寬方位地震資料方位各向異性處理
——以大慶長垣三分量地震數據為例

張麗艷 李 昂 劉建穎 楊建國 陳志德

(①中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧沈陽 110000； ②中國石油大慶油田勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712)

0 引言

隨著常規油氣產量的不斷下降，勘探理念的不斷轉變和創新，頁巖油、頁巖氣勘探、開發逐漸成為油田增儲的熱點領域[1]。

地下介質廣泛呈現各向異性，各向異性已成為影響地震數據處理精度的重要因素，特別是復雜介質的成像精度[2-3]。裂縫儲層是頁巖油和頁巖氣主要儲層類型，為中、 強各向異性介質[4]。為了利用P波或多波地震資料反演地球內部各向異性參數或了解裂縫的分布規律，考慮介質各向異性的反演技術得到發展和應用[5-7]，如AVO反演、旅行時反演、偏振反演以及全波形反演等。各向異性介質中存在橫波分裂現象，利用該現象可預測裂縫的發育特征。描述沉積地層的各向異性基本模型有兩種：一是由周期性薄互層或水平平行排列裂縫引起的具有垂直對稱軸的橫向各向同性介質(VTI介質)；二是由構造應力產生的具有水平對稱軸的橫向各向同性介質(HTI介質)，用來描述一組垂直排列的裂縫[8-9]。

眾所周知，地震波經過裂縫性儲層時振幅、速度和旅行時都受裂縫方位和密度的影響，即在不同方向上測量到的地震速度有差別，因此利用各向異性速度差異可預測裂縫密度和方位。窄方位地震資料在某些方位內存在資料的缺失，覆蓋次數非常低，而在有些方位覆蓋次數非常高，不同方位之間信息不均衡，勢必會影響最終的成像和后續的儲層預測和油氣檢測等。所以，寬方位資料有利于裂縫儲層的研究[10-12]。Cordsen等[13]認為，寬方位采集的橫向不同覆蓋次數過渡帶要比窄方位角小，更容易跨越地表障礙物和地下陰影帶； 在速度分析和成像方面，Cambois等[14]認為寬方位成像比窄方位角成像能夠提供更多有利的儲層信息。

近年來寬方位地震勘探在國內外得到了廣泛的應用。卡塔爾西方國際石油公司于2003～2004年在海上完成了中東第一塊寬方位四分量地震采集，資料具有較高的信噪比和豐富的波場信息，很好地識別了近垂直的小斷層和裂縫發育的低幅度背斜構造； BP公司于2005年在墨西哥灣進行了寬方位采集，并很好地解決了鹽丘油藏成像問題。

在中國，很多油田都進行了寬方位角地震資料采集，取得了較好的勘探效果。如冀東油田某區塊由于地層傾角大、斷層發育、目的層埋藏深，采用高覆蓋小面元、寬方位的采集方法獲得了成功；在準噶爾盆地瑪湖凹陷總共采集了六塊高密度、寬方位三維地震數據，大幅度提升了地震資料的品質，解決了微小斷裂識別、沉積相帶刻畫及優質儲層預測等地質難題； 遼河油田在雷家地區采集了210km2三維滿覆蓋“兩寬一高”地震資料，橫縱比達0.91，疊前時間偏移后數據頻帶較老資料拓寬了20Hz以上，為后續應用疊后流體活動屬性技術進行儲層含油氣性預測奠定了基礎。

本文以大慶油田喇嘛甸工區寬方位地震資料為基礎，針對方位各向異性在寬方位資料的表現特征及不同方位角范圍內屬性的變化進行詳細分析，較好地解決了寬方位處理中的問題，取得了較好的處理效果。

1 方位各向異性表現特征

1.1 喇嘛甸工區寬方位采集參數及處理

大慶油田在喇嘛甸地區采集了滿覆蓋面積40km2的高密度寬方位三維三分量地震資料：采用正交24L×16S×480R觀測系統，炮線距為160m，接收線距為160m，接收點距為10m，面元尺寸為5m×5m，滿覆蓋次數為15(縱)×12(橫)。采用DSU3數字檢波器全頻帶接收，動態范圍為120dB；采集方向為從正北方向順時針旋轉109°。圖1a為寬方位三維觀測系統玫瑰圖，圖1b和圖1c分別是原始Z分量和X分量單炮記錄，可見資料品質較好。

由于是三分量地震采集，因此采用縱、橫波聯合處理，圖2為聯合處理的流程。其中左邊部分是縱波的處理流程，關鍵技術包括模型約束層析靜校正技術、十字交叉排列去噪技術、近地表吸收衰減補償技術、地表一致性反褶積技術及基于模型道方法的方位各向異性校正技術等(灰色突出部分)；中間及右邊框圖是轉換波處理技術流程，關鍵技術包括坐標旋轉、全局尋優轉換波靜校正技術(主要是檢波點靜校正量求取，炮點靜校正量采用縱波的)、轉換波方位各向異性分析與校正、轉換波速度分析技術、轉換點道集抽取、轉換波疊前數據規則化技術及轉換波疊前時間偏移技術。轉換波靜校正、速度分析及轉換波疊前時間偏移都是針對R分量進行處理。應用百分比掃描方法進行轉換波偏移速度分析。

圖1 喇嘛甸工區寬方位三維地震觀測系統玫瑰圖(a)及原始Z分量(b)和X分量(c)單炮記錄

圖2 三分量縱、橫波聯合處理流程

1.2 方位各向異性的表現特征

橫波經過HTI介質會發生分裂，可以利用橫波這一現象進行裂縫檢測[15-16]。縱波經過HTI介質會造成多種地震屬性的變化，其動力學特征(振幅、主頻等)和運動學特征(速度)隨方位角變化[17-19]，同樣可以利用縱波的地震屬性的變化進行裂縫檢測[20-21]。圖3為該工區縱波炮檢距道集和方位道角集，該道集已進行了靜校正和常規的動校正處理。從炮檢距道集上能夠看出，由于方位各向異性的影響，同相軸呈現不平現象，而在方位道集上表現為隨方位變化的“波浪”形狀，波峰代表各向異性的主方位，波谷代表垂直于各向異性走向。縱波沿介質的主方位傳播時(第一個波峰位置，約72°)，速度快、時間短；垂直于主方位(第一個波谷位置，約162°)傳播時，速度慢、時間長；二者分別對應著橢圓的長軸和短軸。圖4為轉換波的徑向分量和切向分量的方位角道集，從圖中也可以看出，徑向分量的方位道集存在較大的方位時差，0°到360°的方位道集的同相軸同樣表現為波浪狀；切向分量具有較強的能量，切向分量上每間隔90°就會發生極性反轉現象(快波方向和慢波方向將整個方位分割成四個扇區，每個扇區90°，所以每隔90°就會發生極性反轉現象)，而且轉換波的方位道集上的各向異性的主方位與縱波具有較好的對應關系。

圖5是井震聯合分析對比圖，其中圖5a是全方位地震數據沿S2層振幅屬性切片，圖中L7-S1130處于黃色振幅屬性值區，L7-PS1211處于紅色振幅屬性區； 圖5b是由鉆井插值得到的S2層砂巖厚度圖，該工區處于開發區，共有開發井兩百多口，井網密度非常大，井間距約50m； 圖5c為兩口井在地震剖面的投影，藍色虛線代表兩口井的位置(綠色橢圓標記處)，藍色實線對應的位置是S2層頂。

圖3 縱波的炮檢距道集(a)和方位角道集(b)

圖4 轉換波徑向分量(a)和切向分量(b)方位角道集

對比可以看出，圖5a和圖5b刻畫的砂巖趨勢大致一致(圖中黑色虛線描繪處)； 由圖5d兩口井的砂巖曲線上(橘色)可以看出，井L7-PS1211在S2層段含有砂巖，而井L7-S1130在該層段不含砂巖(圖5d合成記錄上，S2層段為兩條藍線之間，砂巖曲線顯示橙色為砂巖)，所以井L7-PS1211所處的紅色振幅屬性區為砂巖，而井L7-S1130所處的黃色振幅屬性區為泥巖。另外，對比兩口井合成記錄振幅及對應的地震剖面振幅(L7-S1130井：3138；L7-PS1211：815； 差值為2322)可知，井L7-PS1211對應地震剖面振幅值更弱，而井L7-S1130對應的剖面振幅值強(圖5c)，所以整個振幅屬性圖上紅色代表砂巖，藍色代表泥巖(黃色為過渡色)。結合該地區沉積研究可知，該地區主要為三角洲前緣相，振幅屬性圖上紅色為由北向南發育的明顯曲流河道特征(圖5a中黑色虛線所示)。

方位各向異性不但影響地震波傳播速度，同相軸存在方位時差，同時導致地震振幅屬性隨方位角變化。將該工區分為四個方位(19°～72°、73°～110°、111°～151°、152°～199°)，分別對每個方位地震數據進行疊前時間偏移，對四個不同方位的時間偏移數據體進行沿S2層振幅屬性切片分析(圖6)。與砂巖厚度圖(圖5b)對比可見，不同方位振幅屬性刻畫的河道砂體整體形狀和趨勢與測井刻畫的砂體基本吻合，但存在細節差異。隨著方位的變化，不同方位屬性圖上河道砂體特征和邊界的刻畫是不同的，其中在方位角111°～151°的屬性圖上工區中部的小河道(黑色橢圓所示)最清晰。

圖7為該工區T2油層組頂界面的不同方位角的相干體屬性，可見不同方位角屬性斷層刻畫的整體趨勢一致，但由于方位各向異性的影響，不同方位角內的斷層細節特征存在差別。具體表現在： 圖中北西向①號斷層在方位角111°～151°屬性圖上最連續，斷層的走向最清晰，而在其他方位角的屬性圖上該斷層不連續； 在方位角19°～72°、73°～110°、111°～151°屬性圖上②號斷層兩側的另外兩條小斷層不清晰，但在152°～199°屬性圖上能清晰刻畫出②號斷層兩側近南北走向的兩條小斷層。

圖5 井震聯合分析對比

圖6 不同方位角的振幅屬性

圖7 不同方位角的相干屬性

2 方位各向異性預測與分析

理論研究表明，在方位各向異性介質中，縱波的AVO梯度在平行于裂縫走向和垂直于裂縫走向上存在較大差異。縱波垂直于裂縫帶傳播會有明顯的旅行時延遲和衰減，并有反射強度降低和頻率變低等現象，可以利用縱波的這些不同特征預測裂縫儲集層[22]。根據裂縫儲層的地震散射理論，地震波的衰減與裂縫密度的空間變化有關。沿裂縫走向隨炮檢距衰減慢，而垂直裂縫走向隨炮檢距衰減快，裂縫密度越大衰減越快。同樣，裂縫儲層的巖石物理模型實驗研究結果表明，地震縱波沿垂直于裂縫方向的傳播速度小于沿平行于裂縫方向的傳播速度[23-24]。

利用Ruger[25]提出的HTI介質的反射系數公式，通過一定的近似和反演可以獲得各向異性強度和方位，進而預測裂縫發育的密度和方位。圖8a為通過縱波疊前數據預測喇嘛甸工區T2層各向異性方位和強度的疊合顯示，線條的方向代表各向異性方向，不同顏色代表各向異性強度，其中紅色代表各向異性最強。可以看出，該地區T2目的層的各向異性方位主要為北東向；圖8b為各向異性的強度，同樣，紅色代表地下各向異性最強，可以看出地下介質的各向異性強度與地下斷裂的走向和發育有很高的相關性(圖7中的相干體)，斷裂方向為北西向，而各向異性方位為北東向，正好與斷層的走向垂直，是由斷裂的形成過程中擠壓或拉伸的應力導致。圖9a為橫波分裂所引起的快、慢波時差，時差越大，表明方位各向異性越強，經過分析該時差也與該地區斷裂發育程度相關。圖9b為橫波分裂預測的各向異性方位，主要集中在北東方向，約72°。

圖8 縱波預測的T2層的方位各向異性的方位(a)和強度(b)

圖9 T2層的橫波分裂快、慢波時差(a)和預測的各向異性方位(b)

3 方位各向異性校正處理

由以上分析可知，喇嘛甸工區地下介質呈現方位各向異性。介質方位各向異性會導致地震方位道集上同相軸存在一定時差，如果不進行時差校正，會導致非同相疊加，降低地震資料成像分辨率，影響對薄儲層的識別能力。

縱波方位各向異性校正與常規動校正的主要區別在于速度隨方位角的變化，所以進行方位各向異性校正的關鍵是求取方位速度。縱波在HTI各向異性介質中傳播方位速度滿足橢圓方程

v=v0+αcos2(β-φ)

(1)

式中：v為縱波隨方位角變化的速度；v0為方位速度v的平均值；α為與方位速度有關的因子；β為炮檢點之間的觀測方位角；φ為各向異性的主方向。

將實際觀測的地震數據至少劃分出三個方位，通過構建最小二乘目標函數

(2)

進行反演即可求出v0、α和φ三個參數，可得到表示各向異性速度的橢圓方程(式(1))。根據橢圓方程計算各CDP的不同方位數據的速度值，此時的速度值反映了各向異性的速度，再利用該速度值對方位數據進行動校正處理[26-27]。

圖10為喇嘛甸工區縱波數據在180°內分六個方位的速度分析結果，可以看出，同一CDP點在不同方位角的速度存在差別。圖11a和圖11b為常規速度分析和橢圓擬合求出的不同方位速度，方位速度刻畫出速度隨方位變化的細節； 圖11c為利用方位速度進行方位各向異性時差校正后的方位道集，可以看出，由方位各向異性引起的道集上存在的時差(圖3b)已消除，同相軸拉平。圖12a、圖12b為縱波方位各向異性校正前、后疊加剖面的對比，可以看出，進行方位各向異性校正后的剖面成像質量得到了改善(綠色方框所示)，弱信號的成像得到加強，分辨率更高，尤其是S2油層組界面(綠箭頭所示)，為后續的高分辨率處理和解釋奠定了基礎。圖12c、圖12d 為轉換波方位各向異性校正前、后的ACCP疊加剖面對比，也可以看出轉換波通過方位各向異性校正后成像質量得到了提高(綠色方框所示)。

圖10 不同方位角的速度分析結果

圖11 常規速度分析結果(a)與橢圓擬合求出的方位速度(b)的對比及方位時差校正后方位道集(c)

圖12 方位各向異性校正前、后疊加剖面對比

4 結論

本文基于大慶長垣喇嘛甸地區寬方位地震資料，精細地分析了方位各向異性對寬方位地震資料的道集和屬性的影響，并利用橢圓擬合進行了方位各向異性預測和校正，得出以下主要結論：

(1)方位各向異性對地震波傳播的速度和振幅等都有影響，尤其是寬方位地震資料，沿著方位各向異性的主方向地震波傳播快、垂直主方向傳播慢，所以方位道集上存在快慢波時差，且地震波振幅隨方位角變化；

(2)根據振幅等動力學屬性在不同方位角范圍內的差異，利用橢圓擬合可以預測大慶喇嘛甸地區的各向異性方位，且與利用橫波分裂預測結果一致；

(3)寬方位地震處理中應該考慮方位各向異性的影響，利用橢圓擬合可準確求出地下HTI介質的方位速度，進行方位速度動校正，能夠消除方位各向異性引起的快、慢波時差，提高資料的成像質量和分辨率，為后續開展解釋、疊前反演等奠定基礎。