劉海浩， 丁拼搏* ， 李向陽

1 油氣資源與探測國家重點實驗室， 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249 2 CNPC物探重點實驗室， 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249

0 引言

裂縫廣泛存在于地下巖石中，是巖石中流體重要的儲集空間和運移通道.特別是在油氣勘探領(lǐng)域，裂縫對于油氣藏的勘探與開發(fā)有著重要的意義.目前針對裂縫介質(zhì)巖石物理建模(Hudson, 1981; Schoenberg and Sayers, 1995; Chapman, 2003; Li et al., 2020；林承焰等，2020)主要針對垂直定向排列的裂縫，相應(yīng)的裂縫預(yù)測方法(尹志恒等, 2011; 李向陽和王九拴, 2016; Luo et al. 2017, 2020; Pan et al., 2017; Liu et al., 2018; Zhang et al., 2019；陳志剛等，2020；賴富強(qiáng)等，2020)也主要針對垂直定向排列裂縫.垂直裂縫模型對應(yīng)于由構(gòu)造運動產(chǎn)生的高角度裂縫，但在實際的儲層中還存在著層理縫，這些裂縫沿著層理發(fā)育，展布方向近似平行于地層層理.通常在地層傾角較小的情況下，層理縫的空間展布近似水平(Swanson, 2007; 賀振建等, 2011; Cobbold et al., 2013; Luo et al., 2017; 朱維耀和馬旭東, 2018; 李子寧, 2018).水平縫對儲層特征有重要影響，對油氣藏勘探開發(fā)也具有十分重要的意義.目前針對水平縫的研究多是從地質(zhì)的角度出發(fā)，探討其成因、發(fā)育規(guī)律、啟閉機(jī)制等(Doolin and Mauldon, 2001; Laubach and Diaz-Tushman, 2009; 李子寧, 2018)，但是目前針對水平縫地震響應(yīng)特征的研究較少.由于水平裂縫平行于地層層理，裂縫的地震響應(yīng)與層理的地震響應(yīng)互相混疊.特別是當(dāng)水平縫發(fā)育于薄層或者薄互層儲層中時，這種混疊會使地震波場極其復(fù)雜，這給水平裂縫的地震識別帶來了巨大的困難.明確水平裂縫的地震響應(yīng)特征，特別是在薄互層背景下水平裂縫的地震響應(yīng)特征，對于含水平裂縫儲層的勘探、開發(fā)具有重要的意義.

地震物理模擬是按照野外實際地質(zhì)模型，選取合適的材料，按照一定的相似比制作物理模型，然后利用超聲波或者激光超聲波模擬實際野外地震勘探并得到相應(yīng)的模擬地震記錄.地震物理模擬能反映地震波的實際傳播狀態(tài)，所得到的結(jié)果相比于數(shù)值模擬而言，更接近于野外真實地震記錄(Hilterman, 1970; French, 1974; 魏建新和狄?guī)妥? 2006; Wong et al., 2009).地震物理模擬在觀測系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化、地震成像、地震各向異性、儲層預(yù)測、裂縫及流體識別等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用.例如Cheadle等(1991)利用物理模型資料討論了正交各向異性介質(zhì)的地震響應(yīng)特征；Di等(2008)利用物理模擬方法討論了寬、窄方位的三維地震采集對于砂體識別的影響；Wang等(2010)基于地震物理模擬手段討論了流體替換在地震資料解釋中的應(yīng)用.在裂縫介質(zhì)物理模擬方面，目前常用的裂縫模擬工藝主要有三種：有機(jī)玻璃薄片疊合法(Tatham et al., 1983, 1988; Johnson et al., 1989; Ebrom et al., 1990)、片狀孔隙材料疊合法(Cheadle et al., 1991; 董良國等, 1999)以及嵌入式可控裂縫模擬方法(Ass′ad et al., 1992, 1993, 1996; Wei et al., 2008; Ding et al., 2014;丁拼搏等, 2015).這些裂縫模擬工藝都有其合理性，且在裂縫介質(zhì)地震響應(yīng)特征分析中發(fā)揮過重要作用.例如，Tatham等(1983, 1988)基于有機(jī)玻璃薄片疊合法模擬了裂縫介質(zhì)，并詳細(xì)討論了裂縫密度與各向異性的關(guān)系，成功觀測到了橫波分裂現(xiàn)象.董良國等(1999)利用片狀孔隙材料疊合法模擬了TI介質(zhì)(Transverse Isotropy, 橫向各向同性介質(zhì))，分析了其傳播速度和反射波時差等特征.Ding等(2014, 2017, 2019, 2020)、丁拼搏等(2015)提出了一套可控裂縫人工巖樣制作方法，并討論了裂縫參數(shù)對地震波傳播速度、各向異性等特征的影響.

本文利用地震物理模擬技術(shù)構(gòu)建了含水平縫薄互層儲層的物理模型，水平縫裂縫單元采用片狀孔隙材料疊合法進(jìn)行模擬，并在實驗室條件下模擬采集了4條二維縱波測線的地震記錄，利用開源軟件Seismic Unix(美國科羅拉多礦院波場研究組CWP開發(fā))和商業(yè)軟件CXTOOL(英國地質(zhì)調(diào)查局各向異性研究組EAP開發(fā))對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲得了最終偏移剖面和疊前AVO道集.隨后，對偏移結(jié)果和疊前AVO道集進(jìn)行時頻分析，獲得了分頻剖面及頻變AVO響應(yīng)曲線.時頻分析方法采用了基于時頻重排算法的平滑偽Wigner-Ville分布(Wu and Liu, 2009)，該方法適合于地震信號的時頻分析，具有較高的時頻聚集性和分辨率，可以較為準(zhǔn)確的刻畫地震信號的頻率特征.基于此，本研究分析了含水平縫薄互層儲層的頻率特征及頻變AVO特征.頻變AVO反演方法最早由Wilson等(2009)提出，并將其應(yīng)用于流體檢測.隨后，吳小羊(2010)進(jìn)一步優(yōu)化了頻變AVO反演算法，并將其應(yīng)用于北海地區(qū)流體檢測；郭智奇等(2016)分析了非彈性層狀介質(zhì)的頻變AVO響應(yīng)特征；Qin等(2018)、秦喜林(2019)利用頻變AVO反演方法，對縫洞儲層進(jìn)行流體檢測；Alshangiti(2019)討論了基于不同AVO近似公式的頻變AVO反演結(jié)果.本研究通過對地震物理模擬數(shù)據(jù)的頻變AVO分析，旨在驗證頻變AVO方法應(yīng)用于含水平縫薄互層儲層識別的可行性，為后續(xù)含水平縫薄互層儲層識別提供支撐.

1 模型設(shè)計及制作

1.1 裂縫單元的設(shè)計及制作

在本研究中，首先預(yù)制了一系列的裂縫單元，然后將這些裂縫單元嵌入到物理模型中.裂縫單元是采用片狀孔隙材料疊合法，首先利用孔隙材料制作若干薄片，然后將這些薄片粘合壓實，粘合劑為環(huán)氧樹脂和硅橡膠的混合物.制作裂縫單元前，首先按照設(shè)計好的尺寸制作模具；然后在模具中一片片地粘合片狀孔隙材料薄片，薄片與薄片之間需要涂抹粘合劑，粘合劑的涂抹應(yīng)當(dāng)盡量均勻；最后對這些粘合的薄片進(jìn)行壓實固化，為了保證壓實固結(jié)的質(zhì)量，一塊裂縫單元的制作可分若干次進(jìn)行.此外，為減少裂縫單元邊緣位置不光滑所帶來的繞射波干擾，在整個裂縫單元制作完畢后，還需要將其邊緣打磨光滑.裂縫單元制作完畢后，測量其相關(guān)參數(shù)如表1所示，圖1所示為制作好的裂縫單元實物照片.

表1 各裂縫單元參數(shù)Table 1 Parameters of fracture elements

圖1 裂縫單元實物照片F(xiàn)ig.1 Pictures of fracture elements

1.2 模型整體澆筑

本研究中，物理模型設(shè)計圖如圖2a所示.物理模型整體長、寬、高分別為800 mm、600 mm、134.6 mm.中間的目的層是由10套薄互層交互構(gòu)成，在第2層和8層分別有裂縫單元鑲嵌其中，如圖2a中黑色箭頭所示的位置，模型基底為高速層，蓋層為低速度層.第2、8薄層中裂縫單元在橫向上的位置和分布如圖3和圖4所示.將薄互層第2層記為裂縫層1，裂縫單元A1、B1、C1分布其中如圖3所示；將薄互層第8層記為裂縫層2，裂縫單元A2、B2、C2、D2分布其中，其具體位置如圖4所示.在模型制作過程中，按照由下而上順序?qū)訉訚仓?基底和蓋層分4次澆筑，每次澆筑的部分完全固結(jié)以后，再澆筑下一部分，以防止層位過厚會造成在固結(jié)過程中產(chǎn)生變形.地震物理模擬依據(jù)的是相似性原理，模型尺寸、傳播速度以及地震波頻率、信號采樣率等參數(shù)均需設(shè)置一定的相似比，在本論文中，相似比定義為實驗室物理模型相關(guān)參數(shù)與野外地質(zhì)模型相關(guān)參數(shù)的比值.本研究中，尺寸相似比為1∶ 10000，即模型中的1 mm對應(yīng)實際地質(zhì)模型的10 m；此外，速度相似比為1∶ 1，即地震波在物理模型中的傳播速度與在野外地質(zhì)模型中的傳播速度保持一致.表2中列出了物理模型中各層的厚度及其對應(yīng)的地質(zhì)模型厚度、以及縱橫波速度和密度等參數(shù).基于以上設(shè)定，與本研究中的物理模擬問題等效野外地震觀測問題可以表述為：在長度為8000 m、寬度為6000 m的工區(qū)范圍內(nèi)，對地表以下1346 m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行地震勘探；各個地層地震波傳播速度如表2所示；觀測的重點是地層中某些位置發(fā)育的水平裂縫，水平裂縫發(fā)育的具體位置如圖2、圖3、圖4所示，水平裂縫相關(guān)的參數(shù)如表1所示.

圖2 (a) 物理模型垂向示意圖; (b) 實物照片F(xiàn)ig.2 (a) Vertical schematic diagram of the physical mode; (b) Corresponding picture

圖3 裂縫單元橫向分布(a) 裂縫層1(第2薄層); (b) 相應(yīng)實物照片.Fig.3 Horizontal distribution of fracture elements(a) Schematic diagram of fracture layer 1 (thin layer 2); (b) Corresponding picture.

圖4 裂縫單元橫向分布(a) 裂縫層2(第8薄層); (b) 相應(yīng)實物照片.Fig.4 Horizontal distribution of fracture elements(a) Schematic diagram of fracture layer 2 (thin layer 8); (b) Corresponding picture.

表2 物理模型各地層參數(shù)Table 2 Parameters for all layers of the physical model

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換

受實驗設(shè)備和實驗場地的限制，在實驗室條件下無法直接獲得與野外地震頻帶接近的模擬地震數(shù)據(jù)(<100 Hz).因此，想要獲得與野外地震頻帶接近的模擬結(jié)果，需要分兩步進(jìn)行：首先，在實驗室條件下按照一定的比例尺制作物理模型，并按照物理模型實際尺寸模擬超聲頻帶的地震記錄(>20 kHz)；然后按照相似性原理，將實驗室物理模型上超聲頻帶地震數(shù)據(jù)(>20 kHz)轉(zhuǎn)換成野外地質(zhì)模型上接近實際野外地震頻帶的模擬地震數(shù)據(jù)(<100 Hz).這種轉(zhuǎn)換需要設(shè)置一定的相似比，如前文所述，本研究中尺寸相似比設(shè)定為1∶ 10000(物理模型實際尺寸與對應(yīng)野外地質(zhì)模型尺寸之比)；速度相似比設(shè)定為1∶ 1(地震波在物理模型中的傳播速度與在野外地質(zhì)模型中傳播速度之比).除此以外，還需要設(shè)定頻率相似比和采樣率相似比，頻率相似比定義為實驗室環(huán)境下激發(fā)的地震波頻率與對應(yīng)的野外地震波頻率之比，在本研究中設(shè)定為10000∶ 1；采樣率相似比定義為實驗室環(huán)境下采集地震波的采樣率與野外采集地震波的采樣率之比，在本研究中設(shè)定為1∶ 10000.表3中給出了實驗室采集參數(shù)與對應(yīng)的野外采集參數(shù)，以及相似比.需要說明的是，在實驗室采集過程中需要將模型置于水中，并使激發(fā)換能器和接收換能器都緊貼水面，這樣做優(yōu)點是可以較好的解決換能器與模型的耦合問題，使采集的地震數(shù)據(jù)的信噪比較高.實驗室實際水深105 mm，按照本研究選定的尺寸相似比(1∶ 10000)，對應(yīng)的地質(zhì)模型上水深為1050 m(表3).

表3 實驗室采集參數(shù)及野外采集參數(shù)Table 3 The laboratory acquisition parameters and field acquisition parameters

因此，本研究中物理模擬地震數(shù)據(jù)的采集可以表述為這樣一個過程；首先在實驗室條件下針對長度800 mm、寬度600 mm、水深105 mm、地層厚度為134.6 mm的實驗室物理模型，采集一套震源主頻為300 kHz、采樣率0.1 μs的地震數(shù)據(jù)；隨后，將該地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為在一個野外地質(zhì)模型上采集的震源主頻30 Hz、采樣率1 ms的地震數(shù)據(jù)，該野外地質(zhì)模型長度為8000 m、寬度為6000 m、水深1050 m、地層總厚度為1346 m，并且該野外地質(zhì)模型中的水層以及各地層的速度和密度與實驗室物理模型中的速度和密度(表1、表2)保持一致.轉(zhuǎn)換的依據(jù)是相似比，轉(zhuǎn)換的過程由物理模擬系統(tǒng)自動完成，本論文中后續(xù)所有的數(shù)據(jù)分析，均是基于轉(zhuǎn)換后的地震數(shù)據(jù)，即在野外地質(zhì)模型上采集的震源主頻30 Hz、采樣率1 ms的地震數(shù)據(jù).

在本研究中共采集了4條測線，測線的分布如圖3a、圖4a中紅線所示，其中測線1和測線2沿X方向，測線3和測線4沿Y方向.首先沿著各條測線進(jìn)行了一次覆蓋采集，其采集方式如圖5a所示.在一次覆蓋采集的過程中，單炮激發(fā)，單道接收，炮檢距(激發(fā)換能器與接受換能器的間距)為200 m (對應(yīng)實驗室物理模型上的距離20 mm)，且固定不變，每次炮點前進(jìn)10 m (對應(yīng)實驗室物理模型上的距離1 mm)，共采集781道數(shù)據(jù).隨后，對4條測線進(jìn)行多次覆蓋采集，4條測線的多次覆蓋采集參數(shù)相同，如表3所示.由于模型的長度和寬度尺寸不同，測線1、2和測線3、4的長度略有差異，導(dǎo)致其炮數(shù)不同，測線1、2共有356炮，測線3、4有254炮.

圖5 采集方式意圖(a) 一次覆蓋; (b) 多次覆蓋.Fig.5 Schematic diagram ofacquisition geometry(a) Single coverage; (b) Multiple coverage.

2.2 原始數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理

一次覆蓋采集所得的剖面與自激自收剖面類似，但由于激發(fā)換能器和接收換能器的間距，激發(fā)點和接收點并不完全重合，存在著一定的偏移距，因此并不是嚴(yán)格的自激自收剖面.最終所得的一次覆蓋剖面如圖6所示，從圖中可以看出模型底界面的反射波走時約為2.6 s，全程多次波走時晚于模型底界面反射波，這說明采集參數(shù)和水層深度選擇恰當(dāng)，可以避免全程多次波的影響；此外，從一次剖面中可以很清晰的識別出水層以及模型的各個部分，其結(jié)果被標(biāo)注在圖6中.

圖6 測線1一次覆蓋剖面Fig.6 Single coverage section for line 1

多次覆蓋采集所得單炮記錄如圖7所示，各個界面的反射波及多次波被標(biāo)注在圖中.由于物理模擬所采集的模擬地震資料信噪比相對較高，在切除直達(dá)波并進(jìn)行簡單的濾波處理以后，可以直接進(jìn)行速度分析，然后進(jìn)行疊加偏移處理.本研究以測線1為例，分別測試了有限差分法疊后時間偏移(由開源軟件Seismic Unix提供)和克希霍夫積分法疊前時間偏移處理(由商業(yè)軟件CXTOOL提供)流程，獲得了疊加剖面、疊后偏移剖面以及疊前偏移剖面，測線1的測試結(jié)果如圖8所示.

圖7 單炮記錄Fig.7 Record of single shot

圖8a顯示是測線1的疊加剖面，從圖中已經(jīng)可以清晰的識別出模型頂、底界面以及薄互層部分.疊加剖面上紅色箭頭標(biāo)注的是由裂縫邊緣產(chǎn)生的繞射波，盡管在制作裂縫單元過程中，已經(jīng)盡可能使其邊緣光滑，但是由于裂縫單元的邊界與周圍巖層存在彈性性質(zhì)的差異，從而不可避免的產(chǎn)生繞射波并對識別裂縫單元造成干擾.此外，綠色箭頭指示的是模型的邊界效應(yīng)，實際地層在水平方向可以看作是無限延伸的，但是在制作物理模型的過程中必須進(jìn)行截斷，因此會產(chǎn)生人工邊界，導(dǎo)致邊界反射.對于底部邊界產(chǎn)生的邊界反射，可以適當(dāng)控制模型的厚度以及采樣時長，避免這些邊界反射干擾有效信號；但來自側(cè)面的邊界反射則很難避免.圖8b為疊后偏移的結(jié)果，對比圖8a和圖8b可以發(fā)現(xiàn)，裂縫單元邊緣位置的繞射波干擾問題得到了一定程度的改善，但是截斷邊界的反射波仍然不能收斂，邊界反射的問題仍然存在.圖8c為疊前時間偏移的結(jié)果，邊界反射及繞射波的問題都得到了較好的解決，為后續(xù)地震響應(yīng)特征分析提供了良好的基礎(chǔ).

圖8 測線1數(shù)據(jù)處理結(jié)果(a) 疊加剖面; (b) 疊后偏移剖面; (c) 疊前偏移剖面.Fig.8 Processed data for line 1(a) Stacked profile; (b) Post-stack migration profile; (c) Pre-stack migration profile.

此外，無論一次覆蓋還是多次覆蓋的結(jié)果，在模型頂界面反射與薄互層反射之間，存在著一些微弱的反射界面(圖6、圖8).在本研究中為了盡可能的降低模型頂?shù)捉缑娴倪吔绶瓷?，蓋層和基底的厚度都設(shè)計的比較大；為了保證大厚度的蓋層和基底在膠結(jié)過程中不發(fā)生變形，保證膠結(jié)固化的質(zhì)量，蓋層和基底均是分4次膠結(jié)而成.無論是對蓋層還是對基底而言，盡管所用材料相同，每一次膠結(jié)的接觸部位仍會產(chǎn)生一個微弱的反射界面，即“澆筑痕跡”.蓋層中的澆筑痕跡較為明顯，基底中的澆筑痕跡因為受到多次波和繞射波的影響，并不明顯.從地震剖面上看，澆筑痕跡的反射波能量比目的層反射波能量弱得多，因此，澆筑痕跡的存在對后續(xù)響應(yīng)特征分析的影響不大，可以忽略.

3 地震響應(yīng)特征分析

3.1 處理結(jié)果分析

目的層的處理結(jié)果如圖9所示，通過有“水平縫”的位置和無“水平縫”的位置的地震記錄進(jìn)行對比，可以明確“水平縫”產(chǎn)生的地震波異常.總的來說，有裂縫的位置產(chǎn)生明顯的振幅異常增強(qiáng)、極性反轉(zhuǎn)、同相軸錯斷等現(xiàn)象，裂縫特征清晰明顯，這也說明本研究模擬方法的有效性.這種地震波異常實際上是由嵌入地層中的“水平裂縫單元”產(chǎn)生的.在制作這些裂縫單元的過程中，考慮了水平裂縫產(chǎn)生的層理結(jié)構(gòu)以及裂縫的內(nèi)部空間，每個裂縫單元包含多條裂縫，其在構(gòu)成上更接近“一組定向排列的裂縫”或者“裂縫帶”.不同裂縫單元之間以及同一個裂縫單元的不同位置之間，地震響應(yīng)特征會出現(xiàn)差異，反應(yīng)了裂縫物性特征的變化.裂縫介質(zhì)是用片狀材料疊合法來模擬的，在制作的過程中將粘合劑涂抹到片狀材料上，然后將片狀材料貼合在一起，經(jīng)過機(jī)械壓實后晾干固結(jié).對比圖9—圖12可以發(fā)現(xiàn)，薄片的張數(shù)越多，裂縫介質(zhì)的反射特征在剖面上就越明顯.另一個影響裂縫性質(zhì)的重要因素是裂縫單元的壓實程度.在裂縫制作過程中，粘合劑可能會進(jìn)入片狀材料的孔隙空間中，當(dāng)所有的片狀材料孔隙均被粘合劑充填時，模擬的裂縫接近干裂縫；但是壓實程度不夠或者不均勻時，膠結(jié)物無法進(jìn)入片狀材料中的孔隙空間，導(dǎo)致片狀材料孔隙中充填物較少，空氣被封存在孔隙中，此時裂縫更接近含氣裂縫.

圖9 (a) 測線1薄互層垂向結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 相應(yīng)疊前偏移結(jié)果Fig.9 (a) Sketch showing vertical structure of the thin inter-bed layers for line 1; (b) Corresponding pre-stack migration result

圖10 (a) 測線2薄互層垂向結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 相應(yīng)疊前偏移結(jié)果Fig.10 (a) Sketch showing vertical structure of thin inter-bed layers for line 2; (b) Corresponding pre-stack migration result

圖11 (a) 測線3薄互層垂向結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 相應(yīng)疊前偏移結(jié)果Fig.11 (a) Sketch showing vertical structure of thin inter-bed layers for line 3; (b) Corresponding pre-stack migration result

圖12 (a) 測線4薄互層垂向結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 相應(yīng)疊前偏移結(jié)果Fig.12 (a) Sketch showing vertical structure of thin inter-bed layers for line 4; (b) Corresponding pre-stack migration result

3.2 含水平縫薄互層儲層頻率特征分析

本研究還以測線1為例，對模擬數(shù)據(jù)的時頻特征進(jìn)行分析.通過圖9可以看出，裂縫單元A1的性質(zhì)更接近于含氣裂縫，且產(chǎn)生了一種屏蔽效應(yīng)，縱波的傳播能量嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致裂縫單元A1下部的成像效果較差.相比之下性質(zhì)更加接近干裂縫的B1裂縫單元，對下部裂縫單元B2的影響就沒有A1那樣嚴(yán)重.對測線1偏移數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果表明，目的層能量都集中在0～60 Hz范圍以內(nèi)(圖13).本研究選用了基于時頻重排算法的光滑偽Wigner-Ville分布(RSPWVD)對地震信號進(jìn)行時頻分解，這種方法分辨率較高但計算效率比較低，考慮到本研究中數(shù)據(jù)量不是很大，選用該方法較為可行.提取5～55 Hz范圍內(nèi)的分頻結(jié)果，用以分析地震響應(yīng)的頻率特征.由于不同頻率之間本身存在能量的差異，本研究以模型頂界面作為參考平面，對不同頻率成分之間的能量進(jìn)行均衡.選擇這個界面作為參考主要是因為模型頂界面是水和彈性蓋層的交界面，可以認(rèn)為是彈性界面，其反射系數(shù)與入射波的頻率成分無關(guān)，入射波經(jīng)過頂界面反射以后，各頻率成分能量的相對強(qiáng)弱不發(fā)生改變.

圖13 測線1頻譜分析(a) 時窗為1.2～2.6 s, 包含物理模型頂?shù)捉缑娣瓷浼氨』臃瓷? (b) 時窗為1.8～2.2 s, 僅包含薄互層反射.Fig.13 Amplitude spectrum of surveyr line 1(a)Time window is 1.2～2.6 s, which contains reflections of top interface and bottom interfaces as well as thin inter-bed layers; (b) Time window is 1.8～2.2 s, which contains only reflections of thin inter-bed layers.

圖14中顯示的是第200、400、600、800、1000、1200個CIP(共成像點，Common Image Point)的單道時頻譜分解結(jié)果.第200個CIP處是不發(fā)育水平裂縫的薄互層，在該位置上地震響應(yīng)特征完全由薄互層決定；其時頻譜上對應(yīng)有兩個峰值，一個出現(xiàn)在淺層低頻段，另一個出現(xiàn)在深層高頻段，且淺層的能量較強(qiáng).第400個CIP的分解結(jié)果指示的是裂縫單元A1和A2響應(yīng)特征，從圖中可以看出，在淺層出現(xiàn)了一個強(qiáng)能量帶，貫穿整個頻帶始終，深層幾乎沒有信號，只有在低頻段有一個能量較弱的峰值，該位置裂縫中含氣量較高，因此在淺層出現(xiàn)強(qiáng)能量帶，且由于高阻抗的屏蔽作用使得深部能量很弱.通過時頻特征來看，含氣較高的是裂縫單元A1，由于A1的存在嚴(yán)重的影響了A2單元的識別，A2單元的響應(yīng)被嚴(yán)重削弱，僅僅在低頻段存在一個微弱的峰值.第1000、1200個CIP反應(yīng)的是裂縫單元B1、B2的響應(yīng)，從圖中可以看出這兩個CIP的響應(yīng)特征較為復(fù)雜，峰值較多，且分布無規(guī)律，這是薄互層調(diào)諧效應(yīng)與裂縫介質(zhì)綜合作用的結(jié)果.

圖14 不同CIP單道時頻分析結(jié)果(頻率范圍5～55 Hz, 時間范圍1.8～2.2 s)Fig.14 Spectrum decomposition results of single CIP from 5 Hz to 55 Hz with the time window 1.8 s to 2.2 s

將偏移剖面劃分三部分：第一部分為CIP 160～280，主要刻畫不發(fā)育裂縫的薄互層的地震響應(yīng)特征；第二部分為CIP 280～720，主要針對裂縫單元A1和A2的響應(yīng)特征；第三部分為CIP 880～1320，主要描述了裂縫單元B1和B2的響應(yīng)特征.然后將這三部分剖面進(jìn)行時頻分解，獲得分頻剖面，其結(jié)果如圖15所示.圖15a中展示的是CIP 160～280的分頻結(jié)果，從模型的薄層結(jié)構(gòu)可以看出，由于要在第2薄層和第8薄層內(nèi)嵌入裂縫介質(zhì)因此厚度較厚，而第一薄層與第9、10薄層以及中間的第3～7薄層都較薄，這導(dǎo)致兩個較厚的薄層將整套薄互層的響應(yīng)特征明顯地劃分成三個能量團(tuán)：第一個能量峰值對應(yīng)的是薄層1的頂?shù)捉缑娴寞B加，第三個峰值對應(yīng)的是第9薄層的頂界面、底界面以及第10薄層底界面的反射波疊加，中間的能量則對應(yīng)的是第3～7薄層所有頂?shù)捉缑娴姆瓷?隨著頻率的升高，薄層部分的同相軸數(shù)量增多，且能量相對增強(qiáng).此外，還可以看出，對25 Hz以后的頻率成分，其能量出現(xiàn)了明顯的橫向不均勻性，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是隨著CIP位置不斷靠近裂縫單元A1和A2，裂縫單元對地震波傳播的影響逐漸增強(qiáng).

圖15 不同頻率的分頻剖面(a) CIP 160～280; (b) CIP 280～720; (c) CIP 880～1320.Fig.15 Spectral sections for different frequencies

圖15b為CIP 280～720的分頻結(jié)果.從圖中可以明顯看出，裂縫單元A1的低頻能量較強(qiáng)，表現(xiàn)出低頻亮點的特征.由于A1的存在，A2的響應(yīng)難以識別，只有在5 Hz的剖面上隱約的識別出A1和A2的界限，這也與單道時頻分析的結(jié)果相一致(圖14).圖15c為CIP 880～1320分頻結(jié)果.類似的，裂縫單元B1表現(xiàn)出明顯的低頻亮點.但是，裂縫單元B2并沒有引起明顯的亮點特征.與裂縫單元A1和A2相比，裂縫單元B1和B2的響應(yīng)始終都是分離的，即便從偏移剖面上也可以很明顯地區(qū)分兩個單元.B1的橫向展布寬度為B2的一半，這樣的設(shè)計便于分析在不同頻段內(nèi)上部裂縫單元對下部裂縫單元的影響.在低頻時，B1對B2的影響并不大，B2響應(yīng)特征并沒有表現(xiàn)出明顯的橫向差異；在高頻段，B2對B1的影響明顯增強(qiáng)，在55 Hz時B2的響應(yīng)幾乎消失，B1裂縫對中間薄互層響應(yīng)的影響類似.以上的分析結(jié)果表明，水平裂縫的存在，會使地震信號的頻率特征產(chǎn)生明顯的異常.這就意味著，可以用頻變屬性進(jìn)行水平裂縫的識別，但需要注意的是，薄互層的調(diào)諧效應(yīng)也可以使地震信號產(chǎn)生頻變特征，這在一定程度上干擾了水平縫的識別.

圖16所示為測線1上幾處CDP(共深度點，Common Depth Point)的頻變AVO曲線.圖16a為模型頂界面的頻變AVO曲線，如上文所述，模型頂界面可以視為純彈性界面，因此其AVO并沒有頻變特征，各頻率成分之間的AVO曲線基本重合.圖16b為CDP 200處薄互層頻變AVO曲線，在該位置處沒有水平裂縫，其頻變AVO特征完全是由調(diào)諧效應(yīng)產(chǎn)生的.從圖中可以看出，低頻和高頻段的頻變AVO特征有明顯的區(qū)別，在低頻段振幅隨著偏移距的增大而減小，在高頻段振幅隨著偏移距先增大達(dá)到某一峰值后再減小.并且對比圖16b、c、d可以發(fā)現(xiàn)，無論有無裂縫、以及裂縫參數(shù)如何，其頻變AVO特征的基本模式?jīng)]有發(fā)生改變，這意味著薄互層調(diào)諧效應(yīng)產(chǎn)生的影響起主導(dǎo)作用.但是，裂縫的引入導(dǎo)致了頻變AVO特征可以發(fā)生明顯改變，頻變AVO曲線的變化趨勢、高頻峰值振幅對應(yīng)的偏移距位置，以及不同頻率成分之間的分散程度，都有較為顯著的差異.這也就意味著如果可以通過地質(zhì)、測井、巖心等資料，建立了較為準(zhǔn)確的背景薄互層的地質(zhì)模型，然后利用頻變AVO屬性進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可以用于水平裂縫橫向分布的識別.

圖16 頻變AVO曲線(a) CDP 200處, 模型頂界面頻變AVO曲線; (b) CDP 200處, 薄互層儲層部分頻變AVO曲線; (c) CDP 400處, 薄互層儲層部分頻變AVO曲線; (d) CDP1000處, 薄互層儲層部分頻變AVO曲線.Fig.16 Curves of frequency dependent AVO(a) Top at CDP 200; (b) Thin inter-bed reservoir at CDP 200; (c) Thin inter-bed reservoir at CDP 400; (d) Thin inter-bed reservoir at CDP 1000.

4 結(jié)論

本研究通過片狀孔隙材料定向粘合的方式模擬裂縫介質(zhì)，進(jìn)而模擬了含水平裂縫薄互層儲層的地震響應(yīng)特征.數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本研究的模擬方法有效，所得的水平裂縫地震響應(yīng)特征清晰、明顯.從二維地震響應(yīng)的時頻分析結(jié)果來看，薄互層中的水平裂縫可以明顯的引起時頻譜異常，但是能否會出現(xiàn)低頻亮點，卻要視情況而定.上層裂縫對下層裂縫的影響，在不同頻段內(nèi)存在差異.因此可以在低頻段區(qū)分耦合的兩組裂縫響應(yīng).總的來說，薄互層中水平裂縫的響應(yīng)特征，受到薄互層調(diào)諧效應(yīng)和裂縫介質(zhì)的雙重影響，在進(jìn)行薄層解釋及裂縫預(yù)測時必須綜合考慮.最后，本研究還驗證了頻變AVO方法對于含水平縫薄互層儲層識別的適用性，對于頻變AVO響應(yīng)特征而言，薄互層產(chǎn)生的頻變特征起主導(dǎo)作用，但是裂縫發(fā)育以及裂縫參數(shù)的變化可引起頻變AVO特征的顯著變化，在預(yù)先建立薄互層背景模型的前提下，可以通過頻變AVO屬性識別水平裂縫的橫向分布.