本科毕业设计开题报告.docx

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本科毕业设计开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告

题目：

典型模型的AVO特征研究

学生姓名

学　号

教学院系

资源与环境学院

专业年级

2008级勘查技术与工程

指导教师

职　称

教授　　

单　　位

西南石油大学

1选题的目的和意义

AVO技术的各种近似公式相互之间既存在区别，又有着一定的内在联系。

本篇毕业设计在现有的AVO技术文献资料基础上，归纳和整理了各种AVO曲线的近似理论公式，并将这些公式绘制成曲线进行了对比分析，归纳和总结了这些公式相互之间的区别和联系，讨论了在不同波阻抗模型情况下这些公式的近似程度。

近几年AVO技术在地球物理勘探中的应用愈加广泛，尤其是在储层的油气性和流体性质的预测等方面其作用越来越重要【1】。

进一步的归纳和总结AVO近似公式，可以深入的了解和认识个近似公式的特点和使用范围，一方面可以为AVO技术的实际应用提供理论依据；另一方面可以使技术人员在利用近似式做油气预测时因地制宜的采取不同的技术手段，以提高效率，加强分析和解释的精度；其次，还可以对AVO的进一步发展提供参考和借鉴。

1.1选题的背景

AVO是英文AmplitudeVariationWithOffset的缩写，又可写作AmplitudeVersusOffset，译为振幅随炮检距的变化.AVO技术是根据振幅随炮检距的变化规律所反映出的地下岩性及其孔隙流体的性质来直接预测油气和估计地壳岩性参数【2】的一项技术。

其理论基础是描述平面波在水平分界面上反射和折射的Zoeppritz方程。

Zoeppritz【3】方程是一个由介质的密度ρ、纵波速度α和横波速度β与入射角、反射角和透射角交织在一起构成的四阶矩阵方程组，其解析解的表达式十分复杂,直接分析介质参数β、α和ρ对振幅系数的影响是困难的。

在Zoeppritz方程提出的初期，由于其复杂性和非直观性，一直未得到应用。

为了克服Zoeppritz方程的复杂性和非直观性，国内外的众多学者都对其进行了简化和近似。

迄今为止，共提出了13【4】种Zoeppritz方程的近似式。

本次毕业设计选题的主要目的是通过上下岩层的不同速度比和密度比模型，来研究地震波在分界面上，反射角和入射角之间的变化关系；总结和归纳各种AVO近似公式的特征和联系。

近几年AVO技术在地球物理勘探中的应用愈加广泛，尤其是在储层的油气性和流体性质的预测等方面其作用越来越重要【1】。

进一步的归纳和总结AVO近似公式，可以深入的了解和认识个近似公式的特点和使用范围，一方面可以为AVO技术的实际应用提供理论依据；另一方面可以使技术人员在利用近似式做油气预测时因地制宜的采取不同的技术手段，以提高效率，加强分析和解释的精度；其次，还可以对AVO的进一步发展提供参考和借鉴。

1.2选题的技术现状

在Zoeppritz方程提出的初期，由于其复杂性和非直观性，一直未得到应用。

Koefoed在1955年第一个给出了用Zoeppritz方程，以σ为参数计算出的Rpp～α曲线。

他用17组纵横波速度、密度和泊松比参数，较为详细地研究了泊松比对两个各向同性介质之间反射和折射面所产生的反射系数的影响,最大的入射角达到30°。

他的研究结果被公认为Koefoed五原则。

虽然Koefoed的结论说明了利用Rpp～α曲线是可以反算出泊松比σ的，但是用未简化的Zoeppritz方程进行计算太复杂，因此反求弹性参数也是很复杂的。

为了克服Zoeppritz方程的复杂性和非直观性，国内外的众多学者都对其进行了简化和近似。

迄今为止，共提出了13【4】种Zoeppritz方程的近似式。

孙鹏远【4】等人在前人研究的基础上又将这14种近似式划分为了8种。

目前，得到广泛应用的是Shuey【5】和Hiltemen【6】近似式，这两种近似式中包含【4】标志油气特征的参数，满足油气勘探对近似方程的要求且适用于各种层状模型的AVO模拟。

下面，简单的介绍一下国内外对13种AVO近似式的研究情况：

图1.1P波入射示意图

如图为平界面P波的反射和透射示意图。

介质1（上面）P波速度为VP1，S波速度为VS1，密度为ρ1。

介质2（下面）P波速度为VP2，S波速度为VS2，密度为ρ2。

平面P波以α1角入射于界面上产生两个反射波（分别以α1和β1反射的平面P波和平面S波）和两个透射波（分别以α2和β2透射的平面P波和平面S波）。

（1）Bortfeld【7】【8】【4】近似式

1961年,Bortfeld利用地层厚度趋于零来逼近单界面的方法计算了平面纵波和透射波的反射系数，给出了反射系数近似计算公式，并给出了对流体和固体进行了区分的简化公式。

这个近似式可以用于区分流体和固体。

它有两个特点【8】，第一个特点是第一项只包含纵波速度和密度，不包含横波速度，可称其为流体因子，第二项包含了横纵波速度和密度，称其为刚性因子；第二个特点是当垂直入射时，反射振幅完全由波阻抗决定。

（2）Aki和Richard【9】【8】【5】【4】近似式

1976年,Richards和Frasier研究了性质相近的反射场的半空间之间反射和透射问题，给出了以速度和密度相对变化表示的反射系数近似公式。

1980年,Aki和Richards在《定量地震学》中对Richards和Frasier等近似进行了综合整理，给出了类似的近似公式。

目前人们将Richards和Frasier近似式称为Aki和Richards近似式。

这个公式的适用条件【4】是界面两边的弹性介质性质的百分比变化小。

该近似方法第一次给出了能够满足大多数地球物理介质中的近似反射系数，提供了复杂问题简化的途径，为其他后继的研究工作提供了坚实的基础。

（3）Hiltemen【6】【8】【4】近似式

1983年Hiltemen对Bortfeld近似公式进行了修改，给出了反射振幅的近似表达式，如果两层介质密度相同，可以得到简单的结果，即体现速度及密度相对变化的近似该近似式与Bortfeld提出的近似式具有相同的特点【8】，都是可以用于区分流体和固体的近似式。

（4）Shuey【5】【8】【4】近似式

1985年,Shuey整理了前人的各种近似式,进一步研究了泊松比对反射系数的影响。

他的开创性工作揭示了Chiburis用最小二乘法拟合反射波振幅和入射角算法的数学物理基础，更是奠定了AVO处理的基础。

他首次提出了反射系数的AVO截距梯度的概念，并证明了相对反射系数随炮检距的变化梯度主要由泊松比的变化来决定，给出了用不同角度项表示的反射系数近似公式。

Shuey近似式是目前应用最为广泛的近似式。

该近似方程显式地表达了P波反射系数与介质弹性参数及入射角之间的关系，使AVO异常的识别由定性阶段进入定量阶段，使AVO技术的发生了重要的变革。

该近似式证明了【8】相对反射系数随炮检距变化的梯度主要是由泊松比的变化决定的，是属于体现泊松比的简化方程【4】。

但是在利用该方法反演岩性参数时必须同时知道纵、横波的速度信息，而且泊松比变化取决于反射界面两侧的纵横波速度的变化，这在很大程度上限制了参数估计的有效性，往往会导致较大的Δσ估算误差。

且当入射角较大时，方程的线性关系将不再成立，其适用范围是30º以内入射，假设前提是VP/VS≈2。

（5）Smith和Gidlow【10】【4】加权叠加方法近似式

1987年，Smith和Gidlow在Richards的基础上提出了CMP道集的加权叠加AVO反演方法。

该近似将加权叠加技术应用于岩性参数的估计，并对P波和S波的速度变化进行了分离，而且不受Vp/Vs≈2条件的限制，为AVO技术的进一步发展提供了广阔的思路。

该近似方法的优点是能够较为精确地反演岩性参数，可以给出较大角度（小于临界角）的较为精确的反射系数；缺点是速度和密度的指数关系式的引入在很大程度上限制了其应用范围，尤其是是经验关系式与实际地层相差较多时，方程的解可能不收敛或得不到解，同时很可能引入小角度误差，而且该近似式只能从得到的相对参数的变化对岩性作定性分析，而且需要速度相对变化这一背景信息。

（6）Hiltemen【11】【4】的基于Δσ的近似式

1989年Hilterman在Shuey近似方程的基础上给出了基于Δσ的另一种近似式，进一步证实了泊松比对反射系数的决定作用。

Hilterman与Shuey近似方程在实质上式没有区别的，但是对Shuey近似所进行的变换中，Hilterman利用了关系式Δσ/（1-σ）2=8×（VS/VP）2×（RP0-RS0），使该方程中与油气层参数有关的第二项更加简洁明了，从而完全体现了泊松比及其变化对反射系数的影响，可以不受任何约束地提取泊松比等有关岩性参数,并识别流体的存在。

由于略去了Shuey【4】近似式的第三项该近似式的，适用范围是不适用于大角度入射的情形，且须假定前提Vp/Vs≈2。

（7）郑晓东【12】【4】、杨绍国【13】【4】近似式

1991年和1994年，郑晓东、杨绍国等分别提出了平面弹性波反射和透射的统一公式，阐明了转换波和非转换波动力学特征的差异，并利用幂级数形式对Zoeppritz方程进行了近似。

该近似式利用幂级数展开的方法来近似反射系数，从而解决了弹性参数和入射角、反射角、透射角交织在一起，不易于利用振幅信息研究地层弹性参数的难题，与前人的公式相比它具有物理意义明确又易于分离变量、形式简单又易于控制精度等优点。

此外，幂级数形式简单，也易于在计算机上实现。

（8）Mallick【14】【4】近似式

1993年,Mallick在Richards等人的基础上给出了以射线参数p及Δμ/ρ表示的平面P波的反射系数：

Mallick利用流体因子项对反射系数进行了近似的方法替代了原有的采用与S波的信息有关的VP/VS、泊松比σ及Δσ等参量来表示反射系，避免了在S波信息未知的区域内利用AVO技术进行岩性参数反演而带来的误差和不确定性。

该近似方法重点在于强调在AVO反演中要确定好R0和Δμ/ρ。

说明了P-P波反射系数主要由Rf（p）及Δμ/ρ控制，同时反映了Δμ/ρ对反射系数的影响程度。

利用该法可以很容易地反演出Δμ/ρ等地层参数。

（9）Fatti【15】【4】相对波阻抗近似公式

1994年Fatti等人在Richards等人的研究基础上给出了以相对波阻抗表示的近似方程从而避免Smith和Gidlow近似方法过多地依赖于Gardner经验关系式。

由于密度的相对变化Δρ/ρ很小，因此，该近似方法不仅可以替代整个近似，而且没有小角度入射的限制，可以较准确地应用于入射角小于临界角的情形。

但是，利用该方法进行参数反演时需要垂直入射的纵、横波反射系数RP=1/2（ΔIP/IP）及RS=1/2（ΔIS/IS）。

（10）Goodway【16】【4】近似式

1997年，Goodway在分析了拉梅常数（压缩模量λ和剪切模量μ）对碳氢化合物的敏感程度后认为，λ/μ对含油气饱和的储层非常敏感，并在声波测井参数约束的情况下利用Fatti近似进行了AVO分析。

该近似主要体现了拉梅常数（压缩模量λ和剪切模量μ）对碳烃化合物的敏感程度，由于饱和含油气地层一般都具有较低的λρ/λμ，如果结合声波测井资料，根据上述关系式可以很容易地反演出λρ/λμ，从而达到预测储层的目的。

（11）Xu和Bancroft【17】【4】近似式

1997年,Xu和Bancroft结合Richards及Goodway等方法利用拉梅常数（λ,μ）、体积模量（κ）等给了近似方程：

该近似方程完全隐含了波速,这是与其它计算近似的最大不同之处。

由于密度的相对变化较小，因此，根据公式的前两项基本上可以反映小于45°入射的反射特性。

另外，对公式稍作变换，在不需要任何背景速度信息的情况下，可以很容易地提取反映流体异常的各弹性参数的相对变化。

（12）Gray【18】【4】近似式

1999年，Gray将Richards近似表达为拉梅常数（压缩模量λ和剪切模量μ）的显式形式。

该近似可以利用VS/VP关系式直接还原为Xu和Bancroft近似，其最大的特点是直接利用与含油气储层十分敏感的弹性参数的相对变化表示整个反射系数，根据该近似可以直接提取Δλ/λ，Δμ/μ，Δκ/κ等参数的相对变化。

缺点是由于这些参量是由VS，VP及VS/VP共同约束的，因此在提取弹性参数时会引入一定的误差，这些误差会影响反演的线性方程组系数矩阵及整个数据拟合的全部过程；另外，如果密度变化（Δρ/ρ）较大，该方程将会不稳定，甚至带来很大的系统误差。

（13）YanghuaWang【19】近似式

1999年，YanghuaWang利用射线参数和慢度关系对Richards近似进行了变换，利用弹性参数的二次函数给出了另一种近似形式。

该近似方法也是属于利用射线参数表示的近似方法，它完全采用了速度和密度及其相对变化关系对Zoepprit方程进行表示，利用该近似可以同时估计反射界面两侧纵、横波速度的变化及其纵、横波速度的比值等三个参数。

2题目的主要内容

2.1任务概述

本篇毕业设计的题目的主要内容就是通过整理和归纳各种AVO曲线的理论公式、对比分析各种AVO曲线的特征，对已有的13种AVO近似公式的特点和内在联系做一个全面的阐述和总结。

2.2设计的总体结构描述

本次毕业设计的主要任务可以概括为以下三点，即：

（1）归纳和整理各种AVO曲线的理论公式；

（2）将这些公式绘制成曲线进行对比分析；

（3）讨论不同波阻抗模型情况下这些公式的近似程度；

整个毕业设计的工作任务可以分为三大块，即理论研究阶段、计算机编程实现阶段和实际模型处理阶段：

（1）理论研究阶段，即归纳和整理各种AVO曲线的理论公式：

在大量阅读先关文献资料的基础上，总结和归纳AVO曲线的各种近似公式，对AVO近似公式有初步的认识。

（2）计算机编程实现阶段，即将这些公式绘制成曲线进行对比分析：

利用进算计编程软件，将各种近似公式绘制成曲线，直观的对比和分析各种近似公式的特征和联系。

（3）模型处理阶段，即讨论不同波阻抗模型情况下这些公式的近似程度：

采用不同的地质模型，分别用不同的AVO近似公式进行分析，绘制不同近似公式下反射角和反射系数之间的关系曲线，讨论在不同模型下这些近似公式的近似程度和相互内在联系。

图2.1

2.3预期的结果

（1）各种AVO曲线近似公式的总结认识：

通过文献调研，总结和归纳各种AVO近似公式，对各种AVO近似公式的特征有初步认识和了解。

（2）各种AVO近似公式的对比曲线：

通过计算机编程，实现各种近似公式曲线的绘制；通过在不同波阻抗模型下求取各种近似公式的反射角和反射系数之间的关系曲线，并对比分析各种近似公式曲线之间的特征和相互联系。

（3）对AVO技术的研究总结：

在以上研究工作的基础上，总结研究成果。

3设计的技术路线

3.1设计的思路与方法

（1）利用现有的文献资料，采用文献调研的方法进行理论研究：

查阅相关文献的方法整理各种AVO曲线的理论公式，并对各类公式进行归纳和总结；

（2）充分利用学过的计算机编程知识：

利用VC++和MATLAB等编程软件将各种AVO曲线的理论公式绘制成曲线，并对比分析；

（3）与实际地质模型结合，利用对比法和统计法进行分析：

采用不同的模型，分别用不同的AVO近似公式进行分析，绘制不同近似公式下反射角和反射系数之间的关系曲线，统计各个曲线的变化情况，对比在相同模型下的不同近似式曲线和不同模型下的同一种近似式曲线的变化情况，从而讨论在不同模型下这些近似公式的近似程度和相互内在联系。

在分析中,将密度变化与速度变化分开考虑,这样可以简化数值运算及分析。

采用的AVO近似公式如下：

1.Bortfeld近似式

（3.1）

2.Aki和Richard近似式

（3.2）

3.Hiltemen近似式

（3.1）

4.Shuey近似式

（3.1）

5.Smith和Gidlow加权叠加方法近似式

（3.1）

6.Hiltemen的基于Δσ的近似式

（3.1）

7.郑晓东、杨绍国近似式

（3.1）

8.Mallick近似式

（3.1）

9.Fatti相对波阻抗近似公式

（3.1）

10.Goodway近似式

（3.1）

11.Xu和Bancroft近似式

（3.1）

12.Gray近似式

（3.1）

13.YanghuaWang近似式

（3.1）

表4-1Ostrander（1984）的三层含油气砂岩于页岩模型

地层

Vp（m/s）

Vs（m/s）

ρ（g/cm3）

σ

VP/VS

页岩

含气砂岩

页岩

3048

2438

3048

1244

1625

1244

2.400

2.140

2.400

0.4

0.1

0.4

2.45

1.50

2.45

表4-2Goodway（1997）的三层含油气砂岩与页岩模型

地层

Vp（m/s）

VP（m/s）

ρ（g/cm3）

σ

VP/VS

页岩

含气砂岩

页岩

2898

2857

2898

1290

1666

1666

2.425

2.275

2.425

0.38

0.24

0.38

2.25

1.71

2.25

图3.1技术流程图

3.2可行性分析

关于AVO技术的理论基础，发展历程，设计应用效果及发展前景等方面，包括殷八斤、陈信平等在内的众多学者已经进行了较为细致的分析和阐述，但是具笔者所知对于Zoeppritz方程各种近似公式的归纳和总结以及对各个近似式之间的相互联系和区别的细致的分析和研究还为全面展开，在现有的公开文献资料中只有孙鹏远等人对其做出了初步的研究和总结。

已有的对于AVO各种近似公式的研究和总结还远远不够，近几年AVO技术发展迅速，它在油气田的勘探和开发过程中发挥了重要的作用，尤其是储层的油气性和流体性预测越来越依靠于AVO技术。

那么，细致深入的分析和研究AVO近似式的内在联系和区别，全面的归纳和总结各种近似式，明确各种近似式的特点和适用范围，以提高AVO分析及参数反演的精度、为分析和研究AVO技术的实际应用和未来发展走向提供理论依据，是十分必要的。

同时，整理和总结各种AVO近似公式在理论和技术上也是切实可行的。

在已有的公开文献资料中已经初步的对这13种近似公式进行了归纳和总结，这就为进一步的研究和归纳AVO近似公式的内在联系和区别提供了理论基础；近几年，AVO分析和参数反演技术也日渐成熟，已经有了丰富的AVO技术的分析思路和方法，同时利用计算机编程软件绘制AVO曲线已经可以实现，这为分析各种AVO近似公式曲线和不同模型下的各种AVO近似公式的特征提供了技术上的支持。

综上所述，深入全面的进行各种AVO近似公式的的归纳和整理，对比分析和研究各种AVO近似公式的特征是可行的，也是必要的。

3.3重点与难点分析

1.在理论研究阶段，能否在明了各种AVO曲线理论公式特点的基础上分析出推导近似式的方法和思路是一个难点所在，这不仅考查了文献资料的阅读能力和理解能力，也考查了学生的逻辑思考能力和数学修养。

虽未做要求，但清晰的分析和归纳出近似式的推导思路和方法既锻炼了能力，也为今后的进一步研究打下基础。

2.在模型处理阶段要求在不同的地质模型下绘制并分析各种AVO曲线及相应近似式的特征和内在联系。

如何选择地质模型才能清楚的体现出各种AVO近似式的特征，以及在处理之后着手分析各种近似式的特征是本次设计的重点也是难点所在。

笔者认为，在如何选择模型的问题上要根据各个近似式已知的特点去考虑，同时所选的模型必须具有代表性，能够体现出相应的典型地质特征，如分别选用不同的速度比、密度比和泊松比模型，以及两层模型和多层模型等；在分析问题上要采用统计法和对比法进行研究：

大量全面地统计各种模型下的曲线变化情况的数据，并对数据进行合理的分类，以便于对比分析；在对比分析时，要分门别类地，有条理、有次序的对数据和曲线进行分析对比，并充分参看前人的分析思路，要善于归纳和总结。

4设计的时间进度安排

整个毕业设计共用时12周，根据各个部分的难易程度可划分为六个阶段，每个阶段用时两周。

其具体情况如下：

表4.1毕业设计进度安排

1

查阅资料，翻译英文文献，编写开题报告

7-8周

2

归纳整理各种近似公式的基本特点

9-10周

3

编制AVO曲线的实现程序

11-12周

4

分析AVO曲线的特征

13-14周

5

编写论文

15-16周

6

提交论文，准备答辩多媒体

17-18周

5已有的参考文献

[1].刘伟,曹思远.AVO技术新进展.物探化探计算技术，2008，6：

471～479

[2].OstranderWJ.Planewavereflectioncoefficientsforgassandsatnonnormalanglesofincidence.Geophysics,1984,49:

1637～1648

[3].宋建国，王艳香，乔玉雷，王慧.AVO技术进展.地球物理学进展，2008，23：

508～514

[4].孙鹏远，孙建国，卢秀丽.P-P波AVO近似对比研究：

定性分析.石油地球物理勘探，2002.37：

164～171

[5].ShueyRT.AsimplificationoftheZoeppritzequations.Geophysics,1985,50:

609～614

[6].HiltermanF.IsAVOtheseismicsignatureofrockProperties?

ExpandedAbstractof59thSEGMgt,559

[7].BortfeldR.Approximationtothereflectionandtransmissioncoefficientsofplanelongitudinalandtransversewaves.Geophysical.Prospecting,1961,9:

485～502

[8].殷八斤，曾灏等.AVO技术的理论与实践.石油工业出版社，1995

[9].RichardsP.GandFrasierCW.Scatteringofelasticwavesfromdepth-dependentinhomogeneities.Geophysics,1976,41:

441～458

[10].SmithGCandGidlowPM.Weightedstackingforrockpropertyestimationanddetectionofgas.GeophysicalProspecting,1987,35:

993～1014

[11].HiltermanF.Seismiclithology.SEG-continuingeducation,1983,115

[12].郑晓东.Zoeppritz方程的近似及其应用[J].石油地球物理勘探，1991，26

（2）：

129~144

[13].杨绍国，周熙蘘.Zoeppritz方程的级数表达式及近似[J].石油地球物理勘探，1994，29（4）：

399~412

[14].Mallick.AsimpleapproximationtotheP-wavereflectioncoefficientanditsimplicationintheinversionofamplitudevariationwithoffset