云美厚 黨鵬飛 李偉娜 趙秋芳② 聶 巖

（①河南理工大學資源環(huán)境學院，河南焦作454000；②中原經(jīng)濟區(qū)煤層（頁巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454000）

·綜述·

地層品質(zhì)因子Q值地震反演問題剖析

云美厚*①②黨鵬飛①李偉娜①趙秋芳①②聶 巖①

（①河南理工大學資源環(huán)境學院，河南焦作454000；②中原經(jīng)濟區(qū)煤層（頁巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454000）

針對目前地層品質(zhì)因子地震反演及估算研究中存在的5個方面的問題，指出了模型結(jié)構(gòu)、厚度以及模型參數(shù)選擇的合理性是吸收衰減正演模擬分析的關(guān)鍵。探討了Q值反演與阻抗反演的異同，明確了連續(xù)Q值反演的理論局限性。分析了疊前Q反演與AVO反演的差異，揭示了地層吸收衰減導致地震反射波振幅隨炮檢距增加而減小的內(nèi)在本質(zhì)為射線品質(zhì)因子隨炮檢距增大而增大，可稱之為“QVO效應”。闡明了單一薄層衰減地震響應的可檢測性問題，指出了利用薄層衰減地震響應變化來準確反演或估算地層品質(zhì)因子Q值的困難性和反演估算結(jié)果的不確定性。揭示了盡管品質(zhì)因子比速度對儲層含氣飽和度更敏感，但并不反映含油氣檢測更有效，只有二者引起的地震響應強弱變化才是真正意義上含油氣檢測的敏感性度量指標。與速度相比，單一含氣薄層因品質(zhì)因子Q值降低引起的衰減地震響應變化并不占優(yōu)勢。基于品質(zhì)因子Q值地震反演結(jié)果檢測薄儲層含油氣性具有極大的風險。

品質(zhì)因子Q值反演 地震反演 QVO效應 衰減

1 引言

地層品質(zhì)因子Q值反演或估算方法研究一直是地震勘探的研究熱點。到目前為止，利用地震資料進行地層品質(zhì)因子Q值反演與估算的方法層出不窮，概括起來大致可歸納為時間域、頻率域、時頻域及統(tǒng)計分析等四大類［1，2］。相比之下，時間域和頻率域Q值估算方法出現(xiàn)最早［3］，其主要是利用地震波的時間域波形、振幅特征和頻率域振幅、主頻、帶寬等頻譜特征的變化來構(gòu)建Q值估算方法，其中頻率域譜比法應用最廣泛?；跁r頻分析技術(shù)的時頻域Q值反演與估算方法出現(xiàn)相對較晚，但發(fā)展迅速。其主要利用小波變換、S變換以及廣義S變換等時頻分析技術(shù)，通過提取時頻譜信息用于Q值反演和估算，目前已被廣泛用于疊前［4-9］、疊后［10，11］以及 VSP［12］與微地震測井［13］等各種地震數(shù)據(jù)的Q值反演與估算中。統(tǒng)計分析法主要是基于理論分析、巖石物理實驗測試數(shù)據(jù)以及VSP資料Q值反演估算結(jié)果等構(gòu)建縱波速度與品質(zhì)因子之間的統(tǒng)計回歸關(guān)系［2］，進一步利用統(tǒng)計回歸公式由地震反演或?qū)崪y速度資料近似估算地層品質(zhì)因子Q值［2，14］。此類方法簡單快捷，但是統(tǒng)計回歸關(guān)系的應用具有很大的區(qū)域局限性。

總體來看，Q值反演技術(shù)尚未成熟，不論是在方法研究還是在反演或估算結(jié)果的精度等方面都存在較多的問題。諸如，在理論模型正演模擬分析中，部分吸收衰減模型的構(gòu)建太理想化［8-10，15］；在方法應用中，對其適用條件重視不夠［8-10］，誤將厚層假設(shè)條件下導出的計算公式用于連續(xù)時間采樣的Q值反演。此外，在疊前Q值反演中，對于衰減隨炮檢距變化的內(nèi)在本質(zhì)及其與AVO反演的差異性等認識還不夠清楚，等等。Yun等［16］曾就上述問題進行過簡要分析和闡述。本文將在此基礎(chǔ)上對上述問題做進一步詳細闡述和剖析，以期更好地促進Q值反演及估算技術(shù)的發(fā)展與應用。

2 正演模型設(shè)計及參數(shù)選擇問題

作為Q值反演理論研究與方法驗證的重要手段之一，正演模擬分析被廣泛應用。然而，在正演模型的選擇上有時較隨意，存在著模型簡單、模型參數(shù)選擇不合理、模型缺乏代表性，甚至與客觀實際嚴重不符等問題［8-11，15］，相應正演模擬結(jié)果和結(jié)論具有很大的局限性和不確定性。下面針對一個模型實例就其存在的問題進行具體剖析。

圖1為文獻［8］設(shè)計的含氣儲層Q模型，在文獻［9］中也曾提及類似模型。圖1中第二層為研究目的層，中段代表含氣層，兩側(cè)為含水地層。作者試圖通過該模型的正演模擬來說明基于疊前數(shù)據(jù)實現(xiàn)陸相含氣儲層Q值反演的可行性。不難看出，模型中含氣儲層厚度高達250m，這與實際厚度通常僅有幾米、十幾米或幾十米的陸相薄層或薄互層沉積特征明顯不符。換言之，模型厚度的選擇不能準確反映陸相儲層的客觀實際，不具有代表性。其次，模型參數(shù)的選擇太過理想化。模型中假定同一儲層含氣時和含水時速度一致，而品質(zhì)因子Q值卻相差很大，這顯然與衰減理論和現(xiàn)實不吻合。

圖1 含氣儲層Q模型［8］

首先，根據(jù)黏彈性介質(zhì)理論，地層品質(zhì)因子Q和速度v可以由復彈性模量M（ω）的實部與虛部定義如下

式中：MR、MI分別為復彈性模量M（ω）=MR+jMI的實部與虛部（單位為GPa）；ρ為地層密度（單位為g／cm3）。

對于考慮吸收衰減的雙相介質(zhì)理論，地層品質(zhì)因子Q和速度v的定義與式（1）相同。這說明地層品質(zhì)因子Q和速度v的變化在理論上具有一致性。

其次，在地震勘探的實踐中，致密巖石往往具有較高的速度，對地震波的吸收衰減效應相對較弱，即地層品質(zhì)因子Q值較大。反之，地層介質(zhì)越疏松，相應的地層速度越低，對地震波的吸收衰減效應越強，意味著地層品質(zhì)因子Q值越小。與此同時，巖石物理實驗測試和統(tǒng)計分析結(jié)果表明，地層品質(zhì)因子Q與速度v之間具有良好的統(tǒng)計回歸關(guān)系［2］，這說明地層品質(zhì)因子Q與速度v之間具有現(xiàn)實的內(nèi)在一致性。對于同一砂巖儲層，含氣層的速度通常要低于含水層的速度。含氣層速度的降低同樣伴隨著地層品質(zhì)因子的降低，也正是由于地層品質(zhì)因子的降低，才使得含氣層表現(xiàn)出較強的地震波吸收衰減效應。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，圖1所示含氣儲層Q模型也許并非錯誤，但至少欠合理。因此，在模型設(shè)計和參數(shù)選擇方面，應盡可能符合研究目標區(qū)域的地質(zhì)特征和參數(shù)變化規(guī)律，否則正演模擬結(jié)果就失去了其地質(zhì)意義，變成了一種單純的數(shù)學變換?？梢哉f，正演模擬結(jié)果的可靠性除與正演模擬方程、計算方法等有關(guān)外，地質(zhì)模型的代表性以及模型參數(shù)的合理性也尤為重要。

3 連續(xù)Q值反演問題

為了便于對比分析，首先簡述疊后波阻抗反演的基本原理。對于任意n層水平層狀介質(zhì)，根據(jù)自激自收原理，地震反射系數(shù)主要取決于反射界面上下地層的波阻抗值，這是疊后波阻抗反演的理論基礎(chǔ)。反演基本公式為

式中：Zi、Zi+1分別為第i個反射界面上、下地層介質(zhì)的波阻抗，i=1，2，…，n；Ri為第i個反射界面的反射系數(shù)。

顯然，當已知第1層介質(zhì)的波阻抗和各反射界面的反射系數(shù)時，利用式（2）可由反射系數(shù)遞推求取各層的波阻抗值。理想情形下，假如可以準確獲得各采樣點反射系數(shù)，則可將每一個采樣點均視為一個反射面，按照采樣間隔逐點進行波阻抗遞推計算即可實現(xiàn)連續(xù)阻抗反演，且這樣處理并不影響結(jié)果的可靠性。以厚層為例，在理想情形下，除頂、底界面反射系數(shù)有值外，層內(nèi)各采樣點的反射系數(shù)均為零，此時，由式（2）可知，所有Zi+1的計算結(jié)果均與Zi值相同。即同一厚層內(nèi)各采樣點的計算結(jié)果是相同的，且與厚層波阻抗完全一致，反演結(jié)果真實可信。這說明連續(xù)阻抗反演就算法本身而言至少在理論上是完備的，但是在實際應用中可能會面臨某些限制或存在某些不足。

對于疊前彈性阻抗反演而言，除了將自激自收情形的波阻抗Zi換用隨炮檢距變化的彈性波阻抗EI（θ）表示外，基本反演公式與式（2）在形式上完全一致，因而同樣可以實現(xiàn)類似的連續(xù)遞推運算，且具有算法理論的完備性。

在實際資料處理中，盡管無法獲得真正意義上的界面反射系數(shù)序列，難以保證反演波阻抗值的精度，但是至少波阻抗反演算法本身具有完備的理論基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)連續(xù)反演。不論是疊前彈性阻抗反演還是疊后波阻抗反演，均可將以界面信息存在的地震反射數(shù)據(jù)反演成具有層狀分布特點的巖層波阻抗數(shù)據(jù)。

因譜比法Q值估算方法具有原理簡單、算法穩(wěn)定等優(yōu)點，一直是頻率域或時頻域Q值反演最常用的方法之一。下面以此為例來討論基于譜比法的Q值反演估算方法是否可以實現(xiàn)連續(xù)Q值反演。

眾所周知，地層吸收衰減特性是通過地震子波傳播過程中因子波衰減造成的時變特性或頻變特性體現(xiàn)出來的。根據(jù)頻率濾波理論和地震波傳播的衰減理論，在均勻吸收介質(zhì)中，地震記錄的頻域表達式可寫為

式中：S（f，t）為地震記錄譜；W（f）為地震子波譜；A（f，t）為地層吸收衰減譜；R（f）為反射系數(shù)譜；t為傳播時間；f為振動頻率；Q為地層品質(zhì)因子。

當已知來自某一地層頂、底界面地震反射波的振幅譜時，利用式（3）由目的層頂、底界面反射波的振幅譜比值即可確定地層品質(zhì)因子Q，具體計算公式為

式中：t1、t2分別表示地震波傳播到目的層頂、底界面的雙程旅行時；r1、r2分別表示目的層頂、底界面的反射系數(shù)；Δt為目的層雙程旅行時間厚度；C12為與目的層頂?shù)捉缑娣瓷湎禂?shù)有關(guān)的常量。

不難看出，式（4）推導過程中是以準確確定地層頂、底界面反射波為前提的。由于地震子波本身具有一定的時間延續(xù)性，所以式（4）僅適用于能夠準確區(qū)分來自地層頂、底界面地震反射波的厚層情形。任何忽略這一假設(shè)條件的限制［8-10］，將其擴展應用到薄層或連續(xù)時間采樣間隔以實現(xiàn)連續(xù)Q值反演的做法都是不恰當?shù)摹?/p>

首先，薄層受地震分辨率的限制，頂、底界面反射波相互疊加形成復合反射波，頂、底界面反射波難以區(qū)分，不論是采用傅氏變換還是各種時頻變換均無法準確確定頂、底界面的反射波譜，至于Q值的準確估算也就無從談起。此外，受薄層濾波效應的影響，即使能夠計算反射波譜，也是薄層濾波改造后的結(jié)果，并非地層吸收衰減效應的真實反映。

其次，若采用前述連續(xù)波阻抗反演的思路，將任意兩個時間采樣點的瞬時振幅譜值作為輸入，由式（4）估算該時間采樣間隔對應地層段的品質(zhì)因子Q值，是能夠獲得一個計算值的，但是由于相應時間采樣點的瞬時振幅譜值并不具有地層頂、底界面反射波的相關(guān)地質(zhì)意義，所以計算結(jié)果充其量也只能是基于原始地震反射記錄的一種數(shù)學運算，并不能將界面反射信息反演為真正意義上的地層Q值信息。圖2是基于圖1厚層地質(zhì)模型的合成記錄道采用譜比法由相鄰采樣點瞬時振幅譜實施連續(xù)Q值反演得到的三個Q值反演道［8］。不難看出，實際Q值反演結(jié)果僅僅是原始地震記錄道的變形，反演Q值大小并不能反映實際地層Q值的大小，而且Q值與界面相對應，并不是與地層中心相對應。這說明即使在理想情形下，基于譜比法也很難實現(xiàn)連續(xù)Q值反演。換言之，譜比法連續(xù)Q值反演缺乏理論上的完備性。

綜上所述，與阻抗反演相比，基于譜比法實施地層品質(zhì)因子Q值連續(xù)反演的理論基礎(chǔ)不完備，反演結(jié)果難以準確反映地層品質(zhì)因子Q值的變化。僅在頂、底界面反射波可以準確確定的前提下，采用譜比法分段確定厚層品質(zhì)因子Q值是切實可行的。對于頂、底界面反射難以分離的薄層復合反射，利用譜比法反演Q值缺乏算法理論上的完備性。

此外，基于譜比法由累積Q值（即平均品質(zhì)因子）采用文獻［17］中提供的類似DIX公式的地層品質(zhì)因子計算式可以近似計算層段Q值，但這樣處理只能近似估算層段Q值，還不能進行連續(xù)Q值反演。這種層段Q值對于反Q濾波處理也許有一定的利用價值，若用于薄儲層含油氣預測或儲層物性參數(shù)的進一步估算并不合適。

圖2 基于圖1模型的反演Q值曲線［8］

4 疊前Q值反演問題

眾所周知，疊前AVO反演技術(shù)是基于疊前CMP道集地震反射波振幅隨著炮檢距變化的特性反演求取儲層參數(shù)的較成熟的方法技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是Zoeppritz方程。疊前Q值反演技術(shù)則是利用CMP道集內(nèi)因地層吸收衰減所引起的地震反射波振幅或頻率等隨炮檢距變化的特性來求取地層品質(zhì)因子Q。可以說，AVO反演和疊前Q值反演是同一問題的兩個方面。對于AVO反演而言，設(shè)法補償因衰減隨炮檢距變化引起的振幅能量損耗是實現(xiàn)精確AVO反演的關(guān)鍵。同理，對于疊前Q值反演而言，設(shè)法消除AVO效應的影響是提升Q值反演精度的必要處理環(huán)節(jié)。由此可見，AVO反演與疊前Q值反演相輔相成。由于AVO效應的本質(zhì)實際上是界面反射系數(shù)隨入射角（或炮檢距）的變化，因此地震響應特征主要表現(xiàn)為反射波振幅變化或相位翻轉(zhuǎn)，而地震子波波形可以近似認為是不變的。相比之下，因衰減效應導致的地震反射振幅隨炮檢距變化的內(nèi)在本質(zhì)則是由于地層介質(zhì)的非均勻性使得地震波沿不同傳播射線路徑表現(xiàn)出不同的射線平均品質(zhì)因子［17］變化，筆者將這種變化稱為“QVO效應”。顯然，“QVO效應”不僅會引起地震反射波振幅的變化，還會造成地震波波形、相位和頻率特性的變化，這是疊前Q值反演的理論基礎(chǔ)。在頻率域中，利用不同炮檢距地震記錄的歸一化振幅譜特性（如中心頻率、頻譜寬度等）的變化，有望較好地剔除AVO效應，獲得較理想的Q值反演結(jié)果。

疊前Q值反演和AVO反演面臨的問題一樣多。除相互影響外，原始地震記錄的信噪比、薄層調(diào)諧等問題均會對實際的反演處理造成一定的影響。通常，決定AVO效應強弱變化的關(guān)鍵在于界面上下地層介質(zhì)的彈性差異。根據(jù)地層介質(zhì)彈性差異的不同，AVO異常曲線主要分為四類。當不考慮地層品質(zhì)因子Q值的頻散效應時，對于任意n層水平層狀介質(zhì)，“QVO效應”的強弱變化主要與反射界面之上各層Q值大小有關(guān)，同時也與地層結(jié)構(gòu)或者地層的非均質(zhì)性強弱有關(guān)。界面以下地層對于“QVO效應”幾乎無影響。

基于表1所示的華北平原地層吸收模型［18］，依次抽取了二層和九層兩種模型，分別計算了射線品質(zhì)因子和衰減振幅隨炮檢距變化曲線，即QVO曲線或QVO效應，見圖3。不難看出，隨炮檢距增加，射線平均品質(zhì)因子Q值增大，說明對于相同的旅行時間，近炮檢距道吸收衰減效應強，而遠炮檢距道吸收衰減效應反而弱。對于實際的CMP道集，因遠炮檢距道比近炮檢距道的實際旅行時間大得多，盡管其射線平均品質(zhì)因子高于近炮檢距道，但是地震波傳播總的吸收衰減量隨炮檢距增大而增大，所以，因“QVO效應”引起的地震反射振幅總是隨著炮檢距增大而減小。顯然，AVO異常曲線要比“QVO效應”引起的振幅異常曲線變化復雜得多。

綜上所述，疊前Q值反演與AVO反演具有同樣的理論局限性，二者均依賴界面反射波，實施連續(xù)反演的理論依據(jù)不充分。相比之下，QVO曲線變化規(guī)律相對簡單，對于厚層反射而言，只要摒棄直接依賴振幅變化反演Q值的方法，就可以較好地避免AVO效應對Q值反演的影響。

圖3 基于表1不同模型的射線品質(zhì)因子（左）和衰減振幅（右）隨炮檢距變化曲線［17］

表1 華北平原地層吸收模型［18］

5 衰減可檢測性問題

在Q值反演或估計的研究中，目前研究者大多將注意力集中在Q值反演或估計方法理論和應用研究方面，對于反演估算方法的應用條件以及因地層吸收衰減所引起的地震響應的可檢測性問題重視不夠。就常用Q值估算方法而言，如譜比法、質(zhì)心頻率法等，基于理想的厚層正演模型記錄均可以獲得較好的理論估算效果。然而，對于實際地震資料而言，獲得理想的厚層無噪聲記錄是不現(xiàn)實的。因噪聲的存在，使實測地震響應值難以滿足Q值反演或估算方法的精度要求，特別是對于陸相沉積薄儲層含氣性檢測而言，因儲層厚度較小，衰減地震響應較弱，甚至被背景噪聲淹沒，此時，很難獲得理想的Q值估算結(jié)果，至于含氣性檢測，更是無從談起。

為了說明衰減的可檢測性，分別取主頻為60、40和30 Hz的零相位Ricker子波對應表示淺、中、深不同深度衰減地震子波，并將其作為含氣儲層頂面反射地震子波。忽略地層壓實效應，假定三種不同深度含氣儲層速度均為2000m／s，地層品質(zhì)因子Q為50。進一步假定含氣儲層厚度分別為2、5、10、30、50、100和200m，相應雙程旅行時間厚度分別為2、5、10、30、50、100和200ms，構(gòu)建7種不同厚度含氣儲層模型。圖4給出了淺、中、深三種深度條件下不同厚度含氣儲層衰減地震響應絕對振幅差隨頻率的變化曲線。為了便于對比分析不同品質(zhì)因子含氣儲層衰減地震響應的差異，圖4中同時給出了地層品質(zhì)因子Q為30時（圖4d）深層含氣儲層的計算結(jié)果（其他參數(shù)不變）。

由圖4可見，對于不同埋深儲層，不同頻率衰減地震響應絕對振幅差值主要與子波頻率、儲層時間厚度以及地層品質(zhì)因子Q值有關(guān)。在相同儲層條件下，儲層埋深越淺，即地震子波主頻越高，衰減地震響應越顯著，越有利于地層品質(zhì)因子Q值的反演或估算。同理，在同一埋深條件下，儲層時間厚度越大，地層品質(zhì)因子Q值越小，衰減地震響應越強。就地層品質(zhì)因子Q值反演或估算而言，中頻帶或者頻寬的低截止頻率和高截止頻率范圍內(nèi)衰減地震響應信噪比更高，更有利于地層品質(zhì)因子Q值的反演與估算。

圖4 不同埋深、不同時間厚度儲層不同頻率衰減地震響應絕對振幅差曲線

下面說明衰減可檢測性問題。就地震資料的背景噪聲而言，淺、中、深背景噪聲水平基本上一致。假定背景噪聲為白噪聲，噪聲強度為淺層反射峰值振幅的十分之一，則淺、中、深噪聲幅值均可視為0.1。從圖4中不難看出，對于深層和中深層而言，時間厚度小于50ms的含氣儲層，衰減地震響應振幅差絕對值均低于噪聲水平。換言之，因儲層含氣所引起的地震響應變化基本上都淹沒在背景噪聲中，此時衰減地震響應的變化難以準確測量，進一步利用衰減地震響應變化準確反演或估算地層品質(zhì)因子Q值顯然比較困難。除非地層品質(zhì)因子Q值足夠小，如低于30，則可檢測的儲層時間厚度極限有望降低。對于淺層而言，可檢測的儲層時間厚度范圍可擴展到30ms以下。換言之，對于時間厚度在30ms以下的淺層含氣儲層，若地層品質(zhì)因子不小于50，則利用衰減地震響應變化難以準確反演或估算地層品質(zhì)因子Q值，至于儲層時間厚度接近時間采樣間隔時，Q值反演或估算幾乎不可能。鑒于此，試圖基于時間采樣間隔來實現(xiàn)連續(xù)Q值反演的做法是不切實際的。

在圖4的計算中實際上暗含了不同深度地震子波強度一致且峰值振幅均為1的假設(shè)前提。事實上，由于深層地震波遭受地層衰減影響較強，有效信號相對較弱，所以，在相同噪聲水平條件下，經(jīng)處理后的地震剖面中深層地震反射波的信噪比普遍比淺層低。若考慮因上覆地層吸收衰減所引起的不同深度儲層地震反射波強度的不一致，則深層與中深層含氣儲層衰減地震響應的可檢測時間厚度下限值將進一步提高到50ms或更高。這充分說明了對于薄含氣儲層Q值反演或估算的困難性。

進一步，考慮薄層調(diào)諧效應的影響。鑒于目前常用Q值反演或估算方法（如譜比法）大多是基于厚層假設(shè)提出的，對于速度為2000m／s的含氣儲層，相應淺、中、深三種埋深的主頻為60、40和30 Hz地震子波，其主周期T和調(diào)諧厚度（λ／4）依次為17ms（8m）、25ms（12.5m）和33ms（16.7m）。這說明對于時間厚度小于17、25和33ms的淺、中、深儲層而言，因含氣儲層頂、底界面反射難以準確區(qū)分，所以難以估算Q值。對比前述分析結(jié)果不難看出，即使含氣儲層頂、底界面反射可以區(qū)分，當時間厚度小于30ms（淺層）或50ms（深層）時，由于含氣儲層的吸收衰減效應難以產(chǎn)生有效的衰減地震響應變化，則要想利用衰減地震響應變化準確反演或估算地層品質(zhì)因子Q值，同樣存在很大的困難和估算結(jié)果的不確定性。

事實上，即使在地層品質(zhì)因子Q值巖石樣本實驗測量中，Q值測量的相對誤差也是非常大的，一般為10%～20%。Johnston等［19］給出的Q值估計誤差為15%～20%；Kim等［20］估計的結(jié)果為10%；施行覺等［21］和王大興等［22］估算譜比法Q值測量誤差為10%；劉斌等［23］估算Q值測量相對誤差約為15%。由此不難推斷，利用地震資料確定較薄地層的Q值顯然不準確，即使是采用VSP資料來準確確定薄層的Q值也非常困難。因此，試圖通過疊前和疊后反射地震資料精確反演或估算Q值進而用于薄層或薄互層巖性或含油氣性預測的做法雖然理論可行，但是現(xiàn)實的有效性應慎重考慮，否則很容易淪為數(shù)學游戲。這或許也是為什么大多數(shù)有關(guān)地震Q值反演或估算的論文中很少就實際地震資料反演或估算Q值的精度進行評價的緣由之一。除了難以獲得實際地層準確Q值這一原因之外，研究者總是有意無意地回避這一問題。大多采用正演模擬結(jié)果對方法可行性和精度進行評述，然后直接用于實際資料計算，往往不關(guān)注和評價計算結(jié)果的精度就直接用于分析和解釋。不過需要指出的是，針對大套地層或者厚層的Q值估計以及相應的地震波衰減補償處理是切實可行的。

6 衰減與速度對油氣層檢測的敏感性問題

已有的部分巖石物理實驗測試［21-25］和理論分析［26］結(jié)果表明，與速度相比，地層品質(zhì)因子Q值或衰減（1／Q）隨流體飽和度，特別是含氣飽和度的變化更顯著。因此，許多研究者認為地震波衰減特性比速度能更靈敏地反映地下油氣層的存在［8，23，27］。這使得近年來品質(zhì)因子Q值反演或估算方法及應用研究一度成為地震勘探的研究熱點之一。人們試圖通過反演Q值或吸收系數(shù)等來實現(xiàn)含油氣儲層預測。然而，需要注意的是，孔隙流體性質(zhì)對巖石速度和品質(zhì)因子的影響非常復雜，除與巖石本身孔隙度的大小、孔隙流體的相態(tài)（單相、雙相、多相）、流體空間分布以及不同流體含量（或飽和度）有關(guān)外［21，24-28］，地層溫度和壓力條件也會對其產(chǎn)生不同程度的影響［19，22，23］。若進一步考慮速度與品質(zhì)因子Q值的頻散效應，則還與波的頻率有密切關(guān)系［19，26，28，29］。因此，籠統(tǒng)地將不同孔隙度、不同觀測頻率，甚至不同溫度、壓力條件下的測試結(jié)果或結(jié)論放在一起，討論速度與衰減究竟哪一個對含油氣儲層更敏感顯然不合適，至少所得結(jié)論不夠嚴謹和客觀。

退一步講，即使地層品質(zhì)因子確實比速度對油氣層更敏感，但由于二者并非地震勘探的直接觀測值，因此，只有通過對比分析兩種情形下地震反射特征的強弱變化，才能對二者的敏感性作出客觀的評價?，F(xiàn)實中，不論是氣層速度的變化還是品質(zhì)因子的變化，均直接體現(xiàn)為地震反射波振幅的變化。當然，還有旅行時間或相位的變化等。下面主要通過振幅變化的強弱來說明二者對氣層的敏感性。

對于速度而言，氣層速度的變化最直接的反映是氣層與上覆泥巖或頁巖蓋層界面反射系數(shù)的變化。為簡化起見，這里僅考慮自激自收情形，此時反射系數(shù)表達式可寫為［30］

式中：R為泥巖／含氣砂巖界面的反射系數(shù)；ρ1、ρ2、v1、v2分別代表泥巖蓋層和含氣砂巖層的密度與速度。

進一步假定上覆蓋層速度不變，利用式（5）速度近似式將反射系數(shù)R對氣層速度v2做微分運算處理，可得反射系數(shù)相對變化率與氣層速度相對變化率的關(guān)系表達式

式（6）可以較好地反映氣層速度變化對反射振幅變化的影響。

對于品質(zhì)因子Q值，利用式（3）將氣層記錄振幅譜對品質(zhì)因子Q值做微分運算處理，可得振幅相對變化率與氣層品質(zhì)因子Q相對變化率的關(guān)系表達式

Domenico［30］基于未固結(jié)砂巖儲層的巖石物理測試結(jié)果表明，砂巖含有少量的氣將會使得縱波速度顯著降低，當含氣飽和度從6.1%增加到13.5%時，縱波速度約降低44%，接近50%。這幾乎是速度變化的最高值了。通常對于高孔隙度固結(jié)巖石，速度降低一般在20%以上（含氣層）或12%以上（含油層），而對于低孔隙度巖石速度變化較小，一般不超過5%［30，31］。Murphy［25］對高孔隙度樣品進行的低頻實驗測量結(jié)果表明，隨含氣飽和度增加，Q值呈現(xiàn)出與速度相同的變化規(guī)律，巖石中含有少量氣體將使得Q值顯著降低，在含氣飽和度10%～20%之間，Q值達到極小值，Q值降低約200%以上。王大興等［22］基于長慶油田蘇里格氣田中、低孔隙度砂巖樣品的超聲波測試結(jié)果表明，在含水飽和度較低時，縱波速度隨飽和度的相對變化率不足4%，而品質(zhì)因子Q值的變化率接近40%，幾乎是速度變化率的10倍。鑒于此，假定速度與品質(zhì)因子的變化率在50%以內(nèi)，同時假定泥巖蓋層速度v1為1500m／s，砂巖儲層速度v2為2000m／s，品質(zhì)因子Q為50，氣層厚度h為100m，子波主頻f為60Hz，利用式（6）和式（7）計算振幅隨速度和品質(zhì)因子Q值的相對變化關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。為便于對比分析，圖中同時給出了不同蓋層速度、不同氣層厚度和不同子波頻率的計算結(jié)果。

圖5 地震反射振幅隨氣層速度和品質(zhì)因子的相對變化關(guān)系

由圖5和式（6）、式（7）不難看出，地震反射振幅相對變化與速度和品質(zhì)因子的相對變化基本上為正比關(guān)系。砂巖儲層因含氣飽和度變化引起的地層速度和品質(zhì)因子的變化越大，相應地震反射振幅變化也越大。就氣層速度對地震反射振幅影響而言，除與氣層本身速度變化有關(guān)外，上覆泥巖蓋層速度的大小也會對振幅相對變化產(chǎn)生明顯影響。理論上，氣層與蓋層速度差越大，振幅相對變化越小，反之則越大。這一點對比圖5a中兩條不同蓋層速度的計算曲線顯而易見。就氣層品質(zhì)因子Q值對地震反射振幅影響而言，除與氣層本身品質(zhì)因子變化有關(guān)外，氣層厚度大小以及地震反射子波主頻高低對反射振幅的相對變化也具有顯著的影響。當氣層厚度一定時，地震子波主頻越高，振幅相對變化越大；同理，當?shù)卣鹱硬ㄖ黝l一定時，氣層厚度越大，振幅相對變化也越大（圖5b）。

就常見陸相含氣儲層而言，單層厚度一般很少超過100m，若因含氣飽和度變化引起的地層速度和品質(zhì)因子的相對變化率相同，則在地震波頻率范圍內(nèi)，由速度變化引起的反射振幅相對變化要遠高于由品質(zhì)因子Q值變化引起的反射振幅相對變化。即使是按照王大興等［22］給出的“品質(zhì)因子Q值的變化率幾乎是速度變化率的10倍”這種極限情形來考慮，由圖5可見，對于5%的速度變化率，相應于兩種泥巖層速度的振幅相對變化率分別為12%和17%；而對于50%的品質(zhì)因子變化率，相應于100m厚層氣砂巖的振幅相對變化率分別約為19%（60Hz子波）和9.4%（30Hz子波）。顯然，速度和品質(zhì)因子在這種極限比例情形下所表現(xiàn)出的振幅相對變化基本相當。然而這種極限情形并非常態(tài)，因此，完全可以得出這樣的認識，即在地震勘探常見頻率范圍內(nèi)，因儲層含氣飽和度變化引起的界面反射振幅變化比所引起的衰減振幅變化對氣層更敏感。盡管品質(zhì)因子Q值對含氣飽和度表現(xiàn)出比速度更強的敏感性，但其不能產(chǎn)生等效的地震反射振幅的變化。鑒于此，基于氣層速度變化的地震響應特性比基于氣層衰減變化的地震響應特征在多數(shù)情況下更有利于油氣檢測。由于薄氣層衰減所引起的地震反射振幅變化難以承載精細Q值反演的信息，所以，基于反射地震資料反演Q值并用于儲層含油氣檢測具有極大的風險。

除上述問題外，諸如地層品質(zhì)因子定義的不嚴謹以及亂用等問題詳見文獻［17］，在此不再贅述。

7 結(jié)論

（1）通過正演模擬開展品質(zhì)因子反演理論研究和方法驗證，地質(zhì)模型的代表性以及模型參數(shù)選擇的合理性是關(guān)鍵。

（2）連續(xù)波阻抗反演具有完備的理論基礎(chǔ)，可以將界面反射信息轉(zhuǎn)化為地層阻抗信息?；谧V比法的地層品質(zhì)因子Q值反演主要為厚層估計，實施連續(xù)Q值反演的理論基礎(chǔ)欠完備。

（3）AVO反演和疊前Q值反演是同一問題的兩個方面，二者的實施面臨的問題一樣多。AVO異常曲線復雜；QVO異常曲線相對較為簡單，隨炮檢距增加，射線平均品質(zhì)因子Q值總是增大的。因QVO效應引起的地震反射振幅總是隨著炮檢距的增大而減小。

（4）地層吸收衰減強度依賴于地層厚度。對于薄層或薄互層，因單層厚度小，衰減地震響應弱，難以準確測量。利用衰減地震響應變化準確反演或估算地層品質(zhì)因子Q值存在很大困難，反演估算結(jié)果也不確定。特別是試圖以時間采樣間隔為計算單元實現(xiàn)連續(xù)Q值反演或估算的做法基本上是不切實際的。

（5）速度和地層品質(zhì)因子與流體飽和度的關(guān)系十分復雜，不論條件籠統(tǒng)地說衰減或品質(zhì)因子比速度對含油氣儲層更敏感是不合適的，有時甚至是錯誤的。

（6）速度或品質(zhì)因子對于儲層含氣飽和度的直接敏感性強弱并不反映含油氣檢測的現(xiàn)實有效性。只有二者引起儲層地震響應的顯著變化才是真正意義上的敏感性度量指標。盡管通常認為品質(zhì)因子Q值或衰減（1／Q）比速度對氣層更敏感，但在地震勘探常見頻率范圍內(nèi)，與速度變化引起的界面反射系數(shù)變化相比，單一含氣薄層因品質(zhì)因子Q值降低引起的衰減地震響應變化并不占優(yōu)勢?；谄焚|(zhì)因子Q值地震反演結(jié)果檢測儲層含油氣性具有極大風險。

［1］ 馬昭軍，劉洋.地震波衰減反演研究綜述.地球物理學進展，2005，20（4）：1074-1082.Ma Zhaojun，Liu Yang.A summary of research on seismic attenuation.Progress in Geophysics，2005，20（4）：1074-1082.

［2］ 云美厚，曹文明，聶巖等.碳酸鹽巖裸露區(qū)近地表地震波衰減特性初探.石油物探，2012，51（5）：425-431.Yun Meihou，Cao Wenming，Nie Yan et al.Preliminary study on the attenuation characteristics of seismic wave propagating in near surface layers of carbonate outcropped area.GPP，2012，51（5）：425-431.

［3］ Tonn R.The determination of the seismic quality factorQfrom VSP data：A comparison of different computational methods.Geophysical Prospecting，1991，39（1）：1-27.

［4］ Zhang Changjun，Ulrych T J.Estimation of quality factors from CMP records.Geophysics，2002，67（5）：1543-1547.

［5］ Chichinina T，Sabinin V，Ronquillo J G.QVOA analysis as an instrument for fracture characterization.SEG Technical Program Expanded Abstracts，2005，24：127-130.

［6］ Reine C，Clark R，Baan M.Robust prestackQ-determination using surface seismic data：Part 1—Method and synthetic examples.Geophysics，2012，77（1）：R45-R56.

［7］ Reine C，Clark R，Baan M.Robust prestackQ-determination using surface seismic data：Part 2—3D case study.Geophysics，2012，77（1）：B1-B10.

［8］ 王小杰，印興耀，吳國忱.基于疊前地震數(shù)據(jù)的地層Q值估計.石油地球物理勘探，2011，46（3）：423-428.Wang Xiaojie，Yin Xingyao，Wu Guochen.Estimation of stratigraphic quality factors on pre-stack seismic data.OGP，2011，46（3）：423-428.

［9］ 魏文，王小杰，李紅梅.基于疊前道集小波域Q值求取方法研究.石油物探，2011，50（4）：355-361.Wei Wen，Wang Xiaojie，Li Hongmei.Study on extraction method forQbased on pre-stack gather in wavelet domain.GPP，2011，50（4）：355-361.

［10］ 王小杰，印興耀，吳國忱.基于S變換的吸收衰減技術(shù)在含氣儲層預測中的應用研究.石油物探，2012，51（1）：37-42.Wang Xiaojie，Yin Xingyao，Wu Guochen.The application of an S transform based absorption and attenuation technique for prediction of gas-bearing reservoir.GPP，2012，51（1）：37-42.

［11］ 付勛勛，徐峰，秦啟榮等.基于改進的廣義S變換求取地層品質(zhì)因子Q值.石油地球物理勘探，2012，47（3）：457-461.Fu Xunxun，Xu Feng，Qing Qirong et al.Estimation of quality factor based on improved generalized S-trans-form.OGP，2012，47（3）：457-461.

［12］ 高靜懷，楊森林，王大興.利用VSP資料直達波的包絡峰值處瞬時頻率提取介質(zhì)品質(zhì)因子.地球物理學報，2008，51（3）：853-861.Gao Jinghuai，Yang Senlin，Wang Daxing.Quality factor extraction using instantaneous frequency at envelope peak of direct waves of VSP data.Chinese Journal of Geophysics，2008，51（3）：853-861.

［13］ 于承業(yè)，周志才.利用雙井微測井資料估算近地表Q值.石油地球物理勘探，2011，46（（1）：89-92.Yu Chengye，Zhou Zhicai.Estimation of near surfaceQvalue based on the datasets of the uphole survey in double hole.OGP，2011，46（1）：89-92.

［14］ 田樹人.用李氏經(jīng)驗公式估算反Q濾波中的Q值.石油地球物理勘探，1990，25（3）：354-361.Tian Shuren.CalculatingQvalue in inverse filtering with the use of Li＇s empirical formula.OGP，1990，25（3）：354-361.

［15］ 張繁昌，張汛汛，張立強等.基于自適應子波分解的品質(zhì)因子Q提取方法.石油物探，2016，55（1）：41-48.Zhang Fanchang，Zhang Xunxun，Zhang Liqiang et al.Extraction method for quality factorQbased on adaptive wavelet decomposition.GPP，2016，55（1）：41-48.

［16］ Yun Meihou，Nie Yan.Problems and thought about quality factorQinversion.CPS／SEG Beijing 2014 International Geophysical Conference and Exposition，2014，624-627.

［17］ 云美厚，聶巖，李運肖等.地層品質(zhì)因子的幾種定義及相互關(guān)系.石油地球物理勘探，2013，48（5）：816-824.Yun Meihou，Nie Yan，Li Yunxiao et al.Definition and mutual relationship of several quality factors.OGP，2013，48（5）：816-824.

［18］ 李慶忠.走向精確勘探的道路——高分辨率地震勘探系統(tǒng)工程剖析.北京：石油工業(yè)出版社，1994，41-44.

［19］ Johnston D H，Toksǒez M N.Ultrasonic P and S wave attenuation in dry and saturated rocks under pressure.Journal of Geophysical Research，1980，85（B2）：925-936.

［20］ Kim D C，Katahara K W，Manghnani M H.Velociy and attenuation anisotropy in deep-sea carbonate sediments.Journal of Geophysical Research，1983，88（B3）：2337-3444.

［21］ 施行覺，徐果明，靳平等.巖石的含水飽和度對縱橫波速及衰減影響的實驗研究.地球物理學報，1995，38（增刊1）：282-287.Shi Xingjue，Xu Guoming，Jin Ping et al.The laboratory study of influence of water saturation on rock＇s velocity and attenuation.Chinese Journal of Geophysics，1995，38（S1）：282-287.

［22］ 王大興，辛可鋒，李幼銘等.地層條件下砂巖含水飽和度對波速及衰減影響的實驗研究.地球物理學報，2006，49（3）：908-914.Wang Daxing，Xin Kefeng，Li Youming et al.An experimental study of influence of water saturation on velocity and attenuation in sandstone under stratum conditions.Chinese Journal of Geophysics，2006，49（3）：908-914.

［23］ 劉斌，Kern H，Popp T.不同圍壓下孔隙度不同的干燥及水飽和巖樣中的縱橫波速度及衰減.地球物理學報，1998，41（4）：537-546.Liu Bin，Kern H，Popp T.Velocities and attenuation of P-and S-waves in dry and wet rocks with different porosities under different confining pressures.Chinese Journal of Geophysics，1998，41（4）：537-546.

［24］ 席道瑛，邱文亮，程經(jīng)毅等.飽和多孔巖石的衰減與孔隙率和飽和度的關(guān)系.石油地球物理勘探，1997，32（2）：196-201.Xi Daoying，Qiu Wenliang，Cheng Jingyi et al.Relation between attenuation and porosity or saturation of rock.OGP，1997，32（2）：196-201.

［25］ Murphy W F.Effects of partial water saturation on attenuation in Massillon sandstone and Vycor porous glass.Journal of the Acoustical Society of America，1982，71（6）：1458-1468.

［26］ 巴晶，Carcione J M，曹宏等.非飽和巖石中的縱波頻散與衰減：雙重孔隙介質(zhì)波傳播方程.地球物理學報，2012，55（1）：219-231.Ba Jing，Carcione J M，Cao Hong et al.Velocity dispersion and attenuation of P waves in partially-saturated rocks：wave propagation equations in double-porosity medium.Chinese Journal of Geophysics，2012，55（1）：219-231.

［27］ 牟永光.地震勘探資料數(shù)字處理方法.北京：石油工業(yè)出版社，1981，240-241.

［28］ Oh T M，Kwon T H，Cho G C.Effect of partial water saturation on attenuation characteristics of low porosity rocks.Rock Mechanics and Rock Engineering，2011，44（2）：245-251.

［29］ Batzle M L，Han D H，Hofmann R.Fluid mobility and frequency-dependent seismic velocity-direct measurements.Geophysics，2006，71（1）：N1-N9.

［30］ Domenico S N.Effect of brine-gas mixture on velocity in an unconsolidated sand reservoir.Geophysics，1976，41（5）：882-894.

［31］ 徐懷大，于世鳳，陳開遠.地震地層學解釋基礎(chǔ).北京：中國地質(zhì)大學出版社，1990，98-104，146-153.

云美厚，黨鵬飛，李偉娜，趙秋芳，聶巖.地層品質(zhì)因子Q值地震反演問題剖析.石油地球物理勘探，2017，52（1）：189-198.

1000-7210（2017）01-0189-10

P631

A

10.13810／j.cnki.issn.1000-7210.2017.01.026

*河南省焦作市高新區(qū)世紀路2001號河南理工大學資源環(huán)境學院，454000。Email：yunmeihou＠163.com

本文于2016年5月23日收到，最終修改稿于同年12月5日收到。

本項研究受河南理工大學博士基金項目（B2009-85）資助。

（本文編輯：劉英）

云美厚 教授，1965年生；1988年畢業(yè)于大慶石油學院石油物探專業(yè)，獲學士學位；1993年于北京石油勘探開發(fā)科學研究院，獲煤田、油氣地質(zhì)與勘探專業(yè)碩士學位；2001年獲中國地質(zhì)大學（北京）地球探測與信息技術(shù)專業(yè)博士學位。現(xiàn)在河南理工大學資源環(huán)境學院從事地球物理勘探領(lǐng)域的教學及相關(guān)研究。