AVO梯度屬性90°相移技術(shù)及在東海盆地含煤地層儲層預(yù)測中的應(yīng)用

胡 偉，俞偉哲，張 巖，劉慶文，黃 鋆

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335）

地震振幅解釋主要分為兩個階段，亮點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用為地震振幅解釋的第一個階段。1984年，Ostrander通過研究認(rèn)為，儲層含氣后，疊前振幅會隨炮檢距發(fā)生變化，并且這種振幅變化與儲層含氣引起的泊松比變化有關(guān)[1]，AVO技術(shù)由此誕生，地震振幅解釋進(jìn)入了第二個階段，即振幅隨炮檢距變化（AVO）的分析。AVO分析的理論基礎(chǔ)源于佐普里茲（Zoeppritz）方程的Aki-Richards近似式[2]，Shuey在Aki-Richards近似公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了泊松比對反射系數(shù)的影響[3]，得到的近似式將反射系數(shù)與巖石特性聯(lián)系了起來。國內(nèi)外許多學(xué)者也提出了不同的表達(dá)式，如鄭曉東提出了以級數(shù)形式表示的近似公式[4]，Kelly給出了用密度和橫波速度表示的近似方程[5]，Donati等利用二項(xiàng)式展開方法給出了僅利用P-P波入射角和反射角表示的近似公式[6]，邱益福等給出了適用于小角度范圍內(nèi)的近似公式[7]。這些近似式均具有明確的物理意義，能夠指導(dǎo)通過地震振幅或者反演來進(jìn)行地層巖性的研究。對這些佐普里茲方程的近似表達(dá)式進(jìn)行計算，能得到不同的AVO屬性，均可用于地震振幅對地層的解釋。近年來，地震采集、處理技術(shù)在不斷進(jìn)步和完善,基于AVO分析的地震振幅解釋在儲層預(yù)測中也得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著東海盆地西湖凹陷勘探的不斷深入，簡單構(gòu)造油氣藏的勘探已接近尾聲，對巖性油氣藏的研究越來越多，該油氣藏的儲層往往具有巖性組合復(fù)雜，砂體薄，巖相變化快，橫向變化大等特點(diǎn)。西湖凹陷西斜坡地質(zhì)條件更加復(fù)雜，平湖組廣泛發(fā)育煤層，薄而多的煤層夾雜在砂、泥巖之中，極大地干擾了對于儲層地震響應(yīng)的認(rèn)識，常規(guī)的疊后地震及波阻抗反演均不能滿足儲層預(yù)測的要求[8]。本文通過對煤、砂、泥的典型組合樣式進(jìn)行疊前正演模擬，從疊前屬性上分析總結(jié)了儲層的地震振幅規(guī)律，發(fā)現(xiàn)AVO梯度屬性能夠較好的表征儲層，再結(jié)合90°相移技術(shù)來對儲層進(jìn)行更直觀的刻畫，預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆井吻合較好，為含煤地層的儲層預(yù)測提供一種新的思路，以支持西湖凹陷巖性油氣藏的勘探。

1 原理與方法

1.1 AVO技術(shù)原理

AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)是Zoeppritz方程，其全面考慮了平面縱波和橫波入射在水平界面兩側(cè)產(chǎn)生的縱橫波反射和透射能量之間的關(guān)系，并解析地表述了平面波反射系數(shù)與入射角的關(guān)系，但方程過于復(fù)雜，難于直接分析介質(zhì)參數(shù)對反射系數(shù)的影響。Aki對Zoeppritz方程進(jìn)行了簡化，當(dāng)相鄰的兩層介質(zhì)的彈性參數(shù)變化很小，并且入射角在臨界角范圍內(nèi)，則有Aki-Richards簡化方程[2]：

其中：R為反射系數(shù)，θ為入射角，VP為縱波速度，VS為橫波速度，ρ為密度；VˉP、VˉS和ρˉ分別代表相鄰地層的縱波速度、橫波速度和密度的平均值。ΔVP、ΔVS和Δρ分別代表相鄰地層的縱波速度、橫波速度和密度的差值。

Aki-Richards簡化方程強(qiáng)調(diào)的是巖性參數(shù)變化量ΔVP/VˉP、ΔVS/VˉS、Δρ/對反射系數(shù)的影響，常用于定性巖性分析。

Shuey在Aki-Richards近似公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了泊松比對反射系數(shù)的影響，證明了相對反射系數(shù)隨入射角(或炮檢距)的變化梯度主要由泊松比的變化來決定，并給出了用不同角度項(xiàng)表示的反射系數(shù)近似公式，即Shuey 公式[3]：

其中：

式中：σ為地層的泊松比，Δσ為界面兩側(cè)泊松比的差。

公式中把反射系數(shù)視為小角度項(xiàng)（第一項(xiàng)）、中等角度項(xiàng)（第二項(xiàng)）和大角度項(xiàng)（第三項(xiàng)）之和，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常忽略大角度項(xiàng)，即當(dāng)入射角較小時，且ΔVP/VˉP也比較小時，第三項(xiàng)C可以忽略，反射系數(shù)與sin2θ呈線性關(guān)系，方程可以退化成兩項(xiàng)截距和梯度方程：

式中：P為垂直入射零偏移距縱波的反射系數(shù)，稱為AVO的截距。截距值與介質(zhì)上下波阻抗有密切的關(guān)系，上下介質(zhì)波阻抗差越大，截距值就越大；而當(dāng)上下介質(zhì)波阻抗相等時，截距值為零；在截距剖面上波峰表示由低阻抗到高阻抗的正反射界面，波谷則表示由高阻抗到低阻抗的負(fù)反射界面，截距剖面是嚴(yán)格意義上的零偏移距的地震剖面。G代表巖性橫波速度、縱波速度和密度變化的綜合響應(yīng)，也是振幅隨入射角(或炮檢距)的變化率，稱為AVO的梯度。梯度主要由泊松比的變化決定，在上、下兩層介質(zhì)的波阻抗一定時，泊松比差對梯度影響很大，下伏介質(zhì)的泊松比越大或上覆介質(zhì)的泊松比越小，梯度值就越大，而上下介質(zhì)的泊松比差值不變時，泊松比越大，梯度值就越大。

在疊前CRP道集上，對每個樣點(diǎn)作振幅和sin2θ的線性擬合，即可獲得截距和梯度剖面。圖1顯示了反射系數(shù)和sin2θ之間的線性關(guān)系，當(dāng)截距為正值時，正梯度代表反射波振幅隨著入射角增大而增大，負(fù)梯度代表反射波振幅隨著入射角增大而減小；當(dāng)截距為負(fù)值時，正梯度代表反射波振幅隨著入射角增大而減小，負(fù)梯度代表反射波振幅隨著入射角增大而增大。

圖1 截距和梯度示意圖Fig.1 Schematic diagram of intercept and gradient

1.2 90°相移技術(shù)

在常規(guī)的0°相位地震剖面上，地震反射同相軸一般對應(yīng)地層的頂、底界面，雖然可以通過同相軸的追蹤來進(jìn)行地層的解釋，但其表征的是地層的界面信息，不夠直觀。曾洪流等于2005年提出90°相移技術(shù)[9]，通過將地震相位旋轉(zhuǎn)90°，使得轉(zhuǎn)換后的地震反射同相軸的峰或者谷對應(yīng)于薄地層（厚度小于1/4波長）的中心，而不是對應(yīng)于地層的頂、底界面，這使得地震反射同相軸與地質(zhì)巖層相對應(yīng)，地震相位也就具有了巖性地層意義[10]。

如圖2，運(yùn)用不同相位的子波對具有調(diào)諧厚度的地層進(jìn)行正演模擬?？梢钥吹?，0°相位子波反射波形相對于地層中心是反對稱的，30°和60°相位子波反射波形均不對稱，而90°相位子波反射波形是對稱的，波谷對應(yīng)于地層中心，可以較直觀地來進(jìn)行儲層的表征。

圖2 不同相位子波反射波形Fig.2 Reflected waveforms of different phase wavelets

如圖3a，為楔狀地層對應(yīng)的基于0°相位子波的合成記錄，地層頂、底對應(yīng)于波谷和波峰，厚度小于1/4波長的薄地層對應(yīng)的地震反射同相軸相對于楔狀地層中心是反對稱的，與0°相位子波波形相似，通過90°相移后得到圖3b的地震同相軸，可以看到厚度小于1/4波長的薄地層中心與波谷對應(yīng)，能夠很直觀地應(yīng)用波形來指示地層。

圖3 楔狀地層地震振幅分析Fig.3 Seismic amplitude analysis of wedge-shaped strata

90°相移技術(shù)無需井參與計算，因此適合西湖凹陷這種海上少井地區(qū)，最大程度以原始地震資料為依據(jù)，計算速度快，結(jié)果真實(shí)客觀，人為影響因素小[11]。本文通過梯度屬性結(jié)合90°相移技術(shù)對含煤地層的儲層進(jìn)行預(yù)測，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況

西湖凹陷為東海陸架盆地主要的含油氣凹陷，西斜坡是西湖凹陷巖性油氣藏勘探的主要區(qū)域[12]。目的層平湖組地層埋深3500~4700 m，主要發(fā)育三角洲及潮坪相（圖4），沉積環(huán)境復(fù)雜[13-15]。平湖組長期受河流、潮汐等多種水動力的影響，儲層以河道砂、潮道砂、砂坪等為主，砂巖厚度薄、巖相變化快、橫向變化大，并且整個層段都發(fā)育煤層，尤其是平湖組中下段潮坪相煤層富集，與砂泥巖頻繁互層，煤層厚度較薄，平均約為1m，具有層數(shù)多、范圍廣的特點(diǎn)[16]。相比于砂、泥巖，煤層具有低速、低密度的特征，阻抗大大的低于砂、泥巖，在地震上產(chǎn)生的強(qiáng)振幅會嚴(yán)重干擾砂、泥間的地震響應(yīng)特征。并且煤與砂、泥組合樣式復(fù)雜，更導(dǎo)致了儲層的地震響應(yīng)規(guī)律認(rèn)識不清，因此開展含煤地層的儲層振幅研究很有必要。通過對西湖凹陷西斜坡平湖組地層地震資料分析，地震主頻約為25 Hz，井上統(tǒng)計平湖組的砂巖速度約為4000 m/s，計算得到1/4波長砂巖厚度約為31.2 m。從實(shí)鉆井統(tǒng)計平湖組地層砂巖厚度主要分布在2~30 m之間，均小于31.2 m，屬于調(diào)諧厚度以內(nèi)的薄層，滿足90°相移技術(shù)應(yīng)用的要求。

圖4 地層連井圖Fig.4 Linked well diagram of the stratum

2.2 含煤儲層地震響應(yīng)特征

工區(qū)內(nèi)有五口探井，通過分析井上彈性參數(shù)曲線，統(tǒng)計出煤、泥、砂（氣砂、水砂、干層）三種巖性在目的層的巖石物理參數(shù)（表1）?？梢钥吹?，在平湖組，泥巖的阻抗為10349 m/s*g/cc，含水砂巖的阻抗為10260 m/s*g/cc，阻抗值相當(dāng)，砂、泥巖組合在地震上應(yīng)為近0的弱振幅響應(yīng)；當(dāng)砂巖含氣后，阻抗值減小為9600 m/s*g/cc，砂、泥巖組合的砂頂在地震上應(yīng)該為負(fù)振幅響應(yīng)；而當(dāng)砂巖為干層時，阻抗值增大為11776 m/s*g/cc，砂、泥組合的砂頂在地震上應(yīng)為正振幅響應(yīng)。因此儲層內(nèi)流體的變化會導(dǎo)致產(chǎn)生不同的地震響應(yīng)特征，常規(guī)的疊后地震不能進(jìn)行儲層的表征。

表1 典型巖石物理參數(shù)Table 1 Typical petrophysical parameters

本文應(yīng)用典型巖性組合模式，結(jié)合巖石物理參數(shù)進(jìn)行疊前正演模擬，分析儲層地震響應(yīng)特征，從疊前地震上尋找能穩(wěn)定表征儲層的屬性。通過實(shí)際鉆、測井資料進(jìn)行分析，歸納總結(jié)了11種典型巖性組合模式（圖5），以泥巖為背景，煤層為1m或者2m的薄層，砂巖厚度為30m；主要分析煤泥組合的地震響應(yīng)、單煤對砂頂或砂底地震振幅的影響、多煤對砂頂或砂底地震振幅的影響、煤砂之間泥巖隔層厚度變化對砂頂或砂底地震振幅的影響。

圖5 典型巖性組合模式Fig.5 Model of typical lithologic association

以氣砂為例來說明對儲層地震響應(yīng)特征的分析。對模型填充煤、泥、氣砂的典型巖石物理參數(shù)，結(jié)合25Hz雷克子波正演計算得到了疊前道集，對其進(jìn)行計算，得到疊后地震剖面（圖6）、AVO屬性截距P剖面（圖7）及梯度G剖面（圖8）。為了統(tǒng)計方便，定義了4個界面，a為多煤組合的頂，b為多煤組合的底，c為氣砂的頂，d為氣砂的底。結(jié)合圖6~圖8分析，可以看到，氣砂的頂c和底d在疊后地震和截距P屬性剖面上，隨著巖性組合的變化，振幅值會發(fā)生變化，而且極性也會發(fā)生變化，較不穩(wěn)定。而在梯度G屬性剖面上，振幅值的大小雖然會隨著巖性組合的變化而變化，但是極性不會變化，較穩(wěn)定，表現(xiàn)為頂負(fù)底正，能夠指示氣砂的響應(yīng)。煤泥組合在疊后地震和截距P屬性剖面上，頂a都表現(xiàn)為穩(wěn)定的強(qiáng)負(fù)相位的特征，底c都表現(xiàn)為穩(wěn)定的強(qiáng)正相位的特征，應(yīng)用該規(guī)律可以進(jìn)行煤層的識別；但是在梯度G屬性剖面上煤泥組合表現(xiàn)為頂正底負(fù)的特征，與氣砂的地震響應(yīng)剛好相反，該特征不會影響氣砂的識別。把氣砂替換為水砂或者干層，重復(fù)以上的正演模擬及分析過程，砂巖在梯度G剖面上頂負(fù)底正的規(guī)律均固定存在，該規(guī)律符合90°相移技術(shù)的使用條件。

圖6 正演模擬疊后地震響應(yīng)Fig.6 Post stack seismic response of forward simulation

圖7 正演模擬AVO截距屬性Fig.7 AVO intercept attribute of forward simulation

圖8 正演模擬AVO梯度屬性Fig.8 AVO gradient attribute of forward simulation

2.3 儲層預(yù)測效果分析

通過正演認(rèn)識到了砂巖在梯度G屬性上表現(xiàn)為頂負(fù)底正的規(guī)律，圖9為實(shí)際工區(qū)的梯度G屬性連井剖面，井上曲線為GR，向左為低GR值，代表砂巖，可以看到，砂巖的頂部都對應(yīng)綠色的負(fù)同相軸，砂底都對應(yīng)黃的正同相軸，與正演認(rèn)識相符。雖然梯度能夠表征儲層的響應(yīng)，但是不夠直觀，為了更直接的識別儲層，對梯度G屬性進(jìn)行了90°相移。從圖10可以看出，90°相移后的梯度G屬性剖面，紅色代表低值，與砂巖相對應(yīng)，青綠色代表高值，與煤層或者泥巖相對應(yīng)，地震相位具有了巖性地層意義，預(yù)測結(jié)果與GR值吻合較好，工區(qū)5口實(shí)鉆井儲層預(yù)測吻合率達(dá)到87%，驗(yàn)證了此方法的可靠性，預(yù)測精度滿足巖性油氣藏對儲層刻畫的需求。圖11為應(yīng)用90°相移梯度G屬性對P5砂體進(jìn)行的平面預(yù)測，清晰的刻畫了潮坪沉積背景下自北西向南東方向展布的河道砂體，符合現(xiàn)有地質(zhì)認(rèn)識。

圖9 梯度剖面Fig.9 Gradient profile

圖10 梯度90°相移剖面Fig.10 90° phase shift profile of the gradient

圖11 P5層砂體預(yù)測平面展布Fig.11 The predicted plane distribution of the sand body in the P5 layer

3 結(jié)論與建議

（1）西湖凹陷西斜坡平湖組地層沉積環(huán)境復(fù)雜，巖性組合樣式多樣，煤層廣泛發(fā)育，導(dǎo)致了儲層的地震響應(yīng)規(guī)律認(rèn)識不清。通過地震正演分析發(fā)現(xiàn)，在不同巖性組合樣式下，儲層在AVO梯度剖面上均表現(xiàn)為頂負(fù)底正的穩(wěn)定規(guī)律，為含煤地層儲層預(yù)測的基礎(chǔ)。

（2）通過90°相移轉(zhuǎn)換使得地震反射同相軸與地質(zhì)上的薄砂層中心對應(yīng)，讓地震相位具有了巖性地層意義，地震同相軸與巖性的對應(yīng)關(guān)系更加明確，地震數(shù)據(jù)能夠更加直觀地表征地層，提高了地震資料對儲層的識別能力。

（3）90°相移的梯度屬性對含煤地層中的儲層預(yù)測效果較好，為西湖凹陷巖性油氣藏的勘探提供了有力支持，可進(jìn)一步在其他地區(qū)推廣應(yīng)用。