CN104155693A - 储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法 - Google Patents

Abstract

储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法是一种石油地震勘探数据处理与解释技术，它实现了储层流体流度的叠前角道集地震正演。首先利用岩石物理学、含流体介质的孔弹性理论，对测井数据或合成地质模型，计算各层段的频率相关性纵横波速度参数，获得包含不同流体流度的储层物理参数地质模型，再利用二维角度-频率域AVO地震反射系数分布公式，获得随入射角度和频率同时变化的入射角度-频率域AVO反射系数分布模型，然后，利用标量弥散粘滞方程进行地震波场的正演计算，获得叠前角道集数据，可用于刻画储层流体流度对叠前角道集中地震响应的影响及其对应关系，为油气地震勘探中储层的油气识别提供更加可靠的指导。

Description

储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法

技术领域

本发明涉及石油地震勘探数据处理与解释领域，是一种利用岩石物理学、含流体介质的孔弹性理论与波动方程方法，实现储层流体流度的叠前角道集地震正演，用于描述含流体储层流度在叠前角道集上的地震响应特征和规律，为油气地震勘探中储层流体识别提供指导的技术。

背景技术

储层流体流度是反映孔隙介质中流体流动性的物理参数，定义为储层渗透率与孔隙流体粘度的比值，它反映了储层岩石骨架中孔隙结构的渗透性(或连通性)和孔隙流体的类型、粘度、饱和度的共同作用，因此，储层流体流度对于确定储层岩石的弹性参数、内部结构和含流体性质等具有重要意义，利用数值计算方法分析储层流体流度在叠前角道集上的地震响应特征，可以指导实际勘探中储层流体流度参数的反演，为油气地震勘探提供更加可靠的技术支持。

孔隙介质中的流体可引起显著的地震衰减与频散异常，而地震波所激发的孔隙流体流动(wave-induced fluid flow——WIFF)是引起地震衰减与频散的重要原因(Chapman,2003；Maultzsch et al.,2003；Chapman&Odebeatu，2005；2006；Müller，2010)，目前，进行含流体孔隙介质弹性参数与地震记录的数值模拟的主要工作如下：利用基于Biot孔弹性理论的数值方法对部分饱和薄层模型的速度频散和衰减进行数值分析(Carione&Picotti,2006)，或利用类似方法在孔弹性互层模型上进行数值分析，并通过有限元法获得其地震响应(Quintal et al，2012)；以滤波理论为基础推导的渗透地层依赖频率的低频地震反射系数，可反映储层流体流度的作用(Silin&Goloshubin，2010)；利用局部喷射流理论计算单层模型依赖频率的反射系数，同时考虑了含流体储层的地震谱响应和AVO特征(Chapman和Odebeatu等，2006)。

由于储层流体流度与地震振幅随炮检距的变化(即Amplitude Versus Offset——AVO)两者存在相互关联和复杂的共同作用，从而在油气储层的叠前角道集上表现出独特的地震响应特征和规律，然而，如何模拟和刻画储层流体流度在叠前角道集上的地震响应，目前尚缺乏***的数值计算方法，而这是研究储层流体流度在叠前角道集上的频散和衰减等地震异常特征、指导实际地震叠前角道集上储层流体流度参数反演，实现储层描述和流体检测的重要基础工作。

发明内容

本发明是要提供一种综合利用岩石物理、含流体介质的孔弹性理论和波动方程方法，实现储层流体流度叠前角道集地震正演数值计算的技术，它能用于研究储层流体流度在叠前角道集上的频散和衰减等地震异常特征和规律，指导实际地震叠角道集上储层流体流度参数反演，为油气地震勘探中储层流体识别提供支持。

本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，首先综合利用岩石物理数据、测井曲线、测井解释数据、地质、地震和开发数据等，建立包含不同流体流度的储层物理参数地质模型，使地质模型更接近真实储层的地质与地球物理特征。

本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，采用动态等效介质理论，计算包含不同流体流度的储层物理参数地质模型的频率相关弹性张量矩阵，进而获得各地层的频率相关纵横速度参数，有效刻画油气储层的纵横波速度等参数随流体流度和频率共同变化的物理规律，使储层流体流度与依赖频率的地震频散和衰减特征建立了直接的对应关系。

本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，将常规的AVO反射系数公式拓展至入射角度-频率域，建立频率相关AVO反射系数分布公式，通过该公式，可以利用频率相关纵横速度参数计算各层反射界面的频率相关AVO反射系数分布，从而能反映二维角度-频率平面中，地震反射系数随不同入射角度和频率的共同变化。

本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，采用考虑了储层流体弥散性、流体粘度的波动方程实现，生成包含频率相关特性的地震叠前角道集，使地震叠前角道集中的地震波场充分反映了流体流度的作用和贡献，可以刻画油气储层依赖频率的频散和衰减等特征。

本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，具有如下优越性：

⑴建立了二维角度-频率域频率相关性AVO反射系数分布公式，利用动态等效介质理论和频率相关性AVO反射系数分布的计算方法，获得储层物理参数地质模型，使它能体现频率相关性和入射角度的共同作用与贡献，更加符合油气储层的地球物理客观规律；

⑵利用标量弥散粘滞方程的波场延拓进行地震正演的数值计算，使生成的叠前角道集能包含与储层孔隙流体流度特征有关的地震波场信息，有利于分析流体流度对地震响应的影响及其作用机理；

⑶生成的频率相关性叠前角道集主要反映地震纵波信息，无转换波和层间多次波的干扰和影响，同时不存在因动校拉抻在叠前角道集上造成的低频效应的干扰，有利于准确确定油气储层流体流度对叠前角道集中地震响应的作用及对应关系。

本发明的具体实现原理如下：

首先导入包含纵横波速度、密度、孔隙度等参数的测井曲线，测井解释的各层段流体类型及饱和度参数，计算储层孔隙流体的粘度，结合岩芯和岩石物理信息，如渗透率、岩石颗粒尺寸、孔隙扁率、裂缝密度和长度等数据，计算储层流体流度(用渗透率除以孔隙流体的粘度，单位为m⁴/(N·s)，其中m为米，N为牛顿，s为秒)。利用动态等效介质理论(Chapman等，2003)，计算各层段的频率相关性弹性张量矩阵，进而获得各层段的频率相关性纵横波速度，从而使各地层的弹性参数体现了流体流度的作用和贡献。

基于Chapman动态等效介质理论(Chapman等，2003)，首先构建频率相关性弹性张量矩阵C(f)，该矩阵的元素C_ijkl按如下计算：

$C_{\mathrm{ijkl}}=C_{\mathrm{ijkl}}^0-{\mathrm{\φ}}_p{C}_{\mathrm{ijkl}}^1-{\mathrm{\ϵ}}_c{C}_{\mathrm{ijkl}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_f{C}_{\mathrm{ijkl}}^3$

其中，C⁰是弹性张量矩阵的各向同性背景弹性张量，C¹、C²和C³分别为与岩石孔隙度φ_p、裂隙密度ε_c和裂缝密度ε_f对应的弹性张量校正量。

利用上述测井曲线中的已有参数，如纵波横波速度(已知测量的频率f₀)和密度ρ、岩石孔隙度φ_p和裂隙密度ε_c、流体流度参数计算已知频率的初始背景弹性张量C⁰(Λ,Μ)，其中弹性常数Λ和Μ如下计算

Λ＝λ₀+φ_p(λ₀,μ₀,f₀)+ε_c(λ₀,μ₀,f₀),

Μ＝μ₀+φ_p(λ₀,μ₀,f₀)+ε_c(λ₀,μ₀,f₀)

其中 ${\mathrm{\λ}}_0=\mathrm{\ρ}{\left(v_p^0\right)}^2-2{\mathrm{\μ}}_0,{\mathrm{\μ}}_0=\mathrm{\ρ}{\left(v_s^0\right)}^2.$ 则可计算频率相关性弹性张量矩阵：

$C_{\mathrm{ijkl}}\left(f\right)=C_{\mathrm{ijkl}}^0(\mathrm{\Λ},M,\mathrm{\ω})-{\mathrm{\φ}}_p{C}_{\mathrm{ijkl}}^1({\mathrm{\λ}}_0,{\mathrm{\μ}}_0,f)-{\mathrm{\ϵ}}_c{C}_{\mathrm{ijkl}}^2({\mathrm{\λ}}_0,{\mathrm{\μ}}_0,f)-{\mathrm{\ϵ}}_f{C}_{\mathrm{ijkl}}^3({\mathrm{\λ}}_0,{\mathrm{\μ}}_0,f)$

其中，f为频率。

得到考虑了储层流体流度特征的频率相关性弹性张量矩阵C(f)，继而可以据此计算频率相关性纵横波速度v_p(f)和v_s(f)。

计算二维入射角度-频率域的AVO反射系数分布，是在Wiggins等人(1983)的纵波AVO反射系数近似公式的基础上，将其拓展至角度-频率域，建立角度-频率域AVO反射系数分布计算公式如下：

R(f,θ)＝A(f)+B(f)sin²θ+C(f)tan²θsin²θ

其中：

$A\left(f\right)=\frac{1}{2}[\frac{\mathrm{\Δ}{V}_P\left(f\right)}{V_p\left(f\right)}+\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}}],$

$B\left(f\right)=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δ}{V}_P\left(f\right)}{V_p\left(f\right)}-4{\left[\frac{V_s\left(f\right)}{V_P\left(f\right)}\right]}^2\frac{\mathrm{\Δ}{V}_s\left(f\right)}{V_s\left(f\right)}-2{\left[\frac{V_s\left(f\right)}{V_P\left(f\right)}\right]}^2\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}},$

$C\left(f\right)=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δ}{V}_P\left(f\right)}{V_p\left(f\right)}.$

其中R(f,θ)为二维角度-频率域AVO反射系数分布，θ和f分别为入射角度和频率，V_p(f)、V_S(f)和ρ分别为反射界面上下层的频率相关性纵横波速度和密度的平均值，而ΔV_P(f)、ΔV_S(f)和Δρ则分别为反射界面上下层的频率相关性纵横波速度和密度的差值。

叠前角道集的地震正演数值计算，是通过波动方程延拓计算，采用如下标量弥散粘滞方程实现：

$\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}+\mathrm{\ζ}\frac{\∂u}{\∂t}-\mathrm{\η}\frac{{\∂}^{3}u}{{\∂z}^2\∂t}-v^2\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂z}^2}=0$

其中，u为位移，ζ是弥散衰减参数，η是流体粘度，v为波的传播速度。该方程的计算采用频率-波数域波场的相移延拓实现：

$u(z+\mathrm{\Δz},\mathrm{\ω})=u(z,\mathrm{\ω})e^{{\mathrm{ik}}_z\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δz}}$

其中，角频率ω＝2πf，z为深度，Δz为深度延拓的步长，垂直波数k_z的按如下公式计算：

$k_z\left(\mathrm{\ω}\right)={\left[\frac{-{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{i\ζ\ω}}{v_p^2\left(f\right)+\mathrm{i\η\ω}}\right]}^{1/2}$

将包含不同流体流度的储层物理参数地质模型的AVO反射系数分布与各层频率相关性纵波速度作为上述标量弥散粘滞方程的输入，通过波场延拓的数值计算，即可获得储层流体流度的角道集，用于流体流度的叠前地震响应特征分析。

附图说明

图1是设计的储层流体流度地质模型，其中第一、三层为不含流体的泥岩，第二层为含流体孔隙砂岩层。第一层的厚度为248米、纵波速度2755米/秒、横波速度1402米/秒、密度2.07克/立方厘米；第二层的厚度为90米、纵波速度2830米/秒、横波速度1470米/秒、密度2.09克/立方厘米、孔隙度25％；第三层的厚度为172米、纵波速度2975米/秒、横波速度1595米/秒、密度2.2克/立方厘米。

图2是与图1地质模型对应的，当第二层含流体孔隙砂岩层的流体流度相对较低时，此时流体流度为7.8×10^-11m⁴/(N·s)，本发明的地震正演数值计算得到的叠前角道集剖面及其全角度叠加剖面。其中：(a)为叠前角道集剖面，(b)为全角度叠加地震道。

图3是与图1地质模型对应的，当第二层含流体孔隙砂岩层的流体流度相对较高，此时流体流度为1.95×10^-9m⁴/(N·s)，本发明的地震正演数值计算得到的叠前角道集剖面及其全角度叠加剖面。其中：(a)为叠前角道集剖面，(b)为全角度叠加地震道。

图4是与图2对应的，利用一种基于地震资料的储层流体流度反演方法(陈学华等，2012)对图2中的剖面计算得到的储层流体流度属性；利用同样方法计算。

图5是与图3对应的储层流体流度属性。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：⑴输入包含纵横波速度、密度、孔隙度等参数的测井数据，以及测井解释的各层段流体类型及饱和度参数，计算储层孔隙流体的粘度，结合岩芯和岩石物理信息，如渗透率、岩石颗粒尺寸、孔隙扁率、裂缝密度和长度等数据，计算储层流体流度；⑵利用动态等效介质理论，计算各层段频率相关性弹性张量矩阵的各个元素，然后以此计算各层段的频率相关性纵横波速度参数，在设定的深度范围内，沿测井深度方向逐点计算直至指定层段的所有采样点计算完毕，获得包含不同流体流度的储层物理参数地质模型；⑶利用二维角度-频率域AVO反射系数分布公式，对各层段的频率相关性纵横波速度和密度，沿储层物理参数地质模型的深度方向逐点计算入射角度-频率域AVO反射系数分布，获得各层段的随频率和入射角度同时变化的角度-频率域AVO反射系数分布模型；⑷利用标量弥散粘滞方程，对包含不同流体流度的储层物理参数地质模型和角度-频率域AVO反射系数分布模型进行叠前地震波场的正演计算，获得叠前角道集数据。⑸利用地震数据成图软件，将生成的叠前道集数据转化成剖面图像或进行可视化显示，或利用叠前角道集数据分析指定层段的储层流体流度对叠前角道集中地震响应的影响及其对应关系。

本发明的实施实例说明：

图1是设计的储层流体流度地质模型(具体物理参数见上述附图说明)，图2是当给定该模型第二层的含流体孔隙砂岩的流体流度相对较低时，利用本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法获得的叠前角道集(图2a)及其全角度叠加地震道(图2b)。从图2a中可见，含流体孔隙砂岩的顶、底均为正的反射同相轴，且振幅随入射角度增加而减小，而底部反射同相轴的频率比顶部的低，说明地震波出现了衰减。图3是与图1对应的，当给定图1模型第二层的含流体孔隙砂岩的流体流度相对较高时，利用本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法获得的叠前角道集(图3a)及其全角度叠加地震道(图3b)，从图3a中可见，含流体砂岩层顶部为正的反射同相，其振幅随入射角度增加而略有降低，但其底部反射同相轴均出现了明显的相位畸变，说明出现了明显的地震频散，尤其在入射角大于25度的地震道中更为显著，且底部反射同相轴的频率明显低于顶部的反射同相轴，说明地震波出现了衰减，在图3b中也可观察到含流体孔隙砂岩层底部明显的相位畸变特征。另外，对比图2和图3可见，在两者的流体流度不同的情况下，含流体孔隙砂岩层顶、底反射同相轴均显示了不同的特征，图2的含流体孔隙砂岩层底部反射比图3的明显下移，而图3的相位畸变更明显、频率也更低。因此，图2和图3说明本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，能模拟和反映不同储层流体流度情况下，叠前角道集中地震响应的不同特征和规律，有效刻画储层流体流度变化时，随入射角变化的地震响应的异常特征。

图4、图5是分别利用图2和图3中的角道集数据计算的流体流度属性，该属性是利用一种基于地震资料的储层流体流度反演方法(陈学华等，2013)实现的，能提取与流体流度有关的储层参数，从图4和图5可见，第二层的含流体孔隙砂岩的流体流度属性均显示为相对的异常大值，而其上覆和下部的泥岩层的流体流度属性为零，这与初始储层参数地质模型相符；另外，对比图4和图5可见，图4中第二层含流体孔隙砂岩的流体流度属性明显低于图5，这与图2和图3在数值计算时的储层参数地质模型相符：即图2中第二层含流体孔隙砂岩的流体流度相对低、图3第二层含流体孔隙砂岩流体流度相对高。因此，图4和图5中的流体流度属性说明，本发明的储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法能够准确可靠地模拟储层流体流度在叠前角道集中的地震响应及其异常特征。

Claims (5)

1.一种储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，其特征在于采用以下具体步骤：                                                输入包含纵横波速度、密度、孔隙度等参数的测井数据，以及测井解释的各层段流体类型及饱和度参数，计算储层孔隙流体的粘度，结合岩芯和岩石物理信息，如渗透率、岩石颗粒尺寸、孔隙扁率、裂缝密度和长度等数据，计算储层流体流度； 利用动态等效介质理论，计算各层段频率相关性弹性张量矩阵的各个元素，然后以此计算各层段的频率相关性纵横波速度参数，在设定的深度范围内，沿测井深度方向逐点计算直至指定层段的所有采样点计算完毕，获得包含不同流体流度的储层物理参数地质模型； 利用二维角度-频率域AVO反射系数分布公式，对各层段的频率相关性纵横波速度和密度，沿储层物理参数地质模型的深度方向逐点计算入射角度-频率域AVO反射系数分布，获得各层段的随频率和入射角度同时变化的角度-频率域AVO反射系数分布模型； 利用标量弥散粘滞方程，对包含不同流体流度的储层物理参数地质模型和角度-频率域AVO反射系数分布模型进行叠前地震波场的正演计算，获得叠前角道集数据； 利用地震数据成图软件，将生成的叠前道集数据转化成剖面图像或进行可视化显示，或利用叠前角道集数据分析指定层段的储层流体流度对叠前角道集中地震响应的影响及其对应关系。

2.根据权利要求1所述的一种储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，其特征在于：同时利用了测井数据、测井解释及岩石物理信息，计算流体流度及其频率相关性纵横波速度，建立包含不同流体流度地层的储层物理参数地质模型。

3.根据权利要求1或2所述的一种储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，其特征在于：建立了入射角度-频率域AVO反射系数分布，体现了储层流体流度对不同入射角度和频率的地震响应的影响和作用。

4.根据权利要求1所述的一种储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，其特征在于：利用了标量弥散粘滞方程的相移波场延拓算法，计算叠前角道集的地震波场数据。

5.根据权利要求1所述的一种储层流体流度的角道集地震响应数值计算方法，其特征在于：获得的叠前角道集数据中包含了与储层流体流度有关的地震波场频散和衰减特征，体现了两者的对应关系。