橫波分裂的影響因素及可識(shí)別條件研究

橫波分裂的影響因素及可識(shí)別條件研究

各向異性現(xiàn)象普遍存在，高波比縱波更敏感，尤其是在裂縫儲(chǔ)層。因此，近年來(lái)的水平波勘探方法被認(rèn)為是一種有效的油氣藏勘探方法。橫波分裂現(xiàn)象可以攜帶很多裂縫信息,所以人們對(duì)裂縫介質(zhì)中的橫波分裂做了很多物理模擬和數(shù)值模擬工作。董敏煜等用有限差分法模擬了彈性波在EDA介質(zhì)中的傳播,獲得了反射波、透射波及繞射波等波型的VSP剖面,揭示了橫波雙折射現(xiàn)象;甘文權(quán)等用高階有限差分法對(duì)含裂隙介質(zhì)中橫波分裂現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出橫波分裂現(xiàn)象與裂縫走向方位角有直接關(guān)系,快橫波比慢橫波衰減慢的結(jié)論;吳松翰等通過(guò)EDA物理模型獲得了快慢橫波記錄,計(jì)算出快慢橫波的走時(shí)時(shí)差;裴正林用交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法對(duì)層狀各向異性介質(zhì)中橫波分裂和再分裂進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了快橫波的多值性和波面三分叉現(xiàn)象;郭桂紅等用偽譜法模擬了EDA介質(zhì)中橫波分裂的地面三分量記錄,研究了由于裂縫方位和密度引起的橫波分裂等。對(duì)于實(shí)際勘探工作者來(lái)講,最想了解的是橫波分裂產(chǎn)生的機(jī)理是什么;究竟在何種條件下可以觀測(cè)到橫波分裂現(xiàn)象;橫波分裂究竟與哪些因素有關(guān)系等;這些問(wèn)題,首先應(yīng)考慮橫波分裂與震源激勵(lì)、傳播介質(zhì)、分界面和觀測(cè)系統(tǒng)等之間的關(guān)系,本文針對(duì)此,用交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法對(duì)垂直裂縫介質(zhì)中橫波分裂現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)模擬結(jié)果展開(kāi)了詳細(xì)的分析和討論。1橫波雙折射法檢測(cè)s波考慮到裂縫介質(zhì)的各向異性特征,橫波分裂現(xiàn)象可概括為:當(dāng)橫波經(jīng)過(guò)裂縫介質(zhì)時(shí),一種波將分裂為速度不同且偏振方向正交的兩種橫波。這種現(xiàn)象類似于光學(xué)中的雙折射,當(dāng)極化光波進(jìn)入一個(gè)光學(xué)的各向異性晶體后,分裂成一個(gè)“普通”和一個(gè)“特殊”的射線,所以橫波分裂亦稱為橫波雙折射。如圖1所示,沿測(cè)線觀測(cè)一個(gè)S波,測(cè)線方向與裂縫走向斜交。入射S波可按力學(xué)原理分解為平行裂縫走向和垂直裂縫走向的兩個(gè)極化分量,兩個(gè)極化波傳播速度不同,平行裂縫走向的極化分量S1傳播得快,垂直裂縫走向的極化分量S2傳播得慢,所以在傳播過(guò)程中,兩個(gè)極化波一個(gè)在前,一個(gè)在后,產(chǎn)生了橫波分裂現(xiàn)象。在測(cè)線走向與裂縫走向(自然方向)夾角θ為0或?yàn)?0°的情況下,就只能得到一種橫波。2ti介質(zhì)彈性參數(shù)本文利用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法求解二維三分量波動(dòng)方程進(jìn)行地震波數(shù)值模擬。二維三分量是三維的一種特殊情況,在假定介質(zhì)參數(shù)沿走向保持為常數(shù),場(chǎng)源具有球?qū)ΨQ性情況下得出,所以用速度矢量的3個(gè)分量來(lái)反映xoz面的二維彈性波場(chǎng),比純粹的二維更能得到計(jì)算平面內(nèi)的精確地震波信息。二維三分量用到三維各向異性彈性參數(shù)矩陣中除了第二行與第二列以外的全部彈性參數(shù),保留了影響橫波各向異性的彈性常數(shù),更準(zhǔn)確地反映橫波分裂現(xiàn)象?？紤]到裂縫介質(zhì)的一般性,給出TI介質(zhì)的一階應(yīng)力—速度方程式(1)和(2)中,vx,vy,vz是速度分量,σij(i,j=x,y,z)是應(yīng)力分量,cij(i,j=1,…,6)是TI介質(zhì)的彈性參數(shù)。垂直裂縫介質(zhì)是對(duì)稱軸為水平方向的TI介質(zhì),彈性參數(shù)用VTI介質(zhì)彈性參數(shù)進(jìn)行Bond變換得到,這樣存在兩個(gè)夾角θ和φ,如圖2所示。θ為極化角(垂直裂縫介質(zhì)θ=90°),φ為方位角(觀測(cè)坐標(biāo)系x軸與介質(zhì)對(duì)稱軸的夾角,觀測(cè)坐標(biāo)系不動(dòng),旋轉(zhuǎn)裂縫介質(zhì)對(duì)稱軸得到)。根據(jù)董良國(guó)給出一階彈性波方程交錯(cuò)網(wǎng)格高階差法解法的穩(wěn)定性條件可得出當(dāng)2M=2,2N=6時(shí)的穩(wěn)定性條件為文中采用MPML吸收邊界數(shù)值模擬地震波在無(wú)限介質(zhì)中的傳播過(guò)程,打破了傳統(tǒng)PML邊界只能對(duì)垂直于邊界方向的地震波進(jìn)行衰減,M-PML可對(duì)各個(gè)方向的地震波進(jìn)行衰減,獲得了很好的效果。3橫波分裂現(xiàn)象的影響因素分析3.1震源及激發(fā)對(duì)比地震波激發(fā)問(wèn)題的研究對(duì)理解地震波的傳播行為及正反演問(wèn)題的深入研究等具有重要意義,震源方式的加載直接影響地震波場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果。下面討論爆炸源、垂直集中力源、剪切力源作激勵(lì)地震波在裂縫介質(zhì)中的傳播特征,地震波場(chǎng)快照如圖3所示。垂直裂縫介質(zhì)模型大小為1000m×1000m,ρ=2150m/s,C11=25.24GPa,C13=9.85GPa,C33=12.9GPa,C44=3.62GPa,C66=9.94GPa,方位角φ=45°;震源(500m,500m),震源子波為Ricker子波,主頻f=30HZ,采樣率0.5ms,網(wǎng)格大小Δx=Δz=Δy=5m,數(shù)值模擬差分精度為O(t2,Δx6),檢波器接收位置為0~1000m,檢波器間距為5m。如不作特殊說(shuō)明,下文除震源位置、介質(zhì)參數(shù)外,其他震源參數(shù)、網(wǎng)格大小、差分精度、檢波器間距和檢波器總長(zhǎng)度均相同。爆炸源為P波震源,該震源在裂縫介質(zhì)中既產(chǎn)生P波又產(chǎn)生S波。在二維三分量波動(dòng)方程中沒(méi)有考慮y方向的正應(yīng)力,該震源激勵(lì)只加載了x和z方向的正應(yīng)力,相當(dāng)于加了二維正應(yīng)力,所以沒(méi)有觀測(cè)到橫波分裂現(xiàn)象,如圖3(a)所示;垂直集中力源具有一定的方向性,在垂直裂縫介質(zhì)中同樣既產(chǎn)生P波又產(chǎn)生S波,S波產(chǎn)生了橫波分裂現(xiàn)象,如圖3(b)所示;剪切源是S波震源,在垂直裂縫介質(zhì)中也產(chǎn)生P波和S波,P波相對(duì)較弱,S波產(chǎn)生了明顯的橫波分裂現(xiàn)象,如圖3(c)所示。結(jié)果表明:在均勻各向異性介質(zhì)中,集中力源和剪切源是使S波在裂縫介質(zhì)中產(chǎn)生橫波分裂現(xiàn)象不錯(cuò)的震源選擇。由于純粹的橫波震源成本較高,工程地震勘探中震源多為重錘震源,該震源就是垂直集中力源。3.2不同介質(zhì)耦合p波和s波的特征裂縫介質(zhì)各向異性的程度直接影響快慢波的傳播特征。引入各向異性參數(shù)討論地震波的橫波分裂現(xiàn)象,如表1所示,括號(hào)外為垂直裂縫介質(zhì)的各向異性參數(shù),括號(hào)內(nèi)為對(duì)應(yīng)的VTI介質(zhì)的各向異性參數(shù)。取φ=90°,θ=45°,剪切震源激勵(lì),零偏移距,地震記錄如圖4所示。圖4比較結(jié)果得出裂縫介質(zhì)的|γ(V)|值越小,橫波分裂現(xiàn)象越變得不明顯,快慢橫波的分裂時(shí)差變小,且開(kāi)始分裂的時(shí)間變長(zhǎng)。|ε(V)|值變小,對(duì)P波的初至?xí)r間影響較大,對(duì)快慢橫波的影響較小。表1的值可看出|ε(V)|變小,|δ(V)|也隨之變小,說(shuō)明P波和S波的耦合程度發(fā)生了變化。|δ(V)|值變小,對(duì)橫波分裂的影響程度也相對(duì)較小。因此,|γ(V)|是判斷橫波分裂現(xiàn)象最主要的各向異性參數(shù),是與裂縫密度有最直接關(guān)系的參數(shù),如果在介質(zhì)中觀測(cè)到橫波分裂,就可以判斷裂縫介質(zhì)的發(fā)育程度。3.3井間地震模擬前面模擬了單層裂縫介質(zhì)中的橫波分裂現(xiàn)象,實(shí)際地震勘探中不可能存在這樣的均勻介質(zhì)。這里通過(guò)兩層介質(zhì)模擬橫波分裂現(xiàn)象,參數(shù)見(jiàn)表2。設(shè)置上下兩層介質(zhì)模型分別為各向同性介質(zhì)和裂縫介質(zhì)2、裂縫介質(zhì)1和各向同性介質(zhì)、裂縫介質(zhì)2和裂縫介質(zhì)1(模型為2000m×2000m,檢波器排列長(zhǎng)度為0~2000m)來(lái)模擬,剪切力源激勵(lì),震源位置(50m,50m),井間地震觀測(cè)。從圖5地震記錄得出:(1)S波從各向同性介質(zhì)經(jīng)界面?zhèn)鞑ブ链怪绷芽p介質(zhì)后,產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換P波,S波分裂成S1,S2兩種橫波,如圖5(a)所示;(2)垂直裂縫介質(zhì)中橫波分裂后的快慢橫波透射進(jìn)入各向同性介質(zhì)時(shí),S1波保持傳播方向不變,P波和S2波以各向同性介質(zhì)中的速度傳播,如圖5(b)所示。表明了橫波分裂后波依然在各向同性介質(zhì)中傳播,并保持分裂情況,同時(shí)說(shuō)明橫波分裂與震源所在介質(zhì)層有很大的關(guān)系。(3)橫波在一種垂直裂縫介質(zhì)中發(fā)生橫波分裂現(xiàn)象,透射至另一種垂直裂縫介質(zhì)中時(shí)會(huì)發(fā)生橫波分裂和透射橫波再分裂現(xiàn)象,前提條件同樣應(yīng)該是透射橫波與裂縫介質(zhì)走向有一定夾角的情況才滿足分裂條件,如圖5(c)所示。此結(jié)果也說(shuō)明了S1波和S2波均可發(fā)生橫波分裂現(xiàn)象。(4)P波經(jīng)分界面后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換PS1波和轉(zhuǎn)換PS2波,此結(jié)論給多波多分量勘探提供很好的理論支持。3.4井間地震和vsp對(duì)比3.3中模擬時(shí)采用井間地震觀測(cè)系統(tǒng),說(shuō)明該觀測(cè)系統(tǒng)可很好地觀測(cè)到橫波分裂現(xiàn)象。仍采用表2模型參數(shù),上層各向同性介質(zhì)(300m),下層垂直裂縫介質(zhì)2(700m),垂向集中力源激勵(lì),震源(500m,10m)處,垂直裂縫介質(zhì)2中方位角φ=45°,分別用地面地震和VSP觀測(cè),地震記錄如圖6所示。從圖6地震記錄看,VSP記錄比地面地震記錄更清楚地觀測(cè)到P波經(jīng)界面后在裂縫介質(zhì)中轉(zhuǎn)換的PS1波、PS2波和S波的橫波分裂。所以,VSP要比地面地震更容易觀測(cè)到橫波分裂,觀測(cè)到的信息更豐富。因此,井間地震和VSP是較好得到橫波分裂現(xiàn)象的觀測(cè)系統(tǒng),同時(shí)表明橫波分裂在一種觀測(cè)系統(tǒng)下觀測(cè)不到,如果將觀測(cè)系統(tǒng)一定程度的旋轉(zhuǎn)可能就會(huì)得到明顯的橫波分裂。除上述討論的因素外,橫波分裂還要考慮到地層的深度足夠大,足以使偏振不同的兩種橫波有足夠的時(shí)間差,更有利于觀測(cè)。4深刻反應(yīng)震源加載方式和介質(zhì)分界面根據(jù)橫波分裂現(xiàn)象可以推測(cè)地下裂隙的發(fā)育情況,文中通過(guò)高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法,從橫波分裂的機(jī)理、橫波分裂的影響因素及橫波分裂的可識(shí)別條件等方面進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論:震源加載方式直接影響地震波數(shù)值模擬結(jié)果的好壞,影響到如何正確觀測(cè)到橫波分裂現(xiàn)象,剪切力源和集中力源是較容易觀測(cè)到橫波分裂的震