專利名稱：一種確定地層巖性和孔隙流體的方法
技術領域：
本發明涉及地球物理勘探技術，具體是一種利用三分量垂直地震剖面(VSP)采集到的縱波、轉換橫波信息反演獲得井旁地層的縱波、橫波反射系數，再反演得到井旁縱、橫波阻抗進而確定地層巖性和孔隙流體的方法。
背景技術：
垂直地震剖面(VSP)是一項非常年輕的地震勘探技術。常規的垂直地震剖面(VSP)大致的處理過程包括道編輯、波場分離(上下行波分離)、走廊疊加、偏移和反演。這些處理技術面對的都是縱波波場。近年來，隨著多波多分量地震勘探技術的發展，多波多分量垂直地震剖面(VSP)采集和處理技術也發展很快，它和以前的垂直地震剖面(VSP)技術不同的就是在采集中使用三分量檢波器，不只能得到縱波信號，還可采集得到轉換波波場。這樣得到的地震信息就更豐富了。其處理流程和常規的垂直地震剖面(VSP)處理相比，就是在波場分離這個步驟要分離出下行縱波，上行反射縱波，上行轉換橫波和下行轉換橫波。常規的反演技術是利用波的運動學特征，只考慮單一的一種波入射到反射界面會發生透射和折射的情況，還沒有考慮到波在傳播過程中發生轉換的情況。因此，如果只是使用常規的反演模塊，就無法利用轉換橫波波場，也不能提供橫波波阻抗的變化。
地震波阻抗是地層的速度和密度的乘積。不同的地層(如泥巖和砂巖)密度不同，地震波傳播速度不同，波阻抗的變化范圍就有差異。另外，地層孔隙中流體性質的變化(油、氣、水)也會造成地震波速度的變化(具體反映在孔隙中含氣時地震縱波速度減小，橫波速度變化不大)。因此波阻抗的大小變化反映的是地層速度和密度的變化，也就能間接的反映地層巖性的變化和孔隙流體性質的變化。
在地震勘探中經常利用反演算法獲得地層的波阻抗，進而對地層的巖性、孔隙度發育情況和孔隙中流體的性質進行判別。
上述常規地震反演是利用地面地震的縱波資料和測井資料進行反演來獲得地下的縱波波阻抗信息。得到的是波阻抗時間域剖面，缺少深度信息的約束。這就造成了速度和深度的不確定性。同時地震數據有限的頻帶范圍和分辨率嚴重影響了反演結果的分辨率，不能滿足對地層進行巖性和孔隙流體性質識別的要求。
利用VSP下行縱波和上行縱波數據，在已有的速度模型的約束下反演得到波阻抗信息。這種方法利用了VSP數據既有時間域標尺，又有深度，不存在速度的多解性，提高了反演結果的可靠性；另外，由于VSP數據在地面激發，在井中采集，資料的頻帶范圍寬、分辨率高，這就使得反演結果的分辨率大大提高了。但是這種方法只考慮了地震縱波在地層中的透射和折射情況，只使用了地震縱波，無法得到橫波的波阻抗，也不能滿足對地層進行巖性和孔隙流體性質識別的要求。
發明內容
本發明目的是提供一種利用不同類型的地震波波場(下行縱波，上行反射縱波，上行轉換橫波，下行轉換橫波)反演出介質的縱、橫波波阻抗從而確定地層巖性和孔隙流體的方法。
本發明目的是采用以下技術步驟 1)在地面人工激發地震縱波，向下傳播，形成下行縱波；下行縱波在傳播過程中遇到反射界面(地層巖性變化造成波阻抗變化，使得地層分界面相當于地震波的反射界面)發生反射和折射，形成上行縱波和下行縱波；另外由于地震縱波并不是垂直入射到反射界面上，在入射時就要發生波的轉換，形成轉換橫波，橫波也在這個反射界面發生反射和折射，形成上行橫波(反射橫波)和下行橫波(透射橫波)。這樣就形成了四種不同類型的地震波波場。在井中不同深度放置三分量地震波接收器(兩兩相互垂直，可接收質點振動方向不同的地震波場)接收地震波場記錄三分量VSP地震波波場； 2)對三分量VSP地震數據進行波場分離、走廊疊加和頻帶拓寬，得到零井源距的地震波場(下行縱波波場，上行反射縱波波場，上行轉換橫波波場，下行轉換橫波波場)； 3)利用(2)步驟處理得到的下行縱波波場(即入射縱波)，上行反射縱波波場，上行轉換橫波波場，下行轉換橫波波場計算每個深度采樣點各種類型的地震波波場的透射縱波 透射縱波＝入射縱波+反射縱波+轉換橫波-透射轉換橫波 4)根據下式計算縱橫波速度比 上式中d是速度比向量，vp1、vp2、vs1、vs2分別是界面上、下兩側介質的縱、橫波速度；mk，l是位移梯度矩陣的二階子式，r0是界面的法線方向矢量；rm是各類型波的傳播方向矢量和界面的法線方向矢量的內積，當m＝0時為下行P波(即為透射縱波)，當m＝1時為上行P波，當m＝2時為上行S波，當m＝3時為下行S波；γ1是一權系數； 令Φ(d)→min，通過Newton迭代法我們可求得界面上、下兩側介質的縱、橫波速度比 5)根據以下公式計算縱、橫波反射系數 上式中，為步驟(4)中求得的縱橫波速度比，Rpp為縱波反射系數、Rss為橫波反射系數，ρ1為反射界面上覆層的密度，ρ2為反射界面下伏層的密度。
6)利用以下公式計算縱、橫波波阻抗 上式中，Imppp為反射界面下伏層的波阻抗，Impss為反射界面下伏層的橫波波阻抗，Rpp為縱波反射系數、Rss為橫波反射系數， 7)根據步驟6)得到的地層波阻抗變化曲線，對比已知的測井資料(聲波測井資料、密度測井資料、伽瑪測井資料和自然電位測井資料)，就可確定地層的巖性和孔隙流體性質。
本發明不需要對測井資料進行地層層位標定和時深轉換，可直接提供深度域的波阻抗變化曲線，避免了速度-深度的多解性；同時也不需要提取地震子波，直接利用VSP數據反演出波阻抗，分辨率高，避免了常規反演方法中的有限帶寬和低分辨率問題；特別是充分利用了三分量VSP的優點，在沒有橫波震源激發的情況下可同時向用戶提供縱、橫波波阻抗和地層的方位角和傾角，為確定地層巖性和孔隙流體性質的變化提供了有利的依據。
本發明實施例數據來自一維構造模型，見圖7。對比模型參數和反演結果見圖6，其中反射系數和地層傾角和方位角的變化是相吻合的，表明本發明的有效性和準確性。
圖1是采集到的三分量VSP原始地震數據的波場圖； 圖2是經過波場分離、走廊疊加的下行縱波波場圖； 圖3是經過波場分離、走廊疊加的下行橫波波場圖； 圖4是經過波場分離、走廊疊加的上行橫波波場圖； 圖5是經過波場分離、走廊疊加的上行縱波波場圖； 圖6是反演得到的縱波反射系數(等于橫波反射系數)、地層傾角和方位角深度與顯示圖； 圖7是本發明模型構造示意圖和參數分布示意圖。
具體實施例方式 野外通過炸藥和機械可控震源在地面人工激發地震波，在井中放置三分量地震波接收器接受地震波場信號，再由電纜傳到地面記錄儀器記錄三分量VSP地震波波場； 對采集到的三分量VSP原始地震數據，見圖1，進行波場分離、走廊疊加和頻帶拓寬，得到不同類型的零井源距地震波場，見圖2、圖3、圖4、圖5。包含下行縱波波場，上行反射縱波波場，上行轉換橫波波場，下行轉換橫波波場； 在每個深度采樣點各種類型的地震波波場(下行縱波，圖2；上行轉換橫波，圖3；下行轉換橫波，圖4；上行反射縱波，圖5)，都遵循彈性波在反射界面兩側發生反射和折射時各種波之間位移是連續的這一物理性質，則有透射縱波P＝入射波+反射縱波+轉換橫波-透射轉換橫波；據此可計算出透射縱波。
得到四種地震波場后，根據位移連續的條件和波在界面上時間場連續的條件，可以構造式(1)的目標函數 其中，d是速度比向量，vp1、vp2、vs1、vs2分別是界面上、下兩側介質的縱、橫波速度。mk，l是位移梯度矩陣的二階子式，r0是界面的法線方向矢量。rm是各類型波的傳播方向矢量和界面的法線方向矢量的內積，當m＝0時為下行P波，當m＝1時為上行P波，當m＝2時為上行S波，當m＝3時為下行S波。γ1是一權系數。式(1)第一項是根據位移連續的條件來構造的，第二項是根據波在界面上時間場連續的條件來構造的。
令Φ(d)→min，通過Newton迭代法我們可求得界面上、下兩側介質的縱、橫波速度比 得到縱橫波速度比和密度比后，根據公式 計算就得到縱、橫波反射系數。
對得到的縱、橫波反射系數再利用公式 就得到了縱、橫波波阻抗。
分析得到的縱、橫波波阻抗在深度方向上的變化特點，就可判斷地層巖性的變化和孔隙流體性質。
權利要求
1、一種確定地層巖性和孔隙流體的方法，其特征在于采用以下具體步驟實現
1)在地面人工激發地震，在測井井中不同深度采樣點放置三分量地震波接收器，記錄三分量VSP地震波波場；
2)采用常規的方法對三分量VSP地震數據進行波場分離、走廊疊加和頻帶拓寬，得到零井源距地震波場；
3)利用步驟2)處理得到的零井源距地震波場，用下式計算不同深度采樣點的地震波波場的透射縱波P
透射縱波P＝入射縱波+反射縱波+轉換橫波-透射轉換橫波
4)根據下式計算縱橫波速度比
上式中d是速度比向量，vp1、vp2、vs1、vs2分別是界面上、下兩側介質的縱、橫波速度；mk，l是位移梯度矩陣的二階子式，r0是界面的法線方向矢量；rm是各類型波的傳播方向矢量和界面的法線方向矢量的內積，當m＝0時為下行P波，當m＝1時為上行P波，當m＝2時為上行S波，當m＝3時為下行S波；γ1是一權系數；
令Φ(d)→min，通過Newton迭代法我們可求得界面上、下兩側介質的縱、橫波速度比
5)根據以下公式計算縱、橫波反射系數
上式中，為步驟4)中求得縱橫波速度比，Rpp為縱波反射系數、Rss為橫波反射系數，ρ1為反射界面上覆層的密度，ρ2為反射界面下伏層的密度；
6)利用以下公式計算縱、橫波波阻抗
上式中，Imppp為反射界面下伏層的波阻抗，Impss為反射界面下伏層的橫波波阻抗，Rpp為縱波反射系數、Rss為橫波反射系數，
7)根據步驟6)得到的地層波阻抗變化曲線，對比已知的測井資料就可確定地層的巖性和孔隙流體性質。
2、根據權利要求1所述的一種確定地層巖性和孔隙流體的方法，其特征在于步驟1)所述的三分量地震波接收器兩兩相互垂直，接收振動方向不同的地震波場。
3、根據權利要求1所述的一種確定地層巖性和孔隙流體的方法，其特征在于步驟2)所述的地震波場為下行縱波波場，上行反射縱波波場，上行轉換橫波波場，下行轉換橫波波場。
4、根據權利要求1所述的一種確定地層巖性和孔隙流體的方法，其特征在于步驟6)所述的已知的測井資料為聲波測井資料、密度測井資料、伽瑪測井資料和自然電位測井資料。
全文摘要
本發明涉及地球物理勘探確定地層巖性和孔隙流體的方法，采用記錄三分量VSP地震波波場，得到零井源距地震波場，計算不同深度采樣點的地震波波場的透射縱波P，再計算縱、橫波反射系數、縱、橫波波阻抗，根據得到的地層波阻抗變化曲線，對比已知的測井資料就可確定地層的巖性和孔隙流體性質。本發明可直接提供深度域的波阻抗變化曲線，避免了速度-深度的多解性，有限帶寬和低分辨率問題，分辨率高；充分利用了三分量VSP的優點，在沒有橫波震源激發的情況下可同時向用戶提供縱、橫波波阻抗和地層的方位角和傾角，為確定地層巖性和孔隙流體性質的變化提供了有利的依據。
文檔編號G01V1/40GK101354444SQ20071011946
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月25日 優先權日2007年7月25日
發明者張紅英, 侯愛源 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司