[科普中国]-多波地震勘探

多波地震勘探是采用三分量检波器采集地震波场，研究地下地层的响应，分析及反演储层岩性及含油气性的一种新地震勘探方法。多波勘探方法是当今世界正在兴起的，具有广阔前景的勘探技术。

简介地震波从本质上而言是弹性波，包括纵波和横波。因此，利用地震波了解地下介质状况的地震勘探应该是联合纵波和横波的多波勘探。尽管早在1828年左右泊松等人就已经从理论上证明了横波的存在，但由于种种原因，长期以来地震勘探一直只利用纵波进行。然而，对多波勘探的研究从未中断。近年来，随着人们认识水平的提高、勘探难度的加大和技术水平及装备的发展，多波地震勘探越来越受到重视，已经初步开始了实际应用。与三维勘探取代二维勘探一样，多波(多分量)勘探也将会逐渐取代单纯的纵波勘探。未来的地震勘探必将是多维多分量的勘探。

简史多波(多分量)地震勘探的发展大约经历了3个阶段。20世纪30年代，前苏联首先进行了横波勘探的研究和实践。美国也相继开展了相应的研究工作。其主要目的是试图利用横波传播速度低的特点，取得比纵波更高的分辨率。在研究过程中遇到了很大的困难，同时发现因为横波频率较低其分辨率的提高是有限的。因此，此时的横波勘探无法真正用于生产。但是，这时期的研究工作为后来的多波地震勘探打下了良好的基础。世界上第一本多波地震勘探专著“地震反射转换波”是这一时期由前苏联学者出版的；世界上第一个横波勘探专利也是这一时期由美国学者Ricker申请获得的。以后相当长一段时间内横波勘探处于徘徊不前的状态，直到20世纪70年代末才有所改观，这主要得益于20世纪六七十年代纵波勘探的几项技术突破：多次覆盖、可控震源和数字地震技术等；同时在此期间也发明了实用的横波震源。此时，美国大陆石油公司在许多地区进行了横波勘探试验，其成果引起了广泛的注意，从而在20世纪80年代初形成了纵波与横波联合勘探(即多波勘探)的热潮。美国、法国和前西德等国的一些公司(如Amoco公司、CGG公司和Prakla—Seismos公司等)以及我国前石油部和前地矿部的一些下属单位都发展了自己的多波联合勘探技术，作了许多试验，取得了一定的成功。在此期间，前苏联人研究的多分量垂直地震剖面(VSP)技术也对多波勘探的发展有很大的促进作用。三分量VSP的成果不仅证实地下确有横波和转换波，而且能为多波勘探的野外采集、资料处理和解释提供重要的参数。从此，多波地震勘探开始进入了试验生产阶段，这一阶段利用多波的主要目的是要解决岩性油气藏的勘探开发问题。例如联合应用纵横波资料获取地下岩性参数、预测岩性和识别真假亮点等。这一时期的工作虽然取得了若干成功，但也存在不少问题，主要是多波勘探的花费要比纵波勘探高很多，而人们对多波资料的采集、处理和解释中的许多困难还没有很好的解决办法。因此，20世纪80年代初开展的多波勘探并未能得到广泛的推广应用，特别是AVO等利用纵波资料解决岩性勘探开发问题的一些方法出现后，多波地震工作又趋于沉寂，因为这些方法解决岩性问题的精度虽然没有多波地震的高，但其花费要少得多。

在横波资料的解释中，人们发现不同方向横波测线资料的交点闭合差过大，其原因在于地层中的各向异性不能忽略，而横波对各向异性比较敏感，这也是多波勘探未能得到广泛推广应用的原因之一。Crampin等人研究发现，除岩石的层状结构可造成各向异性外，地下岩石中广泛存在的定向排列垂直裂隙也会产生各向异性。这种裂隙体系与油气的运移和储集有密切关系。因此，横波对各向异性的敏感不再是多波勘探发展的一种障碍，而是成为对油气勘探和油气田开发有重要价值和不可取代的新信息。故进入20世纪90年代以来，又一次掀起了多波勘探研究的热潮。当然，由于各向异性的复杂性，涉及的参数很多，在资料采集、处理和解释等方面都需要有新的突破，其难度是相当大的。目前虽然有关各向异性多波勘探的研究工作有很大发展，取得了一定的效果，但仍然属于前瞻性的、先导性的工作，还没有完全在实际工作中得到广泛应用。与解决分辨率和岩性问题不同，单纯利用纵波难以解决各向异性问题，故在这方面的研究力度并没有减弱，相信将来此项工作定会有所突破。

正当陆上多波勘探处于停顿不前的境况时，海上多波勘探取得了飞速发展。海上多波勘探的困难主要在资料采集方面。20世纪90年代以来，海底多分量电缆(OBC)的出现使海上多波勘探发生了革命性的变化。OBC采集工作效率高；海底低速带较陆上简单，海上多波资料的记录面貌较陆上多波资料好；而且海上油气田的勘探和开发存在着许多用纵波勘探难以解决的问题(如硬海底、浅层气和气柱等)，这些都促进了海上多波勘探的发展，使之成为多波勘探的一大亮点。以挪威Statoil研究中心与Geco—Prakla公司合作于1993—1994年间在北海的工作为代表，由于深部热流作用形成的热流体与极为发育的浅层气的共同作用，在北海油田许多储气构造的关键部位上，往往出现纵波地震的模糊带，难以准确地确定井位，成为一大难题。他们利用自己发展的Sumic(海底地震)技术采集了海底多分量地震数据，经处理后的横波剖面上由于盐丘顶部断裂形成的气体通道使纵波剖面面貌复杂、同相轴畸变的现象完全消失，正确地解释了储层，确定了井位，获得了非常好的经济效益。此后，西方许多国家(如美国、挪威、法国和英国等)的研究机构、大学与地球物理公司(如PGS、Geco—Prakla、CGG和Western地球物理公司等)合作在世界各地(如北海、墨西哥湾、阿拉伯湾、中国南海等)开展了大量海上多波地震的研究和实际生产工作，取得了良好效果。可以说，目前海上多波地震又掀起了多波地震勘探发展的一个小高潮。多波勘探的发展虽然几经周折，比较缓慢，但多年来对它的研究一直没有停止，其原因当然是多波勘探存在纵波勘探无可比拟的优点。多波勘探采集、处理和解释中存在的问题只是暂时的，随着人们认识水平的提高和技术水平及装备的发展，这些困难肯定会得到很好的解决，多波勘探必将会取代常规的纵波勘探。

用途根据国内外多年研究工作的结果可知，多波地震勘探可以在如下几个方面发挥作用。

1)利用横波获得分辨率较高的地震资料，识别小断层、小构造、尖灭及薄层等细小的地质现象。

在同一介质中横波的运行速度比纵波的低，由于波的分辨率由波长决定，频率厂相同的波运行速度越低则分辨率越高，由此可以期望横波能提高分辨率；但是，横波的吸收衰减强于纵波，吸收衰减主要在高频成份的衰减上，故横波的频率成份低于纵波。由于频率成份低部分抵消了速度低的优势，横波分辨率的提高是有限的。当然，从总的结果看，特别是从实际资料看，横波的分辨率还是比纵波要高一些。前苏联和我国的科研人员都用横波分辨出了纵波未能分辨的小断层和剖面细节，这说明横波的波长比纵波的要小，利用横波可以获得分辨率较高的地震资料。但对此问题不能报以过高期望。

2)在纵波勘探得不到好资料的某些地区获得好的成像结果，查清地下构造。

在某些地区，由于种种原因纵波勘探难以得到好的记录。例如在高速碳酸盐岩、火成岩和硬石膏等出露的地区及硬海底地区，纵波记录信噪比极低，这主要是高速层中的多次反射、声波等高速高频干扰难以消除，无法获得好的成像结果；由于横波速度低，到达时晚，常可以躲开强烈的多次反射等高速高频干扰带，得到较好的成像结果，有利于查清构造。又如在浅层气发育或储层位于气柱之下的地区，由于纵波通过浅层气或气柱时性质变化较大，使纵波剖面上浅层及浅层之下的储层产生畸变和散焦等一系列失真现象，严重影响对感兴趣的含油气构造的解释。而因横波不受气存在的影响，万方数据 同一地点的横波剖面上就没有这些失真现象，可以获得较好的成像结果，有利于查清这些构造。

3)利用纵、横波振幅信息直接寻找油气藏。

纵、横波振幅值与界面反射系数密切相关。在纵波真振幅恢复剖面上，岩石孔隙中是否含有油气或油气含量的多少可以通过振幅异常反映出来，这是因为纵波速度对孔隙中的油气(特别是气)十分敏感，界面纵波反射系数发生变化，形成亮点(强振幅异常)或暗点(弱振幅异常)。但是，某些非油气因素也会引起纵波反射系数发生变化出现亮点，这便是所谓的假亮点。横波速度和反射系数不受孔隙中油气的影响，不会因含油气而出现振幅异常(亮点)，故综合利用纵、横波振幅信息就可以识别真假亮点，直接寻找油气藏。

4)获得较多的岩性参数，有利于研究岩性变化，发现岩性油气藏。

许多研究表明，地层的纵横波速度比与岩性有关，利用多波勘探资料可以方便求取纵、横波速度，进而得到纵横波速度比。泊松比口是表征岩石物理性质的一个重要参数，可以通过纵横波速度比求出。有了这些参数，有利于我们研究岩性变化，预测岩性，发现岩性油气藏。

5)利用多波资料研究介质的方位各向异性，探测裂隙。

实际介质中往往存在方位各向异性。裂隙介质是一种典型的方位各向异性介质。碳酸盐岩或泥岩地层中的油气往往与裂隙有关。一般来说，纵波对各向异性的反映不明显，而横波则对各向异性相当敏感。当横波进入各向异性介质时会发生分裂现象。因此，利用多波资料中的横波分裂现象可以研究介质的方位各向异性问题，探测裂隙型油气藏。当然，由于各向异性问题比较复杂，目前的一些方法、技术还难以在实际工作中得到广泛应用。但这是多波地震勘探一个最重要的发展方向，必将在未来发挥重要作用。

发展趋势根据多波地震勘探方法的潜力和发展现状，可以预测未来多波勘探的发展方向。

1)多波(多分量)地震技术的发展在很大程度上还依赖于纵波资料采集、处理和解释方法的发展。例如，超多道采集系统的出现可以同时提高纵波勘探的信噪比和分辨率，也可以用于多波地震勘探，对多波勘探的发展有很大的促进作用，起码使纵波和转换波联合勘探的采集工作摆脱了难以同时照顾纵波和转换波的困境。又如，目前纵波叠前深度偏移方法的不完善(使用厚层速度模型，以克希霍夫积分法为主等)不但影响多波叠前深度偏移结果的改善，也影响到其他一些关键问题(如层位对比问题)的解决。纵波勘探方法肯定会不断地发展。因此，多波地震技术必然会不断地进步。

2)在多波地震资料的处理中，深度域的处理是关键。多波资料联合速度反演加多波资料联合叠万方数据 前深度偏移，可望解决多波资料处理的根本问题。目前大多数常规多波资料处理方法还只是简单的拼凑方法，还没有实现真正的联合资料处理。只有深度域处理才是真正的多波资料联合处理。从表面上看，多波资料速度反演和叠前深度偏移的迭代过程中，影响迭代的因素增加了，情况更复杂，更难得到解。但实际上由于增加了新的信息源(横波)，因而对解的约束也就增加了，结果应该更为稳定，更容易得到解。核心是如何使用新的信息。例如，在常规多波资料处理中，因纵、横波速度不同，到达时不同，时间域处理很难将二者统一起来，但深度域中二者有一个共同之处，即深度一致。因此，时间域中到达时不一致的难题在深度域中成了有利条件。利用“不同类型地震波处理后具有相同结果”这一条作为约束条件或判别迭代是否收敛的准则可以得到更稳定的解。

3)方位各向异性问题的利用是多波地震勘探方法中最有发展前途的内容。由于单纯利用纵波难以解决方位各向异性问题，因此它必然成为多波地震勘探的重点。当然，方位各向异性问题的解决难度相当大，无论是在资料处理中考虑方位各向异性的影响，还是利用横波对方位各向异性的敏感进行裂隙预测都不简单，这里可能还存在着一个求解必须事先知道解的“怪圈”：如果在处理中能完美地考虑方位各向异性问题，就能得到好的结果剖面和精确的方位各向异性参数，进行裂隙预测就是一件十分容易的事；但是，这样做必须事先对方位各向异性问题了解得很清楚，如果事先不了解介质方位各向异性的情况，就无法在处理中考虑方位各向异性问题，就得不到好的结果剖面和精确的方位各向异性参数，预测难度大大增加。

4)超多道地震采集技术和大容量信息储存技术是多波地震勘探发展的基础。这2个问题解决了，不管多分量地震资料处理和解释技术发展得还多么不完善，纵波和转换波联合勘探也必将代替单纯纵波勘探成为常规勘探方法。毕竟，只需增加少量的费用就可以得到丰富的信息，使用这些信息有可能解决以往无法解决的问题，何乐而不为呢1?

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所