CN103293563B - 一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法。方法包括以下步骤：在深度区间进行阵列声波测井、地层密度测井及自然伽马测井，分别得到阵列声波全波列数据、地层密度测井曲线及自然伽马测井曲线；计算得到处理深度位置处的地层纵波速度、横波速度、地层孔隙度及泥质含量；计算岩石基质的体积模量和剪切模量；计算理论模型的纵波速度和横波速度；联合构建反演目标函数；得到理论模型的裂隙密度和流体模量。本发明可以有效地给出地层的裂隙密度随深度变化的剖面，确定地层裂隙的发育状况，很好地指示岩石中裂隙的发育状况；得到地层中流体的体积模量随深度变化的剖面，直观地识别地层中流体性质，指导油气生产。

Description

一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法

技术领域

本发明属于应用地球物理测井领域，具体地，涉及一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法，综合利用地层钻井中的阵列声波测井、地层密度测井和自然伽马测井数据确定油气储层岩石裂隙密度和刘体模量，用于评价和解释地层岩石的裂隙发育状况和识别岩石中所含油气。

背景技术

实际岩石中往往是既含孔隙又含裂隙，裂隙的存在可以极大地影响岩石的物理响应和性质，如岩石的声学、电磁响应和性质，等等。国内外很多油气田都属于低孔、低渗储层，例如碳酸盐岩储层，致密砂岩，近几年页岩气开发也提上议事日程，越来越受到人们的重视和关注，这些非常规储层岩石的一个很重要的特征就是孔隙度很低。从这些致密性油气藏中也往往能够看到可观的油气显示，这主要是因为岩石介质中的裂隙较为发育。裂隙既提供了油气的储藏空间，又提供了油气开发时的流动通道。因此，评估岩石，特别是致密性储层岩石的裂隙发育程度并确定其中的流体性质，甚为重要。

为了描述含裂隙，裂隙岩石的声学性质，近年来发展起来了孔裂、裂隙介质弹性波理论(唐晓明.含孔、裂隙介质弹性波动统一理论-Biot理论的推广.中国科学:地球科学,2011,41(6):784-795)。相对于经典的Biot孔隙介质弹性波理论，这一新理论增加了裂隙密度和裂隙纵横比这两个描述裂隙介质的重要参数。由于该理论中岩石裂隙对弹性波速具有灵敏度很高的控制作用，可以将此理论用来预测和模拟裂隙变化条件下的弹性波波速测量数据。该理论能很好地解释波在实际岩石中的衰减和频散，并被用来模拟孔、裂隙地层中的井孔声场(陈雪莲,唐晓明.孔、裂隙并存地层中的声波测井理论及多极子声场特征.地球物理学报,2012,55(6):2139-2140)和解释致密性砂岩和页岩地层声波测井数据中的油气显示(Tang X M,ChenX L,Xu X K.A cracked porous medium elastic wave theory and itsapplication to interpreting acoustic data from tight formations.Geophysics,2012,77(6):D245-D252)。由于在弹性波理论中引入了这两个表征裂隙的重要参数，使得在声波测井解释中，有了定量研究裂隙的基本理论。

根据唐(唐晓明.含孔、裂隙介质弹性波动统一理论-Biot理论的推广.中国科学:地球科学,2011,41(6):784-795)和Tang et al(Tang X M,Chen XL,Xu X K.A cracked porous medium elastic wave theory and its applicationto interpreting acoustic data from tight formations.Geophysics,2012,77(6):D245-D252)提出的在孔隙和裂隙并存条件下计算弹性波速度的理论和方法，岩石纵波速度和横波速度受以下参数的影响：密度ρ、孔隙度φ、渗透率κ₀、裂隙密度ε、裂隙纵横比γ、孔隙及裂隙中流体弹性模量K_f和粘度η、岩石基质的体模量K_s和剪切模量μ_s。对裂隙发育的充流体岩石介质，岩石的声速，即纵波速度和横波速度，对岩石中的裂隙密度和流体的弹性模量的灵敏度是比较高的，这从以下的灵敏度分析中可以看到。

对理论模型中的某一参数p，其灵敏度的定义如下：

其中，波速v可以是纵波速度或横波速度。

图1计算了纵波速度和横波速度对裂隙密度的灵敏度随频率的变化曲线。由图可见，对裂隙发育(ε=0.25)的低孔(φ=0.1)介质，裂隙使得波速降低(灵敏度为负值)，波速对裂隙密度十分敏感。图2计算了纵波速度和横波速度对流体体模量的灵敏度随频率的变化曲线。波速，特别是纵波速度，随流体弹性模量增加，对此参数甚为敏感。计算分析表明，可以根据该理论从声速测量数据中反演得到裂隙密度和流体模量这两个重要参数。

但是要从声速和测井数据反演流体弹性模量及裂隙参数，必须考虑理论模型中其它参数以及波速对这些参数的灵敏度。对低孔、低渗地层，渗透率对声速的影响甚微，可假定为一常数，如κ₀=1毫达西。而裂隙纵横比γ和流体粘度η是以参数组合η/γ²的形式来决定孔隙与裂隙之间的流体流动(称为局部流或挤喷流)的驰豫频率。高于此频率，流动对波速产生可观的频散；低于此频率，频散效应不太明显。对于裂隙发育的地层岩石和上万赫兹的声波测井频率，裂隙中的流体流动应是影响弹性波速的重要原因，即声波频率在流动的驰豫频率之上，故可使η/γ²的取值满足这一要求。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法，运用孔隙、裂隙介质弹性波理论模拟和预测岩石纵、横波速度随裂隙参数及流体弹性模量的变化规律，为从测井数据中获取岩石裂隙发育状况和流体性质提供一种实用可行的方法和途径。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在深度区间内进行阵列声波测井、地层密度测井及自然伽马测井，分别得到阵列声波全波列数据、地层密度测井曲线及自然伽马测井曲线

步骤二、计算得到处理深度位置处的地层纵波速度、横波速度、地层孔隙度及泥质含量

步骤三、计算岩石基质的体积模量和剪切模量

步骤四、利用“含孔、裂隙介质弹性波动统一理论”模型，计算理论模型的纵波速度v_p和横波速度v_s

步骤五、联合构建反演目标函数

步骤六、得到理论模型的裂隙密度ε和流体模量K_f

步骤七、重复步骤二到步骤六，直至整个深度区间处理完毕。

优选地，还包括以下步骤：步骤八、对所得裂隙密度ε和流体模量K_f深度剖面，解释裂隙地层岩石中的油气显示。

优选地，步骤二具体如下：

(1)、获得处理深度位置处的阵列声波全波列数据，利用慢度-时间相关法处理得到地层的纵波速度v_p和地层横波速度v_s

(2)、获得处理深度位置处的地层密度测井数据，计算得到地层的密度曲线ρ_b和地层的孔隙度

(3)、获得处理深度位置处的自然伽马测井数据，估算地层岩石的泥质含量。

优选地，步骤三具体如下：

(1)、计算岩石孔隙度

设与硬性矿物和软性矿物关联的孔隙度分别为φ₁和φ₂，二者之和为总孔隙度：

φ=φ₁+φ₂

φ₁和φ₂分别可由下式计算：

${\mathrm{\φ}}_1=V_1\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}$

${\mathrm{\φ}}_2=(1-\mathrm{\φ}-V_1)\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}$

其中，V₁为软性矿物的含量，对粘土为主的软性矿物，V₁即为地层岩石的泥质含量

(2)、由时间平均法得到岩石基质的纵波速度、岩石基质的横波速度和岩石基质的密度

$\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_p}=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{p1}}+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{p2}}$

$\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_s}=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{s1}}+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{s2}}$

其中，为软性矿物的纵波速度，为软性矿物的横波速度，为硬性矿物的纵波速度，为硬性矿物的横波速度

由软性矿物的含量和硬性矿物的含量可以得到岩石基质的密度：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}_1+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}_2$

从而计算出岩石基质的体积模量K_s和剪切模量u_s：

$K_s={\mathrm{\ρ}}_s({\stackrel{\‾}{v}}_p^2-\frac{4}{3}{\stackrel{\‾}{v}}_s^2)$

$u_s={\mathrm{\ρ}}_s{\stackrel{\‾}{v}}_s^2$

对于岩石基质弹性模量K_s和μ_s，必须加以合理地估计或确定，因为这些参数对弹性波速度影响很大。若岩石基质由N种矿物组成，体积成分为f_i的第i(i=1,2,…,N)种矿物的体积和剪切模量分别为和则基质模量可以由下述的希尔平均法计算

$K_s=0.5(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{K}_s^i+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/K_s^i})$

${\mathrm{\μ}}_s=0.5(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{\mathrm{\μ}}_s^i+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/{\mathrm{\μ}}_s^i})$

优选地，步骤四具体如下：

(1)、计算干燥状态的体积模量K_d

(2)、计算饱和条件下的岩石体积模量K₀

(3)、计算挤喷流项S(ω)

(4)、计算孔隙、裂隙地层中的体模量K和剪切模量μ

(5)、计算快纵波的波数k_p+和横波的波数k_s

(6)、计算地层岩石的纵波速度v_p+和地层岩石的横波速度v_s

优选地，步骤五具体如下：

由声波测井测量得到地层岩石的纵波速度和横波速度与理论计算出的纵波速度v_p和横波速度v_s相比较，可以确定裂隙密度和流体模量这两个参数。用理论模型的纵波速度v_p(ε,K_f)和横波速度v_s(ε,K_f)与声波测井得到的纵波速度和横波速度和的均方差构建如下式所示的目标函数：

$E(\mathrm{\ϵ},K_f)=w\·{[v_p(\mathrm{\ϵ},K_f)-{\tilde{v}}_p]}^2+{[v_s(\mathrm{\ϵ},K_f)-{\tilde{v}}_s]}^2$

其中，w为纵波方差前的权重系数，v_p(ε,K_f)为计算理论模型的的纵波速度，v_s(ε,K_f)为计算理论模型的的横波速度，为步骤二中计算得到的声波测井纵波速度，为步骤二中计算得到的声波测井横波速度。

观察该目标函数是否达到最小值。若不是，调节地层岩石的裂隙密度ε和流体模量值K_f，回到步骤三。

优选地，步骤六具体如下：

当目标函数达到最小值时，理论与实测数据达到最佳拟合。可认为这时理论模型中的裂隙密度和流体模量取值即为实际地层岩石中的裂隙密度ε和流体模量值K_f。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、可以有效地给出地层的裂隙密度随深度变化的剖面，确定地层裂隙的发育状况，尤其是当地层很致密，孔隙度很低时，裂隙密度随深度变化的剖面将很好地指示岩石中裂隙的发育状况；

2、可以得到地层中流体的体积模量随深度变化的剖面，直观地识别地层中流体性质，指导油气生产。

附图说明

图1为纵波(实线)和横波(虚线)速度对流体模量的灵敏度曲线；

图2为纵波(实线)和横波(虚线)速度对裂隙密度的灵敏度曲线；

图3为本发明提供的确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法工作流程图；

图4为从阵列声波测井、地层密度测井和自然伽马测井数据反演得到的岩石裂隙密度和流体模量；

图5为由图4数据反演得到的含气地层岩石的流体模量(上图)和裂隙密度曲线(下图中实线)，地层孔隙度也在下图中给出(空心圆点)。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供的一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法，包括以下步骤：

步骤一、在深度区间进行阵列声波测井、地层密度测井及自然伽马测井，分别得到阵列声波全波列数据、地层密度测井曲线及自然伽马测井曲线。

步骤二、计算得到处理深度位置处的地层纵波速度、横波速度、地层孔隙度及泥质含量

1、获得处理深度位置处的阵列声波全波列数据，利用慢度-时间相关法(即(1)式所示)处理得到地层的纵波速度v_p和地层横波速度v_s。

$\mathrm{Corr}(v,T)=\frac{\underset{T}{\overset{(T+T_w)}{\∫}}{\left|\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_m\right[t+(m-1)d/v\left]\right|}^2\mathrm{dt}}{N\underset{T}{\overset{(T+T_w)}{\∫}}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X_m\right[t+(m-1)d/v\left]\right|}^2\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，X_m(t)是N个声波接收换能器阵列中的第m个接收换能器，声波接收换能器之间的间隔为d。时间窗T_w的位置T及速度区间中的某一速度值v。对整个波形或者波形中的某一时段以及给定的速度区间按(1)式计算出二维相关函数Corr(v,T)，当相关函数取极大值时对应的v值，便求出了纵波速度v_p和横波速度v_s。

2、获得处理深度位置处的地层密度测井数据，利用(2)式计算得到地层的密度曲线ρ_b，根据下式得到地层的孔隙度。

$\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_f}---\left(2\right)$

其中，ρ_s为岩石骨架矿物的密度，单位为g/cm³，可从地层常见矿物密度中查阅得到；ρ_f为孔隙流体的密度，单位为g/cm³，可从地层常见流体密度中查阅得到；ρ_b为地层密度测井获得的地层密度，单位为g/cm³。

3、获得处理深度位置处的自然伽马测井数据，利用(3)式估算地层岩石的泥质含量

由自然伽玛测井曲线GR用以下的线性关系式估算地层岩石的泥质含量V’₁：

$V_1^{\′}=\frac{\mathrm{GR}{-\mathrm{GR}}_{\min }}{{\mathrm{GR}}_{\max }-{\mathrm{GR}}_{\min }}---\left(3\right)$

其中，GR_max为自然伽马曲线GR的最大值，GR_min为自然伽马曲线GR的最小值，GR为测量深度位置处的自然伽马曲线GR值。

不同沉积年代的地层，岩性有所变化，可把上述(3)式的线性关系改变为非线性关系：

$V_1=\frac{2^{{\mathrm{mV}}_1^{\′}-1}}{2^m-1}---\left(4\right)$

其中，m可以随地层形成年代变化。对第三纪地层，m取值为3.7，对更古老的地层m取值为2，m值可以在实验室中进行测量得到。

步骤三、计算岩石基质的体积模量和剪切模量

岩石基质主要由较硬的矿物、较软的粘土矿物组成，如砂泥岩以及页岩地层的岩石主要由较硬的矿物(如石英、长石、方解石、白云石等)和较软的粘土矿物(如蒙脱石-伊利石、高岭石等)所组成。利用自然伽玛测井数据、地层密度测井数据、地层孔隙度以及岩石中的软性矿物的纵波速度、软性矿物的横波速度、硬性矿物的纵波速度和硬性矿物的横波速度（都可从地层中常见矿物和流体声速中查阅得到）计算岩石基质的体积模量和剪切模量。

1、计算岩石孔隙度

设与硬性矿物和软性矿物关联的孔隙度分别为φ₁和φ₂，二者之和为总孔隙度：

φ=φ₁+φ₂      (5)

φ₁和φ₂分别可由下式计算：

${\mathrm{\φ}}_1=V_1\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}$     (6)

${\mathrm{\φ}}_2=(1-\mathrm{\φ}-V_1)\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}$

其中，V₁为软性矿物的含量。对粘土为主的软性矿物，V₁即为地层岩石的泥质含量。

2、由时间平均法得到岩石基质的纵波速度、岩石基质的横波速度和岩石基质的密度：

$\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_p}=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{p1}}+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{p2}}$     (7)

$\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_s}=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{s1}}+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{s2}}$

其中，为软性矿物的纵波速度，为软性矿物的横波速度，为硬性矿物的纵波速度，为硬性矿物的横波速度。

由软性矿物的含量和硬性矿物的含量可以得到岩石基质的密度：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}_1+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}_2---\left(8\right)$

从而计算出岩石基质的体积模量K_s和剪切模量u_s：

$K_s={\mathrm{\ρ}}_s({\stackrel{\‾}{v}}_p^2-\frac{4}{3}{\stackrel{\‾}{v}}_s^2)$     (9)

$u_s={\mathrm{\ρ}}_s{\stackrel{\‾}{v}}_s^2$

对于岩石基质弹性模量K_s和μ_s，必须加以合理地估计或确定，因为这些参数对弹性波速度影响很大。若岩石基质由N种矿物组成，体积成分为f_i的第i(i=1,2,…,N)种矿物的体积和剪切模量分别为和则基质模量可以由下述的希尔平均(Hill average)法(Mavko G,Muerkeji T,andDvorkin J.The Rock Physics Handbook:Tool for Seismic Analysis of PorousMedia.Cambridge University Press,1998)计算

$K_s=0.5(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{K}_s^i+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/K_s^i})---\left(10\right)$

${\mathrm{\μ}}_s=0.5(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{\mathrm{\μ}}_s^i+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/{\mathrm{\μ}}_s^i})---\left(11\right)$

步骤四、利用“含孔、裂隙介质弹性波动统一理论”模型，计算理论模型的纵波速度v_p和横波速度v_s

1、根据Thomsen的Biot相恰理论(Thomsen L.Biot-consistent elasticmoduli of porous rocks:Low-frequency limit.Geophysics,1985,50:2797-2807)计算干燥状态的体积模量K_d：

$K_d=\frac{2}{3}\frac{(1+{\mathrm{\υ}}_B)}{(1-{2\mathrm{\υ}}_B)}{\mathrm{\μ}}_0---\left(12\right)$

其中，K_d为岩石干燥状态的体积模量，μ₀为孔裂、裂隙介质的干燥剪切模量，υ_B为岩石干燥情况下孔、裂隙并存介质的泊松比，它必须在与Biot理论相恰的条件下求解出来。

${\mathrm{\μ}}_0={\mathrm{\μ}}_s(1-\frac{{\mathrm{\φ}}_p}{1-b_B}-B_B\mathrm{\ϵ})$

$b_B=\frac{2}{15}\frac{(4-{5\mathrm{\υ}}_B)}{(1-{\mathrm{\υ}}_B)}---\left(13\right)$

$B_B=\frac{32}{45}\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_B)(5-{\mathrm{\υ}}_B)}{(2-{\mathrm{\υ}}_B)}$

其中，ε为裂隙密度，φ_p为岩石介质中除去裂隙部分的孔隙度，即为步骤二中计算出的总孔隙度φ₁+φ₂，μ_s为基质剪切模量。

2、根据Gassmann方程计算饱和条件下的岩石体积模量K₀：

K₀=K_d+α²/[(α-φ)/K_s+φ/K_f]

α=1-K_d/K_s

φ=φ_p+2πεγ=φ₁+φ₂+2πεγ    (14)

其中，K₀为裂隙流体完全松弛(既被排挤出裂隙)时的体模量，K_d为岩石干燥状态的体积模量，K_s为岩石骨架的体模量，K_f为流体体模量，γ是岩石的裂隙纵横比。

3、根据唐晓明的“孔隙、裂隙介质弹性波动的统一理论”，计算挤喷流项S(ω)：

$S\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\frac{8\mathrm{\ϵ}(1-{\mathrm{\υ}}_B){(1+\mathrm{\λ})}^3}{{3\mathrm{\μ}}_0}\left(\frac{1/K_0-1/K_s}{1/K_d-1/K_0}\right)M}{1-\frac{3\mathrm{i\ω\η}(1+2\mathrm{\λ})}{2K_f{\mathrm{\λ\γ}}^2}[1+\frac{4(1-{\mathrm{\υ}}_B)K_f{(1+\mathrm{\λ})}^3}{3\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\γ}(1+2\mathrm{\λ})}M]}---\left(15\right)$

其中， $M=1+\frac{4-{5\mathrm{\υ}}_B}{2(7-{5\mathrm{\υ}}_B)}\frac{{\mathrm{\λ}}^3}{{(1+\mathrm{\λ})}^3}+\frac{9}{2(7-{5\mathrm{\υ}}_B)}\frac{{\mathrm{\λ}}^5}{{(1+\mathrm{\λ})}^5},$ $\mathrm{\λ}={\left(\frac{3\mathrm{\φ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}\right)}^{1/3},$ ω为角频率，λ为孔隙和裂隙的大小之比，ε是裂隙密度，γ是裂隙纵横比，η是孔隙流体粘度，K₀为裂隙流体完全松弛(既被排挤出裂隙)时的体模量，μ₀为裂隙流体完全松弛时的剪切模量，υ_B即为上面提到的岩石干燥情况下孔、裂隙并存介质的泊松比。

4、计算孔隙、裂隙地层中的体模量K和剪切模量μ：

K=K_d+α²/[(α-φ)/K_s+φ/K_f+S(ω)]

$\frac{1}{\mathrm{\μ}}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}=\frac{4}{15}(\frac{1}{K}-\frac{1}{K_0})---\left(16\right)$

5、计算快纵波的波数k_p+和横波的波数k_s：

$k_{p+}=k_{p0}\sqrt{\frac{1+b_{+}{\mathrm{\ρ}}_f/\mathrm{\ρ}}{1-b_{+}/b_0}},---\left(17\right)$

$k_s=\mathrm{\ω}\sqrt{\widehat{\mathrm{\ρ}}/\mathrm{\μ}}.$

其中，k_p+为快纵波波数，k_s为横波波数，ρ为岩石体积密度，ρ_f为岩石流体体积密度，为ρ和ρ_f组合的复数密度，μ为岩石的剪切模量，上式中的其它相关参数如下：

$b_{\±}=\frac{1}{2}{b}_0\left[c\stackrel{\‾}{+}\sqrt{c^2-4\mathrm{\α}(1-c)/b_0}\right],$

b₀=-β(K_d+4μ/3+α²/β)α,

$k_{p0}=\mathrm{\ω}/\sqrt{(K_d+4\mathrm{\μ}/3+{\mathrm{\α}}^2/\mathrm{\β})/\mathrm{\ρ}},---\left(18\right)$

c=(α-b_sρ/ρ_pfb₀)/(α+b_s),

b_s=ρ_pfθω².

其中，ω为角频率，φ为孔隙度，ρ_pf为流体密度，K_f为流体体模量，ρ_s为岩石骨架的密度，K_s为岩石骨架的体模量。ρ、α和β三个参数由以下式子得到：

ρ=ρ_s(1-φ)+ρ_fφ,

α=1-K_d/K_s,

β=φ/K_f+(α-φ)/K_s+S(ω).

其中，α和β为中间变量，无具体含义，K_d为岩石的干燥体模量，φ为总孔隙度，K_f为流体体模量，ρ_s为岩石骨架的密度，K_s为岩石骨架的体模量。

与孔隙流体波动有关的参数为：

$\widetilde{\mathrm{\ρ}}=\mathrm{\ρ}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pf}}^2{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\θ}$

θ=iκ(ω)/(ηω)

上式中的动态渗透率κ为：

$\mathrm{\κ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_0}{{(1-\frac{i}{2}{\mathrm{\τ\κ}}_0{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pf}}\mathrm{\ω}/\left(\mathrm{\η\φ}\right))}^{\frac{1}{2}}-{\mathrm{i\τ\κ}}_0{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pf}}\mathrm{\ω}/\left(\mathrm{\η\φ}\right)}$

其中，κ₀为达西渗透率，它的取值可以根据实际地层的渗透性能的好坏来取值，一般取值范围1mD-1D；τ为介质孔隙弯曲度，它表示孔隙中流动通道的形状及弯曲形式，例如：τ=1表示裂隙(直通道)，τ=3表示近似于球状颗粒，如砂岩中的孔隙的网状通道等；η为孔隙流体粘度。

6、计算地层岩石的纵波速度v_p+和地层岩石的横波速度v_s：

v_p=ω/Re{k_p+},    (19)

v_s=ω/Re/{k_s}。其中，Re{k_p+}为快纵波复波数的实部，Re{k_s}为横波复波数的实部，对应的v_p为纵波波速，v_s为横波波速。

步骤五、联合构建反演目标函数

由声波测井测量得到地层岩石的纵波速度和横波速度与理论计算(见式(19))出的纵波速度v_p和横波速度v_s相比较，可以确定裂隙密度和流体模量这两个参数。用理论模型的纵波速度v_p(ε,K_f)和横波速度v_s(ε,K_f)与声波测井得到的纵波速度和横波速度和的均方差构建如(20)式所示的目标函数：

$E(\mathrm{\ϵ},K_f)=w\·{[v_p(\mathrm{\ϵ},K_f)-{\tilde{v}}_p]}^2+{[v_s(\mathrm{\ϵ},K_f)-{\tilde{v}}_s]}^2---\left(20\right)$

其中，w为纵波方差前的权重系数，v_p(ε,K_f)为计算理论模型的的纵波速度，v_s(ε,K_f)为计算理论模型的的横波速度，为步骤二中计算得到的声波测井纵波速度，为步骤二中计算得到的声波测井横波速度。

上述目标函数是一个以裂隙密度和流体模量作为变量的二元函数，可以看出模型中的未知参数为两个，即待求的裂隙密度ε和流体模量K_f这两个重要参数。当函数取极小值时，理论与实测数据的拟合最好，该函数以裂隙密度和流体模量这两个待求参数为变量。求和是为了减少波速测量数据的误差，让理论波速同时拟和相邻的多个测量深度(或数据点)速度。从图1中的灵敏度分析可知流体的灵敏度主要体现在纵波，且该灵敏度比速度对裂隙密度的灵敏度要小得多。纵波方差前的权重系数w(w>1)使得目标函数中流体影响的权重增大。理论计算所需的用频率为声波测井频率，取为10000Hz。用此目标函数反演ε和K_f，让这两个参数的取值使目标函数达到最小时的值便是多个测量深度点上地层的裂隙密度和流体模量。

观察该目标函数是否达到最小值。若不是，调节地层岩石的裂隙密度ε和流体模量值K_f，回到步骤三。

步骤六、得到理论模型的裂隙密度ε和流体模量K_f

当目标函数达到最小值时，理论与实测数据达到最佳拟合。可认为这时理论模型中的裂隙密度和流体模量取值即为实际地层岩石中的裂隙密度ε和流体模量值K_f。

步骤七、重复步骤二到步骤六，直至整个深度区间处理完毕。

通过步骤二到步骤六的数据处理过程，获得了测井数据所对应的深度上的连续岩石裂隙密度和流体模量值。需要对所感兴趣的深度区间重复该处理过程，以获得整个区间上裂隙密度和流体模量的深度剖面。

步骤八、对所得裂隙密度ε和流体模量K_f深度剖面，解释裂隙地层岩石中的油气显示。

一般来说，致密性油气藏中的油气显示往往出现在裂隙较为发育的地层岩石中。地层含油时相应的流体模量比水低，而含气时相应的流体模量则很低甚至降到零。

为了说明上述发明应用的过程和结果，图4和图5给出了一个具体的测井数据和反演结果。图4下方是某一含气地层的自然伽马(GR)测井曲线，上方的数据点(圆点)分别是地层的纵波(标记为纵波)和横波(标记为横波)速度的测井曲线。根据地层的矿物性质，估算地层岩石的硬性和软性矿物的纵波速度和横波速度分别为：

V_p1=7200m/s,V_s1=4200m/s

V_p2=4100m/s,V_s2=2300m/s

地层的孔隙度测井曲线在图5中给出，由这些数据我们可以从式(3)到(7)计算岩石基质的纵波速度和横波速度曲线，见图4中标记为纵波和横波的虚线，它们随深度的变化与实际测井纵波曲线、横波曲线的变化有很好的相关性。重叠在测井数据点上的实线分别是用反演结果计算的理论模型的纵、横波速曲线。理论曲线与实测实际拟合得相当好，说明了理论模型对测井数据的适用性。

图5给出了反演得到的地层岩石裂隙密度和流体体积模量的深度剖面，该深度区间有四个产量很高的产气区间，由带阴影的框条标示出，区间的深度位置在图中用带阴影的框条给出。对比产气地层区间与裂隙密度和流体体积模量剖面可以看出：这四个区间的裂隙密度很高而流体体积模量却很低(或几乎为零)。区间之外的其他地层的流体模量接近或略高于水的体积模量。低的流体模量说明岩石中含气。产气区间的位置与地层孔隙度（标识为圆点的数据）的相关性不大，但与裂隙密度却有很高的相关性，说明这些区间的裂隙很发育。综合流体模量和裂隙密度的反演结果，可以把这四个区间解释为裂隙型含气储层，反演结果与生产实践结果吻合。

Claims (2)

1.一种确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在深度区间内进行阵列声波测井、地层密度测井及自然伽马测井，分别得到阵列声波全波列数据、地层密度测井曲线及自然伽马测井曲线

步骤二、计算得到处理深度位置处的地层纵波速度、横波速度、地层孔隙度及泥质含量

步骤二具体如下：

(1)、获得处理深度位置处的阵列声波全波列数据，利用慢度-时间相关法处理得到地层的纵波速度v_p和地层横波速度v_s

(2)、获得处理深度位置处的地层密度测井数据，计算得到地层的密度曲线ρ_b和地层的孔隙度

(3)、获得处理深度位置处的自然伽马测井数据，估算地层岩石的泥质含量；

步骤三、计算岩石基质的体积模量和剪切模量

步骤三具体如下：

(1)、计算岩石孔隙度

设与硬性矿物和软性矿物关联的孔隙度分别为φ₁和φ₂，二者之和为总孔隙度：

φ＝φ₁+φ₂

φ₁和φ₂分别可由下式计算：

${\mathrm{\φ}}_1=V_1\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}$

${\mathrm{\φ}}_2=(1-\mathrm{\φ}-V_1)\frac{\mathrm{\φ}}{1-\mathrm{\φ}}$

其中，V₁为软性矿物的含量，对粘土为主的软性矿物，V₁即为地层岩石的泥质含量

(2)、由时间平均法得到岩石基质的纵波速度、岩石基质的横波速度和岩石基质的密度

$\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_p}=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}{\stackrel{\‾}{v}}_{p1}}+\frac{1-\mathrm{\φ}{-V}_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{p2}}$

$\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_s}=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{s1}}+\frac{1-\mathrm{\φ}{-V}_1}{1-\mathrm{\φ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{v}}_{s2}}$

其中，为软性矿物的纵波速度，为软性矿物的横波速度，为硬性矿物的纵波速度，为硬性矿物的横波速度；

由软性矿物的含量和硬性矿物的含量可以得到岩石基质的密度：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{V_1}{1-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}_1+\frac{1-\mathrm{\φ}-V_1}{1-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}_2$

从而计算出岩石基质的体积模量K_s和剪切模量u_s：

$K_s={\mathrm{\ρ}}_s({\stackrel{\‾}{v}}_p^2-\frac{4}{3}{\stackrel{\‾}{v}}_s^2)$

$u_s={\mathrm{\ρ}}_s{\stackrel{\‾}{v}}_s^2$

对于岩石基质弹性模量K_s和μ_s，必须加以合理地估计或确定，因为这些参数对弹性波速度影响很大；若岩石基质由N种矿物组成，体积成分为f_i的第i种矿物的体积和剪切模量分别为和其中i＝1,2,…,N，则基质模量可以由下述的希尔平均法计算：

$K_s=0.5(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{K}_s^i+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/K_s^i})$

${\mathrm{\μ}}_s=0.5(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{\mathrm{\μ}}_s^i+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/{\mathrm{\μ}}_s^i})$

步骤四、利用“含孔、裂隙介质弹性波动统一理论”模型，计算理论模型的纵波速度v_p和横波速度v_s

步骤四具体如下：

(1)、计算干燥状态的体积模量K_d

(2)、计算饱和条件下的岩石体积模量K₀

(3)、计算挤喷流项S(ω)

(4)、计算孔隙、裂隙地层中的体模量K和剪切模量μ

(5)、计算快纵波的波数k_p+和横波的波数k_s

(6)、计算地层岩石的纵波速度v_p+和地层岩石的横波速度v_s；

步骤五、联合构建反演目标函数

步骤五具体如下：

由声波测井测量得到地层岩石的纵波速度和横波速度与理论计算出的纵波速度v_p和横波速度v_s相比较，可以确定裂隙密度和流体模量这两个参数。用理论模型的纵波速度v_p(ε,K_f)和横波速度v_s(ε,K_f)与声波测井得到的纵波速度和横波速度和的均方差构建如下式所示的目标函数：

$E(\mathrm{\ϵ},K_f)=w\·{[v_p(\mathrm{\ϵ},K_f)-{\tilde{v}}_p]}^2+{[v_s(\mathrm{\ϵ},K_f)-{\tilde{v}}_s]}^2$

其中，w为纵波方差前的权重系数，v_p(ε,K_f)为计算理论模型的的纵波速度，v_s(ε,K_f)为计算理论模型的的横波速度，为步骤二中计算得到的声波测井纵波速度，为步骤二中计算得到的声波测井横波速度；

观察该目标函数是否达到最小值；若不是，调节地层岩石的裂隙密度ε和流体模量值K_f，回到步骤三；

步骤六、得到理论模型的裂隙密度ε和流体模量K_f

步骤六具体如下：

当目标函数达到最小值时，理论与实测数据达到最佳拟合，可认为这时理论模型中的裂隙密度和流体模量取值即为实际地层岩石中的裂隙密度ε和流体模量值K_f；

步骤七、重复步骤二到步骤六，直至整个深度区间处理完毕。

2.根据权利要求1所述的确定油气储层岩石裂隙发育度和流体性质的方法，其特征在于，还包括以下步骤：步骤八、对所得裂隙密度ε和流体模量K_f深度剖面，解释裂隙地层岩石中的油气显示。