地震反演原理及其应用

地震反演原理及其应用引言：地震波阻抗反演是地震数字处理的终结结果之一，是油气藏勘探、开发中储层横向预测的重要手段。而且随着勘探、开发程度的提高，对反演资料的精度要求也越来越高。但是，由于现有的地震资料受地震波激发和采集系统本身条件的限制，就决定了所记录的地震波仅有相似的振幅信息，分辨率有限且包含各种干扰。因此，波阻抗反演无疑是一个多解的非线性问题。油气田开发的工作多是针对储层进行的。而地震勘探长期以来只是利用岩层的声学特征确定岩性的分界面。这就使地震资料与油田地质的结合发生困难。为了使地震资料能与钻井资料直接连接对比，就要把界面型的反射剖面转换成岩层型的测井剖面，把地震资料变成可与钻井直接对比的形式。实现这种转换的处理过程就是地震反演技术。引言地震反演原理及其在油田开发中的应用主要内容地震反演概述与地震反演技术相关的几个概念地震反演方法所谓反演就是正演模型处理的逆过程。反演处理的数学算法实际上只能和正演模型相同。正演模型是比较简单的。当前关于正演模型的处理技术没有争议，对于任一给定的地质模型只能有一个地震响应与之对应。反演过程要复杂得多：某些正演模型的过程可能没有逆。对于一个给定的地震响应也可能会有多个地质模型与之对应。地质模型地震响应模型计算反演计算地质模型地震响应输入处理输出正演模型（模拟）反演模型（反演）地震反演原理及其在油田开发中的应用地震反演概述：•所谓正演过程就是人工模拟地震记录的形成。即•而反演过程则是估算一个子波的逆——反子波，用反子波和地震道进行褶积运算，得到反射系数r(t),然后由上式导出的递推公式逐层递推计算出每一层的波阻抗，即用Gardner公式从波阻抗中分离出速度和密度。地震反演概述地震记录的形成和反演原理正演—合成记录反演—合成声波测井)()(*)()(tntwtrtsiiiiiiiir1111)(iiiiiirr1111地震反演方法叠前反演旅行时间反演（层析X射线成象）振幅反演(AVO)叠后反演振幅反演递归反演稀疏脉冲反演基于模型的反演波动方程反演地震反演概述目前在生产中用的较多的是叠后振幅反演。较为流行的应用软件有STRATA、Jason、ISIS、VanGurad…等。其以一维褶积模型为理论基础，仅使用指定的地质界面的振幅信息（而不是它的反射时间）。其基本反演方法包括有递归反演、稀疏脉冲反演和基于模型的反演等。另外，近年来由于地震属性分析技术、神经网络识别技术及弹性物理模量参数的引入，使传统的反演方法在原有的基础上有了长足的发展。例如：以多元地震属性分析为基础的储层测井特性的模拟技术（非阻抗反演方法）；弹性反演及以神经网络识别为特征的数值逼近技术等。使储层识别及其物性预测的精度和可靠性都有较大地提高。地震反演概述波动方程反演技术是近几年发展起来的一种非常前沿的非线性叠后反演技术。通过地震波的数值模拟来研究地下地层分布及储层物性、含油气性。其基本思想认为：含油、气储层是非均匀各向异性的具有固体状态与流体状态的三维三相介质。建立在均匀各向同性纯固体基础上的岩石弹性理论与波动传播理论，难以逼真描绘地震波在含油、气地层中传播的复杂物理现象。为此，从实际应用出发，研究横向各向同性的非均匀的粘弹介质与双相弹性介质中地震波传播的数值模拟方法，以研究地震波在地层中传播的物理机制及其与含油、气地层的定量关系。目前，以物探局范祯祥先生开发的《非线性波动方程地震波反演技术软件—ANGEL2001》为代表的地震反演软件包已投入生产应用。本技术的基本技术思路是：采用有限元波动方程对地震波剖面数值模拟，借助于最优选择理论对地震波反映的物性参数与几何形态进行逐次逼近，以实现物性参数的反演。在此基础上借助于神经网络分析对所反演的物性参数进行非线性标定。小波技术，模糊识别技术，分形技术穿插应用其中。地震反演概述AVO反演技术是一种使用叠前动校后的角度道集资料来识别储层岩性及其含油气性的反演方法，尤其以识别气层而见长。此方法的基本思想是：地震资料采集时，检波器是按一定的炮检距布置在远离炮点的位置上，地震射线是以非零入射角入射到岩层界面上。而并非在一维褶积模型中关于入射波垂直入射的假设。反射系数不仅与纵波速度和密度有关，还是横波速度的函数。反射系数随炮检距的变化而变化。所谓AVO(AmplitudeVersusOffset)一词就是“振幅随炮检距的变化”。由于振幅随炮检距的变化是纵、横波速度和密度的函数；因此就可以对常规的叠加前共反射点道集上的振幅随炮检距的变化进行反演，提取纵、横波速度和密度。在实际应用中，由于砂岩储层含气后会造成砂岩速度的降低。利用低速度标志可以圈定气藏的边界。但由于流体受力不产生剪切形变，故横波传播速度不受砂岩孔隙中所含流体成分的影响，只反映砂岩骨架的传播速度。因此，联合应用反演得到的纵、横波剖面就可以达到检测气层的目的。所有的反演方法都不可避免地带有“非唯一性”的问题。这意味着对于一特定的地震响应，可能有多个地质模型与之相对应。在各种可能的地质模型之间来决定那一个与实际地质模型相符合的唯一途径是使用其他信息（且是不包含在地震数据中的）。这种附加信息通常是由下面两种途径来提供的：•初始猜测模型•最终结果偏离初始猜测程度的约束条件。这意味最终反演结果除地震资料之外还要依赖于这种“附加信息”。地震数据最佳剖面约束条件地质模型合并及转换最终的反演地震反演概述与地震反演技术相关的几个概念•褶积模型•反射系数•地震子波•分辨率与地层反褶积的应用•剩余相位校正地震反演原理及其在油田开发中的应用地震道可由下式表示:地震记录=子波＊反射系数+噪声即（1）这里＊意思是褶积或（2）)()(*)()(tntwtrts与地震反演技术相关的几个概念褶积模型：jinjiwjris)()1()()(关于褶积模型的假设条件:•叠后数据–地震道是零炮间距的；•没有多次波；•没有AVO效应；•噪声是随机的,即是白噪的,与地震不相关；没有相干噪声。•子波是恒定的–不随时间变化。•地震数据已经是偏移过的—每一道地震记录仅仅取决于地震道位置垂直向下的反射系数序列。w(t)R(t)S(t)在时间域，地震道可由下列方程表示:地震记录=子波＊反射系数+噪声与地震反演技术相关的几个概念•在频率域，褶积就是反射系数的频谱与子波的频谱的乘积。•其结果意味我们所能得到的地震记录的频谱仅能保留部分与子波频谱相对应的成分，这样就丢失了对应于反射系数谱中高频和低频的内容。•反演就是要试图恢复这些丢失的频谱成分——即根据反演算法来充填丢失成分的方法。与地震反演技术相关的几个概念•反演可认为是，给定地震道s(t)，确定其反射系数的处理过程。在方程(1)中，反射系数与地层阻抗有关，其关系可用下式表示（3）这里•反演的目的是为了从地震道本身估算地层速度。显然，首先需要从褶积模型中提取反射系数的一个估算值，因此，我们可进行反褶积的相关处理。在讨论反褶积和反演之前，让我们更详细地讨论一下褶积模型的两个主要组成部分：反射系数和地震子波。与地震反演技术相关的几个概念)1()()1()()(jIjIjIjIjr层的纵波速度第层的密度第jjjj==()())()()(jjjI反射系数•无论是炸药震源还是一个与地面接触的平板的突然撞击（可控震源），当地震震源的能量被释放时，能量被作为弹性波通过地球传播。•我们知道的最简单类型的波是压缩波（即纵波或P波）。一种岩石允许声波通过的能力由它的声阻抗决定，它是压缩波速度和岩石密度的乘积。正如我们期望的，岩石越致密，它的声阻抗就越高；如压实砂岩的声阻抗通常比泥岩的声阻抗高；另外，孔隙度对速度也有影响，孔隙度越高，速度、密度越低。•层状介质中，每当声阻抗有变化时，就会在具有不同阻抗的两层之间的界面处产生一个地震反射。假如声波传播到两个具有不同声阻抗层之间界面，反射系数可被写为方程（3）。•方程（3）表明，反射系数可以为正或负，取决于I(j-1)或I(j)哪一个较大，且其绝对值不能大于1。前面做的分析是针对一个下行波而言的，它从上方传播到界面。上行波的反射系数将被简单地作为下行波反射系数的负数。与地震反演技术相关的几个概念•显而易见，不是所有的入射能量都能被反射（只有海上的记录在空气与水的界面处几乎全被反射，它的反射系数接近于1）。透射能量的值为入射振幅与反射能量的差，或是（4）注意：方程（3）和方程（4）只适用于P波垂直入射一个界面的情况。对于非垂直入射，将发生类型转换，产生反射和透射横波。在进行地震岩性精确测量时，了解这些影响是很重要的。对于叠后情况，我们将假设方程（3）能准确地预测反射系数。与地震反演技术相关的几个概念TjrjIjIjIj()()()()()1211•在多数反演算法中对地层反射系数做如下假设：反射系数是平稳随机的白噪序列有了这个统计学假设，许多反褶积方法才得以实现。•但事实上，地层反射系数不可能是白噪的。地层沉积总是具有旋回性，一个岩层的顶界反射系数的后面通常跟着这个岩层底面的反射系数。为了使反射系数尽量满足白噪假设，在资料处理中通常采用一些方法对地震道自相关函数进行修正，以使地震道自相关函数中的反射系数部分逼近白噪。在反褶积、反演计算过程中通常是在零时间自相关值上加一个常数，抬高零时间上的自相关值达到提高反射系数谱的白噪化程度—白噪系数。与地震反演技术相关的几个概念•地震子波——是接受到的来自一个单个界面的反射波（不是一个单位脉冲），一个在时间上具有一定延续长度的波动单元。•地震子波的波形决定于震源激发波形、表层面波干涉、近地表条件变化、大地滤波特性、检波器和记录仪器滤波特性、资料处理对波形的滤波作用等，因此，要确切地知道子波是很难的。在频率域，子波的确定由两部分组成：–确定振幅谱–确定相位谱（相位谱的确定迄今仍然很难，且是反演的主要误差源）相位谱类型有：零相位、常相位、最小相位或非最小相位等。与地震反演技术相关的几个概念地震子波与地震反演技术相关的几个概念最小相位子波零相位子波与地震反演技术相关的几个概念常相位子波非最小相位子波对零相位和常相位子波而言，可将其看作是一系列不同振幅和频率正弦波的集合，所有的正弦波都是零相位或常相位(如900)。最小相位不是一个简单而易理解的概念，可以有许多不同的方法描述它。最简单直观的方法是，最小相位在零时间之前不存在(数学上，我们称这种子波是物理可实现的)，并且能量主要分集中在前部。事实上，最小相位的术语是指在所有的有相同振幅谱和不同相位谱的因果子波中，相位谱最接近于零的那一个。与地震反演技术相关的几个概念•子波的确定方法大体上可分为类：直接确定性的完全统计性的使用测井的•直接确定法——指直接用地面接收器和其他方法测量子波。•完全统计法——只用地震数据确定子波。这种方法很难准确地确定子波的相位谱。•测井曲线法——指除使用地震数据外，还使用测井曲线信息。•子波是空变且时变的，对地震剖面应该确定大量的子波。但实际反演的应用上，试图确定可变的子波可能引起更大的不确定性。因此，实际使用的是对整个剖面提取一个“平均”子波。与地震反演技术相关的几个概念•统计方法提取子波使用自相关统计原理，从地震数据中提取地震道的振幅谱来作为子波的振幅谱。对子波的相位谱则做最小相位或零相位的假设。这样就可以唯一地确定子波。在此方法中，子波长度是一个关键的参数，该参数决定了地震道振幅谱的平滑程度，当子波长度增加时，子波谱就接近于分析时窗内地震数据的谱。•测井曲线法提取子波指除使用地震数据外，还使用测井曲线信息。从原理上讲，这样可以在井点位置提取准确的相位信息。问题是，这种方法关键依赖于测井曲线与地震数据之间有一个好的连接关系—标定准确，因为将深度采样的测井曲线转换为双程旅行时采样的测井曲线时，可能会出现降低结果质量的闭合差。与地震反演技术相关的几个概念•影响提取子波的主要因素：1.使用测井曲线提取子波的方法极其依赖井和地震道之间的匹配关系，由于深度采样的测井曲线在转换成双程旅行时间的测