Walkaway井地联合地震资料Q值波形反演方法.pdf

石油天 然气学报 (江汉石 油学院学报) 2009 年 4 月第 31 卷第2 期 Journal of O i l and G as Tec hnol ogy (J JP I) A pr 2009 V o1 31 N o 2 53 W al kaw ay 井地联 合地震 资料 Q 值 波形反演方法 杨宇 山 ，李 媛媛 ，刘天佑 (中国地质大学 (武汉) 地球物理与空间信息学院， 湖北武汉430074) 摘要 传 统的 品质 因子 Q 值 估算方 法通 常是基 于 V SP 资料或者叠加的地面 地震 资料， 在薄互层存 在的情 况下 它们 难 以提取地震子波及有 效地 分离 固有衰减和散射衰减。 为 了获得更 可靠 的地震 波衰减 图像 ， 研 究 采用 了一种基 于 W al kaw ay 井地 联合地震 资料 的波 形反 演来 求取 Q 值 的方法 。 通 过理论 模型 的数值 计算分 析， 探讨 了初始模 型厚度、 Q 值及噪声对 反演结果 的影响 。 合成 的 W al kaw ay 井地联 合地 震资 料的衰减估 计 结果表明 ， 波形 反演的 Q 值估 算方法充分利 用 了各种波 的运 动学和 动力 学信 息 ， 避 免 了初至拾 取和波场 分 离等处理 困难 ， 并能减小可能的人 为误 差， 提 高计算 的精度 。 将该 方法用 于某 油 田的高分 辨 W al kaw ay 井地 联 合地震资料 Q 值估计， 结果表 明， 介质 品质 因子 Q与介质性质和孔 隙流体 有 良好的对应 关系。 关键词 W al kaw ay 井地联合地 震勘探 ；品质 因子 ；波形反演 中图分类号 P 631 44 文献 标识码 A 文章编号 1000 9752 (2009 ) O2 0053 一 O6 当地震波在粘弹性介质中传播时 ，介质粘滞性引起的吸收作用是导致地震波能量衰减的主要 因素之 一 ，这种介质所固有的衰减特性通常用品质 因子 Q 值来描述 。 地下介质 的 Q 值是研究地震波能量衰减与 地下流体性质之间关系的重要参数1。 然而在实际中， 品质因子 Q 值并没有得到充分 的利用 ， 其主要原因 是缺少一种精确可靠的 Q 值估算方法。 目前常用的 Q 值估算方法有谱 比法、 升 时法 、 质心频移法、 互相关法 等L2 ， 然 而 ， 这 些方 法在 实 际应 用 过 程 中常 常 会遇 到 以下 两方 面 的 困难 L8： 一 般 所说 的且感 兴 趣 的 地 震衰减是指由孔隙流体和岩石结构产生 的固有(内在) 的衰减 ， 它必须与散射衰减 区分开来 。 然而在薄互 层情况下 ， 所观测到的地震衰减通常是固有衰减和散射衰减的总和， 由于这两种衰减对地震波的作用非常 相似 ， 很难将它们完全分离开来 。 传统的 Q 值估算方法都要对子波进行提取 ， 而对于实际资料而言 ， 当 有 薄层 的情况 下 ， 子波 的提 取是 非常 困难 的 ， 并 且 由于传 统 谱 分析 的 局 限性 ， 很 难 通过 它 来 提取 地 震 记 录 中子波的频谱 。 综上所述 ， 研究新的 Q 值估算方法是十分必要的。 笔 者 利用 W al kaw ay 井地 联合 地 震 资料 ， 采 用 波形 反演 的方法 对介 质 Q 值进 行估 算 。 由于波形 反演 能 够最大限度地利用各种波的运动学和动力学信息 ， 减轻初至拾取和波场分离等处理困难 ， 减小可能的人为 误差 ， 提高计算 的精度 ， 因此 ， 在理论上该方法优于传统的 Q 值估算方法 。 W al kaw ay 井地联合地震勘探是 一 种在 同样 的激发条件下， 同时同步采集地 面地震资料和井 中 V SP 资料 的新技术 ， 通过井、 地资料的联 合 ， 可以充分利用两种资料的优点， 相互约束 ， 相互补充 。 1基 本原理 在 一 维粘 弹性 介质 中 ，上 、下行 波之 间有 如 下递 推关 系式 ： Iu抖 一 叫 “ 叫 u (1) L D 抖1 J Lf w kt W t J L上 ) _J 式中， 、 D 、 c 、 t 分别表示在第 层界面上 的上行波、 下行波、 反射 系数和透射 系数 ； 训 一 ei e-柚 (其中 一 ， a = ， c U为角频率 ， 为相速度， h 为层厚度)1 。 如果已知介质的层数 N 以及各层反 u 5 、 u 5 收稿日期 2009 02 03 作者简介 杨宇山 (1977一 )，男 ，2000年 大学毕业 ，博 士 ，讲 师 ，现 主要从事地球物理反演理 论及应用研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 (江汉石油学院学报) 2009 年 4 月 射系数和厚度(如图 l 所示)， 则有： = I E17 R一 2 一I E-R R 式 中 ， R 、 E 分别表 示地 面反射 及第 N层 透 射 。 由式 (2) 可 以求 得 ： R( )一 E( )一 譬。二 (3) 将 求 得 的地面反 射 R ( ) 代人 到式 (1) 中， 就 可 以求得 V SP 地震 冲击 响应序 列 。 根据联合反演理论 “ ， 井地联合地震波形反演就是使 目标函数 ： 一 W l l s S I + W 【 l l l (4) 最小。 式中， s 为地面地震观测值； 为 V SP 观测值； S 为模型正演地面地震数据 ； 为正演 V SP 地震数 据； w 、 w 分别为相对加权矩阵， 它对数据作归一化。 当地层 界面 起伏变 化不大 时 ， 并且 假 设 同一地层 中的 品质因子 Q 在横 向和纵 向上是 不变 的 ， 平面 波垂 直 入射 垂直反 射 (如 图 2 所示 )， 那么地 层模 型 就可 以参 数化 为 ： = = = (Q 1 ， Q 2， ， Q ； D l 1 ， D 1z ， ， D l ； D 2l ， ， D 2 ， ， D 1， ， D ； L ) (5) 式 中， D 为地层厚度； Q 为地层的品质 因子 ； L 为幅值缩放比例因子。 由此可得 ， 如果有 N s 道地面地震 自激 自收记录和 N 道零偏 V SP 记录， 则模型 m 的参数个数为(N s + 1) (是 + 1)。 l 一 R 图 1 层状介质模型 中平面波传播示意图 地 面 井 0 ， 检波点 Q 。 l J g： 2J 一 - 一 一 一 3t D 2 2 一 一 一 - D ” 2 D “ D h 一 一 一 I g 层 图 2 Q 值剖面离散化示意图 在实际资料的联合反演 中， 初始模型最好是根据钻井资料与井中地球物理结果来确定 ， 并且这些资 料或数据还可以作为反演中的参数约束条件 。 对比叠加剖面上反射旅行时径迹与所对应的反射层位在钻 孔 中的深度 位 置 ， 就 可给 出较 好 的各 个界 面 的初始深 度值 。 另外 ， 测 井资 料 提供 的各层 的岩性 、 饱 和度 、 孔 隙度 、 渗透率等参数可以作为选取初始 Q 值的参考。 2井地联合波形反演数值计算与分析 2 1 井地 联合 波形反 演分析 对于反问题(4)，研究采用广义线性反演方法，并用 SV D 解方程 。为了验证方法的可靠性和稳定 性 ，设 计 了如 图 3(a) 所示 的 4 层 水 平 层状 模 型 ，并 分 析 了初 始模 型 参数 的 选 取 以及 观测 噪声 对 反演 结果 的影 响 。图 3(b) 是选 用主频 为 30H z 的 R i c ker子 波模拟 的地震 记 录道 。 1) 初 始模 型厚 度对反 演结 果的影 响 将初始模 型 的第 2 层厚 度 由 240m 逐渐 增 大 到 360m ，即 与真 值 的偏差 为 一6O 60m ，其 他 各层 参 数 都 取 理论 值 ，反演 结 果 的误 差 曲 线 如 图 4 所 示 。 由图 4 可 以看 出，除 了初 始 模型 的 目的层位厚 度 为 240m 和 360m(即偏 差 为 _4-60m ) 时 的 初 始模 型 外 ，其 他初 始模 型 的反演结 果 都能很 好 的收敛 于理论模 型 ，也就 是如果初 始模 型的地层 厚度 误差在 地震 子波 的 1 2 波长 以内时可 以反 演 出界 面厚 度的精 确值 。因 此 ，反 演方法要 求初始 模型厚 度 的选取必 须较 为精 确 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 31 卷第 2 期 杨 宇山等 ：W al kaw ay 井地联合 地震资料 Q 值波形反演方法 55 逞 靛 o 醯 l O V = J 6 o o o m s 9 =l 000 = 8 0 0 O re s = 5 0 V = 2 0 0 0 0 III s Q ： 1 000 v：2 10 0 0 in s Q l 2O0 0 2 - 0 4 0 0 2 0 4 0 6 0 8 时间， S (b) 图 3 4 层水平层状模 型(a) 与正演 模拟的地面地震记 录道(b ) (a)各 层厚度反演结果相对 误差 靛 0 。I 第2 层初始厚度偏差 m (b)各层 Q 值反演结果相对误 差 图 4 不 同初始 层厚度的 反演结果误差 曲线 第1层 第2层 第3层 2) 初 始模型 Q 值对反演结果的影响 将初始模型的第 2 层 Q 值 由 2O 逐渐增大到 1500，其他各层 参数都为理论值 ，反演结果 的误差 曲线如 图 5 所示 。可以看 出，初始 Q 值的取值对反演 结果的影响 不大 。 0 2 o 1 6 餐012 0 0 8 o o O (a)各层 厚度 反演结果相对 误差 更 靛 靶 趔 第2 层初始 Q 值偏差 fb)各层 Q 值反演结果相对 误差 图 5 不同初始 Q 值的反演结 果误差 曲线 第1层 第2层 第3层 3) 噪 声对 反 演结 果的 影响 由于实 测数 据 含有 随 机误 差 ，必然 引起 数值计 算 结 果 误 差 ，因 此 ，波 形 Q 值反演算法是否稳定 ，要作必要的检验。研究 中通过 2 种方式得到含噪合成记 录，第 1 种方式是将 产生 的随机 数组 作 为 噪声 ，直 接加 到合 成 记 录上 ；第 2 种 方式 是将 与子 波褶 积后 的 序列 作 为噪声 ，加 到 合成记 录上 。图 6 是第 1 种方 式 得到 的含 噪声 合 成地 震 记 录道 及反 演 结果 ，图 7 是第 2 种 方式得 到 的含 噪声合成地震记录道及反演结果 。从反演结果可以看出 ，对于第 1 种噪声 ，地层厚度反演 和 Q 值反演 都反应不敏感 ；而对于第 2 种噪声 ， Q 值反演反应较敏感 ，而地层厚度反演反应较不敏感 。因此 ，算法 对 第 2 种 噪声 的抵 抗 能力 较差 。 2 2 井地联 合 反演 数 值计 算 建立 4 层水平层状模型 ，各层参数如下 ：第 1 层厚度 250m ，速度 2000m s，品质 因子 50 ；第 2 层 厚度 300m ，速度 6000m s，品质 因子 120 ；第 3 层 厚 度 250m ，速度 4000m s，品质 因子 80 ；第 4 层速 4 2 O O 0 遥罂 O O O O O O O 2 0 8 瑙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 (江汉石 油学院学报 ) 2009 年 4 月 量 时间 s 9 值 (a) (b) 理 论模 型 初 始模 型 反 演结 果 图 6 含噪声合成地震记录道(a) 及其反演结 果fbJ (噪声水 平为信号最大幅值 的 20) (方式 1) 时间， S e 值 l aJ (b) 理 论 模型 初 始 模型 反 演结 果 图 7 含噪声合成地震记 录道(a J 及 其反演结果fb J (噪声水 平为信号最大幅值的 2O ) (方式 2 ) 度 6000m s，品质 因子 150 ；各层 密度 均为 2 5g c m 。 。地 面地 震采 用 自激 自收方式 ，道 间距和炮 间距 为 10m ，共 101 道 ，V SP 采用 零偏 方式 ，井位 于模型 中央 ；井 中道 间距 为 10m ，共 100 道 。正演模 拟 的井 地联合地震剖面 (含 1 随机噪声) 如图 8 (a) 所示 ，左边是地面地震的 自激 自收剖面，右边是零偏移 距垂直地震剖面。反演初始模型取各层厚度分别为 250、300、250m ，各层 Q 值均取为 100 。在反演过 程中，给定 V SP 与地面地震 的权重比率为 1 2 ： 1。经过 1O 次迭代之后的反演结果如图 8 (b) 所示 。 0 4 霹 苦 O 6 5 O 道号 1 0 0 l 5 0 2 0 0 (a)井地联合地震剖面 (含 l 随机噪声) 媾 (b)井地联合反演结果 图 8 井地联合地震剖面(含 1随机噪声) 及井地联合反演结果 3实际地震资料的 Q 值波形反演计算 0 实际 数据取 自南 阳油 田泌 阳凹陷泌 282 井 的高分辨 W al kaw ay 井 地联 合地震 资料 。一 维井 地 联合 Q 值波形反 演利用 的是地 面叠 加资料 以及零 偏 V SP 资料 ，因此 ，首 先需 要 对 井 地联 合地 震 资 料进 行 常规 处 理 ，图 9 (a) 是 井地 联合 地震 B 28201 线 中段叠加 剖 面 ，图 9 (b) 是 W al kaw ay V SP 的 零偏 移距 道 集。泌 28Z 井位于剖面中央 ，利用零偏 V SP 剖面对层位进行标定与追踪，并依据声波时差 和密度测井 结果建立了如图 10 (a) 所示的初始模型 ，图 10 (b) 是井地联合 Q 值波形反演结果 。由泌 282 井测井 资料可 以知 道 ，该 井 的 主 要 含 油 层 段 为 ：1334 1336m ，2069 2072m ，2079 2083m 2l 49 2155m ，2266 227l m ，2435 2438m 。从 反演 的 Q 值 剖 面 可 以 发 现 ，含 油层 段 的地层 品质 因子 为 中 低 值 ，大约在 2O60 之 间 ，这些 含油层段 的岩性 主 要为 粉砂 岩 ，孔 隙 度 和渗 透率 都 较好 ；泥岩 和 页岩 的品质因子主要表现为中高值，岩层的孔隙度和渗透率较差 ；干的粉砂岩 、页岩的品质因子较高。由此 可见，介质品质因子与介质性质和孔隙流体关系密切。 6 4 2 O O O O 警 4 2 0 2 4 0 O O O 一 一 O O 0 O O 0 O O O O O 如加 印 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 31 卷第 2 期 杨 宇山等 ：W al kaw ay 井地联合地震资料 Q 值波形反演方 法 O O 2 O 4 0 6 O -8 譬 10 1 2 1 4 1 6 18 2 0 C D P 3 8 0 3 9 0 4 0 0 l 1 0 4 2 0 4 ：3 0 4 4 0 4 5 0 4 6 0 1 7 0 4 8 0 4 9 0 5 0 0 O 4 O 0 8 0 0 l 2 0 0 g l 6 O 0 2 0 0 0 2 4 0 0 2 8 0 O 3 2 0 0 3 6 O 0 4 0 0 0 (a)井地联合地震 泌282 0 l 线 叠加 剖面 图 9 实际 W al kaw ay 井地联合地震资料 距离 ， m 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 00 1 00 0 1 2 00 B 2 8 2 Q = 120 4 结 论 (a)初 始模型 O 4 0 0 8 0 0 l 2 0 0 1 6 0 0 冀2000 2 4 0 0 2 8 O O 3 2 0 0 3 6 O O 4 0 0 0 0 0 0 0 0 D 0 0 0 0 厦1 营1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 道 1 2 3 4 5 6 7 8 (b)W al ka,ray V SP零偏道集 距 离 m 0 2 O0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 00 1 2 0 0 鬻 黧 一 日圈_ 墨 鞫函墨瞬盈疆曛 露 誊 _-。 。一 图 10 井地联合 Q 值 波形 反演 结果 (b ) 反演 结果 1) 波形 反演 能 够最 大 限度地 利用 各种 波 的运 动学 和 动 力学 信 息 ，减 轻 初 至 拾 取 和波 场 分离 等 处理 困难 ，减小可能的人为误差 ，提高计算的精度 ，因此 ，在理论上该方法优于传统的 Q 值估算方法。 2) w al kaw ay 井 地联 合地 震 资料 Q 值 波形 反 演 通 过 井 、地 资 料 的联 合 ，可 以充分 利 用 2 种 资 料 的 优点 ，相互约束 ，相互补充 。 3) 理 论模 型 试算 表 明 SV D 的波 形 反 演 ， 模型 中地层 深 度参 数选 取较 为准确 。 4) 实 际 W al kaw ay 井地 联合 地 震资 料的 体关 系 密 切 。 不 依 赖 于初 始 Q 值 的 选取 ，且 抗 噪 能 力 强 ，但 要求 初 始 Q 值 波形 反演 结 果 表 明介 质 品 质 因子 与 介质 性 质 币 孔 隙流 m 如 即 如 帅 如 如 蚰 邬 叩 锄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 58 石油 天然 气学报 (江汉石油学院学报 ) 2009 年 4 月 本研究受中国地质大学 (武汉) 优秀青年教 师计划资助项 目 (C U G Q N L 0726) 资助。 参考文献 1 Best A I，M c C ann C ， Sothc ott JT he rel ati onshi ps betw een the vel oc i ti es，attenuati ons and petrophysi c al properti es of reservoi r sedi _ m entary roc k s J G eophysi c al P rospec ti ng，1994 ，42 (1)：151178 2 Sun Sh JDeterm i nati on of sei sm i c attenuati on from surfac e and dow nhol e m easurem ents D O kl ahom a；U ni versi ty of O kl ahom a， 2 0 0 0 Is Kjartansson EConstant Q wave propagation and attenuation J JGR ，1979， 84 (4)：4737 4748 4 D asgupta R ， Cl arkz R A E sti m ati on ofQ from surfac e seism i c refl ec ti on data J G eophysi c s，1998，63 (12)l 2120 2128 5 Q uan Y L ，H arri sy J M Sei sm ic attenuati on tom ography usi ng the frequenc y shi ft m ethod J G eophysi c st 1997，62 (3)：895 9 O 5 6 王辉 ，常旭 ， 刘伊克 ，等 时间域相邻地震波衰减成像研究 盯 地球物理学报，2001，44 (3)： 396 402 7 马昭军 ，刘洋 地震波衰减反演研究综述 EJ 地球物理学进展 ， 2005 ，20 (4)；1074 1082 8 王辉 ，常旭 ， 高峰 井间地震波衰减成像的几种方 法 J 地球物理学进展 ， 2001，16 (1)。104 109 9 A ki K ，Ri c hard P G Q uanti tati ve sei sm ology：theory and m ethods M N ew Y or