AVO及疊前反演詳解

第五章油氣綜合檢測技術(shù)第五章油氣綜合檢測技術(shù)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）,為疊前烴類檢測技術(shù)的發(fā)展奠定了資料基礎(chǔ)。目前基于疊前道集的直接烴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（AmplitudeVariationwithOffset），早先也稱為AmplitudeVersusOffset，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（AmplitudeVariationwithAngle），振幅隨方位角變化AVA（AmplitudeVariationwithAzimuth），振幅隨炮檢距和方位角變化AVOA（AmplitudeVariationwithOffsetandAzimuth）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：這種異常現(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（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-〃縱波速度Vp〃橫波速度V5］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（&，Vp1，Vs1，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Vp Vp個參數(shù)是以兩個參數(shù)的比值，例如Vn、p-等形式出現(xiàn)。這樣就可以把廣、p-等分別看作一p2 2 p2 2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O之間又有關(guān)系，如：Vp22(1—o) ―一… V.P V=21七？，于是有關(guān)系式：Rpp=f(&，/，式，。)，這樣來達到減少參數(shù)的目的。從― p2H2理論上說，在實際地震記錄上得到某個界面的反射波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。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啠贸鲆圆此杀?。為參?shù)的以。為變量的簡單的近似關(guān)系，即Rpp=f(&，。)，這樣通過反算。，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：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?&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。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：/、1「￥2 AP sec294V /2AV、， 、R(0)=—(1一4sin26——+ p--4sin26——s) (5-3-1)2V2p2VV2Vsp p 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：AVp=Vp2-Vp1、^Vs=Vs2-Vs1、Vp=Vp+V'p))/2、Vs=(Vs2+Vs1)/2、/P=P2-P1、P=(P2+P1)/2、e=(e"12,01是入射角，02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。作參數(shù)。3)Bortfeld近似式1961年，Bortfeld提出近似式

一 「V「cos9、,sin9一 「V「cos9、,sin9Rpp=—ln(—p^2 7rQ+( 12Vpcos9 Vpp11 2 1)2(V2—V2)lnln(■P2)TV~]VIp1p-7-lnVVp2s1VVp1s2(5-3-2)4)Hilterman近似式Vpcos9-Vpcos9Rpp=32 -1 p11 -2Vpcos9+Vpcos9)+V)+Vp-Vp

2—si_1 s2-2p+p

12(5-3-3)5)Shuey簡化公式1985年Shuey利用上面的式子進行了簡化，用。代替Vs，修改得:R(e)=R+AR+00心卜in29+R(e)=R+AR+00心卜in29+2答就29-sin29)(5-3-4)1 - 1-2o c其中：Vs2=Vp22G-o)、B=AVpVpAVpVp+ApAo、A=B-2(1+B)1-^0、1-op1-pA=A+—-01—oR0、Ao=o-o、o=(o+o

2 1 2垂直入射時的反射振幅R°=2V可,。1、應(yīng)分別為入射介質(zhì)和透射介質(zhì)的泊松比。這就是振幅與炮檢距關(guān)系研究的物理基礎(chǔ)。其中，界面兩側(cè)泊松比的差^^是一個至關(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:第一第二垂直入射時，第一第二垂直入射時，ei=e2=e=0,r(0)在中等入射的情況(0〈?！?0°),=R0，即R0是垂直入射時的反射振幅。有近似tan。心sin。，于是有：R3)=RR3)=R0Ao、Jsin29」(5-3-5)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。此時第三，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：AV AV(5-3-6)R(9)=B—p+Ci-s

priV Vs(5-3-6)p

2A\2A\、Vp、Vs分別為51V2 1Ci=-4ssin式中：B=- - sin2U+一tg20、 i/0i8 2v2i2i Vp2p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：(5-3-7)R(0)/P+Gsin20(5-3-7)式中：R為反射系數(shù)、9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sin29（9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?；谠摲匠痰寞B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。Sin29圖5-3-2：$加20（6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，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（0.3?0.4）；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)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（口）和泊松比（。）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0.2?0.3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，振幅都隨入射角的增大而減??；當(dāng)反射系數(shù)為正且泊松比增加（或反射系數(shù)為負而泊松比降低時），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，利用各振幅均方誤差為：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：（BiAV（BiAV p-+Vp、2Ai（5-3-8）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"AV AV若要使e取最小值，只需e對寸和寸偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0,用曲線擬合實際地震資料就可VVs

pAV AV求得一p和一s,即:\o"CurrentDocument"V Vsp

（5-3-9）AV—p（5-3-9）AV—pVp￡WA）piii=1AV sVs￡（WA）

sii

i=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，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，V/V決定于礦物成分，而非孔隙度；碳酸鹽巖是p-s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V/V，S波速度輕度增加，另外，隨孔隙度的增加p-s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2.8?3.0）；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（2.9?3.1），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5-3-3）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(ElasticInversion)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)。可以簡單地表示為：(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。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(彈性)阻抗反演，得到不同角度下的彈性阻抗EI(91)、EI(92)、EI(93),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?？梢?，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信息的方法。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。地宸道集地宸道集地宸道集0-%角度a「ct2角度0t2-a3角度地策道集

a3-?4角度EI(%)子波2子波3地宸道集地宸道集地宸道集0-%角度a「ct2角度0t2-a3角度地策道集

a3-?4角度EI(%)子波2子波3子波4測井EI(92)El(94)約束低頻二 縱波阻抗、橫波阻抗八、密度9/ - Qvp/vhJ(地宸層位MPA、彈