一种定量检测地层裂缝走向方位角度的方法

技术领域

本发明涉及地震勘探技术领域，是一种通过对三维三分量VSP中井下三分量 检波器的两个水平分量记录的地震波场的极性变化规律进行分析，从而对地层中 裂缝走向的方位角度进行定量检测的分析方法。本发明主要应用于地震勘探领 域，为裂缝型油气藏勘探与开发提供地层裂缝走向的方位角度信息，为降低勘探 开发的风险，提高油气藏开采效率提供参考数据。

背景技术

在三维三分量VSP地震勘探数据中，当横波可控震源在井旁激发时，震源所 产生的横波在地层中传播，穿透地层到达井中的三分量检波器所在位置，并在该 点引起质点振动，该点的振动被放置于井中的三分量检波器记录下来。如果地层 中裂缝发育，可控震源所激发的横波在穿透地层传播时会发生横波分裂现象，即 横波会分裂为沿着裂缝走向偏振的快横波和垂直裂缝走向偏振的慢横波。通过分 析可控震源激发、井中三分量检波器接收的三维三分量VSP地震数据中井下三分 量检波器的水平分量的横波初至波极性变化规律，可以定量检测地层中裂缝走向 的方位角度。

现有技术手段是通过地层的地质露头进行观测、或者对钻井中提取的岩心样 本在实验室中观测、或者对测井资料进行分析来获得储层裂缝的相关信息。由于 上述方法资料采集的局限性，只能够获得地层裂缝的局部信息。

现有技术手段也可以通过宽方位角纵波地震勘探获得纵波地震传播的方位 各向异性属性来检测地层裂缝的走向方位角度信息，但是由于地震纵波对地层裂 缝的发育情况不够敏感，因此通过纵波地震方位各向异性属性分析来对储层裂缝 的发育特征只能够做到定性的或者是误差较大的半定量描述。

总之，现有的技术手段由于受到技术方法本身的限制，对地层裂缝走向的方 位角度的检测能力不能满足油田的生产需要。

发明内容

本发明通过分析三维三分量VSP地震勘探中井下三分量检波器水平分量的横 波初至的随观测方位变化而发生的极性变化规律来定量检测地层裂缝走向的方 位角度的分析方法。

当地层中发育有裂缝时，横波在地层中传播时将发生横波分裂现象，横波分 裂导致井下三分量检波器水平分量接收到的横波初至波的极性与观测方位角、裂 缝的走向方位角度有关。通过分析井下三分量检波器的水平分量所记录的地震波 场中横波初至波极性的变化规律,可以定量检测地层中裂缝走向的方位角度。

图1是当横波穿过呈平行排列的垂直裂缝介质时发生横波分裂的原理示意 图。当由横波可控震源激发的入射横波S穿过裂缝发育的地层时，发生了横波分 裂，入射横波S分解为快横波S₁和慢横波S₂，其中快横波S₁的偏振方向平行于裂 缝走向，慢横波S₂的偏振方向垂直于裂缝走向。

为了便于分析横波分裂现象，我们将三分量检波器的径向方向记录的地震波 场记为R(t)、切向分量记录的地震波场记为T(t)，三分量检波器的两个水平分量 同时记录下了快横波S₁(t)和慢横波S₂(t)在观测点引起的质点振动，三分量检波 器的两个水平分量R(t)与T(t)可以写成如下形式：

$\left(\begin{array}{c}R\left(t\right)\\ T\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ \sin \theta & -\cos \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_1\left(t\right)\\ S_2\left(t\right)\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{N}_R\left(t\right)\\ N_T\left(t\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

上式中，N_R(t)与N_T(t)分别表示三分量检波器的径向分量与横向分量记录的 环境噪声；θ是地层中裂缝走向方位角度β与三分量检波器的径向分量指向的 方位角度α的夹角，见图2中所示。

本发明的技术方案为：

一种检测地层裂缝走向方位角度的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据所欲观测的井所在的现场地形，按照如下要求设计三维三分量VSP 观测方案：从井口所在位置O点指向可控震源所在位置S点的观测方位角度取 值α∈{α_{j,j＝1,2,......,M}}，α_j∈[0,360)，α的M个取值将圆周均匀分割为M等份，根 据对观测精度的要求，M取值从集合{6、8、10、12、16、18、36}中选取一个合 适的数值；井下三分量检波器所放置的位置G与井口位置O的距离为z₀米，z₀的 取值保证井下三分量检波器的正常工作并尽量接近要观测的地层；可控震源所在 位置S与井口位置O之间的距离为x₀米，x₀的取值满足当激发可控震源时，井 中三分量检波器能够接收到较高信噪比的有效信号；设定井下三分量检波器的离 散采样间隔dt与离散采样点数N，dt与N的取值保证记录到完整的可控震源引 发的位置G处的质点振动；

(2)对于α∈{α_{j,j＝1,2,......,M}}的每一个取值α_j，将可控震源放置在与井口O距离 为x₀米方位角度为α_j处；将井下三分量检波器放置于与井口位置O的距离为z₀米的井下，并使井下三分量检波器的R分量指向的方位角度与α_j保持一致；激 发可控震源产生沿着α_j方位角度偏振的横波，并同时以井下三分量检波器记录 可控震源引发的井下三分量检波器所在位置G处的质点振动，当α取值为α＝α_j时井下三分量检波器两个水平分量R、T记录到的质点振动记为 R_j(t_k),T_j(t_k),k＝1,2,......,N；

(3)对步骤(2)中得到的所有观测方位的数据记录 {R_j(t_k),T_j(t_k)},j＝1,2,......,M,k＝1,2,......,N，编程计算直达波初至的到达时间 {P_j}，j＝1,2,......,M，

编程的具体算法为：

对于α＝α_j的每一个取值得到的井下三分量检波器的两个水平分量的数据 记录R_j(t_k),T_j(t_k),k＝1,2,......,N，扫描计算{r_k＝F_k/E_k,k＝L+1,L+2,......,N-L}中 的最大值所对应的k的取值，则得到P_j＝kdt；在公式 {r_k＝F_k/E_k,k＝L+1,L+2,......,N-L}中，的取值由可控震源激发的地震子波的延续时间t0决 定，L＝t0/dt，L＜N；

(4)根据{P_j}值，求取第1、第2，……,直到第M/2个观测方位角的T分 量上的横波初至波的邻道互相关值 $\{C_j=\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{T}_{j-1}\left(t_{k+l}\right)\times T_{j+1}\left(t_{k+l}\right),k=P_j/\mathrm{dt}\},j=2,$M.，当j=1时， $C_1=\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{T}_M\left(t_{k+l}\right)\times T_2\left(t_{k+l}\right),k=P_j/\mathrm{dt},$L的取值同上；

(5)比较{C_j}，j＝1,2,......,M/2中各个值的大小，输出其中最小值所对应的方 位角度α_j,则所观测地层中的裂缝走向的方位角度被定量地检测出来：β＝α_j；

(6)流程结束。

本发明的有益效果：利用横波在裂缝发育地层中传播时发生横波分裂现象， 导致井下三分量检波器接收到的横波初至波极性随着观测方位角度的变化而变 化，通过分析井下三分量检波器水平分量上的横波初至波极性随着观测方位角度 的变化规律，能够定量检测地层裂缝的走向方位角度。

附图说明

图1为横波穿过呈平行排列的垂直裂缝介质时发生横波分裂的示意图。

图2为三分量检波器径向分量指向的方位角度α、裂缝走向β与θ的关系图。

图3为三维三分量VSP地震观测方法示意图。

图4为α取值（M=16）及其与井下检波器水平分量指向方位关系示意图。

图5与图6分别是理论合成的三维三分量VSP观测数据的水平分量R与T图。模 型设计的裂缝方位为NE60°，地层速度100m/s，x=500m，z=500m。观测方位角 度α的取值为：NE10°,NE20°，……,NE360°。井下三分量检波器的方向采用右手 坐标系,径向分量与观测方位角度α保持一致，切向分量垂直于观测方位角度α， 位于径向分量顺时针旋转90°的方位。合成数据地震子波采用的是40Hz的零相位 雷克子波。

图7和图8是对图5和图6中的合成地震记录水平分量进行横波初至时间拾取 的结果图。

图9是图7中前半数观测方位的R分量记录上的横波初至能量大小线图，图中 能量最大点对应的观测方位为地层的裂缝走向方位角度。

具体实施方式

一种检测地层裂缝走向方位角度的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据所欲观测的井所在的现场地形，按照如下要求设计三维三分量VSP 观测方案：参考图2所示，从井口所在位置O点指向可控震源（炮点）所在位 置S点的观测方位角度取值α∈{α_{j,j＝1,2,......,M}}，α_j∈[0,360)，α的M个取值将圆 周均匀分割为M等份，根据对观测精度的要求，M取值可从集合{6、8、10、12、 16、18、36}中选取一个合适的数值；井下三分量检波器所放置的位置G与井口 位置O的距离为z₀米，z₀的取值应能够保证井下三分量检波器的正常工作并尽 量接近要观测的地层；可控震源所在位置S与井口位置O之间的距离为x₀米，x₀的取值应满足当激发可控震源时，井中三分量检波器能够接收到较高信噪比的有 效信号；设定井下三分量检波器的离散采样间隔dt与离散采样点数N，dt与N 的取值应能保证记录到完整的可控震源引发的G点处的质点振动。

(2)对于α∈{α_{j,j＝1,2,......,M}}的每一个取值α_j，将可控震源放置在与井口O距离 为x₀米方位角度为α_j处；将井下三分量检波器放置于与井口位置O的距离为z₀米的井下，并使井下三分量检波器的R分量指向的方位角度与α_j保持一致（参 考图3所示）；激发可控震源产生沿着α_j方位角度偏振的横波，并同时以井下三 分量检波器记录可控震源引发的井下三分量检波器所在位置G处的质点振动。 当α取值为α＝α_j时井下三分量检波器两个水平分量R、T记录到的质点振动记 为R_j(t_k),T_j(t_k),k＝1,2,......,N。

(3)对(2)中得到的所有观测方位的数据记录 {R_j(t_k),T_j(t_k)},j＝1,2,......,M,k＝1,2,......,N，编程计算直达波初至的到达时间 {P_j}，j＝1,2,......,M。

编程的具体算法为：

对于α＝α_j的每一个取值得到的井下三分量检波器的两个水平分量的数据 记录R_j(t_k),T_j(t_k),k＝1,2,......,N，扫描计算{r_k＝F_k/E_k,k＝L+1,L+2,......,N-L}中 的最大值所对应的k的取值，则得到P_j＝kdt；在公式 {r_k＝F_k/E_k,k＝L+1,L+2,......,N-L}中，L的取值由可控震源激发的地震子波的延续时间t0决 定，L＝t0/dt，L＜N；

(4)根据{P_j}值，求取第1、第2，……,直到第M/2个观测方位角的T分 量上的横波初至波的邻道互相关值 $\{C_j=\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{T}_{j-1}\left(t_{k+l}\right)\times T_{j+1}\left(t_{k+l}\right),k=P_j/\mathrm{dt}\},j=2,$M.，当j=1时， $C_1=\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{T}_M\left(t_{k+l}\right)\times T_2\left(t_{k+l}\right),k=P_j/\mathrm{dt},$L的取值同上；

(5)比较{C_j}，j＝1,2,......,M/2中各个值的大小，输出其中最小值所对应的方 位角度α_j,则所观测地层中的裂缝走向的方位角度可以定量地检测出来：β＝α_j；

(6)流程结束。

本发明利用横波在裂缝发育地层中传播时发生横波分裂现象，导致井下三分 量检波器接收到的横波初至波极性随着观测方位角度的变化而变化，通过分析井 下三分量检波器水平分量上的横波初至波极性随着观测方位角度的变化规律，能 够定量检测地层裂缝的走向方位角度。