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摘要
AVO(Amplitude Versus Offset)技术就是利用叠前共反射点道集，分析振幅（反射系数）随偏移距（或入射角）的变化规律，估算界面泊松比进而推断地层岩性和含油气情况，是最近二十几年发展起来的一项地震勘探技术。AVO在探测寻找油气田、天然气水合物调查评价、裂缝检查和划分海底底质等方面取得了重要进展。本文对海底地震波反射进行AVO分析，通过海底物理模型建模模拟海底底质，并从简化的佐普里兹方程出发，使用海底物理模型参数，对相关的各类地震波振幅（反射系数）与入射角关系公式编程，将获得图形进行对比分析即通过AVO正演获得不同类型地层的反射系数与入射角关系，在此基础上对海底不同底质类型进行AVO分析，以便利用AVO技术进行反演获取海底底质类型。
关键词：AVO；佐普里兹方程； 海底物理模型； 底质
中图分类号：P738文献标识码： A
绪论
我国海域辽阔，在海底底质中，经常混杂有海草及其他海洋生物。海洋底质的分布与海岸性质有关。了解潜水作业现场的海底底质，将有助于我们制定浴水作业计划，选择解压方案，确保留水人员的安全。本文主要介绍AVO(Amplitude Variation with Offset)分析方法划分海底底质。AVO 作为一种含气砂岩的异常地球物理现象，最早在2O世纪8O年代初被Ostrander发现。这一现象表现为：当储层砂岩含气后，地震反射振幅随炮检距会发生明显的加大(基于SEG标准极性)。因为AVO现象与含气砂岩的对应关系，从而引起勘探地球物理界广泛的重视。后续的研究表明：这种异常现象并非一种特殊的形式，而是遵循Zoeppritz早先所提出的地震反射波动力学方程式，从而对AVO 现象的解释有了完整的理论基础。
1． AVO分析的地球物理基础
1．1 AVO分析的理论基础
1．1．1AVO技术的理论基础——Zoeppritz方程
图1-1 两无穷大弹性介质分界面处入射P波的反射和透射
图1-1示出了P波倾斜入射两介质分界面，激发的反射P波Rpp、反射S波Rps、透射P波Tpp、透射S波Tps。图中是入射角，是反射S波的反射角，是透射P波的透射角，是透射S波的透射角，是入射角界面上部介质的密度，Vp1是纵波速度，是横波速度，是界面以下的介质密度，Vp₂是纵波速度，Vs₂是横波速度,此时Zoeprritz方程形式如式（1-1）所示：（1-1）
式中各个角度可通过斯奈尔定律式（1-2）求
（1-2）
通过求解此矩阵，即可得到各反射、透射的P、S波的反射和透射系数。
1.1.2区分流体和固体的简化公式
1961年，Bortfeld利用地层厚度趋于零来逼近单界面的方法计算了平面纵波和透射波的反射系数，第一个给出了反射系数近似计算公式，并用不同的表示项对流体和固体进行了区分。其中有反射振幅近似公式
(1-3)式中，θ₁和θ₂分别为反射角和透射角。
1983年，Hihemen对Bortfeld近似公式做了修改，得到了反射振幅的近似表达式：
(1-4)
上述两种近似方法的最大特点是分别用不同的表示项对流体和固体进行了区分。其中，第一项只包含纵波的速度和密度，不包含横波的任何信息；第二项则包含了纵、横波速度和密度。因此可以将第一项称为流体因子，第二项称为刚体因子。其次，当入射角为零时(法向入射)，反射振幅完全由波阻抗差来决定。
如果假设两层介质密度相同，即ρ₁=ρ₂，则可以得到更简单的
(1-5)
1.2 AVO技術的地质基础
要解决振幅异常的多解性不仅要研究振幅变化与波速的关系，还要研究振幅变化与其他弹性参数的关系。在λ、μ 和σ等几个弹性参数种，σ是在Zoeppritz方程中独立出现的，并且通过大量的工作研究，得到σ对区分岩性有特殊的作用。大量的实验表明：固结的岩石纵横速度比小于2．0，σ小于0．333，当岩石中孔隙充满水时，Vp/Vs可以从1．4-2．0，当岩石孔隙充满空气时，Vp/Vs可以在1．3-1．7变化。水饱和的非固结地层Vp/Vs大于2．0。因此Vp/Vs与σ的对应关系是随岩性的变化而变化。可以得到：
①未固结的浅层盐水饱和沉积岩往往具有非常高的泊松比值(O．4以上)。
②泊松比往往随孔隙度的减小及沉积固结程度而减少。
③高孔隙度的盐水饱和砂岩往往具有较高的泊松比值(013-014)。
④气饱和高孔隙度砂岩往往具有极低的泊松比值(如低到0.1)
Domenico(1977)研究了含气、含油、含水砂岩的泊松比随埋藏深度的变化规律，结果发现含不同流体砂岩的泊松比随深度的变化特征是不同的：含气砂岩的泊松比随着深度的增加而增加，但泊松比的值总是小于含油和含水砂岩的泊松比值；含水砂岩的泊松比随着深度的增加而减小，但泊松比的值总是大于含油和含气砂岩的泊松比值；含油砂岩的泊松比也随着深度的增加而减小，泊松比的值总是介于含水和含气砂岩泊松比值之间。岩石物性研究发现，当砂岩中含气时，纵波速度明显降低，含气层的泊松比较小，与围岩的泊松比之差大都在0．2～O．3之间因此，一般都可检测到较明显的AVO响应。含油层由于泊松比值明显大于含气层，与围岩的泊松比差值较小甚至接近，因此反射系数随炮检距的变化程度明显小于含气层，AVO 响应要比含气层弱得多，而且包括了所有可能出现的AVO响应，检测也将更为困难。因此，AVO技术应用在寻找气藏方面更为有利，更能体现其优越性。一般来讲，不同岩性按泊松比值从高到低排序依次是：石灰岩、白云岩、泥岩和砂岩，在砂岩中由于孔隙流体性质的差异，依次是：水砂岩、油砂岩和气砂岩。
3. AVO技术的应用
3.1 AVO技术在天然气水合物调查评价中的应用
岩石物性分析研究的成果表明,海域天然气水合物地球物理特征为:海域天然气水合物沉积层的纵波速度、横波速度均随着天然气水合物饱和度增加而增大,泊淞比随着饱和度增加而降低,饱和度小时降低较慢,饱和度大时降低较快。对含游离气沉积层,随着游离气饱和度增大,纵波速度下降,特别是在0~10%的范围内有较大幅度的降低;而横波速度随着饱和度增大有小幅度的增大。随着饱和度的增加,含游离气沉积物的泊淞比降低。总体上天然气水合物沉积层的纵波速度、横波速度和泊淞比均大于饱含水沉积层以及含游离气沉积层的纵波速度、横波速度和泊淞比,其中含游离气沉积层的纵波速度、横波速度最低。
根据水合物沉积层及其上下沉积层的地球物理特征和AVO方法技术的特点,设计利用AVO技术进行海域天然气水合物识别的技术思路［3］是:首先设计不同的水合物赋存状况的地质模型,在此基础上根据反射层不同的弹性参数(如纵波速度、横波速度、密度、泊淞比)模型,正演计算单个反射层的AVO响应特征,然后与拾取的实际的AVO响应进行对比分析,探讨BSR（海底模拟反射层）成因,最后进行分析是否存在游离气并反演计算游离气厚度、水合物厚度和水合物饱和度。
图3-1 天然气水合物地震AVO模型正演识别标志构建技术思路
水合物模型AVO响应正演模拟分析一般采用褶积法、射线追踪法或波动方程正演模拟法。前二种方法计算量小、简单实用,缺点是无法考虑多次波的影响和地震波在传播过程中的扩散、衰减和绕射等响应;后者需要的地层弹性参数多、公式复杂、计算量大,但它模拟的结果基本反映了地震波在传播过程中的扩散、衰减和绕射效应等对BSR的影响。AVO分析和正演模拟研究一般采用射线追踪与Zoeppritz方程相结合的技术方法。进行水合物模型的AVO正演研究是水合物AVO定量研究的重要组成部分,其主要的研究内容是计算单个反射层的AVO响应特征,建立理论的海域天然气水合物地震AVO识别标志,以指导对地震AVO反演成果的解释和对水合物、游离气的富集程度预测和综合评价。天然气水合物地震AVO模型正演识别标志构建技术思路图3-1。
3.2 AVO技术在裂缝检测中的应用
裂缝性储层识别和预测是油气勘探开发中难度大却越来越重要的一个领域。由于横波在裂缝性地层中会改变偏振方向和速度,因此,最初人们探讨使用三维多分量横波来探测裂缝[4]。鉴于横波勘探成本昂贵,横波地震资料的信噪比较低,导致该方法至今未得到广泛应用。近年来,有关应用纵波地震勘探资料检测储层裂缝分布的方法引起石油工业界的广泛兴趣,在这些方法中,采用AVO技术对叠前三维道集资料进行多方位分析,以确定储层中裂缝的分布状况受到人们的特别关注。
地震波在各向异性介质中的传播速度不仅与质点的位置有关,而且与地震波在该质点处的传播方向有关,即介质表现为各向异性的特性。然而,沉积作用和构造形变也可导致地层的各向异性,尤以构造形变形成的裂缝造成的地层各向异性更重要、更普遍。地震波在裂缝介质中的传播如图3-2所示,地震波传播的速度既要受传播方向与裂缝走向的夹角的影响,也要受裂缝面的夹角影响。在裂缝地层中,当观测方向垂直裂缝走向时,裂缝对AVO属性参数的影响达到最大;当观测方向平行裂缝走向时,裂缝对AVO属性参数的影响达到最小。因此,对裂缝储层同一点的多方位AVO观测会表现出相应的差异,任何影响纵波速度变化的因素都會导致反射系数的变化。只有当储层不发育裂缝时,这种差异才会小到可以被忽视的程度。
图3-2 裂缝地层地震反射示意图
渤海湾盆地[5]一个次级凹陷内Y107井区古近系孔店组地层。在开发早期由于地层压力较低,在实施注水方案后出现了明显的水淹现象,严重地影响了油田的正常生产。推测快速水淹可能是由于储层中裂缝和小断层较发育造成的,即:①油田之间被多断层切割,断层不具封堵性,南北油田可能是统一压力系统;②井眼内大量渗水的现象可能是由于储层内较发育裂缝引起的;③Y107井区目前已钻探22口探井,每口井都钻遇到了砾岩储层,在这些井中,Y50-20、Y50-21、Y50-22、Y50-24、Y50-27、Y50-28、Y107等井渗透性砾岩层的顶部均表现出降速效应;④现有地震资料显示,块状砾岩储层的地震反射同相轴隐约存在错位或线状振幅阴影(振幅阴影是由于断层断点的振幅通常为正常地层反射振幅的一半所致,即半幅点为断点),反映了储层内部可能存在小规模断层或裂缝(图3-3)
AVO在其他方面的应用也较广泛。主要表现为以下几个方面：方位AVO分析技术；AVO属性反演；薄互层及非砂岩储层、非亮点气层的AVO特征研究；速度变化大的区域采用叠前深度偏移技术是AVO处理的发展趋势；此外，多分量AVO分析越来越受到人们的重视，因为它可提供更多的可靠信息，其分析结果将更趋合理，与实际地质情况也更接近，将会得到广泛的应用。很多人认为由于碳酸盐孔隙充气，充油和充水情况下泊松比变化不大，因此对检测碳酸盐岩油气藏作用不大。其实AVO技术用于碳酸盐岩储层的预测同样有效。此外，AVO在推断薄地层密度估算等方面也有较有效的应用。
图3-3 过Y50-18井的主测线298地震解释剖面
参考文献
[1]殷八斤 曾灏 杨在岩.AVO的理论与研究.北京：石油工业出版社，1995.
[2]刘 伟.AVO方法研究与应用进展.地球物理勘探.2008.06.18~21.
[3]高建荣 胡宇芳,王延. 基于AVO的属性分析. 物探化探计算技术.第29卷第4期.2007年7月.303~307.
[4]郭旭升 凡睿.AVO技术在普光气田鲕滩储层预测中的应用.石油与天然气地层.第28卷第2期.2007年4月.198~202.
[5]Wangpu，zhang wenpo .Multi-component AVO response of thin beds based on reflectance spectrum theory.APPLIED GEOPHYSICS. VOI.3.No.1. March 2006.p27~36.
AVO(Amplitude Versus Offset)技术就是利用叠前共反射点道集，分析振幅（反射系数）随偏移距（或入射角）的变化规律，估算界面泊松比进而推断地层岩性和含油气情况，是最近二十几年发展起来的一项地震勘探技术。AVO在探测寻找油气田、天然气水合物调查评价、裂缝检查和划分海底底质等方面取得了重要进展。本文对海底地震波反射进行AVO分析，通过海底物理模型建模模拟海底底质，并从简化的佐普里兹方程出发，使用海底物理模型参数，对相关的各类地震波振幅（反射系数）与入射角关系公式编程，将获得图形进行对比分析即通过AVO正演获得不同类型地层的反射系数与入射角关系，在此基础上对海底不同底质类型进行AVO分析，以便利用AVO技术进行反演获取海底底质类型。
关键词：AVO；佐普里兹方程； 海底物理模型； 底质
中图分类号：P738文献标识码： A
绪论
我国海域辽阔，在海底底质中，经常混杂有海草及其他海洋生物。海洋底质的分布与海岸性质有关。了解潜水作业现场的海底底质，将有助于我们制定浴水作业计划，选择解压方案，确保留水人员的安全。本文主要介绍AVO(Amplitude Variation with Offset)分析方法划分海底底质。AVO 作为一种含气砂岩的异常地球物理现象，最早在2O世纪8O年代初被Ostrander发现。这一现象表现为：当储层砂岩含气后，地震反射振幅随炮检距会发生明显的加大(基于SEG标准极性)。因为AVO现象与含气砂岩的对应关系，从而引起勘探地球物理界广泛的重视。后续的研究表明：这种异常现象并非一种特殊的形式，而是遵循Zoeppritz早先所提出的地震反射波动力学方程式，从而对AVO 现象的解释有了完整的理论基础。
1． AVO分析的地球物理基础
1．1 AVO分析的理论基础
1．1．1AVO技术的理论基础——Zoeppritz方程
图1-1 两无穷大弹性介质分界面处入射P波的反射和透射
图1-1示出了P波倾斜入射两介质分界面，激发的反射P波Rpp、反射S波Rps、透射P波Tpp、透射S波Tps。图中是入射角，是反射S波的反射角，是透射P波的透射角，是透射S波的透射角，是入射角界面上部介质的密度，Vp1是纵波速度，是横波速度，是界面以下的介质密度，Vp₂是纵波速度，Vs₂是横波速度,此时Zoeprritz方程形式如式（1-1）所示：（1-1）
式中各个角度可通过斯奈尔定律式（1-2）求
（1-2）
通过求解此矩阵，即可得到各反射、透射的P、S波的反射和透射系数。
1.1.2区分流体和固体的简化公式
1961年，Bortfeld利用地层厚度趋于零来逼近单界面的方法计算了平面纵波和透射波的反射系数，第一个给出了反射系数近似计算公式，并用不同的表示项对流体和固体进行了区分。其中有反射振幅近似公式
(1-3)式中，θ₁和θ₂分别为反射角和透射角。
1983年，Hihemen对Bortfeld近似公式做了修改，得到了反射振幅的近似表达式：
(1-4)
上述两种近似方法的最大特点是分别用不同的表示项对流体和固体进行了区分。其中，第一项只包含纵波的速度和密度，不包含横波的任何信息；第二项则包含了纵、横波速度和密度。因此可以将第一项称为流体因子，第二项称为刚体因子。其次，当入射角为零时(法向入射)，反射振幅完全由波阻抗差来决定。
如果假设两层介质密度相同，即ρ₁=ρ₂，则可以得到更简单的
(1-5)
1.2 AVO技術的地质基础
要解决振幅异常的多解性不仅要研究振幅变化与波速的关系，还要研究振幅变化与其他弹性参数的关系。在λ、μ 和σ等几个弹性参数种，σ是在Zoeppritz方程中独立出现的，并且通过大量的工作研究，得到σ对区分岩性有特殊的作用。大量的实验表明：固结的岩石纵横速度比小于2．0，σ小于0．333，当岩石中孔隙充满水时，Vp/Vs可以从1．4-2．0，当岩石孔隙充满空气时，Vp/Vs可以在1．3-1．7变化。水饱和的非固结地层Vp/Vs大于2．0。因此Vp/Vs与σ的对应关系是随岩性的变化而变化。可以得到：
①未固结的浅层盐水饱和沉积岩往往具有非常高的泊松比值(O．4以上)。
②泊松比往往随孔隙度的减小及沉积固结程度而减少。
③高孔隙度的盐水饱和砂岩往往具有较高的泊松比值(013-014)。
④气饱和高孔隙度砂岩往往具有极低的泊松比值(如低到0.1)
Domenico(1977)研究了含气、含油、含水砂岩的泊松比随埋藏深度的变化规律，结果发现含不同流体砂岩的泊松比随深度的变化特征是不同的：含气砂岩的泊松比随着深度的增加而增加，但泊松比的值总是小于含油和含水砂岩的泊松比值；含水砂岩的泊松比随着深度的增加而减小，但泊松比的值总是大于含油和含气砂岩的泊松比值；含油砂岩的泊松比也随着深度的增加而减小，泊松比的值总是介于含水和含气砂岩泊松比值之间。岩石物性研究发现，当砂岩中含气时，纵波速度明显降低，含气层的泊松比较小，与围岩的泊松比之差大都在0．2～O．3之间因此，一般都可检测到较明显的AVO响应。含油层由于泊松比值明显大于含气层，与围岩的泊松比差值较小甚至接近，因此反射系数随炮检距的变化程度明显小于含气层，AVO 响应要比含气层弱得多，而且包括了所有可能出现的AVO响应，检测也将更为困难。因此，AVO技术应用在寻找气藏方面更为有利，更能体现其优越性。一般来讲，不同岩性按泊松比值从高到低排序依次是：石灰岩、白云岩、泥岩和砂岩，在砂岩中由于孔隙流体性质的差异，依次是：水砂岩、油砂岩和气砂岩。
3. AVO技术的应用
3.1 AVO技术在天然气水合物调查评价中的应用
岩石物性分析研究的成果表明,海域天然气水合物地球物理特征为:海域天然气水合物沉积层的纵波速度、横波速度均随着天然气水合物饱和度增加而增大,泊淞比随着饱和度增加而降低,饱和度小时降低较慢,饱和度大时降低较快。对含游离气沉积层,随着游离气饱和度增大,纵波速度下降,特别是在0~10%的范围内有较大幅度的降低;而横波速度随着饱和度增大有小幅度的增大。随着饱和度的增加,含游离气沉积物的泊淞比降低。总体上天然气水合物沉积层的纵波速度、横波速度和泊淞比均大于饱含水沉积层以及含游离气沉积层的纵波速度、横波速度和泊淞比,其中含游离气沉积层的纵波速度、横波速度最低。
根据水合物沉积层及其上下沉积层的地球物理特征和AVO方法技术的特点,设计利用AVO技术进行海域天然气水合物识别的技术思路［3］是:首先设计不同的水合物赋存状况的地质模型,在此基础上根据反射层不同的弹性参数(如纵波速度、横波速度、密度、泊淞比)模型,正演计算单个反射层的AVO响应特征,然后与拾取的实际的AVO响应进行对比分析,探讨BSR（海底模拟反射层）成因,最后进行分析是否存在游离气并反演计算游离气厚度、水合物厚度和水合物饱和度。
图3-1 天然气水合物地震AVO模型正演识别标志构建技术思路
水合物模型AVO响应正演模拟分析一般采用褶积法、射线追踪法或波动方程正演模拟法。前二种方法计算量小、简单实用,缺点是无法考虑多次波的影响和地震波在传播过程中的扩散、衰减和绕射等响应;后者需要的地层弹性参数多、公式复杂、计算量大,但它模拟的结果基本反映了地震波在传播过程中的扩散、衰减和绕射效应等对BSR的影响。AVO分析和正演模拟研究一般采用射线追踪与Zoeppritz方程相结合的技术方法。进行水合物模型的AVO正演研究是水合物AVO定量研究的重要组成部分,其主要的研究内容是计算单个反射层的AVO响应特征,建立理论的海域天然气水合物地震AVO识别标志,以指导对地震AVO反演成果的解释和对水合物、游离气的富集程度预测和综合评价。天然气水合物地震AVO模型正演识别标志构建技术思路图3-1。
3.2 AVO技术在裂缝检测中的应用
裂缝性储层识别和预测是油气勘探开发中难度大却越来越重要的一个领域。由于横波在裂缝性地层中会改变偏振方向和速度,因此,最初人们探讨使用三维多分量横波来探测裂缝[4]。鉴于横波勘探成本昂贵,横波地震资料的信噪比较低,导致该方法至今未得到广泛应用。近年来,有关应用纵波地震勘探资料检测储层裂缝分布的方法引起石油工业界的广泛兴趣,在这些方法中,采用AVO技术对叠前三维道集资料进行多方位分析,以确定储层中裂缝的分布状况受到人们的特别关注。
地震波在各向异性介质中的传播速度不仅与质点的位置有关,而且与地震波在该质点处的传播方向有关,即介质表现为各向异性的特性。然而,沉积作用和构造形变也可导致地层的各向异性,尤以构造形变形成的裂缝造成的地层各向异性更重要、更普遍。地震波在裂缝介质中的传播如图3-2所示,地震波传播的速度既要受传播方向与裂缝走向的夹角的影响,也要受裂缝面的夹角影响。在裂缝地层中,当观测方向垂直裂缝走向时,裂缝对AVO属性参数的影响达到最大;当观测方向平行裂缝走向时,裂缝对AVO属性参数的影响达到最小。因此,对裂缝储层同一点的多方位AVO观测会表现出相应的差异,任何影响纵波速度变化的因素都會导致反射系数的变化。只有当储层不发育裂缝时,这种差异才会小到可以被忽视的程度。
图3-2 裂缝地层地震反射示意图
渤海湾盆地[5]一个次级凹陷内Y107井区古近系孔店组地层。在开发早期由于地层压力较低,在实施注水方案后出现了明显的水淹现象,严重地影响了油田的正常生产。推测快速水淹可能是由于储层中裂缝和小断层较发育造成的,即:①油田之间被多断层切割,断层不具封堵性,南北油田可能是统一压力系统;②井眼内大量渗水的现象可能是由于储层内较发育裂缝引起的;③Y107井区目前已钻探22口探井,每口井都钻遇到了砾岩储层,在这些井中,Y50-20、Y50-21、Y50-22、Y50-24、Y50-27、Y50-28、Y107等井渗透性砾岩层的顶部均表现出降速效应;④现有地震资料显示,块状砾岩储层的地震反射同相轴隐约存在错位或线状振幅阴影(振幅阴影是由于断层断点的振幅通常为正常地层反射振幅的一半所致,即半幅点为断点),反映了储层内部可能存在小规模断层或裂缝(图3-3)
AVO在其他方面的应用也较广泛。主要表现为以下几个方面：方位AVO分析技术；AVO属性反演；薄互层及非砂岩储层、非亮点气层的AVO特征研究；速度变化大的区域采用叠前深度偏移技术是AVO处理的发展趋势；此外，多分量AVO分析越来越受到人们的重视，因为它可提供更多的可靠信息，其分析结果将更趋合理，与实际地质情况也更接近，将会得到广泛的应用。很多人认为由于碳酸盐孔隙充气，充油和充水情况下泊松比变化不大，因此对检测碳酸盐岩油气藏作用不大。其实AVO技术用于碳酸盐岩储层的预测同样有效。此外，AVO在推断薄地层密度估算等方面也有较有效的应用。
图3-3 过Y50-18井的主测线298地震解释剖面
参考文献
[1]殷八斤 曾灏 杨在岩.AVO的理论与研究.北京：石油工业出版社，1995.
[2]刘 伟.AVO方法研究与应用进展.地球物理勘探.2008.06.18~21.
[3]高建荣 胡宇芳,王延. 基于AVO的属性分析. 物探化探计算技术.第29卷第4期.2007年7月.303~307.
[4]郭旭升 凡睿.AVO技术在普光气田鲕滩储层预测中的应用.石油与天然气地层.第28卷第2期.2007年4月.198~202.
[5]Wangpu，zhang wenpo .Multi-component AVO response of thin beds based on reflectance spectrum theory.APPLIED GEOPHYSICS. VOI.3.No.1. March 2006.p27~36.