基于正演模型的砂泥巖薄互層AVO特征分析

劉立彬 王延光 孫成禹

(①中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營257022； ②中國石化勝利油田分公司，山東東營257022； ③中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580)

0 引言

隨著油氣的持續(xù)勘探和開發(fā)，較易識別的構(gòu)造油氣藏的數(shù)目在不斷減少。如何尋找難以識別的巖性油氣藏，并對其進行精確描述已逐漸成為石油勘探的重要任務(wù)。大面積的薄互層巖性油氣藏是中國油氣探明儲量增長的重要領(lǐng)域之一，該類油氣藏的主要特點是儲層厚度小、儲層與非儲層互層嚴(yán)重，并且地層巖性和厚度橫向變化較大，對預(yù)測精度要求更高。薄互層地震反射特征的理論研究對于描述其地層分布規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。

由于厚度的限制，薄層內(nèi)的多次波、轉(zhuǎn)換波會與界面有效反射波發(fā)生疊加干涉，這就是薄層的調(diào)諧現(xiàn)象。在薄互層油氣聚集區(qū)，薄互層反射的干涉調(diào)諧效應(yīng)和儲層橫向變化引起地震記錄振幅、相位和頻率發(fā)生復(fù)雜變化。變化規(guī)律受薄互層內(nèi)各巖層速度、密度及單層厚度、層間組合關(guān)系等因素的影響[1]。薄互層地震反射波場特征也因此復(fù)雜化，給后續(xù)資料處理、解釋帶來困難。

一直以來，業(yè)內(nèi)人士在不懈努力，使薄互層研究取得了很大進展。Sengbush等[2]早期發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙拥臅r間厚度(雙程旅行時)等于1/2的子波周期時反射振幅達到最大值，并將這一現(xiàn)象稱為“調(diào)諧”。隨后，Widess[3]基于零相位子波并變換薄層厚度，研究得知當(dāng)薄層厚度為λ/8(λ為地震波長)時，反射波的波形為入射波波形的一階導(dǎo)數(shù)，且可分辨其頂?shù)追瓷?，從而將厚度小于?8的地層定義為薄層。Kallweit等[4]提出地震波的時間分辨極限與其高截頻有關(guān)，實際經(jīng)換算后在深度上近似等于主波長的1/4。當(dāng)薄互層存在時，由于調(diào)諧效應(yīng)、層間多次波及衰減等因素的影響，導(dǎo)致其反射特征與單界面反射有很大區(qū)別，尤其是AVO(Amplitude Versus Offset)響應(yīng)存在顯著差異。

AVO是利用反射波振幅與炮檢距或入射角的關(guān)系尋找油氣的一項有效技術(shù)，其振幅變化特征可指示反射界面兩側(cè)介質(zhì)的巖性及物性特征，進而指導(dǎo)油氣檢測。地震勘探中水平疊加技術(shù)壓制了振幅隨入射角變化的信息，對所有炮檢距的振幅取平均值得到疊加后同相軸的振幅，不利于利用地震波動力學(xué)信息檢測巖性和油氣[5]?；诠卜瓷潼c(CRP)道集進行AVO分析，其異常和繞射能量都得到正確歸位，隨機噪聲被削弱，AVO響應(yīng)更突出，分析結(jié)果的精確性得到提高[6]。受薄層調(diào)諧效應(yīng)的影響，地震反射振幅數(shù)值發(fā)生變化，但AVO響應(yīng)的變化規(guī)律保持一致[7]。在推導(dǎo)出薄層AVO響應(yīng)的精確解后發(fā)現(xiàn)薄層厚度、泊松比等因素會對AVO效應(yīng)產(chǎn)生影響[8-9]。另外，地層埋深、薄層厚度、地層速度等因素對薄層反射波振幅和頻率特征也會有影響[10]。研究表明不同薄層結(jié)構(gòu)的差異會導(dǎo)致地震反射特征的改變，而這些差異會體現(xiàn)在地震屬性上，即地震屬性特征會受到不同互層組合、互層及單層厚度、砂泥比等因素的影響[11-12]。

由于薄互層反射的復(fù)雜性，目前對其研究大多是針對實際數(shù)據(jù)做目標(biāo)處理[13-14]，并依據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律做儲層描述和含流體預(yù)測[15-17]；基于薄互層結(jié)構(gòu)模型對地震反射特征本身的研究相對較少[18]，因而實際應(yīng)用中缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

本文基于反射率法正演的薄互層理論模型，充分考慮層間多次波和轉(zhuǎn)換波等因素的影響，研究了簡單薄互層模型的地震反射特征及其影響因素。分別針對厚度、砂泥比、互層數(shù)等因素，構(gòu)建簡單薄互層模型，利用反射率法進行正演模擬，并分析不同薄互層結(jié)構(gòu)和子波對薄互層地震反射特征的影響。通過模型分析，為進一步認識實際薄互層結(jié)構(gòu)的地震反射特征奠定基礎(chǔ)。最后通過分析薄互層模型的AVO曲線特征及不同因素對AVO效應(yīng)的影響，將通過正演模擬得出的結(jié)論指導(dǎo)實際資料的薄互層精細解釋，取得了令人滿意的應(yīng)用效果。

1 四類AVO響應(yīng)特征

AVO正演即是利用模型正演模擬AVO現(xiàn)象，結(jié)合油藏特征分析不同地質(zhì)條件下油、氣、水及特殊巖性體的AVO特征，建立相應(yīng)AVO檢測標(biāo)志，在實際地震記錄中直接識別巖性及油氣。通?？衫肁VO正異常進行碳氫檢測，但并不是所有氣層的AVO都是正異常，氣層AVO特征變化十分復(fù)雜。Rutherford等[19]根據(jù)氣層的波阻抗和泊松比特征將氣層AVO響應(yīng)劃分為三類； 后來，Castagna等[20]將其推廣到低阻抗氣層，并將氣層AVO響應(yīng)劃分為四類。

圖1中Ⅰ類為高阻抗砂巖含氣AVO響應(yīng)曲線。這類砂巖具有比上覆介質(zhì)更高的波阻抗，在零炮檢距處反射振幅為正且較高； 隨著角度/炮檢距增大，反射振幅呈減少趨勢。減小到一定程度時出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，振幅變?yōu)樨撝?。顯然，只有入射角足夠大時才可觀察到極性反轉(zhuǎn)。Ⅱ類為近零阻抗差的含氣砂巖，零炮檢距時振幅趨于零。炮檢距由近及遠，振幅絕對值呈增加趨勢。當(dāng)AVO曲線截距小于零時，隨著炮檢距增加，反射振幅絕對值呈增大趨勢。Ⅲ類、Ⅳ類為低阻抗砂巖： Ⅲ類零炮檢距振幅強，呈負極性，振幅絕對值呈增加趨勢； Ⅳ類AVO振幅絕對值呈減少趨勢。中國大多數(shù)油田屬于陸相沉積，所觀察到的AVO現(xiàn)象絕大多數(shù)是經(jīng)薄互層調(diào)諧干涉后結(jié)果，而非單個界面反射。不同巖性組合，其AVO特征可能不同，即使巖性組合相同，其單層厚度不同也可造成AVO特征差異。因此，分析薄互層AVO特征有助于檢測和識別巖性和油氣藏。

圖1 四類AVO響應(yīng)曲線

2 薄互層法向反射特征的影響因素

構(gòu)建簡單的砂泥巖薄互層，考慮層間多次波、轉(zhuǎn)換波的影響，對于法向入射反射情況，使用反射率法計算得到自激自收剖面； 改變薄互層的厚度、砂泥比及子波類型等參數(shù)，從而分析不同薄互層結(jié)構(gòu)的垂向地震反射特征。

2.1 厚度的影響

建立7種不同砂泥比楔形薄互層模型(圖2是其中一種)，每種薄互層總厚度范圍是0～90m，圍巖是泥巖，其中泥巖速度為2300m/s，砂巖速度為2550m/s。采用主頻為30Hz的雷克子波做反射率正演，對正演結(jié)果做振幅分析。提取不同砂泥比薄互層的反射振幅和瞬時頻率，得到不同砂泥比時薄互層反射振幅(圖3a)和頻率(圖3b)隨厚度的變化曲線，以總結(jié)薄互層調(diào)諧厚度與砂泥比的關(guān)系。

圖2 砂泥比為2.0的楔形薄互層模型

從圖3可見： 隨著薄互層厚度增大，薄互層最上部界面反射振幅先增后減，當(dāng)薄互層厚度增至一定程度時，頂界面反射趨于穩(wěn)定； 隨著砂泥比增大，薄互層極值厚度(反射振幅絕對值的極大值對應(yīng)的薄互層厚度)增大，逐漸向單薄層靠近，整體接近λ/5。不同砂泥比的楔形薄互層模型的調(diào)諧曲線存在差異。隨著砂泥比增大薄互層反射振幅增強(圖3a)；隨著薄互層厚度增加，記錄到的反射波頻率先減后增，變化平緩，與薄互層厚度的相關(guān)性弱于反射振幅(圖3b)。受數(shù)據(jù)采樣和拾取精度影響，盡管圖中曲線局部存在小起伏跳躍，但變化趨勢是明顯的。

圖3 薄互層模型反射記錄上反射振幅(a)和頻率(b)隨厚度的變化曲線

2.2 砂泥比的影響

建立圖4a所示薄互層模型(砂巖、泥巖速度同圖2)，單套砂泥巖薄互層(一層砂加一層泥為一套薄互層)厚度保持10m不變，從左向右砂泥比不斷增大，模型中共有兩套薄互層。基于反射率法(30Hz雷克子波)正演提取薄互層頂界面反射振幅，得到反射振幅隨砂泥比變化的關(guān)系曲線(圖4b)?？梢妴翁咨澳鄮r薄互層厚度保持10m不變時，隨著砂泥比增加，薄互層反射振幅不斷增強，砂泥比增大到大約12～17后，振幅趨于穩(wěn)定(此時砂泥薄互層的響應(yīng)近乎單砂層)，反射振幅幾乎不再變化。

2.3 互層數(shù)的影響

當(dāng)單套薄互層厚度小于調(diào)諧厚度(不同砂泥比對應(yīng)的調(diào)諧厚度在λ/6～λ/4之間，即13～20m)時，保持單套砂泥巖薄互層厚度(10m)不變，增加薄互層組合的套數(shù)/層數(shù)(“n套”表示n層薄砂巖與n-1層薄泥巖構(gòu)成的互層)，采用30Hz雷克子波做反射率法正演，得到正演波形和反射系數(shù)譜； 提取薄互層頂界面反射振幅，得到不同互層數(shù)的薄互層模型反射振幅隨砂泥比的變化曲線(圖5b)?？梢姰?dāng)單套砂泥巖厚度小于調(diào)諧厚度時，無論互層數(shù)如何變化，薄互層反射振幅的變化規(guī)律一致，始終隨砂泥比的增大而增強； 當(dāng)砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定。互層數(shù)的不同，對薄互層模型的影響主要體現(xiàn)在薄互層的總厚度不同； 互層數(shù)越多，薄互層總厚度越大； 當(dāng)某一互層數(shù)對應(yīng)的薄互層厚度接近調(diào)諧厚度時，反射振幅最強。

圖4 砂泥比變化的兩套固定總厚度薄互層模型(a)及其反射振幅曲線(b)

圖5 砂泥比變化的多套固定厚度薄互層模型(a)及其反射振幅曲線(b)

保持單套砂泥巖組合厚度分別為5m(小于調(diào)諧厚度)、20m(接近調(diào)諧厚度)、50m(大于調(diào)諧厚度)，從左向右，砂泥比不斷增大(圖6)。每個厚度的薄互層變換3次套組數(shù)(2、3、5套)，利用反射率法正演，將正演結(jié)果與單套砂泥巖薄互層厚度10m情形進行對比分析，得到反射振幅隨砂泥比的變化曲線(圖6)。

從圖6a可知：此時單套砂泥厚度小于調(diào)諧厚度，隨著砂泥比的增大反射振幅增強； 當(dāng)砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定?；訑?shù)的不同，影響薄互層的總厚度，當(dāng)某一互層數(shù)對應(yīng)的薄互層厚度接近調(diào)諧厚度時，反射振幅最強。從圖6b可知： 當(dāng)單套砂泥厚度接近于調(diào)諧厚度時，隨著砂泥比的增大，薄互層反射振幅先增后減，極值不突出。當(dāng)砂巖厚度變化到調(diào)諧厚度附近時，反射最強； 超過調(diào)諧厚度后，隨著砂泥比的增大，振幅減小不明顯。當(dāng)砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定。從圖6c可知：當(dāng)單套砂泥厚度遠大于調(diào)諧厚度時，隨著砂泥比的增大，薄互層反射振幅先增后減，且極值較為突出。當(dāng)單砂巖厚度變化到調(diào)諧厚度附近時，反射最強； 超過調(diào)諧厚度后，隨著砂泥比的增大，振幅減小明顯。當(dāng)砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定。

利用反射率法正演得到砂泥比為1.0時的反射系數(shù)譜曲線(圖7)，可見單套砂泥厚度與反射系數(shù)譜主峰值頻率的乘積始終為定值。此定值等于砂泥

圖6 三種單套砂泥巖厚度的不同互層數(shù)薄互層反射系數(shù)譜(a)單套砂泥厚度為5m； (b)單套砂泥厚度為20m； (c)單套砂泥厚度為50m

巖地層速度的一半，即峰值頻率與單套砂泥厚度成反比。且互層數(shù)越多，次級峰值越多，次級峰值數(shù)等于互層數(shù)減1。反射系數(shù)譜信息對儲層描述更準(zhǔn)確，包含了地質(zhì)構(gòu)造、巖性變化及孔隙流體等信息，反射系數(shù)譜有助于用振幅做地震地層學(xué)解釋。實際解釋中可根據(jù)此反射系數(shù)譜中的主峰頻率或陷波頻率關(guān)聯(lián)薄層厚度： 峰值頻率和陷波頻率越高，對應(yīng)的薄互層越薄。當(dāng)然，受實際數(shù)據(jù)信噪比影響，通常難以拾取準(zhǔn)確的峰值頻率，實際處理中更多地是拾取相對穩(wěn)定的陷波頻率。

圖7 不同單套砂泥厚度的反射 系數(shù)譜曲線(砂泥比=1.0)

3 薄互層AVO響應(yīng)特征的影響因素

在薄互層調(diào)諧厚度分析的基礎(chǔ)上，利用砂泥巖薄互層模型正演數(shù)據(jù)，主要從薄層厚度、互層數(shù)及砂泥比三方面研討薄互層AVO特征的影響規(guī)律。

3.1 厚度的影響

建立簡單的三層介質(zhì)模型，中間層為高速砂巖薄層(速度為2550m/s)，圍巖為泥巖(速度為2300m/s)。改變薄層厚度，采用30Hz雷克子波進行反射率法正演，探究AVO特征的變化。提取薄層反射頂界面振幅，由于為高速砂巖，反射極性為正，故提取波峰振幅，得到反射振幅隨入射角(炮檢距)的變化曲線，即AVO曲線(圖8a)?；谔崛〉腁VO曲線，繪制截距—梯度散點圖(圖8b)?？梢娚鲜霰幽Ｐ头瓷湔w呈現(xiàn)為第Ⅱ類AVO特征，即近炮檢距處振幅較弱，隨著入射角(炮檢距)的增加，反射增強。在λ/4范圍內(nèi)，薄層厚度變化不改變AVO趨勢，但對AVO曲線的截距及梯度值有影響。即厚度越大，梯度越大，變化越顯著。即使巖性組合相同，厚度的變化也會引起AVO特征的差異。因此，在進行AVO分析時，對于陸相薄互層砂泥巖地層，薄互層調(diào)諧對AVO特征的影響不容忽視。

圖8 砂層厚度不同時的AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

3.2 互層數(shù)的影響

在砂泥比相同時，改變薄互層的互層數(shù)，研究互層數(shù)對AVO響應(yīng)特征的影響。保持砂泥比不變，分兩種情況變化設(shè)定互層數(shù)： ①單層砂巖厚度變化，砂巖累積厚度不變或薄互層總厚度不變； ②單層砂巖厚度不變，薄互層總厚度變化。

保持砂巖累積厚度(12m)、薄互層砂泥比(1.0)不變，改變單層砂巖厚度和層數(shù)(m×n表示地層中含有n層厚度為mm的砂巖層)?；诜瓷渎史ㄗ稣菽M，并提取薄互層頂界面的反射振幅，繪制AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖9)。可見在砂巖累積厚度不變的條件下，薄互層層數(shù)組合關(guān)系的變化，不改變AVO變化趨勢，但對AVO變化曲線的截距有影響?；訑?shù)越少(單層砂巖越厚)，截距越大，對應(yīng)的零炮檢距反射越強； 同時梯度越大，變化趨勢更明顯。

保持薄互層總厚度(15m)、薄互層砂泥比(1.0)不變，改變單層厚度和層數(shù)?；诜瓷渎史ㄗ稣菽M，并提取薄互層頂界面反射振幅，繪制AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖10)?？梢娫诒』涌偤穸炔蛔兊臈l件下，薄互層層數(shù)組合關(guān)系的變化，不改變AVO變化趨勢，但對AVO變化曲線的截距有影響。單層厚度越大，截距越大，對應(yīng)的零炮檢距反射越強。單層砂巖越厚，梯度越大，變化趨勢更明顯。 綜合單層砂巖厚度變化的兩種情況可見，無論

圖9 砂巖累積厚度為12m時不同互層數(shù)的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

是砂巖累積厚度不變，還是薄互層總厚度不變時的互層數(shù)的變化，基本不影響AVO變化趨勢。單層砂巖厚度越大，即互層數(shù)越少時，AVO曲線的截距越大，對應(yīng)的零炮檢距反射越強，同時AVO曲線的梯度越大，變化趨勢更明顯。

保持單層砂巖厚度(2m)、薄互層砂泥比(1.0)不變，改變砂泥巖互層數(shù)(n表示地層中含有n層砂巖)?；诜瓷渎史ㄗ稣菽M，提取薄互層頂界面反射振幅，繪制AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖11)?？梢妴螌由皫r厚度不變(因砂泥比恒定，故單層泥巖厚度不變)，互層數(shù)不同，薄互層的總厚度不同。互層數(shù)越多，AVO曲線的梯度越大，變化趨勢更明顯。

隨著互層數(shù)的增多，AVO曲線的截距先增后減，當(dāng)達到調(diào)諧厚度附近時，截距最大，對應(yīng)的零炮檢距反射最強。

3.3 砂泥比的影響

保持互層數(shù)(3層薄砂2層薄泥)不變，改變薄互層砂泥比(0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0)。得到的薄互層(單套砂泥厚度等于22m，大于調(diào)諧厚度)AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖12)。當(dāng)單套砂泥厚度(大于調(diào)諧厚度)不變時，砂泥比的變化影響AVO變化曲線的截距和梯度： 隨著砂泥比的增大，截距先增后減，當(dāng)砂巖厚度變至調(diào)諧厚度附近時，零炮檢距反射最強，截距最大； 砂泥比越大，梯度越大，反射振幅隨角度的變化更顯著。

在實際地震解釋過程中，若要利用AVO特征指導(dǎo)薄儲層、薄互層油氣藏預(yù)測，會有較多因素影響AVO曲線。除了層間多次波和地震波衰減等外部因素外，薄互層本身的厚度、互層數(shù)、砂泥比也會對AVO曲線產(chǎn)生影響。

圖10 總厚度為15m的不同互層數(shù)的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

圖11 不同互層數(shù)的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

圖12 不同砂泥比的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

由上述模型分析可知，薄互層厚度并不會改變AVO曲線變化趨勢，但對AVO曲線的截距和梯度層產(chǎn)生影響。當(dāng)薄層越厚時，AVO曲線的梯度越大，變化越顯著。而互層數(shù)則主要影響梯度和截距，互層數(shù)越多，AVO曲線的梯度越大，變化趨勢更明顯。隨著互層數(shù)增多，AVO曲線的截距先增后減，在調(diào)諧厚度附近達到最大值，對應(yīng)的零炮檢距反射最強。砂泥比則與互層數(shù)的影響效果相當(dāng)。了解上述影響后，則可在實際解釋中針對具體薄互層的AVO曲線，對薄層厚度、結(jié)構(gòu)進行初步的預(yù)測。

4 結(jié)論與認識

針對構(gòu)建的砂泥巖薄互層層狀模型和楔形模型，通過反射率法，完成了不同厚度、砂泥比、互層數(shù)等因素的薄互層模型的正演和地震反射特征分析，獲得以下認識和結(jié)論：

(1)單套砂泥組合的厚度一定時，砂泥比越高，薄互層反射振幅極值對應(yīng)的薄互層厚度(調(diào)諧厚度)越大，最終與單薄層效應(yīng)趨于一致。

(2)單套砂泥厚度與反射系數(shù)主峰值頻率的乘積為定值，且等于地層速度的一半； 互層數(shù)越多，次級峰值越多，次級峰值數(shù)等于互層數(shù)減1，即峰值頻率與單套砂泥厚度成反比； 實際解釋中可根據(jù)反射系數(shù)譜主峰頻率關(guān)聯(lián)薄互層厚度，即峰值頻率越高，對應(yīng)的薄互層越薄。

(3)單套砂泥互層厚度不變的條件下，砂泥比越大，AVO斜率越大。當(dāng)此厚度小于調(diào)諧厚度時，截距隨砂泥比(砂體量)而增大； 當(dāng)此厚度大于調(diào)諧厚度時，截距隨砂泥比先增后減，最后趨于穩(wěn)定。

(4)薄互層組的厚度、砂泥比和互層數(shù)對AVO曲線有影響，故在實際解釋中可針對薄互層AVO曲線的截距、斜率、梯度等參數(shù)的具體特征，對薄層的厚度、結(jié)構(gòu)進行初步的預(yù)測。