储层描述与识别是勘探的主要目的。储层描述是指从地球物理资料中获取储层特征参数分布的过程,储层识别是指以参数信息为基础认识地下岩性分布的过程。随着我国油气勘探由常规构造性油气藏向非常规、复杂、隐蔽岩性油气藏过渡,要求勘探地球物理学提供更丰富、更可靠的参数信息以降低开发风险,这就使得地震数据反演的精度和信息量成为重要的关注点和突破点。反演技术需要从有限的资料中发掘更多隐含的地下信息,前人通过大量实例证明,实际观测到的地震波反射振幅除了入射角之外,还具有频率依赖的特征,而这种特征是地下介质某些物理性质的体现,具有研究和利用的价值。传统的将振幅随炮检距变化(AVO)和振幅随频率变化(AVF)分隔开的研究方法不能完全描述和有效利用这种特征信息。定义反射地震波振幅对频率的依赖性为频变响应,振幅受频率和偏移距(入射角)的综合影响规律为频变AVO响应。本文认为如果深入研究这种依赖频率的AVO响应特征,可以为储层描述和识别提供有力的信息支持。按照从认识到发展再到利用的顺序,本文从频变AVO正问题入手,分析该现象产生的几种物理机制及各自响应特征;然后,探索将两类经典的时间域内AVO反演方法(数据驱动与模型驱动)向频率依赖拓展的可能性,并通过理论模型或实际数据考察它们在更多应用领域中的表现;最后,对频变AVO反演得到的模型参数在储层岩性识别中的应用价值做了研究。为了分析、对比和筛选频变响应产生的物理机制,本文列举了几种典型的岩石物理模型,包括:静态流体替换模型、斑块饱和模型、喷射流动模型、BISQ模型与裂缝介质模型。发现在地震频带观测到的反射波频变响应按照来源可以分为中尺度波致流机制及薄(互)层调谐效应。其中,中尺度的波致流还可以细分为斑块饱和与中尺度裂缝两种不同的物理机制。此外,为了模拟反射地震波的频变响应,本文还对比了几类典型介质模型的AVO理论,包括:各向同性介质、孔隙弹性介质、各向异性介质和薄(互)层结构体。在数值模拟三种物理机制各自的频变AVO响应特征的基础上,本文进一步分析了模型参数的敏感性,发现:(a)在斑块饱和介质中,含气饱和度决定了地震波在传播过程中速度频散的高、低频极限值与剧烈程度,反射界面的频变响应程度随饱和度的增加先增大后减小;(b)在中尺度裂缝介质中,裂缝密度与时间尺度因子分别决定了地震波的速度频散程度与频带范围,反射界面频变响应程度随裂缝密度增加而增大,随时间尺度因子增加先增大后减小;(c)等厚薄互层的结构对地震波的反射系数起到滤波器的作用,即对某些频率成分的反射能量做了增强或削弱。这种滤波作用使频率域的反射能量呈现周期状分布,具体分布形态受到两个薄互层结构参数(薄层厚度与单元总数)的组合方式直接控制。常规的数据驱动类AVO反演提取的地震属性通常是几种弹性参数的数学组合,对于储层流体性质往往缺乏敏感性。通过将时间域拓展到时频域,基于频变AVO反演提取的频散属性利用到了地震波能量在传播过程中的耗散机制,可以体现出流体流动性、饱和度等多种储层信息。本文阐述了该属性的数学表达、物理意义以及提取流程,并对时频分析方法对提取结果的影响做了对比实验。另外,充分利用其对流体性质的敏感性优势,本文在前人的基础上探讨了该属性的三个潜在应用领域:(a)作为一种流体指示剂,对流体进行存在验证和分布定位,通过模型测试本文证明:频散属性响应反映了储层界面位置,响应剧烈程度反映了频散程度大小,时频分析方法的选取决定了属性的时间分辨率;(b)识别并描述海底仿拟反射界面(BSR),为海底结构分析和游离态天然气储层定位提供新的依据,通过实际数据测试本文证明:BSR在频散属性曲线上会出现比其他弹性或固—液反射界面更大程度的响应;(c)时移监测CO2的运移过程,描述目标层的驱替进度,通过理论模型测试本文证明:随着地震时间监测序列频散属性从零开始剧烈增大再逐渐降低到零的过程,分别标志着目标层驱替处于运移、聚集与饱和三个阶段。常规的模型驱动类AVO反演可以完成静态岩石物理模型的参数化,然而受限于弹性假设与流体静态假设它只能考虑振幅的偏移距依赖性而不考虑频率的依赖性,产生了两个局限:1、由于正演模型不合适而使反演结果不准确;2、由于只考虑介质的弹性性质使反演信息量受到限制。针对于此,本文设计了完整的动态等效模型参数化框架,该框架基于频变AVO反演理论构建目标函数,利用L1范数准则作为约束条件,采用频变AVO正演理论作为模型正演算子,最后通过最优化算法在模型空间搜索反问题的最优解。在此通用反演框架下,本文讨论了三种频变机制下的模型参数化应用:(a)裂缝介质同步反演裂缝密度与时间尺度因子分布;(b)斑块饱和介质反演含气饱和度空间分布;(c)薄互层结构体同步反演薄层单元厚度和单元总数。为了模拟各种储层条件,模型的构建涵盖一维深度模型、二维复杂流体分布模型与复杂背景场分布模型。模型参数的估计结果证实了反演框架的有效性,此外本文还对存在几种干扰下的反演结果做了综合误差分析。当前,储层岩性识别方法由人工定性观察手段逐渐向多元统计学定量手段过渡已成为明确的发展趋势。在以贝叶斯框架为代表的概率统计学方法中,更多样的独立参数信息可以带来更准确的识别结果,因此通过频变AVO反演框架估计的模型参数可以得到充分地利用。本文以先验条件为假设性地质信息,以似然条件为验证性地质信息,在保证对地震资料忠实度的前提下统一多元参数信息约束储层岩性识别结果。在分别对裂缝储层模型、斑块饱和储层模型和薄互层储层模型做了对比测试实验后,本文证明了在参数反演存在误差的情况下,动态模型参数化信息的引入有利于提升储层岩性识别结果的精度。