劉立彬 王延光 孫成禹

(①中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營257022； ②中國石化勝利油田分公司，山東東營257022； ③中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島266580)

0 引言

隨著油氣的持續(xù)勘探和開發(fā)，較易識別的構造油氣藏的數(shù)目在不斷減少。如何尋找難以識別的巖性油氣藏，并對其進行精確描述已逐漸成為石油勘探的重要任務。大面積的薄互層巖性油氣藏是中國油氣探明儲量增長的重要領域之一，該類油氣藏的主要特點是儲層厚度小、儲層與非儲層互層嚴重，并且地層巖性和厚度橫向變化較大，對預測精度要求更高。薄互層地震反射特征的理論研究對于描述其地層分布規(guī)律具有重要指導意義。

由于厚度的限制，薄層內的多次波、轉換波會與界面有效反射波發(fā)生疊加干涉，這就是薄層的調諧現(xiàn)象。在薄互層油氣聚集區(qū)，薄互層反射的干涉調諧效應和儲層橫向變化引起地震記錄振幅、相位和頻率發(fā)生復雜變化。變化規(guī)律受薄互層內各巖層速度、密度及單層厚度、層間組合關系等因素的影響[1]。薄互層地震反射波場特征也因此復雜化，給后續(xù)資料處理、解釋帶來困難。

一直以來，業(yè)內人士在不懈努力，使薄互層研究取得了很大進展。Sengbush等[2]早期發(fā)現(xiàn)當?shù)貙拥臅r間厚度(雙程旅行時)等于1/2的子波周期時反射振幅達到最大值，并將這一現(xiàn)象稱為“調諧”。隨后，Widess[3]基于零相位子波并變換薄層厚度，研究得知當薄層厚度為λ/8(λ為地震波長)時，反射波的波形為入射波波形的一階導數(shù)，且可分辨其頂?shù)追瓷?，從而將厚度小于?8的地層定義為薄層。Kallweit等[4]提出地震波的時間分辨極限與其高截頻有關，實際經(jīng)換算后在深度上近似等于主波長的1/4。當薄互層存在時，由于調諧效應、層間多次波及衰減等因素的影響，導致其反射特征與單界面反射有很大區(qū)別，尤其是AVO(Amplitude Versus Offset)響應存在顯著差異。

AVO是利用反射波振幅與炮檢距或入射角的關系尋找油氣的一項有效技術，其振幅變化特征可指示反射界面兩側介質的巖性及物性特征，進而指導油氣檢測。地震勘探中水平疊加技術壓制了振幅隨入射角變化的信息，對所有炮檢距的振幅取平均值得到疊加后同相軸的振幅，不利于利用地震波動力學信息檢測巖性和油氣[5]。基于共反射點(CRP)道集進行AVO分析，其異常和繞射能量都得到正確歸位，隨機噪聲被削弱，AVO響應更突出，分析結果的精確性得到提高[6]。受薄層調諧效應的影響，地震反射振幅數(shù)值發(fā)生變化，但AVO響應的變化規(guī)律保持一致[7]。在推導出薄層AVO響應的精確解后發(fā)現(xiàn)薄層厚度、泊松比等因素會對AVO效應產(chǎn)生影響[8-9]。另外，地層埋深、薄層厚度、地層速度等因素對薄層反射波振幅和頻率特征也會有影響[10]。研究表明不同薄層結構的差異會導致地震反射特征的改變，而這些差異會體現(xiàn)在地震屬性上，即地震屬性特征會受到不同互層組合、互層及單層厚度、砂泥比等因素的影響[11-12]。

由于薄互層反射的復雜性，目前對其研究大多是針對實際數(shù)據(jù)做目標處理[13-14]，并依據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律做儲層描述和含流體預測[15-17]；基于薄互層結構模型對地震反射特征本身的研究相對較少[18]，因而實際應用中缺乏相應的理論基礎。

本文基于反射率法正演的薄互層理論模型，充分考慮層間多次波和轉換波等因素的影響，研究了簡單薄互層模型的地震反射特征及其影響因素。分別針對厚度、砂泥比、互層數(shù)等因素，構建簡單薄互層模型，利用反射率法進行正演模擬，并分析不同薄互層結構和子波對薄互層地震反射特征的影響。通過模型分析，為進一步認識實際薄互層結構的地震反射特征奠定基礎。最后通過分析薄互層模型的AVO曲線特征及不同因素對AVO效應的影響，將通過正演模擬得出的結論指導實際資料的薄互層精細解釋，取得了令人滿意的應用效果。

1 四類AVO響應特征

AVO正演即是利用模型正演模擬AVO現(xiàn)象，結合油藏特征分析不同地質條件下油、氣、水及特殊巖性體的AVO特征，建立相應AVO檢測標志，在實際地震記錄中直接識別巖性及油氣。通?？衫肁VO正異常進行碳氫檢測，但并不是所有氣層的AVO都是正異常，氣層AVO特征變化十分復雜。Rutherford等[19]根據(jù)氣層的波阻抗和泊松比特征將氣層AVO響應劃分為三類； 后來，Castagna等[20]將其推廣到低阻抗氣層，并將氣層AVO響應劃分為四類。

圖1中Ⅰ類為高阻抗砂巖含氣AVO響應曲線。這類砂巖具有比上覆介質更高的波阻抗，在零炮檢距處反射振幅為正且較高； 隨著角度/炮檢距增大，反射振幅呈減少趨勢。減小到一定程度時出現(xiàn)極性反轉現(xiàn)象，振幅變?yōu)樨撝?。顯然，只有入射角足夠大時才可觀察到極性反轉。Ⅱ類為近零阻抗差的含氣砂巖，零炮檢距時振幅趨于零。炮檢距由近及遠，振幅絕對值呈增加趨勢。當AVO曲線截距小于零時，隨著炮檢距增加，反射振幅絕對值呈增大趨勢。Ⅲ類、Ⅳ類為低阻抗砂巖： Ⅲ類零炮檢距振幅強，呈負極性，振幅絕對值呈增加趨勢； Ⅳ類AVO振幅絕對值呈減少趨勢。中國大多數(shù)油田屬于陸相沉積，所觀察到的AVO現(xiàn)象絕大多數(shù)是經(jīng)薄互層調諧干涉后結果，而非單個界面反射。不同巖性組合，其AVO特征可能不同，即使巖性組合相同，其單層厚度不同也可造成AVO特征差異。因此，分析薄互層AVO特征有助于檢測和識別巖性和油氣藏。

圖1 四類AVO響應曲線

2 薄互層法向反射特征的影響因素

構建簡單的砂泥巖薄互層，考慮層間多次波、轉換波的影響，對于法向入射反射情況，使用反射率法計算得到自激自收剖面； 改變薄互層的厚度、砂泥比及子波類型等參數(shù)，從而分析不同薄互層結構的垂向地震反射特征。

2.1 厚度的影響

建立7種不同砂泥比楔形薄互層模型(圖2是其中一種)，每種薄互層總厚度范圍是0～90m，圍巖是泥巖，其中泥巖速度為2300m/s，砂巖速度為2550m/s。采用主頻為30Hz的雷克子波做反射率正演，對正演結果做振幅分析。提取不同砂泥比薄互層的反射振幅和瞬時頻率，得到不同砂泥比時薄互層反射振幅(圖3a)和頻率(圖3b)隨厚度的變化曲線，以總結薄互層調諧厚度與砂泥比的關系。

圖2 砂泥比為2.0的楔形薄互層模型

從圖3可見： 隨著薄互層厚度增大，薄互層最上部界面反射振幅先增后減，當薄互層厚度增至一定程度時，頂界面反射趨于穩(wěn)定； 隨著砂泥比增大，薄互層極值厚度(反射振幅絕對值的極大值對應的薄互層厚度)增大，逐漸向單薄層靠近，整體接近λ/5。不同砂泥比的楔形薄互層模型的調諧曲線存在差異。隨著砂泥比增大薄互層反射振幅增強(圖3a)；隨著薄互層厚度增加，記錄到的反射波頻率先減后增，變化平緩，與薄互層厚度的相關性弱于反射振幅(圖3b)。受數(shù)據(jù)采樣和拾取精度影響，盡管圖中曲線局部存在小起伏跳躍，但變化趨勢是明顯的。

圖3 薄互層模型反射記錄上反射振幅(a)和頻率(b)隨厚度的變化曲線

2.2 砂泥比的影響

建立圖4a所示薄互層模型(砂巖、泥巖速度同圖2)，單套砂泥巖薄互層(一層砂加一層泥為一套薄互層)厚度保持10m不變，從左向右砂泥比不斷增大，模型中共有兩套薄互層?；诜瓷渎史?30Hz雷克子波)正演提取薄互層頂界面反射振幅，得到反射振幅隨砂泥比變化的關系曲線(圖4b)?？梢妴翁咨澳鄮r薄互層厚度保持10m不變時，隨著砂泥比增加，薄互層反射振幅不斷增強，砂泥比增大到大約12～17后，振幅趨于穩(wěn)定(此時砂泥薄互層的響應近乎單砂層)，反射振幅幾乎不再變化。

2.3 互層數(shù)的影響

當單套薄互層厚度小于調諧厚度(不同砂泥比對應的調諧厚度在λ/6～λ/4之間，即13～20m)時，保持單套砂泥巖薄互層厚度(10m)不變，增加薄互層組合的套數(shù)/層數(shù)(“n套”表示n層薄砂巖與n-1層薄泥巖構成的互層)，采用30Hz雷克子波做反射率法正演，得到正演波形和反射系數(shù)譜； 提取薄互層頂界面反射振幅，得到不同互層數(shù)的薄互層模型反射振幅隨砂泥比的變化曲線(圖5b)?？梢姰攩翁咨澳鄮r厚度小于調諧厚度時，無論互層數(shù)如何變化，薄互層反射振幅的變化規(guī)律一致，始終隨砂泥比的增大而增強； 當砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定?；訑?shù)的不同，對薄互層模型的影響主要體現(xiàn)在薄互層的總厚度不同； 互層數(shù)越多，薄互層總厚度越大； 當某一互層數(shù)對應的薄互層厚度接近調諧厚度時，反射振幅最強。

圖4 砂泥比變化的兩套固定總厚度薄互層模型(a)及其反射振幅曲線(b)

圖5 砂泥比變化的多套固定厚度薄互層模型(a)及其反射振幅曲線(b)

保持單套砂泥巖組合厚度分別為5m(小于調諧厚度)、20m(接近調諧厚度)、50m(大于調諧厚度)，從左向右，砂泥比不斷增大(圖6)。每個厚度的薄互層變換3次套組數(shù)(2、3、5套)，利用反射率法正演，將正演結果與單套砂泥巖薄互層厚度10m情形進行對比分析，得到反射振幅隨砂泥比的變化曲線(圖6)。

從圖6a可知：此時單套砂泥厚度小于調諧厚度，隨著砂泥比的增大反射振幅增強； 當砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定?；訑?shù)的不同，影響薄互層的總厚度，當某一互層數(shù)對應的薄互層厚度接近調諧厚度時，反射振幅最強。從圖6b可知： 當單套砂泥厚度接近于調諧厚度時，隨著砂泥比的增大，薄互層反射振幅先增后減，極值不突出。當砂巖厚度變化到調諧厚度附近時，反射最強； 超過調諧厚度后，隨著砂泥比的增大，振幅減小不明顯。當砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定。從圖6c可知：當單套砂泥厚度遠大于調諧厚度時，隨著砂泥比的增大，薄互層反射振幅先增后減，且極值較為突出。當單砂巖厚度變化到調諧厚度附近時，反射最強； 超過調諧厚度后，隨著砂泥比的增大，振幅減小明顯。當砂泥比足夠大時，振幅趨于穩(wěn)定。

利用反射率法正演得到砂泥比為1.0時的反射系數(shù)譜曲線(圖7)，可見單套砂泥厚度與反射系數(shù)譜主峰值頻率的乘積始終為定值。此定值等于砂泥

圖6 三種單套砂泥巖厚度的不同互層數(shù)薄互層反射系數(shù)譜(a)單套砂泥厚度為5m； (b)單套砂泥厚度為20m； (c)單套砂泥厚度為50m

巖地層速度的一半，即峰值頻率與單套砂泥厚度成反比。且互層數(shù)越多，次級峰值越多，次級峰值數(shù)等于互層數(shù)減1。反射系數(shù)譜信息對儲層描述更準確，包含了地質構造、巖性變化及孔隙流體等信息，反射系數(shù)譜有助于用振幅做地震地層學解釋。實際解釋中可根據(jù)此反射系數(shù)譜中的主峰頻率或陷波頻率關聯(lián)薄層厚度： 峰值頻率和陷波頻率越高，對應的薄互層越薄。當然，受實際數(shù)據(jù)信噪比影響，通常難以拾取準確的峰值頻率，實際處理中更多地是拾取相對穩(wěn)定的陷波頻率。

圖7 不同單套砂泥厚度的反射 系數(shù)譜曲線(砂泥比=1.0)

3 薄互層AVO響應特征的影響因素

在薄互層調諧厚度分析的基礎上，利用砂泥巖薄互層模型正演數(shù)據(jù)，主要從薄層厚度、互層數(shù)及砂泥比三方面研討薄互層AVO特征的影響規(guī)律。

3.1 厚度的影響

建立簡單的三層介質模型，中間層為高速砂巖薄層(速度為2550m/s)，圍巖為泥巖(速度為2300m/s)。改變薄層厚度，采用30Hz雷克子波進行反射率法正演，探究AVO特征的變化。提取薄層反射頂界面振幅，由于為高速砂巖，反射極性為正，故提取波峰振幅，得到反射振幅隨入射角(炮檢距)的變化曲線，即AVO曲線(圖8a)?；谔崛〉腁VO曲線，繪制截距—梯度散點圖(圖8b)。可見上述薄層模型反射整體呈現(xiàn)為第Ⅱ類AVO特征，即近炮檢距處振幅較弱，隨著入射角(炮檢距)的增加，反射增強。在λ/4范圍內，薄層厚度變化不改變AVO趨勢，但對AVO曲線的截距及梯度值有影響。即厚度越大，梯度越大，變化越顯著。即使巖性組合相同，厚度的變化也會引起AVO特征的差異。因此，在進行AVO分析時，對于陸相薄互層砂泥巖地層，薄互層調諧對AVO特征的影響不容忽視。

圖8 砂層厚度不同時的AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

3.2 互層數(shù)的影響

在砂泥比相同時，改變薄互層的互層數(shù)，研究互層數(shù)對AVO響應特征的影響。保持砂泥比不變，分兩種情況變化設定互層數(shù)： ①單層砂巖厚度變化，砂巖累積厚度不變或薄互層總厚度不變； ②單層砂巖厚度不變，薄互層總厚度變化。

保持砂巖累積厚度(12m)、薄互層砂泥比(1.0)不變，改變單層砂巖厚度和層數(shù)(m×n表示地層中含有n層厚度為mm的砂巖層)?；诜瓷渎史ㄗ稣菽M，并提取薄互層頂界面的反射振幅，繪制AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖9)?？梢娫谏皫r累積厚度不變的條件下，薄互層層數(shù)組合關系的變化，不改變AVO變化趨勢，但對AVO變化曲線的截距有影響?；訑?shù)越少(單層砂巖越厚)，截距越大，對應的零炮檢距反射越強； 同時梯度越大，變化趨勢更明顯。

保持薄互層總厚度(15m)、薄互層砂泥比(1.0)不變，改變單層厚度和層數(shù)。基于反射率法做正演模擬，并提取薄互層頂界面反射振幅，繪制AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖10)?？梢娫诒』涌偤穸炔蛔兊臈l件下，薄互層層數(shù)組合關系的變化，不改變AVO變化趨勢，但對AVO變化曲線的截距有影響。單層厚度越大，截距越大，對應的零炮檢距反射越強。單層砂巖越厚，梯度越大，變化趨勢更明顯。 綜合單層砂巖厚度變化的兩種情況可見，無論

圖9 砂巖累積厚度為12m時不同互層數(shù)的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

是砂巖累積厚度不變，還是薄互層總厚度不變時的互層數(shù)的變化，基本不影響AVO變化趨勢。單層砂巖厚度越大，即互層數(shù)越少時，AVO曲線的截距越大，對應的零炮檢距反射越強，同時AVO曲線的梯度越大，變化趨勢更明顯。

保持單層砂巖厚度(2m)、薄互層砂泥比(1.0)不變，改變砂泥巖互層數(shù)(n表示地層中含有n層砂巖)。基于反射率法做正演模擬，提取薄互層頂界面反射振幅，繪制AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖11)?？梢妴螌由皫r厚度不變(因砂泥比恒定，故單層泥巖厚度不變)，互層數(shù)不同，薄互層的總厚度不同。互層數(shù)越多，AVO曲線的梯度越大，變化趨勢更明顯。

隨著互層數(shù)的增多，AVO曲線的截距先增后減，當達到調諧厚度附近時，截距最大，對應的零炮檢距反射最強。

3.3 砂泥比的影響

保持互層數(shù)(3層薄砂2層薄泥)不變，改變薄互層砂泥比(0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0)。得到的薄互層(單套砂泥厚度等于22m，大于調諧厚度)AVO曲線及其截距—梯度散點圖(圖12)。當單套砂泥厚度(大于調諧厚度)不變時，砂泥比的變化影響AVO變化曲線的截距和梯度： 隨著砂泥比的增大，截距先增后減，當砂巖厚度變至調諧厚度附近時，零炮檢距反射最強，截距最大； 砂泥比越大，梯度越大，反射振幅隨角度的變化更顯著。

在實際地震解釋過程中，若要利用AVO特征指導薄儲層、薄互層油氣藏預測，會有較多因素影響AVO曲線。除了層間多次波和地震波衰減等外部因素外，薄互層本身的厚度、互層數(shù)、砂泥比也會對AVO曲線產(chǎn)生影響。

圖10 總厚度為15m的不同互層數(shù)的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

圖11 不同互層數(shù)的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

圖12 不同砂泥比的薄互層AVO曲線(a)及其截距—梯度散點圖(b)

由上述模型分析可知，薄互層厚度并不會改變AVO曲線變化趨勢，但對AVO曲線的截距和梯度層產(chǎn)生影響。當薄層越厚時，AVO曲線的梯度越大，變化越顯著。而互層數(shù)則主要影響梯度和截距，互層數(shù)越多，AVO曲線的梯度越大，變化趨勢更明顯。隨著互層數(shù)增多，AVO曲線的截距先增后減，在調諧厚度附近達到最大值，對應的零炮檢距反射最強。砂泥比則與互層數(shù)的影響效果相當。了解上述影響后，則可在實際解釋中針對具體薄互層的AVO曲線，對薄層厚度、結構進行初步的預測。

4 結論與認識

針對構建的砂泥巖薄互層層狀模型和楔形模型，通過反射率法，完成了不同厚度、砂泥比、互層數(shù)等因素的薄互層模型的正演和地震反射特征分析，獲得以下認識和結論：

(1)單套砂泥組合的厚度一定時，砂泥比越高，薄互層反射振幅極值對應的薄互層厚度(調諧厚度)越大，最終與單薄層效應趨于一致。

(2)單套砂泥厚度與反射系數(shù)主峰值頻率的乘積為定值，且等于地層速度的一半； 互層數(shù)越多，次級峰值越多，次級峰值數(shù)等于互層數(shù)減1，即峰值頻率與單套砂泥厚度成反比； 實際解釋中可根據(jù)反射系數(shù)譜主峰頻率關聯(lián)薄互層厚度，即峰值頻率越高，對應的薄互層越薄。

(3)單套砂泥互層厚度不變的條件下，砂泥比越大，AVO斜率越大。當此厚度小于調諧厚度時，截距隨砂泥比(砂體量)而增大； 當此厚度大于調諧厚度時，截距隨砂泥比先增后減，最后趨于穩(wěn)定。

(4)薄互層組的厚度、砂泥比和互層數(shù)對AVO曲線有影響，故在實際解釋中可針對薄互層AVO曲線的截距、斜率、梯度等參數(shù)的具體特征，對薄層的厚度、結構進行初步的預測。