0 引言

多分量地震勘探与常规纵波勘探相比增加了转换波信息，在非均质性储层预测、油气藏的精细描述中具有巨大的应用潜力^[1-2]。从20世纪70年代，人们开始利用横波地震勘探，以期获得比纵波勘探相对高的地震分辨率，但由于横波频率低、能量衰减快而未能取得预期的效果^[3]。20世纪80年代中、后期，纵波激发、纵横波联合接收的多分量地震技术在海上开始了工业化应用^[4]。经过近40年的发展，目前多分量地震采集技术已经基本成熟，建立了比较系统的叠前时间偏移成像处理流程，初步形成纵、横波联合储层描述技术体系。在岩性油气藏储层预测^[5-7]及动态监测^[8]、页岩气方位各向异性和裂缝预测^[9-11]等领域都取得了理想的应用效果。尽管如此，多分量地震勘探的发展仍面临着许多问题，其中最突出的是对转换波的应用不足，在实际生产中的作用没有得到充分体现^[12]。

在解释四川盆地秋林地区沙溪庙组地震数据过程中，精细刻画河道砂岩及其叠置关系对准确预测泥岩夹层位置、指导水平井部署起到至关重要的作用。但由于沙溪庙组砂岩与泥岩纵波阻抗差别小，采用常规的纵波勘探难以取得理想效果，给地震预测带来极大的挑战。本文通过对多分量地震资料的分析，发现转换波虽然分辨率低于纵波，但在反映岩性变化方面更具优势。通过纵、横波联合反演提升岩性预测精度，能够解决沙溪庙组叠置砂岩及泥岩夹层的预测问题，并取得了良好的应用效果。

1 研究区概况 1.1 地质概况

研究区位于四川盆地川中地区（图 1左）。沙溪庙组是一套巨厚的陆相碎屑沉积，地层厚度约1000~1500 m，河道砂体普遍相对较薄^[13]，厚约10~20 m。由该区地质综合柱状图（图 1右）可知，沙溪庙组纵向划分为沙一段和沙二段，沙一段主要为三角洲—湖泊沉积体系，沙二段为河流沉积体系。根据基准面旋回，沙二段又分为$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $、$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{2}^{2} $、$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{3}^{2} $、$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{4}^{2} $四个亚段^[14]。砂岩物性总体表现为低孔—中孔、特低渗—低渗特征，川中地区孔隙度为3%~18%，渗透率为0.05~1.00 mD^[15]。砂体规模大、非均质性强，勘探实践证实河道砂的储集条件最好，是油气聚集的有利砂体^[16]。

地震与测井综合解释表明，沙溪庙组自下而上共发育23个砂组^[17]。秋林地区目前开发的是$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $亚段8号砂组，也是本次研究的主要目标。前期勘探成果表明，河道砂岩在测井曲线上表现为“钟形”或“箱形”，低自然伽马（GR）、中—低声波速度，在地震剖面上显示“亮点”反射特征^[18]（图 2a）。从合成记录标定结果可见，W17井8号砂组的实际地震能量非常强，远大于合成记录能量（图 2b），这主要是因为合成记录模拟的是自激自收的零炮检距数据，能量相对较弱；由图 2c可见，河道砂岩的叠前地震道集表现为明显的Ⅲ类AVO特征，即振幅随炮检距的增加而增强，实际地震剖面是由近、中、远炮检距数据全叠加而成，中、远炮检距的强振幅形成了叠加后的强能量。

1.2 勘探开发面临的问题

通过“高保真、高分辨率”地震资料处理，秋林地区河道砂体“亮点”及AVO地震反射特征明显，利用振幅异常属性、AVO分析、波阻抗反演等技术预测和刻画河道取得了较大进展^[19-22]。图 3为$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $亚段8号砂组PP波数据最大振幅属性，可以看到河道的走向非常清楚。目前该地区钻井基本都是按照河道的走向部署，取得了较好的勘探效果^[23]。然而，随着勘探开发的逐步深入，地质需求也越来越高。钻井结果表明，在沙溪庙组河道内部，水平井钻遇的岩性有明显变化，这说明沙溪庙组河道砂体存在纵向多期叠置，因此精细刻画叠置河道砂体成为了实现沙溪庙组高效开发的关键^[24]。

2 多分量地震数据基础

2020年秋林地区采集了满覆盖面积为200 km²的多分量地震资料。多分量地震采用炸药震源，激发点间距为40 m，激发线距为360 m，采用DSU3数字三分量检波器，接收点距为40 m，接收线距为280 m，最小炮检距为260 m，最大炮检距为6000 m，转换波覆盖次数为50~70。地震资料处理以PP、PS波保幅处理为目标，针对PS波信噪比低的难点，采用分区、分域、分步保真保幅噪声衰减技术，有效提高了PS波资料信噪比，为多分量地震联合解释奠定了较好基础。

图 4为W16井井震标定结果，PP、PS波实际地震与合成记录吻合度很高，目的层段沙溪庙组PP波主频约为35 Hz，PS波主频约为18 Hz。

3 多分量地震反演 3.1 纵、横波匹配

纵、横波匹配是多分量地震反演的基础，根据研究区地层平缓、标志层反射明显的特点，采用了纵、横波井震标定、标志层解释、基于标志层匹配的技术流程。由图 4可见，研究区$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{2}^{2} $底、$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $底、J₂s¹底在PP波和PS波剖面上都为波谷反射，同相轴横向连续且稳定，是区域内较好追踪的标志层，地震解释精度高，可以作为纵、横波匹配的依据。在层位精细解释基础上，以PP波层位为基准，将PS波层位校正至PP波时间域，从而达到PP波与PS波数据的匹配（图 5）。

3.2 岩石物理分析

岩石物理分析通过研究岩石在不同岩性、物性条件下弹性参数的变化规律，从而为储层定量地震预测提供依据。图 6展示了$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $纵波速度、横波速度、密度、纵波阻抗、横波阻抗、自然伽马测井曲线。8号砂组低伽马特征明显，纵波速度和密度相对于围岩异常特征不突出，表现为中等速度、中等密度；而横波速度异常较明显，表现为明显的高速特征。图 7为研究区内$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $密度分别与纵波速度、横波速度、纵波阻抗及横波阻抗的交会图。可以看到：砂岩与泥岩的纵波速度基本一致（图 7a）；而横波速度区分度较高，砂岩的横波速度通常高于泥岩，以2400 m/s为门限值，基本可以区分砂岩与泥岩（图 7b）；砂、泥岩纵波阻抗较重叠，因而很难区分（图 7c）；横波阻抗虽然有一定区分度，但相比于横波速度叠置范围增加，不利于精细刻画岩性（图 7d）。

3.3 地震反演

根据图 7交会分析结果可知，横波速度能够较好地区分砂、泥岩（图 7b），因此可以反演横波速度体作为岩性预测的主要依据。一般可以通过PP波叠前反演或PP-PS波联合叠前反演获得横波速度。本文对比了这两种方法的反演结果，并利用W13井进行了验证。

3.3.1 PP波叠前反演

采用基于Aki-Richards近似公式的叠前同时反演方法，对PP波不同角度的部分叠加体进行反演，从而获得纵波速度、横波速度、纵横波速度比、弹性模量等参数。

根据Aki-Richard公式，PP波反射系数为入射角的函数^[25], 有

$ {R}_{\mathrm{P}}\left(\theta \right)\approx \frac{1+\mathrm{t}\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{2}\theta }{2}\left(\frac{\Delta {v}_{\mathrm{p}}}{{v}_{\mathrm{p}}}+\frac{\Delta \rho }{\rho }\right)-4{\gamma }^{2}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{2}\theta \left(\frac{\Delta {v}_{\mathrm{s}}}{{v}_{\mathrm{s}}}+\frac{\Delta \rho }{\rho }\right)+\left(2{\gamma }^{2}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{2}\theta -\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{2}\theta }{2}\right)\frac{\Delta \rho }{\rho } $

(1)

式中：$ \theta $为纵波入射角；$ {v}_{\mathrm{p}} $、$ {v}_{\mathrm{s}} $、$ \rho $分别为界面上、下纵波平均速度、横波平均速度、介质平均密度；$ \Delta {v}_{\mathrm{p}} $、$ \Delta {v}_{\mathrm{s}} $、$ \Delta \rho $分别为界面上、下纵波速度差、横波速度差、密度差；$ \gamma $为横波与纵波速度比。

高质量的叠前道集数据是保证反演效果的重要基础，尤其是道集的保幅性。图 8表明，8号砂组地震道集（图中红线）Ⅲ类AVO曲线特征与正演结果吻合较好，说明道集质量满足叠前反演需求。

PP波叠前反演采用的技术流程为：

（1）基于叠前道集覆盖次数和反演稳定性两个方面考虑，采用5°~15°、15°~25°、25°~35°三个角度叠加数据体作为输入进行弹性反演；

（2）分别提取3个部分叠加体的地震子波；

（3）根据测井资料及地震层位建立$ {v}_{\mathrm{p}} $、$ {v}_{\mathrm{s}} $、$ \rho $的低频模型；

（4）利用式（1）进行组合反演，得到$ {v}_{\mathrm{p}} $、$ {v}_{\mathrm{s}} $、$ \rho $的反演结果。

3.3.2 PP-PS波联合叠前反演

PP-PS波联合反演引入了实测的转换波地震数据，相对于常规地震反演提高了反演结果的稳定性和可靠性。根据Aki-Richards公式，PS波反射系数可表示为^[26]

$ {R}_{\mathrm{P}\mathrm{S}}\left(\theta , \phi \right)\approx \frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi }{2\gamma }\left(4\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{2}\phi \frac{\Delta }{\rho }4\gamma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi \right)\left(\frac{\Delta {v}_{\mathrm{s}}}{{v}_{\mathrm{s}}}+\frac{\Delta \rho }{\rho }\right)-\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi }{2\gamma }\left(1+2\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{2}\phi \frac{\Delta }{\rho }2\gamma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi \right)\frac{\Delta \rho }{\rho } $

(2)

式中$ \phi $为转换波反射角。

PP-PS波联合叠前反演的技术流程为：

（1）由于PS波低角度数据信噪比较低，分别对10°~27°、27°~44°、44°~60°的叠前数据进行叠加；

（2）将PS波部分叠加数据校正至PP时间域，采用的方法与PS波叠后资料校正方法相同；

（3）通过井震标定，分别提取3个PS波部分叠加体在PP波时间域的地震子波；

（4）根据测井资料及地震解释层位建立$ {v}_{\mathrm{p}} $、$ {v}_{\mathrm{s}} $、$ \rho $的低频模型；

（5）输入PP、PS波部分叠加数据体及各叠加体的子波进行组合反演，得到$ {v}_{\mathrm{p}} $、$ {v}_{\mathrm{s}} $、$ \rho $的反演结果。

3.3.3 反演结果对比

图 9为过W13井PP、PP-PS波联合叠前反演横波速度剖面。由图可见，W13井在$ {\mathrm{J}}_{2}{\mathrm{s}}_{1}^{2} $钻遇四套砂体，由浅至深分别为8、7-2、7-1和6号，在测井曲线上这四套砂体具有明显的低GR特征。反演结果表明，尽管PP波叠前道集的保幅性及AVO特征较理想，但由于PP波叠前反演只利用纵波的AVO信息，且附加一定的近似和假设，因此反演的横波速度横向连续性很差, 其中8号砂体反演结果与钻井不吻合（图 9左）；而PP-PS波联合叠前反演增加了约束条件，提高了反演结果的稳定性，反演的横波速度横向连续性好，四套砂体的预测结果与钻井吻合率都很高（图 9右），说明PP-PS波联合叠前反演预测精度明显优于PP波叠前反演。

4 纵、横波联合分析

图 10为过W17-H井的PP波、PS波剖面及PP-PS波联合反演横波速度剖面，从伽马曲线（图中紫色线）可知，该井水平段前端以低伽马值为主，表明钻遇砂岩储层，而后端伽马值明显升高，说明泥质含量增加。在PP波剖面上，W17-H井地震响应始终为强振幅的“亮点”特征，水平段横向变化不大，没有反映出岩性变化（图 10a）。而在PS波剖面上，W17-H井地震响应为叠置的波组特征，沿着钻井水平段地震波形存在明显变化，在水平段前端低伽马值位置，井轨迹（图中黑色线）处于波峰内；在水平段后端较高伽马值位置，井轨迹处于波谷内，地震响应与伽马曲线具有很好的对应关系（图 10b）。横波速度反演剖面显示该井水平段前端处于横波速度高值区域，说明以砂岩为主，后端井轨迹处于砂岩边界，地层泥质含量增加导致伽马值升高（图 10c）。

图 11为过W211-H井的PP波、PS波剖面及PP-PS波联合反演横波速度剖面，从伽马曲线（图中紫色线）可见，该井水平段前端伽马值较高，判断岩性为泥岩，中部及后端伽马值低，岩性以砂岩为主。在PP波剖面（图 11a）上，沿着W211-H井水平段地震响应没有明显变化，同为强振幅的“亮点”特征。而在PS波剖面（图 11b）上，W211-H井前端泥岩段明显为弱振幅，中部及后端砂岩段为强振幅。横波速度反演结果（图 11c）表明该井钻遇的是两套叠置砂体中范围较小的砂体，在水平段前端，横波速度较低，砂岩厚度薄，钻遇泥岩为主；中段横波速度高，以砂岩为主，末端横波速度低，又钻遇泥岩。

5 结论

多分量地震在提高川中地区沙溪庙组砂岩预测精度方面具有较大优势，为推动多分量地震在致密油气藏勘探与开发中的应用创造了良好条件。研究表明：

（1）相对于纵波速度，横波速度对沙溪庙组岩性有更高区分度；

（2）8号砂组河道在纵波剖面上为“亮点”特征，河道内砂体厚度及叠置关系变化引起的纵波响应变化小，而在转换波剖面上变化明显；

（3）与纵波叠前反演相比，纵、横波联合反演的横波速度精度有大幅度提升，能够准确、精细地刻画河道内部岩性变化情况；

（4）纵、横波联合反演能够很好地解释水平井钻遇的岩性变化情况，有效解决了河道内砂体叠置关系的预测问题。因此，充分利用多分量地震信息将对水平井井位部署、提高水平井砂岩钻遇成功率提供可靠的数据支撑。