物探新方法新技術(shù)之六AVO技術(shù)(AmplitudeVariationwithOff)

1、6 AVO技術(shù)AVO技術(shù)是利用反射系數(shù)隨入射角變化的原理，在疊前道集上分析振幅隨偏移距變化的規(guī)律，估求巖石的彈性參數(shù)、研究巖性、檢測(cè)油氣的重要技術(shù)。AVO是振幅隨偏移距變化(Amplitude Variation with Offset)的英文縮寫或振幅與隨偏移距關(guān)系(Amplitude Versus Offset) 的英文縮寫，AVA是振幅隨入射角變化(Amplitude Variation with Incident Angle)的英文縮寫。在地震勘探中，共中心點(diǎn)道集記錄的偏移距可以等價(jià)地用入射角表示，故AVO與AVA等價(jià)。該技術(shù)自20世紀(jì)80年代提出以來(lái)，在油氣勘探中不斷發(fā)展，并得到迅速

2、推廣和廣泛應(yīng)用。尤其是在天然氣勘探中指導(dǎo)尋找天然氣藏發(fā)揮了重要作用，對(duì)提高天然氣勘探成功率受到了很好的效果。從近幾年的技術(shù)發(fā)展情況看，P波方位AVO已作為一種預(yù)測(cè)油氣藏各向異性的有效方法而受到青睞。6.1 AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)根據(jù)地震波動(dòng)力學(xué)中反射和透射的相關(guān)理論，反射系數(shù)(或振幅)隨入射角的變化與分界面兩側(cè)介質(zhì)的地質(zhì)參數(shù)有關(guān)。這一事實(shí)包含兩層意思：一是不同的巖性參數(shù)組合，反射系數(shù)(或振幅)隨入射角變化的特性不同，稱為AVO正演方法；二是反射系數(shù)(或振幅)隨入射角變化本身隱含了巖性參數(shù)的信息，利用AVO關(guān)系可以反演巖石的密度、縱波速度和橫波速度，稱為AVO反演方法。6.1.1 Zoepprit

3、z方程AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是Zoeppritz方程及其簡(jiǎn)化的思路。設(shè)有兩層水平各向同性介質(zhì)，當(dāng)?shù)卣鹂v波非垂直入射(即非零偏移距)時(shí)，在彈性分界面上會(huì)產(chǎn)生反射縱波、反射橫波、透射縱波和透射橫波，見(jiàn)圖61。各種波型之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系服從斯奈爾定理 (6-1)圖61 入射波、反射波和透射波的關(guān)系式中 、縱波、橫波的反射角；、縱波、橫波的透射角；、反射界面上下介質(zhì)的縱波速度；、反射界面上下介質(zhì)的橫波速度。在這種情況下，反射系數(shù)的變化與偏移距的變化(或者說(shuō)與入射角的變化)有關(guān)，計(jì)算反射系數(shù)需要解一個(gè)四階線性矩陣，即Zoeppritz方程 (6-2)式中 、縱波、橫波的反射系數(shù)；、縱波、橫波的透射系數(shù)；、

4、反射界面上下介質(zhì)的密度。(6-2)式揭示了反射系數(shù)(影響反射波振幅的主要因素)與入射角及界面兩側(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)之間的關(guān)系。當(dāng)入射角為零(即零偏移距)時(shí)，按照斯奈爾定理， 解Zoeppritz方程得 (6-3)用Zoeppritz方程計(jì)算出的反射系數(shù)，與實(shí)際觀測(cè)反射波振幅是有差別的，主要原因是：(1) Zoeppritz方程描述的是平面波，實(shí)際觀測(cè)的是球面波；(2) Zoeppritz方程給出的是波沿傳播方向的反射系數(shù)，這與觀測(cè)所得反射系數(shù)不同；(3) Zoeppritz方程給出的是兩個(gè)半無(wú)限空間界面的反射(非層狀介質(zhì))，不存在各個(gè)界面反射子波的相互干涉；(4) 在Zoeppritz方程中，振幅

5、是在不考慮諸如透射損失、衰減、球面發(fā)散、檢波器的方向特性等影響因素下的反射系數(shù)的測(cè)量值。由此可見(jiàn)，基于Zoeppritz方程所求的反射系數(shù)的解，不可能作為精確的地震響應(yīng)，只能是一種近似。Zoeppritz方程可以預(yù)測(cè)任意巖性組合時(shí)振幅的變化，但對(duì)AVO分析來(lái)說(shuō)，只對(duì)以下三種情況感興趣：(1) 若波阻抗和(或)值通過(guò)界面時(shí)同時(shí)減小，或者是同時(shí)增大(相同方向變化)，則反射系數(shù)隨入射角增加而增加，見(jiàn)圖62(a)；(2) 若波阻抗和(或)值通過(guò)界面時(shí)，一個(gè)減小，而另一個(gè)增大(不同方向變化)，則反射系數(shù)隨入射角增加而減小，見(jiàn)圖62(b)；(3) 若泊松比通過(guò)界面時(shí)保持不變，則反射系數(shù)變化很小，可近似認(rèn)為

6、幾乎保持不變，見(jiàn)圖62(c)。圖62 AVO響應(yīng)(縱坐標(biāo)為反射系數(shù)，橫坐標(biāo)為入射角)6.1.2 Zoeppritz方程的近似方程求解Zoeppritz方程是非常復(fù)雜的，并且難以給出清楚的物理概念。因此，人們提出了不同形式的近似方程，使其更加容易理解，有較明顯的物理意義。這些近似方程也就成為當(dāng)前AVO分析的基礎(chǔ)表達(dá)式。1Aki和Rechards(1980)的近似方程在大多數(shù)情況下，認(rèn)為相鄰兩層介質(zhì)的彈性參數(shù)變化較小，即、和其它值相比為小值，所以可略去它們的高次項(xiàng)，縱波的反射系數(shù)近似為 (6-4)其中、和分別為反射界面兩側(cè)介質(zhì)縱波速度、橫波速度和密度的平均值，即、和分別為反射界面兩側(cè)介質(zhì)縱波速度、

7、橫波速度和密度的差值，即為縱波入射角與縱波透射角的平均值，即(6-4)式說(shuō)明縱波反射系數(shù)除了與縱波速度、密度有關(guān)外，還與入射角、透射角和橫波速度(泊松比)有關(guān)。因此，在疊前CDP道集中，非零炮檢距地震道的反射系數(shù)(或反射振幅)就包含了橫波的信息，故AVO屬性中包含了橫波與泊松比的信息。使用AVO特征相當(dāng)于縱、橫波聯(lián)合解釋有助于提高油氣檢測(cè)的準(zhǔn)確性。由于，(6-4)式經(jīng)整理后變?yōu)?(6-5)當(dāng)上式用代入后得到 (6-6)(6-6)式第一項(xiàng)中不包含橫波，即。令 (6-7)這就是垂直入射時(shí)的縱波反射系數(shù)。當(dāng)入射角稍大(0°<30°)時(shí)，應(yīng)加上第二項(xiàng)，因?yàn)榇藭r(shí)第三項(xiàng)的 ，而又

8、較小，所以可略去。只有當(dāng)入射角較大(30°)時(shí)， 此時(shí)增加較快，不能忽視，必須加上第三項(xiàng)。因此，當(dāng)入射角小于30°時(shí)，(6-6)式可簡(jiǎn)化為 (6-8)令 (6-9)此時(shí)(6-6)式可寫成 (6-10)上式為的線性方程，其中P是由零炮檢距截距構(gòu)成的地震道，即P波疊加的地震道，它代表對(duì)反射界面兩側(cè)的波阻抗變化的響應(yīng)；由斜率G構(gòu)成的地震道稱為梯度疊加道，它代表對(duì)反射界面兩側(cè)的橫波速度、縱波速度和密度變化的響應(yīng)，也是振幅隨入射角(或炮檢距)的變化率。2Shuey(1985)的近似方程現(xiàn)在AVO分析中常用的是Shuey(1985)的簡(jiǎn)化方程 (6-11)其中和分別為反射界面兩側(cè)介質(zhì)泊

9、松比的平均值與差值，即， (6-11)式和(6-6)式基本相同，表明縱波反射系數(shù)由三個(gè)近似獨(dú)立的項(xiàng)組成：(1)法線入射項(xiàng)，同波阻抗差成正比；(2)適中角入射項(xiàng)(0°<30°)，同泊松比差成正比，這個(gè)范圍是研究振幅隨炮檢距變化的主要區(qū)域；(3)廣角入射項(xiàng)(30°)，同速度差成正比。當(dāng)30°時(shí)，廣角入射項(xiàng)可以忽略，(6-11)式簡(jiǎn)化為 (6-12)式中，為垂直入射時(shí)的縱波反射系數(shù)；為與巖石縱、橫波速度和密度有關(guān)的項(xiàng)。(6-12)式表明，彈性界面上產(chǎn)生的反射縱波振幅與成線性關(guān)系。在CDP道集上，對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)，作振幅與的線性擬合，可獲得截距P和斜率(梯度)G

10、，見(jiàn)圖63。由直線截距構(gòu)成的P剖面表示法線入射的零炮檢距剖面，由梯度或斜率構(gòu)成的G剖面的物理意義不直觀。根據(jù)泊松比與巖石物性參數(shù)的關(guān)系推導(dǎo)出泊松比和縱橫速度比之間的關(guān)系即 (6-13)圖64給出它們之間的關(guān)系，當(dāng)較小時(shí)，微小的變化也會(huì)引起值有較大的變化。當(dāng)時(shí)，把它們代入，得到 (6-14) (6-15)G的表達(dá)式說(shuō)明，在界面兩側(cè)介質(zhì)波阻抗不變條件下，泊松比差對(duì)反射振幅隨入射角的變化影響很大，越大振幅隨入射角的變化也越大。 圖63 截距P和斜率G的關(guān)系 圖64 泊松比與之間的關(guān)系當(dāng)?shù)貙又泻瑲鈺r(shí)，明顯地降低了巖石的縱波速度，而橫波速度則相對(duì)保持不變，即其泊松比明顯下降，從而導(dǎo)致界面兩側(cè)介質(zhì)的泊松比

11、差相應(yīng)增加。事實(shí)上，圖63截距P的符號(hào)是可正可負(fù)的，分別用符號(hào)P+和P-表示；斜率G的符號(hào)也有正有負(fù)，分別用符號(hào)G+和G-表示；圖65給出它們之間的關(guān)系。當(dāng)30°時(shí)，無(wú)論值是正是負(fù)，橫坐標(biāo)是單調(diào)上升的偶函數(shù)。從上半圖可以看出，當(dāng)P和G同號(hào)(都為正)時(shí)，其振幅隨或增加呈線性增大；當(dāng)P和G異號(hào)(P為正，G為負(fù))時(shí)，振幅隨增加呈線性減小。從下半圖可以看出，當(dāng)P和G同號(hào)(都為負(fù))時(shí)，其振幅的絕對(duì)值隨或增加呈線性增大；當(dāng)P和G異號(hào)(P為負(fù)，G為正)時(shí)，振幅的絕對(duì)值隨增加呈線性減小。圖65 截距P和斜率G之間的關(guān)系3Chen(2009)的近似方程陳同俊針對(duì)煤層及其頂/底板巖性的不同，提出P波AV

12、O近似公式 (6-16)式中，R0為P波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)；B為待定常數(shù)，針對(duì)不同的頂板和煤層系統(tǒng)，B取值不同。對(duì)于煤層頂板反射P波AVO來(lái)說(shuō)，B的取值如表61所示。表61 煤層頂板反射P波AVO所對(duì)應(yīng)的B值頂板巖性煤層巖性B取值泥巖原生煤2.0砂巖原生煤4.5泥巖構(gòu)造煤0.1砂巖構(gòu)造煤3.5對(duì)于煤層底板反射P波AVO來(lái)說(shuō)，B的取值如表62所示。表62 煤層底板反射波AVO所對(duì)應(yīng)的B值頂板巖性煤層巖性B取值泥巖原生煤2.0砂巖原生煤2.0泥巖構(gòu)造煤0.1砂巖構(gòu)造煤1.0利用煤層P波AVO近似公式對(duì)表61、表62所示的煤層模型頂、底板進(jìn)行AVO正演模擬，其與Zoeppritz精確解對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，

13、在7o25o范圍內(nèi)進(jìn)行AVO分析時(shí)，近似公式完全可以代替Zoeppritz方程。并且，式(6-16)的物理意義明確，突出了煤層與其頂板間的泊松比差異。6.1.3 AVO技術(shù)的巖石物理學(xué)基礎(chǔ)1巖性與泊松比試驗(yàn)證明，泊松比是對(duì)區(qū)分巖性有著特殊作用的一個(gè)參數(shù)。通常，沉積巖的泊松比值大于0.2，泥巖的泊松比值為0.320.44，含水砂巖的泊松比值為0.250.35，含氣砂巖的泊松比值可降到0.1。因此，可以根據(jù)CDP道集記錄中的振幅隨偏移距的變化關(guān)系來(lái)勘探氣層。2速度與泊松比通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證實(shí)：影響反射振幅隨炮檢距變化的最主要因素是介質(zhì)的泊松比，其次才是速度。因此，AVO響應(yīng)實(shí)際是地層泊松比異常

14、的反映。3影響巖石泊松比的因素泊松比是一個(gè)物性常數(shù)，與縱、橫波速度比有關(guān)，不同巖石具有不同的泊松比。巖石的泊松比與巖石參數(shù)間(巖石成分、孔隙度、固結(jié)程度、溫度、壓力、流體類型和孔隙形態(tài))的關(guān)系是復(fù)雜的，受多種因素的影響。6.2 AVO的處理技術(shù)1恢復(fù)和保持相對(duì)振幅AVO處理必須在疊加前進(jìn)行嚴(yán)格的振幅保持和地表一致性等精細(xì)處理，盡可能消除影響振幅的各種主要因素。2“三高”處理疊加是提高信噪比最有效的方法，但是不能使用，因?yàn)樵贏VO分析中需要的是疊前道集數(shù)據(jù)，而不是疊加數(shù)據(jù)。3疊前偏移AVO分析應(yīng)當(dāng)采用偏移后的道集數(shù)據(jù)，即使目標(biāo)地層相對(duì)平坦，采用偏移后的數(shù)據(jù)也是有其好處的?？傊?，疊前偏移在整個(gè)AV

15、O處理中是不可缺少的組成部分，應(yīng)當(dāng)給予應(yīng)有的重視。4形成角度道和角度道集由于AVO分析是研究反射振幅隨入射角的變化，因此需要將野外觀測(cè)到的反射振幅隨炮檢距的變化關(guān)系(AVO)轉(zhuǎn)換為振幅隨入射角的變化關(guān)系(AVA)。按照一定的入射角范圍(如7°25°)，將固定炮檢距的CMP道集上的道轉(zhuǎn)換為固定入射角的道，稱之為“角度道”，它是由一組不同炮檢距的道上固定入射角的那部分組成。不同入射角的角度道便形成角度道集。在均勻?qū)訝罱橘|(zhì)情況下，按直射線傳播，入射角為 (6-17)式中， 炮檢距，；零炮檢距雙程旅行時(shí)間，；與時(shí)間對(duì)應(yīng)的均方根速度，。圖66給出角度道的生成過(guò)程(a)和兩個(gè)角度道集(

16、b)，下方表示的是角度道集的能量棒狀圖。從圖中可以看出，角度道集的道數(shù)一般比CDP道集以炮檢距表示的道數(shù)要少，但信噪比卻要高于以炮檢距表示的CDP道集。圖66 (a)角度道的生成過(guò)程；(b)兩個(gè)角度道集5振幅與的線性擬合對(duì)于每一個(gè)時(shí)間進(jìn)行振幅與的線性擬合求取P和G，再由它們進(jìn)行加、減、乘，即P+G、P-G、P*G，可獲得AVO的主要屬性剖面。6AVO分析對(duì)原始地震資料的要求一般要求最大炮檢距為目的層深度的2倍，這樣可使AVO變化明顯，得到較滿意的結(jié)果。6.3 AVO屬性剖面通過(guò)地震資料的處理可以獲得AVO反演的振幅信息和屬性參數(shù)，產(chǎn)生AVO屬性剖面。1P波剖面(P值)沿每個(gè)CDP道集擬合出的P

17、波所組成的剖面，接近于真正的法線入射道零炮檢距剖面，圖67是P波剖面。常規(guī)疊加道是不同入射角(炮檢距)記錄的平均，因?yàn)椴荒茏鳛榱闩跈z距的好的近似。而P波剖面更接近于零炮檢距剖面，所以也更適合于反演處理。2梯度剖面(G值)沿每個(gè)CDP道集擬合出的G所組成的剖面，圖68是梯度剖面。梯度剖面反映的是巖層彈性參數(shù)的綜合特征。3泊松比剖面(P+G)根據(jù)(6-15)式，當(dāng)縱、橫波速度比時(shí)，P+G反映泊松比特征，圖69是泊松比剖面。在正常極性顯示下，正值意味著泊松比增加，負(fù)值意味著泊松比減少。一般巖石的泊松比隨深度增加而減小，淺部地層泊松比值大，含氣后就降低。4S波剖面(P-G)由(6-7)式和(6-9)式

18、相減得到 (6-18)顯然，P-G反映了S波信息，它是通過(guò)AVO分析從P波資料中獲取的，而不需要測(cè)量S波或轉(zhuǎn)換波，這是AVO分析的特點(diǎn)。圖610是S波剖面。5碳?xì)錂z測(cè)剖面(P*G)多數(shù)情況下，油氣的存在使反射振幅P和梯度G絕對(duì)值都會(huì)增大。因此， P*G剖面可使能量更突出，正異常(P*G>0)說(shuō)明AVO增加區(qū)域，可能暗示有油氣存在。圖611碳?xì)錂z測(cè)剖面。以上討論了五種AVO屬性疊加剖面，其實(shí)最基本的只有前兩種剖面。它們之間的加、減、乘運(yùn)算，得到了后面的三種剖面。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)具體情況選擇兩三種。而最重要的是，在這些屬性剖面上做進(jìn)一步的處理，如波阻抗反演，而AVO分析的效果將在最終的波阻抗剖面上得到體現(xiàn)。 圖67 P波剖面 圖68 梯度剖面 圖69 泊松比剖面 圖610 S波剖面圖611 碳?xì)錂z測(cè)剖面6.4 方位AVO6.4.1 方位AVO方法原理對(duì)于HTI(Transverse Isotropy with a Horizontal axis of symmetry)介質(zhì)，平行對(duì)稱軸方向的泊松比大于垂直對(duì)稱軸方向的泊松比。從平行對(duì)稱軸方向到垂直對(duì)稱軸方向，泊松比的變化引起了不同方位上的AVO梯度隨之變化。方位AVO將同一個(gè)CDP面元的地震道按炮點(diǎn)檢波點(diǎn)連線的方位角分成若干個(gè)方位道集，分別對(duì)各方位道集進(jìn)行AVO反演，獲得不同方位的AVO梯度