CN108957548B - 一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法 - Google Patents

一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测技术，首先在待查区域至少打一口观察井，以该观察井为中心建立一个正边形的观察区域；然后激活相应的激发点，利用地面三分量检波器和井中三分量检波器对激发点激发后的数据进行采集；再结合地质资料获取激发点直达波数据并求取纵波速度、横波速度和静校正量，然后以求取的结果去标定地面三分量检波器接收信号；最后根据数据结合相应的评价标准，即可划定当前观察区域的页岩气富集区。本发明采用井中接收系统获得直达波数据求取的纵波速度、横波速度和静校正量，可解决以往勘探存在的转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难、纵波与转换横波分量一致性差等难点。

Description

一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法
技术领域
本发明涉及应用地球物理勘探方法领域，是一种综合应用井筒-地面联合观测和反演、获得页岩含气性、力学参数和裂缝发育等信息的快速、经济、高效的页岩气富集区预测方法。
背景技术
页岩气富集区预测方法主要有地质分析法(包括岩芯观察法、地质类比法等)、地球物理学法(包括测井方法、地震方法、重力方法)、地球化学勘探方法、构造物理模拟、构造应力场或应变场数值模拟以及开发动态分析法等，其中地震方法因能获得页岩气平面分布信息而被广泛应用。目前常用的地震方法一般为多波地震勘探、二维地震勘探、三维地震勘探和垂直地震勘探等方法。
多波地震勘探是采用三分量检波器采集地震波场，其原理是纵波受岩性和流体共同影响，而横波主要受岩性影响，多波勘探增加了横波信息，降低了储层预测的多解性。但目前陆上多波多分量地震技术存在的转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难的问题，如图1所示，转换波射线路径是不对称的。
二维地震勘探方法是在地面上布置一条条的测线，沿各条测线进行地震勘探施工，采集地下地层反射回地面的地震波信息，然后经过电子计算机处理得出一张张地震剖面图。目前二维地震勘探技术以反射地震方法为主，该方法具有成本低、适用范围广等特点而一直被应用于早期地质勘探。但是其接收的数据仅为反射纵波，且只能获得二维剖面，降低了勘查精度。
三维地震勘探技术是从二维地震勘探逐步发展起来的地球物理勘探方法，与二维地震勘探相比，三维地震勘探不仅能获得一张张地震剖面图，还能获得一个三维空间上的数据体。但存在转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难、纵波与转换横波分量一致性差等难点，一直没有进入商业化应用。
垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile)，即VSP，是一种地震观测方法。该方法是在井中观测地震波场，将地震检波器置于井中不同深度来记录地面震源所产生的地震信号。在垂直地震剖面中，因为检波器通过井置于地层内部，所以不仅能接收到自下而上传播的上行纵波和上行转换横波，也能接收到自上而下传播的下行纵波及下行转换横波，甚至能接收到横波。但存在平面展布小等问题。
但目前陆上多波多分量地震勘探存在2个问题：在技术上，存在转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难、纵波与转换横波分量一致性差等难点，一直没有进入商业化应用。在适应性上，三维多波多分量地震勘探技术主要应用于成熟勘探区，因成本高、采集处理效率低等原因难以在低勘探程度区使用。
发明内容
本发明的目的是要提供一种结合井筒-地面联合观测的多波多分量地震页岩气富集区预测方法，以在提高精度的同时，增加在不同环境下的适应性。
特别地，本发明提供一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，包括如下步骤：
步骤100，在预设区域至少打一口观察井，以该观察井为中心建立一个正方形的观察区域；将观察区域按观察要求划分为多个相同的正方形，并在每个叉点处布置一个地面三分量检波器，在观察井内按指定间隔分别布置井中三分量检波器；
步骤200，以观察井为中心布设两条相互垂直的十字形激发点测线，在十字形激发点测线上按指定间隔布置激发点；
步骤300，将激发点激活，利用地面三分量检波器和井中三分量检波器对激发点激发后的数据进行采集；
步骤400，结合地质资料，以井中三分量检波器采集的地震信息为约束，获取激发点直达波数据并求取纵波速度、横波速度和静校正量，然后以求取的结果去标定对应的地面三分量检波器接收信号的反射点和转换点的地下位置；
步骤500，根据标定后地面三分量检波器采集数据的纵波和转换横波获得当前预设区域的参数，所述参数为：纵横波速度比、泊松比、纵波阻抗、横波阻抗、含气性以及孔隙度，结合相应的地质评价、测井评价、实验分析、资源评价技术，按照当地页岩气富集区评价标准，即可划定当前观察区域的页岩气富集区。
在本发明的一个实施方式中，所述井中三分量检波器根据现有方式获取相应数据，具体数据包括不同深度地层的纵波速度、横波速度和静校正量，以为多波多分量数据处理提供参数。
在本发明的一个实施方式中，所述观察区域的边长为5km。
在本发明的一个实施方式中，所述观察井在垂直方向上按10m间隔安装井中三分量检波器。
在本发明的一个实施方式中，在所述十字形激发点测线上的激发点以50m间隔设置一个。
在本发明的一个实施方式中，所述激发点的激活方式为井炮或可控震源。
在本发明的一个实施方式中，所述纵波速度、横波速度和静校正量的获取过程如下：
由激发点产生的横波在穿过裂缝性各向异性介质时，分裂为2个波，其中一个波平行于裂缝方向且速度快，记做快波S1；另一个波垂直于裂缝方向且慢于快波S1，记为慢波S2；快波S1和慢波S2的方向与裂缝走向对应，快波S1和慢波S1之间的时差与裂缝的密度对应，时差越大则密度越大；
在快波S1和慢波S2的时间域中，用水平分量记录快波S1和慢波S2的时间差，其中径向分量与横向分量分别表示为：
R(t)＝S1(t)cosα+S2(t)sinα (1)
T(t)＝S1(t)sinα-S2(t)cosα (2)
角度α与时间t分别反映了裂缝的走向与密度属性，通过对三分量数据进行坐标旋转，分离出快波S1和慢波S2，径向分量R逆时针旋转α角即为裂缝的方向，而裂缝密度则通过快慢波旅行时差或快慢波的振幅差异得到。
在本发明的一个实施方式中，分离所述快波S1和所述慢波S2的方法为扫描法，所述扫描法以不同的方位角对所述径向分量R和所述横向分量T进行旋转来获得裂缝方位角，然后通过互相关法和能量比法来判定旋转角度的正确性。
在本发明的一个实施方式中，利用分离后的所述快波S1和所述慢波的旅行时TPS∥、TPS⊥计算反映裂缝发育程度的各向异性系数KC，其中，KC越大，表明裂缝越发育；
KC＝(TPS⊥-TPS∥)/TPS∥ (3)。
本发明采用井中接收系统获得直达波数据求取的纵波速度、横波速度和静校正量，可解决以往勘探存在的转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难、纵波与转换横波分量一致性差等难点。
附图说明
图1是现有技术的转换横波共转换点示意图；
图2是本发明一个实施方式的预测技术流程图；
图3是本发明一个实施方式的观察区域示意图，中间的黑点为观察井；
图4是本发明一个实施方式中观察区域内激发点的布设示意图；
图5是本发明一个实施方式的地面和井下同时进行数据采集的示意图；
图6是本发明一个实施方式的观察区域中地下反射点和转换点数据点布设图，其中按颜色浓度由深至浅依次为数据点多次覆盖、覆盖范围和多角度信息区域；
图7是本发明一个实施方式的水平分量方向与快慢波方向示意图；
图8是本发明一个实施方式的时间域快慢波时差示意图；
图9是实施例1中罗家地区目的层裂缝方位平面图；
图10是实施例1中罗家地区目的层各向异性系数平面图；
图11是实施例2中x/z两分量振幅比；
图12是实施例2的层间传播的时差比；
图13是实施例2的目的层裂缝走向角度曲线；
图14是实施例2目的层各向异性系统数曲线。
具体实施方式
如图2所示，在本发明的一个实施方式中公开一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，包括如下步骤：
步骤100，在预设区域至少打一口观察井，以该观察井为中心建立一个正边形的观察区域；将观察区域按观察要求划分为多个相同的正方形，并在每个叉点处布置一个地面三分量检波器，在观察井内按指定间隔分别布置井中三分量检波器；
如图3为观察区域示意图，中间的黑点为观察井。观察区域根据待实现的测量效果确定，一般可以为正方形，本实施方式采用的观察区域的面积为5*5公里。
通过规划观察区域可以方便布置各个设备，同时形成规律的震源信号。本实施方式中的观察区域边长为5000m的正方形，以50*50m作为一个小格。
从井底开始，沿井筒按照10米间隔布设1个井中三分量检波器。如果井中三分量检波器数量不足，可主要布设在页岩气目的层井段，上下两端各超出200米；也可采用垂直地震勘探施工方法，同一位置多次激发，每激发一次，检波器串上移一段，实现全井筒接收。该结构属于垂直地震勘探方法，可求取多波多分量地震信号处理时所需要的横波速度和静校正量等参数。
步骤200，以观察井为中心布设两条相互垂直的十字形激发点测线，在十字形激发点测线上按指定间隔布置激发点；
图4是观察区域内激发点的布设示意图。两条激发点测线分别垂直穿过观察井，在十字形激发点测线上的激发点以50m间隔设置一个，可设置在50*50m的中间处，总计布设激发点198个。
步骤300，将激发点激活，利用地面三分量检波器和井中三分量检波器对激发点激发后的数据进行采集；
图5是地面和井下同时进行数据采集的示意图。激发点的每次激发，地面和井中接收系统同时接收信号。激发方式可采用井炮或可控震源。激发工序和方法执行行业标准。如果同点多次激发，可增加覆盖次数。
这其中，井中三分量检波器按照《SY/T 5454--2010垂直地震剖面法勘探技术规程》和《SY/T 6766-2009井中垂直地震剖面系统》执行数据采集，以获得不同深度地层的纵波速度、横波速度和静校正量，为多波多分量数据处理提供参数。
而地面三分量检波器按照《SY/T 6732—2008陆上多波多分量地震勘探资料处理技术规程》、《SY/T 6949--2009陆上多波多分量地震资料解释技术规范》、《SY/T 5332-1997陆上二维地震勘探数据处理技术规程》执行数据采集。
步骤400，结合地质资料，以井中三分量检波器采集的地震信息为约束，获取激发点直达波数据并求取纵波速度、横波速度和静校正量，然后以求取的结果去标定对应的地面三分量检波器接收信号的反射点和转换点的地下位置；
该步骤中的所有处理方式都可采用现有的垂直地震剖面、二维地震勘探方法进行计算得到。在分别得到地面数据和井下数据中，利用井下数据来确定与井中三分量检波器对应的地面三分量检波器接收的信号，从而准确实现特定地面三分量检波器接收信号的地下反射点和转换点的定位。
步骤500，根据标定后地面三分量检波器采集数据的纵波和转换横波获得当前预设区域的参数，所述参数为：纵横波速度比、泊松比、纵波阻抗、横波阻抗、含气性以及孔隙度，结合相应的地质评价、测井评价、实验分析、资源评价技术，按照当地页岩气富集区评价标准，即可划定当前观察区域的页岩气富集区。
现有技术在处理时，横波速度一般采用理论公式估算，对地下地质条件突变造成的差异难以区别，造成纵横波的深度一致性差不同之处，本实施方式采用井中接收系统获得直达波数据求取的纵波速度、横波速度和静校正量，可解决以往勘探存在的转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难、纵波与转换横波分量一致性差等难点。上述各规范都是现有技术中的成熟技术。
观测系统设计是本实施方式的工作基础，观测系统的差异会导致数据分布和类型的不同，直接关系到技术方法应用和效果。
本实施方式所涉及的地震接收仪器系统、地面三分量检波器、井中三分量检波器、测量仪器等，均为现有采油公司使用的常用设备。三分量检波器为通常使用的型号，要求一致性，布设工序和方法执行行业标准。数据处理采用目前该行业常用的软件即可实现。
本实施方式特别适合在工作区至少有1口钻井有页岩气发现或突破，需要经济、快速、高效查明井区周边页岩气富集区，实现早期的低勘探程度区调查评价工作，为下一步工作部署提供依据。
图6是观察区域中地下反射点和转换点数据点布设图，其中按颜色浓度由深至浅依次为数据点多次覆盖、覆盖范围和多角度信息区域；本实施方式针对二维地震勘探获得直线分布的数据体的不足，采用类似三维地震勘探布设检波点的方法，在一定区域内均匀布设接收点，从而获得2条长方形分布的数据体，尤其2个长方形重叠区域的数据具有多次覆盖、多角度接收信号等优势，可达到三维多波多分量勘探的效果。
本实施方式可以满足低勘探程度区页岩气富集区预测需求为目标，综合多波多分量地震勘探、三维地震勘探、二维地震勘探和垂直地震勘探的优点，提出了井筒-地面联合观测的二维多波多分量地震技术，解决各自方法存在的问题，进行页岩气富集区预测。
与常规多波多分量三维地震勘探相比，本发明采用井中接收系统获得直达波数据求取的纵波速度、横波速度和静校正量，解决了以往勘探存在的转换横波静校正量求取难度大、转换横波速度及共转换点道集求取难、纵波与转换横波分量一致性差等难点。而与常规垂直地震勘探获得垂向数据体方法相比，本发明可获得横向展布的数据体。
如图7、8所示，在本发明的一个实施方式中，给出纵波速度、横波速度和静校正量的获取过程：
横波在穿过裂缝性各向异性介质时，会分裂为2个波。一个平行于裂缝方向，速度较快，称为快波S1；另一个速度较慢，垂直于裂缝方向，称为慢波S2，这就是所谓的横波双折射现象。快慢波的方向反映了裂缝的走向，快慢波的时差反映了裂缝的密度，时差越大则密度越大。在时间域，由于快慢波传播速度的差异，在水平分量上可记录到快慢波时间差。
径向分量与横向分量可分别表示为：
R(t)＝S1(t)cosα+S2(t)sinα (1)
T(t)＝S1(t)sinα-S2(t)cosα (2)
角度α与时间t分别反映了裂缝的走向与密度属性，要得到这2个参数，最基本的方法是通过对三分量数据进行坐标旋转，分离出快波S1和慢波S2，分离后快波S1的方向(径向分量R逆时针旋转α角)即为裂缝的方向，各向异性大小(裂缝密度)的估算可以通过2方面获得，一是快慢波旅行时差，二是快慢波的振幅差异。因此，常用的裂缝密度预测方法有：①快慢波旅行时差预测法；②快慢波的振幅差异预测法。横波对各向异性的响应比纵波敏感，所以横波资料更有利于预测裂缝参数。
横波资料最初是通过横波地震勘探来获得，但是由于受采集成本和技术条件限制，难以在实际应用中推广，目前主要是通过纵波激发的三分量地震资料获得纵波和转换波。由于PS转换波的勘探成本仅比一般纵波勘探费用增加15％左右，且可以基本完成常规横波勘探的任务，并有利于纵横波联合勘探，所以目前较多采用二维PS转换波勘探来检测裂缝。
PS转换波是由下行的纵波和上行的横波组成，根据上行转换横波穿过裂隙介质时产生的分裂特征，采用旋转分析法来识别裂隙方位，而裂缝密度(各向异性)可利用转换横波旅行时差或振幅差异求得，也可以利用纵波和转换波资料反演得到。
进行快、慢横波分离，关键是求裂缝方位角θ。可采用扫描法，即以不同的方位角对两个分量进行旋转来获得裂缝方位角。然后，可使用互相关法和能量比法来判定旋转角度正确与否。互相关法假定在完全分离后，快、慢横波是对称的子波；能量比法假定当旋转到正确角度时，能量比值最大，比较有代表性的方法包括最小熵旋转法、正交基旋转法及全局寻优法等。
实施例1：
图9是罗家地区目的层裂缝方位平面图；图10是罗家地区目的层各向异性系数平面图。在罗家地区泥岩裂缝的预测中，对罗家地区的多波资料进行了处理和解释，利用压缩转换波剖面对比法、反射特征和构造特征对比法、进行了多波地震地质层位对比。在此基础上计算了目的层地震参数比(如速度比、时差比、振幅比、频率比及各向异性系数等)。通过对两个水平分量的旋转变换，求得裂缝走向与测线的夹角α。并利用分离后的快、慢横波旅行时(TPS∥、TPS⊥)计算了反映裂缝发育程度的各向异性系数KC，KC越大各向异性越严重，即裂缝越发育；
KC＝(TPS⊥-TPS∥)/TPS∥ (3)
通过对罗家地区的多波资料的处理和解释，得到了很好的应用效果。该地区存在着两组主要的裂缝带，分别为NE、NW方向。经过和地质、钻井资料对比，基本吻合，验证了本方案的预测是准确可靠的。
实施例2：
图11是x/z两分量振幅比；图12是层间传播的时差比；图13是目的层裂缝走向角度曲线；图14是目的层各向异性系统数曲线。在苏北盆地YC地区的泥岩裂缝储层研究中，利用该地区3条正三分量采集和处理的PS转换波资料进行了裂缝预测。对P波和PS波剖面进行精确的层位标定，并对主要目的层进行追踪对比后，沿着目的层分别计算各测线各分量在一定时窗内的振幅比、层间传播时差比，利用比值法(即用一组不同的角度β对X和Y水平分量进行旋转变换，并对每一个β值计算目的层时窗内两个水分量的能量比R，当R＝tgβ时的β就是所要求解裂隙走向与测线的夹角α)计算出三条线的裂隙走向角度分析曲线，并利用快、慢横波旅行时(TPS∥、TPS⊥)计算出反映裂缝发育程度的各向异性系数KC(KC越大各向异性越严重，即裂缝越发育)，并利用分离后的快横波的旅行时TPS∥和慢横波的旅行时TPS⊥按照公式KC＝(TPS⊥-TPS∥)/TPS∥计算出各测线反映裂缝发育程度的各向异性系数曲线。
图14中横坐标为CCP号，纵坐标为裂隙走向角度，正北方向为0度，顺时针方向角度取正号，逆时针方向角度取负号。从该图可见，三条线裂隙走向角度有两组:北东向和北西向。这与本区的应力场分析和电阻率成像测井结果非常吻合。在图11和图14中，YC1井附近目的层的x/z振幅比较高，各向异性系数也较高，表明该井附近裂隙发育。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，在预设区域至少打一口观察井，以该观察井为中心建立一个正方形的观察区域；将观察区域按观察要求划分为多个相同的正方形，并在每个叉点处布置一个地面三分量检波器，在观察井内按指定间隔分别布置井中三分量检波器；
步骤200，以观察井为中心布设两条相互垂直的十字形激发点测线，在十字形激发点测线上按指定间隔布置激发点；
步骤300，将激发点激活，利用地面三分量检波器和井中三分量检波器对激发点激发后的数据进行采集；
步骤400，结合地质资料，以井中三分量检波器采集的地震信息为约束，获取激发点直达波数据并求取纵波速度、横波速度和静校正量，然后以求取的结果去标定对应的地面三分量检波器接收信号的反射点和转换点的地下位置；
步骤500，根据标定后地面三分量检波器采集数据的纵波和转换横波获得当前预设区域的参数，所述参数为：纵横波速度比、泊松比、纵波阻抗、横波阻抗、含气性以及孔隙度，结合相应的地质评价、测井评价、实验分析、资源评价技术，按照当地页岩气富集区评价标准，即可划定当前观察区域的页岩气富集区。
2.根据权利要求1所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
所述井中三分量检波器根据现有方式获取相应数据，具体数据包括不同深度地层的纵波速度、横波速度和静校正量，以为多波多分量数据处理提供参数。
3.根据权利要求1所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
所述观察区域的边长为5km。
4.根据权利要求1所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
所述观察井在垂直方向上按10m间隔安装井中三分量检波器。
5.根据权利要求1所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
在所述十字形激发点测线上的激发点以50m间隔设置一个。
6.根据权利要求1所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
所述激发点的激活方式为井炮或可控震源。
7.根据权利要求1所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
所述纵波速度、横波速度和静校正量的获取过程如下：
由激发点产生的横波在穿过裂缝性各向异性介质时，分裂为2个波，其中一个波平行于裂缝方向且速度快，记做快波S1；另一个波垂直于裂缝方向且慢于快波S1，记为慢波S2；快波S1和慢波S2的方向与裂缝走向对应，快波S1和慢波S1之间的时差与裂缝的密度对应，时差越大则密度越大；
在快波S1和慢波S2的时间域中，用水平分量记录快波S1和慢波S2的时间差，其中径向分量与横向分量分别表示为：
R(t)＝S1(t)cosα+S2(t)sinα (1)
T(t)＝S1(t)sinα-S2(t)cosα (2)
角度α与时间t分别反映了裂缝的走向与密度属性，通过对三分量数据进行坐标旋转，分离出快波S1和慢波S2，径向分量R逆时针旋转α角即为裂缝的方向，而裂缝密度则通过快慢波旅行时差或快慢波的振幅差异得到。
8.根据权利要求7所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
分离所述快波S1和所述慢波S2的方法为扫描法，所述扫描法以不同的方位角对所述径向分量R和所述横向分量T进行旋转来获得裂缝方位角，然后通过互相关法和能量比法来判定旋转角度的正确性。
9.根据权利要求8所述的多波多分量联合观测地震页岩气富集区预测方法，其特征在于，
利用分离后的所述快波S1和所述慢波的旅行时TPS∥、TPS⊥计算反映裂缝发育程度的各向异性系数KC，其中，KC越大，表明裂缝越发育；
KC＝(TPS⊥-TPS∥)/TPS∥ (3)。
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