基于正演模型的砂泥岩薄互层AVO特征分析

刘立彬 王延光 孙成禹

(①中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营257022； ②中国石化胜利油田分公司，山东东营257022； ③中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛266580)

0 引言

随着油气的持续勘探和开发，较易识别的构造油气藏的数目在不断减少。如何寻找难以识别的岩性油气藏，并对其进行精确描述已逐渐成为石油勘探的重要任务。大面积的薄互层岩性油气藏是中国油气探明储量增长的重要领域之一，该类油气藏的主要特点是储层厚度小、储层与非储层互层严重，并且地层岩性和厚度横向变化较大，对预测精度要求更高。薄互层地震反射特征的理论研究对于描述其地层分布规律具有重要指导意义。

由于厚度的限制，薄层内的多次波、转换波会与界面有效反射波发生叠加干涉，这就是薄层的调谐现象。在薄互层油气聚集区，薄互层反射的干涉调谐效应和储层横向变化引起地震记录振幅、相位和频率发生复杂变化。变化规律受薄互层内各岩层速度、密度及单层厚度、层间组合关系等因素的影响[1]。薄互层地震反射波场特征也因此复杂化，给后续资料处理、解释带来困难。

一直以来，业内人士在不懈努力，使薄互层研究取得了很大进展。Sengbush等[2]早期发现当地层的时间厚度(双程旅行时)等于1/2的子波周期时反射振幅达到最大值，并将这一现象称为“调谐”。随后，Widess[3]基于零相位子波并变换薄层厚度，研究得知当薄层厚度为λ/8(λ为地震波长)时，反射波的波形为入射波波形的一阶导数，且可分辨其顶底反射，从而将厚度小于λ/8的地层定义为薄层。Kallweit等[4]提出地震波的时间分辨极限与其高截频有关，实际经换算后在深度上近似等于主波长的1/4。当薄互层存在时，由于调谐效应、层间多次波及衰减等因素的影响，导致其反射特征与单界面反射有很大区别，尤其是AVO(Amplitude Versus Offset)响应存在显著差异。

AVO是利用反射波振幅与炮检距或入射角的关系寻找油气的一项有效技术，其振幅变化特征可指示反射界面两侧介质的岩性及物性特征，进而指导油气检测。地震勘探中水平叠加技术压制了振幅随入射角变化的信息，对所有炮检距的振幅取平均值得到叠加后同相轴的振幅，不利于利用地震波动力学信息检测岩性和油气[5]。基于共反射点(CRP)道集进行AVO分析，其异常和绕射能量都得到正确归位，随机噪声被削弱，AVO响应更突出，分析结果的精确性得到提高[6]。受薄层调谐效应的影响，地震反射振幅数值发生变化，但AVO响应的变化规律保持一致[7]。在推导出薄层AVO响应的精确解后发现薄层厚度、泊松比等因素会对AVO效应产生影响[8-9]。另外，地层埋深、薄层厚度、地层速度等因素对薄层反射波振幅和频率特征也会有影响[10]。研究表明不同薄层结构的差异会导致地震反射特征的改变，而这些差异会体现在地震属性上，即地震属性特征会受到不同互层组合、互层及单层厚度、砂泥比等因素的影响[11-12]。

由于薄互层反射的复杂性，目前对其研究大多是针对实际数据做目标处理[13-14]，并依据数据的统计规律做储层描述和含流体预测[15-17]；基于薄互层结构模型对地震反射特征本身的研究相对较少[18]，因而实际应用中缺乏相应的理论基础。

本文基于反射率法正演的薄互层理论模型，充分考虑层间多次波和转换波等因素的影响，研究了简单薄互层模型的地震反射特征及其影响因素。分别针对厚度、砂泥比、互层数等因素，构建简单薄互层模型，利用反射率法进行正演模拟，并分析不同薄互层结构和子波对薄互层地震反射特征的影响。通过模型分析，为进一步认识实际薄互层结构的地震反射特征奠定基础。最后通过分析薄互层模型的AVO曲线特征及不同因素对AVO效应的影响，将通过正演模拟得出的结论指导实际资料的薄互层精细解释，取得了令人满意的应用效果。

1 四类AVO响应特征

AVO正演即是利用模型正演模拟AVO现象，结合油藏特征分析不同地质条件下油、气、水及特殊岩性体的AVO特征，建立相应AVO检测标志，在实际地震记录中直接识别岩性及油气。通常可利用AVO正异常进行碳氢检测，但并不是所有气层的AVO都是正异常，气层AVO特征变化十分复杂。Rutherford等[19]根据气层的波阻抗和泊松比特征将气层AVO响应划分为三类； 后来，Castagna等[20]将其推广到低阻抗气层，并将气层AVO响应划分为四类。

图1中Ⅰ类为高阻抗砂岩含气AVO响应曲线。这类砂岩具有比上覆介质更高的波阻抗，在零炮检距处反射振幅为正且较高； 随着角度/炮检距增大，反射振幅呈减少趋势。减小到一定程度时出现极性反转现象，振幅变为负值。显然，只有入射角足够大时才可观察到极性反转。Ⅱ类为近零阻抗差的含气砂岩，零炮检距时振幅趋于零。炮检距由近及远，振幅绝对值呈增加趋势。当AVO曲线截距小于零时，随着炮检距增加，反射振幅绝对值呈增大趋势。Ⅲ类、Ⅳ类为低阻抗砂岩： Ⅲ类零炮检距振幅强，呈负极性，振幅绝对值呈增加趋势； Ⅳ类AVO振幅绝对值呈减少趋势。中国大多数油田属于陆相沉积，所观察到的AVO现象绝大多数是经薄互层调谐干涉后结果，而非单个界面反射。不同岩性组合，其AVO特征可能不同，即使岩性组合相同，其单层厚度不同也可造成AVO特征差异。因此，分析薄互层AVO特征有助于检测和识别岩性和油气藏。

图1 四类AVO响应曲线

2 薄互层法向反射特征的影响因素

构建简单的砂泥岩薄互层，考虑层间多次波、转换波的影响，对于法向入射反射情况，使用反射率法计算得到自激自收剖面； 改变薄互层的厚度、砂泥比及子波类型等参数，从而分析不同薄互层结构的垂向地震反射特征。

2.1 厚度的影响

建立7种不同砂泥比楔形薄互层模型(图2是其中一种)，每种薄互层总厚度范围是0～90m，围岩是泥岩，其中泥岩速度为2300m/s，砂岩速度为2550m/s。采用主频为30Hz的雷克子波做反射率正演，对正演结果做振幅分析。提取不同砂泥比薄互层的反射振幅和瞬时频率，得到不同砂泥比时薄互层反射振幅(图3a)和频率(图3b)随厚度的变化曲线，以总结薄互层调谐厚度与砂泥比的关系。

图2 砂泥比为2.0的楔形薄互层模型

从图3可见： 随着薄互层厚度增大，薄互层最上部界面反射振幅先增后减，当薄互层厚度增至一定程度时，顶界面反射趋于稳定； 随着砂泥比增大，薄互层极值厚度(反射振幅绝对值的极大值对应的薄互层厚度)增大，逐渐向单薄层靠近，整体接近λ/5。不同砂泥比的楔形薄互层模型的调谐曲线存在差异。随着砂泥比增大薄互层反射振幅增强(图3a)；随着薄互层厚度增加，记录到的反射波频率先减后增，变化平缓，与薄互层厚度的相关性弱于反射振幅(图3b)。受数据采样和拾取精度影响，尽管图中曲线局部存在小起伏跳跃，但变化趋势是明显的。

图3 薄互层模型反射记录上反射振幅(a)和频率(b)随厚度的变化曲线

2.2 砂泥比的影响

建立图4a所示薄互层模型(砂岩、泥岩速度同图2)，单套砂泥岩薄互层(一层砂加一层泥为一套薄互层)厚度保持10m不变，从左向右砂泥比不断增大，模型中共有两套薄互层。基于反射率法(30Hz雷克子波)正演提取薄互层顶界面反射振幅，得到反射振幅随砂泥比变化的关系曲线(图4b)。可见单套砂泥岩薄互层厚度保持10m不变时，随着砂泥比增加，薄互层反射振幅不断增强，砂泥比增大到大约12～17后，振幅趋于稳定(此时砂泥薄互层的响应近乎单砂层)，反射振幅几乎不再变化。

2.3 互层数的影响

当单套薄互层厚度小于调谐厚度(不同砂泥比对应的调谐厚度在λ/6～λ/4之间，即13～20m)时，保持单套砂泥岩薄互层厚度(10m)不变，增加薄互层组合的套数/层数(“n套”表示n层薄砂岩与n-1层薄泥岩构成的互层)，采用30Hz雷克子波做反射率法正演，得到正演波形和反射系数谱； 提取薄互层顶界面反射振幅，得到不同互层数的薄互层模型反射振幅随砂泥比的变化曲线(图5b)。可见当单套砂泥岩厚度小于调谐厚度时，无论互层数如何变化，薄互层反射振幅的变化规律一致，始终随砂泥比的增大而增强； 当砂泥比足够大时，振幅趋于稳定。互层数的不同，对薄互层模型的影响主要体现在薄互层的总厚度不同； 互层数越多，薄互层总厚度越大； 当某一互层数对应的薄互层厚度接近调谐厚度时，反射振幅最强。

图4 砂泥比变化的两套固定总厚度薄互层模型(a)及其反射振幅曲线(b)

图5 砂泥比变化的多套固定厚度薄互层模型(a)及其反射振幅曲线(b)

保持单套砂泥岩组合厚度分别为5m(小于调谐厚度)、20m(接近调谐厚度)、50m(大于调谐厚度)，从左向右，砂泥比不断增大(图6)。每个厚度的薄互层变换3次套组数(2、3、5套)，利用反射率法正演，将正演结果与单套砂泥岩薄互层厚度10m情形进行对比分析，得到反射振幅随砂泥比的变化曲线(图6)。

从图6a可知：此时单套砂泥厚度小于调谐厚度，随着砂泥比的增大反射振幅增强； 当砂泥比足够大时，振幅趋于稳定。互层数的不同，影响薄互层的总厚度，当某一互层数对应的薄互层厚度接近调谐厚度时，反射振幅最强。从图6b可知： 当单套砂泥厚度接近于调谐厚度时，随着砂泥比的增大，薄互层反射振幅先增后减，极值不突出。当砂岩厚度变化到调谐厚度附近时，反射最强； 超过调谐厚度后，随着砂泥比的增大，振幅减小不明显。当砂泥比足够大时，振幅趋于稳定。从图6c可知：当单套砂泥厚度远大于调谐厚度时，随着砂泥比的增大，薄互层反射振幅先增后减，且极值较为突出。当单砂岩厚度变化到调谐厚度附近时，反射最强； 超过调谐厚度后，随着砂泥比的增大，振幅减小明显。当砂泥比足够大时，振幅趋于稳定。

利用反射率法正演得到砂泥比为1.0时的反射系数谱曲线(图7)，可见单套砂泥厚度与反射系数谱主峰值频率的乘积始终为定值。此定值等于砂泥

图6 三种单套砂泥岩厚度的不同互层数薄互层反射系数谱(a)单套砂泥厚度为5m； (b)单套砂泥厚度为20m； (c)单套砂泥厚度为50m

岩地层速度的一半，即峰值频率与单套砂泥厚度成反比。且互层数越多，次级峰值越多，次级峰值数等于互层数减1。反射系数谱信息对储层描述更准确，包含了地质构造、岩性变化及孔隙流体等信息，反射系数谱有助于用振幅做地震地层学解释。实际解释中可根据此反射系数谱中的主峰频率或陷波频率关联薄层厚度： 峰值频率和陷波频率越高，对应的薄互层越薄。当然，受实际数据信噪比影响，通常难以拾取准确的峰值频率，实际处理中更多地是拾取相对稳定的陷波频率。

图7 不同单套砂泥厚度的反射 系数谱曲线(砂泥比=1.0)

3 薄互层AVO响应特征的影响因素

在薄互层调谐厚度分析的基础上，利用砂泥岩薄互层模型正演数据，主要从薄层厚度、互层数及砂泥比三方面研讨薄互层AVO特征的影响规律。

3.1 厚度的影响

建立简单的三层介质模型，中间层为高速砂岩薄层(速度为2550m/s)，围岩为泥岩(速度为2300m/s)。改变薄层厚度，采用30Hz雷克子波进行反射率法正演，探究AVO特征的变化。提取薄层反射顶界面振幅，由于为高速砂岩，反射极性为正，故提取波峰振幅，得到反射振幅随入射角(炮检距)的变化曲线，即AVO曲线(图8a)。基于提取的AVO曲线，绘制截距—梯度散点图(图8b)。可见上述薄层模型反射整体呈现为第Ⅱ类AVO特征，即近炮检距处振幅较弱，随着入射角(炮检距)的增加，反射增强。在λ/4范围内，薄层厚度变化不改变AVO趋势，但对AVO曲线的截距及梯度值有影响。即厚度越大，梯度越大，变化越显著。即使岩性组合相同，厚度的变化也会引起AVO特征的差异。因此，在进行AVO分析时，对于陆相薄互层砂泥岩地层，薄互层调谐对AVO特征的影响不容忽视。

图8 砂层厚度不同时的AVO曲线(a)及其截距—梯度散点图(b)

3.2 互层数的影响

在砂泥比相同时，改变薄互层的互层数，研究互层数对AVO响应特征的影响。保持砂泥比不变，分两种情况变化设定互层数： ①单层砂岩厚度变化，砂岩累积厚度不变或薄互层总厚度不变； ②单层砂岩厚度不变，薄互层总厚度变化。

保持砂岩累积厚度(12m)、薄互层砂泥比(1.0)不变，改变单层砂岩厚度和层数(m×n表示地层中含有n层厚度为mm的砂岩层)。基于反射率法做正演模拟，并提取薄互层顶界面的反射振幅，绘制AVO曲线及其截距—梯度散点图(图9)。可见在砂岩累积厚度不变的条件下，薄互层层数组合关系的变化，不改变AVO变化趋势，但对AVO变化曲线的截距有影响。互层数越少(单层砂岩越厚)，截距越大，对应的零炮检距反射越强； 同时梯度越大，变化趋势更明显。

保持薄互层总厚度(15m)、薄互层砂泥比(1.0)不变，改变单层厚度和层数。基于反射率法做正演模拟，并提取薄互层顶界面反射振幅，绘制AVO曲线及其截距—梯度散点图(图10)。可见在薄互层总厚度不变的条件下，薄互层层数组合关系的变化，不改变AVO变化趋势，但对AVO变化曲线的截距有影响。单层厚度越大，截距越大，对应的零炮检距反射越强。单层砂岩越厚，梯度越大，变化趋势更明显。 综合单层砂岩厚度变化的两种情况可见，无论

图9 砂岩累积厚度为12m时不同互层数的薄互层AVO曲线(a)及其截距—梯度散点图(b)

是砂岩累积厚度不变，还是薄互层总厚度不变时的互层数的变化，基本不影响AVO变化趋势。单层砂岩厚度越大，即互层数越少时，AVO曲线的截距越大，对应的零炮检距反射越强，同时AVO曲线的梯度越大，变化趋势更明显。

保持单层砂岩厚度(2m)、薄互层砂泥比(1.0)不变，改变砂泥岩互层数(n表示地层中含有n层砂岩)。基于反射率法做正演模拟，提取薄互层顶界面反射振幅，绘制AVO曲线及其截距—梯度散点图(图11)。可见单层砂岩厚度不变(因砂泥比恒定，故单层泥岩厚度不变)，互层数不同，薄互层的总厚度不同。互层数越多，AVO曲线的梯度越大，变化趋势更明显。

随着互层数的增多，AVO曲线的截距先增后减，当达到调谐厚度附近时，截距最大，对应的零炮检距反射最强。

3.3 砂泥比的影响

保持互层数(3层薄砂2层薄泥)不变，改变薄互层砂泥比(0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0)。得到的薄互层(单套砂泥厚度等于22m，大于调谐厚度)AVO曲线及其截距—梯度散点图(图12)。当单套砂泥厚度(大于调谐厚度)不变时，砂泥比的变化影响AVO变化曲线的截距和梯度： 随着砂泥比的增大，截距先增后减，当砂岩厚度变至调谐厚度附近时，零炮检距反射最强，截距最大； 砂泥比越大，梯度越大，反射振幅随角度的变化更显著。

在实际地震解释过程中，若要利用AVO特征指导薄储层、薄互层油气藏预测，会有较多因素影响AVO曲线。除了层间多次波和地震波衰减等外部因素外，薄互层本身的厚度、互层数、砂泥比也会对AVO曲线产生影响。

图10 总厚度为15m的不同互层数的薄互层AVO曲线(a)及其截距—梯度散点图(b)

图11 不同互层数的薄互层AVO曲线(a)及其截距—梯度散点图(b)

图12 不同砂泥比的薄互层AVO曲线(a)及其截距—梯度散点图(b)

由上述模型分析可知，薄互层厚度并不会改变AVO曲线变化趋势，但对AVO曲线的截距和梯度层产生影响。当薄层越厚时，AVO曲线的梯度越大，变化越显著。而互层数则主要影响梯度和截距，互层数越多，AVO曲线的梯度越大，变化趋势更明显。随着互层数增多，AVO曲线的截距先增后减，在调谐厚度附近达到最大值，对应的零炮检距反射最强。砂泥比则与互层数的影响效果相当。了解上述影响后，则可在实际解释中针对具体薄互层的AVO曲线，对薄层厚度、结构进行初步的预测。

4 结论与认识

针对构建的砂泥岩薄互层层状模型和楔形模型，通过反射率法，完成了不同厚度、砂泥比、互层数等因素的薄互层模型的正演和地震反射特征分析，获得以下认识和结论：

(1)单套砂泥组合的厚度一定时，砂泥比越高，薄互层反射振幅极值对应的薄互层厚度(调谐厚度)越大，最终与单薄层效应趋于一致。

(2)单套砂泥厚度与反射系数主峰值频率的乘积为定值，且等于地层速度的一半； 互层数越多，次级峰值越多，次级峰值数等于互层数减1，即峰值频率与单套砂泥厚度成反比； 实际解释中可根据反射系数谱主峰频率关联薄互层厚度，即峰值频率越高，对应的薄互层越薄。

(3)单套砂泥互层厚度不变的条件下，砂泥比越大，AVO斜率越大。当此厚度小于调谐厚度时，截距随砂泥比(砂体量)而增大； 当此厚度大于调谐厚度时，截距随砂泥比先增后减，最后趋于稳定。

(4)薄互层组的厚度、砂泥比和互层数对AVO曲线有影响，故在实际解释中可针对薄互层AVO曲线的截距、斜率、梯度等参数的具体特征，对薄层的厚度、结构进行初步的预测。