地震勘探原理-第4章地震波速度课件

地震勘探原理主讲人：陈双全2地震勘探原理第1章绪论第2章地震波运动学理论第2+章地震信号的频谱分析

第3章地震资料采集方法与技术第4章地震波速度第5章地震资料解释的理论基础3第4章地震波速度地震波的速度是地震勘探中最重要的一个参数。地震波的传播速度所谓波动就是震动在介质中的传播单位时间内地震波沿波线方向传播的距离波的速度与波的类型和介质有关波的速度是介质的一种性质在地震资料处理、解释过程中，还会用到一些其它的速度概念叠加速度、偏移速度、平均速度、均方根速度、层速度等4第4章地震波速度4.1影响地震波传播速度的因素分析4.2各种地震波速度的概念4.3地震波速度的测定方法4.4各种地震波速度间的转换关系54.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律64.1.1速度与岩石弹性常数的关系地震纵波和横波与介质的弹性常数之间的定量关系：其中λ、μ是介质的弹性常数(拉梅系数)，E是杨氏模量，ρ是介质的密度，σ是泊松比。74.1.1速度与岩石弹性常数的关系同一介质中纵波和横波速度比的关系如下纵波与横波速度之比取决于泊松比。泊松比σ的值在大多数情况下约等于0.25，所以，纵波与横波的速度比位VP/VS一般为1.73。只有在最为疏松的岩石中σ≈0.5。84.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律94.1.2速度与岩性的关系104.1.2速度与岩性的关系114.1.2速度与岩性的关系124.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律134.1.3速度与岩石密度的关系144.1.3速度与岩石密度的关系154.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律164.1.4速度与地质年代和构造历史的关系同样深度、成分相似的岩石，当地质年代不同时，波速也不同，年老的岩石比年青的岩石具有较高的速度。速度与构造运动的关系，在不同地区有不同的表现。在强烈褶皱地区，经常观测到速度的增大；而在隆起的构造顶部、则发现速度减低。一般地说，地震波在岩石中的传播速度随地质过程中的构造作用力的场强而增大。根据在实验室对岩石样品的分析发现地震波的速度与压力之间有一定的关系，速度随压力的增加而增加。此外压力的方向不同，地震波沿不同方向传播的速度也就不同。174.1.4速度与地质年代和构造历史的关系一般来说，地层越深，地震波速度越大。沉积年代越久，地震波速度越大184.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律194.1.5地震波速度与埋藏深度的关系一般来说，随深度的增加地震波速度增大。不同的地区，速度随深度变化的垂直梯度可能相差很大。一般地说，在浅处速度梯度较大；深度增加时，梯度减小。204.1.5地震波速度与埋藏深度的关系214.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律224.1.6与孔隙度和流体性质的关系许多岩石是由孔隙的多孔介质的孔隙和密度孔隙度Ф

＝孔隙空间/总体积岩石总密度ρ

＝岩石质量/体积

ρ

＝（1－Ф）ρma+

Фρfl其中ρma＝岩石颗粒（骨架）密度

ρfl

＝孔隙流体的密度

234.1.6与孔隙度和流体性质的关系沉积岩中岩石是含有孔隙的，孔隙度的变化从百分之几到40%。所以直接影响着速度(弹性模量)。大多数沉积岩中，岩层的实际波速是由岩石基质的速度、孔隙度，充满空隙的液体的速度以及颗粒之间的胶结物的成分等因素来决定的。

在地震勘探中比较常用的，关于液体速度，颗粒速度与孔隙率之间一个很简单的关系式，叫做时间平均方程

(Wyllie方程)

式中，V是岩石实际速度；Vf是孔隙流体中的速度；Vm是岩石基质的速度；Φ是岩石的孔隙度。

244.1.6与孔隙度和流体性质的关系在上述公式中速度还受孔隙流体压力的影响，流体压力降低，流体压力这项的百分比影响就变小，当流体压力接近大气压时，其影响变得最小。因此在实际条件下，时间平均方程必须用一个压差调节系数C加以修正。流体压力等于岩石压力的一半时，C值约为0.85。由于地震波在油、气、水等流体中的传播速度比在岩石基质中的速度小，因而岩石孔隙中含有流体时使岩石的速度降低。254.1.6与孔隙度和流体性质的关系264.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律274.1.7与频率和温度压力的关系与频率无关（无频散）温度每升高100度，速度减少5~6％。284.1影响地震波传播速度的因素分析4.1.1速度与岩石弹性常数的关系4.1.2速度与岩性的关系4.1.3速度与岩石密度的关系4.1.4速度与地质年代和构造历史的关系4.1.5地震波速度与埋藏深度的关系4.1.6与孔隙度和流体性质的关系4.1.7与频率和温度压力的关系4.1.8沉积岩中速度分布的一般规律294.1.8沉积岩中速度分布的一般规律1、沉积岩的成层沉积决定了速度剖面上成层分布。2、速度存在垂直梯度，速度梯度是随深度的增加而减小的。3、一般地，速度的水平梯度不会很大，细致处理和解释资料时，考虑速度的水平梯度还是必要的。如构造破坏（断层）、地层不整合及尖灭。30第4章地震波速度4.1影响地震波传播速度的因素分析4.2各种地震波速度的概念4.3地震波速度的测定方法4.4各种地震波速度间的转换关系314.2各种地震波速度的概念地震波在地层中的传播速度是一个十分重要的参数，又是一很难精确测定它的数值。在实际生产工作中，速度不可能用精确函数关系来确定。对极其复杂的实际速度用建立各种简化介质模型的方法来描述，并引进了各种速度概念324.2各种地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4叠加速度4.2.5层速度334.2.1平均速度Vav平均速度定义为：“一组水平层状介质中某一界面以上介质的平均速度就是地震波垂直穿过该界面以上各层的总厚度与总的传播时间之比”。n层水平层状介质的平均速度是344.2.1平均速度Vav从另一个角度来讨论平均速度的含义。定义在水平层状介质中，波沿直线传播所走过的总路程与所需总时间之比。

354.2.1平均速度Vav同样得到要注意：这里的地震波传播，真正遵循的是“沿最小时间路程传播”，在非均匀介质(如层状介质)中，最小时间路程将是折线而不是直线。可见这样引入平均速度时所作的“地震波沿最短路程直线传播”的假设就是对一种实际介质结构的近似简化。364.2各种地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4叠加速度4.2.5层速度374.2.2均方根速度VR依据费马原理。在均匀介质中，波所需时间最短的路程是直线。而在均匀介质，水平界面情况下反射波的时距曲线是一条双曲线。即式中h0是界面的深度；t0是双程垂直反射时间；x是接收点与激发点距离；t是在x处接收到反射波的时间。上式另一个意义在于，把时距曲线的方程可以写成这种形式，并作t2-x2图形，波以常速度传播时，这是一条直线，斜率为1/V2。也即速度是x2项前系数分母的平方根。下面引入的几个速度都贯穿这种思路。38水平层状介质的时距曲线问题：水平层状介质的反射波时距曲线是否还是双曲线？如果不是的话，能否近似地把它看成双曲线?在实际生产工作中，不管介质是否均匀，都采用双曲线公式计算动校正量，也即把反射波时距曲线总是看成双曲线。当然，这样做是有误差的。均方根速度的概念就是在处理上述问题时，把不是双曲线关系的时距方程简化为双曲线关系时引入的一个速度概念。水平层状介质波的传播路径394.2.2均方根速度VR在n层水平层状介质中，O点激发，S点接收到的第n层底面的反射波的传播时间为在上两式中，都有一个参数θi，根据折射定律，可用射线参数P表示式中ti是波在第i层介质中沿垂直界面的方向双程传播的时间。这两个方程不能写成简单的t=f(x)显函数形式。404.2.2均方根速度VR从数学上对水平界面时距曲线方程的性质进行了研究，得出了对地震勘探很有意义的结论。这结论是：对n层水平层状介质，当时，可以把反射波的传播时间和炮检距以x2的幂级数展开这个级数是收敛的。Vm是n层中最大的层速，414.2.2均方根速度VR在一定的近似之下，可以把x4等高次项略去，便可得到在形式上与均匀覆盖介质情况下完全一样的双曲线型的时距曲线方程

VR就相当于均匀介质情况下的波速，称为n层水平层状介质的均方根速度。

424.2.2均方根速度VR把上面的过程总结如下：如果不作任何限制和简化，水平层状介质的反射波时距曲线方程只能写成以射线参数P为参数的形式，而不能写成简单的t=f(x)的显函数形式。但是，可以证明，当满足一定条件时，时距曲线方程可表示为x幂级形式，可见它是一条高次曲线。如果把x4及更高次的项略去，则变为与均匀介质情况下一样的双曲线。此时同均匀介质情况下的波速相当的量是均方根速度VR。因此,也可以把均方根速度定义为：

把水平层状介质情况下的反射波时距曲线近似地当作双曲线，求出的波速就是这一水平层状介质的均方根速度。434.2.2均方根速度VR均方根速度的意义还可以这样说明：把各层的速度值的平“方”按时间取其加权平“均”值，而后取平方“根”值，要注意其中速度较高的层所占比重要大，表明这种近似在一定程度上考虑了射线的偏折。均方根速度对于一系列具有速度Vi的平行地层来说，设地震波能量垂直穿过每一层所需的时间为ti，则均方根速度为444.2各种地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4叠加速度4.2.5层速度454.2.3等效速度Vφ均匀倾斜界面的共中心点时距曲线方程为

式中V是介质的速度；h0是共中心点处界面的法线深度；φ是界面倾角。上式还可以该写为引入符号Vφ则Vφ叫做倾斜界面均匀介质情况下的等效速度。

46等效速度概念的意义上一章曾提到，倾斜界面情况下的共中心点道集的叠加效果存在两个问题，即反射点分散和动校正不准确。等效速度的概念意义在于，用Vφ代替V，倾斜界面共中心点时距曲线就可以变成水平界面形式的共反射点时距曲线。也就是说，用等效速度对倾斜界面的共中心点道集进行动校正可以取得很好的叠加效果，没有剩余时差。但不应忘记，从地质效果来说，反射点分散的问题并没有解决，这个问题只有用偏移叠加才能妥善解决。474.2各种地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4叠加速度4.2.5层速度484.2.4叠加速度Vα由前面讨论的几个速度知道，在一般情况下，(包括水平界面均匀介质、倾斜界面均匀介质、覆盖层为层状介质或连续介质等)，都可将共中心点反射波时距曲线看作双曲线，用一个共同的式子来表示：式中Vα称为叠加速度,t0为偏移距为零时的反射时间。对于不同的地质结构，它就有更具体的意义，例如对倾斜界面均匀介质Vα就是Vφ

，对水平层就是VR。494.2.4叠加速度Vα叠加速度Vα的含义也可以从另一个角度来理解。在实际的地震资料处理工作中，通过计算速度谱来求取叠加速度。即对一组共反射点道集上的某个同相轴，利用双曲线公式选用一系列不同速度Vi，计算各道的动校正量，对道集内各道进行动校正；当取某一个Vi能把同相轴校成水平直线(将得到最好的叠加效果)时，则这个Vi就是这条同相轴对应的反射波的叠加速度。504.2.4叠加速度Vα在一般地质结构情况下，(包括水平界面、倾斜界面均匀介质、覆盖层为层状介质或连续介质等)，共中心点反射波时距曲线都可看作双曲线，用一个共同的式子来表示：

式中Vα称为叠加速度，t0为偏移距为零时的反射时间。对于不同的地质结构，叠加速度Vα有更具体的意义：

1)对水平单层结构为：Vα

=V1，即为单层介质的速度；

2)倾斜单层地质结构为：Vα=V1/cosφ，V1为单层介质速度，φ为界面倾角；，

3)水平多层地质结构为：Vα

=VR51524.2各种地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4叠加速度4.2.5层速度534.2.5层速度层速度地震波的传播速度在剖面上是成层分布的，一个地层剖面从浅到深可以分为几个速度层，各层之间在波速上存在较明显的差别。在地震勘探中把某一速度层的波速叫做这一层的层速度。有时地质年代不相同但岩性相同的一些地层可以成为一个速度层。层速度是一种对地震资料进行地质解释很有用的资料。利用地震勘探的成果资料，换算出大量的层速度资料有很大实用意义。

54第4章地震波速度4.1影响地震波传播速度的因素分析4.2各种地震波速度的概念4.3地震波速度的测定方法4.4各种地震波速度间的转换关系554.3地震波速度的测定方法一、平均速度的测定二、叠加速度的求取56一、平均速度的测定测定地震波传播速度的方法基本上可分为以下几类:（1）实验室测定法（2）井中观测法地震测井，声速测井（3）时距曲线计算法571、地震测井

将测井检波器用电缆放入深井中，检波器隔一定距离向上提升一次，在井口附近激发一次地震波。测井检波器记录下从井口到检波器深度处直达波的传播时间t,检波器的深度H可由电缆长度测得。求得该深度H以上各地层的平均速度。一般设远近两个炮点。近炮点距深口50-100米，炮井按扇形排列，远炮点距深口300-500米炮点按矩形排列，井距10米左右。58地层平均速度计算计算速度时应从炮井井底O’算起利用近炮点资料，根据下式计算平均速度Vav

利用远炮点资料计算波沿O'S方向传播的速度，即射线平均速度Vs。592、声速测井

声波测井（ContinuousVelocityLog)CVL将声波探头下到井里，然后边向上提升，边测量声波时差，其倒数就是层速度。60地震测井与声速测井

地震测井和声速测井都是求取平均速度和层速度的有效方法，其共同点和差别主要为：

1)方法不同，频率范围不同(地震测井20-80Hz，声速测井频率20kHz)。

2)工作条件不同。

3)测试的精度不同，地震测井的平均速度值绝对误差较小，但划分层速度时较粗糙。声波测井中误差随深度增加，精度略低。由于连续测量，接收距又小，能细致划分层速度，反映地层岩性特点，对地质解释意义较大。614.3地震波速度的测定方法一、平均速度的测定二、叠加速度的求取62二、叠加速度的求取利用速度谱方法求取叠加速度是目前生产单位提取速度参数的重要手段。对道集内某个反射波同相轴用不同的速度进行动校正并分析校正后的叠加效果，其中叠加效果最好的那个速度就是该反射波的叠加速度。具体实现时有叠加速度谱和相关速度谱。63二、叠加速度的求取用计算速度谱的方法求取叠加速度的基本原理。共中心点反射波道集的时距曲线可看成是一条双曲线。计算出道集内各道的动校正量Δtx，对这个道集进行动校正使双曲线形状的同相轴被校正成水平直线形状的同相轴。显然，动校正的正确与否和速度的选择很有关系；如果速度值选得正确。动校正后的共反射点时距曲线就是水平直线。64动校正量的计算正常时差的近似计算65速度谱分析

如果速度值选得不合适，动校正后的共反射点时距曲线就不是水平直线。所谓速度谱分析就是根据这个原理：即选用一系列不同的速度值对共反射点时距曲线进行动校正，看选用哪一个速度值时正好能把共反射点时距曲线校正为水平直线，则这个速度就是合适的叠加速度。怎样来判断共反射点时距曲线是否被校直？66速度谱分析

怎样来判断共反射点时距曲线是否被校直？最简单的是对共反射点道进行叠加。如果校成直线，则各道的波形都没有相位差，叠加后的波形能量最强；如果没有校正成直线，则各道的波形仍然存在相位差，叠加后的波形能量较弱。用这种方法计算出的图形叫做“叠加速度谱”。另一个方法是计算共反射点道集的多道相关函数，用相关函数值的相对大小来判断是否同相。这样计算出来的叫做“相关速度谱”。

67二、叠加速度的求取68二、叠加速度的求取实际地震记录上有来自不同界面的许多反射波，即有许多不同t0的同相轴。求由浅层到深层所有各个反射波的叠加速度，就要求出它们各条速度谱曲线。采用按一定的t0间隔(如Δt0=25毫秒)划分为许多时窗，这些时窗以t0为中心，有一定的宽度(如50毫秒)，然后沿一个个时窗来计算各道波形的叠加能量。对一张记录，可计算出很多条速度谱曲线(每条对应一个t0值)，把这些曲线按它们的t0，的大小依次排列起来，就是一张速度谱。

69二、叠加速度的求取速度谱曲线上，经过解释，确定出由各t0的一次反射波所形成的速度谱曲线的极大值VM，并把各t0的极大值VM连接起来就可以确定出叠加速度Va随t0的变化曲线。70二、叠加速度的求取如何利用多次覆盖资料获得叠加速度？1、将多次覆盖资料抽成共中心点道集。2、在共中心点道集上计算叠加速度谱。3、在叠加速度谱上拾取叠加速度。71第4章地震波速度4.1影响地震波传播速度的因素分析4.2各种地震波速度的概念4.3地震波速度的测定方法4.4各种地震波速度间的转换关系724.4各种地震波速度间的转换关系4.4.1平均速度与均方根速度的比较4.4.2由叠加速度计算均方根速度4.4.3由均方根速度计算层速度734.4.1平均速度与均方根速度的比较为了比较我们引入射线平均速度的概念。射线平均速度地震波沿某一条射线传播所走的总路程长度除以所需的时间叫做沿这条射线的射线平均速度对每条射线的平均速度都不一样。既是射线旅行时的函数（或接收点与炮检距的函数），也是射线出射角α0

（或射线参数P）的函数。在水平层状介质情况下，射线平均速度的公式为74例子：计算平均速度、均方根速度和射线平均速度H1=1000mV1=3000m/sH2=1000mV2=5000m/sH3=1000mV3=6000m/sVav=4286m/sVR=4472m/sα=10º

V1=4310m/sα=20ºV2=4420m/sα=25º

V3=4560m/s754.4.1平均速度与均方根速度的比较平均速度、均方根速度和射线平均速度的比较平均速度小于均方根速度。764.4.1平均速度与均方根速度的比较（1）当介质不均匀时，地震波沿不同射线传播的平均速度是不同的。对同一介质结构，炮检距越大，射线平均速度也越大，并在炮检距逐渐增大时，射线平均速度趋于剖面中速度最高的层速度。（2）平均速度与均方根速度都是把层状介质看成某种假想的均匀介质，因此对某一种介质结构，只有一个平均速度和一个均方根速度。774.4.1平均速度与均方根速度的比较（3）平均速度一定小于或等于均方根速度。平均速度能较好描述炮检距为零的情况，所以设计井深，进行时深转换时要用它。784.4.1平均速度与均方根速度的比较（4）平均速度、均方根速度、射线速度三者之间的关系。x=0时，射线平均速度与平均速度相等，而均方速度与射线平均速度有差别。可见在x=0时，平均速度比均方根速度精度更高。随着x的增加，平均速度与射线平均速度的差别越来越大；而均方根速度则与射线平均速度逐渐接近，在某一x处，