地震勘探原理-第4章地震波速度課件

地震勘探原理主講人：陳雙全2地震勘探原理第1章緒論第2章地震波運動學理論第2+章地震信號的頻譜分析

第3章地震資料采集方法與技術第4章地震波速度第5章地震資料解釋的理論基礎3第4章地震波速度地震波的速度是地震勘探中最重要的一個參數(shù)。地震波的傳播速度所謂波動就是震動在介質(zhì)中的傳播單位時間內(nèi)地震波沿波線方向傳播的距離波的速度與波的類型和介質(zhì)有關波的速度是介質(zhì)的一種性質(zhì)在地震資料處理、解釋過程中，還會用到一些其它的速度概念疊加速度、偏移速度、平均速度、均方根速度、層速度等4第4章地震波速度4.1影響地震波傳播速度的因素分析4.2各種地震波速度的概念4.3地震波速度的測定方法4.4各種地震波速度間的轉(zhuǎn)換關系54.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律64.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系地震縱波和橫波與介質(zhì)的彈性常數(shù)之間的定量關系：其中λ、μ是介質(zhì)的彈性常數(shù)(拉梅系數(shù))，E是楊氏模量，ρ是介質(zhì)的密度，σ是泊松比。74.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系同一介質(zhì)中縱波和橫波速度比的關系如下縱波與橫波速度之比取決于泊松比。泊松比σ的值在大多數(shù)情況下約等于0.25，所以，縱波與橫波的速度比位VP/VS一般為1.73。只有在最為疏松的巖石中σ≈0.5。84.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律94.1.2速度與巖性的關系104.1.2速度與巖性的關系114.1.2速度與巖性的關系124.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律134.1.3速度與巖石密度的關系144.1.3速度與巖石密度的關系154.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律164.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系同樣深度、成分相似的巖石，當?shù)刭|(zhì)年代不同時，波速也不同，年老的巖石比年青的巖石具有較高的速度。速度與構造運動的關系，在不同地區(qū)有不同的表現(xiàn)。在強烈褶皺地區(qū)，經(jīng)常觀測到速度的增大；而在隆起的構造頂部、則發(fā)現(xiàn)速度減低。一般地說，地震波在巖石中的傳播速度隨地質(zhì)過程中的構造作用力的場強而增大。根據(jù)在實驗室對巖石樣品的分析發(fā)現(xiàn)地震波的速度與壓力之間有一定的關系，速度隨壓力的增加而增加。此外壓力的方向不同，地震波沿不同方向傳播的速度也就不同。174.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系一般來說，地層越深，地震波速度越大。沉積年代越久，地震波速度越大184.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律194.1.5地震波速度與埋藏深度的關系一般來說，隨深度的增加地震波速度增大。不同的地區(qū)，速度隨深度變化的垂直梯度可能相差很大。一般地說，在淺處速度梯度較大；深度增加時，梯度減小。204.1.5地震波速度與埋藏深度的關系214.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律224.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系許多巖石是由孔隙的多孔介質(zhì)的孔隙和密度孔隙度Ф

＝孔隙空間/總體積巖石總密度ρ

＝巖石質(zhì)量/體積

ρ

＝（1－Ф）ρma+

Фρfl其中ρma＝巖石顆粒（骨架）密度

ρfl

＝孔隙流體的密度

234.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系沉積巖中巖石是含有孔隙的，孔隙度的變化從百分之幾到40%。所以直接影響著速度(彈性模量)。大多數(shù)沉積巖中，巖層的實際波速是由巖石基質(zhì)的速度、孔隙度，充滿空隙的液體的速度以及顆粒之間的膠結物的成分等因素來決定的。

在地震勘探中比較常用的，關于液體速度，顆粒速度與孔隙率之間一個很簡單的關系式，叫做時間平均方程

(Wyllie方程)

式中，V是巖石實際速度；Vf是孔隙流體中的速度；Vm是巖石基質(zhì)的速度；Φ是巖石的孔隙度。

244.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系在上述公式中速度還受孔隙流體壓力的影響，流體壓力降低，流體壓力這項的百分比影響就變小，當流體壓力接近大氣壓時，其影響變得最小。因此在實際條件下，時間平均方程必須用一個壓差調(diào)節(jié)系數(shù)C加以修正。流體壓力等于巖石壓力的一半時，C值約為0.85。由于地震波在油、氣、水等流體中的傳播速度比在巖石基質(zhì)中的速度小，因而巖石孔隙中含有流體時使巖石的速度降低。254.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系264.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律274.1.7與頻率和溫度壓力的關系與頻率無關（無頻散）溫度每升高100度，速度減少5~6％。284.1影響地震波傳播速度的因素分析4.1.1速度與巖石彈性常數(shù)的關系4.1.2速度與巖性的關系4.1.3速度與巖石密度的關系4.1.4速度與地質(zhì)年代和構造歷史的關系4.1.5地震波速度與埋藏深度的關系4.1.6與孔隙度和流體性質(zhì)的關系4.1.7與頻率和溫度壓力的關系4.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律294.1.8沉積巖中速度分布的一般規(guī)律1、沉積巖的成層沉積決定了速度剖面上成層分布。2、速度存在垂直梯度，速度梯度是隨深度的增加而減小的。3、一般地，速度的水平梯度不會很大，細致處理和解釋資料時，考慮速度的水平梯度還是必要的。如構造破壞（斷層）、地層不整合及尖滅。30第4章地震波速度4.1影響地震波傳播速度的因素分析4.2各種地震波速度的概念4.3地震波速度的測定方法4.4各種地震波速度間的轉(zhuǎn)換關系314.2各種地震波速度的概念地震波在地層中的傳播速度是一個十分重要的參數(shù)，又是一很難精確測定它的數(shù)值。在實際生產(chǎn)工作中，速度不可能用精確函數(shù)關系來確定。對極其復雜的實際速度用建立各種簡化介質(zhì)模型的方法來描述，并引進了各種速度概念324.2各種地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4疊加速度4.2.5層速度334.2.1平均速度Vav平均速度定義為：“一組水平層狀介質(zhì)中某一界面以上介質(zhì)的平均速度就是地震波垂直穿過該界面以上各層的總厚度與總的傳播時間之比”。n層水平層狀介質(zhì)的平均速度是344.2.1平均速度Vav從另一個角度來討論平均速度的含義。定義在水平層狀介質(zhì)中，波沿直線傳播所走過的總路程與所需總時間之比。

354.2.1平均速度Vav同樣得到要注意：這里的地震波傳播，真正遵循的是“沿最小時間路程傳播”，在非均勻介質(zhì)(如層狀介質(zhì))中，最小時間路程將是折線而不是直線?？梢娺@樣引入平均速度時所作的“地震波沿最短路程直線傳播”的假設就是對一種實際介質(zhì)結構的近似簡化。364.2各種地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4疊加速度4.2.5層速度374.2.2均方根速度VR依據(jù)費馬原理。在均勻介質(zhì)中，波所需時間最短的路程是直線。而在均勻介質(zhì)，水平界面情況下反射波的時距曲線是一條雙曲線。即式中h0是界面的深度；t0是雙程垂直反射時間；x是接收點與激發(fā)點距離；t是在x處接收到反射波的時間。上式另一個意義在于，把時距曲線的方程可以寫成這種形式，并作t2-x2圖形，波以常速度傳播時，這是一條直線，斜率為1/V2。也即速度是x2項前系數(shù)分母的平方根。下面引入的幾個速度都貫穿這種思路。38水平層狀介質(zhì)的時距曲線問題：水平層狀介質(zhì)的反射波時距曲線是否還是雙曲線？如果不是的話，能否近似地把它看成雙曲線?在實際生產(chǎn)工作中，不管介質(zhì)是否均勻，都采用雙曲線公式計算動校正量，也即把反射波時距曲線總是看成雙曲線。當然，這樣做是有誤差的。均方根速度的概念就是在處理上述問題時，把不是雙曲線關系的時距方程簡化為雙曲線關系時引入的一個速度概念。水平層狀介質(zhì)波的傳播路徑394.2.2均方根速度VR在n層水平層狀介質(zhì)中，O點激發(fā)，S點接收到的第n層底面的反射波的傳播時間為在上兩式中，都有一個參數(shù)θi，根據(jù)折射定律，可用射線參數(shù)P表示式中ti是波在第i層介質(zhì)中沿垂直界面的方向雙程傳播的時間。這兩個方程不能寫成簡單的t=f(x)顯函數(shù)形式。404.2.2均方根速度VR從數(shù)學上對水平界面時距曲線方程的性質(zhì)進行了研究，得出了對地震勘探很有意義的結論。這結論是：對n層水平層狀介質(zhì)，當時，可以把反射波的傳播時間和炮檢距以x2的冪級數(shù)展開這個級數(shù)是收斂的。Vm是n層中最大的層速，414.2.2均方根速度VR在一定的近似之下，可以把x4等高次項略去，便可得到在形式上與均勻覆蓋介質(zhì)情況下完全一樣的雙曲線型的時距曲線方程

VR就相當于均勻介質(zhì)情況下的波速，稱為n層水平層狀介質(zhì)的均方根速度。

424.2.2均方根速度VR把上面的過程總結如下：如果不作任何限制和簡化，水平層狀介質(zhì)的反射波時距曲線方程只能寫成以射線參數(shù)P為參數(shù)的形式，而不能寫成簡單的t=f(x)的顯函數(shù)形式。但是，可以證明，當滿足一定條件時，時距曲線方程可表示為x冪級形式，可見它是一條高次曲線。如果把x4及更高次的項略去，則變?yōu)榕c均勻介質(zhì)情況下一樣的雙曲線。此時同均勻介質(zhì)情況下的波速相當?shù)牧渴蔷礁俣萔R。因此,也可以把均方根速度定義為：

把水平層狀介質(zhì)情況下的反射波時距曲線近似地當作雙曲線，求出的波速就是這一水平層狀介質(zhì)的均方根速度。434.2.2均方根速度VR均方根速度的意義還可以這樣說明：把各層的速度值的平“方”按時間取其加權平“均”值，而后取平方“根”值，要注意其中速度較高的層所占比重要大，表明這種近似在一定程度上考慮了射線的偏折。均方根速度對于一系列具有速度Vi的平行地層來說，設地震波能量垂直穿過每一層所需的時間為ti，則均方根速度為444.2各種地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4疊加速度4.2.5層速度454.2.3等效速度Vφ均勻傾斜界面的共中心點時距曲線方程為

式中V是介質(zhì)的速度；h0是共中心點處界面的法線深度；φ是界面傾角。上式還可以該寫為引入符號Vφ則Vφ叫做傾斜界面均勻介質(zhì)情況下的等效速度。

46等效速度概念的意義上一章曾提到，傾斜界面情況下的共中心點道集的疊加效果存在兩個問題，即反射點分散和動校正不準確。等效速度的概念意義在于，用Vφ代替V，傾斜界面共中心點時距曲線就可以變成水平界面形式的共反射點時距曲線。也就是說，用等效速度對傾斜界面的共中心點道集進行動校正可以取得很好的疊加效果，沒有剩余時差。但不應忘記，從地質(zhì)效果來說，反射點分散的問題并沒有解決，這個問題只有用偏移疊加才能妥善解決。474.2各種地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4疊加速度4.2.5層速度484.2.4疊加速度Vα由前面討論的幾個速度知道，在一般情況下，(包括水平界面均勻介質(zhì)、傾斜界面均勻介質(zhì)、覆蓋層為層狀介質(zhì)或連續(xù)介質(zhì)等)，都可將共中心點反射波時距曲線看作雙曲線，用一個共同的式子來表示：式中Vα稱為疊加速度,t0為偏移距為零時的反射時間。對于不同的地質(zhì)結構，它就有更具體的意義，例如對傾斜界面均勻介質(zhì)Vα就是Vφ

，對水平層就是VR。494.2.4疊加速度Vα疊加速度Vα的含義也可以從另一個角度來理解。在實際的地震資料處理工作中，通過計算速度譜來求取疊加速度。即對一組共反射點道集上的某個同相軸，利用雙曲線公式選用一系列不同速度Vi，計算各道的動校正量，對道集內(nèi)各道進行動校正；當取某一個Vi能把同相軸校成水平直線(將得到最好的疊加效果)時，則這個Vi就是這條同相軸對應的反射波的疊加速度。504.2.4疊加速度Vα在一般地質(zhì)結構情況下，(包括水平界面、傾斜界面均勻介質(zhì)、覆蓋層為層狀介質(zhì)或連續(xù)介質(zhì)等)，共中心點反射波時距曲線都可看作雙曲線，用一個共同的式子來表示：

式中Vα稱為疊加速度，t0為偏移距為零時的反射時間。對于不同的地質(zhì)結構，疊加速度Vα有更具體的意義：

1)對水平單層結構為：Vα

=V1，即為單層介質(zhì)的速度；

2)傾斜單層地質(zhì)結構為：Vα=V1/cosφ，V1為單層介質(zhì)速度，φ為界面傾角；，

3)水平多層地質(zhì)結構為：Vα

=VR51524.2各種地震波速度的概念4.2.1平均速度4.2.2均方根速度4.2.3等效速度4.2.4疊加速度4.2.5層速度534.2.5層速度層速度地震波的傳播速度在剖面上是成層分布的，一個地層剖面從淺到深可以分為幾個速度層，各層之間在波速上存在較明顯的差別。在地震勘探中把某一速度層的波速叫做這一層的層速度。有時地質(zhì)年代不相同但巖性相同的一些地層可以成為一個速度層。層速度是一種對地震資料進行地質(zhì)解釋很有用的資料。利用地震勘探的成果資料，換算出大量的層速度資料有很大實用意義。

54第4章地震波速度4.1影響地震波傳播速度的因素分析4.2各種地震波速度的概念4.3地震波速度的測定方法4.4各種地震波速度間的轉(zhuǎn)換關系554.3地震波速度的測定方法一、平均速度的測定二、疊加速度的求取56一、平均速度的測定測定地震波傳播速度的方法基本上可分為以下幾類:（1）實驗室測定法（2）井中觀測法地震測井，聲速測井（3）時距曲線計算法571、地震測井

將測井檢波器用電纜放入深井中，檢波器隔一定距離向上提升一次，在井口附近激發(fā)一次地震波。測井檢波器記錄下從井口到檢波器深度處直達波的傳播時間t,檢波器的深度H可由電纜長度測得。求得該深度H以上各地層的平均速度。一般設遠近兩個炮點。近炮點距深口50-100米，炮井按扇形排列，遠炮點距深口300-500米炮點按矩形排列，井距10米左右。58地層平均速度計算計算速度時應從炮井井底O’算起利用近炮點資料，根據(jù)下式計算平均速度Vav

利用遠炮點資料計算波沿O'S方向傳播的速度，即射線平均速度Vs。592、聲速測井

聲波測井（ContinuousVelocityLog)CVL將聲波探頭下到井里，然后邊向上提升，邊測量聲波時差，其倒數(shù)就是層速度。60地震測井與聲速測井

地震測井和聲速測井都是求取平均速度和層速度的有效方法，其共同點和差別主要為：

1)方法不同，頻率范圍不同(地震測井20-80Hz，聲速測井頻率20kHz)。

2)工作條件不同。

3)測試的精度不同，地震測井的平均速度值絕對誤差較小，但劃分層速度時較粗糙。聲波測井中誤差隨深度增加，精度略低。由于連續(xù)測量，接收距又小，能細致劃分層速度，反映地層巖性特點，對地質(zhì)解釋意義較大。614.3地震波速度的測定方法一、平均速度的測定二、疊加速度的求取62二、疊加速度的求取利用速度譜方法求取疊加速度是目前生產(chǎn)單位提取速度參數(shù)的重要手段。對道集內(nèi)某個反射波同相軸用不同的速度進行動校正并分析校正后的疊加效果，其中疊加效果最好的那個速度就是該反射波的疊加速度。具體實現(xiàn)時有疊加速度譜和相關速度譜。63二、疊加速度的求取用計算速度譜的方法求取疊加速度的基本原理。共中心點反射波道集的時距曲線可看成是一條雙曲線。計算出道集內(nèi)各道的動校正量Δtx，對這個道集進行動校正使雙曲線形狀的同相軸被校正成水平直線形狀的同相軸。顯然，動校正的正確與否和速度的選擇很有關系；如果速度值選得正確。動校正后的共反射點時距曲線就是水平直線。64動校正量的計算正常時差的近似計算65速度譜分析

如果速度值選得不合適，動校正后的共反射點時距曲線就不是水平直線。所謂速度譜分析就是根據(jù)這個原理：即選用一系列不同的速度值對共反射點時距曲線進行動校正，看選用哪一個速度值時正好能把共反射點時距曲線校正為水平直線，則這個速度就是合適的疊加速度。怎樣來判斷共反射點時距曲線是否被校直？66速度譜分析

怎樣來判斷共反射點時距曲線是否被校直？最簡單的是對共反射點道進行疊加。如果校成直線，則各道的波形都沒有相位差，疊加后的波形能量最強；如果沒有校正成直線，則各道的波形仍然存在相位差，疊加后的波形能量較弱。用這種方法計算出的圖形叫做“疊加速度譜”。另一個方法是計算共反射點道集的多道相關函數(shù)，用相關函數(shù)值的相對大小來判斷是否同相。這樣計算出來的叫做“相關速度譜”。

67二、疊加速度的求取68二、疊加速度的求取實際地震記錄上有來自不同界面的許多反射波，即有許多不同t0的同相軸。求由淺層到深層所有各個反射波的疊加速度，就要求出它們各條速度譜曲線。采用按一定的t0間隔(如Δt0=25毫秒)劃分為許多時窗，這些時窗以t0為中心，有一定的寬度(如50毫秒)，然后沿一個個時窗來計算各道波形的疊加能量。對一張記錄，可計算出很多條速度譜曲線(每條對應一個t0值)，把這些曲線按它們的t0，的大小依次排列起來，就是一張速度譜。

69二、疊加速度的求取速度譜曲線上，經(jīng)過解釋，確定出由各t0的一次反射波所形成的速度譜曲線的極大值VM，并把各t0的極大值VM連接起來就可以確定出疊加速度Va隨t0的變化曲線。70二、疊加速度的求取如何利用多次覆蓋資料獲得疊加速度？1、將多次覆蓋資料抽成共中心點道集。2、在共中心點道集上計算疊加速度譜。3、在疊加速度譜上拾取疊加速度。71第4章地震波速度4.1影響地震波傳播速度的因素分析4.2各種地震波速度的概念4.3地震波速度的測定方法4.4各種地震波速度間的轉(zhuǎn)換關系724.4各種地震波速度間的轉(zhuǎn)換關系4.4.1平均速度與均方根速度的比較4.4.2由疊加速度計算均方根速度4.4.3由均方根速度計算層速度734.4.1平均速度與均方根速度的比較為了比較我們引入射線平均速度的概念。射線平均速度地震波沿某一條射線傳播所走的總路程長度除以所需的時間叫做沿這條射線的射線平均速度對每條射線的平均速度都不一樣。既是射線旅行時的函數(shù)（或接收點與炮檢距的函數(shù)），也是射線出射角α0

（或射線參數(shù)P）的函數(shù)。在水平層狀介質(zhì)情況下，射線平均速度的公式為74例子：計算平均速度、均方根速度和射線平均速度H1=1000mV1=3000m/sH2=1000mV2=5000m/sH3=1000mV3=6000m/sVav=4286m/sVR=4472m/sα=10o

V1=4310m/sα=20oV2=4420m/sα=25o

V3=4560m/s754.4.1平均速度與均方根速度的比較平均速度、均方根速度和射線平均速度的比較平均速度小于均方根速度。764.4.1平均速度與均方根速度的比較（1）當介質(zhì)不均勻時，地震波沿不同射線傳播的平均速度是不同的。對同一介質(zhì)結構，炮檢距越大，射線平均速度也越大，并在炮檢距逐漸增大時，射線平均速度趨于剖面中速度最高的層速度。（2）平均速度與均方根速度都是把層狀介質(zhì)看成某種假想的均勻介質(zhì)，因此對某一種介質(zhì)結構，只有一個平均速度和一個均方根速度。774.4.1平均速度與均方根速度的比較（3）平均速度一定小于或等于均方根速度。平均速度能較好描述炮檢距為零的情況，所以設計井深，進行時深轉(zhuǎn)換時要用它。784.4.1平均速度與均方根速度的比較（4）平均速度、均方根速度、射線速度三者之間的關系。x=0時，射線平均速度與平均速度相等，而均方速度與射線平均速度有差別?？梢娫趚=0時，平均速度比均方根速度精度更高。隨著x的增加，平均速度與射線平均速度的差別越來越大；而均方根速度則與射線平均速度逐漸接近，在某一x處，