AVO基本概念

AVO基本概念印兴耀中国石油大学（华东）AVO基本概念AVO：振幅随炮检距变化AmplitudeVariationwithOffset振幅和炮检距关系AmplitudeVersusOffsetAVA：振幅随入射角变化AmplitudeVariationwithincidentAngleAVO（或AVA）是一项利用振幅随炮检距变化特征分析和识别岩性及油气藏的地震勘探技术。在地震勘探中，共中心点道集地震记录可以等价地用炮检距和反射界面深度来表示地震波的入射角，因此，振幅随炮检距变化（AVO）与振幅随入射角变化（AVA）是等价的概念。在碎屑岩中寻找天然气，AVO理论是简单明了的，碎屑岩孔隙内含天然气，明显降低岩石的纵波（P波）速度，而横波（S波）速度相对保持不变。这就是说，当地层中含天然气时，会造成纵、横波速度比值的变化。这种变化必然导致在不同炮检距的反射振幅的分布，有着不同的表现。例如，含气砂岩/页岩界面，或含气砂岩/含水砂岩界面，由于P波与S波速度比值的变化，入射波反射振幅的分布与不含气的常规界面入射波反射振幅的分布不同，其振幅随炮检距的增加而增加，而常规分界面上，一般随炮检距的增加而降低。这种异常的振幅响应，就成为直接检测油气的标志。AVO的基本思想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。1.不同的岩性参数组合，振幅系数随入射角变化的特征不同，利用AVO正演模型，分析已知的油、气、水和岩性的AVO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；2.振幅系数随入射角变化本身隐含了岩性参数的信息，利用AVO关系可以直接反演岩石的密度、纵波速度和横波速度，定量进行地震油藏描述。左图说明了AVO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炮检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AVO呈减少趋势，含气砂岩AVO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：AVO信息有助于直接检测岩性和油气。传统的地震岩性分析方法是建立在水平叠加基础上的“亮点”技术，这种技术改善了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AVO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炮检距的地震信息，包括叠前振幅（或称AVO）和叠前地震属性（或称广义AVO）。AVO发展历史70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，人们开始注意到“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，应用“亮点”技术进行烃类检测时，需要去伪存真。AVO发展历史80年代初，Ostrander（1982）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炮检距增加而增加，含水砂岩反射振幅随炮检距增加而减少，这一现象的发现丰富了烃类检测的技术。虽然，理论上早已预示反射系随入射角变化与岩性参数有关，1955年Koefoed就指出：“不久的将来，利用反射系数曲线的形态分析岩性是可能的”但直到60年代，地震多次覆盖和数字技术的出现，才使得这种技术成为可能。然而，由于水平叠加技术对地震信噪比的改善取得巨大成功，掩盖人们对AVO信息的注意力，以往几乎没有人注意到AVO的潜力。Ostrander的工作标志着实用AVO技术的出现，激起人们对AVO现象的极大兴趣。AVO发展历史Shuey(1985)对Zoeppritz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AVO属性分析和零炮检距剖面的提取得到广泛应用。1985年，郑晓东在国内首先提出非零炮检距地震资料的正演和反演，并把AVO信息应用于“暗点”型气层的识别和检测。Smith（1987）等提出用加权叠加方法估计流体因子和检测气层。为了充分挖掘AVO信息的潜力，不少作者研究用AVO属性（斜率和截距）交汇图识别岩性和油气的方法，并提出AVO烃类检测因子。AVO发展历史Ruthorford(1989)把气层AVO响应分成三类，Castagna(1993)等将Ruthorford的工作推广为四类。为了避免AVO公式复杂性，不少作者对Zoeppritz方程进行简化，不同的近似表达强调AVO分析的不同侧面。国内郑晓东提出一种奇偶幂级数形式的近似公式，把前人的近似公式统一起来，使岩性参数分离和波型转换变得更为容易，并提出一种更一般的弹性参数反演方法——后AVO反演（PostAVOInversion）。AVO发展历史不少作者对AVO反演进行过深入的讨论。类似于声阻抗反演，Patrick（1999）提出一种与入射角有关的弹性阻抗反演，与常规的声阻抗相比，这种弹性阻抗对储层或烃类更为敏感。AVO发展历史随着AVO应用的深入，人们也注意到利用双参数的AVO反演（P波速度变化量和S波速度变换量，或P剖面和S剖面）有时无法区分低含气饱和度和高含气饱和度的气层，Kabir建议用密度差异作为含气饱和度的指示因子，Sidmore等也用密度参数变化量区分不同含气饱和度的气层。此外，人们还利用三维AVO信息检测裂缝，利用三维AVO属性体提高烃类检测的能力。AVO发展历史AVO的提出最初仅仅是为了提高碳烃检测能力，今天AVO的发展已经超出了这个范畴，它已经和正在渗透到地震勘探的各个领域。在裂缝检测、压力预测、油藏动态检测、油气预测、储层非均质性描述方面得到广泛应用。AVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程平面弹性波在弹性分界面上的反射和透射理论是地震勘探的理论基础，早在本世纪初已基本建立。我们知道，以法向入射到界面上的平面P波，在界面上不会转换成S波，通常情况下的反射系数公式就是针对这种情况导出的。AVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程除法向之外，以任何角度入射的P波，其中一部分能量要转换成S波。在反射界面上，入射波的分配可以用几个方程组之中的任何一个来表示，常用的是利用入射与反射和透射的位移幅度表示。包含反射系数描述质点位移的方程，最经典的是Zoeppritz方程（1919）。对于给定的反射界面，Zoeppritz方程的解取决于两种介质中的纵横波速度和密度差异，以及入射角。而纵横波速度比又直接反映在介质的泊松比上.这些研究，使人们逐渐认识到，含气砂岩的泊松比异常，可以为从地震记录中识别含气砂岩提供了一种有效手段。AVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程1．反射和透射的统一公式假设有一平面纵波自介质I以入射角入射到界面上，可能会产生四个波。它们分别是反射P波、透射P波、反射SV波和透射SV波。根据Snell定律，反射P波的反射角为，设反射SV波的反射角为，透射P波和透射SV波的透射角分别为和，它们之间满足：p22112211sinsinsinsinAVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程根据在介质分界面上的连续性条件，即界面两侧介质中质点所受的正应力、切应力、法向位移和切向位移都应该相等，据此可得到四个方程。将以上五个波的波函数代入，并使用虎克定律和上式，经复杂推导后得到著名的Zoeppritz方程：111121212212121111221122122122211111221122112cos2sincossin2sin2cos2sin2cos2cos2sin2cos2sinsincossincoscossincossinpspppsppTTRRAVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程推导得到P波的反射系数为：DUVpMNRPP/)(22221221211pcpbM2221221211pcpbN)1)(1(22222121ppdeU)1)(1(222221122ppdeVdpb22dpc21dpe212)(2211222dAVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程前面公式表明：振幅系数是通过非常复杂的非线性关系把弹性分界面两侧介质的密度、纵波速度和横波速度与射线参数p联系起来。根据Snell定理，用入射角代替射线参数可见：振幅系数随入射角变化与介质的弹性参数有关，通常我们用AVA作为振幅系数随入射角变化的简称，在地震勘探中等价地用AVO表示振幅系数随炮检距的变化。AVO分析的理论基础－－Zoeppritz方程分析振幅系数和介质弹性参数的关系可见：第一，不同的岩性参数组合，振幅系数随炮检距的变化的特征不同，这意味着：利用正演模型分析已知的油、气、水和岩性的AVO特征可以从实际地震记录中直接识别油气和岩性，定性地进行地震油藏描述；第二，振幅系数随炮检距的变化本身隐含了岩性参数的信息，利用AVO可以直接反演岩石的密度、纵波速度、横波速度，定量地进行地震油藏描述。这两层含义反映了AVO分析的基本思想，也代表了两种基本的AVO分析方法，即正演方法和反演方法。AVA或AVO并没有指明是反射波，还是透射波，也没有指明是转换波，还是非转换波，这意味着转换波、非转换波、反射波和透射波均存在AVA关系。因此，目前地震勘探中的AVO分析不应仅局限于反射纵波，地表、VSP、井间、多波多分量反射和透射地震记录均可用于AVA（或AVO）分析振幅系数的信息量根据Zoeppritz方程，从表面上看，振幅系数随入射角变化与介质两边的密度、纵波速度、横波速度等有关，实际上，在这六个弹性参数中，独立的只有四个:即密度比和三个速度比。因此，如果没有对介质弹性参数的先验知识，原则上讲，由振幅系数不能得到唯一的介质参数，只能得到四个介质弹性参数的比值，这是AVO反演的局限性。振幅系数的信息量在一定的约束条件下，例如，最小平方约束，或对介质参数有足够的了解，是可以由振幅系数唯一地确定介质的属性的。若选择独立的参数是22111212,,,令：由于纵横波速度比与泊松比存在如下关系：222221因此，独立的参数可以视为211212,,,六个Zoeppritz模型的第一层参数，第二层的参数为：=20000ft/s(6096m/s)，=10000ft/s(3048m/s)，＝2.65gm/cc。PVSVPVSV覆盖层模型A6000182930009142.02B82702521413512602.12C100003048500015242.2E140004267700021332.38F160004877800024382.47G180005486900027432.56(ft/s)(m/s)(ft/s)(m/s)(gm/cc)二．AVO的近似表达反射透射理论是进行AVO分析的基础，也是AVO技术应用的前提，AVO精确理论表明：振幅系数随入射角变化与岩性参数的关系十分复杂，实际应用不方便。因此不少作者为简化反射和透射公式做出努力。虽然近似公式的表达式不尽相同，但其精度无大多差异，Bortfeld，Aki，Shuey和郑晓东的公式适合于小弹性参数变化量情形，Ursin和杨绍国等人的公式可适合于大弹性参数变化量情形。人们总是喜欢使用那些形式简洁、物理意义明确的近似公式。近似公式是进行AVO反演、AVO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Aki表达式，在AVO属性分析中常用的是Shuey表达式1961年，Bortfeld利用地层厚度趋于零来逼近单界面的方法计算了平面纵波的反射系数，第一个给出了反射系数的近似计算公式，并用不同的表示项对流体和固体进行了区分。区分流体和固体的简化公式1983年，H