（地质工程专业论文）渤海海域黄河口凹陷浅层天然气勘探avo流体检测研究.pdf

捅要 黄河口浅层天然气藏在地震资料上有着较典型的“亮点”型地震响应，存在强振幅 反射、频率衰减、低频阴影等地震响应。传统亮点技术只利用了入射角为0 度时的这 一特殊情况下地震数据，而a v o 技术利用了振幅随炮检距( 入射角) 变化的特点，也 就是说，利用了整条r ( o ) 的曲线的特点，所以a v o 技术对储层含流体性质的解释要 比亮点技术更为可靠。本次研究包括岩石物理分析和a v o 模型正演两部分，岩石物 理研究总共对黄河口凹陷地区已钻的3 7 口探井和评价井的明化镇组地层进行了细致 的岩石物理统计分析，建立了岩石物理模型，制作了地震一储集层特征参数的交汇图 版，取得了部分适合黄河口凹陷地区的地震一储集层特征参数的经验关系。在岩石物 理的基础上，利用流体替换技术，获得了研究层段储层气、油、水各种相态下的多种 弹性参数。通过z o e p p r i t z 方程正演模拟a v o 现象，验证了尽管本区i 、i i 、i i i 三种 类型的砂岩并存，但含烃后都表现为低密低速的i i i 类负阻抗砂岩，这成为本区利用 a v o 正演技术进行流体判别的一个基础。同时也得到了本区新近系不同类型砂岩振 幅变化曲线的理论图版，建立了相应的a v o 检测标志，并将之做为与实际资料对比 进行油气检测的直接依据。借助s h u e y 的简化式，从动校后的c m p 道集中提取出参 数p 、g 。并且通过用参数p 、g 或它们的组合，来描述或表征地层中的含油气特性， 并也将之做为油气检测的直接依据。实践证明，a v o 正演技术对于较厚砂岩的流体 判别能力是可靠的。但对薄储层，由于受到调谐作用的影响，实际a v o 响应曲线不 再满足弹性波在单一界面两侧的能量分布规律，因此在薄层情况下用正演的方法直接 从实际叠前道集上判别储层的流体性质存在很大的风险。 关键词：a v o ，流体替换，模型正演，a v o 属性 s t u d y o na v of l u i dd e t e c t i o no f g a se x p l o r a t i o n i nh u a n g h e k o us a go fb o h a ib a y p e n gg a n g ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nc h e n g - y u a b s t r a c t t h e r ea r eal o to ft y p i c a ls e i s m i cb r i g h ts p o tt h a ti sr e s p o n s eo fs h a l l o wg a si nh u a n g h ek o us a go fb o h a ib a y , m o r e o v e r , h i g ha m p l i t u d e ，f r e q u e n c yl o s sa n dl o wf r e q u e n c y s h a d o wa l s oa r er e s p o n s eo fs h a l l o wg a s b r i g h ts p o tt e c h n o l o g yo n l yu s es e i s m i cd a t ao f z e r od e g r e ei n c i d e n c e ，b u ta v ot e c h n o l o g yu s ea l lo fi n c i d e n c es e i s m i cd a t a , s oa v o t e c h n o l o g yi sm o r ec r e d i b l et h a nb r i g h ts p o tt e c h n o l o g ya tf l u i di n t e r p r e t a t i o n t h e r ea r e t w op a r ti nt h i ss t u d y , o n ei sr o c k p h y s i c sa n a l y s i s ，a n o t h e ri sf o r w a r dm o d e l i n go fa v o s t u d y 3 7w e l ll o gd a d ao fh u a n gh ek o us a gw e r es t a t i s t i c st og e tr o c k p h y s i c sr u l eo f m i n g h u a z h e nf o r m a t i o n t h er o c k p h y s i c sm o d e la n dc r o s s p l o tb e t w e e ns e i s m i cd a t aa n d l o gd a t aw e r em a k eu p ，w eg e tm a n ye l a s t i cp a r a m e t e r si nd i f f e r e n tf l u i ds t a t eb a s eo nf l u i d s u b s t i t u t i o nt e c h n o l o g y i ti sb et e s t i f i e dt h a tt h e3 一k i n ds a n dw a sd i s p l a y e da f t e rl n ，2 硼a n d 3 加s a n dw e r ei n j e c t e do i lo rg a sb yz o e p p r i t ze q u a t i o n w ea l s og e tt h e o r e t i c a la v oc u r v e o fd i f f e r e n tk i n ds a n da n dh y d r o c a r b o ni n d i c a t eo fa v o i ti sc a nd i r e c t l yi d e n t i f yd i f f e r e n t f l u i d u s es h u e y se q u a t i o n ，w ec a ng e ti n t e r c e p ta n dg r a d i e n to fa v oa n a l y s i sf r o mc r p g a t h e r , t h e y c a na l s od i r e c t l yi d e n t i f yo i l ，g a sf r o mb r i n e i ti sb et e s t i f i e dt h a ta v of o r w a r d m o d e l i n gc a ne f f e c t u a l l yi d e n t i f yt h i c kh y d r o c a r b o ns a n d ，b u ti ti sr i s kt oi d e n t i f yt h i n h y d r o c a r b o ns a n db e c a u s eo f t u n ee f f e c t k e y w o r d s ：a v o ，f l u i ds u b s t i t u t i o n ，f o r w a r dm o d e l i n g ，a v oa t t r i b u t e 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： 日期：2 - 。尹年月乎日 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 指导教师签名： 日期：一z 。尹年月节日 日期：知，7 年么月弘日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论立 第一章前言 1 1 研究的目的和意义 黄河口凹陷位于渤海海域南部，石油地质条件优越，勘探程度较高，经过多年的 勘探实践，已陆续发现了若干个大中型油气田及一批中小型油气田，证明其为一一富生 烃刚陷。在近些年的勘探实践中，陆续在5 0 0 1 6 0 0 米的浅层地层中发现了相当规模 的浅层天然气藏，涉及到的含气层位主要为新近系的明化镇组地层。通过对该区勘探 历程的资料调研，发现浅层天然气在在黄河口凹陷是广泛存在的，几乎所有已发现的 油气田和含油气构造均发现了不同规模的浅层天然气藏。这中间既有纯气藏，也有与 油、水呈混相存在的气顶气；音气砂体的厚度分布在1 1 0 m 之间，其中又以5 m 以 下的含气砂体占了绝大多数。由于受到当时“重油轻气”勘探思路的影响以及单个气藏 的规模较小无商业价值，浅层天然气的助探始终没有受到重视。 随着黄河口凹陷地区已发现油气田的陆续投产在该区已经建立了较为完备的丌 发生产体系，与之柏配套的海底管线系统也即将建成，这就大大降低了浅层天然气开 发的经济技术门槛；另外，随着环渤海地区的经济发展，对天然气的需求急剧增加， 天然气的市场价格也一路走高，再加上黄河口凹陷的浅层天然气具有埋臧浅、开采成 本低的先天有利条件，该区的浅层天然气的勘探逐步提上日程。2 0 0 8 年，随着渤海 天然气勘探战略的实施，黄河口凹陷成为渤海海域三大天然气勘探重点区域之一，并 且是唯一以浅层无然气作为勘探目标的地区。 】2 国内外研究现状分析 1 2 1 国内浅层天然气勘探、开发现状及存在问题 在我园，浅层天然气是指埋深分布在十几米到15 0 0 m ( 也有认为到2 0 0 0 m ) 左右 的天然气藏，含气层位涌盖了第四系、第三系及部分下伏地层。从已经发现的浅层天 然气气源类型看，气源条件比较复杂，呈多样性分布，大体上可分为五类，即生物气、 热解气、煤成气、混源气及二氧化碳气，其中又以生物气和热解气所占比莺较大。 近些年来在天然气勘探方面，陆地油田在重点寻找深层大气f ；r 的同时，也相当重 视对溅层天然气的勘探和开发，并已取得了一定的成果：柴达木搞地东部第四系探明 了近5 0 0 x 1 0 8 1 1 1 3 的生物气储量：在松辽、江汉、百色、苏北等盆地和贵州赤水地区也 陆续发现了一批浅层天然气藏，其中在i 四j l f 德阳的孝泉新场欢生气田和云南陆良找 层高产生物气气减获得可观储量；在渤海湾箍地陆区，浅层天然气臧分布非常广泛， 第一章前言 并已有多个浅层气藏投入开发生产，如黄骅拗陷韵北大港构造带，济阳拗陷的陈家庄 凸起等( 1 4 口井获浅层气工业气流，探明地质储量1 7 8 3 x 1 0 8 m 3 ) ，沾化凹陷的孤东 油田( 浅层气探明地质储量3 8 4 7 x 1 0 8 m 3 ，可采储量1 1 1 7 x 1 0 8 m 3 ，己投产5 1 口井，采 气程度已达1 7 2 ) 。 就渤海湾的情况来看，浅层天然气的工作存在“易勘探，难开发”的局面，由于埋 藏浅，成岩作用弱，胶结程度低，结构疏松，储层都具有高孔高渗的特征，一旦含气 后，往往表现为“亮点”型的地震反射异常，易于识别。但就单个地震反射异常来说， 空间延展的范围都比较小，地质上表现为孤立的数量众多的含气砂岩体为气藏的基本 单元，这些含气砂体一般为透镜状，属岩性尖灭气藏，储量小，横向上互不连通，纵 向上交错叠置，形成了相互独立的气水系统，并且往往与构造高部位不叠合，勘探上 难以兼顾，是一种不同于中深层构造气藏的小型零散岩性气藏，但由于数量众多，总 的储量规模还是相当可观的。从胜利油田对浅层气的开发情况来看，浅层气藏投入丌 发后，往往地层压力、产量下降比较快，出水、出砂严重，采收率比较低。 渤海海域目前仍以石油为主要勘探目标，同时兼探中深部的天然气藏( 主要是 2 0 0 0 米以下的古近系及前古近系气藏) ，专门针对浅层天然气的勘探工作初步展开， 但在近些年的勘探实践中，陆续在2 0 0 0 米以上的浅层地层中发现了相当规模的天然 气藏，涉及到的地层主要是新近系的明化镇组，这其中较典型的有渤中2 9 4 油气田、 渤中2 6 3 油气田。 1 2 2 国内外a v o 技术研究现状及技术适用性分析 1 2 2 1a 、，o 技术现状 七十年代“亮点”技术的出现，使地震烃类检测能力有了很大提高。随着“亮点”技 术的实践，人们丌始注意到“亮点”技术存在的局限性，并不是所有的“亮点”都与气层 有关，某些特殊岩性体也可以在地震剖面上形成强反射，出现所谓的“亮点”，因此在 应用“亮点”技术进行烃类检测时，需要去伪存真。八十年代初，o s t r a n d e r 首先提出利 用反射系数随入射角变化识别“亮点”型含气砂岩，他注意到：含气砂岩反射振幅随偏 移距增加而增加，含水砂岩反射振幅随偏移距增加而减少，这一现象的发现丰富了烃 类检测的技术。o s t r a n d e r 的工作标志着实用的a v o 技术的出现，激起人们对a v o 现象的极大兴趣。2 0 年来，a v o 技术不断成为人们研究的热点，s e g 前缘杂志 曾多次出版专集探讨a v o 的理论、方法和技术o 为了避免a v o 公式复杂性，不少作 者对z o e p p r i t z 方程进行简化，不同的近似表达强调a v o 分析的不同侧面。g a s s a w a y 2 中国石油大学( 华束) 硬士学位论文 等把a v o 信息用于反演泊松比卣接解释岩性和油气。s h u e y 对z o p p r i t z 的p 波反 射系数进行简化，提出一种抛物线形式的表达这使得a v o 属性分析和零偏移距剖 面的提取得到广泛应用。s m i t h 等提出用加救迭加方法估计流体因子和检测气层。为 了充分挖掘a v o 信息的潜力，不少作者研究用a d o 属性( 斜率和截距) 交汇图l 别岩 性和油气的方法，并提出a v o 烃类检测因子。根据含气层的波阻抗及泊松比特征， r u t h o r f o r d 把气层a v o 响应分成三类，c a s t a g n a 等将r u t h o r f o r d 的工作推厂为四类。 随着a v o 应用的深入，人们还利用一维a v o 属性体提高烃类检测的能力。a v o 的提出最初仅仅是为r 提高碳烃检测能力，今天a v o 的发展已经超出f 这个范畴， 它已经和正在渗透到地震l l | ) 探的荐个领域。存裂缝检测、压力预测、油藏动态榆测、 油气琐测、储层讣均质性描述方面得到广泛应j 】。 l222 a v o 技术适用性分析 黄河口凹陷地区的三维地震的覆盖率较高，通过井震标定，发现有相当部分的浅 层天然气减在地震资料上有若较典型的“亮点”型地震响应，存在强振幅反射、频率衰 减、低频阴影等地震响戍特征( 圈1 1 ) 。这就为我们利用a v o 技术进行浅层天然气 勘探奠定了基础。值得注意的足，这种“亮点”型地震反射在黄河口凹陷地区无论足甲 面上还是纵向上分布都非常广泛，尽管单个异常反射的空问延展范围都比较小且目 前进不能断定其是否全部为含7 t 的地震响应，忸其含气潜力和总含气规模不可忽视。 篓 i ! 嚣 嘲i - i 黄河口凹陷嚷点型傀震响应 冀蠢 謦黪一 第一章前言 从已钻井情况看，较厚含气砂岩在地震资料上有着较典型的“亮点”型地震响应， 但是否所有的“亮点”响应特征都对应着气层，这是在勘探部署前必须由地球物理人员 回答的问题。与亮点技术仅用反射系数的大小和极性变化来推断界面的特性( 波阻抗 差) 相比，a v o 技术利用了振幅随炮检距( 入射角) 变化的特点，也就是说，利用了整 条r ( 0 ) 的曲线的特点，而亮点技术只利用了r ( o ) 这一特殊情况下曲线的一个数值， 所以a v o 技术对岩性和储层含流体性质的解释要比亮点技术更为可靠，亮点剖面上 的一些假异常也有可能利用a v o 技术进行鉴别，从而为勘探决策提供有利的依据。 除此之外，a v o 技术还有以下几个特点有利于含气储层的识别： ( d a v o 技术直接利用c d p 道集资料进行分析。这就充分利用了多次覆盖得到的 原始信息，而各种利用叠后资料进行解释的方法都忽视和丢掉了包含在原始道集里的 很有价值的信息。 a v o 技术是一种研究岩性和含油气性比较细致的方法，需要有一定的地质、 测井和钻并资料的配合，可以做到对有关油气参数的准确预测。 根据d o m e n i c o 的理论，p 波在储层含气的状况下，可发生非常明显的降速效 应，从而导致储层泊松比的急剧下降。因此，a v o 技术在对气藏的检测方面具有明 显的优势。 同其他的储层表征方法相比，a v o 技术是基于严格的知识表达、且具有明确 的地质含义的地球物理方法，而许多其他的方法都是在地球物理方法获得间接参数的 外部使用统计等最优化算法进行综合判别。 综一t 所述，a v o 技术是本区进行天然气勘探的有力工具。 1 2 2 3a v o 技术目前存在的问题 1 ) 在实际应用过程中，a v o 技术的效果往往受到资料本身的限制，为了降低风 险，需要进行针对性的a v o 处理。与常规地震处理相比，a v o 处理有较大不同，特 别是对振幅处理要求很高，包括与偏移距有关的球面扩散和吸收补偿，应避免使用单 道均衡，以免引起虚假的a v o 现象；另外比较强调地表一致性处理，包括地表一致 性反褶积、振幅补偿和静校正等。 2 ) 流体识别的能力仍有待改进。一个突出的表现就是低饱和含气砂岩与高饱和 含气砂岩有着基本一致的a v o 响应，而水层与油层在实际资料中也难以区分。 3 ) 薄层调谐的影响仍然悬而未决。 4 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 4 ) 由于目前已经成为工业标准的地震采集、处理中的某些环节不符合a v o 技术 对地震数据的要求，导致三维a v o 的应用仍然受到限制。 1 3 完成的主要研究内容和核心技术 通过本次研究，主要完成了以下研究内容 1 、完成了黄河口凹陷已钻探井及评价井的岩石物理统计及规律总结，为利用 a v o 正演技术进行流体性质判别奠定了基础。 通过统计黄河口凹陷3 7 口探井和评价井的测井数据信息，建立了岩石物理模型， 制作了地震一储集层特征参数的交汇图版，取得了部分适合黄河口凹陷地区的地震 一储集层特征参数的经验关系。 2 、在岩石物理分析的基础上，通过a v o 正演分析方法，包括流体替换、模型 j f 演、a v o 属性分析等关键技术，形成了一个完整的基于a v o 正演方法进行流体 判别的技术组合和工作流程。建立了本区新近系不同类型砂岩振幅变化曲线的理论 图版和检测标志，并结合a v o 属性分析技术，在b z 2 9 5 构造的评价过程中成功的 进行了钻前流体预测，取得了较好的效果。 它包括了以下四部分的工作： 流体替换 根据黄河口地区已钻井的流体参数，通过流体替换的手段，获得了研究层段储 层气、油、水各种相态下的多种弹性参数，包括体模量、剪切模量、波组抗和波 组抗梯度、纵波速度、横波速度、密度、泊松比及其它弹性参数，并对各种弹性参 数与流体间的敏感性进行了分析。 模型正演 通过研究区域的油藏特征分析和对各类砂岩顶面基于z o e p p r i t z 方程的正演模 拟，验证并证明了尽管本区i 、i i 、i i l 三种类型的砂岩并存，但含烃后都表现为低密 低速的i i i 类负阻抗砂岩昵，这成为本区利用a v o 正演技术进行流体判别的一个基础。 同时也得到了本区新近系不同类型砂岩振幅变化曲线的理论图版，建立了相应的 a v o 检测标志，并将之做为与实际资料对比进行油气检测的直接依据。 a v o 属性分析及优选 借助s h u e y 的z o e p p r i t z 方程简化式，从动校后的c m p 道集中提取出参数p 、g 。 并且通过用参数p 、g 或它们的组合，来描述或表征地层中的含油气特性，并也将之 第一章前言 做为油气检测的直接依据。 基于a v 0 正演的流体检测技术 将a v oj 下演流体预测技术直接用于目标区块的勘探评价，通过a v o 流体预测技 术来指导钻井，通过钻井来验证并改进a v o 流体预测技术，最终形成了一套实用、 有效的技术组合和工作流程。 通过本次a v o 流体检测研究，我们解决了以下几个关键问题： 通过系统的岩石物理统计总结出了黄河口凹陷地区含气、油、水储集体的岩石 物理特征。 通过流体替换，总结出不同流体饱和情况下的地震响应特征，将分析结果与实 际井旁地震资料对比，从而建立了可靠的岩石和地震特征的对应关系， 通过模型正演，得到了本区新近系不同类型砂岩振幅变化曲线的理论图版，建 立了相应的a v o 检测标志， 通过a v o 属性分析及优选，确定了适用于本区的敏感a v o 属性，并将之用于 指导钻井部署。 1 4 本论文的组织结构 论文共分5 章，从多方面详细论述了a v o 技术的理论基础、a v o 属性的物理含 义和a v o 释技术的应用实例。 第一章首先阐述了本区进行a v o 流体检测的技术需求背景，在讲述a v 0 发展史 后，总结了a v o 技术的特点与尚存在的问题，最后，论述了取得主要研究成果和论 文总体组织结构的说明。 作者通过阅读众多a v o 文献资料，在第二章较为细致深入地描述了a v o 精确理 论、近似理论及a v o 分析岩石物理基础。详述了近似公式每一项的物理含义，从多 方面论述a v 0 技术的理论基础和物理含义。为在实际工区开展a v o 技术的应用奠定 了坚实的理论基础。 第三章以岩石物理研究和a v o 正演分析方法为主线，选择黄河口凹陷渤中2 9 5 构造的3 口井进行了流体替代和模型正演的研究，研究了该工区砂岩储层的a v o 响应类型，得到了本区新近系不同类型砂岩振幅变化曲线的理论图版，建立了相应的 a v 0 检测标志，明确提出了利用a v o 正演方法进行勘探阶段流体预测的可行性，并 总结出了技术组合和工作流程，有效的指导了该区a v o 技术的应用。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第四章以黄河口凹陷渤中2 9 5 构造为例，阐述了a v o 正演方法在构造勘探评 价过程中的技术应用情况和取得的效果分析，并指出了目前这种方法尚存在的一些问 题。 第二章a v 0 分析的基本理论 第二章a v o 分析的基本理论 2 1a v o 技术概述 2 1 1a v o 基本概念 a v o 是振幅随偏移距变化( a m p l i t u d ev a r i a t i o nw i t ho f f s e t ) 或振幅和偏移距关系 ( a m p l i t u d ev e r s u so f f s e t ) 的英文缩写。它利用振幅随偏移距变化特征估算界面泊松 比、推断地层岩性和含油气情况，是最近几十年发展起来的一项新的地震勘探技术 【l 】o 理论分析表明：振幅系数随入射角变化与分界面两侧岩石的弹性参数有关，它是 通过非常复杂的非线性关系与介质的密度p - 和p z 、纵波速度口和1 2 2 、横波速度- 和 z 及入射角联系起来。 2 1 2 a v o 基本思想 根据地震波反射和透射的理论，振幅系数随入射角变化与分界面两侧介质的地震 参数有关，这一事实包含两层含义：第一，不同的岩性参数组合，振幅系数随入射 角的变化的特征不同，利用a v o 正演模型，分析己知的油、气、水和岩性的a v o 特征，有助于从实际地震记录中识别岩性和油气，定性进行地震油藏描述；第二， 振幅系数随入射角变化本身隐含了岩性参数的信息，利用a v o 关系可以直接反演岩 石的密度p 、纵波速度口和横波速度，定量进行地震油藏描述。这两层含义反映 了a v o 分析的基本思想，也代表了两种最基本的a v o 分析方法，前者称为正演方 法，后者称为反演方法。a v o 分析的关键是要充分挖掘和利用叠前地震记录中非零 偏移距地震信息的潜力。 s 1s 2s 3s tr 4r 3 r 21 1 1 n 8 含气 图2 - 1a v o 分析的基本原理( 据文献 1 ) 图2 1 说明了a v o 分析的基本原理，对于同一反射点而言，共中心点道集记录 可用偏移距和深度等价表示入射角。对于理想的共中心点道集记录，含水砂岩a v o 呈减少趋势，含气砂岩a v o 呈增加趋势。不同的岩性参数组合，反射系数随入射角 变化不同。这表明：a v o 信息有助于直接检测岩性和油气。传统的地震岩性分析方 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 法是建立在水平叠加基础上的“亮点”技术，这种技术改善地震烃类直接检测技术， 但也存在明显的局限性。叠加破坏真实的振幅关系，损失了a v o 隐含的横波信息。 更为合理的地震岩性分析方法应该包括非零偏移距的地震信息，包括叠前振幅( 或称 a v o ) 和叠前地震属性( 或称广义a v o ) 。总之，a v o 分析最重要的思想是通过分析叠 前地震信息随偏移距变化特征，揭示岩性和油气的关系。 2 2a v 0 基本理论 2 2 1a v o 精确理论 a v o 分析的理论基础是地震波的反射和透射理论，早在本世纪初，描述振幅随 入射角变化与介质弹性参数关系的近似理论一平面弹性波的反射和透射理论已基本 建立，许多文献通过数值分析研究了振幅系数与弹性参数的关系。了解弹性分界面 两侧地震波能量的分布对于理解和发展a v 0 方法是有益的。 慕 ，l ，匕l ，a 0 2 ，匕2 ，岛 卜 乃 ； 图2 - 2 入射波、反射波和透射波的关系图 如图2 2 ，设有一个平界面把无限空问分为两部分，各部分介质具有不同的弹性 性质，上下龋层的纵波速度分别为v p l 和v p ：，横波速度分别为v s - 和v s z ，密度为岛和 p 2 。纵波入射到介质分界面上，入射角为b ，反射纵波、反射横波的反射角分别 为b 和仍，透射纵波、透射横波的透射角分别为晚和仍。根据上述5 种波的波函数， 应用应力应变连续、虎克定律、斯奈尔定律等条件，推导得方程组( 2 - 1 ) ： c o s ls i n 岛 一s i n 伊le o s 0 2 等c o 蛇仍芒鲁2 鲁s 舵岛，j i ，口2 肛 一生s i n 2 妒l 一鱼坚c o s 2 缈2 v p l p l v p l 9 c o s 缈2 s i n 伊2 一鱼尘c o s 2 缈2 尸ly ，2 一鱼鱼s i n2 伊2 r v v r 声 易易携 鳓 “ 2 泛 吾| 洲 弓| 第二章a v o 分析的基本理论 s i n o j c o s 8 l s i n 2 0 l c o s 2 t p l ( 2 1 ) 即为著名的z o e p p r i t z 方袒2 1 。 求解方程组( 2 一1 ) 就可以得到各个位移反射系数和透射系数的表达式。式( 2 1 ) 不仅包含介质的物性参数，还包括入射角、反射角和透射角。根据斯奈尔定律，反射 角和透射角都能用入射角表示，因此，反射系数和透射系数实际上是由入射角和介质 的物性参数决定的。 在地震勘探中，地震波的速度是最重要的参数。到目前为止，大部分有关岩性、 物性的研究工作仍以速度研究为主。每种岩石的速度值不是唯一的，岩石的速度主要 由三个方面的因素决定【3 】【4 】：岩石的组成、岩石内部的结构以及岩石所处的热力学环 境。充分了解各种岩石物理参数、岩性和含油气性与a v o 的关系是成功应用a v o 技 术的关键。 2 2 2a v o 近似理论 反射透射理论是进行a v o 分析的基础【5 】，也是a v o 技术应用的前提。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。精确的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水平界面两侧产生的 纵横波反射和透射能量之间的关系，满足了以上要求，它是a v o 正演的理论基础。 该方程解析地表述了平面波反射系数与入射角的关系，但z o e p p r i t z 方程组解析解的 表达式十分复杂，难于直接看清各参数对反射系数的影响，很难直接分析介质参数 对振幅系数的影响。因此国内外很多人做了大量工作，k o e f o e d ( 1 9 5 5 ) 】，b o r t f e l d ( 1 9 6 1 ) t 7 1 ，a k i 和r i c h a r d s ( 1 9 8 0 ) i s ，h i l t e m e n ( 1 9 8 3 ) t 9 1 ，o s t r a n d e r ( 1 9 8 4 ) 1 0 1 ，s h u e y ( 1 9 8 5 ) t 1 1 1 ，s m i t h 和g i d l o w ( 1 9 8 7 ) t 1 2 1 ，h i l t e m a n ( 1 9 8 9 ) ，郑晓东( 1 9 9 1 ) 【1 3 1 ，杨绍国( 1 9 9 4 ) 【14 1 ，m a l l i c k ( 1 9 9 3 ) 1 5 】，f a t t i ( 1 9 9 4 ) 1 6 1 ，g o o d w a y ( 1 9 9 7 ) t 1 7 1 ，x u 和b a n c r o f t ( 1 9 9 7 ) 1 8 1 ， g r a y ( 1 9 9 9 ) 1 9 1 ，y a n g h u aw a n g ( 1 9 9 9 ) 2 0 , 2 1 等学者都对z o e p p r i t z 方程进行了简化。这 一方面节省了计算工作量；另一方面更有利于a v o 技术的研究和应用。虽然近似公 式的表达式不尽相同，但其精度无太多差异，b o r t f e l d ，a k i ，s h u e y 和郑晓东的公式适 合于小弹性参数变化量情形。人们总是喜欢使用那些形式简洁、物理意义明确的近 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 似公式。近似公式是进行a v o 反演、a v o 交汇图分析、岩性预测和烃类检测的基 础。目前使用的近似公式，在弹性参数反演中，经常用的是a k i 表达式，在a v o 属性分析中常用的是s h u e y 表达式。 ( 1 ) 区分流体和固体的简化公式 厶兰一1 丽v p 2 p 2 c o s 0 1 】 厂1 ( 2 2 ) + 【警】2 记韧【2 + 瓦可l 币n p 2 丽p 1 j 其中，鼠和0 2 分别为反射角和透射角。 ( 2 ) 体现速度及密度相对变化的近似 蹦胪拉4 v 争去等岫y 2 等 协3 ， 其中； a v 。= 1 ，2 一v 。1 ；v 。= ( 1 ，2 + v s i ) 2 ；p = ( p 2 + p i ) 2 删2 ；p ：墼：一s i n l 2 ：坠：坠 p p l矿p 2 y s ll ，s 2 公式( 2 3 ) 第一次给出了能够满足大多数地球物理介质中的近似反射系数，提 供了复杂问题简单化的途径。 ( 3 ) 体现泊松比的简化公式 1 9 8 5 年，s h u e y 给出了用不同角度项表示的反射系数近似公式： 吲帅+ 卜矿而a o - s i n 2 0 + 1 2a v v p p ( 伽2 乳s i n 2d ( 2 - 4 ) 或 ( 。髟。+ 1a v p 一下2 a v ；了a p 4 a v 2 v ；a l l y , s i n - 。2 5 ) + 委坐( t a n 2 口“n 2 伊) z 1 ，口 其中，r e o 为法向入射的反射系数；旷= 力2 ( 名+ ) = ( q + 仃2 ) 2 为泊松比，其 他项系数为： 第二章a v o 分析的基本理论 = 丢c 等+ 分尹i ； g ：! 坐一2 a v _ = 2 一a , o 一4 a v 丁= 2 一a v = 2 v 尹v p 2 p v 尹2 v 5 a v p 铲( 1 + 鼠) 等玩2 壶c 2 五1i avpl 一盯凸y 。dz1 ， 1 ，p p 当入射角较小且1 ，p v 。2 时，i i i ! i i i ! i i i i l i i i 弑! i i ( 2 6 ) 所示： r = a + b s i n 2 口( 2 6 ) 其中：r 为反射系数；彳为垂直入射时的纵波反射系数；b 为拟合直线中的斜率， 即a v o 梯度；秒为入射角和透射角的平均值。该简化方程式表达了纵波反射系数与 介质弹性参数及入射角之间的关系，使a v o 异常的识别由定性阶段进入定量阶段， 带动了a v o 技术的深刻变革，是目前应用最为广泛的一种近似方法。 ( 4 ) h i l t e r m a n 近似 h i l t e r m a n 于1 9 8 9 年在s h u e y 近似方程的基础上给出了基于a c t 的另一种近似： r 印硼舻o s 2 舢尚s i n 2 臼 ( 2 - 7 ) 其中： = 丢降+ 钭= 丢降+ 爿 式( 2 7 ) 完全体现了泊松比及其变化对反射系数的影响，可以不受任何约束的 提取泊松比等有关岩性参数，并识别流体的存在。 ( 5 ) s m i t h 和g i d l o w 加权迭加方法 1 9 8 7 年，s m i m 和g i d l o w 介绍了c m p 道集的加权迭加a v o 反演方法，给出反 射系数表达式( 2 8 ) ： m 沪卵) 等邶( 印等 ( 2 - 8 ) 其中： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 彳c 口，= 吾一圭 专 2s ；n 2 目+ 三t a n 2 秒 召c 9 ，= _ 4 毒 2 s i n 2p ( 6 ) 幂级数展开法 1 9 9 1 年和1 9 9 4 年，郑晓东、杨绍国等分别给出了平面弹性波反射和透射的统一 公式，阐明了转换波和非转换波动力学特征的差异，给出近似公式( 2 9 ) ： 只刀( 椤) = 彳f + 么fs i n 2 秒+ 爿? s i n 40 ( 2 9 ) 其中： 彳乎= c 。= 互1 百a ( p v p ) 彳f = c 口一4 r l 羔v j 2 b 。+ q 】， 鬈= c 。 q = 三等 厶= 三i 百a ( p v , ) q = 丢等 利用该基数表达式可以得到任意精度的近似式，可以容易的识别和分离纵波和横 波，适用于界面两侧弹性参数变化较大的情形。 ( 7 ) 1 9 9 3 年，m a l l i c k 给出了以射线参数p 及p 表示的平面p 波的反射系数： 分r ( p ) _ 2 a p n 一2 p 2 ( 2 - ，。) 其中，只，( p ) = q , a 。 鱼丝i 二业为流体对流体的反射系数； p 2 q 口l + p l q 口2 g 口2 分别为p 波和s 波的平均垂直慢度，p 为射线参数。 和 ( 8 ) 1 9 9 9 年，y a n g h u aw a n g 利用射线参数和慢度关系对r i c h a r d s 近似进行了变 换，利用弹性参数的二次函数给出了另一种近似形式： 2 母一【警( 1 一枷口郎学2 扩屯b ( 当p2 2 ( 当p 3 ( 2 - 1 1 ) + ( 1 一帅。劬譬) 2 】p 4 该近似方法完全采用了速度和密度及其相对变化关系对z o e p p r i t z 方程进行表 1 3 第二章a v o 分析的基本理论 示，利用该近似可以同时估计反射界面两侧纵、横波速度的变化及其纵、横波速度比 值等三个参数。 ( 9 ) f a t t i 波阻抗近似 为了避免s m i t h 和g i d l o w 近似方法过多的依赖于g a r d n e r 经验关系式，f a t t i 在 1 9 9 4 年给出了以相对波阻抗表示的近似方程： 驴曩1 ( 1 + t a n 2o ) 等叫v , ) 2 s i n 20 等 协 一【昙t a i l ：p 一2 南2s i n ：们竺 三 v p p 方程( 2 1 2 ) 可以准确的应用于入射角小于临界角的情形。但是利用该方法进行 参数反演时需要垂直入射的纵、横波反射系数。 以上都是以速度相对变化及其各种变形对反射系数的近似，但在利用a v o 技术 预测含油气砂岩储层时发现：除泊松比外，其他反映岩石物理性质的弹性参数对反射 振幅也有很大影响。利用弹性模量交绘图不仅可以有效的提取岩性信息，而且可以使 用弹性模量对反射系数的精确解进行不同的近似，主要有：g o o d w a y 拉梅常数分析， x u 和b a n c r o f t 近似，研a y 近似等。 公式( 2 2 ) 到( 2 1 2 ) 都在一定的假设条件下对z o e p p f i t z 方程进行了近似，都 体现了岩性参数的不同方面，其不同的表达形式主要在于所选用的参数和出发点不 同，目的是强调不同的参数变化对反射振幅的影响及其敏感程度；各种方法之间有着 内在联系；在a v o 属性提取过程中需要1 ，】p 0 ，、a v p v ， a v ，v ，等背景信息。 2 2 3 常用a v o 近似表达的意义 虽然不同的专家利用近似解的方式导出不同的、简化了的z o e p p r i t z 方程，但是 都明确地表达了反射系数与弹性常数的关系。以s h u e y 简化方程和h i l t e r m a n 简化方 程为例，简述方程中各项的物理意义【2 2 1 。 ( 1 ) 方程第一项，小角度入射项。当0 0 。时，第一项起主要作用，该项的值近似 等于法向入射项。随着入射角的增大，该项的值逐渐减小。对于s h u e y 方程，第一项 为法线入射项，即入射角为零的反射系数值。它是速度口和密度p 的变化率的平均值， 对于h i l t e r m a n 方程，此项相应于小角度入射，即此时s i n o 0 。反射系数值与介质 上下波阻抗有密切的关系，上下介质波阻抗差越大，反射系数值就越大，而当上下介 质波阻抗相等时，法向入射的反射系数r 。为零，则第一项表示的反射系数值r p p 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为零。 ( 2 ) 方程第二项，适中入射角( o 。 口 3 0 。) 项。当0 逐渐增大但不太大时，第二项 逐渐起主要作用。这时的反射系数与介质的泊松比有密切关系，因此，利用此式更能 突出油气特征。对比s h u e y 方程和h i l t e r m a n 方程的第二项可以看出，它们都适应于 适中入射角时( o 。 乡 c f f( 2 一) l m r ：争旦 午m ( 2 2 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这里c ，或mr ，分别是第i 个矿物成份的体积的比例和体积模量。利用( 式2 1 7 ) 一( 式2 - 2 9 ) ，我们可以进行流体替代，计算不同流体饱和岩石的速度和密度，分析 地震参数和地震响应特征的关系，进行岩性和油气预测。 ( 6 ) 密度、纵波速度和横波速度三者的关系 尽管测井可以提供岩石的密度p 、纵波速度口和横波速度，但是，在实际应用 中，为了方便，人们经常建立三者之间的简单的关系，g a r d n e r 利用统计方法建立了 岩石密度和纵波速度的关系： p = 0 2 3 a o f 2 5 ( 2 3 0 ) 针对不同的岩性，c a s t a g n a ( 1 9 9 3 ) 统计相应的g a r d n e r 关系。 泥岩 p = 0 2 0 4 a 仉2 6 5 砂岩p = 0 2 a 0 2 6 1 白云岩p = 0 2 2 6 0 t m 2 4 3 ( 2 3 1 ) 碳酸盐p - o 。2 4 3 c t n 2 5 5 石膏p = 0 6 a 0 1 6 进一步，c a s t a g n a ( 1 9 9 3 ) 提出用抛物线关系来回归不同岩石的密度p ( 横波速度 ) 与纵波速度口的关系： 压或矽_ a 口2 + b f l + c ( 2 3 2 ) 表2 3 给出不同岩性的密度与纵波速度的关系，表2 4 给出不同岩性的横波速度 与纵波速度的关系，泥岩线可以写成： 口= 1 1 6 f l + 1 3 6 ( 2 3 3 ) 表2 - 3 不同岩石的密度与纵波速度的关系( 据文献1 1 1 ) 系数石灰岩自云岩砂岩页岩青盐 ao 0 2 9 6 0 。2 3 5 - 0 0 1 1 5o 0 2 6 l一0 0 2 0 3 b0 4 6 l0 3 9 0伉2 6 10 3 7 30 ，3 2 1 co 9 6 31 2 4 21 5 1 51 4 5 81 7 3 2 表2 - 4 同岩石的横波速度与纵波速度的关系( 据文献1 1 1 ) 系数石灰岩 自云岩砂岩页岩煤 a- 0 0 5 5 0 9o 2 3 2 b l 。0 1 6 8o 5 8 3 0 。8 0 4 2 0 7 7 01 5 4 2 c1 0 3 0 6 - 0 0 7 8o 8 5 5 9- 0 8 6 7 4- 1 2 1 4 2 1 第二章a v o 分析的基本理论 ( 7 ) 孔隙度矽与密度p 、纵波速度