CN101354444A - 一种确定地层岩性和孔隙流体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理勘探确定地层岩性和孔隙流体的方法，采用记录三分量VSP地震波波场，得到零井源距地震波场，计算不同深度采样点的地震波波场的透射纵波P，再计算纵、横波反射系数、纵、横波波阻抗，根据得到的地层波阻抗变化曲线，对比已知的测井资料就可确定地层的岩性和孔隙流体性质。本发明可直接提供深度域的波阻抗变化曲线，避免了速度－深度的多解性，有限带宽和低分辨率问题，分辨率高；充分利用了三分量VSP的优点，在没有横波震源激发的情况下可同时向用户提供纵、横波波阻抗和地层的方位角和倾角，为确定地层岩性和孔隙流体性质的变化提供了有利的依据。

Description

一种确定地层岩性和孔隙流体的方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术，具体是一种利用三分量垂直地震剖面(VSP)采集到的纵波、转换横波信息反演获得井旁地层的纵波、横波反射系数，再反演得到井旁纵、横波阻抗进而确定地层岩性和孔隙流体的方法。

背景技术

垂直地震剖面(VSP)是一项非常年轻的地震勘探技术。常规的垂直地震剖面(VSP)大致的处理过程包括道编辑、波场分离(上下行波分离)、走廊叠加、偏移和反演。这些处理技术面对的都是纵波波场。近年来，随着多波多分量地震勘探技术的发展，多波多分量垂直地震剖面(VSP)采集和处理技术也发展很快，它和以前的垂直地震剖面(VSP)技术不同的就是在采集中使用三分量检波器，不只能得到纵波信号，还可采集得到转换波波场。这样得到的地震信息就更丰富了。其处理流程和常规的垂直地震剖面(VSP)处理相比，就是在波场分离这个步骤要分离出下行纵波，上行反射纵波，上行转换横波和下行转换横波。常规的反演技术是利用波的运动学特征，只考虑单一的一种波入射到反射界面会发生透射和折射的情况，还没有考虑到波在传播过程中发生转换的情况。因此，如果只是使用常规的反演模块，就无法利用转换横波波场，也不能提供横波波阻抗的变化。

地震波阻抗是地层的速度和密度的乘积。不同的地层(如泥岩和砂岩)密度不同，地震波传播速度不同，波阻抗的变化范围就有差异。另外，地层孔隙中流体性质的变化(油、气、水)也会造成地震波速度的变化(具体反映在孔隙中含气时地震纵波速度减小，横波速度变化不大)。因此波阻抗的大小变化反映的是地层速度和密度的变化，也就能间接的反映地层岩性的变化和孔隙流体性质的变化。

在地震勘探中经常利用反演算法获得地层的波阻抗，进而对地层的岩性、孔隙度发育情况和孔隙中流体的性质进行判别。

上述常规地震反演是利用地面地震的纵波资料和测井资料进行反演来获得地下的纵波波阻抗信息。得到的是波阻抗时间域剖面，缺少深度信息的约束。这就造成了速度和深度的不确定性。同时地震数据有限的频带范围和分辨率严重影响了反演结果的分辨率，不能满足对地层进行岩性和孔隙流体性质识别的要求。

利用VSP下行纵波和上行纵波数据，在已有的速度模型的约束下反演得到波阻抗信息。这种方法利用了VSP数据既有时间域标尺，又有深度，不存在速度的多解性，提高了反演结果的可靠性；另外，由于VSP数据在地面激发，在井中采集，资料的频带范围宽、分辨率高，这就使得反演结果的分辨率大大提高了。但是这种方法只考虑了地震纵波在地层中的透射和折射情况，只使用了地震纵波，无法得到横波的波阻抗，也不能满足对地层进行岩性和孔隙流体性质识别的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种利用不同类型的地震波波场(下行纵波，上行反射纵波，上行转换横波，下行转换横波)反演出介质的纵、横波波阻抗从而确定地层岩性和孔隙流体的方法。

本发明目的是采用以下技术步骤：

1)在地面人工激发地震纵波，向下传播，形成下行纵波；下行纵波在传播过程中遇到反射界面(地层岩性变化造成波阻抗变化，使得地层分界面相当于地震波的反射界面)发生反射和折射，形成上行纵波和下行纵波；另外由于地震纵波并不是垂直入射到反射界面上，在入射时就要发生波的转换，形成转换横波，横波也在这个反射界面发生反射和折射，形成上行横波(反射横波)和下行横波(透射横波)。这样就形成了四种不同类型的地震波波场。在井中不同深度放置三分量地震波接收器(两两相互垂直，可接收质点振动方向不同的地震波场)接收地震波场记录三分量VSP地震波波场；

2)对三分量VSP地震数据进行波场分离、走廊叠加和频带拓宽，得到零井源距的地震波场(下行纵波波场，上行反射纵波波场，上行转换横波波场，下行转换横波波场)；

3)利用(2)步骤处理得到的下行纵波波场(即入射纵波)，上行反射纵波波场，上行转换横波波场，下行转换横波波场计算每个深度采样点各种类型的地震波波场的透射纵波：

透射纵波＝入射纵波+反射纵波+转换横波-透射转换横波

4)根据下式计算纵横波速度比：

$\mathrm{\Φ}\left(d\right)=(\underset{k,l=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\left|m_{k,l}\left(d\right)\right|}^2+{\mathrm{\γ}}_1\underset{m=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{|r_0-d_m{r}_m|}^2)---\left(1\right)$

上式中：d是速度比向量， $d=\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\},$ v_p1、v_p2、v_s1、v_s2分别是界面上、下两侧介质的纵、横波速度；m_k，l是位移梯度矩阵的二阶子式，r₀是界面的法线方向矢量；r_m是各类型波的传播方向矢量和界面的法线方向矢量的内积，当m＝0时为下行P波(即为透射纵波)，当m＝1时为上行P波，当m＝2时为上行S波，当m＝3时为下行S波；γ₁是一权系数；

令Φ(d)→min，通过Newton迭代法我们可求得界面上、下两侧介质的纵、横波速度比 $d=\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\};$

5)根据以下公式计算纵、横波反射系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{pp}}=\frac{d_1-\mathrm{\ρ}}{d_1+\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{ss}}=\frac{d_3-{\mathrm{\ρd}}_2}{d_3+{\mathrm{\ρd}}_2}---\left(4\right)$

上式中， $\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\}$ 为步骤(4)中求得的纵横波速度比，R_pp为纵波反射系数、R_ss为横波反射系数，ρ₁为反射界面上覆层的密度，ρ₂为反射界面下伏层的密度。

6)利用以下公式计算纵、横波波阻抗：

$\mathrm{Im}{p}_{\mathrm{pp}}=\frac{1+R_{\mathrm{pp}}}{1-R_{\mathrm{pp}}}---\left(5\right)$

$\mathrm{Im}{p}_{\mathrm{ss}}=\frac{1+R_{\mathrm{ss}}}{1-R_{\mathrm{ss}}}---\left(6\right)$

上式中，Imp_pp为反射界面下伏层的波阻抗，Imp_ss为反射界面下伏层的横波波阻抗，R_pp为纵波反射系数、R_ss为横波反射系数，

7)根据步骤6)得到的地层波阻抗变化曲线，对比已知的测井资料(声波测井资料、密度测井资料、伽玛测井资料和自然电位测井资料)，就可确定地层的岩性和孔隙流体性质。

本发明不需要对测井资料进行地层层位标定和时深转换，可直接提供深度域的波阻抗变化曲线，避免了速度-深度的多解性；同时也不需要提取地震子波，直接利用VSP数据反演出波阻抗，分辨率高，避免了常规反演方法中的有限带宽和低分辨率问题；特别是充分利用了三分量VSP的优点，在没有横波震源激发的情况下可同时向用户提供纵、横波波阻抗和地层的方位角和倾角，为确定地层岩性和孔隙流体性质的变化提供了有利的依据。

本发明实施例数据来自一维构造模型，见图7。对比模型参数和反演结果见图6，其中反射系数和地层倾角和方位角的变化是相吻合的，表明本发明的有效性和准确性。

附图说明

图1是采集到的三分量VSP原始地震数据的波场图；

图2是经过波场分离、走廊叠加的下行纵波波场图；

图3是经过波场分离、走廊叠加的下行横波波场图；

图4是经过波场分离、走廊叠加的上行横波波场图；

图5是经过波场分离、走廊叠加的上行纵波波场图；

图6是反演得到的纵波反射系数(等于横波反射系数)、地层倾角和方位角深度与显示图；

图7是本发明模型构造示意图和参数分布示意图。

具体实施方式

野外通过炸药和机械可控震源在地面人工激发地震波，在井中放置三分量地震波接收器接受地震波场信号，再由电缆传到地面记录仪器记录三分量VSP地震波波场；

对采集到的三分量VSP原始地震数据，见图1，进行波场分离、走廊叠加和频带拓宽，得到不同类型的零井源距地震波场，见图2、图3、图4、图5。包含下行纵波波场，上行反射纵波波场，上行转换横波波场，下行转换横波波场；

在每个深度采样点各种类型的地震波波场(下行纵波，图2；上行转换横波，图3；下行转换横波，图4；上行反射纵波，图5)，都遵循弹性波在反射界面两侧发生反射和折射时各种波之间位移是连续的这一物理性质，则有：透射纵波P＝入射波+反射纵波+转换横波-透射转换横波；据此可计算出透射纵波。

得到四种地震波场后，根据位移连续的条件和波在界面上时间场连续的条件，可以构造式(1)的目标函数：

$\mathrm{\Φ}\left(d\right)=(\underset{k,l=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\left|m_{k,l}\left(d\right)\right|}^2+{\mathrm{\γ}}_1\underset{m=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{|r_0-d_m{r}_m|}^2)---\left(1\right)$

其中，d是速度比向量， $d=\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\},$ v_p1、v_p2、v_s1、v_s2分别是界面上、下两侧介质的纵、横波速度。m_k，l是位移梯度矩阵的二阶子式，r₀是界面的法线方向矢量。r_m是各类型波的传播方向矢量和界面的法线方向矢量的内积，当m＝0时为下行P波，当m＝1时为上行P波，当m＝2时为上行S波，当m＝3时为下行S波。γ₁是一权系数。式(1)第一项是根据位移连续的条件来构造的，第二项是根据波在界面上时间场连续的条件来构造的。

令Φ(d)→min，通过Newton迭代法我们可求得界面上、下两侧介质的纵、横波速度比 $d=\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\}.$

得到纵横波速度比和密度比后，根据公式：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{pp}}=\frac{d_1-\mathrm{\ρ}}{d_1+\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{ss}}=\frac{d_3-{\mathrm{\ρd}}_2}{d_3+{\mathrm{\ρd}}_2}---\left(4\right)$

计算就得到纵、横波反射系数。

对得到的纵、横波反射系数再利用公式：

$\mathrm{Im}{p}_{\mathrm{pp}}=\frac{1+R_{\mathrm{pp}}}{1-R_{\mathrm{pp}}}---\left(5\right)$

$\mathrm{Im}{p}_{\mathrm{ss}}=\frac{1+R_{\mathrm{ss}}}{1-R_{\mathrm{ss}}}---\left(6\right)$

就得到了纵、横波波阻抗。

分析得到的纵、横波波阻抗在深度方向上的变化特点，就可判断地层岩性的变化和孔隙流体性质。

Claims (4)

1、一种确定地层岩性和孔隙流体的方法，其特征在于：采用以下具体步骤实现：

1)在地面人工激发地震，在测井井中不同深度采样点放置三分量地震波接收器，记录三分量VSP地震波波场；

2)采用常规的方法对三分量VSP地震数据进行波场分离、走廊叠加和频带拓宽，得到零井源距地震波场；

3)利用步骤2)处理得到的零井源距地震波场，用下式计算不同深度采样点的地震波波场的透射纵波P：

透射纵波P＝入射纵波+反射纵波+转换横波-透射转换横波

4)根据下式计算纵横波速度比：

$\mathrm{\Φ}\left(d\right)=(\underset{k,l=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\left|m_{k,l}\left(d\right)\right|}^2+{\mathrm{\γ}}_1\underset{m=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{|r_0-d_m{r}_m|}^2)---\left(1\right)$

上式中：d是速度比向量， $d=\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\},$ v_p1、v_p2、v_s1、v_s2分别是界面上、下两侧介质的纵、横波速度；m_k，l是位移梯度矩阵的二阶子式，r₀是界面的法线方向矢量；r_m是各类型波的传播方向矢量和界面的法线方向矢量的内积，当m＝0时为下行P波，当m＝1时为上行P波，当m＝2时为上行S波，当m＝3时为下行S波；γ₁是一权系数；

令Φ(d)→min，通过Newton迭代法我们可求得界面上、下两侧介质的纵、横波速度比 $d=\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\};$

5)根据以下公式计算纵、横波反射系数：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{pp}}=\frac{d_1-\mathrm{\ρ}}{d_1+\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{ss}}=\frac{d_3-{\mathrm{\ρd}}_2}{d_3+{\mathrm{\ρd}}_2}---\left(4\right)$

上式中， $\{d_1=\frac{v_{p1}}{v_{p2}},d_2=\frac{v_{p1}}{v_{s1}},d_3=\frac{v_{p1}}{v_{s2}}\}$ 为步骤4)中求得纵横波速度比，R_pp为纵波反射系数、R_ss为横波反射系数，ρ₁为反射界面上覆层的密度，ρ₂为反射界面下伏层的密度；

6)利用以下公式计算纵、横波波阻抗：

$\mathrm{Im}{p}_{\mathrm{pp}}=\frac{1+R_{\mathrm{pp}}}{1-R_{\mathrm{pp}}}---\left(5\right)$

$\mathrm{Im}{p}_{\mathrm{ss}}=\frac{1+R_{\mathrm{ss}}}{1-R_{\mathrm{ss}}}---\left(6\right)$

上式中，Imp_pp为反射界面下伏层的波阻抗，Imp_ss为反射界面下伏层的横波波阻抗，R_pp为纵波反射系数、R_ss为横波反射系数，

7)根据步骤6)得到的地层波阻抗变化曲线，对比已知的测井资料就可确定地层的岩性和孔隙流体性质。

2、根据权利要求1所述的一种确定地层岩性和孔隙流体的方法，其特征在于：步骤1)所述的三分量地震波接收器两两相互垂直，接收振动方向不同的地震波场。

3、根据权利要求1所述的一种确定地层岩性和孔隙流体的方法，其特征在于：步骤2)所述的地震波场为下行纵波波场，上行反射纵波波场，上行转换横波波场，下行转换横波波场。

4、根据权利要求1所述的一种确定地层岩性和孔隙流体的方法，其特征在于：步骤6)所述的已知的测井资料为声波测井资料、密度测井资料、伽玛测井资料和自然电位测井资料。

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