第6章地震波的速度

速度信息的应用野外观测系统设计时需要速度来确定具体的采集参数；地震资料处理动校正、水平叠加需要叠加速度；偏移归位需要偏移速度；深度偏移需要速度模型或速度场；在地震资料的解释过程中，平均速度主要用于时深转换，以便于制作合成地震记录和绘制深度构造图；层速度信息主要用于地层、岩性解释，也可用于储层参数、含油性预测。,第六章地震波的速度,影响速度的各种因素,岩石速度与物性参数的关系，主要是在实验室进行了相应的研究。基于实验数据，速度和岩石参数之间的物理关系才能确定。对这些测量方法的结果和解释必须依靠于实验室的核心数据和岩石物理学知识。,第一节地震波速度及影响速度的因素,建立波动方程时将导出地震纵波和横波在介质中的传播速度与介质的弹性常数之间的定量关系：其中,、是拉梅系数(Lame)，是介质的密度，E是杨氏模量；是泊松比(Poissonsratio)；K是体变模量；它们都是介质的弹性性质的参数(弹性模量)。,第一节地震波速度及影响速度的因素,1、岩石速度与弹性常数的关系,纵波和横波速度比与泊松比,同一介质中纵波和横波速度比的关系如下纵波与横波速度之比取决于泊松比。泊松比的值在大多数情况下约等于0.25，所以，纵波与横波的速度比位VP/VS一般为1.73。只有在最为疏松的岩石中0.5。,第一节地震波速度及影响速度的因素,2、速度与岩性的关系,岩性主要指岩石的矿物性质，包括矿物成分、结构、颗粒等。有火成岩、变质岩和沉积岩等。1）火成岩的地震波速度的变化范围比变质岩和沉积岩小，速度的平均值比其他类型岩石要高。因为火成岩只有很少或没有孔隙。2）大多数变质岩的地震波速度变化范围比较大，主要是成岩环璄的影响。,岩性可能是影响速度的最重要的一个因素,第一节地震波速度及影响速度的因素,3）沉积岩中的岩性结构比较复杂，在颗粒之间有空隙，孔隙中可能充填液体或像粘土等固体物质。故这类岩石速度是密切地依赖于孔隙度和充满于孔隙中的物质。4）速度测试表明：不同岩性的速度范围互相重叠，甚至还会超出主要范围。速度不是一个区分岩性的好的标准。,第一节地震波速度及影响速度的因素,3、速度与密度的关系,1）沉积岩中，地震波速度与岩石密度的有密切关系，大多数随密度增加而增大。也有例外，如，与白云岩相比硬石膏具有更高的体积密度但却有更低的速度。2）资料表明，把速度与密度可以表示成一种近似的线性关系。对石灰岩和砂页岩来说，这种关系可表示成方程式式中，V速度(km/s)；密度(g/cm3)。,第一节地震波速度及影响速度的因素,地震纵波速度与岩石密度（完全充水饱和体积密度）之间，存在着良好的定量关系，可用加德纳(Gardner)公式表示如下：式中，V速度(km/s)；密度(g/cm3)Gardner的关系式仅考虑从水饱和沉积岩石的体积密度来估算纵波速度。虽然Gardner等根据上式处理了所有沉积岩石（作为单独一组），确实给出了不同岩性的独立曲线，但这样一来对所有沉积岩石就只存在单一的Vp关系了。,第一节地震波速度及影响速度的因素,4、与埋藏深度的关系,在岩石性质和地质年代相同的条件下，地震波的速度随岩石埋藏深度的增加而增大。其原因主要是埋藏深的岩石所受的地层压力大的原故。不同地区，速度随深度变化的垂直梯度可能相差很大。在浅处速度梯度较大；深度增加时，梯度减小。,第一节地震波速度及影响速度的因素,根据地层的埋藏深度和电阻率R计算地层波速的经验公式：式中：V速度(m/s)，z深度(m)，R电阻率(m)此经验公式在没有地震测井资料的地区，可用来换算速度资料。,第一节地震波速度及影响速度的因素,5、与构造历史和地质年代的关系,同样深度、成分相似的岩石，当地质年代不同时，波速也不同，年老的岩石比年青的岩石具有较高的速度。速度与构造运动的关系，在不同地区有不同的表现。在强烈褶皱地区，经常观测到速度的增大；地震波在岩石中的传播速度随地质过程中的构造作用力的增强而增大。,第一节地震波速度及影响速度的因素,6、与孔隙度和含流体的关系,大多数沉积岩中，岩层的实际波速是由岩石基质的速度、孔隙率，充满空隙的流体的速度以及颗粒之间的胶结物的成分等因素来决定的。简单的单位体积的岩石模型骨架(基质)中传播时间：ts=(1-)/Vs孔隙流体中传播时间：tf=/Vf总传播时间：t=tf+ts式中，Vf是孔隙流体中的速度；Vs是岩石基质的速度；是岩石的孔隙率。,第一节地震波速度及影响速度的因素,地层速度：在地震勘探中比较常用的，关于颗粒速度与流体速度、孔隙率之间一个很简单的关系式，叫做时间平均方程(Wyllie方程)Wyllie方程,第一节地震波速度及影响速度的因素,孔隙度越高，岩层速度越低；流体速度越高，岩层速度越高；岩石骨架速度越高，岩层速度越高；岩石孔隙的不均匀性或孔隙形状的变化，都会导致岩层速度的变化。,第一节地震波速度及影响速度的因素,当速度还受孔隙流体压力的影响，流体压力降低，流体压力这项的百分比影响就变小，当流体压力接近大气压时，其影响变得最小。在实际条件下，时间平均方程必须用一个压差调节系数c加以修正。流体压力等于岩石压力的一半时，C值约为0.85。,第一节地震波速度及影响速度的因素,地震波在油、气、水等流体中的传播速度比在岩石基质中的速度小，因而岩石孔隙中含有流体时使岩石的速度降低。孔隙流体性质影响纵波的速度和反射系数，不影响横波。Wyllie方程是亮点技术的理论基础。,第一节地震波速度及影响速度的因素,孔隙流体未固结砂岩中流体饱和度对P波速度的影响油水两相当含水饱和度从0变化到1，也就是从完全含油到完全含水，砂岩的波速是单调增大的。气水两相当含水饱和度从0变化到0.8时，波速是随之缓缓减小的，然后随着含水饱和度的增大而增大，在含水饱和度为0.95时急剧增大。,第一节地震波速度及影响速度的因素,压力对致密岩石和多孔岩石波速的影响是不同的。致密岩石压力的影响很小，一般可忽略。孔隙介质在储层中总是存在两种不同的压力：上覆岩层压力（Po）是整个上覆岩石地层所施加的压力，也称为围岩压力；储层压力（Pp）是流体质量所施加的力，也称为流体压力或孔隙压力。,7、速度与压力的关系,第一节地震波速度及影响速度的因素,1.上覆压力增加，而孔隙压力不变，那么岩石基质将被挤压得越紧密，岩石弹性模量将增加而密度变化不大，地层速度增加。2.孔隙压力增加，而上覆压力不变，那么孔隙流体承受的上覆压力部分将增加，岩石就显得较松，体积模量减小，泊松比增大，地层速度降低。,第一节地震波速度及影响速度的因素,8、与岩石结构的影响,地震波速度受岩石的基质结构所控制，诸如颗粒-颗粒接触关系、圆度、分选性、胶结程度等。1.颗粒-颗粒接触关系差通常导致很低的地震速度，而胶结程度好速度明显地增强。因为颗粒之间的接触区域大，所以大颗粒的砂层比细颗粒砂层呈现更高的地震速度。2.分选性差的砂层呈现较高的地震速度。因为分选性差降低了孔隙度。,第一节地震波速度及影响速度的因素,9、与温度的关系,当温度升高时，气饱或水饱和岩石的地震速度仅稍有减少（Timur，1977；Wang和Nur，1990）。如温度从22C到122C时速度会减少5-7%。当岩石为原油饱和时，纵波速度随着温度的增加而大幅度地降低。在重油砂层，当温度从25C增至125C时，Vp几乎下降了35%至90%！这样巨大的降低部分地是由于原油的可压缩率增加所造成。,第一节地震波速度及影响速度的因素,10、与频率的关系,一般认为，在很宽的频率范围内，纵波与横波的速度与频率无关，这说明纵波和横波不存在频散现象。实际资料中或实验室测试发现，在液体饱和的岩石中存在着速度频散现象。实验研究认为，频散是液体在孔隙空间中流动造成的；,第一节地震波速度及影响速度的因素,1)在沉积岩中速度的空间分布规律决定于地层的沉积顺序及岩性特点。沉积岩的基本特点之一是成层分布。根据形成沉积的各种条件(如岩性、孔隙率等)，可以将整个地质剖面划分为许多地层，在各层中波传播的速度是不同的。速度在剖面上的成层分布就成为沉积岩的基本特点.,11、沉积岩中速度的一般分布规律,第一节地震波速度及影响速度的因素,2)速度与深度和地质年代有关，这个关系基本上是平滑变化。速度随着深度(或反射波t0时间)的增加而增大。速度垂直梯度的存在也是速度剖面的又一重要特点。速度梯度是随深度的增加而减小的。,第一节地震波速度及影响速度的因素,3)由于工区地质构造与沉积岩相的变化，会引起速度的水平方向变化。一般说来，速度的水平梯度不会很大。构造破坏可以引起速度水平梯度的突变。如断层、地层中的不整合及地层尖灭。,第一节地震波速度及影响速度的因素,一、层速度Vi(intervalvelocity),定义：在地震勘探中，把某一相对稳定或岩性基本一致的沉积地层所对应的速度称为该地层的层速度。层速度是一种对地震资料进行地质解释很有用的资料。声波测井资料、地震测井或零井源距VSP资料可以得到比较细致、精确的层速度资料。,第二节几种速度概念,二、平均速度Vav(averagevelocity),定义A一组水平层状介质中某一界面以上介质的平均速度就是地震波垂直穿过该界面以上各层的总厚度与总的传播时间之比。n层水平层状介质的平均速度：,第二节几种速度概念,同样得到：注意：引入平均速度的思想地震波传播遵循的是“沿最小时间路程传播”，在非均匀介质(如层状介质)中，最小时间路程将是折线而不是直线，引入平均速度时所作的“地震波沿最短路程直线传播”假设就是对一种实际介质结构的近似简化。引入平均速度的目的把沿最短时间路径传播转化为沿最短距离路径传播，不符合“费马”原理，但具有一定的用途，如时深转换。,第二节几种速度概念,三、均方根速度VR(rootmeansquarevelocity),水平层状介质的反射波时距曲线是否还是双曲线？如果不是的话，能否近似地把它看成双曲线?,n层水平层状介质，O点激发，S点接收，反射波的传播时间：相应的炮检距：这两个方程不能写成简单的t=f(x)显函数形式。,第二节几种速度概念,1、问题的提出,VR相当于均匀介质情况下的波速，称为n层水平层状介质的均方根速度。均方根速度的定义：把水平层状介质情况下的反射波时距曲线近似地当作双曲线时，求出的波速就是这一水平层状介质的均方根速度。均方根速度的意义：把各层的速度值的“平方”按时间取其加权“平均”值，而后取“平方根”值，要注意其中速度较高的层所占比重要大，表明这种近似在一定程度上考虑了射线的偏折。,第二节几种速度概念,四、等效速度V(equivalentvelocity),均匀倾斜界面的共中心点时距曲线方程为式中：h0是共中心点处界面的法线深度引入速度则叫做倾斜界面均匀介质情况下的等效速度。,第二节几种速度概念,1）倾斜界面情况下的共中心点道集的叠加效果存在两个问题反射点分散；动校正不准确。2）等效速度的意义用V代替V，倾斜界面共中心点时距曲线就可以变成水平界面形式的共反射点时距曲线。此时用等效速度对倾斜界面的共中心点道集进行动校正，可以取得很好的叠加效果，没有剩余时差。3）不足之处反射点分散的问题并没有解决，只能通过偏移叠加才能妥善解决。,等效速度意义,第二节几种速度概念,五、叠加速度V(stackingvelocity),在一般情况下，包括水平界面均匀介质、倾斜界面均匀介质、覆盖层为层状介质或连续介质等，都可将共中心点反射波时距曲线看作双曲线，用共同的式子来表示：V称为叠加速度。,第二节几种速度概念,叠加速度V的含义可以从另一个角度来理解。在实际的地震资料处理工作中，通过计算速度谱来求取叠加速度。即对一组共反射点道集上的某个同相轴，利用双曲线公式选用一系列不同速度Vi，计算各道的动校正量，对道集内各道进行动校正；当取某一个Vi能把同相轴校成水平直线(将得到最好的叠加效果)时，则这个Vi就是这条同相轴对应的反射波的叠加速度。叠加速度V也称为动校正速度。,第二节几种速度概念,井中观测资料包括地震测井资料或零偏移距垂直地震剖面（VSP-VerticalSeismicProfile）就求取平均速度和层速度而言，地震测井或零偏移距VSP方法在原理上是基本一致的，只是VSP方法无论在工作方式和效率上还是在资料的应用范围和求取速度的精度上，都比地震测井的要宽和高，目前VSP方法基本上取代了地震测井方法。声波测井资料两种资料都可求取相应的平均速度和层速度。,一、井中测定方法,第三节速度的测定,1、地震测井,野外观测方法：用电缆将检波器放入深井中，在井口附近激发地震波，记录能量从震源传播到检波器的时间，每激发一次，就向上提升一次检波器。,井下检波器一般只有一个，所以地面要放多次炮，检波器不断移动。要得到精确的平均速度，炮点离井口越近越好。,第三节速度的测定,检波器位置要针对重要的地质标准层（地层顶底、不整合面等）合理布设，移动间距足够小，以满足精度要求；炮点分布，尽量分布集中在一个区域，近炮点按扇形排列，远炮点按矩形排列。,地震测井的要求与特点,第三节速度的测定,当地层倾角较大时，激发点应布置在地层的下倾方向，以防折射波的干扰。炮点在地层上倾方向时，波的入射角为(+)，可能会达到临界角，引起折射波，井中检波器先接收到的可能是折射波或滑行波，而不是下行初至波。,第三节速度的测定,地层平均速度计算,计算速度时应从激发井井底O算起检波器的深度H,激发井深度为hc，激发井与深井的水平距离是d。,单程垂直旅行时t:,第三节速度的测定,2、地震测井与声波测井,地震测井和声波测井都是求取平均速度和层速度的有效方法，其共同点和差别主要为：,第三节速度的测定,此类方法通常把覆盖层视为均匀介质。1、利用实际观测到的直达波或折射波资料，直达波或折射波的时距曲线是一条直线，该直线斜率的倒数就是介质或折射层界面的平均速度。2、对于均匀介质的反射波时距曲线方程：采用x2t2直角坐标系，反射波时距曲线方程可展现为一条直线，该直线斜率的倒数就是介质的速度，利用这种方法求取的速度称之为有效速度。,二、时距曲线分析方法,第三节速度的测定,四、速度谱方法,野外采集资料：一炮激发、多道接收的非零炮检距资料期望输出：自激自收剖面（零炮检距剖面）处理方法：1.动校正将反射波非零炮检距时间校正为零炮检距时间；2.共反射点叠加,第三节速度的测定,动校正量1、速度大小与动校正量的关系V较小时，校正量偏大，校正过量V较大时，校正量偏小，校正不足V正确时，校正量准确，校正合适，同相轴被拉平,第三节速度的测定,共中心点反射波道集的时距曲线可看成是一条双曲线,计算出道集内各道的动校正量tx，对这个道集进行动校正。如果速度选取得正确，动校正量tx就合适，动校正后的共反射点时距曲线就是水平直线。所谓速度谱分析，就是利用这个原理。即选用一系列不同的速度值对共反射点时距曲线进行动校正，当能把共反射点时距曲线校正为水平直线时的速度值，就是合适的叠加速度。,2、速度谱计算速度的方法,第三节速度的测定,3、计算速度谱的过程,制作速度谱过程中，要给定一个t0，对V进行扫描。设有一个反射波，它的t0时间是t0min。先选一个较小的速度V1，按动校公式对各道进行动校正，计算出各道的动校正量tx。校正后计算这组道上这个波的叠加能量(V1)。,第三节速度的测定,如果V1不合适，时距曲线下弯(V1小)或上弯(V1大)，相应的叠加能量(V1)较小。再选一个速度值V2=V1+V(V是选定的一个速度增量)，重复上面步骤，计算出叠加能量(V2)。依此用不同的速度增量可计算一组叠加能量(Vn)。绘出速度和叠加能量的曲线就是这个反射波的速度谱曲线。从(Vn)-V曲线上看到，当V=VM时(VM)值最大，当选用V=VM时正好把共反射点时距曲线校正成水平直线，VM就是最合适的动校正速度。,第三节速度的测定,实际地震记录上有来自不同界面的许多反射波，即有许多不同t0的同相轴。不同反射波的叠加速度也不一样。制作速度谱过程中，也要对t0进行扫描，由浅层到深层所有反射波要求出它们各条速度谱曲线。对一张记录，可计算出很多条速度谱曲线(每条对应一个t0值)，把这些曲线按它们的t0，的大小依次排列起来，就是一张速度谱。速度谱上，确定出由各t0的一次反射波所形成的速度谱曲线的极大值VM，并把各t0的极大值VM连接起来就可以确定出叠加速度Vd随t0的变化曲线。,第三节平均速度的测定,速度谱计算的流程图,可用于求取记录的最佳叠加速度资料；检查多次叠加剖面的质量；发现多次波以便消除它；提供叠加速度场，用于变速成图或偏移速度场的建立；提供层速度资料进而研究岩性变化、寻找地层或岩性圈闭等。,4、速度谱分析主要用途：,第三节平均速度的测定,50,第四节各种速度之间的关系,平均速度和均方根速度都是对介质模型作了不同的简化，都是把不均匀的介质简化为具有某种“假想速度”的均匀介质。引入不同的假设后，为了评价速度的精度，引入射线平均速度的概念。,一、平均速度与均方根速度的关系,第六章地震波的速度,51,当地震波在非均匀介质中传播时，沿不同的射线路径有不同的传播速度。射线平均速度把地震波沿某一条射线传播所走的总路程长度除以所需的时间叫做波沿这条射线的射线平均速度。射线平均速度对每条射线都不一样。,第四节各种速度之间的关系,1、射线平均速度的概念,52,它是旅行时t(或炮检距x)、出射角0(或射线参数P)的函数；它比平均速度更精确地描述了波在介质中的传播特点；分析各种速度的精度时可以用它作为一个比较的标准；,第四节各种速度之间的关系,2、射线平均速度的特点：,53,当波在水平层状介质中传播时，射线平均速度精度最高，它反映了波在各层的传播路径的情况。射线平均速度用作衡量其他速度的精度和特点的标准是可行的。对同一介质结构，炮检距越大射线平均速度也大，会趋近于结构中速度最高层的速度.地震波在同一种介质结构中沿不同射线传播的速度是不同的。,3、对于射线平均速度的几点认识：,第四节各种速度之间的关系,54,x=0时，平均速度比均方根速度精度更高。随着x的增加，平均速度与射线平均速度的差别越来越大；随着x的增加，均方根速度则与射线平均速度逐渐接近，在某一x处，两者相等，然后两者的差别也逐渐增大。可见在炮检距为某一数值附近均方根速度精度较高。当x时射线平均速度曲线是以最高速地层的速度曲线作为渐进线。,平均速度、均方根速度、射线平均速度的关系,第四节各种速度之间的关系,55,平均速度要小于等于均方根速度。平均速度与均方根速度都是把层状介质看成某种假想的均匀介质。对某一种介质结构只有一个平均速度和一个均方根速度。平均速度、均方根速度与炮检距的关系炮检距为零时，平均速度精度高。随炮检距增大，均方根速度比较准确。炮检距过大，均方根速度精度降低。,第四节各种速度之间的关系,平均速度与均方根速度关系,56,平均速度就是地震波垂直穿过该层以上的总地层厚度与总传播时间之比。平均速度按各层速度Vi对垂直旅行时ti加权平均。在平均速度中,垂直旅行时间大的层其速度就对平均速度影响大，旅行时间小的就影响小。平均速度能较好描述炮检距为零（垂直入射和反射）的情况。所以设计井深，进行时深转换时要用它。,5、平均速度和均方根速度的差别,1）平均速度,第四节各种速度之间的关系,57,均方根速度是沿着双程反射路径的介质速度对时间取均方根值。在均方根速度中，速度高的影响也大些。均方根速度近似地考虑了层状介质中地震射线的偏折效应。均方根速度虽然考虑了透射时发生的偏折，但推导时采用了近似算法。所