1、6 AVO技術AVO技術是利用反射系數隨入射角變化的原理，在疊前道集上分析振幅隨偏移距變化的規律，估求巖石的彈性參數、研究巖性、檢測油氣的重要技術。AVO是振幅隨偏移距變化(Amplitude Variation with Offset)的英文縮寫或振幅與隨偏移距關系(Amplitude Versus Offset) 的英文縮寫，AVA是振幅隨入射角變化(Amplitude Variation with Incident Angle)的英文縮寫。在地震勘探中，共中心點道集記錄的偏移距可以等價地用入射角表示，故AVO與AVA等價。該技術自20世紀80年代提出以來，在油氣勘探中不斷發展，并得到迅速

2、推廣和廣泛應用。尤其是在天然氣勘探中指導尋找天然氣藏發揮了重要作用，對提高天然氣勘探成功率受到了很好的效果。從近幾年的技術發展情況看，P波方位AVO已作為一種預測油氣藏各向異性的有效方法而受到青睞。6.1 AVO技術的理論基礎根據地震波動力學中反射和透射的相關理論，反射系數(或振幅)隨入射角的變化與分界面兩側介質的地質參數有關。這一事實包含兩層意思：一是不同的巖性參數組合，反射系數(或振幅)隨入射角變化的特性不同，稱為AVO正演方法；二是反射系數(或振幅)隨入射角變化本身隱含了巖性參數的信息，利用AVO關系可以反演巖石的密度、縱波速度和橫波速度，稱為AVO反演方法。6.1.1 Zoepprit

3、z方程AVO技術的理論基礎就是Zoeppritz方程及其簡化的思路。設有兩層水平各向同性介質，當地震縱波非垂直入射(即非零偏移距)時，在彈性分界面上會產生反射縱波、反射橫波、透射縱波和透射橫波，見圖61。各種波型之間的運動學關系服從斯奈爾定理 (6-1)圖61 入射波、反射波和透射波的關系式中 、縱波、橫波的反射角；、縱波、橫波的透射角；、反射界面上下介質的縱波速度；、反射界面上下介質的橫波速度。在這種情況下，反射系數的變化與偏移距的變化(或者說與入射角的變化)有關，計算反射系數需要解一個四階線性矩陣，即Zoeppritz方程 (6-2)式中 、縱波、橫波的反射系數；、縱波、橫波的透射系數；、

4、反射界面上下介質的密度。(6-2)式揭示了反射系數(影響反射波振幅的主要因素)與入射角及界面兩側介質的物理性質之間的關系。當入射角為零(即零偏移距)時，按照斯奈爾定理， 解Zoeppritz方程得 (6-3)用Zoeppritz方程計算出的反射系數，與實際觀測反射波振幅是有差別的，主要原因是：(1) Zoeppritz方程描述的是平面波，實際觀測的是球面波；(2) Zoeppritz方程給出的是波沿傳播方向的反射系數，這與觀測所得反射系數不同；(3) Zoeppritz方程給出的是兩個半無限空間界面的反射(非層狀介質)，不存在各個界面反射子波的相互干涉；(4) 在Zoeppritz方程中，振幅

5、是在不考慮諸如透射損失、衰減、球面發散、檢波器的方向特性等影響因素下的反射系數的測量值。由此可見，基于Zoeppritz方程所求的反射系數的解，不可能作為精確的地震響應，只能是一種近似。Zoeppritz方程可以預測任意巖性組合時振幅的變化，但對AVO分析來說，只對以下三種情況感興趣：(1) 若波阻抗和(或)值通過界面時同時減小，或者是同時增大(相同方向變化)，則反射系數隨入射角增加而增加，見圖62(a)；(2) 若波阻抗和(或)值通過界面時，一個減小，而另一個增大(不同方向變化)，則反射系數隨入射角增加而減小，見圖62(b)；(3) 若泊松比通過界面時保持不變，則反射系數變化很小，可近似認為

6、幾乎保持不變，見圖62(c)。圖62 AVO響應(縱坐標為反射系數，橫坐標為入射角)6.1.2 Zoeppritz方程的近似方程求解Zoeppritz方程是非常復雜的，并且難以給出清楚的物理概念。因此，人們提出了不同形式的近似方程，使其更加容易理解，有較明顯的物理意義。這些近似方程也就成為當前AVO分析的基礎表達式。1Aki和Rechards(1980)的近似方程在大多數情況下，認為相鄰兩層介質的彈性參數變化較小，即、和其它值相比為小值，所以可略去它們的高次項，縱波的反射系數近似為 (6-4)其中、和分別為反射界面兩側介質縱波速度、橫波速度和密度的平均值，即、和分別為反射界面兩側介質縱波速度、

7、橫波速度和密度的差值，即為縱波入射角與縱波透射角的平均值，即(6-4)式說明縱波反射系數除了與縱波速度、密度有關外，還與入射角、透射角和橫波速度(泊松比)有關。因此，在疊前CDP道集中，非零炮檢距地震道的反射系數(或反射振幅)就包含了橫波的信息，故AVO屬性中包含了橫波與泊松比的信息。使用AVO特征相當于縱、橫波聯合解釋有助于提高油氣檢測的準確性。由于，(6-4)式經整理后變為 (6-5)當上式用代入后得到 (6-6)(6-6)式第一項中不包含橫波，即。令 (6-7)這就是垂直入射時的縱波反射系數。當入射角稍大(0°<30°)時，應加上第二項，因為此時第三項的 ，而又

8、較小，所以可略去。只有當入射角較大(30°)時， 此時增加較快，不能忽視，必須加上第三項。因此，當入射角小于30°時，(6-6)式可簡化為 (6-8)令 (6-9)此時(6-6)式可寫成 (6-10)上式為的線性方程，其中P是由零炮檢距截距構成的地震道，即P波疊加的地震道，它代表對反射界面兩側的波阻抗變化的響應；由斜率G構成的地震道稱為梯度疊加道，它代表對反射界面兩側的橫波速度、縱波速度和密度變化的響應，也是振幅隨入射角(或炮檢距)的變化率。2Shuey(1985)的近似方程現在AVO分析中常用的是Shuey(1985)的簡化方程 (6-11)其中和分別為反射界面兩側介質泊

9、松比的平均值與差值，即， (6-11)式和(6-6)式基本相同，表明縱波反射系數由三個近似獨立的項組成：(1)法線入射項，同波阻抗差成正比；(2)適中角入射項(0°<30°)，同泊松比差成正比，這個范圍是研究振幅隨炮檢距變化的主要區域；(3)廣角入射項(30°)，同速度差成正比。當30°時，廣角入射項可以忽略，(6-11)式簡化為 (6-12)式中，為垂直入射時的縱波反射系數；為與巖石縱、橫波速度和密度有關的項。(6-12)式表明，彈性界面上產生的反射縱波振幅與成線性關系。在CDP道集上，對每個樣點，作振幅與的線性擬合，可獲得截距P和斜率(梯度)G

10、，見圖63。由直線截距構成的P剖面表示法線入射的零炮檢距剖面，由梯度或斜率構成的G剖面的物理意義不直觀。根據泊松比與巖石物性參數的關系推導出泊松比和縱橫速度比之間的關系即 (6-13)圖64給出它們之間的關系，當較小時，微小的變化也會引起值有較大的變化。當時，把它們代入，得到 (6-14) (6-15)G的表達式說明，在界面兩側介質波阻抗不變條件下，泊松比差對反射振幅隨入射角的變化影響很大，越大振幅隨入射角的變化也越大。 圖63 截距P和斜率G的關系 圖64 泊松比與之間的關系當地層中含氣時，明顯地降低了巖石的縱波速度，而橫波速度則相對保持不變，即其泊松比明顯下降，從而導致界面兩側介質的泊松比

11、差相應增加。事實上，圖63截距P的符號是可正可負的，分別用符號P+和P-表示；斜率G的符號也有正有負，分別用符號G+和G-表示；圖65給出它們之間的關系。當30°時，無論值是正是負，橫坐標是單調上升的偶函數。從上半圖可以看出，當P和G同號(都為正)時，其振幅隨或增加呈線性增大；當P和G異號(P為正，G為負)時，振幅隨增加呈線性減小。從下半圖可以看出，當P和G同號(都為負)時，其振幅的絕對值隨或增加呈線性增大；當P和G異號(P為負，G為正)時，振幅的絕對值隨增加呈線性減小。圖65 截距P和斜率G之間的關系3Chen(2009)的近似方程陳同俊針對煤層及其頂/底板巖性的不同，提出P波AV

12、O近似公式 (6-16)式中，R0為P波垂直入射時的反射系數；B為待定常數，針對不同的頂板和煤層系統，B取值不同。對于煤層頂板反射P波AVO來說，B的取值如表61所示。表61 煤層頂板反射P波AVO所對應的B值頂板巖性煤層巖性B取值泥巖原生煤2.0砂巖原生煤4.5泥巖構造煤0.1砂巖構造煤3.5對于煤層底板反射P波AVO來說，B的取值如表62所示。表62 煤層底板反射波AVO所對應的B值頂板巖性煤層巖性B取值泥巖原生煤2.0砂巖原生煤2.0泥巖構造煤0.1砂巖構造煤1.0利用煤層P波AVO近似公式對表61、表62所示的煤層模型頂、底板進行AVO正演模擬，其與Zoeppritz精確解對比后發現，

13、在7o25o范圍內進行AVO分析時，近似公式完全可以代替Zoeppritz方程。并且，式(6-16)的物理意義明確，突出了煤層與其頂板間的泊松比差異。6.1.3 AVO技術的巖石物理學基礎1巖性與泊松比試驗證明，泊松比是對區分巖性有著特殊作用的一個參數。通常，沉積巖的泊松比值大于0.2，泥巖的泊松比值為0.320.44，含水砂巖的泊松比值為0.250.35，含氣砂巖的泊松比值可降到0.1。因此，可以根據CDP道集記錄中的振幅隨偏移距的變化關系來勘探氣層。2速度與泊松比通過大量的實驗和計算證實：影響反射振幅隨炮檢距變化的最主要因素是介質的泊松比，其次才是速度。因此，AVO響應實際是地層泊松比異常

14、的反映。3影響巖石泊松比的因素泊松比是一個物性常數，與縱、橫波速度比有關，不同巖石具有不同的泊松比。巖石的泊松比與巖石參數間(巖石成分、孔隙度、固結程度、溫度、壓力、流體類型和孔隙形態)的關系是復雜的，受多種因素的影響。6.2 AVO的處理技術1恢復和保持相對振幅AVO處理必須在疊加前進行嚴格的振幅保持和地表一致性等精細處理，盡可能消除影響振幅的各種主要因素。2“三高”處理疊加是提高信噪比最有效的方法，但是不能使用，因為在AVO分析中需要的是疊前道集數據，而不是疊加數據。3疊前偏移AVO分析應當采用偏移后的道集數據，即使目標地層相對平坦，采用偏移后的數據也是有其好處的。總之，疊前偏移在整個AV

15、O處理中是不可缺少的組成部分，應當給予應有的重視。4形成角度道和角度道集由于AVO分析是研究反射振幅隨入射角的變化，因此需要將野外觀測到的反射振幅隨炮檢距的變化關系(AVO)轉換為振幅隨入射角的變化關系(AVA)。按照一定的入射角范圍(如7°25°)，將固定炮檢距的CMP道集上的道轉換為固定入射角的道，稱之為“角度道”，它是由一組不同炮檢距的道上固定入射角的那部分組成。不同入射角的角度道便形成角度道集。在均勻層狀介質情況下，按直射線傳播，入射角為 (6-17)式中， 炮檢距，；零炮檢距雙程旅行時間，；與時間對應的均方根速度，。圖66給出角度道的生成過程(a)和兩個角度道集(

16、b)，下方表示的是角度道集的能量棒狀圖。從圖中可以看出，角度道集的道數一般比CDP道集以炮檢距表示的道數要少，但信噪比卻要高于以炮檢距表示的CDP道集。圖66 (a)角度道的生成過程；(b)兩個角度道集5振幅與的線性擬合對于每一個時間進行振幅與的線性擬合求取P和G，再由它們進行加、減、乘，即P+G、P-G、P*G，可獲得AVO的主要屬性剖面。6AVO分析對原始地震資料的要求一般要求最大炮檢距為目的層深度的2倍，這樣可使AVO變化明顯，得到較滿意的結果。6.3 AVO屬性剖面通過地震資料的處理可以獲得AVO反演的振幅信息和屬性參數，產生AVO屬性剖面。1P波剖面(P值)沿每個CDP道集擬合出的P

17、波所組成的剖面，接近于真正的法線入射道零炮檢距剖面，圖67是P波剖面。常規疊加道是不同入射角(炮檢距)記錄的平均，因為不能作為零炮檢距的好的近似。而P波剖面更接近于零炮檢距剖面，所以也更適合于反演處理。2梯度剖面(G值)沿每個CDP道集擬合出的G所組成的剖面，圖68是梯度剖面。梯度剖面反映的是巖層彈性參數的綜合特征。3泊松比剖面(P+G)根據(6-15)式，當縱、橫波速度比時，P+G反映泊松比特征，圖69是泊松比剖面。在正常極性顯示下，正值意味著泊松比增加，負值意味著泊松比減少。一般巖石的泊松比隨深度增加而減小，淺部地層泊松比值大，含氣后就降低。4S波剖面(P-G)由(6-7)式和(6-9)式

18、相減得到 (6-18)顯然，P-G反映了S波信息，它是通過AVO分析從P波資料中獲取的，而不需要測量S波或轉換波，這是AVO分析的特點。圖610是S波剖面。5碳氫檢測剖面(P*G)多數情況下，油氣的存在使反射振幅P和梯度G絕對值都會增大。因此， P*G剖面可使能量更突出，正異常(P*G>0)說明AVO增加區域，可能暗示有油氣存在。圖611碳氫檢測剖面。以上討論了五種AVO屬性疊加剖面，其實最基本的只有前兩種剖面。它們之間的加、減、乘運算，得到了后面的三種剖面。實際應用時，根據具體情況選擇兩三種。而最重要的是，在這些屬性剖面上做進一步的處理，如波阻抗反演，而AVO分析的效果將在最終的波阻抗剖面上得到體現。 圖67 P波剖面 圖68 梯度剖面 圖69 泊松比剖面 圖610 S波剖面圖611 碳氫檢測剖面6.4 方位AVO6.4.1 方位AVO方法原理對于HTI(Transverse Isotropy with a Horizontal axis of symmetry)介質，平行對稱軸方向的泊松比大于垂直對稱軸方向的泊松比。從平行對稱軸方向到垂直對稱軸方向，泊松比的變化引起了不同方位上的AVO梯度隨之變化。方位AVO將同一個CDP面元的地震道按炮點檢波點連線的方位角分成若干個方位道集，分別對各方位道集進行AVO反演，獲得不同方位的AVO梯度