CN102253415B - 基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法，属于勘探地球物理学领域，特征是利用裂缝等效介质理论定量表示裂缝特征参数与等效介质弹性参数之间的关系，依据Bond变换和叠加原理建立裂缝网络各向异性等效介质模型的本构关系，并将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层的实际空间位置，建立实际地层裂缝等效介质模型；利用地震波场数值模拟手段建立起不同构造部位、不同岩性裂缝性储层的地震响应模式。本发明涉及的是基于裂缝等效介质模型的裂缝性储层地震响应模式的建立方法，实用性强，为从叠前地震资料识别裂缝性储层提供了依据。

Description

基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法

一、技术领域：

本发明涉及一种勘探地球物理学领域，特别涉及一种基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法。

二、背景技术：

在油气勘探和开发过程中，常常需要借助地震波场数值模拟手段来研究特定的复杂地球介质中地震波传播规律。也就是说，人们可以通过正演的方法模拟地震波场的传播，总结不同介质所对应的地震波场特征得出规律性的认识，利用得出的一般规律从野外实际记录中推断特定的地球介质类型。裂缝性油气藏是近年来石油增储上产的重要新领域。裂缝储层极大的影响了地震波在地球介质中的传播规律，岩石中裂缝的存在，会引起储层地震波反射特征的改变，从而在地震剖面上指示裂缝的存在。因此，利用已知的裂缝介质模型进行地震波场数值模拟，建立裂缝的地震响应模式用于裂缝识别成为可能。要实现裂缝性储层地震波场数值模拟，需要解决的关键技术在于在尽可能多地利用裂缝的特征参数建立准确表征裂缝介质的地球等效介质模型。对于具有强各向异性特征的裂缝性储层，简单的介质模型和速度、密度等弹性参数仅能反映背景岩层信息(如岩性等)，描述裂缝的众多特征参数(如裂缝密度、裂缝开度等)无法直接用于波场数值模拟运算，因此需要寻求其它方法对其进行深入研究。将裂缝性介质进行等效的方法是研究裂缝介质的普遍方法。这种等效方法反映的是介质内全部裂缝所引起的宏观地震波场效应，可以表征裂缝介质的整体特征。目前，研究裂缝对地震波传播影响的宏观地球等效介质模型包括Husdon理论、Thomsen理论和Schoenberg线性滑动理论等。但上述等效介质理论都只局限于理论研究，没有开展利用地震波场数值模拟手段建立基于裂缝等效介质理论的实际地层裂缝等效介质模型的地震响应模式的方法，无法为地下裂缝性储层的检测提供识别依据。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法，为从叠前地震资料识别裂缝性储层提供依据。

其技术方案是包含以下步骤：

步骤a、通过野外露头及岩心观察，定量表征裂缝特征参数；

步骤b、利用裂缝等效介质理论建立裂缝网络各向异性等效介质模型；

步骤c、将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层的实际空间位置，建立实际地层裂缝介质模型；

步骤d、进行地震波场数值模拟；

步骤c、建立裂缝储层地震响应模式。

上述步骤a中所述的裂缝特征参数为裂缝倾向、走向、密度、开度、充填物、岩性及埋藏深度。

上述步骤b中所述的利用裂缝等效介质理论建立裂缝网络各向异性等效介质模型，具体步骤包括：

b1、在裂缝特征参数定量表征的基础上，利用裂缝等效介质理论定量表示裂缝特征参数与等效介质弹性参数之间的关系，得到简单裂缝介质概念模型；

b2、基于简单缝等效概念模型，利用Bond变换得到任意产状裂缝等效模型；

b3、通过叠加原理建立裂缝网络各向异性等效介质模型。

4、根据权利要求1所述的基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法，其特征在于，步骤c中所述的建立实际地层裂缝介质模型的具体步骤包括：

c1、统计实际地下裂缝的网络发育情况：①裂缝的特征参数：裂缝倾向、走向、密度、开度、充填物、岩性、及埋藏深度；②不同构造部位裂缝发育情况；③不同岩性地层裂缝发育差异；④总结裂缝发育规律，对裂缝形成机制及发展规律进行充分认识；

c2、根据统计资料确定不同构造位置、不同岩性地层裂缝网络的具体组合及裂缝特征参数的取值；

c3、综合地震成果剖面和剖面所过井的测井资料，建立实际地层构造格架模型；

c4、将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层构造格架模型的实际空间位置，建立不同岩性、不同构造及裂缝发育位置情况下实际地层裂缝介质模型。

上述步骤d中所述的进行地震波场数值模拟，采用的方法是旋转交错网格有限差分技术，并综合应用非分裂完全匹配层吸收边界条件和自由地表边界条件形成组合边界条件。

上述步骤e中所述的建立裂缝储层地震响应模式的具体步骤为：

e1、对实际地层裂缝等效介质模型进行正演模拟获得的叠前炮记录进行运动学特征和动力学特征分析，分析不同构造部位、不同岩性裂缝地层的叠前地震响应特征；

e2、对实际地层裂缝介质模型进行正演模拟得到的叠加剖面进行分析，分析不同构造部位、不同岩性裂缝地层的叠后地震响应特征；

e3、归纳总结不同裂缝发育模式在叠前炮记录和叠加剖面上的地震响应特征，最终建立裂缝储层地震响应模式；同野外实际叠前炮记录和叠加剖面进行综合对比，依据建立的裂缝储层地震响应模式预测裂缝发育区。

本发明的有益效果是：根据实际地下裂缝的网络发育模式，参考不同岩性、不同构造部位裂缝参数统计资料，综合地震解释和测井资料，依据确定的裂缝网络的具体组合及给定裂缝特征参数的取值，将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层的实际空间位置，建立不同岩性、不同构造及裂缝发育位置情况下实际地层裂缝等效介质模型，并采用地震波场数值模拟的手段建立起基于裂缝等效介质模型的地震响应模式，为地下裂缝性储层的检测提供识别依据。

四、附图说明：

图1(a)为直立产状平行裂缝示意图。

图1(b)为倾斜产状平行裂缝示意图。

图2为裂缝网络组合模型示意图。

图3为背斜构造的倾末端发育裂缝示意图。

图4(a)为实际介质灰岩裂缝发育模型。

图4(b)为实际介质白云岩裂缝发育模型。

图5(a)为背斜构造翼部模型。

图5(b)为野外实际炮记录。

图5(c)为地震波场数值模拟炮记录。

图5(d)为炮点在208井实际炮记录局部放大图。

图5(e)为地震波场数值模拟记录局部放大图。

图5(f)为过208井地震叠加剖面。

图6为裂缝性储层地震响应模式建立流程图。

五、具体实施方式：

实施例1：本发明实现其目的所采取的技术方案是利用裂缝等效介质理论定量表示裂缝特征参数与等效介质弹性参数之间的关系，依据Bond变换和叠加原理建立裂缝网络各向异性等效介质模型的本构关系，并将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层的实际空间位置，建立实际地层裂缝等效介质模型；利用地震波场数值模拟手段建立起不同构造部位、不同岩性裂缝性储层的地震响应模式。具体过程如下：

(1)开展野外露头及岩心观察，总结裂缝发育规律，对裂缝形成机制及发展规律进行充分认识，提取裂缝特征参数。

(2)裂缝网络等效模型的建立

在裂缝特征参数提取的基础上，依据确定的裂缝网络的具体组合及给定裂缝特征参数的取值，利用裂缝等效公式，可得到裂缝网络等效介质模型；具体步骤为：

a.针对简单裂缝，即假设所含裂缝为一组定向平行直立裂缝，将裂缝长度、开度、裂缝充填物体积模量和剪切模量、裂缝密度这类裂缝特征参数等效为裂缝的法向弱度ΔN和切向弱度ΔT参数，从而得到简单裂缝(直立裂缝)引起的柔度矩阵S_直立：

$\mathrm{\ΔN}=\frac{4e}{3g(1-g)[1+\frac{1}{\mathrm{\π}(1-g)}\frac{k^{\′}+(4/3){\mathrm{\μ}}^{\′}}{\mathrm{\μ}}\frac{a}{c}]},$ $\mathrm{\ΔT}=\frac{16e}{3(3-2g)\·[1+\frac{4}{\mathrm{\π}(3-2g)}\frac{{\mathrm{\μ}}^{\′}}{\mathrm{\μ}}\frac{a}{c}]}---\left(1\right)$

其中e为裂缝密度，k′和μ′为裂缝充填物的体积模量与剪切模量，λ和μ为介质的拉梅常数，a为裂缝的长度，c为裂缝的宽度，g是背景岩层纵横波速度比。

b.根据裂缝的空间分布情况，即裂缝的方位角和倾角θ，将建立的简单裂缝等效介质模型的柔度矩阵S_直立进行Bond变换，将倾斜裂缝介质本构坐标系的弹性矩阵变换到观测坐标下的弹性矩阵，建立任意方位角和任意倾角裂缝的等效介质模型，得到任意倾斜裂缝介质的弹性矩阵S_倾斜：

其中M_θ和

为Bond变换矩阵。

c.根据裂缝的空间分布情况，建立每组裂缝引起的相应的弹性柔度矩阵；按照叠加原理，将每组裂缝相应的弹性柔度矩阵S_i与背景各向同性介质的柔度矩阵S_b相加得到裂缝组合形成的裂缝等效介质模型的柔度矩阵S；进行方程求逆，得到不同产状裂缝组合而成的裂缝网络各向异性等效介质的刚度矩阵C，即

$S=S_b+\underset{n=1}{\overset{n=k}{\mathrm{\Σ}}}{S^n}_i=C^{-1},---\left(4\right)$

(3)实际地层裂缝等效介质模型的建立

根据实际地下裂缝的网络发育模式，参考不同岩性、不同构造部位裂缝参数统计资料，综合地震解释和测井资料，依据确定的裂缝网络的具体组合及给定裂缝特征参数的取值，将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层的实际空间位置，建立不同岩性、不同构造及裂缝发育位置情况下实际地层裂缝等效介质模型，具体步骤包括：

a.统计实际地下裂缝的网络发育情况：①裂缝的特征参数：倾角、开度、密度、厚度、充填程度；②不同构造部位裂缝发育情况；③不同岩性地层裂缝发育差异。总结裂缝发育规律，对裂缝形成机制及发展规律进行充分认识。

b.根据统计资料确定裂缝网络的具体组合及裂缝特征参数的取值。

c.综合地震资料和测井资料，建立实际地层构造模型。

d.将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层构造模型的实际空间位置，建立不同岩性、不同构造及裂缝发育位置情况下实际地层裂缝等效介质模型。

(4)地震波场数值模拟

应用旋转交错网格有限差分技术得到裂缝等效介质一阶速度-应力弹性波方程的正演模拟递推格式，综合应用非分裂完全匹配层吸收边界(NPML)条件和自由地表边界条件形成组合边界条件进行地震波场正演模拟。

(5)建立裂缝储层地震响应模式

对数值模拟获得的波场快照和合成记录进行分析，研究裂缝地层的地震响应特征，根据裂缝储层在实际地震记录和正演模拟记录的综合对比分析，得到裂缝储层地震响应模式，为裂缝检测提供依据。具体步骤为：

a.对实际地层裂缝等效介质模型进行正演模拟获得的叠前炮记录进行运动学特征和动力学特征分析，研究不同构造部位、不同岩性裂缝地层的叠前地震响应特征。

b.对实际地层裂缝等效介质模型进行正演模拟得到的叠加剖面进行分析，研究裂缝在叠后记录中的地震响应特征。

c.归纳总结不同裂缝发育模式(不同构造部位、不同岩性)在叠前炮记录和叠加剖面上的地震响应特征，最终建立裂缝储层地震响应模式；同野外实际叠前炮记录和叠加剖面进行综合对比，依据建立的裂缝储层地震响应模式预测裂缝发育区。

实施例2：通过胜利油区富台潜山裂缝性油藏为例并结合附图来详细说明本发明的内容及实现原理：

1.裂缝特征参数定量描述

通过野外露头观测及实验室岩心观察，可获得胜利油区的富台潜山裂缝性油藏的裂缝发育状况，从中提取出裂缝的空间分布信息：裂缝的倾向(倾角)、走向(方位角)、裂缝的发育组数及分布情况(平面共轭、剖面共轭)；同时获得描述裂缝的特征参数：裂缝的密度、开度、延伸长度、充填物、裂缝层的厚度及裂缝背景层的岩性。

2.裂缝网络等效介质模型的建立

在实际地区裂缝特征参数提取的基础上，依据确定的裂缝网络的具体组合及给定裂缝特征参数的取值，利用裂缝等效公式(1)～(4)，得到裂缝网络等效介质模型；细化步骤为：

①针对简单裂缝，即假设所含裂缝为一组定向平行直立裂缝，依据等效介质理论，利用公式(1)将裂缝长度、开度、裂缝充填物体积模量和剪切模量、裂缝密度特征参数等效为裂缝的法向弱度ΔN和切向弱度ΔT参数，从而可得到直立裂缝引起的柔度矩阵。

②根据裂缝的空间分布情况，即裂缝的方位角

和倾角θ，将建立的简单裂缝等效介质模型的柔度矩阵按公式(3)进行Bond变换，将倾斜裂缝介质本构坐标系的弹性矩阵变换到观测坐标下的弹性矩阵，如附图1所示，建立任意方位角和任意倾角裂缝的等效介质模型，得到任意倾斜裂缝介质的弹性矩阵。

③按照叠加原理，将第②步得到的各种任意倾斜裂缝的弹性柔度矩阵与背景各向同性介质的柔度矩阵相加得到裂缝组合形成的裂缝等效介质模型的柔度矩阵，如附图2所示；最后进行方程求逆，得到裂缝等效介质的刚度矩阵。

3.实际油藏裂缝等效介质模型建立

在对实际模型的处理中，参考潜山不同岩性、构造部位裂缝参数统计资料(表1)，综合地震解释和测井资料，平面上分不同构造部位(轴部、翼部、倾末端)，纵向上分不同的岩性段(灰岩、白云岩)，统计裂缝发育情况，构建实际地层裂缝等效介质模型，如附图3所示为背斜构造的倾末端发育裂缝示意图。

将构建的裂缝网络等效介质模型置于地下油藏实际空间位置，建立不同岩性、不同构造及裂缝发育位置情况下的实际油藏裂缝介质模型，如附图4。采用地震波场数值模拟手段得到实际油藏裂缝介质模型的地震响应特征。

表1建立的裂缝性储层地球等效介质模型基本参数

4.基于旋转交错网格算法的地震波场数值模拟

基于弹性波一阶速度-应力方程旋转交错网格高阶有限差分方法，建立裂缝等效介质的正演模拟的递推格式，采用非分裂完全匹配层(Non-spliting Perfect Match Layer，简称NPML)吸收边界条件和自由边界条件形成组合边界条件，对建立的裂缝等效介质模型进行地震波场数值模拟。

5.建立裂缝储层地震响应模式

利用根据富台潜山油藏建立的实际裂缝地层模型(附图4)进行正演模拟，对于正演模拟获得的波场快照和合成记录进行运动学特征和动力学特征分析，研究不同构造部位、不同岩性裂缝地层的地震响应特征，建立了不同构造部位裂缝网络的地震响应模式。

裂缝储层在实际叠前地震记录(附图5b、附图5d)中相应空间位置处表现为较弱的地震响应，即非双曲线型、块状分布的连续弱反射特征。而在对应的地震叠加剖面(附图5f)中，裂缝引起的反射特征非常微弱，难于识别裂缝响应特征。依据“非双曲线型、块状分布的连续弱反射特征”的地震响应模式为裂缝预测提供依据。本发明对从叠前炮记录中预测裂缝具有指导意义。

本发明所提供的裂缝性储层地震响应模式建立方法的流程如图6所示。

本发明实现了利用裂缝等效介质理论定量表示裂缝特征参数与等效介质弹性参数之间的关系，建立了实际地层裂缝等效介质模型；采用地震波场数值模拟的手段建立了基于裂缝等效介质模型的地震响应模式，为地下裂缝性储层的检测提供了识别依据。

Claims (2)

1.一种基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法，其特征是包含以下步骤：

步骤a、通过野外露头及岩心观察，定量表征裂缝特征参数；

步骤b、利用裂缝等效介质理论建立裂缝网络各向异性等效介质模型；

步骤c、将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层的实际空间位置，建立实际地层裂缝介质模型；

步骤d、进行地震波场数值模拟；步骤e、建立裂缝储层地震响应模式；

上述步骤b中所述的利用裂缝等效介质理论建立裂缝网络各向异性等效介质模型，具体步骤包括：

b1、在裂缝特征参数定量表征的基础上，利用裂缝等效介质理论定量表示裂缝特征参数与等效介质弹性参数之间的关系，得到简单裂缝介质概念模型；

b2、基于简单缝等效概念模型，利用Bond变换得到任意产状裂缝等效模型；

b3、通过叠加原理建立裂缝网络各向异性等效介质模型；

上述步骤c中所述的建立实际地层裂缝介质模型的具体步骤包括：

c1、统计实际地下裂缝的网络发育情况：①裂缝的特征参数：裂缝倾向、走向、密度、开度、充填物、岩性、及埋藏深度；②不同构造部位裂缝发育情况；③不同岩性地层裂缝发育差异；④总结裂缝发育规律，对裂缝形成机制及发展规律进行充分认识；

c2、根据统计资料确定不同构造位置、不同岩性地层裂缝网络的具体组合及裂缝特征参数的取值；

c3、综合地震成果剖面和剖面所过井的测井资料，建立实际地层构造格架模型；

c4、将构建的裂缝网络等效介质模型置于地层构造格架模型的实际空间位置，建立不同岩性、不同构造及裂缝发育位置情况下实际地层裂缝介质模型；

上述步骤d中所述的进行地震波场数值模拟，采用的方法是旋转交错网格有限差分技术，并综合应用非分裂完全匹配层吸收边界条件和自由地表边界条件形成组合边界条件；

上述步骤e中所述的建立裂缝储层地震响应模式的具体步骤为：

e1、对实际地层裂缝等效介质模型进行正演模拟获得的叠前炮记录进行运动学特征和动力学特征分析，分析不同构造部位、不同岩性裂缝地层的叠前地震响应特征；

e2、对实际地层裂缝介质模型进行正演模拟得到的叠加剖面进行分析，分析不同构造部位、不同岩性裂缝地层的叠后地震响应特征；

e3、归纳总结不同裂缝发育模式在叠前炮记录和叠加剖面上的地震响应特征，最终建立裂缝储层地震响应模式；同野外实际叠前炮记录和叠加剖面进行综合对比，依据建立的裂缝储层地震响应模式预测裂缝发育区。

2.根据权利要求1所述的基于裂缝等效介质模型的地震响应模式建立方法，其特征是：步骤a中所述的裂缝特征参数为裂缝倾向、走向、密度、开度、充填物、岩性及埋藏深度。

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