AVO技术研究的新进展.doc

AVO技术研究的新进展孙鹏远* 孙鹏远（1975-），男，2004年获吉林大学地球探测与信息技术专业博士学位，主要从事多波多分量资料处理及叠前反演方面的理论和方法研究。通讯地址：河北省涿州市东方地球物理公司物探技术研究中心，邮编：072751，电话Email:。（中国石油集团东方地球物理公司物探技术研究中心，河北涿州，072751）摘要：介绍了67届EAGE年会上AVO技术的进展情况，主要涉及AVO理论新进展、AVO正演模拟技术、AVO参数反演技术及应用实例等。其中，利用改进的近似公式提高AVO分析及参数反演的精度依然是AVO理论的研究热点，多尺度速度函数及薄层AVO模拟方法在AVO模拟中得到了充分的重视。关于反演方法及应用实例方面，主要讨论了弹性参数反演、同步反演、随机反演技术的方法原理及实际效果。从这些方法的思想和应用效果上可以看出AVO技术的发展现状及其在油气检测中的应用前景。关键词：AVO技术；AVO正演模拟；随机反演；同步反演The advances in AVO techniquesSun Pengyuan(Geophysical Technique Research Center of BGP, CNPC, Zhuozhou, Hebei, 072751, China)ABSTRACT: Some advances in 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 hotspot of AVO theory research. Secondly, multi-scale velocity function and thin-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, and stochastic inversion are discussed 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 inversion自Ostrander1984年提出利用反射系数随入射角变化识别“亮点”型含油气砂岩的AVO技术以来，经过20多年的发展，AVO技术已经发展成倍受重视的一种应用叠前资料预测油气的方法，也是目前最有说服力的利用地震资料进行烃类检测的方法。在近20年的SEG和EAGE年会上，关于AVO技术的介绍都占有很大的比重。在本届EAGE年会上，AVO技术无论在方法创新还是在应用等方面都有很大的进展，特别是叠前同步反演技术已经成为本此会议共同关注的主题。下面将对67届EAGE年会有关AVO技术方面的主要文章进行归纳并简单介绍。1 AVO理论的新进展AVO技术是根据振幅随炮检距的变化规律所反映出的地下岩性及其孔隙流体的性质来直接预测油气和估计岩性参数的一项技术，其理论基础是描述反射系数随入射角及地层岩性参数之间变化关系的Zoeppritz方程。由于Zoeppritz方程在形式上的复杂性和在物理上的非直观性，很多学者对其进行了简化，发展了不同的近似公式，并针对不同公式提出了不同的AVO分析和反演方法。1.1 优化的线性AVO分析方法Causse等人考虑到常规近似公式在大角度、反射界面两侧岩性差异较大时会引入较大的误差，提出了优化的AVO分析方法1。该方法首先假设反射系数可以表示为如下的多项式： （1）其中和分别为基函数及AVO属性。假设地层的岩性模型服从某一合理的概率分布，然后利用这些模型参数构建个参考AVO曲线，假设有个离散的入射角，则个参考模型的反射系数矩阵，对进行SVD分解， （2）矩阵，的大小分别为，和，由SVD的性质可知，为正交阵，为由依次递减的奇异值构成的对角阵，为列正交矩阵。如果用表示的第列，则（2）式可以写成 （3）上式表明反射系数可以利用项多项式来描述，基函数为矩阵的对应列，AVO属性由矩阵给出。由于矩阵的元素按递减顺序排列，因此仅仅利用前几个的基函数就可以准确的描述反射系数的变化特征，而且还解决了大角度、各向异性、强反差等常规AVO公式所不能解决的问题。1.2 域AVO分析方法常规的AVO近似公式用纵、横波速度、密度等反射率来描述反射振幅随偏移距的变化特征。由于密度的相对变化很小，使得同时三参数反演对噪音非常敏感，而且在反演中还要有背景纵横波速比信息进行约束。为此，Van der baan等人提出了域中的两参数AVO近似公式2。首先将Aki & Richards近似公式表示成射线参数的形式： （4）利用变换，对上式进行变换： （5）其中，其它参数与射线参数的关系如图1所示。可以看出，在域中，原来的三项AVO公式蜕化为和两个参量。另外，该公式不需要背景纵横波速度比信息，而且几何扩散及极性等影响也不用再做补偿，这提高AVO参数反演的精度和可靠性。类似的，透射系数公式也可以变换为仅与波阻抗有关的形式： （6）2 AVO模拟技术由于不同的岩性参数组合对应于不同的AVO响应特征，因此利用AVO正演模拟，分析已知油、气、水和岩性及其不同组合条件下的AVO特征，有助于人们建立从地震记录中识别岩性和油气的特征规律。2.1 利用多尺度速度函数模拟地震振幅理论上，在AVO模拟中应该利用Zoeppritz方程来计算反射系数，然后再用子波和反射系数进行褶积得到合成记录。但是，由于Zoeppritz方程是非线性的，是和尺度有关的，因此在实践中，反射系数主要利用近似公式来计算： （7）为了便于实际应用，通常将上式可以改写为： （8）分析（8）式中各项的系数可以发现，由于纵横波速比的存在，它也是不完全尺度无关的。为此，Dey等人提出了与尺度无关的AVO模拟方法3。首先引入背景速度，其中和分别表示背景速度，和分别为介质速度与背景速度的差异。由于，而且背景速度是平滑的，在地震带限范围内不产生散射波，因此，（8）式可以近似为与尺度无关的线性形式： （9）利用（9）式便可以方便的实现与尺度无关的AVO正演模拟。2.2 薄层地震模拟储层顶、底反射底调谐作用，强反射层附近或复杂储层内的干涉问题始终是AVO定量分析的难题，如何补偿和分离这种效应，对于改善和提高AVO烃类检测能力是至关重要的。Mohammed等人假设薄层内部不同的波被考虑4，薄层的综合响应为 （10）在频率域： （11）其中，和第种波的反射系数及时间延迟。为薄层顶部的PP反射波；为薄层内部的PP反射波；为薄层内部的PS反射波；为薄层内部的SP反射波；为薄层内部的SS反射波；为薄层内部的PP反射波。图2为不同厚度的Simmons & Backus模型，不同方法得到的反射系数对比情况，为了便于分析AVO响应随薄层厚度的变化，所有反射系数都归一化为5m厚的法向振幅。图2a和2b分别为利用本文方法和反射率法得到的结果，而图2c为不考虑转换波振幅影响时的情形。从图上可以看出，当薄层厚度较小时，考虑薄层内部的转换波是十分有意义的。图3为楔形模型下，新方法和Widess方法预测的法向振幅随薄层厚度的变化特征。很明显，和Widess方法相比，新方法能够准确地预测小于调谐厚度的振幅。除了多尺度及薄层模拟之外，Chapman等人讨论了基于频率的各向异性对方位AVO分析的影响5。通过模拟研究发现：对于第III类气砂岩，碳烃化合物顶部反射P波的主频向低频方向移动，而第I类水砂岩的主频则增加。另外，当定向裂隙存在时，这些和频率有关的衰减特征在垂直裂隙方向占优，而在沿裂隙走向方向则不十分明显。3 AVO参数反演AVO分析的最终目标是从地层的地震反射信息中获取弹性参数及可用于油气识别的指示因子，因此如何提高参数反演的精度和可靠性，对于AVO分析尤为重要。3.1 AVA自举法估计岩性和流体识别的不确定性Ezequiel等人提出了利用AVA进行岩性和流体预测时不确定性产生的主要原因的估计方法6。其主要思想是利用Bootstrap方法回归地震振幅和入射角，并对计算的AVA属性进行统计分类。在进行回归过程中，利用最小中位数二乘法（LMS）来检测数据的不一致性。LMS稳健回归通过极小化残差平方来求解模型参数，如果令和分别为实际的及估计的反射系数，则最小化来求取AVO属性。图4分别为普通最小二乘（OLS）及LMS的Bootstrap回归应用于北海实际资料的结果。从图上可以看出，LMS方法给出的95置信区间有很大的变化，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方法可不仅以对AVA反演进行QC监控，而且还可以检测数据不一致性发生的CDP位置。3.2 弹性参数AVO反演Sun等人7将Aki & Richards反射系数近似公式表述成如下形式 （12）上述公式对原来的三个AVO属性的权系数进行了重新分配，最大的特点是不含纵横波速比，因此可以在没有背景信息约束的条件下实现多属性AVO反演。另外，利用直接反演的各种属性之间的关系，还可以构建其它多种地震属性剖面和不同弹性参数的交会图，特别是利用密度、拉梅常数等反射率的聚类分析可以有效的区分岩性和流体成分的变化。Gray将反射系数近似公式修改成压缩模量、剪切模量、密度等反射率的函数8： （13）对该公式进行叠前AVA拟和得到弹性参数反射率，然后对提取的弹性参数反射率进行叠后反演，进而得到地层的压缩系数。图5为加拿大西部阿尔伯达的Erskine油田压缩系数反演的结果。另外，Egreteau等人提出了利用偏移后的优化处理消除剩余时差及子波拉伸对AVO反演的影响9。首先利用保持振幅的叠前深度偏移得到共成像点道集（CIGS），然后根据上式利用谱平衡来衰减子波拉伸的影响，并得到拉伸后的子波。对于薄层调谐，在CIGS上进行反褶积得到反射振幅，进而进行AVA反演。4 应用实例4.1 北海Arne油田叠前AVO同时反演Arne油田（丹麦）位于北海中央地堑，储层为白垩纪Tor和Ekofisk地层。由于该地区的声阻抗和孔隙度有很强的相关性，因此，Bruun等人10利用近几年发展的叠前同步反演来改善弹性参数估计，进而提高孔隙度估计的可靠性。在实现中，分别反演了声波阻抗、孔隙度及密度等参量。图6为声波阻抗的反演结果，左图为反演的波阻抗剖面和插入的测井波阻抗数据，右图为井资料、同步反演、基于弹性阻抗的反演及模型低频分量等声阻抗曲线的对比。同基于弹性波阻抗的反演方法相比，叠前同步AVO反演结果基本上能够刻画波阻抗变化的每一个细部特征。图7为同步反演结果及井资料提供的波阻抗孔隙度关系式估计的孔隙度结果，可以看出，估计的孔隙度和实际井资料匹配很好。另外，研究结果表明，同步反演得到的泊松比、密度等参量有助于估计饱和度。4.2 墨西哥湾叠前AVA随机反演在墨西哥湾距离新奥尔良南部大约175英里处开展了马可波罗深水开发项目，气层主要为第三纪的深水沉积环境。在11500-12500英尺深度范围内，岩心数据表明砂体具有很好的孔隙度（30），渗透性也很好。因此，Contreras利用3D叠前时间偏移的数据讨论了该储层砂体的AVA随机反演11。首先，利用井资料及叠前地震数据进行了AVA流体/岩性的敏感性分析，这主要包括测井数据分析、交会图分析、Gassmann流体替换、AVA模拟及部分角度叠加等，结果表明P波速度对孔隙流体变化很敏感。在定性分析的基础上，利用基于马尔可夫链蒙特卡罗及地质统计相结合的随机反演方法对4个3D部分角度叠加剖面进行了反演。图8为AVA岩性、P波速度、S波速度及密度的随机反演结果，图9为利用确定性反演（稀疏脉冲反演算法）及确定性反演的声波阻抗结果对比。很明显，随机反演结果具有很高的分辨率，对于降低勘探风险具有重要意义。4.3 鄂尔多斯盆地弱波阻抗差界面的AVO流体区分由于鄂尔多斯盆地二叠纪气层和上覆泥岩的波阻抗差异很小，利用传统的AVO截距梯度分析方法几乎不能区分气层和围岩。Zhang等人12对已知气井岩样的岩石物理性质分析发现：围岩和气层的纵、横波速度、密度、波阻抗的差异都很小，而泊松比、和对孔隙流体和岩性较为敏感。测井数据的流体替换模拟后也表明：气层在截距梯度剖面上没有任何响应，而和交会图可以很容易的区分岩性和流体的变化。同样，在AVO反演得到剖面上，气层的和分别具有减小和增加的现象。另外，在目的层交会图上，如同含气饱和度的指示因子，可以很容易的区分气层及围岩。4.4 利用矢端图AVO属性识别气异常由截距梯度交会图的基本原理可知：含水砂岩的截距和梯度总是呈现出较规则的背景趋势，而那些偏离背景趋势的点可能与岩性的变化和含油气有关。因此，AVO异常的分析应建立在寻找偏离背景趋势的基础上。但是，当异常偏离背景趋势很小或异常也呈现出与背景趋势相似的性质时，利用截距梯度交会图很难识别AVO异常。另外，这种方法没有考虑地震子波的影响，当子波和反射系数褶积后，交会图上的每一个点都变成了一系列的点，而近年来发展起来的AVO矢端图技术则同时考虑了上述两方面的问题，Kassouri利用实例来说明由AVO矢端图及极化属性识别异常的可行性13。5 结束语本届EAGE年会上与AVO技术有关的论文将近30篇，其中在方法改进或创新方面的论文占近1/3。文中介绍的新方法和新思路对AVO技术的发展及今后的勘探都具有一定的指导意义，北海及墨西哥湾的勘探实例表明同步反演和随机反演可以提高叠前反演精度和可靠性。另外，在本届展览会上，国外几个大的反演软件公司都将同步反演作为一个亮点技术进行了介绍（Jason、Strata、Isis），这些都表明同步反演可能是今后几年内叠前AVA参数反演的一个重要发展方向，建议国内也进行该方面的软件开发及方法研究。需要说明的是，文中仅对本届EAGE年会中有关AVO技术的部分内容进行了简单的介绍，关于详细的算法实现、应用中应注意的问题及应用前景等，感兴趣的读者可以参考原文。参考文献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 isotropic p-wave AVO analysis: EAGE 67th Conference & Exhibition, Expanded Abstracts.3 Dey, A. and Gisolf, A., 2005, Forward modelling seismic amplitudes with multi-scale velocity functions: EAGE 67th Conference & Exhibition, Expanded Abstracts.4 Al-otaibi, G. M. 2005, Thin Beds Seismic Modeling- Beyond Widess: EAGE 67th Conference & Exhibition, Expanded Abstracts.5 Chapman, M., Liu, E., and Li, Y., 2005, Modelling the effect of frequency dependent anisotropy on azimuthal AVO analysis: EAGE 67th Conference & Exhibition, Expanded Abstracts.6 Gonzlez, E. F., Mavko, G., and Mukerji, T., 2005, Bootstrapping AVA for uncertainty assessment in lithology and fluids identification: 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., 2005, 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., Schitt, C. R., and Marsden, G., 2005, Pre-stack simultaneous AVO inversion on the South Arne chalk field, Danish North Sea: EAGE 67th Conference & Exhibition, Expanded Abstracts.11 Contreras, A., Torres-Verdin, C., and Kvien, K., 2005, AVA Stochast