地震勘探中的各向异性影响问题研究

 各向同性介质的常规地震成像技术和叠前时间/深度偏移地震成像技术已被广泛应用于构造解释和岩性识别,并获得了一定的应用效果,但其地震分辨率显然还难以满足薄储层识别和解决油田开发问题的需要。为此,本文基于零井源距VSP、8方向的Walkaway VSP、3D VSP和全方位三维地面地震的联合地震采集数据,针对沉积环境相对稳定的薄储层和裂缝性储层,探讨了VTI、HTI介质和剩余静校正对地震勘探的影响。研究结果认为,对于沉积环境相对稳定的薄储层和裂缝性储层,VTI介质是影响地震成像分辨率的主要因素,在3000m炮检距时会引起约100ms的时差;而HTI介质(含非均匀速度和构造倾角)的方位影响通常小于±20ms,但也会影响地震成像的分辨率。同时,HTI介质的相对空间变化信息的求解有助于裂缝性储层的预测。此外,VTI和HTI介质会直接影响基于地表一致性理论的剩余静校正的求解能力。因此,对于沉积环境相对稳定的薄储层和裂缝性储层勘探而言,充分考虑VTI和HTI介质的影响,将能有效提高地震勘探的分辨率和储层预测能力。     

正交各向异性介质中多方位三维转换波叠前时间偏移

目前大多数转换波叠前时间偏移(PSTM)算法只考虑了VTI各向异性介质对转换波旅行时的影响,而具有垂直裂缝的HTI各向异性介质具有较强的速度方位各向异性特点,不同传播方向的速度按照椭圆规律变化,仅使用VTI各向异性参数而不考虑速度方位变化对旅行时的影响,将导致多方位三维转换波叠前偏移成像质量下降。针对上述问题,提出一种基于正交各向异性介质的多方位三维转换波PSTM偏移算法,其转换波旅行时计算公式同时考虑了VTI和HTI各向异性参数,更加接近于地层介质的实际情况。由于转换波还受到映射在水平径向分量(R)和切向分量(T)的快、慢横波影响,因此需要在转换波叠前时间偏移之前进行R,T分量的快、慢横波分离。在常规三维转换波资料处理的基础上,利用基于正交各向异性介质的多方位三维转换波PSTM偏移算法对西南地区某实际资料进行了测试处理,结果表明,转换波叠前时间偏移结果在构造解释上更加合理,地层特征更加清晰,证实了算法的合理性和实用性。     

叠前P-SV波裂缝参数提取方法

本文通过适用于单层HTI介质的P-SV波近似反射系数（R_PS）公式,对R_PS特征进行了分析,并与P-P波反射系数（R_PP）进行对比;利用HTI介质中P-SV波近似反射系数公式推导出叠前单层HTI介质裂缝方位及密度反演公式,试验结果证明了文中的叠前P-SV波裂缝参数提取方法的合理性,并得出以下认识：①受HTI介质各向异性的影响,R_PS随方位角的变化呈椭圆分布,并且椭圆的属性在一定程度上指示了裂缝的发育方向和发育强度;②各向异性系数ε对R_PP没有影响,而γ对于R_PP的影响最大;③各向异性系数ε、δ、γ都对R_PS有影响,且γ的影响最大;④R_PS对裂缝介质（HTI）的各向异性系数更加敏感,因此P-SV波叠前数据较P-P波数据包含更加丰富和准确的裂缝各向异性信息,可采用叠前P-SV波数据反演提取裂缝的方向和密度。模型正、反演试验证实,由裂缝方位角及发育强度反演公式得到的裂缝方位和强度结果精确度较高,因此可以根据本文方法计算并预测裂缝的方位及强度。     

非均质HTI介质裂缝弱度参数地震散射反演

长波长假设下各向同性地层中发育的垂直排列裂缝可构成等效的具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质。裂缝弱度是重要的非均质各向异性介质特征参数,弹性逆散射理论是非均质介质参数反演的有效途径。基于地震散射理论,首先推导了非均质HTI介质中含裂缝弱度参数的纵波散射系数方程,并通过裂缝弱度的参数组合,提出了一种新颖的HTI介质方位弹性阻抗(AEI)参数化方法。为了提高反演的稳定性和横向连续性,改进了贝叶斯框架下的HTI介质各向异性方位弹性阻抗反演方法,同时考虑了柯西稀疏约束正则化和平滑模型约束正则化,最终运用非线性迭代重加权最小二乘策略实现了裂缝弱度参数的稳定估算。模型和实际资料处理表明,反演结果与测井解释数据相吻合,证明利用该方法能稳定可靠地从方位地震资料中反演得到裂缝弱度参数。     

正交各向异性介质反射系数精确解

中国陆相沉积岩大多具有薄互层特征,当受到构造运动的影响时,会发育垂向或近似垂向的高角度裂缝,呈现出典型的正交各向异性,可看作是VTI和HTI各向异性的叠置。研究正交各向异性介质的AVO响应特征对裂缝型储层的精细刻画有重要的意义。针对VTI背景介质中发育的一组直立裂缝诱导的正交各向异性,采用Tsvankin提出的各向异性参数构建刚度系数矩阵,再根据Christoffel方程和边界条件推导了精确反射系数和透射系数的计算方法。理论模型试算表明：①若P波从低阻抗各向同性介质入射至高阻抗正交各向异性介质,背景介质VTI各向异性强度的增大会导致PP波反射系数增大、PS1波和PS2波的反射系数减小;而随着裂缝弱度的增强会导致PP波反射系数的减小、PS1波和PS2波的反射系数的增大。②若P波从高阻抗各向同性介质入射到低阻抗正交各向异性介质,PP波、PS1波和PS2波的反射系数变化规律与①相反。③PP波反射系数的方位各向异性远小于PS1波和PS2波。与Rüger反射系数近似公式计算结果的对比,验证了该反射系数计算方法的正确性。     

井地联合地震勘探技术研究

垂直地震剖面(VSP)在求取地层参数(大地吸收衰减系数、速度、VTI和HTI介质参数)、时深转换与标定以及储层波场描述方面具有优势;地面地震则具有观测系统灵活均匀、成像孔径大、宏观地质解释能力强的优势。因此,井地联合地震勘探技术被视为未来地震勘探和油藏地球物理的重要发展方向之一。通过本次东部火成岩裂缝储层的VSP(零偏VSP,Walkaway VSP和160级三维VSP观测)与全方位地面地震观测的井地联合地震研究表明,基于VSP驱动的地面地震数据提高分辨率处理是有益的,但参数求取方法和近地表空间影响的消除需深入研究;基于VSP驱动的三维速度场的建立也存在一些问题需要研究;基于WVSP和三维VSP求取的VTI和HTI参数有效,并且对于驱动全方位地面地震数据的VTI处理、裂缝预测和叠前反演是有益的。最终通过基于VSP驱动的地面地震数据处理和消除近地表影响的相对保持储层振幅、频率、相位和波形的处理,以及处理过程中的质量监控,获得了火成岩裂缝储层的地质信息和火成岩相带精细解释结果。     

VTI介质qP波广义高阶屏单程传播算子

 本文从VTI介质弹性波波动方程入手，通过本征值方法及声学理论近似建立了VTI介质qP波频散关系方程，再根据介质扰动理论深入研究了VTI介质qP波广义高阶屏单程传播算子。将VTI介质参数场分解为均匀各向异性速度场、速度扰动场以及各向异性参数扰动场，这样qP波广义高阶屏单程传播算子就由背景介质波场自由传播项和各向异性扰动项两部分组成。背景场的计算在波数域完成，而非均匀各向异性扰动项(包括慢度扰动项、各向异性参数扰动项)在空间域计算。当各向异性参数横向变化较为剧烈时，采用高阶屏算子能提高单程qP波高角度传播精度。均匀各向异性介质和复杂各向异性介质模型脉冲响应试验表明：qP波广义高阶屏算子不仅在大角度传播时能够满足精度要求，而且能够适应任意强横向变速、强横向各向异性扰动时的情况，适用于复杂VTI介质qP波地震深度偏移。     

宽方位地震资料方位各向异性处理——以大庆长垣三分量地震数据为例

地震纵波在HTI介质中传播时，沿垂直于裂缝方向的速度小于沿平行于裂缝方向，且反射强度降低和频率变低；横波在HTI介质中传播时分裂成快、慢横波。以大庆长垣喇嘛甸地区的宽方位三分量地震资料为基础，分析了方位各向异性的表现特征、影响及不同方位角范围内属性的变化，并根据这些性质的变化利用椭圆拟合对该地区的各向异性的方位和强度进行定量预测，与利用横波分裂预测的结果一致。为了消除方位各向异性对地震成像分辨率的影响，利用椭圆拟合准确求出了HTI介质的方位速度，进行方位速度动校正，消除了方位各向异性引起的快慢波时差，提高了资料的成像质量。     

小生境遗传算法AVOA反演

采用具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)模型研究裂缝性油气藏,P波振幅随炮检距和方位角变化(AVOA),表现出较强的方位各向异性特征。本文基于Ruger提出的HTI介质模型的P波反射系数公式,利用由基准测线和另外两条与之呈45°、90°测线的P波反射系数的相对差异估算裂缝方位;同时引入小生境遗传算法,对基准测线和与之呈90°测线的P波反射系数差进行反演,得到了较高精度的纵、横波波速比和Thomsen各向异性参数。     

具有垂直和水平对称轴的横向各向同性模型的P波反射系数

对振幅随偏移距变化的分析来说,研究各向异性介质中的P波反射系数是重要的。直接对反射系数做数值估计时,数值解不能从解析角度反映各向异性对AVO特征的影响。 为解决这个问题,本文为计算具有垂直对称轴的横向各向同性介质中水平边界的P波反射系数提供一种改进了的近似方法,其解中有一个与以前文献中方程相同的描述反射系数低次项角度变化的AVO梯度项,但对大入射角来说,这个解更为确切。这样,精细的近似可以扩展到具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质。这种情况通常是由一组垂直裂缝所引起的。对比HTI介质的两个垂直对称平面中入射P波的近似反射系数可以看出:AVO梯度的方位变化是横波分裂参数γ和各向异性参数的函数。其中,各向异性参数描述在具有对称轴的垂直平面中近似垂直传播的P波各向异性。     

遗传算法反演HTI介质各向异性参数

具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）介质是用来描述含有平行垂直裂隙的裂缝性油气藏的最简单方位各向异性模型。本文针对任意各向异性程度的HTI介质水平反射界面，根据任意方位角（测线方向与主轴方向的夹角）转换波动校正速度公式，利用遗传算法反演介质的各向异性参数。在多分量三维勘探中，通过P－P方位变化的动校正速度，反演出P波入射的垂直速度，Thomsen参数δ和地下裂缝的方位角，通过P＿S1，P－P可以求得S1－S1波随方位变化的动校正速度，反演出S波入射的垂直速度和Thomsen参数γ。为了有交效地克制优化问题中的非线性，多峰值问题，本文采用遗传算法以得到全局最优解。并采用伪并行遗传算法，有效防止搜索过程中早熟现象的发生。     

任意空间取向TI介质弹性波速度特征分析

相速度和群速度是表征地层介质物性特征的重要参数,在各向异性地震波传播理论研究和实际地震数据处理应用中都有重要作用。本文从本构坐标系下TI介质的弹性矩阵出发,通过Bond变换给出任意空间取向TI介质(ATI介质,Arbitrarily Transverse Isotropy)在观测坐标系下的刚度矩阵。联合弹性动力学的本构方程、柯西方程和牛顿运动微分方程,得到ATI介质的弹性波波动方程和Christoffel方程。通过本征值方法求解Christoffel频散方程,导出了ATI介质中3D相速度精确解析式;借鉴Crampin推导各向异性群速度公式的思路,推导出ATI介质中弹性波群速度公式。研究表明,本文给出的ATI介质弹性波速度解析式具有一般性,在特定条件下能退化成TTI、EDA介质,对各向异性射线追踪和偏移成像等具有重要意义。数值计算实例表明,ATI介质三维相速度和群速度曲面关于其对称轴对称,在观测坐标系下,不同类型TI介质的速度各向异性存在明显差异,据此可实现地下周期性细薄层或裂缝的走向识别。基于交错网格有限差分正演,在VTI、HTI、TTI、EDA和ATI五种TI模型介质中开展了地震波场正演模拟,对比分析了波场快照和群速度解析解,验证了ATI介质弹性波速度公式的正确性,同时明确了群速度控制着地震波场的波前形状。此外,还讨论了各向异性参数对地震体波相速度、群速度特征的影响。     

基于岩石物理的页岩储层各向异性表征

针对罗家地区A井测井数据,应用Backus平均方法将模型从测井尺度粗化至地震尺度,应用各向异性传播矩阵模拟页岩含油储层的地震AVO响应,并结合实际地震资料进行井震标定;基于VTI介质反射系数理论公式进行VTI介质参数AVO反演,并应用井中岩石物理反演结果进一步计算页岩含油储层的裂缝空间分布。结果表明：①随着模型中各向异性参数ε数值的增大,远炮检距反射振幅逐渐减小;②由地震反演得到的各向异性参数和水平缝密度与岩石物理的计算结果一致,由反演得到的水平缝的空间分布与油气产量具有相关性,证明了反演方法的有效性。     

二维VTI介质qP波斜率层析方法

斜率层析属于立体层析的一种特殊情况,在通过运动学反偏移重建立体层析数据空间的过程中,会出现炮检点位置和旅行时信息已经匹配而地表射线参数水平分量(以下简称地表p_x参数)无法匹配的情况,这时可利用p_x残差完成对速度模型和反射点坐标的更新。将各向同性介质中的斜率层析方法推广到二维VTI介质qP波情形,利用地表p_x参数关于三个各向异性参数的偏导数建立了二维VTI介质qP波斜率层析线性方程组,基于该线性方程组和典型理论数据实施了二维VTI介质qP波斜率层析反演。研究结果表明,VTI介质中的运动学偏移/反偏移与二维VTI介质qP波斜率层析线性方程组相结合,可以实现二维VTI介质的各向异性参数重建,为VTI介质的参数建模提供了一条新的途径。     

各向异性克希霍夫叠前深度偏移

随着地震勘探精度的提高,各向异性对于常规克希霍夫叠前深度偏移效果的影响已不容忽视。研究了利用P波非双曲旅行时求取各向异性参数的方法,当道集的排列长度远大于勘探目的层深度时,P波走时资料包含的信息可以用来确定VTI介质的各向异性参数。利用VTI介质的CMP道集,研究了二步法提取η参数的方法,即先利用短排列地震数据求取均方根动校正速度,再利用长排列数据和水平速度扫描法得到水平速度,通过转换得到各向异性η参数;采用基于声学近似的VTI介质程函方程,通过各向异性射线追踪计算旅行时。模型及实际资料处理结果表明,利用上述方法提取各向异性参数,进行VTI介质各向异性克希霍夫叠前深度偏移,使成像精度和质量得到了明显提高。     

各向异性HTI介质中的剪张源矩张量特征研究

水力压裂区整体上呈现各向异性特征,有必要针对水力压裂区的各向异性参数对震源机制和矩张量的影响进行深入研究和分析。研究了震源区为HTI各向异性介质情况下的剪张源震源机制与地震矩张量,分析了震源区HTI各向异性对双力偶分量(DC)、补偿线性偶极子分量(CLVD)和各向同性分量(ISO)的影响,比较了介质参数对于地震矩张量的影响。在此基础上研究了各向异性介质中剪张源的沙滩球和辐射花样。研究结果表明,各向异性介质中的矩张量参数依赖于各向异性的类型和强度以及断层面的方向等参数;含裂隙岩石的背景孔隙度、裂纹弱度等参数的变化会影响各向异性参数,进而对地震矩张量产生影响;地震矩张量中的非DC分量可能来自震源区介质各向异性的影响。     

VTI介质各向异性参数层析反演策略与应用

随着宽方位和全方位采集方法的广泛应用,地震数据处理中更多地使用大炮检距数据,而地下介质的各向异性往往对大炮检距数据影响较大,导致成像精度降低。此外,现阶段各向异性偏移算法发展迅速,但是各向异性参数建模技术还相对滞后。为此,在前人研究的基础上,采用P-SV波分离的射线追踪方法,为层析反演提供准确的旅行时和射线路径等信息,通过推导VTI介质层析矩阵的形式,介绍同时迭代重建方法,重点分析VTI介质的三个各向异性参数对不同角度的敏感性,并制定基于角度约束的三参数顺序反演策略。模型试算和实际资料处理结果表明,成像深度恢复到真实位置,提高了与井数据的匹配度,能较好地适应复杂构造。     

页岩层系天然裂缝地震预测技术研究

页岩层系中多尺度天然裂缝是重要的储集空间和输导体系,具有一定的独特性,在页岩纹层结构和夹层背景下,高角度垂直缝、顺层层理缝和微裂缝同时发育,这些裂缝的预测难度大。在页岩层系天然裂缝属性特征研究的基础上,提出了地震预测天然裂缝的流程,首先基于页岩各向异性岩石物理模型,采用高精度曲率方法研究大尺度高角度垂直裂缝;再基于VTI介质各向异性反演预测顺层层理缝,推导了正交各向异性介质反射系数的简化公式,并预测小尺度裂缝;最后利用人工智能建立了多信息多尺度裂缝综合预测方法。该方法取得了一定的应用效果,为裂缝参数的定量预测奠定基础。     

VTI介质各向异性叠前时间偏移方法

基于VTI介质的假设,通过结合单程波方程与VTI介质的时间偏移频散关系,发展了一种基于波动方程的VTI介质各向异性叠前时间偏移方法,给出了由均方根动校正速度与均方根各向异性参数确定的走时和幅值解析表达式。同时,综合分析速度与各向异性参数对CRP道集走时的影响,通过CRP道集内同相轴剩余动校时差的迭代拾取,实现了在偏移过程中偏移速度与各向异性参数的建模。理论模型试算和南海某深水区二维地震数据成像结果表明,应用VTI介质各向异性叠前时间偏移方法可以实现大角度倾斜界面更为准确的成像归位,同时能够保证剖面的能量聚焦效果。     

VTI介质快速偏移速度分析

针对由反射数据难以同时估计垂向速度和各向异性参数,本文首先将地下介质近似为可分解VTI介质,其次通过介质参数更新和叠前深度偏移两步迭代进行偏移速度分析。为了解决应用中遇到的射线追踪精度与计算效率问题,本文依据可分解VTI介质,给出了-种射线追踪算法,可大幅度减少弹性模量空间求导运算;此外通过变旅行时步长样点方式,提高了点到面射线追踪计算炮检距的精度。数值模型应用表明,该方法能快速收敛于理论模型,且计算效率约是常规VTI介质偏移速度分析的4倍,是叠前深度偏移速度建模快捷且接近实际地质模型的-种方法。