地震波速度资料解释

地震波速度资料的解释

论文提要

地震波速度是地震勘探中最重要的一个参数，是地震波运动学特征之一。在资料处理和解释过程中，速度资料均十分重要。例如在计算动校正时需要叠加速度，绘制构造图进行时深转换时需要平均速度。近年来，速度资料在地震解释中应用得越来越广泛，概括起来有以下几方面：

（１）进行时深转换、绘制深度剖面和构造图。

（２）根据速度资料识别波的性质，如多次波、绕射波和声波等。

（３）利用速度资料制作合成地震记录和理论地震模型，对地震记录作模拟解释。（４）利用速度纵横向变化规律，研究地层沉积特征和相态展布。

（５）利用层速度资料，预测岩性分布和砂泥岩横向变化。

（６）利用速度资料计算反射系数图板，进行烃类检测，判别含气亮点。

（７）利用合成声波测井，进行砂体横向追踪和对比。

（８）利用速度资料预测地层异常压力。

由此可见，提取和分析速度资料是地震地质解释的一项重要的工作，熟悉各种有关的速度概念、速度资料的求取方法和影响速度的各种地质因素对于应用速度资料解决地质问题是很重要的。

正文

一、理论研究和实际资料证实，地震波在岩层中的传播速度与岩层的性质、岩石的成分、密度、埋藏深度、地质时代、孔隙度、流体性质等因素有关，下面分别分析各种因素对速度的影响。

（一）影响速度的一般因素

1.岩性

由于各种岩石类型的成分不同，其传播地震波的速度是不同的（图５—１）；有时即使是同一种岩石类型，由于结构不同其波速也在一定范围内变化。地震波传播速度主要取决于构成这些岩石矿物的弹性性质，一般来说，火成岩孔隙很少或没有孔隙，地震波速度比变质岩和沉积岩的都高，且变化范围小；变质岩的波速变化范围较大，沉积岩波速最低，变化范围大，这主要与沉积岩成分和结构复杂，受孔隙度和流体性质的影响较大有关。表（５—１）是几种类型岩石与介质的波传播速度和波阻抗资料。

2.密度

通过大量岩石样品物性研究和数据分析整理，发现地震波速度与岩石体积密度之间（图５—１（ａ）、（ｂ）），存在着一种令人满意的近似关系。即：

（图５—２）中给出了按上式计算的理论曲线和测定的速度与密度的关系。图中可以看

出，除岩盐和硬石膏偏差大一些外，其他岩石均比较适用。这一经验公式具体地反映了速度与密度之间的关系，为参数之间的换算提供了方便。如在计算人工合成地震记录时，如果已知速度ｖ，缺少密度参数，可用上式进行换算。（图５—３）是胜利油田各时代地层埋藏深度、层速度与密度之间的关系。

图５—１影响地震传播速度的几种主要因素（据格劳尔等，１９８７）

表５１几种主要岩石类型与介质的速度变化范围

3．地层时代

实际观测资料表明，岩石的成分和深度相近，地层时代不同时，地震波速度差异也较大，时代较老的岩石比年轻的岩石速度大（图5—1（ｃ））。这主要与年代较早的岩石成岩作用时间长，岩石较致密等因素有关。

4．埋藏深度

在岩性和地质年代相同的条件下，地震波的速度随岩石埋藏深度的增大而增大，埋藏越深的岩石，承受上覆地层压力越大，压实作用强，岩石较致密，其波速增大（图53）。但地震速度梯度的变化表现为浅处速度梯度较大，随埋藏深度增大速度梯度变化减小，这主要与深部岩石压实作用趋缓等因素有关。

5．孔隙度与裂隙

孔隙度是影响速度的重要因素之一。研究表明岩石类型相同，成分相近、孔隙度大小不同，速度变化范围较大（图5—1（d），（e），（f）），高孔隙度一般对应为低速，而低孔隙度则一般对应为高速。碎屑岩的孔隙度通常随着岩石致密程度和胶结程度的增大而减小，其速度随胶结程度的增大而增大。此外，岩石中存在着大量的微裂隙可导致岩石的速度减小，这种现象一般在碳酸盐岩储集层或断裂破碎带中较为发育。

图５—２地震波速度与岩石密度的关系图５—３地层埋藏深度、层速度与密度的关系

（已饱和卤水）

（二）、地震波速度与多孔介质流体性质关系

１．流体性质

地震波在沉积地层中的传波速度与岩石孔隙度和流体性质有密切的关系。岩石孔隙中含油、水或气时，岩石的波速会降低，引起波阻抗变化，并导致反射波振幅发生变化。所谓的亮点技术，就是利用饱含油气地层引起界面波阻抗差和反射振幅的强弱变化而直接找油气的方法。研究表明，在浅层岩层中，含有一点点气就会使岩石速度显著降低；但当地层中气体含量达５％时，再增加含气饱和度只对岩层的速度产生很小的影响，这样

就造成有远景的气藏和近于枯竭的气藏在地震参数上是相似的。实际计算证明，时间平均方程不能应用于气体饱和情况，只能采用近似的计算公式：

式中：ｖｒ为流体饱和砂岩速度；为流体饱和砂岩体密度为

岩石骨架体积模量；为岩石颗粒体积模量；为流体体积模量；Φ为孔隙度；为颗粒密度；为流体密度。图（5—4）所示为水饱和砂岩、气饱和砂岩和油饱和砂岩的计算结果。可以得出几点认识：

（１）油和水饱和砂岩之间的速度差别很小。

（２）气饱和与水和油饱和砂岩在小于1600ｍ深度时，速度差别较大；大于此深度时有一定差别，但差别很小。

（３）气饱和砂岩和页岩（按ｖ1／5ｚ＝1585计算）之间在浅层速度差异大，但在大于约2000ｍ以上时不存在差别。

（４）页岩和水饱和砂岩之间的速度差别较小。

２．异常压力

在正常压实情况下，岩石孔隙度随深度增加而减小，这种变化使地震波的速度随深度增加而增大，地震上叫做微分压力，这种微分压力对速度有较大的影响。

微分压力由下式定义：

式中：ｐｒ为地层压力，ｐｆ为流体压力。

图5—4含不同流体成分页岩和砂岩的速度与深度关系曲线图5—5速度与外压力的关系理论和实际研究表明，压缩波的传播速度正比于Δｐ（图5—5），随微分压力的增大，地震波速度减小。这就意味着当承受正压力和较大的流体压力的地层存在一较大的压力差时，在沉积层系中将出现一低速层。沉积岩中，作用的总应力ｐｒ＝ｐｆ＋Δｐ，

如果孔隙中流体容易排走，与地表水相通，则ｐｆ为静水压力，如果孔隙中流体排泄不畅或不能排出，流体就要承受一部分由岩石内骨架承受的压力，这时流体压力大于静水压力，地层岩石中的孔隙欠压实，称为欠压实带或欠压实地层。欠压实地层地震波速度减小，这就是利用地震速度预测压力的基本原理。

（三）、几种与油气关系密切的岩层速度特征

１０４地震地质综合解释教程三、几种与油气关系密切的岩层速度特征自２０世纪７０年代初以来，在研究岩石的波速变化规律与各种因素的关系方面，进行了大量工作。下面以几种与油气藏关系密切的岩层的速度特征为例，讨论页岩、砂岩和碳酸盐岩的速度特征随深度变化的一般规律（图5—5、图5—7）。

１．页岩

研究表明页岩速度、密度与深度有密切的关系，这主要由于页岩沉积后易于压实的特点所至。实质上页岩的这种速度变化主要与孔隙度变化有关，页岩沉积初期的细粒粘土物质其含水量可达６０％～７０％，密度为１．７ｇ／ｃｍ３，速度是１６００ｍ／ｓ左右，随深度增加和成岩作用增强，孔隙水挤出，含水量可能只有百分之几，密度为２．６ｇ／ｃｍ３，速度增大到４０００ｍ／ｓ以上

２．砂岩

不同成因类型的砂岩，具有明显不同的速度特征。分选良好的滨海砂层，颗粒坚硬，压实作用对孔隙结构的改变影响不大，因此，速度、密度对深度只有微弱的依赖关系；与之相对应，河道砂层由于搬运距离短，分选不好，随埋深增加，易于压实，速度会发生显著的变化。总的来说，埋藏深度对砂岩的影响不如页岩明显，当深度从零增加到４０００ｍ，砂岩的孔隙度大约从３０％减小到百分之几，速度大约从２５００ｍ／ｓ增加到４５００ｍ／ｓ。正是因为砂泥岩速度在深部趋于相近，因而对于深部地层很难利用速度信息区分砂泥岩。

３．碳酸盐岩

由于碳酸盐岩沉积后即成岩，其速度特征比较稳定，随深度变化较小，速度值在４５００～６５００ｍ／ｓ的范围，比砂岩大，更大于页岩。碳酸盐岩速度的变化主要与裂隙作用有关，当构造作用强烈，裂隙发育，其速度明显降低。

（四）、速度分布规律

在沉积地层中，速度的空间分布受地层沉积序列、岩石类型、横向展布与地质结构等的控制，因而具有成层性、递增性、方向性和分区性。

（１）成层性：沉积岩的基本特点是成层分布，由于各地层沉积条件、岩石性质的不同，在各地层中波传播的速度是不同的；由于速度在剖面上具有成层分布的特点，这为地震勘探解决地质问题创造了良好的条件。

（２）递增性：在正常地层层序条件下，速度随地层深度和地质年代是线性增加的，但速度变化的梯度随深度增加而减少。

（３）方向性：由于地质结构和沉积岩相的变化，速度沿水平方向也会变化。一般来说，速度变化的水平梯度不大，但由于构造作用和沉积相变会出现断层、断块、地层不整合和地层尖灭等，往往在这些部位速度的水平梯度会发生突变；这正是提高处理和解释精度所必须考虑的问题。

（４）分区性：受构造或沉积条件的控制，速度在平面内的分布具有分区分带的特点。例如长期剥蚀的构造隆起区，速度值高，但速度梯度小；由于沉积环境不同、相带和岩性横向变化，速度也相应发生变化。实际工作中正是利用速度分区、分带的变化规律与岩性的内在联系进行地质解释的。

总之，改进层速度资料，提高速度分析精度，是利用速度资料进行岩性解释的关键，这需要地质人员与物探人员合作来完成。

二、速度参数十分重要，但又很难精确地测定它的数值。其原因由于地质介质的不均匀性、速度是矢量，即使在同一岩层不同部位和沿不同方向，地震波的传播速度也各不相同，它是空间坐标的函数ｖ＝ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）。在实际生产工作中，不可能真正精确确定这种函数关系。为了满足生产的需要，根据用途不同和地震技术所能达到的水平，对极其复杂的实际情况作种种简化，建立近似的介质模型，并引入各种速度概念。下面分别简要介绍几种与解释有关的主要速度概念、使用范围和相互关系。

（一）、速度的概念

1．平均速度

当地震波的射线垂直穿过水平地层时，平均速度定义是：一组水平层状介质中地震波垂直穿过某一层以上各层的总厚度与总的传播时间之比。对于ｎ层水平层状介质的平均速度是：

（5—1）

式中：ｈｉ、ｖｉ分别是每一层的厚度和速度。

平均速度的引入，是将反射面上覆的若干地层，近似地简化为均质单一的地层模型。从公式（５—１）中可以看出，平均速度不是各分层速度值的线性平均，而是各分层中波的垂直传播时间对分层速度的加权平均。这就意味着，垂直传播时间大的低速层或厚度大的分层对平均速度影响大，垂直传播时间小的高速层或薄的分层对平均速度影响小。

按平均速度的定义，波在水平层状介质中应以直射线传播。事实上，远离炸点观测地震波时，地震波传播时是沿最小时间路径传播，即是以折线传播的。由此可见，平均速度必然产生误差，误差范围随观测点离爆炸点距离增加而增加。因此，平均速度只有在垂直入射和炮检距范围不大的情况下才是正确的，它只适用于把时间剖面转换成深度剖面。

2．均方根速度

方根速度是每层的速度传播时间（ｔｉ）加权后平均再开方的值，记为，即：

均方根速度不管射线折曲状况如何，仍然以直射线来近似；也没考虑波沿不同射线的传播速度如何变化，只是一个与各分层速度有关的统一速度。均方根速度是常速，与炮检距无关。实际上，层状介质中反射波的真正传播速度是随炮检距的增加而增大的，所以不是真正准确的速度，只不过比平均速度更近似一些；但随炮检距增大，误差更大。

3．叠加速度

通过计算速度谱求得的速度，称为叠加速度，记为ｖａ；在实际工作中作动校正的速度。对于某一深度的共反射点时距曲线，其正常时差随速度而变化，ｖａ就是使反射波时距曲线保持双曲线形状的速度。当用ｖａ去计算动校正值时，动校正后能使共反射点时距曲线拉成平行ｘ轴的直线。如果选择的速度值不合适，动校正后共反射时距曲线就不是水平直线。所谓速度谱分析就是根据这一原理，即选用一系列不同的速度值对其反射点时距曲线进行动校正，看选用哪一个速度值时正好把时距曲线校正为水平直线，这个合适的速度就是叠加速度。

对于不同介质结构ｖａ具有具体的含义。在水平均匀介质的情况下，在水平层状介质情况下，当界面倾斜时，（等效速度）。

４．层速度

地震勘探中把某一速度层的波速叫这一层的层速度，记着ｖｎ。这种速度分层一般与地质年代、岩性的分层是一致的，但由于受分辨率的限制，不如地层分层细。在地质条件较稳定的地区，可利用层速度判别地层岩性，预测地层压力或油气等地质信息。层速度可以用地震测井和声波测井直接获取，也可由均方根速度换算。即是所谓的笛克斯公式：

中：ｔ０，ｎ，ｔ０，ｎ－１分别为第ｎ，ｎ－１层ｔ０时间；，ｎ－１分别为第ｎ层和第ｎ－１层以上地层的均方根速度；ｖｎ为第ｎ层的层速度。对于平行倾斜界面层速度有如下形式：

５．瞬时速度

瞬时速度又称为真速度，它是波沿射线路径在某一深度点上传播的速度，定义为深度Ｚ对时间ｔ的微商，即：

连续介质中，波沿射线路径传播时，在不同深度点上的速度是不同的；在同一深度上，波沿不同的射线传播也是不一样的。瞬时速度反映了波在介质中传播的真速度，实际应用中只考虑其大小。

（二）、叠加速度谱的解释

根据速度谱确定一条合理的叠加速度曲线，称之为对速度谱的解释，常用的方法有：（１）应选质量较好的速度谱进行解释。其质量标准是，谱的能量曲线强弱变化分明，并与反射波的强弱变化相互对应；强反射团峰值突出，信噪比高。

（２）当叠加振幅用能量等值线表示时，能量团呈椭圆形（图５８）。能量团的分布一般符合速度随ｔ０增大而递增的规律，可靠的能量团应与时间剖面上的反射波相对应。

（３）叠加速度曲线应穿过多数能量团或速度的极值点。

（４）当地层近于水平时，对同一构造部位的多条速度谱线可进行综合平均，得到一条综合叠加速度曲线，可提高精度。

（５）对比地震剖面，判断速度谱能量团或极值的性质，对于断面波、绕射波引起的高速极值点和多次波造成的低速极值点，以及偶然出现的过高或过低的极值点，都应加以剔除。

（６）将整个剖面的叠加速度数据，用剖面形式显示出来，将其与时间剖面对比，对速度资料的可靠性加以分析，剔除不合理速度异常点。

（７）时间切面检查，在全工区范围内，每隔一定的时间间隔（如０．８ｓ），把同一

ｔ０时间内的速度值，打印在每个速度谱点边上，绘出平面等值线图，剔除不合理速度异常点或异常区。合理的速度变化，一般而言，基岩隆起、古潜山引起的高速，多条剖面上都应有规律的偏高；欠压实泥岩区，速度谱有规律的偏低；单个点或单条测线上速度突然升高或降低，或者测线交点处的速度数据不能闭合等，均属于不合理的速度异常。

三、总结

数字处理以后，提供大量的一条一条地震剖面或一块三维数据体，这些资料里包含了许许多多的地下地质信息。而我们的主要目的是要知道与油气有关的信息，如哪里能生油？哪里能储存油？这些与油气有关的地层的岩石性质、物理性质是什么？这就需要从地震资料包含的大量信息中找出与油气有关的信息，这是解释工作肩负的重要使命！他们工作的好坏关系到能不能快速、优质、准确地找到油气田！所以，解释工作是地震勘探三大环节中必不可少的、最后的也是至关重要的环节。

参考文献

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