苟 量 张少华 李向阳

（中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司）

加快油气勘探步伐，保障国家能源安全一直是我国能源行业的重要目标任务。目前油气勘探的手段仍然以地震纵波为主。经过长达70年的持续攻关，我国纵波地震勘探技术取得巨大进步，形成了一系列成熟技术，如“两宽一高”（宽频、宽方位、高密度）、低频、海洋节点地震勘探采集技术等。随着油气勘探向低渗透、深层、海洋和非常规领域延伸，勘探目标越来越复杂，单独依靠传统纵波勘探技术找油找气面临越来越大的挑战。因此，如何通过技术创新进一步提高勘探成效是当前油气勘探行业必须面对的问题。本文分析了传统纵波地震勘探的局限性和横波地震勘探潜力，讨论了横波勘探技术的有效性及适用性，提出了开展纵波、横波相结合的弹性波地震勘探技术思路与方法，并对青海三湖纵横波联合勘探试验成果进行了系统总结，证实纵横波联合勘探作为颠覆性工程技术创新，能够为中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司（简称东方物探）打造世界一流油服企业提供重要技术支持。

1 传统纵波地震勘探的局限性分析

地震波一般可分为纵波和横波两种类型。地震纵波的震动（或偏振）方向与传播方向一致，是一种涨缩波，与医用超声扫描一样，地震纵波波形相对稳定，有利于地质构造成像。地震横波的震动方向垂直于传播方向，是一种切变波，与医用核磁共振一样，地震横波对地层岩石的骨架性质、裂缝发育情况、地应力分布等方面相对灵敏，有利于描述岩石的物性特征。长期以来，由于纵波的激发方式、耦合条件、传播机理与规律比横波简单、易于实施、经济有效性更高，纵波地震勘探技术广泛应用于油气勘探中，取得显著成效。

纵波油气地震勘探技术起源于20世纪20年代，至今有100余年的发展史[1-2]。我国从20世纪50年代开始组建地震勘探队伍，至今已有70年的发展历程。纵观地震勘探技术发展历程，经历了两次颠覆性技术创新：一是20世纪60年代，从模拟地震记录到数字记录的突破，极大地丰富了地震资料的信号处理能力，提高了地震数据的信噪比，扩大了地震勘探技术的应用广度和深度；二是20世纪80年代，从二维地震勘探发展到三维地震勘探，极大地提高了对地下构造、断层的成像精度和圈闭的刻画能力。之后40多年，伴随高性能计算机和仪器的发展，地震成像技术经历了从叠后到叠前偏移、从速度谱分析到旅行时层析建模、从地震构造成像到地震储层参数反演的创新与进步；三维观测系统实现了从窄方位到宽方位、宽频高密度等一系列持续改善型技术创新，纵波地震勘探精度不断提高，成为非常重要的油气勘探技术。当前，随着油气勘探向低渗透和非常规油气藏等领域发展，纵波地震勘探技术主要面临着地震成像分辨率和地震反演多解性两方面的挑战。

1.1 地震成像分辨率问题

地震勘探分辨率通常定义为地震波长的1/4[2]。由于地震波长是地震波速度与地震波频率之比，因此提高地震勘探分辨率的途径只有两种，一是提高波的频率；二是选择利用传播速度较慢的地震波。对纵波勘探来说，提高主频和带宽是唯一途径。对致密低渗透或深层碳酸盐岩储层而言，纵波速度可高达5000m/s以上，地震主频通常会降低到25Hz以下，分辨率仅有50m左右。即使地震主频能提高到100Hz，对于碳酸盐岩储层而言也仅仅是把分辨率提高到12.5m。我国大多数探区的有效储层都是10m以内的薄层，提高地震纵波勘探分辨率面临难以逾越的挑战。由于地震横波的传播速度一般仅为纵波的一半，在相同的频带范围内，横波的波长仅为纵波的一半，其分辨率可以达到纵波的2倍。因此，开展横波勘探是提高分辨率的有效途径之一。

1.2 地震反演多解性问题

地震反演是储层与流体预测的主要手段，包括叠后与叠前反演两种。纵波叠后反演目的是反演纵波的阻抗（或速度）一个参数；而纵波叠前反演目的是反演纵波阻抗（或速度）、横波阻抗（或速度）和密度，这3个参数是地震勘探直接找油找气的关键参数。随着地震资料品质不断提高，信噪比越来越高，频带越来越宽，纵波叠前反演越来越得到工业界的重视。但纵波叠前反演仍存在很大的局限性，主要表现为一个方程解多个未知数引起的多解性和反演参数之间相互依赖的相关性[3]。因此，整个反演流程中逻辑死循环普遍存在（即A的计算取决于B，而B的计算结果又取决于A）。当前普遍的解决方案是引入初始模型，采用反复迭代的反演方法，但因算法的收敛性不同程度上依赖于初始模型，并未从根本上解决逻辑死循环问题。若在反演流程中引入横波作为独立的已知变量，是打破死循环的根本措施。因此，研究纵波、横波相结合的弹性波反演是解决多解性的根本方法。

2 横波地震勘探技术现状及创新措施

理论上讲，开展横波勘探不仅可以显著提高地震分辨率，还有可能解决地震反演中的多解性问题，实现从间接找油找气到直接找油找气的勘探目标。为此，油气工业界亟待系统发展和规模推广应用横波勘探技术。

2.1 发展历程与技术现状

横波勘探起源于20世纪70年代末，经历了三起三落的发展历程[4]。早期横波勘探试验中，横波资料品质较低，信噪比远远低于纵波，频带往往也只有或不到纵波的一半，预期效果无法实现，未能得到工业界的认可。究其原因，主要是作为切变波，横波激发和接收的耦合条件比纵波复杂，在传播过程中也比纵波更容易被吸收和衰减，震源、检波器等硬件设备与野外施工水平都相当落后。

20世纪90年代之后，横波勘探技术创新重点转移到了转换波地震勘探。这是一种由纵波震源激发纵波向地下传播，遇到界面反射后转换为横波向上传播，由放置在地面（或海底）的三分量检波器接收的地震勘探技术[4-5]。20世纪90年代中期，水中气枪激发、海底电缆接收的OBC（Ocean Bottom Cable）转换波勘探在英国北海气烟囱型碳酸盐岩与弱纵波阻抗砂岩储层勘探中取得重大突破，掀起新一轮研发热潮[6-7]。

2000年以来，三分量数字检波器快速发展，陆上纵波源激发的转换横波地震勘探逐渐进入勘探市场。值得一提的是，我国转换波勘探技术经过20多年攻关，在四川新场、龙王庙等地区碳酸盐岩及龙马溪组页岩储层勘探中获得突破[8-11]，目前正逐渐走向工业化应用[4-5]。转换波勘探降低了横波采集成本，但其波场传播是纵波与横波的结合，相对复杂，增加了地震资料处理解释难度，也不能完全替代横波勘探。因此，转换波勘探并不是一个很理想的解决方案。

“十一五”至“十三五”期间，东方物探大力开展转换波地震勘探技术攻关，形成了具有创新性的配套技术系列。采集技术方面，形成了以数字三分量检波器为代表的转换波地震采集技术；处理解释方面，形成了高精度纵波和转换波去噪、静校正、叠前时间与深度偏移、高精度纵波与转换波匹配以及联合反演等技术；开发了具有自主知识产权的多波地震数据处理解释软件系统，并在实际应用中取得了很好的效果。但是这些成果中，横波所发挥的作用基本上都属于“有了横波更好”这个范畴，仍然缺乏“缺了横波不行”这类重大的勘探成果。

综上所述，由于切变横波激发、接收的复杂性和传播的不稳定性，长期以来未能获得与纵波地震资料品质相当的高品质横波地震资料和“缺了横波不行”这样的地质勘探成果，制约了横波勘探技术的进一步发展和规模化工业应用。因此，如何通过技术创新改善横波资料品质，提高横波地震勘探的有效性和适用性，是横波与弹性波地震勘探走向工业化应用、实现颠覆性技术创新的关键。

2.2 创新措施与实践

当前地震采集技术无论是硬件设备还是作业水平都在飞速发展，可控震源从20世纪80年代的十几吨发展到现在的几十吨，覆盖次数从过去的几十次覆盖提升至现在的几千次覆盖。特别是百万道级节点地震仪器的研制成功及高度数字化的协同作业水平，推动大吨位可控震源作业以及宽方位、长排列、高密度高覆盖地震资料采集成为可能。

为了改善横波资料品质、提高横波勘探技术的有效性和适用性，东方物探首先在横波地震资料采集方面采取了一系列技术创新与实践：（1）提升改进横波激发震源与激发工艺技术，确保产生足够强的切变能量向地下传播。将原有的18t横波可控源升级为28t可控源，并根据情况可采用两台一次或三台一次等组合方式，保障横波初始能量。（2）改进观测系统与接收方法与工艺，提高原始记录信噪比。二维采集时采用高密度宽线单点数字三分量检波器观测系统[12]；三维采集时加密炮线和接收线，确保覆盖次数达到2000次以上。（3）加强野外近地表地震地质条件调查。利用各种数据，包括航测、地理信息系统数据（GIS）等建立详细的近地表纵横波模型。（4）针对性开展激发接收工艺技术研究，明确最有利的横波采集区域与相应技术参数。开展单炮激发与接收试验，测试耦合条件与激发方式，确定最优采集方案。在国内青海三湖、新疆车排子、长庆苏里格等探区开展的横波地震采集试验中，发现相对平整固结且成层性较好的地表区域能改善横波震源的耦合条件，而极端地表条件，如非常疏松或非常坚硬、非常潮湿或非常干燥等，不利于横波震源的耦合。以青海三湖地区为例，软碱地耦合条件最佳，其他地表情况，如硬碱地、沙地、疏松土壤、砂砾戈壁等，耦合条件依次变差，尤其是砂砾戈壁非常不利于横波的激发与传播。这些发现与实验室测试结论一致[13-14]。

在资料处理解释方面，东方物探加强了两方面的技术创新：（1）系统研究信号处理和静校正技术，形成以数据驱动为主的系列配套技术，进一步改善信噪比和数据品质；（2）系统研究纵波、横波与转换波层位对比及联合反演技术，形成以模型驱动为主的系列配套技术。研发了利用SV和SH两种横波资料反演岩石密度参数，减少了密度反演的多解性，极大地提高了密度反演精度[15]。众所周知，在各种地震属性参数中，密度参数对含油气饱和度最敏感，是实现直接找油找气的关键岩石物理参数。

在解决针对性地质问题方面，坚持优化选择最适合横波勘探技术发挥优势的应用目标区，力争获得“缺了横波不行”的地质认识与成果。根据过去40多年的研发经验，可以归纳为以下3类地质目标：（1）气烟囱成像。气烟囱的存在不利于纵波传播，但对横波影响较小，通常只需要采集SH横波资料。（2）地表条件有利的高陡断裂与裂缝发育区。横波在裂缝介质传播时会分裂为快、慢两种横波。快横波的偏振平行于裂缝走向，慢横波的偏振垂直于裂缝走向，这个现象被称为横波分裂[4]并普遍存在，利用横波分裂可以定量描述裂缝发育的走向和密度[4]。但通常需要采集SH和SV两种横波资料，才能更好地完成这个目标。（3）需要利用定向钻井开发的薄层地质体目标。利用高分辨横波资料可以提高薄层地质体目标的钻遇率和地震导向钻井的精度，从而发挥“缺了横波不行”的关键作用。

2017年，东方物探在青海三湖地区部署实施横波地震勘探[16-17]，检验上述创新策略的可行性与实施效果，为横波勘探走向市场积累经验。

3 青海三湖横波地震勘探实践与成效

三湖地区位于柴达木盆地东部，地表较为平坦，天然气资源丰富，持续勘探潜力巨大。该区气田属于典型疏松砂岩气藏，气层埋藏相对浅。由于受到表层含气及低降速带等因素影响，地震资料信噪比低，纵波地震剖面普遍存在低速、低频、反射同相轴下拉的气烟囱异常现象。由于三湖地区储层多为砂泥薄互层，储层厚度基本上都小于地震纵波分辨厚度，传统的气层检测技术在该区存在一定的局限性。

针对三湖地区的勘探难题，20世纪90年代以来，先后开展了普通二维、高分辨二维、高精度二维等纵波勘探；2006年和2009年尝试开展转换波勘探；2017年和2019年在该区又部署了二维与三维横波勘探试验，目的是进一步提高地震分辨率，更好地解决含气异常区低幅度构造成像和准确识别含气异常等问题。

横波勘探主要成果包括：（1）获得了与纵波品质相当的横波地震资料，基本实现横波分辨率约为纵波2倍的理论目标。对比2017年获得的纵波、横波单炮记录，从图1可以看出横波记录频带、信噪比、穿透深度等都与纵波相当，在双程旅行时8s处仍然可以观测到横波有效信号（图1b）。另外，纵波、横波频率成分相当，频带都达到80Hz，有效频宽约70Hz（图1c）。图2是三湖地区过驼峰山构造TZ3井的L1701测线纵波、横波偏移剖面对比图，横波剖面上的反射同相轴数（图2b）明显比纵波剖面（图2a）至少多2倍。通过TZ3井对相关层位的标定（K5、K9、K13），证实横波剖面分辨率达到纵波的2倍。该区目的层纵波平均速度约为2500m/s，横波约为1250m/s。

图1 青海三湖地区2017年横波勘探原始单炮记录对比

图2 驼峰山2017年横波勘探L1701测线纵波、横波偏移剖面对比

（2）清晰刻画了气烟囱区域内外的断层及构造形态。图3为过驼峰山构造的另一条测线L1702的纵波、横波偏移剖面对比图。该测线覆盖了该区一个气烟囱发育区。在气烟囱区内，纵波频率降低，层位出现明显下拉（图3a），而横波剖面成功恢复了气烟囱区内的构造形态，清晰揭示了多条断层发育，形成一个断块结构（图3b）。气烟囱区外的4条正断层在纵波、横波剖面上都有显示（图3，蓝线），但二者反映的特征及由此夹持的断块构造形态不同，如TF1井在横波剖面上为上拱的有利区，纵波剖面为下凹的不利区。此外，横波剖面可以清晰地看到多条额外的正断层（图3b，红线），特别是气烟囱区内的正断层，在纵波剖面上则没有显示。这些断层是该区天然气运移及聚集成藏的主控因素，表明利用横波资料提高断层识别能力对该区的勘探开发至关重要。

图3 驼峰山2017年横波勘探L1702测线纵波、横波偏移剖面对比

图4为过三湖地区台南构造2019年横波勘探测线L1902纵波、横波与转换波偏移剖面对比图。转换波剖面是从2009年三维转换波数据体中按照测线L1902的坐标抽取出来的。纵波剖面上可以看出该区存在一些小的可能受含气影响的“空白反射气烟囱”条带（图4a），表明测线位置区地下天然气可能具有一定的商业开采价值；横波剖面上可以看出该区存在3条大断层（图4b），左边2条断层之间存在一个低幅度背斜构造（图4b），T18井证实了该构造的存在与含油气性。在纵波（图4a）和转换波（图4c）剖面上，这个低幅度背斜构造显示都没有横波剖面清楚，尤其是转换波剖面上几乎没有显示（图4c），可见横波分辨率的提高改善了低幅度构造的解释识别能力。

图4 台南构造2019年横波勘探L1902测线纵波、横波与转换波偏移剖面对比

（3）钻井成功、增储上产，取得了“缺了横波不行”的勘探成果。如图3所示，TF1、TF2和TZ8是驼峰山构造上过测线L1702附近的3口产气井，都位于气烟囱区域之外，井位都定在3条正断层的反向断块上（图3a）。受这3口井的启发，把探井W1井位也部署在横波剖面上新解释的完整断块上（纵波的气烟囱区，图3b）。该探井于2020年10月完钻，试气成功，日产气量达到5.39×104m3，是该地区的高产气井之一。该井的成功证实了气烟囱内小断块的存在，揭示了断块是成藏、控藏的关键。

如图4所示，T9井是位于台南构造区测线L1902上的一口高产气井。在纵波资料上，这口井并非位于典型构造上，但获得高产暗示可能存在岩性圈闭与河道砂气藏类型。为此，2009年以刻画砂体分布为主要勘探目标部署了三维转换波勘探，利用纵波、转换横波联合反演获得的纵波、横波速度比来刻画砂体。根据这些成果部署的扩边探井成功钻遇了砂体，但未获工业气流。这样一来，岩性圈闭与河道砂成藏机制变成了有争议的地质问题。根据图4b横波剖面显示的低幅度背斜构造确定了一口新的探井T18，于2020年10月完钻，并试气成功，获得日产气量2.85×104m3的工业气流。该井的成功证实了断块与低幅度背斜构造才是该区的主要气藏类型和勘探目标。

W1井和T9井的成功不仅实现了驼峰山及台南气田周边的滚动勘探，增加了可采储量，也进一步明确了对三湖地区气藏类型及成藏机制的认识。更重要的是，这是三湖地区首次根据横波解释成果部署井位，并钻探成功，真正获得了“缺了横波不行”的地质勘探成果与认识。

4 结论与建议

东方物探通过研制大吨位可控横波震源，改善其耦合及激发方式，优化接收方法，实施宽线高密度高覆盖资料采集、针对性的表层调查与横波处理解释等工程技术创新，以及针对性应用目标区选择等，在青海三湖地区获得了与纵波资料信噪比相当的横波地震资料，突破了横波资料品质低于纵波这一长期制约横波地震勘探发展的技术瓶颈，实现了横波分辨率是纵波2倍的理论目标。在勘探上，弄清了驼峰山构造中气烟囱内断层分布和台南构造区的低幅度构造范围，并在驼峰山和台南2个气田区获得新的钻探突破，优化了驼峰山气田的开发方案，扩大了台南气田的范围，最终获得了“缺了横波不行”的地质成果与认识。这些成果的取得，证实了本文提出的横波勘探创新技术与针对性措施的有效性和可行性。

为了进一步提高横波地震勘探的有效性和适用性，加快推进横波勘探技术走向市场，实现弹性波直接找油找气的颠覆性创新，建议开展3个方面的研究：一是研发高精度纵横波可控源，实现1个垂直纵波和2个水平剪切横波源（一纵两横）同步激发（简称“一炮三响”），推进高效高精度弹性波可控源地震采集技术形成；二是开展剪切和扭转横波源耦合及传播机理实验研究，研发实用高耦合材料配方并形成相应的配套激发技术，提高剪切和扭转横波源的适用性；三是研发纵波、横波相结合的弹性波成像技术，以及配套的处理解释技术，探索弹性波地震勘探直接找油找气技术。

直接找油找气是油气勘探的重大难题。改善和提高横波勘探的适用性与有效性，大力推广横波地震勘探技术，为解决这一技术难题提供了重要手段。这对老油气田挖潜、提高采收率，对低渗透与非常规油气勘探增储上产都将发挥重要作用。

此外，横波技术的有效实施也将对碳储存监测产生重大影响。碳储存后，纵波可监测碳的运移情况，横波可监测储层内部的岩石结构、裂缝特征及应力分布变化情况，纵、横波相结合的弹性波监测可成为解决碳储存监测的有效手段。