（地球探测与信息技术专业论文）利用avo资料反演泊松比方法研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 摘要 a v o 处理技术是一种利用地震反射振幅信息进行油气检测技术，首先依据钻井资料进行a v o 正演模拟和分析；在此基础上，采用优化的处理流程和保幅处理技术对野外地震数据进行a v o 处理， 依据a v o 处理成果资料与各种地震资料综合分析后，提出油气勘探有利地带。 自从a v o 反演概念被提出以来，这个方法不断地补充完整，并逐渐应用到实际中。实践证明， 在利用地震资料确定天然气方面a v o 异常具有非常重要的意义，含气砂岩与围岩相比，一般具有较 低的泊松比，从而引起a v o 异常由于泊松比明显下降，a v o 斜率一般为负，因此在a v o 研究 中，泊松比是直接检验油气的一个极为重要的参数，另外泊松比的变化还能反映地层岩性的变化。 因此对于油气检测有重要价值 本文是在正演模型研究基础上进行泊松比反演研究，主要是利用s h u e y 简化公式进行a v o 正演 模拟分析。首先对双层理论地质模型进行正演模拟，分析储层参数对a v o 效应的影响，然后分析多 层理论地质模型，最后对实际资料进行a v o 反演，再与实际结果进行对比分析 本文介绍的a v o 反演方法最终能获得泊松比剖面，该方法简单易行，计算速度快，能够迅速地 发现和追踪与含天然气砂岩有关的低泊松比异常。这在实际应用中具有非常重要的作用 关键词；泊松比：角度道集；正演模型；反演；a v o 效应 奎鏖至垫兰塞堡圭至耋兰堇些兰堡篁圣 a b s t r a c t a v op r o c e s s i n gi st od e t e c th y d r o c a r b o nb yu s i n ga m p l i t u d ei n f o r m a t i o no fs e i s m i cr e f l e c t i o n f i r s t , a v of o r w a r dm o d e l i n ga n da n a l y s i sw 讹c a r r i e do u tb yu s i n gd r i l l i n gd a t a , t h e na v op r o c e s s i n go f f i e l d s e i s m i cd a t aw e r ep e r f o r m e dw i t ho p t i m ap r o c e s s i n gf l o wc h 2 眦a n dp r e s e r v e da m p l i t u d ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , a n df i n a l l yf a v o r a b l e n e sf o re x p l o r a t i o nw e r ed e l i n e a t e db a s e do f fa v op r o c e s s i n gr e s u l t s a n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f v a r i o u ss e i s m i ca n dg e o l o g i cd a t a e v e rs i n c ea v oc o n o e p tb e i n gp u tf o r w a r d , t h i sm e t h o di sa d d e di n t e g r i t yc o n s t a n t l yf r a e t i e ea c e r t i f i c a t e , i ti su s u a l l ya p p l i e dt or e a l i t y i th a sb e e nc o n f i r m e dt h a ta v oa n o m a l yh a sv e r yi m p o r t a n t m e a n i n gi nt h e 罄雕怕o fd e t e c t i n gn a t u r a lg a sb ys e i s m i cd a t a , s a n d s t o n eb e 耐n gn a t u r a lg a sh a sal o w e r p o i s s o n sr a t i ot h a na d j a c e n tr o c kg e n e r a l l y , t h u sc a u s ea v oa n o m a l y b e c a u s ep o i s s o n 3r a t i od e s c e n d s o b v i o u s l y , a v og r a d i e n ti sn e g a t i v eg e n e r a l l y 。s op o i s s o n sr a t i oi sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e rt od e t e c t t h eh y d r o c a r b o n sd i r e c t l yi na v or a r c h , t h ev a r i e t yo f p o i s s o n sr a t i oc a na l s or e f l e c tt h er o c kl i t h o l o g y o f t h ef o r m a t i o n , s oi th a si m p o r t a n tv a l u ei nt h eh y d r o c a r b o nd e ! t e c t i o n p o i s s o n s r a t i o i n v e r s i o n i ss t u d i e db a s e d o n t h e r e s e a r c h o f f o r w a r d m o d e l i n t h i s p a p e r a v o f o r w a r d m o d e l i n gm a k e s 嘲1 0 ft h es h u e ys i m p l i f i c a t i o nf o r mm a i n l y f i r s t l y d o u b l el a y e rt h e o r e t i c a lg e o l o g y m o d e li sm o d e l e d , t h er e s e r v o i rp a r a m e t e ri n f l u e n c ef o ra v oe f 佰e c ti sa n a l y z e d t h e nm u l t i l a y e r t h e o r e t i c a lg e o l o g ym o d e li sa n a l y z e d f i n a l l y , a v oi n v e r s i o ni sc a r r i e do nt ot h ea c t u a ls e i s m i cd a t a , a g a i nc o m p a r i n gw i t ha c t u a lr e s u l t a v oi n v e r s i o ni n t r o d u c e db yt h i sp a p e rc a c q u i r ep o i s s o n sr a t i os e c t i o n t h em e t h o di se a s yt o o p e r a t e ，e f f i c i e n ti nc o m p u t a t i o n , c a r ld i s c o v e ra n dt r a c kq u i c k l yl o w e rp o i s s o n sr a t i oa n o m a l yt h a th a s s o m e t h i n gt od ow i t hs a n d s t o n ec o n t a i n i n gt h en a t u r a lg a s i ti sv e r yi m p o r t a n ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p o i s s o n sr a t i o ；a n g l eg a t h e r ；f o r w a r dm o d e l ；i n v e r s i o n ；a v oe f f e c t 【i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包合 其他个人巳经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：趑日期：生丑：叁塑 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复翻并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内客编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：象 乞 导师签名：弘重 日期：出口z 沪 日期：”o7 大庆石油学院硕士研究生学位论文 创新点摘要 1 研究出了一种抽角度道集的方法，对实际地震资料进行了抽角度道集，以便于进行a v o 分析； 2 由s h u e y 简化公式推导出了逐点反演泊松比的公式，对理论模型及实际地震资料进行泊松比 反演。在反演中，给定初始泊松比及振幅标定系数，按递推公式计算泊松比，由反演结果分析了初 始泊松比、振幅标定系数以及子波对反演值的影响。 1 v 丈厌石油学院硕士研究生学位论文 引言 a v o 是利用振幅随偏移距变化特征分析和识别岩性和油气藏的地震勘探技术。通过 a v o 技术，可以提取高精度的岩石物性参数，有利于资料的综合解释和油气预测，提高 探井成功率和合理制定开发方案，从而降低勘探风险，提高经济效益。 a v o 技术发展简史 a v o 技术是根据振幅随炮检距的变化规律所反映出的地下岩性及其孔隙流体的性质 来直接预测油气和估计地壳岩性参数的一项技术。它同样是以弹性波理论为基础。与传 统地震勘探理论不同的是，a v o 技术研究的是地震反射振幅随炮检距( 或入射角) 变化 而变化的规律及与地层岩性的关系。 反射波地震勘探中最重要的假设之一是：两种波阻抗不同的介质之间的界面是一个 反射界面，当界面两边的波阻抗确定后，反射界面的反射系数也就唯一地确定了。然而 地震波反射振幅( 或反射系数) i j 是随着炮检距的改变而改变的。 1 9 4 0 年m u s k a t 和m e r e s 发表了他们的经典论文【2 l “弹性介质中平面波的反射和透 射系数”，并宣称“平面波的反射和透射系数是入射角的函数”，当深度一定时，入射 角和炮检距成正比例关系。由于受技术条件的限制，这一发现并没有在地震勘探工作中 很快得到应用，学者们只是在理论上进行了研究，但这些研究给以后的实际应用打下了 基础。 在此基础上，1 9 5 5 年k o e f o e d 对z o e p p r i t z 方程进行了简化【3 1 ，将原来的7 个独立 变量简化为5 个独立变量，并且通过研究不同模型岩性参数( 主要讨论泊松比的影响， 假定界面两侧的泊松比是不同的，这突破了m u s k a t 和m e r e s 计算中泊松比为常数的假 设条件) 的平面波反射系数变化规律，提出泊松比是影响振幅随偏移距变化的主要因素， 第一次提出了a v o 作为岩性指示因子的可能性，对a v o 技术的发展具有重大意义。 1 9 6 1 年b o r t f e l d 详细论述了平面纵波反射系数近似方法，在假设反射和透射界面 两侧岩性参数变化较小时，给出了第一个区分流体和固体的简化公式1 4 1 ，从而使a v o 分 析的实践应用成为可能；1 9 7 6 年，r i c h a r d s & f r a s i e r 在研究弹性波的散射问题时，在 假设相邻地层介质弹性参数变化较小的情况下，从位移和应力连续角度对z o e p p r it z 方 程进行了近似，给出了较为简单直观而且精度较好的反射和透射系数的近似表达式【引。 1 9 8 0 年，a k i & r i c h a r d s 在经典著作定量地震学中，在沿用前人假设条件的基 础上，通过利用射线参数和角度增量的近似关系，给出了和r i c h a r d s & f r a s i e r 类似的 弱反差近似公式1 6 j 。在他们的基础上，许多学者从不同的角度给出了各种近似公式。其 中包括1 9 8 5 年s h u e y 给出的用不同角度项表示的突出泊松比的反射系数近似表达式【7 1 ， 1 9 8 7 年s m it h 和g i d l o w 在假设介质速度和密度满足经验公式条件下给出的近似公式【8 i 等。 引言 这些基于不同假设条件的z o e p p r i t z 方程近似公式的出现，以及地震勘探中多次覆 盖观测方法及数字处理技术的发展，大大地促进了a v o 技术的发展。2 0 世纪8 0 年代， 包括岩石物性在内的a v o 理论逐渐趋于完善，2 0 世纪8 0 年代初，o s t r a n d e r 等人率先 将这一技术投入实际应用【9 i ，即利用共中心点资料，研究实际纵波反射振幅随炮检距的 变化，并根据在一定的地质条件下含气砂岩的反射振幅随炮检距增加而增加这一特征直 接寻找油气。自此之后，许多学者开始从不同的角度对a v o 技术的理论和应用进行了深 入的研究，并将其用于油气储层预测，其中有很多成功的实例”o 】 1 1 8 1 ，但也有不少失败 的教训9 1 。通过不断总结成功的经验和失败的教训，a v o 技术正在不断趋于成熟和完善。 a v o 技术的主要特点 a v o 技术自应用于油气勘探已经有2 0 多年的历史了，在这2 0 多年的发展历程 中，既有成功的先例，也有失败的经验和教训。 a v o 技术比早期的油气直接探测技术的优越之处首先在于它理论的先进性。8 0 年代 之前，人们使用的油气直接探测技术( 或者说直接碳氢指示因子d i r e c th y d r o c a r b o n l n d i c a t o r ，即d h i ) 大致有：亮点( b r i g h ts p o t ) 、平点( h a ts p o t ) 、相位变化( p h a s e c h a n g e ) 、暗点( s h a d o wz o n e ) ，人们对这些直接碳氢指示因子的物理基础的认识停 留在对现象的直观说明的水平上，并且对他们的认识是彼此孤立的。a v o 技术是从严密 的数学物理理论推导说明振幅随炮检距变化的规律，从岩石及其孔隙流体的弹性性质说 明振幅随炮检距变化的信息反映了地下岩石及孔隙流体的性质变化。根据a v o 理论，亮 点、暗点、相位变化，这些原先彼此孤立的现象及其解释，可以被放在一个统一的理论 框架之内。 a v o 技术的第二个优越之处是它在应用上的广泛性。大多数油气储层的反射信号在 地震剖面上没有明显可辨的亮点、暗点、相位变化的现象，平点特征更加少见。因此， 早期的直接碳氢指示因子作为油气探测的辅助技术，只有在非常有限的地质条件下，才 有使用的可能。振幅随炮检距总是要变化的，或增加、或减小；变化的梯度或大或小。 振幅的变化是由地下岩石及孔隙流体的弹性性质决定的，把a v o 技术看作是一种寻找天 然气的技术，是目前流行的技术。 a v o 技术的第三个优点是在某种程度上它有定量的概念。亮点、暗点，何以为亮， 何以为暗? 二者有程度上的差别，没有定量的概念，并且，随地震资料处理人员、解释 人员的主观认识不同，带有不确定性。a v o 理论表明，振幅随炮检距的变化是地下岩石 及孔隙流体的弹性参数的函数，这奠定了根据振幅信息反演岩性及孔隙流体性质的可靠 的数学物理基础。 纵观这些年a v o 技术的理论发展和应用效果，a v o 技术也存在着着一些主要问 题： 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 反射振幅同时受多种弹性参数的综合影响，如果孤立的用某一个或几个参量来 定性表征反射振幅随偏移距的变化规律势必会有一定的片面性，甚至会出现错误的结 果： 2 在应用a v o 技术时，影响振幅变化的因素不能得到最大限度的校正和补偿也影 响了a v o 技术的应用效果； 3 在a v o 分析过程中人为假设纵、横波速比近似为2 ，这在很大程度上限制了其 应用范围，甚至还可能造成很多假象： 4 于z o e p p r i t z 方程的近似公式大多都是弱反差近似，对于岩性差异较大的地层， 这些近似公式将会出现较大的误差，这很可能影响了a v o 参数反演的精度和可靠性： 5 a v o 分析技术是建立在平面波理论基础之上的，对于复杂地层或复杂介质，平面 波理论是否可以通过简单的补偿来正确描述球面波的特征还有待进一步深入研究； 6 对于同一地震资料，不同处理人员可能会反演出不同的地层弹性参数。也就是 说，地球物理反演方法本身的不确定性很可能影响了a v o 技术的应用效果： 7 另外，目前陆上勘探资料的低信噪比也是影响a v o 应用效果的另一主要因素。 国内外a v o 技术研究现状及发展趋势 1 9 8 4 年，自o s t r a n d e r 提出了从地震资料中估算岩石弹性特征的a v o 技术之后，作 为一种重要的地震岩性分析工具，该技术得到了迅速的普及和应用，经过2 0 多年的发 展，目前，它已经在油藏检测和储层特征描述中扮演了重要的角色。随着地震勘探从二 维发展到三维，从叠后发展到叠前，从纵波勘探发展到多波多分量勘探，a v o 技术也在 不断的发展和创新，当前a v o 研究工作的重点将主要体现在如下几个方面： 1 a v o 属性分析 自s m i t h 和6 i d l o w ( 1 9 8 7 ) 引入流体因子的概念以来，a v o 属性交会图分析方法 得到了广泛应用。为了利用不同的a v o 交会图来揭示a v o 属性异常的地质含义，目前 人们已经构建了不同形式的a v o 交会图分析方法口1 卜1 2 4 1 。由于g o o d w a y ( 1 9 9 7 ) 发现拉 梅常数对储层流体特别敏感，因此利用拉梅常数、弹性参量进行交会图分析来获取更多 的与流体性质有关的信息将是a v o 属性分析的一个重要研究方向，另外，利用多种属 性的组合进行多维a y o 交汇图分析1 2 5 1 也很可能会为a v o 属性分析开辟新的研究领域。 2 孔隙流体识别 从理论上讲，a v o 可区分密度和速度差异，因此可用于识别孔隙流体类型和饱和度。 尽管岩石物理模拟、流体替代模型和a v o 反演的结合可用来识别流体类型，但是如何利 用a v o 属性所包含的信息来改善孔隙流体的识别效果、区分部分气饱和仍然是目前 a v o 技术面临的主要问题。 3 统计a v o 分析l ”j 【2 7 j 人们普遍认为a v o 属性应该是带有特定信息( 即碳烃化合物) 的一种概率测量结 果，岩石物理学和地震模拟有助于解释a v o 的地质含义。目前的主要难题是如何定量 引言 分析由于地震资料的质量变化造成的碳烃检测的不确定性，这主要包括把岩石物理学导 出的概率密度函数变化到实际地震数据域。因此，建立在a v o 交会图或其它属性分析 基础上的统计a v o 分析将是今后地震学研究中非常活跃的一个领域。 4 三维及多维a v o 分析 三维a v o 分析提供了定性、定量岩性和油藏描述的手段，利用a v o 属性体( 如三 维密度差异体或速度差异体) 等来改善a v o 烃类分析能力。与各向异性a v o 研究结合， 三维a v o 有助于检测裂隙发育带1 2 8 1 。目前，三维a v o 分析最普遍的实现方法仍然是对 穿过三维数据体的二维测线进行a v o 分析研究，因此，通常的三维道集是不保幅的， 而且仅仅是近、中、远道的局部叠加可用于a v o 分析，另外，由于经济上的原因，三 维数据往往减少了叠加次数和孔径。对叠前道集采用适当的振幅处理和常规振幅保持后 的三维成像，终将大大改善三维数据a v o 分析的效果。此外，利用重复测量的三维地 震数据进行四维a v o 分析还可以改善油藏静态和动态描述。 5 定量叠前地震反演 a v o 反演是提供更为全面的岩性参数反演的途径。在有井资料控制的情况下，传统 的全波形a v o 反演是一项非常有用的技术2 9 h 3 舶。在没有井控制的情况下可优先选用遗 传算法【3 3 i 。c a s t a g n a ( 2 0 0 0 ) 曾指出：a v o 分析的目标不是试图得到一个正确的答案， 而是要认识和说明引起异常现象的原因，为减小风险提供更多的信息。这充分说明了 a v o 反演不能克服多解性问题，但是，一个好的初始模型对反演结果是很有帮助的。传 统的a v o 反演更多的是估算a v o 的各种属性，利用各种属性与岩石物理背景趋势的差 异作为检测a v o 异常的一种有效手段，它忽视了岩石弹性参数的定量估算。因此，定 量的多种地层参数反演将是a v o 反演的今后发展的主要方向。 6 薄层a v o 分析 储层顶、底反射的调谐作用，强反射层附近或复杂储层内的干涉问题始终是a v o 定 量分析的难题【”i ，如何补偿和分离这种效应，对于改善和提高a v o 烃类检测能力是至 关重要的。尽管f u l l e r ( 1 9 8 9 ) 、b a k k e & u r s i n ( 1 9 9 8 ) 、d o n g ( 1 9 9 8 ) 等分别讨论了 校正调谐作用的重要性；s w a n ( 1 9 9 3 ) 则对如何补偿这种效应进行了深入分析，但是对 于陆相沉积、薄互层砂泥岩地层，薄层的调谐效应仍然决定着a v o 处理和解释的成败。 7 多波多分量a v o 随着多分量记录成本的不断下降，a v o 分析将毫无疑问地涉及三分量数据，并将联 合利用p s v 波和p p 波，在经济条件允许的情况下，甚至可以利用九分量采集的数据。 因此，如何互为约束、互为补充的利用多波多分量地震资料进行a v o 分析和参数反演必 将成为a v o 理论研究的一个重要方面。 8 各向异性a v o 随着a v o 技术和理论的飞速发展，人们开始对各向异性a v o 进行了研究，并提出 了方位各向异性a v o 理论。各向异性对a v o 分析有以下三种影响：引起非双曲时差和 4 大厌石油学院硕士研究生学位论文 相应的属性提取误差，各向异性不适合采用双曲线时差的n m o 校正方法；各向异性带 来了与角度有关的传播损失；各向异性影响入射角、目的层反射系数和临界角的位置。 r u g e r 给出了各向异性z o e p p r i t z 方程最精确且有用的近似公式，它包含了穿过一个界 面时各向异性参数差异的影响，并利用这些近似公式讨论了方位a v o 及裂隙检测等问 题。尽管平均的各向异性作用也会明显改变反射系数，方位各向异性也会混淆a v o 分 析，但它仍然可被用作一种裂缝特征描述的工具。 9 广角a v o 分析 在过去的几十年中，叠前分析技术已经扩展到远偏移距信息的利用上，远偏移距数 据振幅解释的一个常见陷阱是把临界角附近大的振幅增加误认为是泊松比的影响。实际 上，临界角的位置仅取决于界面两侧的波速，而与泊松比没有直接的关系。过临界角反 射影响反射系数相位移动，以及出现可能与一次反射混淆在一起的折射首波，相移和首 波都可能被误认为是各向异性引起的异常。另外，基于z o e p p r i t z 方程的近似公式一 般都假设小的弹性参数差异和小的入射角，而在临界角时假设条件不成立。因此，发展 能够准确描述过临界角a v o 特征的强反差近似公式也是a v o 理论研究的一个重要问 题。 1 0 噪声压制和叠前成像 c d p 叠加是地震反射波数据处理中最有效的噪声压制手段，但在进行a v o 分析时 是无法利用的，因此叠前噪声压制技术非常重要。在过去的1 0 年里，叠前r a d o n 滤波 已被证实是非常有效的技术，最新进展表现在多次波压制方面，而且逆散射技术为a v o 分析提供了特殊保证。由于速度分析是a v o 属性提取的最重要的环节，常规速度分析 所用的相似统计方法隐含着振幅不随偏移距变化的假设条件，而当振幅随着偏移距的增 加出现极性反转时则会影响速度谱分析的精度，在目的层处产生虚假的拉平地震道集。 k i r l i n 、s a r k a r 等论述了考虑a v o 效应的速度分析方法；o r s i n 和e k r e n 描述了处理 剩余n m o 误差的自动化方法。正确的叠前偏移成像可以改善地震信噪比和提取a v o 属 性的横向分辨率，这对复杂构造情况下的a v o 分析问题显得尤为重要。 1 1 叠前地震属性分析 模拟流体和频率变化对叠前地震响应的影响对于认识a v o 和烃类的关系是很有益 的，a v o 研究了振幅信息和偏移距的关系，地震属性随偏移距变化和岩性、烃类的关系 是今后更为广阔的研究课题。此外，h v o 技术在流体性质识别，暗点型气藏评价、裂缝 评价、碳酸岩烃类检测及油藏静态、动态描述等领域也会得到更多的应用。 选题的主要依据 本研究课题的研究内容属于地球物理反演问题。地球物理反问题的目标不仅仅是波 速模型，而且是地球内部的精细组构和动力学过程，并向泊松比、储层厚度等储层参数 成像发展。地震反演方法包括地震波场反演、层析成像反演、线性化迭代反演、仿真淬 火法反演、遗传算法及联合反演方法等等。本课题主要研究直接利用a v o 资料进行泊松 引言 比参数的反演。这种反演方法不需要事先给定接近真实地层泊松比的初始猜测模型，反 演结果不存在多解性。直接利用纵波的叠前角度道集资料进行逐点递推反演泊松比，通 过反演结果发现及追踪与含气储层相关的低泊松比异常，由泊松比异常可以发现与追踪 天然气层。 油储地球物理学是当前油气勘探和开发的支撑学科之一。描述储层地球物理特征的 直接方法就是依赖地震资料对储层地球物理特征参数进行反演，通过研究这些储层参数 的变化来描述储层的特征。这些储层参数中，通常研究的有纵、横波速度、地层密度、 泊松比、孔隙度、地层压力等参数。其中泊松比参数不仅反映储层岩性变化特征，还能 反映地层含油气情况，对油气检测具有重要价值。 以往对储层参数的研究多是以常规的叠后地震资料为基础，但是水平叠加是不同炮 检距振幅的平均值，忽略了反射系数与入射角之间的关系，而叠前地震资料信息丰富， 通过振幅随炮检距的变化( a v o ) 特征进行储层参数反演可以提高反演精度。a v o 技术在 我国许多油气田已得到广泛应用，特别适用于寻找天然气。a v o 理论不仅考虑了速度和 密度信息，更重要地考虑了与大多数岩性及含油气性有一定关系的泊松比信息，因此利 用a v o 资料进行反演是泊松比参数反演的一个有效途径。目前，对于泊松比参数的研究 往往只是立足于得出纵、横波速度之后的简单转化计算，而地层速度的准确成像一直是 勘探地球物理学中一个较困难的课题，这就阻碍了泊松比参数的反演研究。 从国内外已经发表的有关a v o 反演方法的文献来看，大多是采用基于解最优化问题 的迭代反演方法，这些方法都需要事先给定接近真实地层泊松比的初始猜测模型，否则 反演结果存在多解性。从理论上探讨如何应用a v o 资料来反演泊松比参数，研究直接利 用纵波的叠前角度道集资料进行逐点递推反演泊松比的方法p 卸巾卅，通过反演结果发现 及追踪与含气储层相关的低泊松比异常，这对于储层地球物理学理论研究具有重要意 义。此课题将从理论上探讨如何应用a v o 资料来反演泊松比参数，研究直接利用纵波的 叠前角度道集资料进行逐点递推反演泊松比的方法，通过反演结果发现及追踪与含气储 层相关的低泊松比异常，这对于储层地球物理学理论研究具有重要意义。这种方法不需 要给定接近真实泊松比的初始值，有利于对实际地震资料的批量处理，具有很好的应用 价值。 6 大庆石油学院硕+ 研究生学位论文 第1 章a v o 技术的理论基础 a v o 反演以反射振幅随炮检距的变化而变化的特征为基础，通过研究振幅随炮检距 的变化规律来确定反射界面两侧介质物性，并定量地求解介质的物性参数以及弹性模量 值。研究振幅随炮检距变化( 即随人射角变化) 特征的理论基础是z o e p p r i t z 方程及其近 似式。具地说，就是依据z o e p p r i t z 方程【帅j 或其近似式，应用已知的实际观测数据或正 演得出的模型数据，以某种数学方法为工具，求解产生这些观测或模型数据的模型( 或 实际岩层) 物性参数值。 1 1 z o e p p ri t z 方程及其简化公式 早在4 0 年代，物理学家已经研究了反射系数随入射角变化的规律，z o e p p r i t z 方程 是其杰出的成果之一。这是一个很复杂的联立方程组，不便于研究各变量对反射系数的 影响，后来许多学者做了大量的工作从不同的方面对z o e p p r i t z 方程进行简化，提出了 不同的纵波反射振幅的近似表达式。它们从不同方面帮助我们理解岩性参数、纵横波速 度、密度和泊松比对反射振幅的影响。 1 1 1 完全形式的z o e p p r i t z 方程 a v o 技术理论基础是描述平面波在水平分界面上反射和折射的z o e p p r i t z 方程。尽 管该方程早在2 0 世纪初就已经建立，但由于其数学上的复杂性和物理上的非直观性，一 直没有得到直接的应用。 当地震纵波以非零入射角口入射到固体弹性介质分界面r 上时，界面反射系数既与 界面上、下岩石的物理性质有关，又与入射角有关。它在界面两侧将产生反射纵波p r ( 反射角q ) 、透射纵波p t ( 透射角口：) 、反射横波s r ( 反射角届) 透射横波s t ( 透 射角尻) 。地震反射波和透射波示意图如图1 1 。 r 图卜l 地震反射波和透射波示意图 f i g1 1d i a g r a m m a t i c m a p o f s e i s m i cr e f l e c t e d w a v ea n d t r a n s m i s s i o n w a v e 第l 覃a v o 技术的理论基础 a v 0 技术的理论基础是完全形式的z o e p p r i t z 方程。z o e p p r it z 方程解析地表达了 平面波反射系数是入射角( 或炮检距) 的函数。经典的完全z o e p p r i t z 方程以一个完全 的散射矩阵形式表达了入射p 波与s 波时可能的1 6 种反射与透射关系，其中z o e p p r it z 方程为 只7 s ： 爿 s i 阳 ：j v i s ； i 巧 k 这一关系式极其复杂，我们研究重点是界面上方入射p 波的反射p 波的振幅特征， 而界面下方入射的波动对此次设计并没有意义。 下面我们只讨论p p 波的z o e p p r it z 方程： 胛7 = 熙等一c 等 f 一( 州等警 坳2 o m z ， 式中： 口= 见( 1 2 历p 2 ) 一p 。( 1 2 届2 p 2 ) ； b = p 2 ( 1 2 所p 2j + 2 p l 所p 2 ； c = p l 【1 2 f l , 2 p 2j + 2 岛厉p 2 。 d = 2 h 缉一p l 届2 ) ； e ：6 1 堕+ c c o s _ _ l ： 口lc b f ：6 1 堕+ c _ ! 塑： 崩卢： 拈沪d 詈警； 口l正， h ：口一d ! 堕掣： 口2届 d = e f + g h p 2 = ( d e t m 妇1 i 展。 作为地震勘探的一部分，a v 0 技术同样是以弹性波理论为基础，与传统地震勘探理 论不同的是，a v 0 技术研究的是地震反射振幅随炮检距( 或入射角) 变化而变化的规律 以及与地层岩性的关系。 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 2 简化的z o e p p r i t z 方程 a v o 技术的核心思想是利用在不同的介质中，反射系数随入射角的变化规律来寻找 油气层。因此，必须建立一个具有普遍意义的方程，将反射系数表示成入射角和地层参 数的函数。完整的z o e p p r i t z 方程全面考虑了平面纵波和横波入射在平界面两侧产生的 纵横波和透射能量之间的关系。当反射波地震勘探使用主要产生纵波的震源，接收的是 反射纵波时，完整的z o e p p r i t z 方程可以被大大的简化，即只考虑平面纵波入射产生的 反射振幅随入射角的变化情况。一方面可以减少计算量，另一方面更利于a v o 技术的研 究和应用。 另外，很多人从不同方面对z o e p p r it z 方程进行了简化，提出了不同的纵波反射振 幅的近似表达式。郑晓东1 4 l 】、y a n g h u a w a n g 4 2 1 、s h u e y m 3 1 、r u t h e r f o r d “1 等都系统地对 z o e p p r i t z 方程进行了研究，分别从不同角度给出了该方程的近似形式，但最常用的是 s h u e y 简化公式。s h u e y 给出了突出泊松比的相对反射系数近似形式；对于a v o 技术的 基本原理、发展历程、方法实现、应用效果及发展前景等诸方面，殷八斤等和陈信平已 进行了详尽的归纳和总结。因本文采用了s h u e y 简化公式，故重点介绍。 r t s h u e y ( 1 9 8 5 ) 进一步研究了泊松比对反射系数的影响，并对z o e p p r i t z 方程 傲了进一步的简化。r t s h u e y 给出的简化公式是目前人们使用最多的z o e p p r i t z 近似 方程。根据该方程，人们在实际地震资料处理中产生一整套深受解释人员欢迎的a v o 属 性剖面，促进了a v o 技术在油气勘探中的应用。 r i c h a r d s 等人认为，在大多数地球物理介质中，相临两层介质的弹性参数变化较小， 因此v ，v v ，v 。，a p p 和其它值相比均为较小值，则纵波的反射振幅可以表示 为： 荆“如。号s i nz a 等+ 宰等一。和2 9 等 m s ， 式中：v ，= v + v m ) 2 为纵波平均速度5 a v ，= v p 2 - - v 为纵波速度差； 吣= 瞅2 + v 。) 2 为平均横波速度； = 咏2 一喙，为横波速度差； p = ( 岛+ 届) 2 为平均密度； 盯= 缸+ 口：) 2 为反射角和透射角的平均值。 9 量! 茎垒兰呈茎垄墼矍篓董竺 为了将反射振幅与泊松比联系起来，用平均泊松比盯= p ：+ q ) 2 代替横波速度 s h u e y 认为研究绝对振幅涉及的问题远比研究相对振幅复杂，因此s h u e y 给出了相 对反射系数公式 r q ) 月。, , , 1 + a s i n 2 口+ 曰( t a 1 2 口一s i n 2 瑾) ( 1 4 ) 拂”玎等+ 等 ； 彳2 心+ 而1f 百a o ； 4 ：口一2 0 8 ，一- 2 盯； j c r b ： 垒堡坐 ： 盯= 0 2 一盯为泊松比差。 纵、横波速度与泊松比的关系为 厅万 喙刨”j 同 公式( 卜4 ) 表示当入射角口在一定范围内连续变化时，弹性界面两侧介质的弹性 参数的综合影响是有效的。当入射角在0o 到3 0o 范围内时，函数t a n 2 口一s i n 2 口趋近于 零，即第三项对反射系数无影响，但当入射角6 大于3 0o 时，第三项则对反射系数起主 导作用。 为了研究绝对振幅，将公式( 卜4 ) 乘以r 。，则得到以绝对振幅表示的z o e p p r i t z 近似方程 m + 卜尚卜叶1 2 a 邯v p ( 、t a n 2 a - s i n 2a ， m 。， 该方程即为突出泊松比的简化公式，从这个方程我们可以明显看到泊松比与绝对振 幅的关系。 在实际应用中，以上的公式可以简写为 1 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 矗。( 卯= a + b s i n 2o + c ( t 9 2 0 一s i n 2d( 1 6 ) 其中入射角目很小( 小于3 0 度) ，第三项也很小，可以被忽略，因此 月，( 口) = a + b s i n 2 口 ( 1 7 ) 其中g ，( 研是p 波反射系数，在( 足，( 曰) ，s i n 2 ( 卵) 坐标系中，可以进行直线拟合，得 到a 和b ，这就是整个a v 0 的分析过程。 1 2a v 0 技术的地质基础 了解岩石的一些基本物理特性是进行a v o 分析的前提条件，国内外众多a v o 分析 成功的实例表明：利用测井等资料作好研究区的岩石物理分析工作是进行a v o 分析工 作的重要条件和基本保证。 图卜2 岩石的横截面 f i g 1 - 2c r o s ss e c t i o no f ar o c k 图1 - 2 显示的是一个岩石的截面，可见岩石是由大小和形状不同的多种矿物颗粒在 胶结物的胶结作用下组成的一个不均匀体，而颗粒间的孔隙空间通常充填流体。为了研 究岩石的物理特征与含油气的关系，学者们采用一系列的物理参数来对岩石特征进行描 述。本节将介绍a v o 分析中常用的一些岩石物理参数以及一些岩石物理公式。 1 2 1a v 0 分析中涉及的一些基本的岩石物理参数 在a v 0 分析中我们主要关注的岩性参数主要有： 密度p ：是指单位体积中岩石的质量。岩石的体积密度受到组成岩石的矿物成分、 孔隙度、孔隙流体类型等因素的影响。密度是经常使用的一个量，虽然有些岩石的密度 第1 章a v o 技术的理论基础 很相近，但是在特定的研究范围内，可以使用岩石的密度或者使用岩石密度与其它参量 的结合来识别岩性，这在三项的a v o 反演中得到应用。 孔隙度毋：是指单位体积的岩石中孔隙空间所占的百分比。岩石的孔隙度不会达到 1 0 0 ( 这意味着岩石中不含有任何矿物，只有孔隙) 。存在一个临界孔隙度以，如图 1 - 3 所示，在临界孔隙度之上岩石就变成了流体支撑的悬浮体。其中有效孔隙度( 指孔 隙空间中彼此互相连通的那些孔隙的体积所占的百分比) 一直是油气勘探开发中所关心 的一个参数。孔隙度与岩石的结构，温度和压力等因素有关。 图卜3 孔隙度变化示意图 f i g 1 3 t h es k e t c hm a po f p r o s i t yv a r i a t i o n 饱和度s ：指孔隙空间中某一相流体的体积占孔隙总体积的百分比。饱和度是针对 某一具体的流体类型而言的，如含水饱和度指水的体积占孔隙总体积的百分比，含油气 饱和度指油气的体积占孑l 隙总体积的百分比。 一般而言，岩石的总体特征就由岩石骨架、孔隙度和孔隙流体的特征所确定。这些 岩性特征影响了岩石的弹性特征，下面对一些主要的弹性特征给以简单的介绍。 在地震勘探中，地震波的传播过程受岩石的弹性特征所控制，这说明不同的岩石在 受到力的作用时会产生不同程度的形变，如软岩石和硬岩石对于同一力会产生不同的形 变。弹性理论主要用来研究作用在物质上的应力与其产生的应变之间的关系，其中应变 ( e ) 是指单位面积上的形变量，而应力( f ) 是指单位面积上力的大小，当应力作用 在物体上时就引起物体发生形变从而产生应变。 虎克定律( h o o k sl a w ) ：该定律指明应力和其相应的应变之间存在一种线性的关 系，即： f - = c e( 1 8 ) 其中f 和e 都是张量，c 是一个带有8 1 个常系数的张量矩阵，这8 1 个弹性系数基本上 确定了岩石的弹性特征。 1 2 大厌石油学院硕士研究生学位论文 对于各向同性介质，矩阵c 的8 1 个弹性系数可以降为两个独立的弹性参数，它们可 以表征岩石的弹性特征。这两个互相独立的弹性参数及其一些组合被称为弹性模量 ( e l a s t i cm o d u l i ) ，岩石的大多数弹性模量可以在实验室内进行测量，这为我们对岩 石的性质进行研究提供了很大的方便。 常见的弹性模量有如下几种： 杨氏模量e ( y o u n g sm o d u l u s ) ：它测量当纵向应力作用时所产生的纵向应变量， 如图卜4 所示，其表达式可写为： f = e 等 ( 1 - 9 ) 图卜4 杨氏模量 f i g 1 - 4 y o u n g sm o d u l u s 图1 - 5 剪切模量 f i g 1 5s h e a rm o d u l u s 剪切模量( s h e a rm o d u l u s ) ：表现为一种刚性，它是描述剪切应力与其相应的剪 切应变间关系的弹性常量，如图1 - 5 所示，其表达式为： f s ：譬 ( 1 1 0 ) 体积模量k ( b u l km o d u l u s ) ：表现为一种不可以压缩性，它是描述体应力( 在物 体的各个方向上产生均匀作用的力，即流体静压力) 与物体相应的体积变化量之间关系 的一个弹性常量，如图卜6 所示，其表达式可写成： p ：七坐( 1 1 1 ) v 其中p 代表流体静压力，a v v 代表体积的相对变化。 流体的体积模量是a v 0 分析中使用最多的弹性模量，表卜1 中列出了一些岩石和流 体的典型的体积模量值，单位是1 0 达因平方厘米。可以看到，固体和流体间的体积 模量有很大的差别，不同流体间的体积模量也有明显