AVO及疊前反演詳解

1、第五章油氣綜合檢測技術(shù)9第一節(jié)疊前流體檢測技術(shù)近幾年，隨著地震采集處理技術(shù)的進步，尤其疊前偏移技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，使得研究人員 可以得到來自地下真實反射點的疊前道集(CRP道集)，為疊前煌類檢測技術(shù)的發(fā)展奠定了資料基礎(chǔ)。目前基于疊前道集的直接煌類檢測方法主要有兩種：一種是在巖石物理建模的基礎(chǔ)上進行疊前道集 AVO響應(yīng)特征分析；一種是利用多個限角疊加數(shù)據(jù)體進行疊前彈性參數(shù)反演，利用縱橫波波阻抗、 縱橫波速度比、泊松比、拉梅系數(shù)等敏感屬性反映含油氣性。一.AVO分析技術(shù)1、AVO理論簡介AVO (Amplitude Variation with Offset ),早先也稱為 Amplitude

2、Versus Offset ,譯為振幅隨炮檢距 變化。由此而衍生的有振幅隨入射角變化 AVO (Amplitude Variation with Angle )，振幅隨方位角變化 AVA(Amplitude Variation with Azimuth )，振幅隨炮檢距和方位角變化 AVOA (Amplitude Variation with Offset and Azimuth )等。AVO作為一種含氣砂巖的異常地球物理現(xiàn)象，最早在 20世紀(jì)80年代初被Ostrander發(fā)現(xiàn)。這 一現(xiàn)象表現(xiàn)為：當(dāng)儲層砂巖含氣后，地震反射振幅隨炮檢距會發(fā)生明顯的加大(基于SEG標(biāo)準(zhǔn)極性)。因為AVO現(xiàn)象與含氣

3、砂巖的對應(yīng)關(guān)系，從而引起勘探地球物理界廣泛的重視。后續(xù)的研究表明：這種異?，F(xiàn)象并非一種特殊的形式，而是遵循Zoepprittz早先所提出的地震反射波動力學(xué)方程式，從而對AVO現(xiàn)象的解釋有了完整的理論基礎(chǔ)。針對AVO現(xiàn)象繼而出現(xiàn)的 AVO技術(shù)是繼亮點之后又一項利用振幅信息研究巖性、檢測油氣的 技術(shù)手段。AVO技術(shù)具有以下特點：A、直接利用CDP道集資料進行分析，這就充分利用的多次覆蓋得到的豐富的原始信息；B、利用振幅隨炮檢距(入射角)的變化的特點，即利用整條曲線的特點。而亮點技術(shù)只是利用 了這一特殊情況下曲線的一個數(shù)值。所以， AVO技術(shù)對巖性的分析比亮點技術(shù)更為可靠。C、這幾年波動方程對地震剖

4、面的成像有了更大的成果，是對地下構(gòu)造形態(tài)的反演。AVO技術(shù)從嚴(yán)格意義上說算不上是利用波動方程進行巖性反演分析的方法，但是其理論和思路是對波動方程 得到的結(jié)果的比較精確的利用。D、AVO技術(shù)是一種研究巖性的比較細致的方法，并且需要有測井資料的配合。 2、AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)振幅隨炮檢距的變化來自于所謂的“能量分區(qū)”。當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞降貙咏缑鏁r，一部分能量反射，一部分能量透射。如果入射角不等于零度，縱波( P波)能量一部分反射，一部分轉(zhuǎn)化成透射P波和S波。反射和透射波的振幅能量取決于地層邊界的物理性質(zhì)差異。縱波速度Vp、橫波速度Vs和密度p是非常重要的。同時，需要注意反射振幅也依賴于入射波的入射角(

5、圖 5-3-1)。因此，當(dāng)一個平面縱波非垂直入射到兩種介質(zhì)的分界面上，就要產(chǎn)生反射縱、橫波和透射縱、 橫波。在界面上，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)性和位移連續(xù)性，依據(jù)邊界條件并引入反射系數(shù)、透射系數(shù)，就可 以得出四個相應(yīng)波的位移振幅應(yīng)當(dāng)滿足的方程叫做Zoeprritz方程，這個方程是 Zoeprritz在1919年解出的。這個方程組比較復(fù)雜，不能解出新產(chǎn)生的波的振幅與有關(guān)參數(shù)明確的函數(shù)關(guān)系。但是從方 程組可以看出，一般反射縱波的反射系數(shù)Rpp是入射角界面上部介質(zhì)的密度pi,縱波速度Vp1，橫波速度VSi以及界面以下的介質(zhì)密度 P2,縱波速度Vp2,橫波速度Vs2等七個參數(shù)的函數(shù)，可以簡單 的表示為Rpp(&a

6、mp;, Vp1, Vsi, p1, Vp2, Vs2, p2),雖然不能直接從方程中解出Rpp與七個參數(shù)的具體關(guān)系，但是可以假設(shè)以物質(zhì)的六個物性參數(shù)為參變量，以&為變量，仔細分析可以得到，六J等分別看作一 :2Vp1斗Vp1個參數(shù)是以兩個參數(shù)的比值，例如 、石-等形式出現(xiàn)。這樣就可以把一Vp22Vp2個參數(shù)，再加上在同一種介質(zhì)中，縱波速度Vp,橫波速度vs,以及泊松比 b之間又有關(guān)系，如:Vp c 2(1 一二)中曰行壬去T=2j-,于是有關(guān)系式:Vs 1-2cVpi。1Rpp=f(&, ，“，這樣來達到減少參數(shù)的目的。Vp2：2理論上說，在實際地震記錄上得到某個界面的反射波

7、的振幅與入射角的變化關(guān)系曲線，并且又知道 某些參數(shù)，就可以利用曲線族作為量板來估算地層參數(shù)。圖5-3-1 :入射到地層邊界的地震波示意圖通過對地層彈性參數(shù)的研究，得到泊松比b是一個對巖性和含油氣情況反應(yīng)比較敏感，參數(shù)，所以就要對方程進行適當(dāng)?shù)幕?，得出以泊松比。為參?shù)的以。為變量的簡單的近似關(guān)系，即Rpp=f(& , 0),這樣通過反算 0T,來達到對儲層的參數(shù)測定和檢測。由于Zoeppritz方程過于復(fù)雜，因此有許多學(xué)者嘗試對其進行簡化或近似，其中比較著名和實用的主要有：1) Koefoed的試算Koefoed在1955年第一個給出了用Zoeppritz方程，以R為參數(shù)計算出的Rpp

8、&曲線。他用17組縱橫波速度、密度和泊松比參數(shù)，較為詳細地研究了泊松比對兩個各向同性介質(zhì)之間反射和折 射面所產(chǎn)生的反射系數(shù)的影響，最大的入射角達到30。他的研究結(jié)果被公認(rèn)為Koefoed五原則。雖然Koefoed的結(jié)論說明了利用Rpp&曲線是可以反算出泊松比的，但是用未簡化的 Zoeppritz方程進行計算太復(fù)雜，因此反求彈性參數(shù)也是很復(fù)雜的。2) AkiKI和RichardsPG的縱波近似公式1980年AkiKI和RichardsPG給出了一個縱波反射振幅的一個近似表達式：2_221 Vs. 21 sec ：Vp,VsVs、R ( 0)(5-3-1)=(1 - 4 s sin

9、 1 4 s sin 71)2 Vp2:2VpVp2Vsp p這個公式是有適用條件的，就是界面兩邊的彈性介質(zhì)性質(zhì)的百分比變化小，式中的參數(shù)有：2Wp=Vp2-Vp1、AVs=Vs2-Vs1、Vp= (Vp2+Vp1)/2、Vs= (Vs2+Vs1)/2、Ap = p 2- p 1、p = ( p 2+ p 1) /2、 0= ( a+也)/2, 91是入射角，2是按斯奈爾定理計算的透射角。這個式子雖然對Zoeppritz方程進行了化簡，但是用了 Vs做參數(shù)而未用 b作參數(shù)。3)Bortfeld 近似式1961年，Bortfeld提出近似式1 - Vp2 %COSF、 /S"i22RP

10、P=2ln(V/C0sJ E (Vs1-Vs22) 2 +(5-3-2)4) Hilterman 近似式Rpp =VP2 ：2C0SF -Vpi Rcos明Vp2 ：2 cosM Vp1 ：1 cos %sind)一Vs2plVs2P21+ L Ns1-Vs2)J3(Vs1 -Vs2)+2 s21 s22(533)Vp1 )-1 11 2 J5) Shuey簡化公式1985年Shuey利用上面的式子進行了簡化，用 <r代替Vs,修改得：R ( ® = Ro + A0R0 +-仃 2 sin29 +Vp(tan2 日一sin2日)(5-3-4)其中：Vs? =Vp21m)LVp

11、VpVp Vp 1 - 2。、A0 =B -2 1 Bt-1 一(1 仃 f _2 VpA A 1-7A - Ao1- RoAb =仃2 _仃1、仃=(仃2 +仃1 )'2 。，一，一 _1 ,AVp AP)，人，人,垂直入射時的反射振幅 R0 =p+ ，/、3分別為入射介質(zhì)和透射介質(zhì)的泊松比。2 1Vp PJ其中，界面兩側(cè)泊松比的差A(yù)超一個至關(guān)重要的因素，這就是振幅與炮檢距關(guān)系研究的物理基礎(chǔ)。Shuey近似式的特點就是其三項都有明確的物理意義：第一，垂直入射時，91=62=0=0, R (0) =Ro,即Ro是垂直入射時的反射振幅。第二，在中等入射的情況 (0 030° )

12、,有近似tang sin 0,于是有：-_2仃 )2"R(e)=R 1 + A0+ bin2 9(5-3-5)L I(1-"RoJ此時，反射振幅與A有關(guān)，前兩項起作用。這時的反射系數(shù)與介質(zhì)的泊松比有密切關(guān)系，因此,利用此式更能突出油氣特征。第三，對于大角度入射情況，反射振幅與速度變化有關(guān)中的第三項起主要作用。6) Simth和Gidlow 加權(quán)疊加方法1987年Smith和Gidlow根據(jù)Gardner等人給出的水飽和巖石的密度與速度的4次方根成正比的假設(shè)，將 Aki和Richards (1980)提出的Zoeppritz方程進行了修改化簡:VpVRpr )=Bi-+Ci(

13、5-3-6 )VDVsp式中：Bi = - - 1 Vsy sin 2 ri tg 2i 82 Vp22 ypCi = -4Vs-sin2%Vp2 iVp> Vs分別為縱橫波速度，B、C為常數(shù)。因此，盡管表示反射系數(shù)的簡化式有很多，但其最終目的都是為了求得一個最簡表達式來表示 反射系數(shù)隨入射角的變化。而上、下介質(zhì)的泊松比又對反射系數(shù)隨入射角的變化起重要作用，因此， 需要在表達式中包含標(biāo)志油氣特征的參數(shù)。Hilterman的簡化方程與Shuey的簡化方程滿足了以上要求，且適用于各種層狀模型的 AVO模擬，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用中最常見的一種簡化公式 為：2 .R。= P Gsin 1

14、(5-3-7 )式中：R為反射系數(shù)、。為入射角；P為近似為零偏移距下的縱波的反射振幅，也稱AVO截距，其大小決定于上下層之間的縱波波阻抗差異；G為縱波反射振幅隨入射角的變化梯度，也稱AVO斜率，其大小取決于泊松比的變化。這個方程不能很好處理入射角較大的情況，但是簡單易懂，至今 仍然非常實用。對 NMO （正常時差校正）道集中每一個時間采樣點作sin2 0 （。為入射角）和振幅交匯圖（圖5-3-2）,截距描述了正常入射角時的P波反射率（NIP）,同時斜率就是梯度（振幅隨入射角怎么變化）。式（5-3-7）表明，在入射角小于中等角度（一般為30。）時，縱波反射系數(shù)近似與入射角正弦值的平方成線性關(guān)系。

15、基于該方程的疊前反演可以獲得AVO屬性參數(shù)P與G及其各種轉(zhuǎn)換屬性參數(shù)，對這些屬性參數(shù)的解釋是：a、由AVO截距組成的P剖面是一個真正的法線入射零炮檢距剖面。 b、由AVO斜率組成的G剖面反映的是巖層彈性參數(shù)的綜合特征。c、在橫波剖面上，當(dāng)縱、橫波速度比近似等于2時，P-G可以反映出橫波波阻抗的特征。d、在泊松比剖面上，當(dāng)縱、橫波速度比gradientNIP近似等于2時，P+G反映的是泊松比的特征。 e、截距與梯度的乘積（PXG）剖面，也稱AVO強度 剖面，更有利于識別氣層。Sin20圖5-3-2 : sin 2 9 （。為入射角）和振幅交匯圖3、AVO的地質(zhì)意義AVO應(yīng)用的基礎(chǔ)是泊松比的變化，

16、而泊松比的變化是不同巖性和不同孔隙流體介質(zhì)之間存在差異的客觀事實。大量的試驗研究和實踐表明，沉積巖的泊松比值具有如下特點：a、未固結(jié)的淺層鹽水飽和沉積巖往往具有非常高的泊松比值（0.4以上）；b、泊松比往往隨孔隙度的減小及沉積固結(jié)程度而減少；c、高孔隙度的鹽水飽和砂巖往往具有較高的泊松比值（0.30.4）; d、氣飽和高孔隙度砂巖往往具有極低的泊松比值（如低到0.1）。一般來講，不同巖性按泊松比值從高到低排序依次是：石灰?guī)r、白云巖、泥巖和砂巖，在砂巖中由于孔隙流體性質(zhì)的差異，依次是：水砂巖、油砂巖和氣 砂巖。從波速到泊松比，人們對地層的研究已逐漸深入到其本質(zhì)。在研究振幅變化與波速的關(guān)系時， 發(fā)

17、現(xiàn)振幅變化與其他彈性參數(shù)的關(guān)系更有意義，這是因為波速不是一個獨立的彈性參數(shù)，而是介質(zhì) 的幾個彈性參數(shù)組合的結(jié)果。在拉梅常數(shù)（入）、切變模量（W）和泊松比（T）等彈性參數(shù)中，泊松比在Zoeppritz方程中是以一個獨立的參數(shù)出現(xiàn)的。而且，通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)泊松比是對區(qū)分巖性有特殊作用的一個參 數(shù)。Gregory （1976）分別對各種巖性的泊松比做了大量測量試驗，結(jié)果表明不同巖性泊松比的差別 比速度的差別大。因此，利用泊松比判別巖性更可靠。所以， AVO技術(shù)的地質(zhì)基礎(chǔ)在于不同巖石以 及含有不同流體的同類巖石之間泊松比存在差別。Domenico （1977）研究了含氣、含油、含水砂巖的泊松比隨埋藏

18、深度的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含 不同流體砂巖的泊松比隨深度的變化特征是不同的：含氣砂巖的泊松比隨著深度的增加而增加，但 泊松比的值總是小于含油和含水砂巖的泊松比值；含水砂巖的泊松比隨著深度的增加而減小，但泊 松比的值總是大于含油和含氣砂巖的泊松比值；含油砂巖的泊松比也隨著深度的增加而減小，泊松 比的值總是介于含水和含氣砂巖泊松比值之間。巖石物性研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂巖中含氣時，縱波速度明顯降低，含氣層的泊松比較小，與圍巖的泊 松比之差大都在 0.20.3之間。因此，一般都可檢測到較明顯的 AVO響應(yīng)。含油層由于泊松比值明 顯大于含氣層，與圍巖的泊松比差值較小甚至接近，因此反射系數(shù)隨炮檢距的變化程度明顯小于

19、含 氣層，AVO響應(yīng)要比含氣層弱得多，而且包括了所有可能出現(xiàn)的AVO響應(yīng)，檢測也將更為困難。因此，AVO技術(shù)應(yīng)用在尋找氣藏方面更為有利，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。一般來講，不同巖性按泊 松比值從高到低排序依次是：石灰?guī)r、白云巖、泥巖和砂巖。4、AVO應(yīng)用及簡要流程簡單來說，AVO技術(shù)是通過研究地下介質(zhì)的地震反射波振幅隨炮檢距的變化來反映地下介質(zhì)的 巖性和孔隙流體的性質(zhì)，進而直接預(yù)測儲層。在實際應(yīng)用中，就是利用地震反射的CDP道集資料，分析儲層界面上的反射波振幅隨炮檢距的變化規(guī)律，或通過計算反射波振幅隨其入射角的變化參數(shù)，估算界面上的AVO屬性參數(shù)和泊松比差，進一步推斷儲層巖性和含油氣性質(zhì)。通常采用泊松

20、比參數(shù)來描述反射界面振幅的變化情況：當(dāng)介質(zhì)間無明顯泊松比變化時，不論反 射系數(shù)是正負(fù)，振幅都隨入射角的增大而減?。划?dāng)反射系數(shù)為正且泊松比增加（或反射系數(shù)為負(fù)而 泊松比降低時），振幅隨入射角的增大而增加；當(dāng)反射系數(shù)為負(fù)且泊松比降低（或如果反射系數(shù)為正 而泊松比增加時），振幅隨入射角增大先減小，當(dāng)入射角增大到一定時會出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。因此，利用 AVO技術(shù)中振幅隨入射角變化這一特征可判定巖石物理參數(shù)。設(shè)各炮檢距采樣的實際振幅為Ai,那么與模型曲線相比，各振幅均方誤差為： 1 A Vs Ve = £ B i + C iAi（5-3-8 ）i=1 I V pVsJ若要使e取最小值，只需e對 出

21、和eVs偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0,用曲線擬合實際地震資料就可 pV求得一和一-,即：VpVsp(5-3-9 )Vp_彳=M=Vsn、Wpi Ai izin'、WsiAii 1（5-3-10 ）式（5-3-9）和（5-3-10）中i=1 , 2,，n為道號、Ai為振幅、Wp和Ws為加權(quán)系數(shù)。通過這種方法，可以求得每一道上的權(quán)系數(shù)，權(quán)系數(shù)的大小變化可反映出振幅隨偏移距變化的情況，加權(quán)疊加的結(jié)果包含了振幅隨偏移距變化的信息。由曲線擬合可以得到 P波速度反射率剖面、S波速度反射率剖面及衍生出的擬泊松比反射率剖面和流體因子剖面。發(fā)展出來的AVO油氣檢測技術(shù)是利用疊前地震資料中反射波振幅與炮檢距變化關(guān)系

22、，研究地下巖性變化并進行油氣檢測和油氣富集帶圈定的一項技術(shù)。由于AVO技術(shù)是根據(jù)振幅隨炮檢距的變化做反映的地下巖性以及孔隙流體的性質(zhì)來直接檢測 油氣和估計巖性參數(shù)的一項技術(shù)。加上Zoeppritz方程的復(fù)雜性和非直觀性，現(xiàn)在很多學(xué)者都在研究不同的簡化方法，得到了不同的近似公式，針對不同的公式就提出了不同的分析和反演方法。目前AVO技術(shù)較成功的實例大多在碎屑巖中，該技術(shù)在碳酸鹽巖中應(yīng)用的實例不多，這主要是碳酸鹽巖本身的特點所決定的。在碳酸鹽巖中，Vp/Vs決定于礦物成分，而非孔隙度；碳酸鹽巖是印膜孔隙或空穴孔隙，不是粒間孔隙，決定Vp的是基質(zhì)而不是孔隙和充填流體；充氣后，Vp沒有明顯減低，泊松比

23、變化不大，然而Willston （1984）對砂巖分析表明：含氣對碳酸鹽巖巖性不僅有影響，而且影響很大。隨密度減小， P波速度和減小Vp/Vs , S波速度輕度增加，另外，隨孔隙度的增加巖石對流體反應(yīng)更靈敏。通常情況下，碳酸鹽巖振幅隨偏移距變化是速度、孔隙度及含氣性的綜合 響應(yīng)。5、巖石物理建模塔中地區(qū)通過對中古 5-8井區(qū)已鉆井進行巖石物理建模分析，以及查對相應(yīng)巖石組分的實驗室試驗數(shù)據(jù)的綜合分析，得出以下認(rèn)識：純泥巖，包括（夾泥灰?guī)r）的巖石特征表現(xiàn)為低縱、橫波速度，低密度、低泊松比（在 2.83.0）;致密灰?guī)r表現(xiàn)為高縱、橫波速度，高密度；而對于儲層來說，不論是鉆井放空段儲層還是被泥質(zhì)、螢石

24、或鐵礦充填的儲層，其巖石特征都表現(xiàn)為縱波速度低，橫波速度略低，低密度和低泊松比（2.93.1）,可以看出儲層的泊松比與泥巖的泊松比有部分的交叉重合。為了更好的來區(qū)分致密灰?guī)r和儲層，進行了彈性參數(shù)交匯。通過在交匯圖（圖5-3-3）上圈出特定區(qū)域，來影射到密度、縱、橫波等曲線上的不同巖性段來劃分儲層和非儲層。通過圈定劃分認(rèn)為儲層主要分布于從尾段開始分叉的上部的條帶上，尾段的下部條帶分析認(rèn)為以泥巖為主；從分叉 部位開始至“掃帚”的把柄處為非儲層，圈定結(jié)果與上述巖石組分特征分析結(jié)果一致，且對應(yīng)于鉆 井主要油層段。同樣，通過縱波阻抗和泊松比的交匯也可以較好地區(qū)分儲層。在縱波阻抗與泊松比交匯圖（圖5-3-

25、3）上，所有的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與縱橫波交匯類似的“掃帚”形狀，儲層同樣發(fā)育與“掃帚”的尾端分叉 部分。通過交匯圖上圈定的儲層部分投射工區(qū)實際鉆井中，結(jié)合該井產(chǎn)量證明了圈定范圍的合理性，說明建模方法和參數(shù)選取合理。圖5-3-3 圖5-3-3 : ZG10 ZG5井區(qū)測井曲線交匯圖彈性阻抗及參數(shù)反演技術(shù)疊前彈性參數(shù)反演以描述平面波反射和透射的Zoeppritz方程為基礎(chǔ)，利用反射系數(shù)隨入射角變化與地層彈性參數(shù)間的關(guān)系，采用一定的數(shù)學(xué)算法，從疊前地震數(shù)據(jù)中估算巖石的彈性參數(shù)(如 縱波速度、橫波速度、泊松比、密度等)，進而利用這些彈性參數(shù)進行巖性分析和含油氣的預(yù)測。目前常規(guī)方法一般可分為彈性阻抗反演(Elas

26、tic Inversion )和疊前同時反演( SimultaneousInversion )兩類，分別簡敘如下：1、彈性阻抗反演彈性阻抗是聲波阻抗的推廣，它是縱波速度、橫波速度、密度以及入射角的函數(shù)(式5-3-11 )?？梢院唵蔚乇硎緸椋篟Q)=E2 - EiE2E1(5-3-11 )其中，E1、E2分別為地震波能量傳播時反射界面上、下兩層介質(zhì)的彈性阻抗，是縱波速度Vp、橫波速度 Vs、密度p以及入射角0的函數(shù)。R(。)是以。角入射時的反射系數(shù)。在應(yīng)用中，把經(jīng)過 疊前精細保幅處理和偏移的共反射點道集，分成多個入射角疊加，形成不同入射角剖面，將3個及以上不同入射角剖面分別進行子波提取和疊后(彈

27、性)阻抗反演，得到不同角度下的彈性阻抗EI ( 01 )、EI ( 0 2 )、EI ( 0 3 ),并形成方程組，就可以聯(lián)合求出縱、橫波速度及密度了。其流程如圖5-3-10。可見，彈性阻抗反演能有效地解決地震子波隨炮檢距變化的問題，得到了不同入射角的波 阻抗，即彈性阻抗；這是以另一種方式來表示AVO言息的方法。通過聯(lián)合求解巖石物理參數(shù)后，可以進一步開展多信息交匯進行巖性和含油氣性的綜合解釋。廣波3地發(fā)道集 南度地富道集 %-便啟角度妁耒低微地裳道集地震道集 A A %-% 南度r應(yīng)宸層但TH®曲繾) 丁口曲線)蟻波阻抗費溉阻抗宓度A、彈性波阻抗反演J測井圖5-3-10 :疊前彈性阻