CN101329405B - 一种简单的多参数地震反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种借助于地震波弹性阻抗来提高常规叠前地震反演的精度和可靠性，进而同时提取多种地层参数的简单的多参数地震反演方法。步骤是：利用全波测井资料；确定声波阻抗AI和弹性波阻抗EI；将CMP道集变换成角道集并进行部分角度叠加；利用常规叠前弹性阻抗反演流程分别对小角度叠加数据及中等入射角的部分叠加数据进行过井测线的AI和EI反演；对反演得到的EI和AI数据进行道运算，得到弹性密度比和层岩性变化和孔隙流体成分密切相关的地震属性；确定储层岩性及孔隙流体性质。本发明仅需要近、中角度的地震数据，其它参数是由弹性密度比与声波阻抗之间的关系通过道运算获得，提高了计算效率，可用于绝大多数采集条件获得的地震数据的叠前反演。

Description

一种简单的多参数地震反演方法

技术领域

本发明涉及石油地球物理勘探技术，是一种借助于地震波弹性阻抗来提高常规叠前地震反演的精度和可靠性，进而同时提取多种地层参数的简单的多参数地震反演方法。

背景技术

地震勘探是通过人工激发地震波，在地表以一定的方式记录地震波的传播行为，并研究它们在地层中的传播规律，以查明地下的地质构造和岩性特征，进而寻找油气田的地球物理勘探方法。

地震勘探的最终目的是综合利用地震波的运动学和动力学特征来尽可能的获取地层全面的信息以及与油气藏的构造部位有关的岩性信息。早先，由于油气勘探和开发还处于大规模的勘探阶段，利用地震波在地球内部传播的旅行时信息就可以基本圈定构造的形态和位置。但是，随着勘探精度和难度的不断提高，常规的地震成像理论往往不能满足各种不同的地层条件，水平叠加技术也掩盖了反射振幅随偏移距变化所反映的重要信息，仅利用地震波的运动学特征很难准确地实现油气储层预测。因此，从地震资料中提取介质的弹性参数，并将这些参数与岩性和流体成分联系起来，在油藏描述和油气监测中发挥着重要作用。目前，利用地震信息提取岩性参数主要是通过地震资料反演来实现的，这主要包括常规叠后波阻抗反演、叠前振幅随入射角变化(AVO)反演、弹性波阻抗反演等。

1.波阻抗反演

波阻抗反演是从反射振幅求取波阻抗(速度和密度的乘积)，进而得到波阻抗剖面或速度剖面。假定地震剖面上的地震道是法向入射道，即入射射线与岩层分界面垂直，其法向入射的反射系数为：

$r_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i+1}{v}_{i+1}-{\mathrm{\ρ}}_i{v}_i}{{\mathrm{\ρ}}_{i+1}{v}_{i+1}+{\mathrm{\ρ}}_i{v}_i}---\left(1\right)$

其中，r_i为地层的反射系数，ρ为地层密度，v为地层的纵波速度，已知反射系数后，可由(1)式逐层递推出地下各层的波阻抗：

${\mathrm{\ρ}}_{i+1}{v}_{i+1}={\mathrm{\ρ}}_{i}v\frac{1+r_i}{1-r_i}---\left(2\right)$

当地层密度变化不大时，可近似看成常数，这样便可直接得到速度剖面，当密度变化较大时，也可以利用Gardner经验关系式ρ＝0.31v^0.25进一步求得速度和密度剖面。

由波阻抗反演的原理可知，叠后波阻抗反演方法是以地震波垂直入射为假设前提的，只有当地下有波阻抗差异、且共中心点道集的炮检距变化范围较小或者反演的目的层较深时才能够取得比较好的地质效果。然而，实际的叠后地震资料并非是自激自收的地震记录，而是共反射点道集反射振幅叠加平均的结果，尤其在炮检距变化范围较大时，垂直入射假设的反射系数就与实际叠加道集的反射系数有很大不同，不能反映真实的叠加振幅信息。

2.AVO反演

AVO技术是利用叠前振幅随入射角变化关系来估算岩石弹性参量的方法。当入射角不太大且地层界面两侧岩性变化差异不大时，描述平面波反射和透射的Zoeppritz方程可以近似为：

R＝Af₁(θ)+Bf₂(θ)+Cf₃(θ)+L                                 (3)

其中，R为实际地震记录的反射振幅，A，B，C为要反演的地层参数或AVO属性，f_i(θ)为与角度有关的权系数。理论上，对不同入射角的角度道集进行曲线拟合就可以得到多种AVO属性。

由于AVO分析假设地震记录是一次反射波振幅与地震子波的褶积。但是，实际地震记录同时记录了模式转换波、多次反射波及各种噪音，随着偏移距(入射角大于25°)的增大(Mallick，2006)，用(3)描述实际地震记录的振幅将会引起很大的误差。另外，由于地震子波是时变和空变的，而且在处理过程中由于正常时差较正(NMO)拉伸畸变也会使得近、远道的频带、子波形状不一致，因此，利用(3)式同时估计3个属性是十分困难的，特别是当资料的信噪比较低时，反演出高阶项属性将会完全扭曲真正的岩性信息所反映的事实。目前，常规的AVO分析方法是提取截距和梯度属性，然而，由于截距和梯度两个属性使得纵波速度、横波速度和地层密度三个弹性参数捆绑在一起而无法分离，只能通过各种经验关系得到一些地震属性剖面。

3.弹性波阻抗反演

设函数EI具有和波阻抗相似的性质，当平面波以任一角度入射时，反射系数可以近似表示成与垂直入射时相似的波阻抗形式：

R(θ)＝(EI₂-EI₁)/(EI₂+EI₁)                         (4)

结合Zoeppritz方程的Aki&Richards(1980)近似公式，Connolly(1999)给出了第一个PP波弹性波阻抗公式：

$\mathrm{EI}\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\α}}^{1+{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\β}}^{-8K{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ρ}}^{1-4K{\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

上式中，R为实际地震记录的反射振幅，EI为弹性波阻抗，α、β、ρ分别为地层的纵、横波速度和密度， $K=\frac{1}{2}[{\left(\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\α}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\α}}_2}\right)}^2],$ θ为P波入射角。

从理论上来看，利用声波阻抗(AI)和大角度的弹性阻抗(EI)不仅可以定性区分孔隙流体和岩性，而且还可以由一些特殊角度的弹性阻抗来构建孔隙度、渗透率、泥质含量等储层物性参数；从反演的实现过程来看，弹性阻抗反演是通过对近、中、远等多个部分角度叠加剖面来联合反演出多个地层参数，一般需要3—5个部分角度叠加剖面来稳定反演的结果，而且同时考虑了子波的空变特征，这比常规AVO反演有着更好的应用前景；从表达形式上看，非零偏移距的阻抗表达形式同时包含了纵、横波速度、密度等信息，而且对应于不同表述形式的反射系数近似公式，弹性波阻抗表达式也具有不同的形式。因此，弹性波阻抗反演能较常规地震道反演获得更多、更可靠的流体、孔隙度和泥岩含量等信息，有助于解释常规地震道反演和道积分剖面中的假象，降低反演的多解性，提高储层预测的精度。

但是，由于弹性波阻抗是对反射系数近似公式形式的改造，与AVO反演相类似，为了可靠的同时获得多个岩性参数，必须要参与反演的角道集尽可能的包含大角度(远道)信息。首先，就目前的采集标准，一般很难得到中、深层大角度的地震资料，而浅层的大角度信息受NMO拉伸影响很严重，实际上可用于反演的资料往往包含极为有限的远道信息；其次，对较为复杂的地层，入射角很可能比较大甚至会超过临界角，这时反射系数近似公式已经不再成立，再用弹性阻抗来描述反射振幅的变化就会带来更大的误差；再次，与AVO技术相类似，弹性波阻抗技术也是用一次反射波振幅与地震子波的褶积来描述实际地震振幅的变化特征，但当入射角比较大时，地震记录上远偏移距的模式转换波、多次反射波与有效波互相干涉，使得地震记录上的实际振幅与弹性波阻抗描述的振幅具有很大差异，另外，随着偏移距的增大，入射角估计引起的误差也越来越大(远道误差可达7—10°，Barens，2006)，加上由于资料处理引起的振幅也越来越不保真，而且远道地震资料的信噪比较低，反演中过多的应用远道信息反而会降低反演结果的可靠性(Mallick，2001，2006)。

发明内容

本发明目的是提供一种仅需要近、中角度的地震数据，反演结果可靠稳定的简单的多参数地震反演方法。

本发明提供以下技术方案：

本发明具体步骤包括：

(1)利用全波列测井进行纵、横波、密度测井记录测井资料；

所述的测井资料利用已有的常规声波、密度测井得到声波和密度测井资料。

所述的测井资料中的横波记录，可以通过全波列测井得到或由已知岩石物理学关系确定。

(2)利用密度、纵波和横波资料确定声波阻抗AI和弹性波阻抗EI，用于步骤(4)中地震数据反演的低频模型约束；

所述的声波阻抗AI和弹性波阻抗EI通过下面公式得到：

AI＝ρα                                          (6)

$\mathrm{EI}\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{\α\ρ}\frac{{(1-{\left(\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^4}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

上式中，α为纵波速度，β为横波速度，ρ为密度，θ为纵波入射角，同步骤(3)中中等角度叠加剖面的中心角。

(3)激发地震波并记录地震波，按常规地震资料处理流程对记录的地震资料进行振幅保持处理，形成供振幅随偏移距变化分析的正常时差校正后(NMO)的共中心点(CMP)道集；然后按常规叠前弹性反演数据处理方式将CMP道集变换成角道集并进行部分角度叠加，首先，将角道集中入射角较小的部分道集叠加形成用于步骤(4)中AI反演的小角度叠加数据，其次，选择以入射角θ为中心角，将中等入射角的角道集叠加得到用于步骤(4)中EI反演的中等角度叠加数据；

(4)以步骤(2)中AI和EI为低频约束，利用常规叠前弹性阻抗反演流程分别对小角度叠加数据及中等入射角的部分叠加数据进行过井测线的AI和EI反演；

(5)采用下式对步骤(4)中反演得到的EI和AI数据进行道运算，得到弹性密度比R_d＝EI/AI                             (8)

(6)将Rd归一化到纵、横波速度比的尺度上或利用下式得到速度比参数， ${\left(\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}\right)}^2\≈\frac{1-R_d\cos \mathrm{\θ}}{4{\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

上式中，α为纵波速度，β为横波速度，Rd为弹性密度比，θ为中等入射角度叠加剖面的中心角；

(7)利用步骤(5)中得到的横、纵波速度比β/α和AI，用以下公式得到与储层岩性变化和孔隙流体成分密切相关的地震属性；

SI＝βρ＝(β/α)αρ                                 (10.1)

$\mathrm{\σ}=\frac{0.5{(\mathrm{\α}/\mathrm{\β})}^2-1}{{(\mathrm{\α}/\mathrm{\β})}^2-1}---\left(10.2\right)$

λρ＝(αρ)²-2(βρ)²＝AI²-2SI²                             (10.3)

μρ＝(βρ)²＝SI²                                         (10.4)

$\mathrm{\λ}/\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\λ\ρ}}{\mathrm{\μ\ρ}}={\left(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}\right)}^2-2---\left(10.5\right)$

上式中SI为横波阻抗，σ泊松比，ρ为密度，λ和μ分别为拉梅常数和剪切模量；

(8)确定储层岩性及孔隙流体性质。

所述的确定储层岩性及孔隙流体性质是：当弹性密度比Rd较低时，地层岩石为孔隙中含气或地层为孔隙度较大的疏松砂岩；

所述的确定储层岩性及孔隙流体性质是：当弹性密度比Rd较高时，地层为孔隙度较小的泥岩或孔隙中含水；

所述的确定储层岩性及孔隙流体性质是：利用横波阻抗SI、泊松比σ、弹性参数λρ、μρ、λ/μ地层参数进行拉梅常数油气检测。

本发明有以下效果：

仅需要近、中角度的地震数据，可用于绝大多数采集条件获得的地震数据的叠前反演。

仅对近、中角度的地震数据进行叠后反演，其它参数是由弹性密度比与声波阻抗之间的关系通过道运算获得，提高了计算效率。

可以同时估计多种地层参数，利用估计的弹性密度比不仅可以得到地下岩性和流体的变化特征，而且还提供了多分量地震联合反演、解释的连接桥梁。

不需要大角度(远道)的地震叠加数据，可以：

减小由于射角较大时反射系数近似公式不成立导致的反演结果的不确定性；

降低由于入射角估计的偏差、NMO拉伸、处理中振幅不保真、远道信噪比低等引起的反演结果的不可靠性；

改善由于远道模式转换波、多次反射波及有效波相互干涉造成反演结果的不稳定性。

附图说明

图1为实际纵、横波及密度测井曲线；

图2.1为声波阻抗与不同角度弹性阻抗的交会图；

图2.2为声波阻抗与不同角度弹性阻抗构建的弹性密度比的交会图；

图3.1为不同角度弹性阻抗构建的弹性密度比与实际泊松比的对比；

图3.2为不同角度弹性阻抗构建的弹性密度比与实际纵横波速度比的对比；

图4为用10°的弹性阻抗构建的弹性密度比与声波阻抗提取的多种地层参数与理论值的对比。

具体实施方式

本发明实施例具体实施方式为：

(1)利用测井所得的纵、横波、密度测井资料计算声波阻抗和中等入射角的弹性阻抗；

(2)同常规叠前反演类似，对角道集数据进行部分角度叠加；

(3)分别对近、中角度叠加剖面实现过井声阻抗和弹性阻抗反演；

(4)利用(8)式计算弹性密度比，利用公式(9)计算速度比，或直接将弹性密度比归一化到纵横波速度比的尺度上；

(5)利用(4)中所得的速度比参数与(3)中得到的声波阻抗通过道运算得到多种地层参数；

(6)利用(5)中所得的参数进行油气检测。

上述步骤还可得出地震属性进行综合储层预测，首先，弹性密度比Rd和纵、横波速度比成线性关系。由岩石物理学可知，速度比与地层岩性变化及孔隙流体成分密切相关，当孔隙中含气或地层为孔隙度较大的疏松砂岩时速度比比较低，而地层为孔隙度较小的泥岩或空隙中含水时则具有较高的速度比，因此弹性密度比Rd就直接反映了地层岩性变化和孔隙流体成分。

其次，λ主要与孔隙流体性质有关，而μ与孔隙流体的性质无关仅与岩石骨架有关，多种地层参数可以进行拉梅常数油气检测(λρ-μρ-λ/μ，简称LMR，Goodway(1997))。

从实施例图1可见，声波阻抗与弹性阻抗的交会图很难区分岩性和孔隙流体的变化，而弹性密度比与声波阻抗的交会图则很容易反映这一变化，即使在小角度时也能完全区分。

图3中实线为实际地层参数，虚线为估计值，可以看出，弹性密度比与泊松比及速度比吻合的非常好，相关系数达到0.99。

图4中实线为实际地层参数，虚线为估计值，很明显，用本发明方法估计的弹性参数与对应的实际地层参数匹配的很好。

Claims (6)

1.一种简单的多参数地震反演方法，其特征在于步骤包括：

(1)利用全波列测井进行纵、横波、密度测井记录测井资料；

(2)利用所述测井资料确定声波阻抗AI和弹性波阻抗EI，用于步骤(4)中地震数据反演的低频模型约束；

(3)激发地震波并记录地震波，按常规地震资料处理流程对记录的地震资料进行振幅保持处理，形成供振幅随偏移距变化分析的正常时差校正后的共中心点道集；然后按常规叠前弹性反演数据处理方式将共中心点道集变换成角道集并进行部分角度叠加，首先，将角道集中入射角较小的部分道集叠加形成用于步骤(4)中声波阻抗AI反演的小角度叠加数据，其次，选择位于中心的入射角θ，将中等入射角的角道集叠加得到用于步骤(4)中弹性波阻抗EI反演的中等入射角叠加数据；

(4)以步骤(2)中声波阻抗AI和弹性波阻抗EI为低频约束，利用常规叠前弹性阻抗反演流程分别对小角度叠加数据及中等入射角的部分叠加数据进行过井测线的声波阻抗AI和弹性波阻抗EI反演；

(5)采用下式对步骤(4)中反演得到的声波阻抗AI和弹性波阻抗EI数据进行道运算，得到弹性密度比：

R_d＝EI/AI；                                    (8)

(6)将弹性密度比Rd归一化到纵、横波速度比的尺度上或利用下式得到速度比参数，

${\left(\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}\right)}^2\≈\frac{1-R_d\cos \mathrm{\θ}}{4{\sin }^2\mathrm{\θ}};---\left(9\right)$

上式中，α为纵波速度，β为横波速度，Rd为弹性密度比，θ为入射角；

(7)利用步骤(6)中得到的横、纵波速度比β/α和弹性波阻抗EI，用以下公式得到与储层岩性变化和孔隙流体成分密切相关的地震属性；

SI＝βρ＝(β/α)αρ                                    (10.1)

$\mathrm{\σ}=\frac{0.5{(\mathrm{\α}/\mathrm{\β})}^2-1}{{(\mathrm{\α}/\mathrm{\β})}^2-1}---\left(10.2\right)$

λρ＝(αρ)²-2(βρ)²＝AI²-2SI²                         (10.3)

μρ＝(βρ)²＝SI²                                       (10.4)

$\mathrm{\λ}/\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\λ\ρ}}{\mathrm{\μ\ρ}}={\left(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}\right)}^2-2---\left(10.5\right)$

上式中SI为横波阻抗，σ泊松比，ρ为密度，λ和μ分别为拉梅常数和剪切模量；

(8)确定储层岩性及孔隙流体性质。

2.根据权利要求1所述的简单的多参数地震反演方法，其特征在于：步骤(1)所述的测井资料利用已有的常规声波、密度测井得到声波和密度测井资料。

3.根据权利要求1所述的简单的多参数地震反演方法，其特征在于：步骤(1)所述的测井资料中的横波记录，通过全波列测井得到或由已知岩石物理学关系确定。

4.根据权利要求1所述的简单的多参数地震反演方法，其特征在于：步骤(8)所述的确定储层岩性及孔隙流体性质是：当弹性密度比Rd较低时，地层岩石为孔隙中含气或地层为孔隙度较大的疏松砂岩。

5.根据权利要求1所述的简单的多参数地震反演方法，其特征在于：步骤(8)所述的确定储层岩性及孔隙流体性质是：当弹性密度比Rd较高时，地层为孔隙度较小的泥岩或孔隙中含水。

6.根据权利要求1所述的简单的多参数地震反演方法，其特征在于：步骤(8)所述的确定储层岩性及孔隙流体性质是：利用横波阻抗SI、泊松比σ、弹性参数λρ、μρ、λ/μ地层参数进行拉梅常数油气检测。

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