由三分量有偏移距的VSP资料反演因各向异性造成的剪切波偏振:合成地震图

本文介绍一种数值算法,由有偏移距的VSP资料解释与地下介质各向异性有关的剪切波偏振方向。其做法是,把观测到的(合成的)水平偏振角与物理上合理的、各种取向的各向异性模型的期望值进行比较。比较是以数据库反演方式进行的,各向异性模型是由各种平行的、成行的、垂直裂隙形成的等效各向异性与由薄互层或岩性原因造成的母岩各向异性组合而成。不同的模型表示裂隙和母岩的性质不同。该方法被用于多方位震源、多层吝向异性结构产生的合成有偏移距的VSP数据.分析结果表明,为了合理地约束最终的反演结果,需要由至少在两个、最好是三个不同方位上得到的非零偏移距资料做偏振测量.能够分辨的参数取决于地下感兴趣的区域的深度范围.较深层位上的裂隙走向能够很好地求出,因为在这些层位上地震波的传播方向近于垂直,但对其它模型参数,如纵横尺寸比和裂隙含量.只有在入射角范围较宽时才能求到.因此,似乎可以说,使反演获得成功的关键是选择传播途径.使它通过由间断点造成的相对唯一的不规则区.     

剪切波分裂的复量分析:实例研究

把复分量分析方法应用于4组剪切波数据:美国克恩县Lost Hills地区四分量单偏移距VSP;巴黎盆地单一震源、二分量多偏移距VSP;Lost Hills地区四分量反射测线二澳大利亚的G~an Creek煤矿煤层内的跨孔测量.在所有上述实例中,分裂的快剪切波(或槽波)的偏振可由地震波特性的色标记录剖面估算.特别是在测线内和测线外震源复分量色标剖面上和源无关的一致性偏振允许可以求得剪切波的偏振涌,而无需旋转仪器和震源的轴.我们的结论是:复分量分析方法有助于由地震剖面识别和估计剪切波的分裂,帮助进行地层解释,并可简化各向异性介质中多分量反射资料的处理过程.     

俄克拉何马州Conoco井孔试验室跨井测量和逆垂直地震剖面检测破裂

本文对在俄克拉何马州Conoco井孔试验室的剪切波组合跨井测量(CHSs)和逆垂直地震剖面测量(RVSPs)进行分析以研究剪切波传播和天然裂隙之间的关系。该测量覆盖了全部入射角和入射方位,使其能较为详细地研究破裂诱发的方位各向异性。资料显示出地震各向异性的几种特征即源一检距小于50m,固有时滞达7ms时,剪切波分裂提示有高破裂密度存在。快速剪切波偏振和时滞的估算结果证实了由其它地质的的和水文的观测结果所推断的N75°±10°裂隙走向.CHS资料的分析,包括用合成地震图模拟认为裂隙,至少是优势裂隙组.从垂直方向旋转了20°该研究最重要的成果之一是在CHS剖面上明确无误地确认井间沿界面传播的导波具有足够的速度差.CHSs和RVSPs联合解几乎是评估浅层破裂参数的唯一可能途径.这对于水文调查中研究浅层流体是很重要的.     

原生裂隙和由VSP推断的裂隙参数对比

本文对使用P波交叉偏振剪切波垂直地震剖面(VSP)识别地下裂隙系的可行性进行了检查。在一眼试验井中裂隙和微裂纹沿井筒分布用一台超声井下电视(BHTV)和岩芯样品的速度测量结果来表述。BHTV图象说明井孔浅部的破裂发生率比深部为高。用BHTV观察到较浅部裂隙密集的深度段有两组优势的平行裂隙;这两组裂隙走向的取向几乎同一指向NW,而它们各自的平均倾角分别为73°和46°,较深部裂隙稀少的深度段,其裂隙走向的取向性则很少见,岩芯样品的速度各向异性是如此之小以致现在的vSP测量不能用岩芯样品测量分辨出所预期的吝向异性.p波和两个剪切波速度(V_P, V_S1,和V_S2)可由三分向vsP下行波相移确定,但须是零偏移距p波源和零偏移距并在两个正交方向偏振的剪切波源.VSP的结果如下:(1)精度小于4%的剪切波的偏振各向异性检测不到.(2)裂隙密集段V_P和V_S(V_S1和V_S2 的平均值)分别是裂隙稀少段的94%和86%,由于裂隙均匀分布,VSP的结果与预期的速度变化一致,虽然一个双平面破裂模型不能满足VSP结果的要求,而BHTV图象却显示出这样两组平行的裂隙.可以认为.这种差异是由于现在的VSP试验在速度测定上缺乏深度分辨能力造成的.     

各向异性介质中剪切波振幅-炮检距比值研究的可行性

剪切波分裂的研究可以取得原生岩体的裂隙走向、裂隙密度、裂隙组及其排列成行的微裂隙群区等其它参数的信息。这类信息对研究储集层特征和其它烃类开采的应用是重要的,裂隙密度通常由剪切波各向异性的百分率导出,百分率是由两分裂剪切波之间的时滞测出的。储集层对可检测出的由它造成的时滞可能太薄,因而在一个储集层内的时滞(和裂隙密度)用传统的反射测量法或垂直地震剖面的走时分析法都可能分辨不出来。研究剪切波振幅一炮检距比值(AvO)技术为的是弄清它们能否提供确定薄油储层各向异性参数更为可行的方法.用简单的双层模型研究具有入射角的反射剪切波振幅的特性,对第二层(代表一储层)内充水裂隙和干裂隙就剪切波各向异性百分率的范围内计算了前切波Avo的变化,为的是弄明白能否用剪切波AvO特征波形提取关于储层特性的特征信息.对于细裂隙,剪切波AVO曲线图形对各向异性和裂隙容积的变化是敏感的.广角偏移距反射资料中有着关于裂隙容积的大部分信息,它可以用于增加采油的跨井监测.剪切波AVO的变化可以被采集系统畸变.关于百分率各向异性的大部分信息都包含在以近垂直入射的反射剪切波的振幅之中.本文回顾了垂直入射反射振幅法,提出了一个简单的编图程序用来确定它们在不同储集环境中使用的可行性.     

巴黎盆地的VSPs:模拟近点状奇异性剪切波场证实薄互层(或岩性)各向异性和裂隙各向异性聚形的实例

本文研究了巴黎盆地一个井场的多偏移距VSPs剪切波分裂,并证实沉积构造至少必须有正交的各向异性对称,认为引起这种正交对称的最可能的原因是薄互层(或岩性)各向异性和裂隙各向异性的聚形(combination)。过渡带(靠近剪切波点状奇异区(pointsingularities)发生剪切波偏振和时滞的快速变化是造成异常观测波形的原因,观测到剪切波偏振在近点状奇异性处的传播方向上有很大的变化这个结果可能是第一次明确无误地识别出沉积盆地存在着点状奇异性的效应.     

沉积盆地方位各向异性和EDA各向异性的有效作用范围

同时具有一垂直于层理面的对称轴的层理诱发或岩性诱发的方位各向同性和具有一水平对称轴的裂隙诱发的张性扩容(EDA)各向异性被认为是沉积盆地的共性,因而能普遍地观测到剪切波分裂现象。具有圆柱形对称正交轴的两个各向异性的这种横向各向同性的组合导致正交对称,这有两个主要作用:(1)快速分裂剪切波的偏振方向可能不再平行于裂缝或裂隙组的走向,甚至是近垂直传播;(2)这样的正交对称系,必然有许多方向(称之为剪切波点状奇异性),即剪切波显示出扰动或异常特性,或许仍然在近垂直方向.除非能正确地识别构造的不规则性或间断性的效应,否则它们将被错误地解释.相比之下,这种特性的三维几何形态识别,对岩体各向异性的可能组合施加了比较严格的约束.为了解这些现象的几何形态,本文提出剪切波分裂特性的三维模型,它已经对裂隙和层理诱发的各向异性的组合作用范围进行了计算.     

剪切波在双层方位各向异性介质传播中分裂参数的变化特性

以质元运动方程和应力应变关系为基础建立了各向异性介质的波动方程．从数学上对体波在各向异性介质中的传播进行了严格的数学推导,给出了各向异性介质中三种体波波速与介质弹性常数及波传播方向的数学关系．由此对剪切波在单层和双层弱方位各向异性介质中的分裂行为进行了系统讨论,给出了合成分裂参数、每一层分裂参数与入射剪切波偏振方向的数学表达式．假定每一层分裂参数之后,得到了合成分裂参数随入射方位角变化的合成地震图．研究表明,剪切波在双层各向异性介质中传播时产生的两对分裂剪切波可用一合成分裂因子来描述．由合成分裂因子确定的分裂参数随入射剪切波偏振方向的变化呈现出π／2的变化周期．其结果可用于双层各向异性介质反演研究,对进一步解释板块运移、地幔对流规模、深源地震成因、浅部地震构造及深部力源问题等有参考意义．     

沉积盆地中剪切波传播的奇异点效应

在各向异性固体介质中大多数传播方向上,地震剪切波分裂的规则性和可预测的形态,原则上可能与岩体各向异性的程度和各向异性的对称性直接有关。虽然在所有各向异性的固体介质中都有若干传播方向,这就是大家熟知的剪切波奇异性,然而那里分裂的剪切波却具有相同的相速度,对接近于最常见的奇异性型(点状奇异性)传播的各方向上,相速度和群速度之间的关系可以因方向的微小变化而迅速地交化。虽然各向异性的程度可能太小以致不能在群速度波阵面上产生普通的奇点,但即使剪切波接近奇点传播具有规则偏振和振幅变化,这仍能导致它沿射线(以群速度传播)出现异常. 在沉积盆地中,接近这类奇异点传播的效应已经被识别出来了.它们的特征是有着非常确切的方位吝向异性现象〔具有垂直轴对称的横向各向异性).这是水平岩性或精细分层(PTL各向异性)引起的.联系到更为近代判别出的方位各向异性,也可能是近平行、近垂直的充满液体的微裂隙群的分布(EDA各向异性)引起的.本文用计算模拟沉积盆地的材料的一个点状奇异性附近的关于方向上的合成剪切波证实了这些不规则效应.在勘探地震学中.当点状奇异性可能在沉积盆地内沿近垂直射线通道发生时,这类异常可能是重要的.如果不能正确地判别,这类点状奇异性的效应可能被错误地认为是构造不规则性造成的,如果判断正确了,则奇异性的方向可以作为沉积盆地PTL和EDA各向异性的可能形态的严格约束条件.     

基于二维三分量伪谱法模拟数据的EDA介质中横波分裂研究

为了检测定向裂隙介质中横波分裂的方位属性特征,分析地震属性随裂隙密度和方位变化,采用人工吸收边界和反周期扩展边界,用伪谱法获得不同裂隙密度和不同方位地质模型三分量地面记录;应用时频分析和剪切波偏振分析研究由于裂隙方位和密度引起的横波分裂.结果显示,裂隙密度和方位决定着横波分裂的时差和偏振.快慢横波的延迟时间随裂隙密度增大而增加,不同方位相同裂隙密度的横波分裂时差有微小的变化.在45°方位检测时间延迟时间最大.通过时频分析,可以看到不同方位的瞬时主频有显著的变化,在横波分裂处瞬时主频有明显变化.因此,瞬时主频和快横波的偏振以及延迟时间可以作为裂隙方位和密度的指示.     

SKS波对地壳裂隙各向异性的响应——理论地震图研究

穿透含裂隙、裂缝地壳8s视周期的SV波的理论地震图研究表明,当地壳平均裂隙密度高于0.01即横波各向异性高于1%时,非对称面内不同方位的SKS波均发生分裂;地震图中直接的记录显示是切向T分量上出现SKS波的振动,其振幅随地壳平均裂隙密度的增大而增强,甚至能与径向R分量上的振幅相当.局限于上地壳的强裂缝各向异性同样能引起SKS分裂.长周期SKS波分裂对地壳内裂隙、裂缝的分布缺乏分辨率.直立平行排列裂隙、裂缝使得SKS分裂T分量记录特征具有方位对称性,这来自于HTI介质中快、慢波偏振和到时差随方位变化的对称性;而倾斜裂隙、裂缝使得该方位对称性丧失.对实际观测SKS分裂的偏振解释需要考虑地壳裂隙各向异性,特别是断裂附近的强裂缝各向异性.     

北海南部海洋VSPs剪切波分裂观测结果

在北海南部的一天然气储层为研究剪切波分裂,专门用剪切波转换波分析了4条偏移海洋垂直地震剖面(VSPs)。快速剪切波偏振和时滞的自动估算结果表明有一组应力诱发的裂隙存在,其走向在N35°W和N60°W之间,这与根据井孔崩落的资料和地震研究的各自独立的测量结果相符,时滞意味着在储气砂层剪切波分裂只发生在具有不可检测的各向异性的上部覆盖岩内.或许是由于非平面的界面和/或岩性的横向变化引起,所有的测量资料都遭受到散射能量的干扰。如果VSP的偏移距与最大的水平应力方向几乎不平行不垂直,则可能得到比较可靠的结果。     

辽宁地区地壳及上地幔各向异性初步研究

在地壳中产生各向异性的主要因素是大量充满液体的定向排列的微裂隙,当剪切波穿过这种各向异性介质传播时会分裂为快剪切波和慢剪切波.快剪切波的优势偏振方向与裂隙走向一致,与原地主压应力方向一致;慢剪切波的时间延迟与介质的各向异性程度有关.     

就圣安德列斯断层剖析剪切波分裂

就加利福尼亚Cajon山口深科学钻孔而言,由垂直地震剖面获取了剪切波记录,进而采用各种方法研究了剪切波分裂。这些使用的方法应该允许我们使用一个六角形对称并有一个水平对称轴的系统探测由可能的各向异性产生的(AI)剪切波分裂。对直达剪切波的精心研究后得出的结论是:AI型剪切波分裂观测结果竟然和用常规的观测不到AI型剪切波分裂的简单系统的结果相吻合,没有观测到AI剪切波分裂的原因部分地是由于该区域最大最小主应力的差异太小。因此使裂隙组和微裂隙组在垂向排列上变得很不明显。该区域剪。该区域剪切波的传播和偏振也许更受复杂的地质因素控制而不是受现在应力场的制约.显然。没有检测到AI剪切波分裂并不意味著介质就是各向同性;偏振图提供的剪切波分裂的明显证据表明的是一个高阶的各向异性。     

地震波在粘弹性各向异性地壳介质中的传播及其应用研究

实际地球介质中普遍存在着多尺度、多取向、填充各种流体的孔隙、裂隙和裂缝,这种介质常常被称为双相介质或多相介质。裂隙及其填充流体的存在一方面使得介质的弹性模量(体模量和剪切模量)减小,改变流体输运性质,另一方面也导致地震波传播的各向异性、衰减和频散。介质的双相和各向异性特征是现代地球物理学的两个难点。一般各向异性弹性介质的弹性矩阵有21个独立参量,满足Christoffel方程;在高频近似条件下,满足射线追踪方程。然而直接求解波动方程往往十分困难,常常不能得到解析解。考虑到实际地球介质大多是弱各向异性,因此可以利用扰动理论近似描述,将相速度、偏振矢量线性化并表示为弱各向异性参数(Weakly Anisotropy,WA)的形式。我们给出了TTI介质中qP波的相速度和偏振矢量的弱各向异性参数线性化反演公式。20世纪70年代以来,科学家们通过地震波速度的方位各向异性、横波分裂、接收函数法、面波偏振等方法研究地球介质的各向异性。其中横波分裂方法是各向异性最直观的表现,具有相对简单、横向分辨率高、对裂隙密度及纵横比较敏感等优点,是研究介质各向异性性质的一种主要方法,也是研究大构造(如岩石圈等)的重要手段。本文以EDA(Extensive Dilatancy Anisotropy),APE(Anisotropic Poro-Elasticity),Chapman多尺度模型为例介绍了双相介质中的等效介质模型。EDA、APE理论的研究对象是微观尺度的单组微裂隙,其裂隙密度定义为张性扩容各向异性。EDA被认为是地壳各向异性的主要因素,当横波通过这种介质会分裂成快慢横波,且快横波的优势偏振方向往往与区域最大水平应力相同。基于SOC(Self Organized Criticality)理论双相介质的破裂特性,可以对由于应力作用处于临界状态下的微裂隙与流体的动态特征进行描述的APE模型表明,横波分裂对地壳介质的微裂隙的几何特征(如裂隙的纵横比)十分敏感,而微裂隙的几何特征变化对应力场的变化十分敏感。因此将横波分裂结果在地震前后的变化解释为横波对地应力场变化的响应,并提出可以利用这一特征进行应力检测。在不同地质构造时期,由于区域应力场的作用,可能导致实际地球介质中的微裂隙是多尺度的,并且有多个优选方向。本文介绍的Chapman多尺度模型将中等尺度断裂加入分析中,并考虑两种尺度的微裂隙和裂缝之间的相互作用,获得了频率相关的等效弹性矩阵。通过引入复数弹性张量,可考虑各向异性粘弹性介质的波动理论。由于弹性矩阵的虚数部分的引入,且是频率相关的,因此解析解的计算比一般各向异性弹性介质更加复杂。在高频近似时,可将一般各向异性弹性介质的射线追踪方程以及扰动理论应用到弱各向异性弱衰减(Weakly Anisotropy-Attenuation,WAA)介质中,此时其固体骨架由各向同性变为各向异性介质,且弹性矩阵的扰动由实数变为复数。本文给出了P波在一般WAA介质中随方位衰减的线性化反演公式。通过2个、3个、6个等方位间距的剖面组成的walkawayVSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,验证了反演公式的正确性和可靠性。然后,对一个来自JavaSea的由三条剖面组成的walkaway VSP实际观测数据进行了反演计算,获得了钻井中不同深度检波器处的WA参数。中国地震台网中心测定,北京时间2008年5月12日14:28:04,在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上发生了逆冲为主带有少量右旋、挤压型M S8.0大地震(31.01°N,103.42°E)。为提高时频分辨率,分析时频局部化信息,引入Meyer-Yamada正交小波基MYW。在粘弹性各向异性线性化理论的基础上,运用小波分析方法对以汶川地震为中心,200km为半径的范围内的地震进行了分析,获得了汶川震中区9个固定台站的P波小波波谱的平均衰减结果和方位各向异性衰减结果。该方法能够有效利用小震数据研究震源区介质各向异性随时空的变化规律,具有广阔的应用前景。     

台湾集集地震震源区地壳各向异性初探

利用剪切波分裂可以研究地壳介质的地震各向异性特征.研究表明,复杂地质构造会造成剪切波偏振方向的不同.剪切波分裂特性对地壳应力场的微小变化所引起的地壳岩石裂隙图像的变化非常敏感,由于快剪切波偏振方向反映了地震台站下方地壳的主压应力的方向,因而可以用来研究地壳应力场特征.     

多层水平各向异性介质的剪切波分裂参数计算

在多层各向异性介质中,剪切波分裂参数会随着初始偏振方向的变化而变化,根据这一特性可以用来判断深部复杂的各向异性结构。本文在Silver and Savage多层水平各向异性理论基础上,推导了剪切波在多层水平各向异性介质模型中传播时的分裂参数(φ,δt)理论计算公式,并编写了相应的剪切波分裂参数计算程序。通过与SplitLab软件中双层各向异性模型计算结果进行比较,验证了本研究程序的可靠性。此外,我们也合成计算了三层各向异性模型中的剪切波分裂参数,结果发现各向异性层的顺序对剪切波分裂结果影响很大,但变化的周期都为π/2。最后用三层模型拟合了一组实际数据,结果表明三层各向异性也能较好地反映不同深度各向异性层的特征。     

裂隙型单斜介质中多方位地面三分量记录模拟

针对裂隙型储集层中更具代表性的各向异性介质模型,即在各向同性背景介质中含有两组斜交的垂直裂隙所构成的单斜各向异性介质模型,利用时间和空间上可达任意阶的高阶交错网格有限差分技术,对具有不同裂隙填充物性质的单斜介质中波的传播快照进行了模拟.结果证实各向异性介质中波的传播速度随传播方向的不同而产生明显的差异;裂隙填充物的性质对于速度各向异性具有很大的影响.另外,利用坐标旋转法,对水平层状各向异性介质中多方位地面三分量记录进行了模拟,结果表明了方位各向异性介质中,波的传播速度不仅随入射角的变化而变化,同时也随观测方位的不同而产生差异.数值模拟结果为进一步利用地面多方位地震属性进行各向异性参数的反演及裂隙参数的描述提供理论基础.     

利用qP波慢度和偏振矢量计算弱各向异性介质参数

提出了一种使用慢度矢量分量和偏振矢量计算变井源距垂直地震剖面(walkaway VSP)钻孔中接收点附近介质弱各向异性(WA)参数的方法.假定介质是任意弱各向异性介质,从一般公式中得到了只有一条观测剖面情况下的反演公式.如果知道了慢度矢量的垂直分量和偏振矢量,可以通过反演得到与剖面和钻孔所在平面相关的WA参数,反演过程不用进行射线追踪,与上覆介质无关.用合成数据检验了公式和方法的正确性,并把它们应用于在爪哇海地区得到的一条变井源距垂直地震剖面的弱各向异性参数反演中.     

利用qP波慢度和偏振矢量计算 弱各向异性介质参数

提出了一种使用慢度矢量分量和偏振矢量计算变井源距垂直地震剖面(walkaway VSP)钻孔中接收点附近介质弱各向异性(WA)参数的方法. 假定介质是任意弱各向异性介质, 从一般公式中得到了只有一条观测剖面情况下的反演公式. 如果知道了慢度矢量的垂直分量和偏振矢量, 可以通过反演得到与剖面和钻孔所在平面相关的WA参数, 反演过程不用进行射线追踪, 与上覆介质无关. 用合成数据检验了公式和方法的正确性, 并把它们应用于在爪哇海地区得到的一条变井源距垂直地震剖面的弱各向异性参数反演中.