技術研究的新進展

1、AVO技術研究的新進展孫鵬遠* 孫鵬遠（1975-），男，2004年獲吉林大學地球探測與信息技術專業(yè)博士學位，主要從事多波多分量資料處理及疊前反演方面的理論和方法研究。通訊地址：河北省涿州市東方地球物理公司物探技術研究中心，郵編：072751，電話Email:sunpengyuan。（中國石油集團東方地球物理公司物探技術研究中心，河北涿州，072751）摘要：介紹了67屆EAGE年會上AVO技術的進展情況，主要涉及AVO理論新進展、AVO正演模擬技術、AVO參數(shù)反演技術及應用實例等。其中，利用改進的近似公式提高AVO分析及參數(shù)反演的精度依然是AVO理論的研究熱點，多

2、尺度速度函數(shù)及薄層AVO模擬方法在AVO模擬中得到了充分的重視。關于反演方法及應用實例方面，主要討論了彈性參數(shù)反演、同步反演、隨機反演技術的方法原理及實際效果。從這些方法的思想和應用效果上可以看出AVO技術的發(fā)展現(xiàn)狀及其在油氣檢測中的應用前景。關鍵詞：AVO技術；AVO正演模擬；隨機反演；同步反演The advances in AVO techniquesSun Pengyuan(Geophysical Technique Research Center of BGP, CNPC, Zhuozhou, Hebei, 072751, China)ABSTRACT: Some advances i

3、n AVO techniques presented to 67th EAGE annual meeting is reviewed in this paper. Topics mainly covered new development of AVO theory, AVO modeling, AVO parameters inversion, and the case studies. Firstly, developing improved AVO approximations to better the inversion results has become an unfailing

4、 hotspot of AVO theory research. Secondly, multi-scale velocity function andthin-bed AVO modelling method have got the enough attention in AVO modelling. Lastly, the principles and the application effects of the elastic parameters inversion, simultaneous AVO inversion, andstochastic inversionare dis

5、cussed in the topic of AVO inversion and case histories. The ideas and reliable results of the different methods presented in this paper also reflect the state-of-the-art and the application prospects of AVO techniques.Key words: AVO technique; AVO modeling; stochastic inversion; simultaneous AVO in

6、version自Ostrander1984年提出利用反射系數(shù)隨入射角變化識別“亮點”型含油氣砂巖的AVO技術以來，經過20多年的發(fā)展，AVO技術已經發(fā)展成倍受重視的一種應用疊前資料預測油氣的方法，也是目前最有說服力的利用地震資料進行烴類檢測的方法。在近20年的SEG和EAGE年會上，關于AVO技術的介紹都占有很大的比重。在本屆EAGE年會上，AVO技術無論在方法創(chuàng)新還是在應用等方面都有很大的進展，特別是疊前同步反演技術已經成為本此會議共同關注的主題。下面將對67屆EAGE年會有關AVO技術方面的主要文章進行歸納并簡單介紹。1 AVO理論的新進展AVO技術是根據(jù)振幅隨炮檢距的變化規(guī)律所反映出的地

7、下巖性及其孔隙流體的性質來直接預測油氣和估計巖性參數(shù)的一項技術，其理論基礎是描述反射系數(shù)隨入射角及地層巖性參數(shù)之間變化關系的Zoeppritz方程。由于Zoeppritz方程在形式上的復雜性和在物理上的非直觀性，很多學者對其進行了簡化，發(fā)展了不同的近似公式，并針對不同公式提出了不同的AVO分析和反演方法。1.1 優(yōu)化的線性AVO分析方法Causse等人考慮到常規(guī)近似公式在大角度、反射界面兩側巖性差異較大時會引入較大的誤差，提出了優(yōu)化的AVO分析方法1。該方法首先假設反射系數(shù)可以表示為如下的多項式： （1）其中和分別為基函數(shù)及AVO屬性。假設地層的巖性模型服從某一合理的概率分布，然后利用這些模型

8、參數(shù)構建個參考AVO曲線，假設有個離散的入射角，則個參考模型的反射系數(shù)矩陣，對進行SVD分解， （2）矩陣，的大小分別為，和，由SVD的性質可知，為正交陣，為由依次遞減的奇異值構成的對角陣，為列正交矩陣。如果用表示的第列，則（2）式可以寫成 （3）上式表明反射系數(shù)可以利用項多項式來描述，基函數(shù)為矩陣的對應列，AVO屬性由矩陣給出。由于矩陣的元素按遞減順序排列，因此僅僅利用前幾個的基函數(shù)就可以準確的描述反射系數(shù)的變化特征，而且還解決了大角度、各向異性、強反差等常規(guī)AVO公式所不能解決的問題。1.2 域AVO分析方法常規(guī)的AVO近似公式用縱、橫波速度、密度等反射率來描述反射振幅隨偏移距的變化特征。

9、由于密度的相對變化很小，使得同時三參數(shù)反演對噪音非常敏感，而且在反演中還要有背景縱橫波速比信息進行約束。為此，Van der baan等人提出了域中的兩參數(shù)AVO近似公式2。首先將Aki & Richards近似公式表示成射線參數(shù)的形式： （4）利用變換，對上式進行變換： （5）其中，其它參數(shù)與射線參數(shù)的關系如圖1所示。可以看出，在域中，原來的三項AVO公式蛻化為和兩個參量。另外，該公式不需要背景縱橫波速度比信息，而且?guī)缀螖U散及極性等影響也不用再做補償，這提高AVO參數(shù)反演的精度和可靠性。類似的，透射系數(shù)公式也可以變換為僅與波阻抗有關的形式： （6）2 AVO模擬技術由于不同的巖性參數(shù)

10、組合對應于不同的AVO響應特征，因此利用AVO正演模擬，分析已知油、氣、水和巖性及其不同組合條件下的AVO特征，有助于人們建立從地震記錄中識別巖性和油氣的特征規(guī)律。2.1 利用多尺度速度函數(shù)模擬地震振幅理論上，在AVO模擬中應該利用Zoeppritz方程來計算反射系數(shù)，然后再用子波和反射系數(shù)進行褶積得到合成記錄。但是，由于Zoeppritz方程是非線性的，是和尺度有關的，因此在實踐中，反射系數(shù)主要利用近似公式來計算： （7）為了便于實際應用，通常將上式可以改寫為： （8）分析（8）式中各項的系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，由于縱橫波速比的存在，它也是不完全尺度無關的。為此，Dey等人提出了與尺度無關的AVO模擬

11、方法3。首先引入背景速度，其中和分別表示背景速度，和分別為介質速度與背景速度的差異。由于，而且背景速度是平滑的，在地震帶限范圍內不產生散射波，因此，（8）式可以近似為與尺度無關的線性形式： （9）利用（9）式便可以方便的實現(xiàn)與尺度無關的AVO正演模擬。2.2 薄層地震模擬儲層頂、底反射底調諧作用，強反射層附近或復雜儲層內的干涉問題始終是AVO定量分析的難題，如何補償和分離這種效應，對于改善和提高AVO烴類檢測能力是至關重要的。Mohammed等人假設薄層內部不同的波被考慮4，薄層的綜合響應為 （10）在頻率域： （11）其中，和第種波的反射系數(shù)及時間延遲。為薄層頂部的PP反射波；為薄層內部的P

12、P反射波；為薄層內部的PS反射波；為薄層內部的SP反射波；為薄層內部的SS反射波；為薄層內部的PP反射波。圖2為不同厚度的Simmons & Backus模型，不同方法得到的反射系數(shù)對比情況，為了便于分析AVO響應隨薄層厚度的變化，所有反射系數(shù)都歸一化為5m厚的法向振幅。圖2a和2b分別為利用本文方法和反射率法得到的結果，而圖2c為不考慮轉換波振幅影響時的情形。從圖上可以看出，當薄層厚度較小時，考慮薄層內部的轉換波是十分有意義的。圖3為楔形模型下，新方法和Widess方法預測的法向振幅隨薄層厚度的變化特征。很明顯，和Widess方法相比，新方法能夠準確地預測小于調諧厚度的振幅。除了多尺

13、度及薄層模擬之外，Chapman等人討論了基于頻率的各向異性對方位AVO分析的影響5。通過模擬研究發(fā)現(xiàn)：對于第III類氣砂巖，碳烴化合物頂部反射P波的主頻向低頻方向移動，而第I類水砂巖的主頻則增加。另外，當定向裂隙存在時，這些和頻率有關的衰減特征在垂直裂隙方向占優(yōu)，而在沿裂隙走向方向則不十分明顯。3 AVO參數(shù)反演AVO分析的最終目標是從地層的地震反射信息中獲取彈性參數(shù)及可用于油氣識別的指示因子，因此如何提高參數(shù)反演的精度和可靠性，對于AVO分析尤為重要。3.1 AVA自舉法估計巖性和流體識別的不確定性Ezequiel等人提出了利用AVA進行巖性和流體預測時不確定性產生的主要原因的估計方法6。

14、其主要思想是利用Bootstrap方法回歸地震振幅和入射角，并對計算的AVA屬性進行統(tǒng)計分類。在進行回歸過程中，利用最小中位數(shù)二乘法（LMS）來檢測數(shù)據(jù)的不一致性。LMS穩(wěn)健回歸通過極小化殘差平方來求解模型參數(shù)，如果令和分別為實際的及估計的反射系數(shù)，則最小化來求取AVO屬性。圖4分別為普通最小二乘（OLS）及LMS的Bootstrap回歸應用于北海實際資料的結果。從圖上可以看出，LMS方法給出的95置信區(qū)間有很大的變化，它反映了由于噪音或NMO校正等因素造成的振幅信息的不可靠性。因此，基于LMS的Bootstrap方法可不僅以對AVA反演進行QC監(jiān)控，而且還可以檢測數(shù)據(jù)不一致性發(fā)生的CDP位置

15、。3.2 彈性參數(shù)AVO反演Sun等人7將Aki & Richards反射系數(shù)近似公式表述成如下形式 （12）上述公式對原來的三個AVO屬性的權系數(shù)進行了重新分配，最大的特點是不含縱橫波速比，因此可以在沒有背景信息約束的條件下實現(xiàn)多屬性AVO反演。另外，利用直接反演的各種屬性之間的關系，還可以構建其它多種地震屬性剖面和不同彈性參數(shù)的交會圖，特別是利用密度、拉梅常數(shù)等反射率的聚類分析可以有效的區(qū)分巖性和流體成分的變化。Gray將反射系數(shù)近似公式修改成壓縮模量、剪切模量、密度等反射率的函數(shù)8： （13）對該公式進行疊前AVA擬和得到彈性參數(shù)反射率，然后對提取的彈性參數(shù)反射率進行疊后反演，進

16、而得到地層的壓縮系數(shù)。圖5為加拿大西部阿爾伯達的Erskine油田壓縮系數(shù)反演的結果。另外，Egreteau等人提出了利用偏移后的優(yōu)化處理消除剩余時差及子波拉伸對AVO反演的影響9。首先利用保持振幅的疊前深度偏移得到共成像點道集（CIGS），然后根據(jù)上式利用譜平衡來衰減子波拉伸的影響，并得到拉伸后的子波。對于薄層調諧，在CIGS上進行反褶積得到反射振幅，進而進行AVA反演。4 應用實例4.1 北海Arne油田疊前AVO同時反演Arne油田（丹麥）位于北海中央地塹，儲層為白堊紀Tor和Ekofisk地層。由于該地區(qū)的聲阻抗和孔隙度有很強的相關性，因此，Bruun等人10利用近幾年發(fā)展的疊前同步反

17、演來改善彈性參數(shù)估計，進而提高孔隙度估計的可靠性。在實現(xiàn)中，分別反演了聲波阻抗、孔隙度及密度等參量。圖6為聲波阻抗的反演結果，左圖為反演的波阻抗剖面和插入的測井波阻抗數(shù)據(jù)，右圖為井資料、同步反演、基于彈性阻抗的反演及模型低頻分量等聲阻抗曲線的對比。同基于彈性波阻抗的反演方法相比，疊前同步AVO反演結果基本上能夠刻畫波阻抗變化的每一個細部特征。圖7為同步反演結果及井資料提供的波阻抗孔隙度關系式估計的孔隙度結果，可以看出，估計的孔隙度和實際井資料匹配很好。另外，研究結果表明，同步反演得到的泊松比、密度等參量有助于估計飽和度。4.2 墨西哥灣疊前AVA隨機反演在墨西哥灣距離新奧爾良南部大約175英里

18、處開展了馬可波羅深水開發(fā)項目，氣層主要為第三紀的深水沉積環(huán)境。在11500-12500英尺深度范圍內，巖心數(shù)據(jù)表明砂體具有很好的孔隙度（30），滲透性也很好。因此，Contreras利用3D疊前時間偏移的數(shù)據(jù)討論了該儲層砂體的AVA隨機反演11。首先，利用井資料及疊前地震數(shù)據(jù)進行了AVA流體/巖性的敏感性分析，這主要包括測井數(shù)據(jù)分析、交會圖分析、Gassmann流體替換、AVA模擬及部分角度疊加等，結果表明P波速度對孔隙流體變化很敏感。在定性分析的基礎上，利用基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅及地質統(tǒng)計相結合的隨機反演方法對4個3D部分角度疊加剖面進行了反演。圖8為AVA巖性、P波速度、S波速度及密度的隨

19、機反演結果，圖9為利用確定性反演（稀疏脈沖反演算法）及確定性反演的聲波阻抗結果對比。很明顯，隨機反演結果具有很高的分辨率，對于降低勘探風險具有重要意義。4.3 鄂爾多斯盆地弱波阻抗差界面的AVO流體區(qū)分由于鄂爾多斯盆地二疊紀氣層和上覆泥巖的波阻抗差異很小，利用傳統(tǒng)的AVO截距梯度分析方法幾乎不能區(qū)分氣層和圍巖。Zhang等人12對已知氣井巖樣的巖石物理性質分析發(fā)現(xiàn)：圍巖和氣層的縱、橫波速度、密度、波阻抗的差異都很小，而泊松比、和對孔隙流體和巖性較為敏感。測井數(shù)據(jù)的流體替換模擬后也表明：氣層在截距梯度剖面上沒有任何響應，而和交會圖可以很容易的區(qū)分巖性和流體的變化。同樣，在AVO反演得到剖面上，氣

20、層的和分別具有減小和增加的現(xiàn)象。另外，在目的層交會圖上，如同含氣飽和度的指示因子，可以很容易的區(qū)分氣層及圍巖。4.4 利用矢端圖AVO屬性識別氣異常由截距梯度交會圖的基本原理可知：含水砂巖的截距和梯度總是呈現(xiàn)出較規(guī)則的背景趨勢，而那些偏離背景趨勢的點可能與巖性的變化和含油氣有關。因此，AVO異常的分析應建立在尋找偏離背景趨勢的基礎上。但是，當異常偏離背景趨勢很小或異常也呈現(xiàn)出與背景趨勢相似的性質時，利用截距梯度交會圖很難識別AVO異常。另外，這種方法沒有考慮地震子波的影響，當子波和反射系數(shù)褶積后，交會圖上的每一個點都變成了一系列的點，而近年來發(fā)展起來的AVO矢端圖技術則同時考慮了上述兩方面的問

21、題，Kassouri利用實例來說明由AVO矢端圖及極化屬性識別異常的可行性13。5 結束語本屆EAGE年會上與AVO技術有關的論文將近30篇，其中在方法改進或創(chuàng)新方面的論文占近1/3。文中介紹的新方法和新思路對AVO技術的發(fā)展及今后的勘探都具有一定的指導意義，北海及墨西哥灣的勘探實例表明同步反演和隨機反演可以提高疊前反演精度和可靠性。另外，在本屆展覽會上，國外幾個大的反演軟件公司都將同步反演作為一個亮點技術進行了介紹（Jason、Strata、Isis），這些都表明同步反演可能是今后幾年內疊前AVA參數(shù)反演的一個重要發(fā)展方向，建議國內也進行該方面的軟件開發(fā)及方法研究。需要說明的是，文中僅對本屆

22、EAGE年會中有關AVO技術的部分內容進行了簡單的介紹，關于詳細的算法實現(xiàn)、應用中應注意的問題及應用前景等，感興趣的讀者可以參考原文。參考文獻1 Causse, E., Riede, M.,and van Wijgaarden, A.J. 2005, AVO Analysis with an Optimal Linear AVO Approximation: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.2 Van der Baan, M. and Smit, D., 2005, A new strategy for isot

23、ropic p-wave AVO analysis: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.3 Dey, A. and Gisolf, A., 2005, Forward modelling seismic amplitudes withmulti-scale velocity functions: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.4 Al-otaibi, G. M. 2005, Thin Beds Seismic Modeling- B

24、eyond Widess: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.5 Chapman, M., Liu, E., andLi, Y., 2005, Modelling the effect of frequency dependentanisotropy on azimuthal AVO analysis: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.6 González, E. F., Mavko, G., and Mukerji, T.

25、, 2005, Bootstrapping AVA for uncertaintyassessment in lithology and fluidsidentification: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.7 Sun, P., Li, Y., and Lu, X., 2005, Unconstrained Multi-Parameter AVO Inversion: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.8 Gray, D., 2

26、005, Estimating Compressibility from Seismic Data: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.9 Egreteau, A., and Thierry, P., 2005,Attenuating the Effects of Pre-Stack Depth Migration for AVA Analysis: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.10 Bruun, A., Schiøtt, C. R., and Marsden, G., 2005, Pre-stack simultaneous AVO inversion on theSouth Arne chalk field, Danish North Sea: EAGE 67th Conference & Exhibition,Expanded Abstracts.11 Contreras, A., Torres-Verdin, C., and Kvien, K., 2005, AVA Stochastic In