CN102053277A - 一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油地震勘探与油气田开发领域中对储层裂缝发育方向进行检测的方法，尤其涉及一种利用多波地震数据、正交性原理公式以及Alford旋转公式，推导出采集系统坐标系与自然系统坐标系之间夹角的解析表达式。角度解析公式反演裂缝主方向，分析裂缝发育密度，从而进行储层裂缝发育的检测。这个角度具有明确的物理意义，反演计算简单快捷，算法不受快慢横波延迟时间的影响。即使快慢横波偏振不严格地满足正交偏振的关系，反演角度解析表达式的角度解仍然在可接受的误差范围之内。反演角度的精度随着多分量资料信噪比的提高而更接近真实的结果。

Description

一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法

技术领域

本发明属于石油地震勘探与油气田开发领域中对储层裂缝发育方向进行检测的方法，尤其涉及一种利用多波地震数据、正交性原理公式以及A1ford旋转公式，推导出采集系统坐标系与自然系统坐标系之间夹角的数学解析表达式，进而检测储层裂缝方向和密度参数，对于油气开发具有重要的指导意义。

背景技术

根据波的传播方向与振动方向，把地震波分为纵波P和横波S，纵波转换为横波称为转换波PS。在多分量地震勘探中，利用纵波震源激发可以采集接收到纵波和转换波。储层裂缝的方向和密度参数对于油气开发具有重要的指导意义。在裂缝发育的储层中，纵波传播的速度和振幅随测线方向变化而变化，但这种变化量最大不到3％，在资料处理解释中稍有误差就可能将这种方位变化掩盖。而横波进入这种介质后，一定会分裂为不同偏振方向，通常正交的两个快慢横波。这两个横波具有不同振幅大小和快慢传播速度，一般强振幅速度快的称之为快横波S1，反之为慢横波S2。裂缝的主方向就是快横波的方向。在多分量地震资料采集观测系统中，沿测线方向埋置的检波器称之为X分量，垂直测线方向埋置的检波器称之为Y分量。由X、Y分量确定的采集系统坐标与自然坐标(由S1波和S2波定义的裂缝系统)之间存在一个未知角度θ。

开展多分量勘探的目的之一就是利用两个水平分量的资料，估算采集坐标和自然坐标之间的夹角，从而确定裂缝发育的主方位。寻求两种坐标系之间的角度是裂缝检测技术的关键。基于分离后快波应具有最强振幅、快慢波时差最大且波形最相似的假设下，发展了很多方法，如能量比法、相似法准则。这些方法需要对方位角进行扫描，即从0-360度(或至少是0-180度)，以等间隔的角度增量进行两分量旋转，在最大能量比或最大相似性准则下，判断所用旋转角度是否为测线方向与裂缝方向的夹角。这些方法的假设有时并不符合实际资料，如波形相似性假设，且角度扫描的方式使得计算效率大大降低。

1999年DeVault等发表的“用多分量地震资料检测裂缝方法”(Method for fracture detection using multicomponent seismicdata)专利技术(U.S.Pat.No.5,999,486)，利用横波振幅随偏移距(AVO)变化的加权最小平方AVO分析方法，利用横波AVO的截距和梯度反演各向异性参数。本方法是采用横波激发和接受的采集方式，利用纯横波的AVO属性进行各向异性参数反演，近而导出裂缝参数，没有利用快慢横波分离的重要信息。

2004年Bale等发布的“确定快慢横波的偏振方向”(Determination of the fast and slow shear wave polarisation directions)专利技术(U.S.Pat.No.6,826,485)，应用最小熵旋转法，推导出观测系统坐标与自然坐标系之间夹角的解析表达式。

2005年Dariu等提出“用模拟退火方法分析双折射”技术(Birefringence analysis using simulated annealing)，该技术能够自动求取全部地层的各向异性参数，提取的裂缝属性可靠。该方法基于快慢横波波形差异最小化的原理，这种假设与快横波具有强振幅和快速度的普遍现象具有较大的不同，可能适应于某些特殊情况，不具有普遍意义。

Horne等2005提出“转换波反射波形分层剥离检测倾斜裂缝”(Layer stripping converted reflected waveforms for dipping fractures)专利技术(U.S.Pat.No.6,862,531)，方法要求宽方位PS波资料，层剥离分析技术包括：对第一层数据，用最小化剩余能量法估算偏振方向，确定旋转角度；用动态互相关估算分离后快慢横波之间的时间延迟；利用这些参数消除穿过地层对PS波分裂的影响；然后进行下一个地层的分析和校正。该技术特点主要是分层剥离技术，对偏振方向的求取，所采用的方法是常规方法。

目前所有方法只有Bale方法给出了采集坐标和自然坐标之间夹角的解析表达式。但其解的形式有4个，它们的物理意义不明确，并且在实际应用中如何取舍角度是个问题。

发明内容

本发明根据现有技术中存在技术问题，研发了一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法。推导出能够用解析表达式表述地层裂缝发育主方向与采集系统坐标之间夹角的解释式，表达式中角度的解具有明确的物理意义，并与野外多分量数据采集规律相符，利用多分量地震资料和角度公式可以直接确定储层裂缝发育的方位。

本发明为了解决实现上述发明目的，所采用的技术方案为，

一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法，所述方法是建立在多分量地震资料采集观测系统基础上，利用多波地震数据、正交性公式以及Alford旋转公式，推导出二维三分量地震资料设置采集系统坐标系和自然系统坐标系之间的夹角；所述采集系统坐标系将两个检波器分别埋置在炮点与检波点组成的测线方向上-X方向和垂直于所述测线方向-Y方向，形成采集系统坐标系；所述自然系统坐标系为实际横波进入裂缝地层发生横波分裂，分裂为快横波S1和慢横波S2，由快横波S1和慢横波S2形成自然系统坐标系；

所述在采集系统坐标系中，记录在水平分量X、Y的复合地震波场，包含了自然系统坐标系中快、慢分裂横波的反射信息，快、慢横波的偏振方式满足正交偏振，利用正交性公式以及Alford旋转公式，推导出所述采集系统坐标系与自然系统坐标系夹角的解析表达式，根据该表达式即直接精确确定储层裂缝发育的方位。

所述交角θ的解析表达式为

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{k_1\±\sqrt{{k_1}^2+{4k}_2^2}}{{2k}_2}$

式中

x_t、y_t为野外观测到的X分量和Y分量记录。

在具体的方法中包括：

①.建立多分量地震资料采集观测系统；

②.检波器采集二维三分量地震资料；

③.根据炮点和检波点组成的炮-检方向，即测线方向，并沿测线方向埋置的水平检波器称之为X分量，垂直测线方向埋置的水平检波器称之为Y分量；并建立由X、Y分量确定的采集系统坐标(XOY)；

⑧.对地震波中横波或转换波数据进行预处理：CDP道集、CCP抽道集、横波速度分析、NMO校正和水平叠加。

CDP(common depth point)道集-共深度点道集，对于横波资料，由于下行波和上行波射线对称，只要把共深度点的反射记录抽在一起，就形成相同深度点道集；

CCP(common conversion point)道集-共转换点道集，对于转换波资料，由于下行纵波上行横波，故需要将共转换点的记录抽在一起，形成共转换点道集；

横波速度分析-对于横波资料，只要利用常规的速度分析软件，就能够交互分析出横波速度；对于转换波资料，需要利用转换波的速度分析软件，在已知纵波速度场的前提下，交互分析出横波速度。

NMO(normal move-out)校正-正常时差校正，由于道集中各检波器埋置在不同位置，形成不同偏移距(距离)的时间差是正常时间差，利用地震波旅行时公式，计算一个道集中不同偏移距的走时，并将各道的差值校正到零偏移距的位置上，就完成NMO校正；

水平叠加-将NMO校正后的CDP/CCP道集，进行等权相加，就实现水平叠加处理。

④.横波在所述X、Y分量的叠加投影：横波进入裂缝地层发生横波分裂，产生的S1波和S2波在X和Y分量上分别投影并记录；

⑤.推导夹角解释式：

设x (t)、y(t)为n维欧氏空间中两个向量，并且是时间t的函数；n维欧氏空间两个向量正交的定义，在内积空间中可表示为：

$(x,y)=\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t\right)y\left(t\right)=0---\left(1\right)$

式中m为向量在时间域内离散点的个数

横波进入裂缝地层发生横波分裂，产生的S1渡和S2波在X和Y分量上分别投影并记录；将野外观测到的X分量和Y分量记录分别记为x_t、y_t，旋转后的X分量和Y分量分别记为x_tr、y_tr，根据Alford公式，可以将两种坐标系统的资料联系起来

$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{tr}}\\ y_{\mathrm{tr}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中θ即为所求的采集系统坐标与自然系统坐标系统之间夹角；

当θ角确定，x_tr、y_tr即为分离后的快慢横波；由(1)式定义及(2)式的关系式，很容易得到下列关系式，

$\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t{y}_t{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}-\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(y_t^2-x_t^2)\mathrm{tg\θ}-\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t{y}_t=0---\left(3\right)$

由(3)式得到关于θ角的解析表达式：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{k_1\±\sqrt{{k_1}^2+{4k}_2^2}}{{2k}_2}---\left(\text{4}\right)$

式中 $k_1=\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(y_t^2-x_t^2),k_2=\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t{y}_t---\left(5\right)$

从(4)式中不难看出，当X分量和Y分量的记录相等时，θ角的解等于45度，表明采集系统坐标与自然坐标成45°度角时，记录到的两分量在振幅强度上相等。这个角度是用地震勘探观测横波分裂现象的最佳角度。因此，在二维三分量数据采集设计中，希望将测线方向与自然坐标方向成45°度角以便于横波分裂观测。当X分量的记录为零时，取根号为正，θ₁为90°度作为公式解。这个角度正好说明观测系统的方向与自然坐标系垂直，Y分量的方向就是自然坐标系主方向。当Y分量为零时，取根号为正的解θ₁，(4)式分子为零，形成零/零型的不定式，解是不确定的。故我们取根号为负的解θ₂，θ₂解为负90°度。由正交性，θ₁+θ₂＝90°，故可解得θ₁＝0°度或180°度作为公式解。表明Y分量为零时，采集系统坐标与自然坐标系夹角为0°度或180°度，这时X分量的坐标方向平行自然坐标的主方向。即采集系统坐标与自然坐标一致。通过上述分析表明，(4)式完全满足描述快、慢横波分裂的特征规律。

⑥.根据多分量地震资料和角度公式可以直接确定储层裂缝发育的方位。

如图5所示的结果与实际的真实角度一致，可以精确的检测储层裂缝的方向和密度参数，对于油田油气开发具有重要的实践指导意义。

附图说明

图1是采集系统坐标系与自然系统坐标系形成角度θ示意图。

图2是实施例1中，37道快慢横波的合成模型记录图；

图3是实施例1生成采集系统坐标与自然坐标系含夹角度X、Y分量地震记录图；

图4是实施例1各道反演角度和模型真实角度的比较图；

图5是实施例1从反演的角度，对X、Y分量记录进行反旋转，得到S1’和S2’的波场示意图；

图6是实施例2中，某工区采集的二维三分量地震资料，经过多分量处理得到的X、Y分量的叠加剖面，图右下的梅花图表明该区有三组裂缝发育方向。

图7(a)输入用于反演目的层的X、Y分量记录图；(b)反演估算的角度分布图；(c)用反演角度作快慢横波分离处理得到的S1波S2波的剖面；(d)两分量的时差分布图。

上述各幅附图的具体内容将结合发明内容和具体实施方式加以说明

具体实施方式

图1是采集系统坐标系与自然系统坐标系形成角度θ示意图。

在多分量地震资料采集观测系统中，炮点和检波点组成的炮-检方向称之为测线方向，沿测线方向埋置的水平检波器称之为X分量，垂直测线方向埋置的水平检波器称之为Y分量。由X、Y分量确定的采集系统坐标(XOY)与“自然坐标”(由S1波和S2波定义的裂缝系统)之间存在一个未知角度θ，见图1所示。

图2为实施例1中，37道快慢横波的模型记录，快慢波振幅比＝5，时间延迟＝3个样点，信噪比＝5(可给出不同信噪比，如S/N＝5，1)。信噪比为S/N＝5(可给出不同信噪比)，快慢波振幅比设置为Ar/At＝5(不失一般性，即快慢横波不完全满足正交偏振假设)，快慢横波的延迟时间为3个样点。在0°-180°度角度范围内，以5°度一个间隔，用Alford旋转公式，对S1-S2记录作角度旋转，生成采集系统坐标与自然坐标系夹角分别为0°，5°，10°，...，180°度的X、Y分量地震记录共37道，如图3。利用公式(4)、(5)，反演计算的角度如图4所示，信噪比＝1，圆圈为反演角度；信噪比＝5，三角为反演角度；模型真实角度为菱形。比较模型真实角度和反演角度，当快慢横波振幅比＝5，信噪比较高的条件下，反演结果与模型真实角度基本一致。

图5是用反演角度进行Alford反旋转，得到的S1’和S2’快慢横波，相当于进行了各向异性校正，消除各向异性对X、Y分量的影响。S1’波基本恢复与快横波S1波相近，S2’波由于角度误差和延迟补偿没有进行，故不能够完全恢复慢横波。

图6为实施例2，采用的是某工区的单震源单个正三分量检波器采集的二维三分量地震资料。测线方向为正北向，从地质和钻井资料得知，区内储层发育三组裂缝，北东60-70度，北西310-330度和东西270-280度，见图6右下梅花图。转换波资料的处理主要包括CCP抽道集、横波速度分析、转换波NMθ校正等，最后得到X、Y分量的叠加剖面(图6所示)。X和Y分量的处理流程和参数保持一致，在剩余静校正的参考道选取上应按各自的叠加剖面为准，因为S1波和S2波具有不同的传播速度，在X和Y分量上表现出不同的旅行时。在X、Y分量的资料处理中，我们尽可能的保留下S1波和S2波的差异所产生的分裂信息。分析两个水平分量的资料质量，在CDP200-CDP260之间的X、Y剖面上，目的层的两分量记录信噪比和品质较高，而CDP260-300之间，Y分量在目的层的转换波明显表现出一种资料质量下降的特征。成像受到从浅至深的较强面波干扰影响，使得目的层的同相轴在此处无法连续追踪。为了确保反演角度的准确性，我们取CDP200-CDP260之间的数据进行正交基旋转角度反演处理。

图7(a)是输入用于反演目的层的X、Y分量；图7(b)是反演估算的角度，横坐标是测线CDP号，纵坐标为方向和裂缝主方向的夹角，反演角度值分布在30度左右；图7(c)是用反演的角度作快慢测线横波分离处理得到的S1波S2波的剖面。慢横波S2的振幅明显减弱，而S1波的能量和聚焦性都达到最佳。这表明反演估算的角度能够表述测线方向和裂缝主方向的夹角关系；图7(d)是两个分量的时差值，不记个别CDP点上的突变值，时差值分布在20-35毫秒范围内，初步估算裂缝密度为2-3％。反映地层表现为一种弱各向异性特征。

Claims (3)

1.一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法，所述方法是建立在多分量地震资料采集观测系统基础上，利用多波地震数据、正交性公式以及Alford旋转公式，推导出二维三分量地震资料设置的采集系统坐标系和自然系统坐标系之间的夹角；所述采集系统坐标系将两个检波器分别埋置在炮点与检波点组成的测线方向上-X方向和垂直于所述测线方向-Y方向，形成采集系统坐标系；所述自然系统坐标系为实际横波进入裂缝地层发生横波分裂，分裂为快横波S1和慢横波S2，由快横波S1和慢横波S2形成自然系统坐标系；

所述在采集系统坐标系中，记录在水平分量X、Y的复合地震波场，包含了自然系统坐标系中快、慢分裂横波的反射信息，快、慢横波的偏振方式满足正交偏振，利用正交性公式以及Alford旋转公式，推导出所述采集系统坐标系与自然系统坐标系夹角的解析表达式，根据该表达式即直接精确确定储层裂缝发育的方位。

2.根据权利要求1所述的一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法，其特征在于，

所述交角的解析表达式为

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{k_1\±\sqrt{{k_1}^2+{4k}_2^2}}{{2k}_2}$

式中

x_t、y_t为野外观测到的X分量和Y分量记录。

3.根据权利要求1所述一种利用地震资料进行检测储层裂缝发育方向的方法，其特征在于，

所述方法还包括：

①.建立多分量地震资料采集观测系统；

②.检波器采集二维三分量地震资料；

③.根据炮点和检波点组成的炮-检方向，即测线方向，并沿测线方向埋置的水平检波器称之为X分量，垂直测线方向埋置的水平检波器称之为Y分量；并建立由X、Y分量确定的采集系统坐标(XOY)；

④.对地震波中横波或转换波数据进行预处理：分别抽出CDP道集、CCP道集、横波速度分析、NMO校正和水平叠加；

其中，CDP(common depth point)道集为共深度点道集，对于横波资料，由于下行波和上行波射线对称，只要把共深度点的反射记录抽在一起，就形成相同深度点道集；

CCP(common conversion point)道集为共转换点道集，对于转换波资料，由于下行纵波上行横波，需将共转换点的记录抽在一起，形成共转换点道集；

横波速度分析是对于横波资料，利用常规的速度分析方法，交互分析出横波速度；对于转换波资料，需要利用转换波的速度分析方法，在已知纵波速度场的前提下，交互分析出横波速度；

NMO(normal move-out)校正为正常时差校正，由于道集中各检波器埋置在不同位置，形成不同偏移距距离的时间差是正常时间差，利用地震波旅行时公式，计算一个道集中不同偏移距的走时，并将各道的差值校正到零偏移距的位置上，就完成NMO校正；

水平叠加是将NMO校正后的CDP/CCP道集，进行等权相加，就实现水平叠加处理；

⑤.横波在所述X、Y分量的叠加投影：横波进入裂缝地层发生横波分裂，产生的S1波和S2波在X和Y分量上分别投影并记录；

⑥.推导夹角解释式：

设x (t)、y(t)为n维欧氏空间中两个向量，并且是时间t的函数；n维欧氏空间两个向量正交的定义，在内积空间中可表示为：

$(x,y)=\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t\right)y\left(t\right)=0---\left(1\right)$

式中m为向量在时间域内离散点的个数

横波进入裂缝地层发生横波分裂，产生的S1波和S2波在X和Y分量上分别投影并记录；将野外观测到的X分量和Y分量记录分别记为x_t、y_t，旋转后的X分量和Y分量分别记为x_tr、y_tr，根据Alford公式，可以将两种坐标系统的资料联系起来

$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{tr}}\\ y_{\mathrm{tr}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中θ即为所求的采集系统坐标与自然系统坐标系统之间夹角；

当θ角确定，x_tr、y_tr即为分离后的快慢横波；由(1)式定义及(2)式的关系式，很容易得到下列关系式，

$\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t{y}_t{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}-\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(y_t^2-x_t^2)\mathrm{tg\θ}-\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t{y}_t=0---\left(3\right)$

由(3)式得到关于θ角的解析表达式：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{k_1\±\sqrt{{k_1}^2+{4k}_2^2}}{{2k}_2}---\left(\text{4}\right)$

式中 $k_1=\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(y_t^2-x_t^2),k_2=\underset{t=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_t{y}_t---\left(5\right)$

⑦.根据多分量地震资料和角度公式可以直接确定储层裂缝发育的方位。

Images