含水平縫薄互層儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征物理模擬

劉海浩， 丁拼搏* ， 李向陽

1 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249 2 CNPC物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)集空間和運(yùn)移通道.特別是在油氣勘探領(lǐng)域，裂縫對(duì)于油氣藏的勘探與開發(fā)有著重要的意義.目前針對(duì)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(duì)垂直定向排列的裂縫，相應(yīng)的裂縫預(yù)測(cè)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(duì)垂直定向排列裂縫.垂直裂縫模型對(duì)應(yīng)于由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高角度裂縫，但在實(shí)際的儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)層特征有重要影響，對(duì)油氣藏勘探開發(fā)也具有十分重要的意義.目前針對(duì)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(duì)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(chǔ)層中時(shí)，這種混疊會(huì)使地震波場極其復(fù)雜，這給水平裂縫的地震識(shí)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(duì)于含水平裂縫儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、地震成像、地震各向異性、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、裂縫及流體識(shí)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(duì)于砂體識(shí)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(cè)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(shí)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(duì)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)室條件下模擬采集了4條二維縱波測(cè)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(duì)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(duì)偏移結(jié)果和疊前AVO道集進(jìn)行時(shí)頻分析，獲得了分頻剖面及頻變AVO響應(yīng)曲線.時(shí)頻分析方法采用了基于時(shí)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(hào)的時(shí)頻分析，具有較高的時(shí)頻聚集性和分辨率，可以較為準(zhǔn)確的刻畫地震信號(hào)的頻率特征.基于此，本研究分析了含水平縫薄互層儲(chǔ)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(cè).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(cè)；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(duì)縫洞儲(chǔ)層進(jìn)行流體檢測(cè)；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(duì)地震物理模擬數(shù)據(jù)的頻變AVO分析，旨在驗(yàn)證頻變AVO方法應(yīng)用于含水平縫薄互層儲(chǔ)層識(shí)別的可行性，為后續(xù)含水平縫薄互層儲(chǔ)層識(shí)別提供支撐.

1 模型設(shè)計(jì)及制作

1.1 裂縫單元的設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)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(duì)這些粘合的薄片進(jìn)行壓實(shí)固化，為了保證壓實(shí)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(gè)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(cè)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(shí)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(shí)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(jì)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(huì)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)實(shí)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(duì)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(cè)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(duì)地表以下1346 m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行地震勘探；各個(gè)地層地震波傳播速度如表2所示；觀測(cè)的重點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場地的限制，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)際尺寸與對(duì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下激發(fā)的地震波頻率與對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室采集參數(shù)與對(duì)應(yīng)的野外采集參數(shù)，以及相似比.需要說明的是，在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室實(shí)際水深105 mm，按照本研究選定的尺寸相似比(1∶ 10000)，對(duì)應(yīng)的地質(zhì)模型上水深為1050 m(表3).

表3 實(shí)驗(yàn)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(gè)過程；首先在實(shí)驗(yàn)室條件下針對(duì)長度800 mm、寬度600 mm、水深105 mm、地層厚度為134.6 mm的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(cè)線，測(cè)線的分布如圖3a、圖4a中紅線所示，其中測(cè)線1和測(cè)線2沿X方向，測(cè)線3和測(cè)線4沿Y方向.首先沿著各條測(cè)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(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室物理模型上的距離20 mm)，且固定不變，每次炮點(diǎn)前進(jìn)10 m (對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室物理模型上的距離1 mm)，共采集781道數(shù)據(jù).隨后，對(duì)4條測(cè)線進(jìn)行多次覆蓋采集，4條測(cè)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(cè)線1、2和測(cè)線3、4的長度略有差異，導(dǎo)致其炮數(shù)不同，測(cè)線1、2共有356炮，測(cè)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(diǎn)和接收點(diǎn)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(shí)約為2.6 s，全程多次波走時(shí)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(shí)別出水層以及模型的各個(gè)部分，其結(jié)果被標(biāo)注在圖6中.

圖6 測(cè)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(gè)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(duì)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(cè)線1為例，分別測(cè)試了有限差分法疊后時(shí)間偏移(由開源軟件Seismic Unix提供)和克?；舴蚍e分法疊前時(shí)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(cè)線1的測(cè)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(cè)線1的疊加剖面，從圖中已經(jīng)可以清晰的識(shí)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(duì)識(shí)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(shí)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?cái)?，因此?huì)產(chǎn)生人工邊界，導(dǎo)致邊界反射.對(duì)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(shí)長，避免這些邊界反射干擾有效信號(hào)；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(duì)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?cái)噙吔绲姆瓷洳ㄈ匀徊荒苁諗?，邊界反射的問題仍然存在.圖8c為疊前時(shí)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(cè)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(jì)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(duì)蓋層還是對(duì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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?yàn)槭艿蕉啻尾ê屠@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(duì)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(duì)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(cuò)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(shí)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(gè)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(gè)裂縫單元的不同位置之間，地震響應(yīng)特征會(huì)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(shí)后晾干固結(jié).對(duì)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(gè)影響裂縫性質(zhì)的重要因素是裂縫單元的壓實(shí)程度.在裂縫制作過程中，粘合劑可能會(huì)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(shí)，模擬的裂縫接近干裂縫；但是壓實(shí)程度不夠或者不均勻時(shí)，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(shí)裂縫更接近含氣裂縫.

圖9 (a) 測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǔ)層頻率特征分析

本研究還以測(cè)線1為例，對(duì)模擬數(shù)據(jù)的時(shí)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(duì)下部裂縫單元B2的影響就沒有A1那樣嚴(yán)重.對(duì)測(cè)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(shí)頻重排算法的光滑偽Wigner-Ville分布(RSPWVD)對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分解，這種方法分辨率較高但計(jì)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(duì)不同頻率成分之間的能量進(jìn)行均衡.選擇這個(gè)界面作為參考主要是因?yàn)槟Ｐ晚斀缑媸撬蛷椥陨w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(duì)強(qiáng)弱不發(fā)生改變.

圖13 測(cè)線1頻譜分析(a) 時(shí)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(shí)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(gè)CIP(共成像點(diǎn)，Common Image Point)的單道時(shí)頻譜分解結(jié)果.第200個(gè)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(shí)頻譜上對(duì)應(yīng)有兩個(gè)峰值，一個(gè)出現(xiàn)在淺層低頻段，另一個(gè)出現(xiàn)在深層高頻段，且淺層的能量較強(qiáng).第400個(gè)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(gè)強(qiáng)能量帶，貫穿整個(gè)頻帶始終，深層幾乎沒有信號(hào)，只有在低頻段有一個(gè)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(shí)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(shí)別，A2單元的響應(yīng)被嚴(yán)重削弱，僅僅在低頻段存在一個(gè)微弱的峰值.第1000、1200個(gè)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(gè)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(shí)頻分析結(jié)果(頻率范圍5～55 Hz, 時(shí)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(duì)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(shí)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(gè)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(gè)能量團(tuán)：第一個(gè)能量峰值對(duì)應(yīng)的是薄層1的頂?shù)捉缑娴寞B加，第三個(gè)峰值對(duì)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(duì)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(duì)增強(qiáng).此外，還可以看出，對(duì)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(duì)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(diǎn)的特征.由于A1的存在，A2的響應(yīng)難以識(shí)別，只有在5 Hz的剖面上隱約的識(shí)別出A1和A2的界限，這也與單道時(shí)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(diǎn).但是，裂縫單元B2并沒有引起明顯的亮點(diǎn)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(gè)單元.B1的橫向展布寬度為B2的一半，這樣的設(shè)計(jì)便于分析在不同頻段內(nèi)上部裂縫單元對(duì)下部裂縫單元的影響.在低頻時(shí)，B1對(duì)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(duì)B1的影響明顯增強(qiáng)，在55 Hz時(shí)B2的響應(yīng)幾乎消失，B1裂縫對(duì)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(huì)使地震信號(hào)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(shí)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(hào)產(chǎn)生頻變特征，這在一定程度上干擾了水平縫的識(shí)別.

圖16所示為測(cè)線1上幾處CDP(共深度點(diǎn)，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(duì)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(shì)、高頻峰值振幅對(duì)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(cè)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(shí)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(chǔ)層部分頻變AVO曲線; (c) CDP 400處, 薄互層儲(chǔ)層部分頻變AVO曲線; (d) CDP1000處, 薄互層儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(shí)頻譜異常，但是能否會(huì)出現(xiàn)低頻亮點(diǎn)，卻要視情況而定.上層裂縫對(duì)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(cè)時(shí)必須綜合考慮.最后，本研究還驗(yàn)證了頻變AVO方法對(duì)于含水平縫薄互層儲(chǔ)層識(shí)別的適用性，對(duì)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(shí)別水平裂縫的橫向分布.