劉書會(huì),潘 蓓,顧漢明,王長(zhǎng)江,張 娟

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)257015;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北武漢430074)

用縱波震源激發(fā)三分量檢波器接收，除了能接收Z(yǔ)分量縱波(PP波)外，還能接收到X和Y分量的轉(zhuǎn)換橫波(PS波)[1]。近年來(lái)，無(wú)論是海上還是陸上，轉(zhuǎn)換波勘探的實(shí)例都在增加[2-3]。特別是在國(guó)內(nèi)，各大石油公司與科研院所合作，在轉(zhuǎn)換波地震資料采集、處理和綜合解釋應(yīng)用方面均取得了一定效果[4-7]。黃中玉等[8]進(jìn)行了三維多分量資料處理關(guān)鍵技術(shù)的研究，旨在提高轉(zhuǎn)換波地震資料的信噪比和分辨率。理論上，轉(zhuǎn)換波波長(zhǎng)較短、速度低，在激發(fā)主頻相同時(shí)，應(yīng)具有更高的分辨率。但在實(shí)際觀測(cè)中，相較于縱波記錄而言，無(wú)論是陸上或者是海底勘探，轉(zhuǎn)換波記錄均具有較低的時(shí)間頻率[9-10]。針對(duì)轉(zhuǎn)換波勘探的分辨率問(wèn)題，Richard等[11]和Shatilo等[12]研究了Q衰減對(duì)轉(zhuǎn)換波分辨率的影響；袁子龍等[13]探討了激發(fā)信號(hào)與反射信號(hào)主頻、振幅衰減及分辨率之間的關(guān)系；Xiong等[14]則研究了高精度頻率衰減分析方法及應(yīng)用。這些研究結(jié)果均表明吸收衰減與分辨率之間存在一定的數(shù)值聯(lián)系。

為了進(jìn)一步定量分析衰減對(duì)轉(zhuǎn)換波勘探分辨率的影響，我們針對(duì)羅家地區(qū)的實(shí)際地質(zhì)條件及其轉(zhuǎn)換波資料特點(diǎn)，基于實(shí)際地層物性參數(shù)，分析在不同的QP值和QS值，以及不同的vP值和vS值情況下，轉(zhuǎn)換波主頻、振幅和分辨率隨目的層深度的變化規(guī)律。

1 轉(zhuǎn)換波分辨率的定義

在水平反射層，轉(zhuǎn)換波的旅行時(shí)為

(1)

不考慮頻散時(shí)，該傳播路徑下的衰減可表述為以下濾波器[15]：

(2)

衰減后的PS波子波持續(xù)時(shí)間為

(3)

式中：z為反射層深度；x為偏移距；xP為地下反射/轉(zhuǎn)換點(diǎn)；vP，vS分別為P波及S波速度；f為頻率；QP，QS分別為P波及S波品質(zhì)因子；ΔT0為原始的子波持續(xù)時(shí)間。

對(duì)(1)式在xP處用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，根據(jù)費(fèi)馬原理，(1)式的一階導(dǎo)數(shù)在xP處為0，故求取泰勒展開(kāi)式的二階導(dǎo)數(shù)。忽略高階項(xiàng)可得PS波橫向分辨率:

(4)

當(dāng)炮檢距為零，ΔTPS為子波半個(gè)周期時(shí)，(4)式即為Eaton等[16]發(fā)現(xiàn)的PS波的菲涅爾帶。對(duì)(1)式求取關(guān)于z的一階導(dǎo)數(shù)，可得子波長(zhǎng)度ΔZPS，即為PS波縱向分辨率:

(5)

對(duì)于PP波可視為xP=x/2的特殊情況，所以利用(4)式和(5)式同樣可以計(jì)算PP波橫向分辨率和縱向分辨率，此時(shí)vS=vP，QS=QP。

由(4)式和(5)式可知，PP波和PS波的橫向分辨率及縱向分辨率與地層物性、目標(biāo)深度和采集參數(shù)有關(guān)。定義縱波和轉(zhuǎn)換波縱向分辨率相等的反射層深度為交叉點(diǎn)深度Zc，由(4)式和(5)式可求得

(6)

2 羅家地區(qū)地震-地質(zhì)概況

羅家地區(qū)位于濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷內(nèi)，屬于沾化凹陷的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，主要勘探目的層古近系沙河街組埋深約2500m。羅家高密度3D3C地震勘探工區(qū)表層沉積為近代三角洲沉積，地表介質(zhì)較復(fù)雜，巖性變化比較大。接收條件一般為濱海帶的泥沙，表層結(jié)構(gòu)松散，潛水面較淺，一般不超過(guò)12m；激發(fā)巖性以泥沙為主。

2.1 羅家3D3C地震資料

羅家地區(qū)3D3C地震資料是集超萬(wàn)道、全數(shù)字、單點(diǎn)接收、三分量采集采于一體的高密度三維地震資料，其觀測(cè)系統(tǒng)如表1所示。

從工區(qū)東區(qū)中部地震資料中選取一個(gè)近炮單炮記錄進(jìn)行分頻掃描分析，可得到縱波信號(hào)與轉(zhuǎn)換波信號(hào)的頻寬(圖1)。由圖1可見(jiàn)，縱波與轉(zhuǎn)換波的低頻信號(hào)在5Hz以下都能見(jiàn)到，低頻面波干擾的能量主要分布于10Hz以內(nèi)。而對(duì)于信號(hào)的高頻端，縱波(1.5s左右)在100Hz還可見(jiàn)信號(hào)能量；對(duì)于轉(zhuǎn)換波(2.0s左右)在50Hz還有信號(hào)能量存在。從勘探目的層段(2.0s)的頻譜分析得出縱波的有效頻寬為5～120Hz，主頻基本可達(dá)50Hz；轉(zhuǎn)換波有效頻帶為5～60Hz，目的層段的主頻可達(dá)25Hz。

表1 羅家地區(qū)高密度3D3C地震資料采集觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

圖1 羅家3D3C地震資料一個(gè)近炮三分量記錄(a)及其頻譜分析(b)

2.2 羅家地區(qū)物性參數(shù)

羅家地區(qū)沙河街組泥巖縱波速度主要分布在2800～3600m/s，砂巖縱波速度主要分布在3200～4300m/s。根據(jù)羅69井實(shí)測(cè)砂泥巖縱、橫波速度及密度值，可繪出縱波波阻抗ZP與縱橫波速度比vP/vS交會(huì)圖(圖2)。由圖2可見(jiàn)，該區(qū)vP/vS分布范圍為1.7～2.2，其中砂巖的vP/vS主要分布在1.7～2.0；泥巖具有比砂巖低的vS和比砂巖高的vP/vS。

圖2 羅69井實(shí)測(cè)砂泥巖ZP-vP/vS交會(huì)分析結(jié)果

3 基于理論公式的分辨率研究

3.1 吸收衰減對(duì)主頻的影響

根據(jù)(2)式可繪出不同激發(fā)主頻的PP波和PS波頻率和振幅隨深度變化曲線，圖3給出了不同激發(fā)主頻時(shí)兩種波頻率隨深度的變化。由圖3分析可知，PP波和PS波主頻均隨著傳播深度的增加而降低，淺層較深層衰減快，到達(dá)一定的深度后，頻率值逐漸趨于穩(wěn)定。其中PS波速度越低，其高頻部分衰減越快，穩(wěn)定值也越小。不同的激發(fā)主頻(50Hz和100Hz)，對(duì)于PS波而言，到達(dá)4000m后，頻率穩(wěn)定值差別不大。由此可知，在4000m深度后傳播速度變化相較于激發(fā)主頻變化，對(duì)轉(zhuǎn)換波振幅的影響更大。

圖3 不同激發(fā)主頻的PP波和PS波頻率隨深度變化曲線

圖4顯示了介質(zhì)vP/vS=2，主頻f=50Hz的雷克子波傳播到不同深度時(shí)的子波主頻及子波形態(tài)的變化，可以看出隨著傳播深度的增加，子波主頻和振幅均減小，同時(shí)其延續(xù)度變長(zhǎng)。

3.2 吸收衰減對(duì)分辨率的影響

根據(jù)(4)式和(5)式，繪出PP波和PS波縱向分辨率隨傳播深度變化曲線。當(dāng)原始子波延續(xù)時(shí)間ΔT0=0.01s，vP/vS分別為1.6，1.8，2.0時(shí)，對(duì)應(yīng)的縱波和轉(zhuǎn)換波縱向分辨率交叉點(diǎn)深度分別為1749，1418，1174m(圖5a)。比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著vP/vS增大，交叉點(diǎn)深度變淺。

當(dāng)vP/vS=1.7，子波延續(xù)時(shí)間ΔT由0.01s變?yōu)?.02s時(shí)，縱向分辨率整體降低，相應(yīng)的交叉點(diǎn)深度變深，由1573m變?yōu)?146m(圖5b)。

3.3 羅家地區(qū)理論交叉點(diǎn)深度計(jì)算

羅家地區(qū)3D3C地震資料2.0s(約2500m)

圖4 vP/vS=2時(shí)不同傳播深度的子波頻率(a)與子波形態(tài)(b)

圖5 不同縱橫波速比vP/vS(a)及不同子波延續(xù)時(shí)間ΔT(b)的縱向分辨率隨傳播深度變化曲線

目的層縱波主頻為50Hz，轉(zhuǎn)換波主頻為25Hz，從圖5可推知該區(qū)勘探激發(fā)主頻為70～80Hz(本次研究不考慮淺層低速帶的影響，故該處激發(fā)頻率與實(shí)際激發(fā)頻率存在區(qū)別)，激發(fā)主頻為70Hz時(shí)，子波延續(xù)時(shí)間為0.0143s；激發(fā)主頻為80Hz時(shí)，子波延續(xù)時(shí)間為0.0125s。

按此推斷的激發(fā)主頻范圍和子波延續(xù)時(shí)間范圍，計(jì)算出羅家地區(qū)3D3C地震資料縱向分辨率隨深度變化曲線見(jiàn)圖6所示。在70Hz激發(fā)頻率下，求取vP/vS=1.7時(shí)PP波與PS波縱向分辨率交叉點(diǎn)深度在2250m；激發(fā)主頻在80Hz時(shí)，相應(yīng)交叉點(diǎn)深度為1966m。即羅家地區(qū)理論計(jì)算出的PP波與PS波縱向分辨率交叉點(diǎn)深度在1966～2250m。在地層深度小于1966m時(shí)，盡管轉(zhuǎn)換波的頻率低于縱波，但由于其傳播速度慢，其分辨率高于縱波(圖6)；由于轉(zhuǎn)換波頻率衰減快，抵消了傳播速度慢的特點(diǎn)，在地層深度接近1966m時(shí)，轉(zhuǎn)換波和縱波在該點(diǎn)分辨率趨于一致；地層深度大于2250m時(shí)，轉(zhuǎn)換波分辨率則低于縱波的分辨率。

圖6 羅家地區(qū)理論計(jì)算的不同子波延續(xù)時(shí)間縱向分辨率隨深度變化曲線

4 基于羅家實(shí)際資料的分辨率討論

4.1 羅家轉(zhuǎn)換波與縱波處理剖面分辨率的對(duì)比

圖7為基于羅家地區(qū)高密度地震資料IL500線的3D3C處理剖面(已將轉(zhuǎn)換波時(shí)間剖面壓縮至與縱波時(shí)間一致)。圖7a為縱波時(shí)間剖面，圖7b為轉(zhuǎn)換波時(shí)間剖面(左側(cè)疊合顯示了部分縱波剖面以示對(duì)比)。對(duì)比可見(jiàn)，在小于1.7s(圖7中黑色橫直線所示位置)的中淺層，轉(zhuǎn)換波剖面上同相軸連續(xù)性好、斷層清晰，分辨率明顯高于縱波；在1.7s左右，兩者分辨效果相當(dāng)；而在大于1.7s的中深層，轉(zhuǎn)換波同相軸波組變寬，層位模糊，分辨率低于縱波。由此可見(jiàn)，此區(qū)縱波與轉(zhuǎn)換波縱向分辨率的實(shí)際交叉點(diǎn)深度為1.7s(1980m)左右，與理論分析結(jié)果吻合。

圖7 羅家地區(qū)IL500線縱波時(shí)間剖面(a)與轉(zhuǎn)換波時(shí)間剖面(b)

4.2 轉(zhuǎn)換波對(duì)斷層的識(shí)別能力

圖8為研究工區(qū)高密度3D3C地震資料PS波與PP波t0=600ms相干水平切片，通過(guò)對(duì)比可以看出，PS波(圖8a)對(duì)斷層的識(shí)別要好于PP波(圖8b)，圖中箭頭所指位置顯示出的斷層切割關(guān)系及延伸長(zhǎng)度，在PS波相干圖上都表現(xiàn)得更加清晰。但是，在1700ms的相干切片圖上，無(wú)論是斷層的數(shù)目還是清晰程度PP波都要高于PS波。所以，對(duì)于中深層轉(zhuǎn)換波資料獨(dú)立解決問(wèn)題的能力有限，需要與縱波資料進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用。

圖8 研究工區(qū)t0= 600ms的轉(zhuǎn)換波(a)與縱波(b)相干水平切片

4.3 縱波和轉(zhuǎn)換波聯(lián)合應(yīng)用識(shí)別淺層氣藏

羅家地區(qū)館陶組是典型的“亮點(diǎn)”型氣藏，CQ20井在1122.5～1137.5m鉆遇氣層厚度15m，氣層縱波速度2000m/s，非含氣層砂巖速度2500m/s，上、下圍巖(泥巖)速度2300m/s，其縱波反射為“亮點(diǎn)”。圖9a，圖9b和圖9c分別為沿氣層頂面向下20ms時(shí)窗提取的縱波、轉(zhuǎn)換波均方根振幅切片及二者振幅比屬性?？v波均方根振幅圖(圖9a)清晰展示出CQ20氣藏的范圍，CQ20-4井的水層也表現(xiàn)為“亮點(diǎn)”；在轉(zhuǎn)換波均方根振幅圖(圖9b)上CQ20氣藏表現(xiàn)為“暗點(diǎn)”，而水層仍然為“亮點(diǎn)”；但在二者的振幅比屬性圖上，氣藏為高比值，水層為低比值。實(shí)際應(yīng)用效果表明，縱波和轉(zhuǎn)換波的聯(lián)合解釋可以較好地消除縱波資料上的假亮點(diǎn)，減少單一縱波資料對(duì)氣藏識(shí)別的多解性。

圖9 研究工區(qū)氣層頂面向下20ms時(shí)窗內(nèi)的縱波(a)與轉(zhuǎn)換波(b)均方根振幅切片及二者振幅比屬性(c)

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

1) 在考慮吸收衰減的情況下，縱波、轉(zhuǎn)換波主頻會(huì)隨著傳播深度增加而降低，淺層衰減率大于深層，且轉(zhuǎn)換波頻率降低幅度大于縱波。隨著vP/vS值增大，轉(zhuǎn)換波主頻衰減增大。

2) 一定傳播深度后(>3000m)，相較于激發(fā)主頻，傳播速度對(duì)地震波主頻的影響更大，提升激發(fā)主頻并不能有效地提高目的層轉(zhuǎn)換波主頻。

3) 理論計(jì)算分析表明羅家地區(qū)縱波與轉(zhuǎn)換波縱向分辨率的交叉點(diǎn)深度在1966～2250m，實(shí)際高密度3D3C資料也顯示出交叉點(diǎn)深度在1980m附近。當(dāng)探測(cè)深度小于該交叉點(diǎn)深度時(shí)，轉(zhuǎn)換波資料的分辨率高于縱波資料；當(dāng)探測(cè)深度大于該交叉點(diǎn)深度時(shí)，轉(zhuǎn)換波資料的分辨率則低于縱波資料。

4) 縱波和轉(zhuǎn)換波資料的聯(lián)合應(yīng)用可以較好地消除縱波資料上的假亮點(diǎn)，減少單一縱波資料對(duì)氣藏識(shí)別的多解性。

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