黏弹性和速度各向异性对薄层反射的影响_陈本池.pdf

第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. MWMC Research Group, State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, School of Geophysics and Ination Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 3. Huainan MiningGroup Co. Ltd., Huainan 232001, China; 4. Petroleum Exploration and Production Research Institute of Sinopec, Beijing 100083, China Abstract The coal seam is a typical thin bed characterized by much lower elastic impedance than that of the sur- rounding rock. Coal seam has viscoelasticity and velocity anisotropy and its reflection amplitude changes with frequency. In order to analyze the effect of viscoelasticity and velocity anisotropy on seismic responses of a thin bed, this paper aims at a thin-bed model with strong impedance contrast and simulates seismic responses under three different assumptions, elastic and velocity isotropy, viscoelastic and velocity isotropy, and viscoelastic and velocity anisotropy, through numerical simulation based on wave equations. Comparison of these seismic reflections shows that the viscoelasticity has non-ignorable influence on the reflection of the thin bed, may reduce the reflected amplitude of elastic waves obviously. While the viscoelastic velocity isotropy and anisotropy have lit- tle influence on the reflections of elastic waves of the thin bed. Compared with instantaneous frequencies of the thin bed in elastic and velocity isotropy media, PP-wave instantaneous frequencies in viscoelastic media have a variation with the maximum 8, while those of PS-wave have only about 3 variation, may be ignored. The above research provides the possibility to predict tectonic coal by using the characteristics of extremely low quality factor of tectonic coal. Keywords thin bed; coal seam; viscoelasticity; velocity anisotropy; AVO attributes ChaoXing 第 5 期 陈本池等 黏弹性和速度各向异性对薄层反射的影响 187 P. Samec 等[1]的已有研究表明实际介质兼具 黏弹性和速度各向异性的特征，因而地下岩性界面 的反射系数会受到来自上下岩层的各向异性特征的 直接影响，同时由于实际介质的黏弹性使得地震波 在传播的过程中，将部分机械能转化成热能，从而 导致界面入射波和反射波的振幅出现衰减并影响其 相位。所以反映地下岩性界面的反射和传播效应的 AVOAmplitude Versus Offset解释方法不能只考虑 速度各向同性、完全弹性的情况，还要考虑到介质 的黏滞性和速度各向异性的影响。I. Tsvankin[2]通过 对 VTI 弹性各向异性介质界面反射 AVO 性质进行 分析， 认为界面的反射系数和 AVO 截距都会受到各 向异性的影响，并进一步分析了振幅曲线走势受各 向异性 Thomsen 参数的影响情况。总体上说，上述 这些研究都是围绕半空间单波阻抗差界面进行的讨 论。对于地层介质黏弹性所导致的地震波能量吸收 衰减作用， B. Ursin 等[3]推导了层状黏弹性介质纵横 波反射系数的一阶近似，该近似式包括了地震波的 相移和衰减作用。T. Chichinina 等[4]分析了纵波衰 减各向异性，并提出品质因子梯度和截距概念，品 质因子梯度指示了裂缝方位和衰减各向异性。M. Chapman 等[5]采用其推导的物理模型，通过对储层 衰减的频变作用进行分析，结果表明储层衰减会对 第一类 AVO 和第三类 AVO 产生不同的影响，并且 这种衰减作用在合成记录剖面上得到了验证。 在单一薄层情况下， Liu Yinbin 等[6]给出了任意 角度入射时地震振幅以及 AVO 响应的精确解， 并对 薄层厚度以及薄层泊松比对地震 AVO 变化规律的 影响进行了分析。 张爱敏等[7]和吴飞勇等[8]重点分析 了各向同性弹性时薄层厚度对煤层反射的影响。张 川等[9]推导了纵波在均匀各向同性弹性介质入射情 况下的薄层、单阻抗差界面的反射、透射系数公式。 实际地层速度的各向异性以及衰减特性都会使得薄 层反射系数以及振幅属性发生改变。陈同俊等[10]的 研究表明薄层 VTI 型构造煤相对于软分层构造煤， 其反射波振幅较大， AVO 曲线变化剧烈。 邓小娟等[11] 进行了各向异性薄层的反射和透射系数公式的推 导， 并对薄煤层的 AVO 特性进行了研究。 杨春峰[12] 和姚陈等[13]的研究说明了当考虑速度各向异性和多 种波型相互转换时，薄煤层的反射将比单阻抗差界 面的反射复杂得多。杨春等[14]从 AVO 特性方面分 析了双相介质中流体属性对薄层反射纵波PP 波及 转换横波PS 波地震波场的影响。 薄互层作为我国一种广泛存在的陆相或海陆交 互相沉积环境下所形成的具有典型代表性的介质类 型，而关于介质的黏弹性及其速度各向异性对薄层 或薄互层反射波场的影响，国外关注较少。建立在 单阻抗差界面、厚层反射理论基础上的地震技术， 针对薄互层勘探时，存在着不可接受的误差[15]。孙 成禹等[16]，分别探讨了黏弹性对单薄层、薄互层 P 波反射相位的影响，获得了薄层与薄互层反射相位 滞后与黏弹性关系的一些定性认识。郭智奇等[17-18] 初步讨论了黏弹性各向异性以及盖层衰减各向异性 参数对油气储层薄层反射 AVO 反射特征的影响。 杨 春颖等[19]基于衰减各向异性波动方程，通过对薄层 地震波场的模拟， 对反射纵波PP 波及转换横波PS 波的地震反射特征进行了分析。但对和围岩相比具 有强阻抗差的薄层反射而言，黏弹性和速度各向异 性对波场特征的影响如何，尚有待定量回答。因为 这是利用地震反射精确反演煤层的物性和识别煤 体结构破坏程度的关键，例如构造煤[20]。尽管李东 会[21]在其博士论文中通过厚层与薄层的波场模拟， 初步发现了黏弹性对于厚层反射的影响很明显，而 对于薄层的反射影响较弱，但也未能明确回答黏弹 性及速度各向异性对于薄层反射的影响。尤其已有 的煤岩超声实验[20,22]发现煤层的黏弹性与砂泥灰岩 等沉积岩的黏弹性存在巨大的差距，且 P 波的吸收 衰减强于 S 波的吸收衰减。因此，针对薄层的反射， 黏弹性及速度各向异性所引起的波场特征的异常是 否存在，以及异常大小值得进一步探究。为此，本 文拟定义 1 个简单的薄层，通过对弹性速度各向同 性、黏弹性速度各向同性、黏弹性速度各向异性多 种模型进行波场模拟和对比分析，试图定量回答黏 弹性和速度各向异性对薄层反射的影响程度，以确 定薄层黏弹性研究的意义和是否可将其作为反演的 理论依据。 1 建模与模拟 为了探讨薄层黏弹性对薄层反射的影响，鉴于 煤层是一种典型的薄层，因此，以煤层为例，定义 了如表 1 所示的煤层模型煤层厚度 5 m，小于波长 的 1/4，其为一个单薄层模型。设计中间煤层的黏 弹性模型参数变化如表 1 中 2a、2b、2c，共 3 种， 即分别为弹性速度各向同性、黏弹性速度各向同性 以及黏弹性速度各向异性 3 种模型。 波场模拟采用 MWMC 研究组开发的品质因子 各向异性伪谱法模拟软件[23]，3 种模型采用的是同 一类波动方程， 即速度各向异性黏弹介质波动方程。 波动方程的空间导数计算采用傅里叶维普法，时间 微分采用四阶龙格库塔法离散。模拟子波采用主频 ChaoXing 188 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 1 模型参数 Table 1 Model parameters 层号 厚度/m 纵波速度/ms –1 横波速度/ms–1 密度/kgm–3纵波品质因子 横波品质因子速度各向异性 ε 速度各向异性 δ 1 450 3 100 1 900 2 000 0 0 ∞ ∞ 2a 5 2 400 1 000 1 600 0 0 ∞ ∞ 2b 5 2 400 1 000 1 600 6.27 3.01 ∞ ∞ 2c 5 2 400 1 000 1 600 6.27 3.01 0.11 0.09 3 545 3 800 2 200 2 200 0 0 ∞ ∞ 为 50 Hz 的雷克子波；1 ms 采样，每道 2 000 个 采样点；震源在左端点激发，道间距为 1 m，共 1 001 道，单边接收。物性参数的设置依据煤岩的岩 石物理实验结果[20,22,24-26]。为叙述方便，把上述模 型简称为模型 1模型 3，分别对应表 1 中所示的 弹性速度各向同性层 2a、黏弹性速度各向同 性层 2b、黏弹性速度各向异性层 2c。为了说 明问题，又不影响篇幅，以模型 2 模拟的单炮记 录图 1为例，箭头标注的反射同相轴PP、PS 波 设为有效信号，其他信号在这里称之为噪声。分 别对模型 1、模型 2、模型 3 模拟的单炮记录进行滤 波处理去噪，如去掉直达波等，留下反射纵波PP 波和转换波PS 波，在此基础上，分别将模型 2、 模型 3 与模型 1 对应的单炮记录进行做差。 如图 2 所示为模型 2 与模型 1 的差值，模型 3 与模型 1 的做差结果如图 3 所示。从图 2、图 3 来看，介质 的黏弹性会一定程度地影响煤层的地震响应，相 对于速度各向同性来说，速度各向异性对煤层反 射影响差异不大。 2 波场特征分析 提取各模拟数据薄层的反射双曲线，从 AVO、 IFVOInstantaneous Frequency Versus Offset，瞬时频 率随偏移距变化和频谱特征 3 方面进行黏弹性、黏 弹性速度各向异性对薄层反射 PP 波及 PS 波波场的 影响分析。为了压制数值模拟中边界反射对反射双 曲线的影响而产生的局部散点，利用多项式拟合对 提取的属性散点曲线进行了平滑处理。 如图 4a 示， 图中不同颜色的实线分别代表的是 用 3 种模型模拟的 PP 波振幅随偏移距变化的曲线； 图中的两条虚线分别表示的是模型 2、模型 3 对应 的PP波振幅相对于模型1的增量随偏移距的变化曲 线。薄层的黏弹性及黏弹性速度各向异性未改变反 射 PP 波振幅随偏移距增加而减小的变化形态， 但反 射强度低于各向同性情况在近偏及中等偏移距范 围内振幅异常可达 30以上，并随着偏移距的增加 先增大后减小，在远偏位置偏离程度随着偏移距的 增加而减小；总体上黏弹性速度各向异性的振幅异 常大于黏弹性速度各向同性。在中等偏移距位置附 近， 振幅异常差异最大可达 5， 在远偏移距位置处， 振幅异常差异最大超过 5。 如图 4b 所示， 图中实线和虚线表征的意义类比 于 PP 波。从 3 个不同模型的反射 PS 波 AVO 曲线 对比可以看到薄层的黏弹性及黏弹性速度各向异 图 1 模型 2 合成记录 Fig.1 The synthetic records of model 2 ChaoXing 第 5 期 陈本池等 黏弹性和速度各向异性对薄层反射的影响 189 图 2 模型 2 与模型 1 的单炮记录去噪后的差值 Fig.2 The residual seismic responses between model 2 and model 1 after noise attenuation 图 3 模型 3 与模型 1 的单炮记录去噪后的差值 Fig.3 The residual seismic responses between model 3 and model 1 after noise attenuation 图 4 3 个模型的不同波型的 AVO 分析 Fig.4 AVO analysis of Rpp’ and Rps’ of model1, model 2 and model 3 ChaoXing 190 煤田地质与勘探 第 47 卷 性未改变反射 PS 波振幅随偏移距增加而先增大后 减小的变化形态； 但幅值较各向同性情况略有降低； 且黏弹性降低幅度稍稍大于黏弹性速度各向异性情 况，在近偏及中等偏移距范围内振幅异常程度在 20左右，并随着偏移距的增加而缓慢增大。在远 偏位置处，振幅异常明显增大，但考虑该位置处 3 种不同模型的真实振幅值都接近于 0，故不作为黏 弹性引起的地震波场异常。 通过 PP 波与 PS 波的 AVO 曲线对比可以发现 黏弹性和速度各向异性会明显降低煤层的反射振 幅，且黏弹性及黏弹性速度各向异性两种情况在真 振幅上来看相差不大。 对于 PP 波而言， 黏弹性引起 煤层的振幅异常较黏弹性速度各向异性低，相对于 原生结构煤的误差百分比最大相差 5左右；对于 PS 波而言，黏弹性引起煤层的振幅异常较黏弹性速 度各向异性较大，相对于原生结构煤的误差百分比 最大相差 3左右。在近、中偏移距情况下，黏弹性 及其速度各向异性引起煤层 PP 波反射振幅异常接 近于 PS 波振幅异常的 1.5 倍； 在远偏移距的情况下， 黏弹性及其速度各向异性引起煤层 PP 波反射振幅 异常低于 PS 波振幅异常， 且随着偏移距的增加而加 剧，PS 波反射振幅异常较 PP 波反射振幅异常最大 可达 4.5 倍。 基于吸收衰减的频率依赖性，以下重点分析黏 弹性及其速度各向异性对薄层反射频率特征的影 响。如图 5 所示，黏弹性和黏弹性速度各向异性薄 层反射 PP 波的瞬时频率小于各向同性情况， 相比各 向同性瞬时频率降低的幅度小于 8。在道间距为 600 m 附近的位置处，瞬时频率出现了异常，而在 该位置处， 反射 PP 波与直达波的同相轴相交， 在去 噪的过程中未能将该位置附近的直达波完全滤掉， 有部分的残余，引起瞬时频率异常，该部分异常不 予讨论。 黏弹性及黏弹性速度各向异性薄层反射 PS 波的瞬时频率略大于各向同性情况，相比各向同性 瞬时频率增大的幅度约为 3。 分别提取近偏移距100 m、 中等偏移距 500 m、 远偏移距900 m位置处的 PP 波及 PS 波的振幅谱及 相位谱[27]来研究黏弹性对反射波幅频响应和相频响 应的影响。如图 6 所示，对于强波阻抗差薄层而言， 相比于薄层的 AVO 效应， 黏弹性及黏弹性速度各向 异性对薄层反射波的振幅谱及相位谱影响微弱。 图 5 3 个模型的薄层反射瞬时频率随偏移距的变化 Fig.5 Variation of instantaneous frequencies of thin bed reflection of models with offsets ChaoXing 第 5 期 陈本池等 黏弹性和速度各向异性对薄层反射的影响 191 图 6 3 个模型的反射系数振幅谱与相位谱 Fig.6 Amplitude spectrum of reflection coefficient and phase spectrums of models 3 结 论 a. AVO 分析相比于弹性各向同性介质，黏弹 性会明显地降低煤层的反射振幅，但黏弹性速度各 向同性与黏弹性速度各向异性两种情况在真振幅上 相差不大。 b. IFVO 分析黏弹性会引起薄层反射 PP 波瞬 时频率的降低，相比弹性情况，瞬时频率降低幅度 可达 8；而黏弹性薄层反射 PS 波的瞬时频率略大 于弹性情况，但增加幅度很小，只有 3左右。 c. 振幅谱相对于弹性模型，PP 波与 PS 波反 射振幅谱受黏弹性的影响微弱。 d. 在目前的地震勘探技术水平情况下，由于薄 层的调谐作用所呈现的复合波形态，速度各向异性 的研究对于煤层反射影响的意义不大，可忽略；而 黏弹性不可忽略，这为利用构造煤品质因子极低的 特征预测构造煤提供了可能性；但品质因子各向异 性对薄层反射特征的影响需要进一步研究。 致谢感谢中国地质大学北京赟的王教授和 杨春博士对文章提出了许多有意义的修改意见，感 谢淮南矿业集团的赵伟老师对煤层建模和构造煤等 问题提供了有价值的指导和参考。本项目研究得到 了淮南矿业集团公司“三维三分量地震综合勘探技 术研究”与“三维地震数据体和地质数据体的拟合研 究”项目的联合资助。 参考文献 [1] SAMEC P，BLANGY J P. Viscoelastic attenuation，anisotropy， and AVO[J]. Geophysics，1992，573441–450. [2] TSVANKIN I. Body-wave radiation patterns and AVO in trans- versely isotropic media[J]. Geophysics， 1995， 605 1409–1425. [3] URSIN B，STOVAS A. Reflection and transmission responses of a layered isotropic viscoelastic medium[J]. Geophysics，2002， 671307–323. [4] CHICHININA T，SABININ V，RONQUILLO J G. QVOA analysisP-wave attenuation anisotropy for fracture characteri- zation[J]. Geophysics，2006，71337–48. [5] CHAPMAN M，LIU Enru，LI Xiangyang. The influence of fluid-sensitive dispersion and attenuation on AVO analysis[J]. Geophysical Journal International，2006，167189–105. [6] LIU Yinbin，SCHMITT D R. Amplitude and AVO responses of a single thin bed[J]. Geophysics，2003，6841161–1168. [7] 张爱敏， 汪洋， 赵世尊. 不同厚度煤层 AVO 特征及模型研究[J]. 中国矿业大学学报，1997，26336–41. ZHANG Aimin， WANG Yang， ZHAO Shizun. Study on the AVO model and AVO character of coal seams with different thick- ness[J]. Journal of China University of Mining Technology， 1997，26336–41. [8] 吴飞勇，马培元，黄明亮. 薄互储层的反射系数谱 AVO 分 析[J]. 地球物理学进展，2010，25171–75. WU Feiyong，MA Peiyuan，HUANG Mingliang. Thin reservoir AVO analysis of spectral reflection coefficient[J]. Progress in Geophysics，2010，25171–75. [9] 赟张川， 杨春， 王. 关于薄层与单界面模型弹性反射透射系数 的讨论[J]. 煤田地质与勘探，2015，43286–90. ZHANG Chuan，YANG Chun，WANG Yun. Discussion on elastic reflection and transmission coefficients of thin-bed and single interface models[J]. Coal Geology Exploration，2015， 43286–90. ChaoXing 192 煤田地质与勘探 第 47 卷 [10] 陈同俊， 崔若飞， 刘恩儒. VTI 型构造煤 AVO 正演模拟[J]. 煤 炭学报，2009，344438–442. CHEN Tongjun， CUI Ruofei， LIU Enru. AVO forward modeling for VTI coal[J]. Journal of China Coal Society，2009，344 438–442. [11] 邓小娟，彭苏萍，林庆西，等. 基于各向异性的薄煤层 AVO 正演方法[J]. 煤炭学报，2010，35122053–2058. DENG Xiaojuan， PENG Suping， LIN Qingxi， et al. AVO forward of anisotropic thin coal bed[J]. Journal of China Coal Society，2010，35122053–2058. [12] 杨春峰. 薄层 VTI 介质中地震反射系数及相位响应[J]. 地球 物理学进展，2010，253904–910. YANG Chunfeng. The reflection coefficient and phase in thin VTI medium[J]. Progress in Geophysics，2010，253 904–910. [13] 赟姚陈，蔡明刚，王. 各向同性薄层反射理论地震图[J]. 地球 物理学报，2010，531164–170. YAO Chen， CAI Minggang， WANG Yun. Synthetic seismograms of reflection from isotropic thin layer[J]. Chinese Journal of Geophysics，2010，531164–170. [14] 赟杨春， 张会星， 王. 煤层中流体地震可探测性的模拟分析[J]. 地球物理学报，2018，6141605–1614. YANG Chun，ZHANG Huixing，WANG Yun. Simulation analysis of fluid seismic detectability in coal seams[J]. Chinese Journal of Geophysics，2018，6141605–1614. [15] 赟王，杨春，芦俊. 薄互层弹性波反演面临的困境[J]. 地球物 理学报，2018，6131118–1135. WANG Yun，YANG Chun，LU Jun. Dilemma faced by elastic wave inversion in thinly layered media[J]. Chinese Journal of Geophysics，2018，6131118–1135. [16] 孙成禹，尚新民，石翠翠，等. 影响地震数据相位特征的因素 分析[J]. 石油物探，2011，505444–454. SUN Chengyu，SHANG Xinmin，SHI Cuicui，et al. Analysis of influence factors on phase characteristics of seismic data[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum，2011，505444–454. [17] 郭智奇. 粘弹各向异性介质波场模拟与储层信息研究[D]. 长 春吉林大学，2008. [18] 晅郭智奇，刘财，冯，等. 各向异性衰减与 AVO 分析[J]. 吉 林大学学报地球科学版，2010，402432–438. GUO Zhiqi， LIU Cai， FENG Xuan， et al. Attenuation anisotropy and AVO analysis[J]. Journal of Jilin UniversityEarth Science Edition，2010，402432–438. [19] 杨春颖，杨春，陈双全，等. 各向异性衰减薄层地震响应特征 研究[J]. 地球物理学报，2017，601316–326. YANG Chunying， YANG Chun， CHEN Shuangquan， et al. An analysis of seismic responses in thin anisotropic-viscoelastic reservoirs[J]. Chinese Journal of Geophysics，2017，601 316–326. [20] 赟王，许小凯，杨德义. 常温压条件下五种变质程度构造 煤的超声弹性特征[J]. 中国科学地球科学，2014，44 2431–2439. WANG Yun，XU Xiaokai，YANG Deyi. Ultrasonic elastic characteristics of five kinds of metamorphic deed coals un- der room temperature and pressure conditions[J]. Science China Earth Sciences，2014，442431–2439. [21] 李东会. 煤储层各向异性波场模拟与特征分析[D]. 徐州中 国矿业大学，2012. [22] 赟许小凯，王，孟召平. 六种不同煤阶煤的品质因子特征[J]. 地球物理学报，2014，572644–650. XU Xiaokai，WANG Yun，MENG Zhaoping. Quality factor characteristics of six metamorphic kinds of coals[J]. Chinese Journal of Geophysics，2014，572644–650. [23] YANG Chunyin，LI Xiangyang，WANG Yun. An analysis of 3D anisotropic-viscoelastic forward modeling and dissipa- tion[J]. Journal of Geophysics Engineering，2015，126 1036–1048. [24] 赵群，郝守玲. 煤样的超声速度和衰减各向异性测试实例[J]. 地球物理学进展，2006，212531–534. ZHAO Qun，HAO Shouling. Anisotropy test instance of ultra- sonic velocity and attenuation of coal sample[J]. Progress in Geophysics，2006，212531–534. [25] 赵群， 郝守玲. 煤样的超声速度和衰减各向异性测试[J]. 石油 地球物理勘探，2005，406708–710. ZHAO Qun，HAO Shouling. Testing anisotropy of ultrasonic velocity and attenuation in coal samples[J]. Oil Geophysical Prospecting，2005，406708–710. [26] ZHOU Feng， XU Mingjie， MA Zhonggao， et al. An experimental study on the correction between the elastic wave velocity and microfractures in coal rock from the Qingshui basin[J]. Journal of Geophysics and Engineering，2012，9691–696. [27] 钱锋， 王向朝， 王学锋. 基于自适应滤波器的相位连续化算法 及其在移相干涉术中的应用[J]. 中国激光，2002，2910 929–934. QIAN Feng，WANG Xiangzhao，WANG Xuefeng. Adaptive filter for unwrapping noisy phase image in phase-stepping interferometry[J]. Chinese Journal of Lasers，2002，2910 929–934. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing