CN104898162B - 地质勘探中的裂缝检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质勘探中的裂缝检测方法，其包括以下步骤：获取各采集方位中的转换波信号；基于Alford旋转法导出由假定的正交排列的四分量数据表示任意采集方位的转换波信号的两个分量数据解析表达，其中正交排列的方位角度为任意假定的角度；基于该解析表达将各采集方位的两分量数据与假设的正交排列方位上的四分量信号进行关联，从而计算得到正交排列方位上的四分量数据；基于计算得到的正交排列方位上的四分量数据而得到裂缝方位角，从而检测得到裂缝发生的方位和时差。本发明的方法打破了传统四分量Alford旋转横波***算法的正交排列的限制，实现了非正交的多分量Alford旋转横波***算法。

Description

地质勘探中的裂缝检测方法

技术领域

本发明涉及地质勘探和油气田开发，更进一步地说，涉及地质勘探中的裂缝检测方法。

背景技术

当前的多分量地震勘探技术主要是纵波震源激发、三分量或四分量检波器接收。纵波下行遇到反射界面后在一定条件下会发生波模式转换，纵波转换为横波称为转换波（PS）。转换的上行横波在碰到裂缝介质时会发生横波***现象，这一现象会被检波器记录下来，其在探测裂缝型油气藏时会起到重要的作用。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。但是，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。

而横波进入裂隙后会***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***中，沿测线方向埋置的检波器得到的分量称之为X分量，沿垂直测线方向埋置的检波器得到的分量称之为Y分量。由X、Y分量确定的采集***坐标与“自然坐标”（由S1波和S2波定义的裂缝***）之间存在一个未知角度θ。

为了有效地探测裂缝型油气藏及其裂缝主方位和裂缝发育程度，可利用横波***这一波动现象来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。寻求快横波和慢横波之间的时差可判断裂缝的发育程度。目前已经存在多种利用横波***现象检测裂缝的方法了，根据涉及的分量数量基本可分为两分量方法和四分量方法。其中，比较有影响的是：1986年Alford提出的基于纯横波勘探的四分量旋转方法，其通常称为Alford旋转方法；1988年Thomsen提出的两分量旋转方法；以及，Harrison于1992年基于波形相似性假设提出了两分量的旋转方法。两分量方法理论上更适合转换波勘探，因为转换波无法像Alford那样构建四分量的数据矩阵。然而，相比而言，四分量方法更为稳定。JamesE.Gaiser1997年给出了基于转换波四分量数据的Alford旋转方法，他的方法在工业界广泛被接受。这一方法利用两个方位相互正交采集的转换波资料来构建四分量的数据矩阵，用来近似纯横波勘探得到的四分量数据。

如上所述，转换波正交排列的四分量Alford旋转方法受到了两个采集排列必须正交的限制。因此，在实际的资料采集中大量的数据事实上为非正交的，它们或者不存在严格正交的两个采集方位，又或者满足正交条件的数据相对要少很多。而且，也不存在与之正交的排列，因此，在裂缝检测时只能避开这些数据。而在裂缝检测时用到的数据量较少必然会影响结果的正确性。因此，为了充分的利用采集到的多分量数据，就要打破正交的限制。

为此，需要提供一种不需要所采集的分量数据都满足正交特性就可以根据Alford旋转法确定裂缝方位角从而检测裂缝发生位置的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种地质勘探中的裂缝检测方法，其包括以下步骤：

获取各采集方位中的转换波信号；

基于Alford旋转法导出由假定的正交排列的四分量数据表示任意采集方位的所述转换波信号的两个分量数据解析表达，其中正交排列的方位角度为任意假定的角度；

基于所述解析表达将各采集方位的两分量数据与假设的正交排列方位上的四分量信号联系起来，从而求得正交排列方位上的四分量数据；

基于计算得到的正交排列方位上的四分量数据得到裂缝方位角，从而检测得到裂缝发生的方位和时差。

根据本发明的一个实施例，假设两个正交排列的方位角度为0度和90度，则任意采集方位的两个分量数据与正交排列的四分量数据之间的解析表达式为：

其中，分别表示第i个采集方位上的两分量数据，a1、a2、a3、a4分别表示0度、90度方位正交排列上的四分量数据，θ_i表示第i个采集方位与0度方位之间的夹角。得到该公式所选用的0度角度对本发明不起限制作用。

在一个实施例中，根据以下解析表达来求得N个任意采集方位上的两分量数据与正交排列的四分量数据的关系：

其中，a1、a2、a3、a4分别表示正交排列方位的四分量数据， 分别表示N个任意采集方位上的两分量数据,θ₁……θ_N分别表示采集方位的方位角。

在本发明的一个实施例中，根据正交排列方位上的四分量数据a1、a2、a3、a4与裂缝引起的横波***的快横波分量数据f₁₁、f₁₂和慢横波分量数据f₂₁、f₂₂之间的旋转关系，基于理论模型的横波***假设来计算裂缝方位角θ：

在横波***假设中，假设快横波的横向分量f₁₂和慢横波的横向分量f₂₁为零，或者假设快横波和慢横波的横向分量之和为零：

f₁₂+f₂₁＝0。

在本发明的一个实施例中，裂缝检测方法还包括进一步根据角度和时移扫描来计算裂缝发育方位和快慢横波的***时差。

在本发明的一个实施例中，根据能量差异最大来确定出裂缝方位，然后利用旋转矩阵将横波***方位的四分量数据旋转到裂缝方位上，从而基于快横波和慢横波之间的互相关的关系来确定***时差。

在本发明的一个实施例中，所述转换波信号包括正交排列的分量数据和非正交排列的分量数据。

本发明带来了以下有益效果：

本发明可实现非正交的Alford旋转，其可以充分利用采集到的数据来更准确地确定裂缝方位和快慢波时差，并基于合理的假设如理论模型的横波***理论假设来给出裂缝方位角的解析表达式。本发明的方法打破了传统四分量Alford旋转横波***算法的正交排列的限制，实现了非正交的多分量Alford旋转横波***算法。对于任意夹角的采集排列数据都能实现横波***的裂缝角度计算。此外，还提供了角度旋转扫描的裂缝方位角度计算方法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1显示了Alford坐标旋转示意图；

图2是本发明的一个实施例的方法流程图；

图3是实施本发明前的输入分量数据的图片；及

图4是实施本发明进行快慢波时差校正后的输出分量数据的图片。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

横波***检测裂缝中的经典方法Alford旋转理论是基于纯横波勘探提出的。它要求正交排列的横波激发及横波接收。后来，J.E.Gaiser等人将其扩展到转换波勘探中，同样是要求两个正交的排列。

如图1所示，两条虚线分别代表两个不同方位的转换波采集排列，它们呈正交关系。根据Alford理论任意两个正交排列采集得到四个分量与在平行裂缝和垂直裂缝方位上采集得到的四个分量满足Alford旋转公式，如公式（1）：

其中方程左边的矩阵代表任意正交排列采集得到的四分量数据，右边代表在裂缝方位上采集得到的四分量数据，其经过炮点及检波点的旋转矩阵旋转后就能够得到左边任意正交方位上的四个分量。因此，假设平行裂缝方位和垂直裂缝方位采集得到四个分量可由a1、a2、a3、a4来表示，如公式（2）右边中间的矩阵。θ_i代表要寻找的裂缝方位与采集方位的夹角，如图1所示的θ1。而公式（2）左边的矩阵则代表实际正交排列采集得到四个分量。

由于裂缝的方位本身是未知的，虽然采集的方位角是已知的，我们也无法知道采集方位与裂缝方位的夹角。因此，在此情况下无法构建公式（2）中与角度相关的旋转矩阵。根据公式（2），我们可得到由任意正交排列的四分量所表示的快慢波的四个分量，首先由（2）式变形而得到（3）式：

此时θ_i为第i个采集方位与裂缝方位的夹角，假设第i+1个采集方位与裂缝方位夹角为θ_i+Δθ，则可由第ｉ个方位的四分量表示第ｉ＋1个方位的四分量式可得到如下关系：

将其进一步变形可得到如下关系式；

在关系式（5）中只存在已知的两个采集方位的方位角夹角，而消除了未知的裂缝方位角的因素。因此，在裂缝方位未知的情况下，任意两组正交排列的分量可以相互表示。在一个实施例中，可任意指定一组正交排列。用这组正交排列的四个分量来表示其他正交排列的四个分量。比如可指定0度和90度构成的正交排列。本发明不限于此角度。在该例子中，取“0度”仅仅是为了说明的方便，并且表达式也可以进一步简化（因为θ-0就等于θ），从而不模糊本发明的原理和主旨。

当假设了0度角后，夹角任意正交排列的方位角度即为其夹角θ。因此，当公式（2）右边的数据矩阵为0度与90度的数据时，我们取左边矩阵的第一行的两个分量，根据公式（2）便可以得到公式（6）和公式（7）。

至此，便得到了由0度和90方位的四个分量如何得到任意一个方位的两个分量的表达式。此时，假如又采集到N个方位的两分量数据，而这些数据并不一定要满足正交排列的要求。根据公式（6）和公式（7），便可得到公式（8）这样的表达式：

其中，方程式左边的2N个量代表已知的采集到的N个方位的两个分量。右边为2NX4的矩阵代表采集方位与裂缝方位夹角相关的计算矩阵，这里表示方位角与0度方位角的夹角。

依照公式（8）便可在横波***检测裂缝时不再局限于Alford旋转所要求的正交排列了，非正交的排列同样能计算横波***问题。

根据采集得到的方位两分量数据，构建如式（8）这样的方程组。解方程组可得到a1、a2、a3、a4。令由裂缝引起的横波***的快横波的两个分量为f₁₁和f₁₂，慢横波的两个分量为f₂₁和f₂₂，则可得：

进一步，可导出，

a₂+a₃＝(f₁₁-f₂₂)sin2θ+(f₁₂+f₂₁)cos2θ （10）

a₁-a₄＝(f₁₁-f₂₂)cos2θ-(f₁₂+f₂₁)sin2θ （11）

又根据波动理论，在横波***情况下，波场分为平行裂缝传播和垂直裂缝传播。因此，快波的横向分量和慢波的横向分量理论上应该是没有的。在实际情况下往往并非如此，但也可根据理论给出如下假设，

f₁₂+f₂₁＝0 （12）

由此可得，

也可以根据角度和时移扫描来计算裂缝发育方位和快慢波***时差。在指定时移量范围和角度旋转范围情况下，根据波动理论，旋转后的主要能量集中在快波及慢波上，也就是主对角线成分上。因此，可给出判别准则为主对角线元素的能量最大，或者次对角线元素的能量最小，根据一般的假设快波能量大于慢波能量，具体为：

f₁₁ ²＞f₂₂ ² （14）

ΔE＝f₁₁ ²+f₂₂ ²-f₁₂ ²-f₂₁ ² （15）

当时差及角度满足不等式和能量差为最大时，对应的角度和时移量就是裂缝方位和快慢波的时差。

当然也可以不假设快波能量大于慢波能量。此时，可先根据能量差异最大即公式（15），确定一个裂缝方位。然后，利用旋转矩阵将数据旋转到裂缝方位上。此时，对角线元素必然有一个是快波另一个为慢波。这里，可通过互相关来确定哪一个是快波及快慢波的时差。当f₂₂为快波时之前确定的裂缝方位角度有一个90度的校正，f₁₁为快波则没有裂缝方位角校正问题。

上述原理可以通过计算机等装置来实现。如图2所示，为本发明方法的流程图。

首先，在步骤S201中，获取各采集方位中的转换波信号。

在步骤S202中，基于Alford旋转法导出由假定的正交排列的四分量数据表示任意采集方位的所述转换波信号的两分量数据的解析表达，其中正交排列的方位角度为任意假定的角度。假设两个正交排列的方位角度为0度和90度，则任意采集方位的两个分量数据与正交排列的四分量数据之间的解析表达式为上述的公式（6）和公式（7）。在该公式中，分别表示第i个采集方位上的两分量数据，a1、a2、a3、a4分别表示0度、90度方位正交排列上的四分量数据，θ_i表示第i个采集方位与0度方位之间的夹角。

在步骤S203中，基于上述解析表达将各采集方位的两分量数据与假设的正交排列方位上的四分量信号进行关联，从而求得正交排列方位上的四分量数据。该四分量数据计算公式如公式（8）。

在步骤S204中，基于计算得到的正交排列方位上的四分量数据得到裂缝方位角，从而检测得到裂缝发生的方位和时差。

具体而言，根据正交排列方位上的四分量数据a1、a2、a3、a4与裂缝引起的横波***的快横波分量数据f₁₁、f₁₂和慢横波分量数据f₂₁、f₂₂之间的旋转关系，基于理论模型的横波***假设来通过以上的公式（13）计算裂缝方位角θ：

在横波***假设中，假设快横波的横向分量f₁₂和慢横波的横向分量f₂₁为零，或者假设快横波和慢横波的横向分量之和为零，即上述公式（12）：

f₁₂+f₂₁＝0。

首先，本发明打破了正交排列的限制，实现了非正交的Alford旋转方法。其次，在采集到的所有方位数据的约束下计算出四个分量的值，如公式（8）所示。最后，在这四个分量上计算裂缝主方位和快慢波时移量。此时，可按照旋转的方法来计算裂缝方位，同时本发明也给出了解析的裂缝方位计算公式。

由于裂缝检测包括检测裂缝的时差和方位，而本发明主要强调在裂缝检测上突破了原有ALFORD方法的正交的前提条件，因此实现了非正交排列ALFORD的裂缝检测方法。而对于时差校正，通常可采用扫描和相关来求时差。经过时差校正之后也确实可以得到更好的地震剖面。本领域的普通技术人员可在本发明的原理之上进行多种变形，如采用各种现有技术中公开的任何一种时差校正均能不同程度地实现本发明的目的。因此本发明的范围有权利要求书相关内容进行限定。

在实验中，设计了一个四层的理论模型。其中，表1给出了模型层的深度、裂缝发育方位以及快慢波的时差。

表1

层位	T0(毫秒)	裂缝方位(度)	时延（毫秒）
				1	90	30	15
2	150	95	10
				3	250	280	12
4	310	170	8

基于这一理论模型，采用本发明可以很好地计算出每一层的裂缝方位以及快慢波时差。从附图上能看出作为输入的理论记录由于快慢波混合在一起而导致了成像效果很差，使得R分量上有明显的正弦波现象。经过本发明计算出裂缝发育主方位以及快慢波时差后，对输入的R、T分量进行了校正，校正后的R分量成像品质明显提高。此外，同相轴上也不再存在时延，T分量呈现90度的极性反转现象，准确地指示了裂缝的发育方位。

图3和4中给出了作为输入的R、T分量数据的图片。由于在横波***校正前，快慢横波同时存在于R、T分量上，而快慢波本身存在时差，因此叠加后便出现了R分量上的正弦现象。

在计算得出每一层裂缝的方位及快慢波的时差后，对输入数据进行校正。在旋转到快慢波后，校正快慢波的时差，将慢波校正到与快波时间一致后重新旋转到R、T分量上，这便是输出的R、T分量。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种地质勘探中的裂缝检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取各采集方位中的转换波信号；

基于Alford旋转法导出由假设的正交排列方位的四分量数据表示任意采集方位的所述转换波信号的两分量数据的解析表达，其中正交排列的方位角度为任意假设的角度；

基于所述解析表达将各采集方位的两分量数据与假设的正交排列方位上的四分量信号进行关联，从而求得正交排列方位上的四分量数据；

基于计算得到的正交排列方位上的四分量数据得到裂缝方位角，从而检测得到裂缝发育的方位和时差。

2.如权利要求1所述的裂缝检测方法，其特征在于，

假设两个正交排列的方位角度为0度和90度，则任意采集方位的两分量数据与正交排列方位的四分量数据之间的解析表达式为：

其中，分别表示第i个采集方位上的两分量数据，a₁、a₂、a₃、a₄分别表示0度、90度方位正交排列上的四分量数据，θ_i表示第i个采集方位与0度方位之间的夹角。

3.如权利要求2所述的裂缝检测方法，其特征在于，根据以下解析表达来求得N个任意采集方位上的两分量数据与正交排列方位的四分量数据的关系：

其中，a₁、a₂、a₃、a₄分别表示正交排列方位的四分量数据， 分别表示N个任意采集方位上的两分量数据,θ₁……θ_N分别表示采集方位的方位角。

4.如权利要求3所述的裂缝检测方法，其特征在于，根据正交排列方位上的四分量数据a₁、a₂、a₃、a₄与裂缝引起的横波***的快横波分量数据f₁₁、f₁₂和慢横波分量数据f₂₁、f₂₂之间的旋转关系，基于理论模型的横波***假设来计算裂缝方位角θ：

在横波***假设中，假设快横波的横向分量f₁₂和慢横波的横向分量f₂₁为零，或者假设快横波和慢横波的横向分量之和为零：

f₁₂+f₂₁＝0。

5.如权利要求4所述的裂缝检测方法，其特征在于，还包括进一步根据角度和时移扫描来计算裂缝发育方位和快慢横波的时差。

6.如权利要求4所述的裂缝检测方法，其特征在于，根据能量差异最大来确定出裂缝方位，然后利用旋转矩阵将横波***方位的四分量数据旋转到裂缝方位上，从而基于快横波和慢横波之间的互相关的关系来确定时差。

7.如权利要求1-6中任一项所述的裂缝检测方法，其特征在于，所述转换波信号包括正交排列方位的分量数据和非正交排列方位的分量数据。