纵横波源下含油气薄储层地震响应特征的对比分析.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW429纵横波源下含油气薄储层地震响应特征的对比分析一王雨杰，贺学铭，王志恒，屈洁，杨春中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京，100083收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：李明。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.187作者简介：王雨杰，女，1998 年生，中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院 2021 级硕士研究生，资源与环境专业；Email:。通讯作者：杨春，女，1988 年生，博士，副教授，主要从事薄互层反射透射理论与多分量地震技术研究；Email:。关键词：关键词：纵横波源；油气；薄储层；地震响应AV0/AVA（Amplitude Versus Offset/Angle）技术是解释地层岩石特征和进行识别岩性及流体等信息的重要方法和技术之一。传统的 AVA技术大多基于纵波源勘探，利用 PP 波单纯波或PP 波与 PS 波联合信息。随着地震勘探技术的不断进步和横波震源装备的升级，横波（SV-SV 波和 SH-SH 波）地震勘探的研究和应用也逐渐完善成熟，相比于转换横波，横波数据处理过程更加简单。此外，由于横波包含更多的信息，其传播速度低、波长短、在岩石骨架中传播而不受岩石孔隙中流体的影响的优势，使它具有更准确地表征地下地层的能力和更高分辨率的优点。因此，本文将对含油气薄储层在纵横波源情况下的AVA 响应特征进行对比研究。建立了四种不同孔隙度下的含油气单薄层模型，分析不同孔隙度和频率对薄砂层地震响应的影响，总结纵波和横波入射含油气薄储层时的 AVA 曲线规律，从振幅角度对单薄层 AVA 特征进行较全面的分析，从而为含油气薄互层的识别提供一定的理论依据。1方法原理1.1薄层反射系数理论薄层的反射和透射是地震波在薄层中经过多次反射和透射后的综合叠加结果。薄层的反射系数理论是指以 Brekhovski 方程为理论基础，从弹性波动力学理论的角度讨论平面简谐波在层状介质中的反射和透射。对于各向同性单薄层的情况，杨春（2015）给出 P 波和 SV 波入射情况下的薄层位移反透射矩阵方程：PPPSPPPS1TMRRTTN*SPSSSPSS2TMRRTTN（1）其中 M 和 M*分别代表 P 波和 SV 波入射情况下的反透射系数矩阵，其矩阵中的具体数值可参考（杨春等，2018），根据克拉默法用矩阵 N 分别代替矩阵 M 中的第 1、2、3、4 列即可求出 P 波入射薄层时的位移反透射系数 RPP、RPS、TPP、TPS，以及 SV 波入射薄层时的位移反透射系数 RSP、RSS、TSP、TSS。1.2流体替换理论在 AVO 分析中，流体替换作为储层岩性研究及流体识别的重要工具，发挥着弥足轻重的作用。流体替换的理论基础是 Wood 方程和 Gassmann方程。其中，岩石基质的体积模量 Km 和剪切模量 m由已知岩石矿物成分的模量由 Voigt-Reuss-Hilll（VRH）公式计算所得；混合流体的体积模量及密度由 Wood 方程确定，利用 Nur 给出的经验公式获得干岩的体积模量和剪切模量；在给定孔隙度、基质体积模量、干岩体积模量的情况下，根据Gassmann 方程（Gassmann，1951）可求得饱和流体介质的体积模量 Ksat，剪切模量 sat 及密度 sat，并通过下式获得饱和流体介质的纵横波速度：地质论评 2023 年 69 卷 增刊 143043satsatPsatKv,satSsatv（2）以该流体替换理论为基础，我们将获得的纵、横波速度及密度等参数，代入到公式（1）中，即可求得双相介质薄层的等效反透射系数。2模拟与分析设定模型中的孔隙流体由50%的油和50%的气组成，并根据MAVKO给出的矿物体积模量及密度，薄砂层岩石基质和油、气弹性模量等参数如表1 所示，并设定基石介质由45%的石英和55%的黏土组成。表1岩石基质的模量和密度类型体积模量(GPa)剪切模量(GPa)密度(g/cm3)石英40.000044.00002.6500黏土25.00009.00002.5500油0.5700-0.7000气0.5543-0.1398中间砂层的孔隙度变化为：0、5%、10%、15%，其中孔隙度为 0 时为单相介质情况，组成四种含油气砂岩模型，其等效体积模量和密度经流体替换理论计算之后得到的纵横波速度和密度如表 2 所示。入射波的频率取为 10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz，中间层厚度设定为 5 m。2.1P 波入射含油气薄储层的 AVA 特征以入射波频率为 30 Hz、含油 50%情况为例，分析孔隙度对反射 PP 波和 PS 波振幅的影响，如图1 中（a）和（b）所示。由图中可知，当流体中油和气占比各为一半时，对于反射 PP 波而言，在入射角 60以内振幅保持平稳状态，之后，随入射角的增大而增大。同时，在中、低孔隙度情况下，孔隙度对反射 PP 波振幅的影响主要体现在大角度范围（6090），表现为随着孔隙度增大，PP 波振幅逐渐减小，且减小的幅度随着孔隙度的增大而增大。对于反射 PS 波，在临界角范围内，随着入射角的增大，系数振幅以平滑趋势先增大后减小至极小值，之后随入射角的增大而增大，在接近垂直入射位置振幅急剧减小至 0。孔隙度对反射 PS 波振幅值的影响与 PP 波相同，即随孔隙度增大而减小。除了地层弹性参数，频率也会对薄层的地震响应造成影响，固定薄砂层厚度为 5 m，孔隙度为10%，改变入射角频率为 10 Hz、20 Hz，30 Hz，40Hz 分析频率对反射 PP 波和 PS 波的影响，如图 1中（c）和（d）所示。通过图中 AVA 曲线整体变化趋势对比可以发现，频率对 PP 波和 PS 波的地震响应与孔隙度的 AVA 响应表现相反，即反射 PP 波和PS 波的振幅随着频率的增大而增大，且等值频率增大的情况下，振幅变化的幅度表现相同。2.2SV 波入射含油气薄储层的 AVA 特征对于 SV 波入射含油气薄储层情况，设定于 P波入射相同的参数条件，并分析孔隙度和频率对反射 SP 波和 SS 波的影响情况（见图 2）。从图中可以发现，反射 SP 波和 SS 波均会在临界角（30）处出现曲线突变，在入射角小于临界角时，反射 SP波的振幅值浮动不大，并在临界角处达到极大值，在大于临界角之后，反射 SP 波振幅随入射角的增大先减小，随后以平滑趋势增大至第二个极值点，随后减小。此外，从图中可以看出，与 PP 波类似，反射 SP 波的振幅随着孔隙度的增大而减小，不同的是，孔隙度对反射 SP 波的影响主要体现在 30入射角之后，且减小的幅度随孔隙度的增大而减小。对于反射 SS 波而言，其振幅值在临界角前出现极性反转情况，在临界角处产生突变后，随着入射角的增大，反射 SS 波振幅先增大后减小至极小值，随后在接近垂直入射位置骤增至 1。此外，孔隙度对反射 SS 波振幅值的影响与反射 SP 波相同。同时，通过分析图 2 中（c）和（d）可以发现，频率对反射 SP 波和 SS 波的影响与反射 PP 波和 PS波相同，即随频率的增大而增大，不同的是，振幅增大的幅值会随频率的增大而增大。3结果与讨论综合含油气薄储层在入射波角度、孔隙度及频率变化时地震反射 PP 波、PS 波、SP 波、SS 波的振幅变化情况，可得到以下认识：（1）孔隙度对反射系数的影响：孔隙度对反射 PP 波的影响体现在大角度范围，而对反射 SP 波体现在中等角度和大角度范围内；与 PP 波相同，地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1431随着孔隙度的增大，反射 SP 波的反射系数振幅值减小，与 PP 波相反的是，SP 波反射振幅值减小的幅度随孔隙度的增大而减小；孔隙度对反射 PS 波振幅值的影响与 PP 波相同，孔隙度对反射 SS 波振幅值的影响与 SP 波相同。（2）频率对反射系数的影响：对于孔隙度为10%的情况，反射 PP 波和 PS 波的振幅随着频率的增大而增大，且在频率等值增大的情况下，振幅变化的幅度相同；频率对反射 SP 波和 SS 波的影响与反射 PP 波和 PS 波相同，不同的是，振幅增大的幅度会随频率的增大而增大。综上可知，孔隙度和入射波的频率均会影响薄层的地震响应，且通过 P 波和 SV 波入射含油气薄储层的地震响应特征对比分析可以为薄层识别提供更丰富的特征信息和判断依据。此外，在大角度入射的情况下，孔隙度和频率对 P 波和 SV 波地震响应特征的影响更加显著，可以更好地表征地层信息。表 2不同孔隙度下的饱和流体纵、横波速度及密度类型孔隙度(%)纵波速度(km/s)横波速度(km/s)密度(g/cm3)厚度(m)泥岩-3.8091.8792.5505含油气砂岩（4 种情况）04.6772.7332.595554.4712.6122.4865104.2352.4732.3775153.9592.3112.2695泥岩-3.8091.8792.5505图 1反射 PP 波振幅（a）、（c）与 PS 波振幅（b）、（d）随入射角、孔隙度和频率的变化情况地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1432参考文献参考文献/References杨春,王赟,陈业全,张秉铭.2018.双相介质薄砂层的地震反射特征分析.石油物探,57(2)：12.杨春.2015.薄(互)层弹性波传播特征研究.中国科学院大学博士学位论文.Gassmann F.1951.Elastic waves through a packing of spheres.Geophysics,16(4)：673685.WANG Yujie,HE Xueming,WANG Zhiheng,QU Jie,YANG Chun:Comparative analysis of seismic responsecharacteristics of thin oil-gas reservoir by P-and S-wavesourcesKeywords:P-and S-wave sources;oil and gas;thinreservoir;Seismic response图 2反射 SP 波振幅（a）、（c）与 SS 波振幅（b）、（d）随入射角、孔隙度和频率的变化情况