5.5.2 叠前各向异性反演技术
地震AVO技术在地球物理领域发挥了重要作用，能够用于提取地下流体和岩性信息。AVO技术的基础是Zoeppritz方程，目前通常使用的是纵波Zoeppritz方程，它反映了纵波入射到反射界面的反射和透射特征。为了能够利用Zoeppritz方程进行AVO分析，要对Zoeppritz方程进行不同形式的简化。对于各向同性的AVO方程，最常用的是Shuey（1985）三项简化式。在实际应用中，由于入射角的范围一般不会太大，因此往往使用两项的Shuey简化式，通过各向同性AVO反演能够得到一系列AVO属性进行流体探测和岩性分析。
当地下发育裂缝时，振幅不仅会随偏移距发生变化，而且也会随方位角发生变化。理论研究和实际应用表明，利用纵波方位AVO特征，不仅可以检测裂隙的方位和密度，还能区分裂隙中所含流体类型（干裂隙、湿裂隙），可以较好地定量检测裂缝分布。Mallick（1996，1998）等研究表明，裂缝介质中固定偏移距的纵波反射振幅随方位的变化为R＝A+Bcos 2φ，提出利用三个方位的方位角入射数据求解裂缝方位，在一个固定炮检距处的纵波反射振幅响应，和炮检方向与裂缝走向的夹角存在近似的周期余弦函数关系。曲寿利等（2001）将以上关系扩展到反射波速度和炮检方向与裂缝走向夹角的关系中。1996年，Lynn等通过变化不同方位的振幅，得到了裂隙密度和方位。近年来国内外研究和应用表明，利用叠前地震数据开展裂缝研究时，频率属性在反映开启裂缝密度和流体信息方面比振幅属性敏感性更强。沿裂缝方向，高频部分吸收衰减得慢，而沿着垂直裂缝的方向，高频部分吸收衰减得快。裂缝越发育，频率沿不同方位角的变化越明显，当裂缝含有油气时，这种差异更加明显。分析由裂缝和所含流体引起的频率方位各向异性，可以有效地检测储层中开启性裂缝的发育状况。纵波（P波）方位各向异性裂缝预测技术是利用地震波在各向异性介质中传播时会发生振幅、速度、传播时间、振幅随炮检距变化等属性随方位角的变化，来检测裂缝（特别是垂直缝或高角度缝）发育的方位和发育密度。AVAZ裂缝检测方法是根据P波振幅随方位角的周期性变化估算裂缝的方位和密度；VVAZ裂缝检测方法是根据P波传播速度的方位各向异性来估算裂缝的方位和密度。
用于描述纵波反射振幅的Zoeppritz方程有很多的近似公式，各近似形式所突出的重点不同。Ruger（1998）基于弱各向异性的概念，推导出了HTI介质中纵波反射系数与裂缝参数之间的解析关系。Ruger（1996）研究表明，在HTI介质中，P波的AVO梯度在沿平行于裂缝走向和沿垂直于裂缝走向的两个主方向上存在较大差异。这是进行P波AVO裂缝检测的理论基础。在小入射角情况下，把反射系数Rpp（φ，θ）表示成与梯度方位无关的各向同性梯度Biso和各向异性梯度Bani与方位角余弦函数平方的乘积：
从理论角度出发，如果能够获取任意三个方位角上的地震数据体，通过AVAZ反演能够得到这三个方向上的AVO梯度，进而求得HTI对称轴所对应的方位角，也就能够确定裂缝的走向。MacBeth等（1999）通过试验证明，在HTI介质中，远偏移距纵波资料比近偏移距对裂隙的灵敏度高。
目前，最理想的AVAZ反演方法使用的是全方位角的3D地震资料，能够获取比较稳定和可靠的裂缝反演结果。但是，由于全方位角的资料采集费用较高，目前利用窄方位角资料也同样能够反演裂缝信息，结果相对也比较稳定和准确。
根据Ruger（1998）的简化公式，不论是两项方程还是三项方程，都能够通过AVAZ进行裂缝走向和密度的定量反演。现在从定性角度出发，简单讨论由于裂缝存在引起的AVAZ响应特征。对于各向同性的AVO方法来讲，它具有非常明确的AVO分类，而且每一类AVO特征都与纵横波速度比有直接的关系，从而通过分析AVO的类型，能够对AVO数据体进行解释。当然，我们也希望通过研究由于裂缝存在引起的AVAZ响应特征，对偏移距—方位角的振幅数据体进行定性解释，同时为裂缝的定量反演提供一定的依据。如果我们获得了偏移距—方位角的振幅数据体，通过分析不同方位角上振幅随偏移距的变化规律，能够定性分析裂缝的走向或者密度。但是，这是比较困难的，原因是由于AVAZ的响应特征具有多解性，即垂直于裂缝方向上的AVO梯度可能为正也可能为负，而平行于裂缝方向上的AVO梯度也同样可能为正或者为负。因此，在偏移距—方位角的振幅数据体上，即使能够分析出不同方向上的AVO梯度的正负，也不能有效地对该振幅数据体做出合理的解释，因此，通过分析不同方位上的AVO梯度类型，很难对裂缝发育信息做出定性解释。
如果通过正演模拟的方法能够模拟地下真实地层的AVAZ响应特征，就可以将其作为理论依据对振幅数据体进行解释。Williams和Jenner模型的AVAZ响应特征在垂直裂缝方向上，振幅随偏移距逐渐减小，即具有负AVO梯度；在平行于裂缝的方向上，振幅随偏移距基本不变或者稍微增加，即具有零值或者正的AVO梯度。使用Ruger的AVAZ公式进行模拟的AVAZ响应，在垂直裂缝的方向上，振幅随偏移距是逐渐增加的，即具有正的AVO梯度；在平行于裂缝的方向上，振幅随偏移距是逐渐减小的，即具有负的AVO梯度。对比分析模型AVAZ响应，可以发现，两者恰好是相反的，这也充分说明了AVAZ响应特征的多解性，同时通过正演模拟能够为AVAZ定性解释提供一定的依据。对于AVAZ响应特征的多解性，Thomsen（1995）提出了一种相对比较通用的AVAZ响应特征，他指出，虽然平行裂缝方向和垂直裂缝方向的AVO梯度变化不一，但是平行裂缝方向上的AVO梯度的绝对值相对较小，也就是说不论AVO梯度为正还是为负，平行于裂缝方向上振幅随偏移距的变化相对缓慢，而垂直于裂缝方向上振幅随偏移距的变化相对更加剧烈，这可以作为AVAZ定性解释的一种更加合理的理论依据。Goodway等（2010）通过AVAZ正演模拟也提出了一种相对比较通用的AVAZ响应特征，主要适用于具有椭圆各向异性的裂缝模型。
裂缝的发育程度对页岩气的最终采收率具有关键影响，通过地震方位各向异性特征来预测裂缝在非常规气田勘探开发中发挥越来越重要的作用。通过3D分方位采集的地震资料，利用上述提到的AVAZ反演方法能够很好地识别裂缝的走向和密度信息。Gray（2008）利用地震手段很好地预测了页岩气储层中的裂缝发育模式。下面对其预测方法和预测结果进行简要介绍。
地震方位各向异性有两种观察方式：振幅随入射角和方位角（AVAZ）的各向异性以及速度随入射角和方位角（VVAZ）的各向异性。当使用类似于共炮检距共方位角数据体（COCA）显示时，两种类型的各向异性特征都可以观察到。由于在COCA中能够观察到VVAZ现象，因此在利用AVAZ进行裂缝反演时，就要消除这种影响，使得提取的振幅真正来自地下同一反射点。因此，在分析AVAZ前，必须进行分方位动校正，即NMOZ。经过NMOZ校正后的COCA数据体，从中也可以发现正弦形式的变化规律，这些变化的强度随着炮检距的增加而增加。Gray利用宽方位地震资料进行储层裂隙预测时，还有一些假设条件：① 在储层和围岩之间的弹性系数、纵波速度、横波速度和密度的差异较大；② 弱各向异性假设；③ 储层表现为水平的横向各向同性（HTI）介质，也就是说，在某一深度压力作用下，储层包含单一的、垂直的、均衡的裂隙；④ 地震波以较小的入射角度（小于35°）穿过储层；⑤ 反射点的地震波方位角与炮点—检波点方位角是一样的。Goodway等（2006）利用AVAZ反演方法得到的页岩气储层中的裂缝发育的走向和密度，对工程开发方案的制定起到了非常重要的指导作用。
在一个小规模的先导性钻井项目中，综合运用地学资料、钻井资料、储层资料和完井资料开展研究，降低了建井成本，提高了气藏的产能。实践证明，多种地震技术（例如断层成图、边缘检测、方位角和倾角提取、曲率和相干性分析等）能够有效地识别潜力比较大的裂缝发育带，尤其是雁列断层之间的转换带。利用微地震监测资料可以识别出水力压裂作业的受效层段。岩心分析、地质导向资料解释、气测井资料分析和力学模拟等都可与地震解释结合在一起。采用垂直定位孔测井资料建立岩石物性模型，并结合岩心—测井标定，可识别出这两组地层中产能比较高的层段。这种从区域到微观规模的地质和地球物理综合储层描述，有助于有效地优化生产井部署。
综上所述，可以得到以下两点认识：
一是页岩裂缝发育区预测方法与碎屑岩基本一样，但页岩是层状结构，矿物组分较复杂，自身各向异性就比砂岩强，因此，在叠前各向异性裂缝检测中存在多解性，需要结合正演模拟、钻井资料等提高预测精度；
二是叠前各向异性对地震资料方位信息要求较高，在二维和窄方位角三维资料上无法应用。