CN103713320B - 一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，该方法是：利用Wu（1966）的二维孔隙表面比和/或Berryman（1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用Brown-Korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型。用本发明的方法建立的富有机质泥页岩岩石物理模型能接近富有机质泥页岩岩石物理性质，可较准确地预测地震波在富有机质泥页岩岩石中的纵波速度和横波速度。建立富有机质泥页岩岩石物理模型的效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石物理模型的建立方法，特别涉及一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法。
背景技术
泥页岩由于其较为复杂的岩性特征及孔隙形态特征，目前还没有一种比较有效的描述泥页岩弹性性质的岩石物理模型的方法。岩心分析及镜下观测表明，泥页岩的孔隙形态主要为裂缝，表现为低孔低渗的特性，且有机质含量较高，部分以裂缝充填物的形式存在。实践及实验室分析表明，裂缝及有机质的存在会显著影响泥页岩的弹性特征，包括体积模量和剪切模量，为了较为精确的模拟其弹性性质，需要进行考虑裂缝及有机质影响的建模研究。
在地震岩石物理研究中，一个重要的方面就是进行速度预测。Budiansky-Hill（1965）提出了一个利用孔隙表面比（孔隙的短轴与长轴的比值）模拟干燥硬币形状裂隙对纵波速度和横波速度影响的岩石物理模型，并经Wu（1966）,Berryman（1980，1995）等人的改进和发展使得该模型在速度预测，尤其是干岩石条件下的速度预测中的地位很重要。之所以要用与干岩石的速度预测，主要是因为自洽理论本身是个高频模型，其假设空腔彼此之间是隔离的，流体之间不能发生相对运动，因此其就不能充分的考虑到流体对于岩石性质的影响，并且Berryman（1980）指出自洽理论存在临界孔隙度的限制，Agnibaha Das（2009）认为其有效孔隙度落在40%-60%之间，显然这不符合大多数地层的孔隙条件要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，用本方法建立的富有机质泥页岩岩石物理模型能接近富有机质泥页岩岩石物理性质，可较准确地预测地震波在富有机质泥页岩岩石中的纵波速度和横波速度。
为解决上述技术问题，本发明的一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法是：利用Wu（1966）的二维孔隙表面比和Berryman(1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用Brown-Korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型。
富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法包括以下步骤：
步骤1，通过精细的测井解释分析，得到速度预测所需的岩性和基本物性参数，包括岩石基质性质及含量、泥质含量、孔隙度、有机质含量、饱和度；
步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；
步骤3，通过设定孔隙纵横比，临界孔隙度，利用SCA模型预测临界孔隙度条件下的干岩石的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤4，对比真实孔隙度，利用DEM（即修正的SCA_DEM）模型逐步调整孔隙度使之达到真实孔隙度，得到真实孔隙度条件下的干岩石的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤5，通过Gassmann（1951）方程进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行固体替代，计算含有机质饱和流体介质的刚度张量和柔度张量；
步骤7，利用刚度张量以及计算的总密度和岩石速度之间的关系，预测富有机质泥页岩的速度，包括纵波速度和横波速度，并与实测的纵横波速度进行对比，判断是否吻合（允许误差范围10%），如果吻合，结束，如果不吻合，返回步骤3，调整孔隙形态，直至吻合（注意，实际测井曲线中往往只有纵波测井曲线，此时可以用纵波速度进行约束）。
步骤1所述的精细的测井解释分析计算有机质含量方法包括Passey（1991）提出的△logR方法，刘超（2008）提出的最优叠合系数△logR方法以及法国石油学院（1988）提出的CARBOLOG方法。
步骤3所述的SCA模型包括两种：一是基于Wu（1966）的二维孔隙表面比的SCA模型，此时所述孔隙纵横比表征岩石整个孔隙的平均几何尺寸；二是Berryman（1995）通过引入四种特殊三维孔隙形态的三维SCA模型，此时所述孔隙纵横比表征岩石整个孔隙的平均几何尺寸。
步骤3所述的临界孔隙度是指Berryman（1980）提出的对于固体相和流体相（孔隙相）组成的混合岩石，当流体相的体积分数大于60%时，SCA模型计算的剪切模量趋向于0，并且对于Berryman四种三维孔隙形态，不同的孔隙类型对应的临界孔隙度存在差异。
步骤4所述的即SAC_DEM模型，在选定临界孔隙度的基础上，利用Berryman（1992）提出的微分等效介质方法修正的SCA模型。
步骤6所述的固体替代，利用Brown-Korringa公式将有机质当作固体包含物，这对于准确描述干酪根在岩石中的存在特征是非常重要的。
本发明的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法相对于现有技术具有以下有益效果。
1、本技术方案由于采用了利用Wu（1966）的二维孔隙表面比和Berryman（1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用Brown-Korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型。自洽理论是地震岩石物理领域非常重要的一个理论模型，因为其通过改变孔隙表面比的方式较好的考虑了孔隙形态对于声波和弹性波速度的影响，但是其存在临界孔隙度的限制问题，且对于不同的孔隙形态，其临界孔隙度存在差异，因此其预测的速度往往不适合于真实的地层条件。富有机质泥页岩岩石物理模型将微分等效介质理论和Brown-Korringa方程引入，不仅考虑了孔隙形态的影响，而且消除了自洽理论存在的临界孔隙度限制问题，并且其将干酪根作为固体包含物考虑，从而可以预测含干酪根饱和流体岩石对应的纵波速度和横波速度。所以，用本发明的方法建立的富有机质泥页岩岩石物理模型能接近富有机质泥页岩岩石物理性质，可较准确地预测地震波在富有机质泥页岩岩石中的纵波速度和横波速度。
2、本技术方案由于采用了七大步骤建立富有机质泥页岩岩石物理模型的技术手段，所以，建立富有机质泥页岩岩石物理模型的效率高。
3、将本技术方案应用到具体的泥页岩储层中，所得预测速度精度高，明显优于工业界的经典岩石物理模型（Xu-White模型）。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法作进一步的详细说明。
图1是本发明的富有机质泥页岩岩石物理模型建模方法的流程图。
图2是基于Wu的任意表面比的2D SCA_DEM模型的水饱和砂岩的纵横波速度随孔隙度的变化。
图3是基于Berryman的特殊孔隙形态的3D SCA_DEM模型的水饱和砂岩的纵横波速度随孔隙度的变化。
图4是不同孔隙类型条件下的临界孔隙度分析。
图5是三种有机质计算方法得到的有机质含量与实测有机质含量对比图。
图6是基于三维 SCA_DEM模型的纵横波速度预测结果与实测纵横波对比结果以及多模型结果对比图。
具体实施方式
如图1所示，本实施方式的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法是：利用Wu（1966）的二维孔隙表面比和Berryman(1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用Brown-Korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型。
本实施方式通过将Budiansky-Hill（1965）自洽理论、Berryman（1992）微分等效介质理论、Gassmann（1951）方程、Brown-Korringa方程（1975）、Wu（1966）任意孔隙表面比、及Berryman(1995)四种三维特殊孔隙进行结合，从而建立能够预测富有机质泥页岩弹性波速度的岩石物理模型。
实施方式由于采用了利用Wu（1966）的二维孔隙表面比和Berryman(1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用Brown-Korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型。自洽理论是地震岩石物理领域非常重要的一个理论模型，因为其通过改变孔隙表面比的方式较好的考虑了孔隙形态对于声波和弹性波速度的影响，但是其存在临界孔隙度的限制问题，且对于不同的孔隙形态，其临界孔隙度存在差异，因此其预测的速度往往不适合于真实的地层条件。富有机质泥页岩岩石物理模型将微分等效介质理论和Brown-Korringa方程引入，不仅考虑了孔隙形态的影响，而且消除了自洽理论存在的临界孔隙度限制问题，并且其将干酪根作为固体包含物考虑，从而可以预测含干酪根饱和流体岩石对应的纵波速度和横波速度。所以，用本发明的方法建立的富有机质泥页岩岩石物理模型能接近富有机质泥页岩岩石物理性质，可较准确地预测地震波在富有机质泥页岩岩石中的纵波速度和横波速度。
下面以含水饱和砂岩以及剑南J111井为实际例子来更进一步地描述该模型建立方法。
图1是本发明中富有机质泥页岩岩石物理模型的建模流程图:
步骤1，通过精细的测井解释分析，得到速度预测所需的岩石弹性参数和基本物性参数，包括岩石基质性质及含量、泥质含量、孔隙度、有机质含量、渗透率和饱和度；
步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；
步骤3，通过设定孔隙纵横比，给定临界孔隙度，利用SCA模型预测临界孔隙度条件下的干岩石的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤4，对比真实孔隙度，利用DEM模型（即修正的SCA_DEM）模型逐步调整孔隙度使之达到真实孔隙度，得到真实孔隙度条件下的干岩石的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤5，通过Gassmann（1951）方程进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行固体替代，计算含有机质饱和流体介质的刚度张量和柔度张量；
步骤7，利用刚度张量以及计算的总密度和岩石速度之间的关系，预测富有机质泥页岩的速度，包括纵波速度和横波速度，并与实测的纵横波速度进行对比，判断是否吻合（允许误差范围10%），如果吻合，结束，如果不吻合，返回步骤3，调整孔隙形态，直至吻合（注意，实际测井曲线中往往只有纵波测井曲线，此时可以用纵波速度进行约束）。
图2~4我们用含水饱和砂岩来说明该模型的特点。
图2是我们利用基于Wu的二维孔隙表面比的SCA_DEM模型计算含水饱和砂岩纵横波速度随孔隙度的变化，我们可以看到随孔隙度变化，纵横波速度减小，且不同的孔隙表面比，速度减小的幅度存在差异，特别是孔隙表面比为0.1时，速度变化非常大，这与真实的情况并不符合。
图3是我们利用基于Berryman四种三维特殊孔隙形态的SCA_DEM模型计算含水饱和砂岩纵横波速度随孔隙度的变化，我们可以看到随孔隙度变化，纵横波速度减小，且不同的孔隙类型，速度减小的幅度存在差异，特别是对于裂缝孔隙表面比为0.1时，速度变化较二维SCA_DEM变化更加合理，也就说，三维SCA_DEM模型更能准确的描述地下真实的孔隙形态。
图4是我们针对SCA模型存在临界孔隙度的问题，基于不同的三维孔隙形态，得到了其临界孔隙度变化，我们可以看到，不同的孔隙类型，其临界孔隙度是不同的，因此在实际速度预测过程中必须要优选临界孔隙度的值。
基于以上分析，我们以剑南J111井为实例阐述该模型的具体实施方式，我们利用FORWARD测井分析软件解释出地层中孔隙度、岩性、流体的类型及体积分数，并将解释结果与录井和试油资料进行对比确保其准确性，结合岩心地化分析数据，优选△logR方法、最优叠合系数△logR方法、CARBOLOG方法计算有机质含量，按照1.25倍数转换成干酪根体积分数，然后利用本文提出的富有机质泥页岩岩石物理模型和已公开发表的Kuster-Toks??z模型、Xu-White模型分别进行纵横波速度预测。本节以工区内J111井为例讨论不同模型的预测结果差异。
图5为利用△logR方法、最优叠合系数△logR方法、CARBOLOG方法计算有机质含量对比图。从图中我们可以看到，相对于岩心地化分析数据得到的有机质含量，最优叠合系数△logR方法、CARBOLOG方法都可以得到比较好的吻合。也就是说，我们可以通过常规测井曲线数据计算得到该井段连续分布的有机质含量，这位我们进行富有机质泥页岩速度预测提供了有利的数据。
图6为利用我们富有机质泥页岩石物理模型和Kuster-Toks??z模型及原始的Xu-White模型预测结果的对比。从图中可以看出，相对于Kuster-Toks??z模型及原始的Xu-White模型高估纵波时差的情况富有机质泥页岩石物理模型预测的结果得到了明显的改善，其预测的纵波时差（Ac_New)与实测的时差（AC)达到了较好的吻合，横波时差（DTS_New）与实测横波时差（DTS）达到了较好的吻合。也就是说，该富有机质泥页岩石物理模型比Kuster-Toks??z模型Xu-White模型更能真实地反映地下储层的实际孔隙形状及有机质的影响，更能较准确进行速度预测。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
参考文献
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Claims (6)
1.一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，其特征在于：利用Wu（1966）的二维孔隙表面比和Berryman(1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用Brown-Korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型；具体步骤如下：
步骤1，通过精细的测井解释分析，得到速度预测所需的岩性和基本物性参数，包括岩石基质性质及含量、泥质含量、孔隙度、有机质含量、饱和度；
步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；
步骤3，通过设定孔隙纵横比，临界孔隙度，利用SCA模型预测临界孔隙度条件下的干岩石的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤4，对比真实孔隙度，利用DEM模型逐步调整孔隙度使之达到真实孔隙度，得到真实孔隙度条件下的干岩石的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤5，通过Gassmann（1951）方程进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性模量，包括体积模量和剪切模量；
步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行固体替代，计算含有机质饱和流体介质的刚度张量和柔度张量；
步骤7，利用刚度张量以及计算的总密度和岩石速度之间的关系，预测富有机质泥页岩的速度，包括纵波速度和横波速度，并与实测的纵横波速度进行对比，判断是否吻合，如果吻合，结束，如果不吻合，返回步骤3，调整孔隙形态，直至吻合。
2.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，其特征在于，步骤1所述的精细的测井解释分析计算有机质含量方法包括Passey（1991）提出的△logR方法，刘超（2008）提出的最优叠合系数△logR方法以及法国石油学院（1988）提出的CARBOLOG方法。
3.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，其特征在于，步骤3所述的SCA模型包括两种：一是基于Wu（1966）的二维孔隙表面比的SCA模型，此时所述孔隙纵横比表征岩石整个孔隙的平均几何尺寸；二是Berryman（1995）通过引入四种特殊三维孔隙形态的三维SCA模型，此时所述孔隙纵横比表征岩石整个孔隙的平均几何尺寸。
4.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，其特征在于，步骤3所述的临界孔隙度是指Berryman（1980）提出的对于固体相和流体相组成的混合岩石，当流体相的体积分数大于60%时，SCA模型计算的剪切模量趋向于0，并且对于Berryman四种三维孔隙形态，不同的孔隙类型对应的临界孔隙度存在差异。
5.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，其特征在于，步骤4所述的即SAC_DEM模型，在选定临界孔隙度的基础上，利用Berryman（1992）提出的微分等效介质方法修正的SCA模型。
6.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，其特征在于，步骤6所述的固体替代，利用Brown-Korringa公式将有机质当作固体包含物。
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