（地球探测与信息技术专业论文）品质因子求取与补偿方法研究.pdf

t h e s t u d yo nm e t h o d s o f q u a l i t y f a c t o re x t r a c t i o na n d c o m p e n s a t i o nf o rt h e a t t e n u a t i o nb a s e d o ni t at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i nw u s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gg u a n g z h i c o l l e g eo f g e o - r e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o n c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 黑丛 日期：2 们f 年万月, r 1 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限 于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向 国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论 文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 星墩 指导教师签名：自旺塑 一 日期：加fj 年歹月7 日 日期：w 啷年歹月1 日 摘要 随着地震波吸收衰减理论的研究在油气勘探开发过程中的发展应用，地层的吸收 衰减参数作为一种地震属性，在储层预测和反演介质物理属性等方面发挥着越来越重 要的作用。品质因子q 值，作为最常用的表征介质吸收性质的固有属性，不仅能够 预测岩性、指示油气藏位置和范围，而且也是地震资料处理过程中，估算和补偿地下 介质对地震波能量吸收的重要依据。因此，品质因子的求取在地震资料的处理与解释 工作中具有重要意义。 论文结合实际油气藏预测技术的需要，首先根据粘弹性介质基本理论，采用交错 网格高阶有限差分法进行粘弹性介质的地震波传播数值模拟，分析了粘弹性介质中地 震波传播特征及其随地层吸收影响的变化规律。在传统的品质因子求取算法的改进方 面，论文重点研究了谱比法的改进。其次，采用时频分析技术，在时频域获取较为精 确的地震波频率、能量与q 值之间的对应关系，对不同的时频分析方法获得的吸收 剖面进行比较。此外，论文还探索研究了基于非线性反演理论求取q 值的方法。 针对地震资料进行基于q 值的能量补偿，是粘弹性介质基本理论在地震勘探过 程中的重要应用。在对品质因子求取算法进行改进的基础上，论文研究了基于时频分 析理论的地层吸收衰减补偿，以及叠前c m p 道集的q 值计算和衰减补偿。最后，通 过各种模型试算和实例分析，将改进后的q 值求取和补偿方法做了检验和应用。结 果表明，论文中提出的改进的q 值求取与补偿方法是切实可行的。 关键词：粘弹性介质，数值模拟，品质因子，时频分析，能量补偿 t h es t u d yo nm e t h o do fq u a l i t yf a c t o re x t r a c t i o na n dt h e c o m p e n s a t i o nf o r t h ea t t e n u a t i o nb a s e do ni t w ul i n ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gg u a n g z t f i a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o no fs e i s m i cw a v ea t t e n u a t i o nt h e o r yi no i l a n dg a se x p l o r a t i o n ，t h el a y e ra b s o r p t i o np a r a m e t e r sh a v eg r a d u a l l yb e e na c c e p t e da s e f f e c t i v es e i s m i ca t t r i b u t e s ，w h i c hp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nr e s e r v o i r p r e d i c t i o n a n dm e d i u m p h y s i c a l a t t r i b u t e s i n v e r s i o n a m o n g t h e s e a b s o r p t i o n p a r a m e t e r s ，q u a l i t yf a c t o ri st h em o s tc o m m o no n eu s e dt od e m o n s t r a t et h em e d i u m i n h e r e n ta t t r i b u t e i tc a np r e d i c tl i t h o l o g y , l o c a t i o na n dr a n g eo fo i la n dg a sr e s e r v o i r s ， a sw e l la sp r o v i d eas i g n i f i c a n tb a s i sf o rt h ee s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o no ft h e s e i s m i cw a v ee n e r g ya b s o r p t i o ni nu n d e r g r o u n dm e d i u m t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yf a c t o r e x t r a c t i o na n di t sa p p l i c a t i o na r eo fg r e a ti m p o r t a n c ei ns e i s m i cp r o c e s s i n ga n d i n t e r p r e t a t i o n f i r s to fa l l ，s e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o no fv i s c o e l a s t i cm e d i u mw e r es i m u l a t e di n t h i st h e s i sb a s e do nt h ev i s c o e l a s t i cm e d i u mt h e o r y , u s i n gt h e s t a g g e r e d g r i d h i g h o r d e rf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d f r o md i f f e r e n ta s p e c t s ，w ea n a l y z e ds e i s m i c w a v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n g e so fs e i s m i cw a v e sa f f e c t e db ye a r t hl a y e ra b s o r p t i o n b yi n c r e a s i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs e i s m i cd a t ap r o c e s s i n gp r o c e d u r e s ，t h et r a d i t i o n a l a l g o r i t h mo fq u a l i t yf a c t o rc a l c u l a t i n gc a nb ei m p r o v e d s e c o n d l y ，i no r d e rt oo b t a i n t h ep r e c i s ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e i s m i cf f e q u e n c y ，e n e r g ya n dqv a l u e i nt h et i m e - f r e q u e n c yd o m a i n ，w ec h o o s ed i f f e r e n ta d v a n c e dt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s t e c h n o l o g i e s ，c o m p a r i n gt h e i ra b s o r p t i o ns e c t i o n s i na d d i t i o n ，o nt h eb a s i so ff r o n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w ea l s od oe x p l o r a t o r ys t u d yo fqe x t r a c t i o nm e t h o db a s e do n n o n l i n e a r i n v e r s i o nt h e o r y t h ee n e r g yc o m p e n s a t i o nt os e i s m i cd a t ab a s e do nqv a l u ei st h em o s ti m p o r t a n t a p p l i c a t i o ni ns e i s m i ce x p l o r a t i o np r o c e s s o nt h ep r e m i s eo fm e t h o d si m p r o v e m e n t o fq u a l i t yf a c t o rc a l c u l a t i o n ，w em a i n l ys t u d i e sa t t e n u a t i o nc o m p e n s a t i o ni nt h e p r e s t a c kc m pg a t h e r sr e c o r d ，a n dt h es t r a t i g r a p h i ca b s o r p t i o nc o m p e n s a t i o ni nt h e t i m e - 行e q u e n c yd o m a i n f i n a l l y , t h er e s e a r c hm e t h o d sa n dm o d e l sw e r et e s t e da n d a p p l i e dt ot h er e a ls e i s m i cd a t a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s ei m p r o v e dq u a l i t yf a c t o r c a l c u l a t i o na n dc o m p e n s a t i o nm e t h o d sd i s c u s s e di n t h i s p a p e ra r ef e a s i b l ea n d e f f e c t i v e k e y w o r d s ：v i s c o e l a s t i cm e d i u m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，q u a l i t yf a c t o r , t i m e 一厅e q u e n c y a n a l y s i s ，e n e r g yc o m p e n s m i o n 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究进展1 1 3 论文研究的基本内容5 第二章粘弹性介质基本理论7 2 1 粘弹性介质的基本特点7 2 ，2 介质的吸收衰减参数8 2 3 线性粘弹性基本模型10 2 3 1 开尔文一佛格特模型1o 2 3 2 马克斯威尔固体模型1 1 2 3 3 标准线性固体模型1 2 第三章粘弹性介质地震波数值模拟1 4 3 1 地震波传播数值模拟方法概述1 4 3 2 交错网格高阶有限差分数值模拟1 5 3 2 1 交错网格高阶有限差分算法1 5 3 2 2 数值模拟试验2 0 第四章品质因子q 的提取方法3 3 4 1 常用品质因子的计算方法3 3 4 1 1 时间域q 值求取方法3 3 4 1 2 频率域q 值求取方法3 6 4 1 3 频谱比法的影响因素4 0 4 1 4 谱比法的改进4 5 4 2 时频域地层吸收参数提取方法研究5 1 4 2 1 谱平衡处理5 2 4 2 2 小波域地层吸收参数的求取5 3 4 2 3 广义s 变换( g s t ) 求取地层吸收参数5 7 4 2 4 基于wig n e r 时频分布的地层吸收参数的求取6 l 4 3 非线性q 值反演探索研究6 6 4 3 1 非线性反演问题求解6 7 4 3 2 快速模拟退火反演6 8 4 3 3 模型试算7 3 4 3 4 实际资料分析7 4 第五章基于品质因子q 值的吸收衰减补偿7 6 5 1 反q 滤波法7 6 5 2 基于时频分析的地层吸收补偿7 9 5 3 叠前c m p 道集q 值计算及衰减补偿8 0 5 3 1 基本假设条件81 5 3 2 峰值频率随偏移距的变化8 1 5 3 3c m p 道集吸收衰减分析8 2 5 3 4 模型试算8 7 第六章吸收属性的实际应用9 2 6 1 区域地质特点9 2 6 2 吸收属性的计算与分析9 4 结论9 9 参考文献1 0 0 攻读硕士学位期间取得的学术成果1 0 6 致谢1 0 7 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 第一章前言 1 1 研究的目的和意义 实际地下介质都是非完全弹性介质，地层吸收性质对油气储层岩性的变化具有很 高的灵敏性。地震波在实际地层介质中传播，能量会发生衰减，包括介质非固有衰减 如球面扩散，反射透射损失、转换波、层间多次反射等以及地层固有衰减。其中固有 衰减与地层内部结构特征，含流体性质，孔隙度、渗透率、饱和度等性质密切相关。 因此，在地下介质性质的反应上，地震波的吸收衰减参数是比地震波速更为敏感可靠 的依据l 。 地震波吸收衰减属性能用于岩性预测，尤其是对非构造油气藏的空间分布进行油 藏描述。在有利条件下，也可以直接预测油气的存在。品质因子q 值，作为表征固有 的地层衰减的属性，在预测岩性、油气藏的位置和范围方面具有更重要的意义，被作 为一种非常有前景的地震属性1 2 】。 地震波吸收衰减研究在地震处理与解释过程中，有着十分重要的应用。例如： 一、通过地层吸收参数的求取，可以对地震资料进行能量补偿，使得深层地震波 能量得到加强，地震剖面上的同相轴更加清晰，从而提高地震资料的品质； 二、品质因子的估算和能量补偿，是叠后叠前地震资料处理中或得高品质地震剖 面的关键环节。它对于地震成像精度的提高、a v o 效应的合理解释，介质物理属性的 正确反演等是极其重要的【3 1 ； 三、纵横波速度和品质因子q 值联合反演，是地震波吸收衰减参数的求取及其在 储层预测，叠前反演，流体识别中的重要应用1 4 ； 四、由于地震波吸收衰减对p 波、s 波的分辨率影响不同，可以用于高分辨率多 波多分量勘探的高精度地震解释5 】； 论文在粘弹性介质基本理论基础上，对影响地震波吸收衰减的因素进行分析。根 据粘弹性介质地震波正演模拟结果，综合考虑地震波的振幅、频率、带宽等多种信息， 对传统的品质因子q 值求取方法进行了有效改进，使其具有更好的适应性。在进行油 气储层预测时，利用高质量的吸收衰减剖面，结合地震波的速度、波速比等地震属性 参数和测井信息，会取得显著的效果，提高储层预测的精度。 1 2 国内外研究进展 一、品质因子求取方法研究进展： 第一章前言 1 9 6 2 年，f u u e m a n 6 】首次将岩石对地震波的吸收衰减论述为地层的基本属性。在 此之后，针对地层的吸收衰减参数，尤其是品质因子q 值的求取方面，许多地球物 理工作者进行了大量的研究，提出了很多算法，大体分为时间域和频率域方法。 1 9 7 4 年，m b a t h 1 7 】首次提出了谱比法，该方法取两个时间处或两个深度处的子波， 进行频谱分析，振幅谱比值与频率的关系，频谱比的斜率就是品质因子q 的函数。 同年，基于地震波衰减过程中的脉冲增宽现象，s t a c e y 与g l a d w i n 8 1 提出上升时间原 理。kj a r t a n s s o n 和b i a i t 9 】等于1 9 7 9 年对该原理进一步研究，提出了升时法，利用上 升时间( 或脉冲宽度) 进行q 值估测。与谱比法相比，上升时间法条件易满足，但存在 缺陷，即最大斜率点的位置和确定斜率都有误差。k a j l i l0 】等与1 9 8 1 年改进了对谱比 法，试图解决固有衰减与散射衰减分离的问题。1 9 8 4 年，r a i k e s 和w h i t e t l lj 建立频率 域中计算的传递函数，通过拟合技术计算q 值；1 9 8 5 年，j a n n s e n 人提出子波模拟法， 利用旅行时差和频散关系，通过改变q 值，人为修正参考信号，直到与观测信号最 佳近似。在此基础上发展起来频谱模拟法，通过人为改变q 值，修正参考信号的频 谱，使其与观测信号频谱达到最佳近似。1 9 8 6 年，e n g e t a r d 等人在复地震道分析基 础上提出了解析信号法求取q 值。 r t o n n t l 2 】于1 9 9 1 年，利用合成v s p 资料，对解析信号法、波形建立时间法、振 幅衰减法、拟合技术、子波模拟法、相位模拟法、频谱比法、等1 0 种q 值计算方法 进行比较。结论表明，品质因子q 的计算，强烈依赖于地震资料的品质，在低信噪 比条件下，没有一种方法可靠。这些方法都是建立在一系列的假设条件之上，没有一 种方法是普遍适用的。 1 9 9 7 年，y o u l iq u a n 和j e r r y m h a r r i s t l 3 j 提出了质心频率偏移法( c f s ) ，推导出 品质因子q 与质心频率的关系，从v s p 资料中估算地震的吸收衰减，该方法也视为 上升时间法的频率域形式。2 0 0 0 年，s h e n g j i e s u n 1 4 】提出了一种散射迭代逼近方法， 从v s p 资料中求取q 值，试图解决散射衰减与固有衰减分离的困难。 针对地面地震资料q 值的求取，1 9 9 8 年，d a s g u p t a 和c l a r k z 0 5 1 指出提出了一种 从c m p 道集中计算q 的q v o 方法。2 0 0 4 年，h a c k e r t 和p a r r a 1 6 】运用l s r 方法( r a i k e s 和w h i t e ，1 9 8 4 ) ，结合测井资料对薄层效应进行校正，从而改进了q v o 方法。2 0 0 0 年，s h e n g i i es u n i l 4 提出了一种全波形广义线性反演计算q 值的方法，并将其运用到 地面地震资料q 值求取。2 0 0 2 年，c h a n g i u nz h a n g 【1 7 】等利用了地震波频谱峰值与主 频的关系，提出了一种逐层迭代计算q 值的解析方法剥层法。2 0 0 4 年，p a v a n 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 e l a p a v u l u r i t l 8 l 等人提出了互相关的方法，通过q 值扫描，将经过q 滤波的子波与信 号子波进行互相关，取使互相关达到最大值的q ，最为q 估算值。 在品质因子求取算法的研究上，国内起步较晚。1 9 9 4 年，周辉1 1 9 】等在研究谱比 法计算q 值局限性的基础上，提出了一种用地震波频谱计算q 值的新方法，利用相 邻两个反射子波频谱的主频及其斜率，通过q 值扫描补偿，使第二个反射信号与第 一个反射信号频谱主频相同，或两者间的相似系数最大，从而计算q 值。1 9 9 5 年， 赵宪生【2 0 】等人提出了以相邻层间地震子波相似系数的相关性确定q 值的方法。1 9 9 6 年，刘学伟【2 l 】等提出了一种考虑噪音干扰的地层风化层q 值反演方法，这种q 值反 演方法一定程度上降低了噪音干扰的影响，提高了地震资料的分辨率和q 值求取的 精度。2 0 0 1 年，王辉【2 2 】等结合实际地震资料，通过时间域相邻道地震波衰减成像研 究，将波速成像与上升时间成像综合到同一处理流程，并具有灵活实用的特点。这些 早期的品质因子q 值提取技术，都是基于傅里叶变换，由于时窗的影响，产生平均 效应，从而影响瞬时值q 提取的精度。 为避免品质因子计算过程中的平均效应，较为准确地刻画出地层的吸收衰减特 性，许多地球物理工作者采用基于时频分析理论和反演理论来估算地层吸收特性。自 1 9 8 3 年，t a n e r 提出采用连续小波变换的时频分析方法求取地层介质的品质因子q ， 为品质因子的计算提供了一种新的思想。2 0 0 3 年，j a m e s 等采用s 变换方法，通过测 量地质雷达数据的中心频率偏移来计算q 值。该方法被逐渐用于地震反射资料品质 因子q 值的计算。 2 0 0 2 年，王西文、杨孔庆【2 3 j 等通过小波域分频处理技术，求取瞬时振幅的高、 低频之比，计算地层吸收系数。2 0 0 4 年，李宏兵【2 4 】等结合粘弹性介质中的地震波传 播方程，在小波尺度域推导出地震波能量衰减公式，提取出不同尺度的能量衰减剖面， 作为储层描述的属性参数，并从反射地震资料中直接计算品质因子q 值。l a n c a s t e r , s j 等2 0 0 4 年提出利用三维高密度叠前资料估算q 值和s h e n g j i es u n 在他的博士 论文中提出的利用地面地震的全波形广义线性反演的方法反演品质因子q 值1 1 4 1 。这 些方法较之前面的经典方法，有很大的先进性，它避免了往常计算吸收系数中的平均 效应，准确地刻画出每一地层地震波的衰减特征，能较为准确的表征出地层含油气的 区域。 2 0 0 8 年，高静怀等【2 6 】提出w e p i f 法，在小波域用4 个待定参数的函数逼近震源 子波，利用粘弹性介质中单程波传播理论，推导小波包络峰值处瞬时频率与品质因子 3 第一章前言 q 之间的解析关系式，利用v s p 资料直达波的包络峰值处瞬时频率提取介质品质因 子。w e p i f 法受到界面反射波影响较小、计算结果稳定、精度相对较高。 地震波衰减品质因子q 可以表征地下声阻抗的不连续性。2 0 0 9 年，c h a n g j u n z h a n g 提出了r g q a ( r e f l e c t i v i t yg u i d e dq a n a l y s i s ) 2 7 】方法，利用p f v o 方法在c m p 道集中估计c m p 点的峰值频率，然后将峰值频率与稀疏分布的反射系数相联系，最 后计算每个反射点位置的峰值频率，通过地震波峰值频率的变化来计算q 值，得出q 分布曲线。p f v o 类似于a v o 分析，可以减少波形的叠加效应。估算出的q 剖面与 反射系数剖面一样，有相同的地层边界，能够作为最终解释结果，用于油藏描述。 2 0 0 9 年，杨宇山【2 8 l 通过井地联合地震资料，充分利用地震波的运动学和动力学 信息，通过准确选取初始模型参数，运用波形法反演q 值。同年，刘洋1 2 9 】等利用多 道记录，从c m p 道集中拾取反射波峰值频率，反演层品质因子，计算平均衰减因子。 然而，这些方法对地震资料的品质要求更高，为保证q 值估算精度，有待进一步改 进。 二、基于q 值的吸收衰减补偿研究： 反q 滤波方法是对地震资料进行能量补偿的最常用的方法。最早的反q 滤波方 法，是d h a l e 根据f u t t e r m a n 模型，用预测误差滤波法求取品质因子q 值，实现地 震资料的反q 滤波能量补偿。为补偿地层吸收作用引起的振幅衰减，并同时消除频 散效应，裴江云【3 0 1 等利用k j a n a l l s s o n l 9 1 于1 9 7 9 年提出的数学模型，总结出一种反q 滤波方法对地震信号进行处理。在基于波场延拓的理论基础上，王仰华【3 l 】等提出了一 种适用于层状地层、品质因子固定条件下地震资料的能量补偿。这种方法经过改进推 广，能够在一定程度上适应q 值随地层深度连续变化的情况。 此外，刘财 3 2 】等人在反q 滤波能量补偿基础上，提出了一种的分时窗、频率域 进行的吸收衰减补偿方法。姚振兴【3 3 1 等人在研究吸收介质中地震波传播规律的过程 中，提出了一种对深度域反q 滤波的方法。这种反q 滤波算子非常符合地震波在粘 弹性介质中的传播规律，既考虑了介质的吸收作用对地震波振幅的衰减，还考虑了吸 收引起的频散效应，更接近实际地下介质的情况。 反q 滤波法对地震资料的处理效果，依赖于前期品质因子的反演精度。要精确 计算每套地层的品质因子q 值，是很困难的。此外，反q 滤波因子是时变的，使计 算过程更加困难。未解决以上问题，基于时频分析理论的地层吸收补偿方法出现了。 2 0 0 0 年，白桦【3 4 】等人在短时傅里叶变换( s t f t ) 的基础上，对地震资料运用反q 滤波 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 进行吸收补偿。由于s t f t 方法的分析时窗固定，局部分辨率固定，不能随地震信号 的动力学变化特征调整时频分辨率，以至于补偿后某些目的层段分辨率仍然很低。针 对s t f t 方法的弊端，李鲲鹏【3 5 】等人在小波理论的基础上，提出了一套地层吸收补偿 方法。小波窗函数具有可变的分辨率，可以对不同目的层段灵活处理，提高分辨率。 但小波变换存在尺度宽度问题，为克服之一缺陷，提出了刘喜武【3 6 】等人提出了基于广 义s 变换的地层吸收衰减补偿方法。 2 0 0 2 年，c h a n g j u nz h a n g 等通过引入均方根q 值n ，对叠前c m p 道集进行q 值估算及衰减补偿。均方根q 值与均方根速度类似，运用层速度分析的方法，均方 根q 值的计算类似于d i x 公式。 除此以外，r a l f f e r b e r ，w e s t e m g e c o 提出了滤波器组法，对地层吸收作用进行模 拟和补偿。这种方法不仅能够适用于品质因子与频率无关的衰减补偿，而且也能够适 用于频散模型的衰减补偿，同时适应瞬时q 值随时间变化的情况。 1 3 论文研究的基本内容 地震波的吸收衰减属性在储层描述中，是一种非常有前景的地震属性。但是，在 实际的地球物理勘探中，地震波吸收衰减研究并没有得以迅速发展，仅是在一些特定 条件下得以应用，主要受到以下因素的限制：首先是对地震衰减的机理研究不够深入， 没有得到确定的地震波吸收衰减理论：其次就是缺乏稳定可靠的估算地面地震资料、 v s p 资料吸收衰减参数的有效方法。 针对上述存在的问题，本文在粘弹性介质的正演模拟的基础上，对地层吸收参数， 尤其是品质因子的提取方法进行研究，并在此基础上研究基于q 值的地震资料能量 补偿。主要内容如下： 一、粘弹性介质的地震波数值模拟研究： 在粘弹性介质基本理论基础上，论文重点阐述了几种较为常用的线性粘弹性介质 模型的本构关系及其物理特征。在此基础上，论文采用交错网格高阶有限差分法，模 拟了地震波在吸收介质中的传播，并构建了合理的吸收边界条件，从不同角度分析了 吸收衰减因素对地震波传播的影畸。 二、品质因子求取方法改进： 在粘弹性介质地震波数值模拟的基础上，用不同的求取地层品质因子q 值的方 法进行试算，从而获得的吸收参数剖面质量来判断方法的优劣，并对算法进行改进。 然后吸收衰减因素的分析，对实际地震资料增加相应的处理流程，以提高q 值计算 5 第一章前言 的精度。论文重点以谱比法的改进为例，说明了地震资料处理对q 值提取的影响。 为了从视衰减中分离出地层的固有衰减，论文采用非线性反演方法一快速模拟退火 方法进行q 值反演的探索性研究。 三、时频域地层吸收参数提取方法研究： 将地震波吸收衰减理论，结合时频谱分解技术，求取吸收参数。根据实际资料的 处理结果，对不同时频分析技术得到的品质因子q 剖面进行比较，分析各种时频分 析方法的适用条件及优缺点。论文重点研究了w i g n e r 时频分布的特点，沿地震道计 算吸收系数口，求取吸收系数剖面，以检测局部吸收衰减异常随时间的变化。 五、基于q 值的吸收衰减补偿： 在f u t t e r m a n 近似恒q 理论条件下，利用各种方法获得的高质量的品质因子剖面， 对地震资料进行能量补偿，是粘弹性介质基本理论在地震勘探中最直接的应用。根据 求取的较为准确的品质因子q 值，可以对实际地震资料进行高频能量补偿，以拓宽 地震波有效频带，从而提高深层地震剖面的分辨率。论文研究了反q 滤波算法和时 频域的能量补偿方法。针对叠前c m p 道集的吸收衰减补偿，采用均方根q 的思想， 用剥层法，根据不同偏移距，逐层计算地层q 值，在此基础上进行能量补偿。 六、实际资料的应用： 结合实际地震资料情况，选择有效的q 值提取算法，或增加相应处理流程以获 取高质量的相对q 值剖面。将从实际地震资料中求取的吸收参数剖面，与插入井资 料进行对比，试验改进方法的分辨率和所得参数对油气的敏感程度，以用于油气检测 和储层预测。在实际的油气藏勘探过程中，通过从地震资料提取相对q 值属性剖面， 观察相对q 值的空间分布规律，进行储层预测和油藏描述。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章粘弹性介质基本理论 2 1 粘弹性介质的基本特点 物质存在的三种基本形态是：固相、流相和气相。按照物质存在的相态建立 一个“相态谱系 坐标轴，三种基本形态为别为坐标轴上的三个基本点。物质大 都不是纯粹以这三种相态存在的，而是分布在这三个基本点之间。粘弹性介质便 是介于流相介质和固相介质之问的一种粘性介质。粘弹性介质本身分布的“谱 范围比较宽，例如麦克斯威尔介质，其粘弹性介质的“相态”靠近“流相点 ； 开尔芬介质，其粘弹性介质的“相态 靠近“固相 点。 粘弹性介质的基本特征是介质的非完全弹性性质【3 丌。完全弹性介质中不存在 机械能损失问题，只是存在不同形式机械能( 动能和位能) 之间的相互转换。非 完全弹性介质中存在能量吸收问题。地震波在地下介质中的传播过程中，机械能 有所损失。这种介质的吸收作用主要表现在：在实际地震资料处理中，对影响弹 性波振幅衰减因素如球面扩散、中间界面能量透射损失等进行补偿后，深层的地 震波振幅仍小于浅层。 粘弹性介质中引起地震波能量能量吸收的因素非常复杂。能量吸收问题的定 性解释目前有以下两种【37 j ：一、内摩擦理论：它认为由于介质的粘滞性，使得 形变时介质中各质点在振动过程中发生相互间的摩擦作用，外力将克服摩擦力做 功，使部分机械能转换为热能而消耗，从而使地震波的能量以热量的形式在传播 过程中发生衰减和耗散。二、弹性后效理论：它认为物体在外力的连续作用下， 介质内部结构发生变化，但由于介质的粘滞性，外力消失后物体不能完全恢复原 状，存在一定的剩余应变。剩余应变的存在，消耗了部分弹性能量，产生地震波 振幅的衰减。 完全弹性介质中，应力和应变之间关系遵守广义虎克定律，即成正比关系。 但是在粘弹性介质中，这种应力与应变之间的关系已不再成立，因为考虑介质内 摩擦力的作用。关于非完全弹性介质中的应力与应变关系，人们提出很多假设， 从而建立了不同的非完全弹性介质模型。论文将以地震勘探中使用较多的 k e l v i n v o i 模型为例，简要介绍地震波的吸收特征。 7 第二章粘弹性介质基本理论 2 2 介质的吸收衰减参数 地震勘探中用来表示地层吸收性质的参数有品质因子q 、吸收系数口、衰 减因子和对数衰减率6 等1 3 8 】。 一、品质因子q 品质因子q 值是描述介质的地震波衰减的一个重要物理参量。它是岩石对 弹性波吸收特征的一种表达方式，是储能与耗散能的比率，描述了介质非完全弹 性特征【3 引。一般来说介质的q 值与地壳的结构特征有关，常常用下面的式子来 定义： 当波传播一个波长为九的距离后，原来储存的能量e 与消耗能量丝之比的 2 万倍，即： 一1 ：2 万a e 一= z 万一 q e ( 2 1 ) 其中，e 为介质质点处于最大应力、应变状态下的弹性能。缸为谐波激励 条件下，介质质点振动一周期后损耗的能量。 二、对数衰减量万 当地震波在地下传播一个波长距离( 即一个周期t ) 时，其振幅与初始振幅 比值的自然对数3 舯，称为对数衰减量艿： 万：i n 鱼 4 ( 2 2 ) 式中，4 、4 为地震波相邻两个波峰的振幅值。 等= 竿斗 鲁 2 = h h 俨笏 协3 ) 万与q 之间的关系是： d ：上竺：鱼 2 万e7 ( 2 4 ) 他们都表示地震波振动一周的吸收衰减情况。 三、吸收系数口 地震波振幅a 沿传播距离的衰减，通常用吸收系数来表示【3 羽。平面波在均 匀吸收介质中传播的振幅方程： a ( r ，f ) = 4 p 川。c o ( t ) ( 2 - 5 ) 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 其中，4 为地震波初始振幅值；，为地震波传播距离；口为地震波振幅a 沿传播距离的吸收系数；缈( ，) 为地震波的波动函数。地震波在吸收介质中的传播， 振幅值随传播距离的增大而呈指数减小。如果是球面波，考虑球面扩散作用，则 j l 可在公式的鸽的前面乘上，。 吸收系数口计算的是单位长度距离地震波的吸收衰减。如果地震波传播距离 以波长计算，则与艿等价，两者存在关系【3 0 j ： 666 ， 口= 一= 一i 一， 兄t v1 ，。 ( 2 6 ) 其中，名为地震波波长，v 为地震波传播速度，为振动频率。 四、衰减因子 衰减因子是用来表示地震波振幅随波的旅行时而衰减的， a ( r ，t ) = a o e 一所 ( 2 7 ) 式中，t 为波的旅行时。平面波每走一个波长的振幅衰减分贝数【3 8 】，即 脚吨 协8 ， 单位：d b t ，式中4 、4 是相邻两个波峰的振幅值。 = 8 6 8 6 x6 = 2 7 2 9 q ( 2 9 ) 、万、q 三个参数都表示地震波每传播一个波长距离( 一个周期) 的能量 衰减。万：1 n 孚：觎：公式可见，对数衰减率万是无量纲参数。 实验证明，地震频带范围内，吸收系数口与地震波频率f 成正比， 886 口= 一= 一= 一， 五nv 。 ( 2 1 0 ) 其中，比例系数皇为常数。若忽略频散现象，则吸收系数口对数衰减率万都是 与频率无关的常数，只反映地层介质的吸收性质。 品质因子q 、吸收系数口、对数衰减量万、衰减系数之间的关系， 脚吨锄- 舴2 吨c 咖监 = 8 6 8 蚴协 9 第二章粘弹性介质基奉理论 16a 2 88 一= = 一= 一= ：一：一 q 7 y 8 6 8 6 ，r2 7 2 9 ( 2 1 2 ) 这四个地层吸收参数中，最常用的是品质因子q 。 2 3 线性粘弹性基本模型 粘弹性介质模型假定，介质的应力包括两部分：一部分是弹性应力，满足虎 克定律；另一部分是粘滞应力，粘滞应力与应变的时间变化率成正比。 介质的非弹性或线性粘弹性产生的阻尼有相当复杂的方式，取决于温度、频 率、振动类型等因素，因此可以用许多不同类型的物理机制来描述。这里讨论 的非弹性是较简单的线性弹性，它是线弹性和斯托克斯( s t o k e s ) 两种机制的叠 加，而且在给定时刻的应力与应变线性相关，满足线性叠加原理。因此，线性粘 弹性比弹性更接近实际介质的应力应变关系。 采用机械类比的方式来描述线性粘弹性是方便的。线性弹性用线性弹簧表 示，伸长量与作用力成正比，具有瞬时弹性和瞬时恢复性质，因此与时间无关。 粘滞性用线性阻尼器表示，应变的变化率正比于应力，因此与时间是相关的。本 文以开尔文佛格特模型为例，简要介绍了介质的非完全弹性对地震波能量的吸 收作用。本节将再介绍其他一些常用的粘弹性模型及其应力应变的本构关系式， 并最终导出一般线性固体中的本构方程。下面就通过线性弹簧和阻尼器的不同组 合来描述各种线性粘弹性。 图2 - 1 线性弹簧元件图2 2 线性阻尼元件 完全弹性介质中的应力和应变之间遵守广义虎克定律，即应力与应变之间成 正比关系。但是在粘弹性介质中，这种应力与应变之间的关系已不再成立，因为 此时要考虑介质内摩擦力的作用。关于非完全弹性介质中的应力与应变关系，人 们提出很多假设，建立了不同的非完全弹性介质模型。 2 3 1 开尔文一佛格特模型 开尔文佛格特固体模型刀由一个弹簧与一个阻尼器并联组成。恒定外力作 用下，由于阻尼器的作用，系统不会立即产生位移。在外力持续增加的作用下， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 弹簧逐渐发生形变，直到达到最大伸长量。由于阻尼器的松弛作用，应力消失时， 应变会滞后。 图2 - 3k e l v i n - v o i g t 模型 弹簧和阻尼器承受的力不同，但产生的位移是相同的。根据虎克定律，弹簧 的作用力为： z = h ( 七为弹簧的劲度系数)( 2 1 3 ) 阻尼器的粘滞力为： 工卸( 为粘滞系数)( 2 - 系统所受合力： 儿z + 工堍“砉 ( 2 1 5 ) 故系统总的应力与应变关系为： a 占 仃2 q + 吼2 肛+ 叩百 ( 2 1 6 ) 式中，q 和吒分别为弹性应力和粘滞应力。 2 3 2 马克斯威尔固体模型 马克斯威尔固体模型口刀由一个弹簧和一个阻尼器串联构成。作用在弹簧和阻 尼器两个元件上的应力是相等的。系统的伸长度作为时间函数，取决于应力作用。 图2 - 4m a x w e l l 模型 在恒定外力盯作用下，模型将同时产生两类应变。一类是弹簧的弹性应变： 仃 q2 一 1 l ( 2 - 1 7 ) 第二章粘弹性介质基本理论 另一类是阻尼器产生的应变率： o 、o ；= 一 a t r 式中，和叩为两个常数。模型总应变率为： ( 2 1 8 ) a s a 6 , a s ，la o ro r 一= ：- + - = - = 4 - 一 a ta ta t a t i ( 2 1 9 ) 2 3 3 标准线性固体模型 k e l v i n 模型和m a x w e l l 模型是粘弹性固体介质模型中最为基本和传统的模 型。其它粘弹性固体介质模型都是在这两个模型的基础上的派生组合而成的，如