PP波和SS波联合解释首先遇到的问题是同一测线PP波和SS波剖面之间的层位对比。通常是将剖面相应的构造特征进行对比, 或者将剖面的时—深关系进行换算, 或者利用测井曲线制作合成记录帮助对比^[19]。在多波多分量地震勘探中, 由于横波在岩层中的传播速度要小于纵波速度, PP波剖面和SS波剖面拾取出属于同一地层的2条同相轴, 因此很难把属于同一地层的纵波信息和横波信息联系起来。多波多分量资料的匹配既可以在时间域内进行匹配, 也可以在深度域进行匹配。根据地质构造特征和岩性特征不变性原则、反射深度及厚度一致性原则、地层层序不变性原则等, 对PP波与SS波进行匹配^[20-23]。采用合成记录标定结果进行对比, 利用上述PP波、SS波的合成记录标定分别确定主要标志层的地震反射特征, 并在横向上追踪解释, 然后在井点处对主要标志层进行更加直观的对比。

首先对研究区内稳定的K₅和K₉标志层进行对比, 以探井TZ3井为例, 在PP波剖面[图 6(a)]和SS波剖面[图 6(b)]上, K₅, K₉均为强波峰反射特征。然后在剖面上对比纵向的波组关系, PP波和SS波剖面的波组强弱对应关系较好, 但由于PP波和SS波的反射序列在纵向上存在差异, 各套反射特征并不一一对应。最后从剖面特征看, SS波较PP波具有更高的分辨能力。

3.3 主测线、联络线闭合差校正

对于同一批测线同一参数处理的地震资料, 当地层倾角较大时, 会导致主测线和联络测线不闭合。这是因为二维地震偏移, 只是沿测线方向进行了一次二维空间的视偏移, 并未对与测线垂直方向进行归位处理, 所以地下反射波并没有真正偏移归位到其真实的位置上, 这就会造成主测线和联络测线的偏移剖面在交点处的不闭合^[24]。从研究区PP波及SS波资料闭合差统计中可以发现, 在同一测线位置上的PP波、SS波剖面上不同的层位闭合差不同, 浅层较为平缓的地震反射层闭合差较小, 而深层地层倾角较大时的地震反射层闭合差大。另外, PP波闭合差值为2~15 ms, 整体值偏小[图 7(a)], 而SS波闭合差值为2~100 ms, 整体值偏大[图 7(b)]。

对于相同测线位置上同一深度的点, 由于T₀时间和速度谱是一一对应的关系, 所以PP波和SS波在叠加速度上是存在着差异的, 如果只考虑地层倾角这一影响因素, 当PP波和SS波在同一相交点的闭合差值不同, 由于SS波的速度比PP波速度要小, 所以SS波的传播时间更长, 闭合差也会增加。由于横波受各向异性影响很大, 特别是当地层含有流体或钻遇断裂时尤为明显, 利用SS波资料制作构造图时等值线会出现畸变, 因此应尽可能地消除SS波的闭合差问题。

通常, 闭合差校正既可以在剖面上完成, 也可在数据体上完成。在剖面上主要是通过时间、相位、频率分析, 波组与波形对比, 计算、统计出各测线交点处的闭合差, 然后再对剖面进行时移(漂移)来消除闭合差。在解释层位数据上, 只对各解释层位交点处的闭合差进行统计和修正, 而不改变剖面本身的对比关系^[25]。对于SS波不同测线的闭合差校正, 可以通过求取不同测线的校正算子来对交点闭合差作时变和空变时间差及波形校正, 其具体原理和方法参考苏永昌^[26]提出的交互闭合差校正方法。

4 应用效果分析

2017年在柴达木盆地三湖地区驼峰山—盐湖—哑叭尔部署了44条实物工作量, 800 km多波二维地震勘探工作, 分时激发接收, 取得了高品质的PP波和SS波资料, 通过开展PP波和SS波合成记录标定、构造精细解释、联合属性分析等工作, 取得了一些新的成果和认识。以驼峰山地区多波二维解释成果为例, 驼峰山构造位于涩北二号北东方向的北部斜坡带上, 地面为一短轴背斜, 构造长8.2 km, 宽4.6 km, 地层平缓, 地面构造面积95 km², 闭合面积22.8 km², 闭合度18.5 m, 虽构造圈闭面积大, 但落实含气区面积不到1 km²。

PP波和SS波资料包含的信息差异导致两者的解释成果存在不同。一方面PP波在气云区构造高低关系已严重失真[图 8(a)], 由于构造含气影响(TZ1井钻探证实为气井), PP波同相轴下拉造成构造形态畸变, 圈闭形态难以刻画, 而在SS波资料上气云区显示为被一系列正断层控制的背斜构造[图 8(b)]。另一方面, SS波资料对微小断裂刻画得更丰富、更精细, 断裂位置更准确、断裂组合方式更合理, 这些断裂与地表观察到的断裂方向一致。

在勘探实践中介质的弹性和各向异性问题逐渐凸现, 利用单一的PP波资料预测岩性和含油气性的多解性问题十分突出, PP波地震解释在含油气的显示存在许多不确定性。通过时频谱可以研究信号瞬时振幅、瞬时频率等时变特征, 准确提取这些信息是地震信号处理和解释的前提条件^[27-29]。通过分频属性认为含气储层具有“高频衰减, 低频共振”的特征, 储层含气后低频成分明显增强(图 9)。

三湖地区已发现的气田在PP波地震剖面上一般具有强振幅、低频、同相轴下拉等特征, 在纵向上呈“喇叭口”形状[图 10(a)], 在低频属性体上具有相对较强的振幅特征[图 10(b)], 由于SS波上并不受含气的影响, 整体表现为完整的向北抬升的斜坡, 局部有隆起背景, 且地震剖面相位、频率、振幅未见异常[图 10(c)]。综合PP波、SS波资料分析认为, PP波高频端成分降低、同相轴下拉是含气引起的地震异常, 结合低频属性特征进一步确认该异常为构造背景下的岩性气藏。

5 结论

(1) PP波在气云区出现同相轴下拉等现象, 构造出现畸变, 影响了构造形态的落实；SS波资料可以有效地恢复气云区低幅度构造成像, 为落实气云区浅、深层构造圈闭细节提供了可靠的基础资料。

(2) PP波在气云区成像品质差, 给构造主体部位断层识别造成很大的困难, 而SS波资料在气云区断裂成像清晰, 可有效识别断裂的空间展布, 对精细刻画微小构造起到至关重要的作用, 为气藏的分布研究提供了一种全新的手段。

(3) PP波在含气段剖面上出现振幅增强、频率下降、同相轴下拉等地震异常, 也影响了对下覆地层含气的判别, 纵向上难以有效识别含气储层的厚度和层段, 联合PP波、SS波开展构造、储层综合分析, 降低含气预测的多解性。