CN106368687B - 一种页岩储层脆性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种页岩储层脆性评价方法，包括：构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，其中该BEI为弹性阻抗与所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ随不同纵波入射角θ的变化的函数；通过对应于三个不同纵波入射角θ的所述BEI，确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ；将所确定的杨氏模量E除以所确定的泊松比σ得到所述页岩地层的脆性因子；以及利用所述脆性因子评价所述页岩地层的脆性。在本实施例中，利用构建的反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，得到的杨氏模量和泊松比能准确评价页岩地层的脆性，对脆性页岩和非脆性页岩的敏感性高。
Description
技术领域
本发明涉及岩石物理地震预测和评价技术领域，更具体地，涉及一种页岩储层脆性评价方法。
背景技术
对于页岩气储层，在开发的过程中储层改造(水力压裂)效果直接影响着人工裂缝网络的复杂程度。能否在低耗能的情形下形成尽可能多的裂缝，达到好的压裂效果，不光依赖于压裂技术，决定性的因素在于储层是否适应于人工压裂。脆性是评价岩石在外力作用下开裂程度的参数，脆性高的岩石在外力作用下易于开裂，脆性低的岩石在外力作用下不易开裂。一般，脆性的高低需要在实验室进行力学试验，其往往伴随着较高的成本。弹性参数可以反映岩石在外力作用下的形变程度，因此，通过弹性参数构建脆性因子，可以对储层脆性进行评价。
脆性的表征方式对评价脆性高低极为重要。本质上，脆性由岩石的组成物质决定，当岩石中脆性矿物(石英和方解石)的含量比较多时，岩石较脆。当然，在矿物一定的情况下，岩石中非脆性物质(黏土，流体等)的含量及其分布形式对脆性的影响比较复杂。理论上，脆性可以由矿物成分的相对含量表示，也可以由岩石的力学参数表示，主要是指杨氏模量和泊松比，杨氏模量的大小标志着材料的刚性，杨氏模量越大，说明岩石越不容易发生形变；泊松比的大小标志着材料的横向变形系数，泊松比越大，说明岩石在压力作用下越容易膨胀。
1980年，Aki和Richards提出了基于纵横波速度和密度的Zoeppritz近似公式(1)：
其中，表示随角度变化的PP波反射系数，表示平均P波速度、表示平均S波速度、表示平均密度、表示比值和表示分界面的入射角和透射角的平均角度。其中，P波泛指纵波(Primary wave)，PP波指的是纵波入射到反射界面形成的反射纵波。类似的，Δα、Δβ、Δρ分别表示界面两侧P波速度、S波速度及密度的变化量。以这些参数的分式变量作为反射系数。
地震叠前反演的输出结果通常是纵波阻抗(速度)、横波阻抗(速度)和密度等参数。弹性参数之间的关系如以下公式(2)和(3)：
式中E为杨氏模量，v为泊松比，vp为纵波速度，vs为横波速度，ρ为密度。
不同的杨氏模量和泊松比的组合表示岩石具有不同的脆性，杨氏模量越大，泊松比越低，岩石的脆性越高，经典的表征脆性的方式是使用杨氏模量和泊松比的加权平均，如公式4所示：
Brittle_index＝(YM_BRIT+PR_BRIT)/2 (4)
式中Brittle_index为脆性因子，由杨氏模量和泊松比的加权平均表示；其中，
YM_BRIT＝((E-1)/(8-1))*100，
PR_BRIT＝((v-0.4)/(0.15-0.4))*100，
其中，E为杨氏模量，v为泊松比；Quartz、Calcite、Clay分别表示石英、方解石、黏土在岩石中的含量。
可以看出，现有技术中对页岩脆性因子的计算依赖叠前反演得到的纵波速度、横波速度和密度，由于受入射角度(或偏移距)的限制，叠前反演得到的密度误差较大，因此，由此计算出的脆性因子不准确。
针对上述问题，现有技术中尚无良好解决方案。
发明内容
本公开提出了一种页岩储层脆性评价方法，以准确确定页岩储层的脆性因子。该页岩储层脆性评价方法，包括：构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，其中该BEI为弹性阻抗与所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ随不同纵波入射角θ的变化的函数；通过对应于三个不同纵波入射角θ的所述BEI，确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ；将所确定的杨氏模量E除以所确定的泊松比σ得到所述页岩地层的脆性因子；以及利用所述脆性因子评价所述页岩地层的脆性。
进一步地，按照以下公式构建所述BEI：
且，
其中，
k＝(vs/vp)2
式中，E、σ、ρ、θ分别代表杨氏模量、泊松比、密度和纵波入射角，R(θ)是随不同纵波入射角θ变化的纵波反射系数，vs为横波速度、vp为纵波速度。
进一步地，在所述构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI后，该方法还包括按照以下步骤对BEI进行标准化以消除BEI数值量纲随纵波入射角θ的变化：根据多个测井数据统计所述地层的平均横纵波速度比平方k、平均杨氏模量值E0、平均泊松比值σ0和平均密度值ρ0；将入射角设置为零，通过所述平均横 纵波速度比的平方k、所述平均杨氏模量值E0、所述平均泊松比值σ0和所述平均密度值ρ0计算BEI0；以及
将公式标准化为：
BEI(θ)＝EAσBPC；以及
进一步地，该方法还包括对标准化的公式进行对数线性化以得到对应于三个不同纵波入射角θ的BEI与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ关系。
进一步地，所得到的对应于三个不同纵波入射角θ的BEI与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ关系的公式如下：
其中，θ1、θ2、θ3为三个不同的纵波入射角。
进一步地，该方法还包括对所述三个不同纵波入射角θ的叠加数据体进行弹性阻抗反演；以及通过井旁弹性阻抗和测井数据回归来计算系数矩阵：
进一步地，对所述三个不同纵波入射角θ的叠加数据体进行弹性阻抗反演包括：提取多个角度叠加数据；对每个所述角度叠加数据进行层位标定，并提取角度地震子波；根据测井数据和层位数据建立脆性弹性阻抗低频模型；以及根据稀疏脉冲反演方法反演每个所述角度对应的脆性弹性阻抗数据体。
进一步地，根据以下公式确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ：
通过本公开提供的上述技术方案，利用构建的反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，通过叠前地震反演可以得到准确的杨氏模量、泊松比等弹性参数，消除了利用传统的叠前反演方法计算杨氏模量和泊松比而造成的误差。所得到的杨氏模量和泊松比能准确评价页岩地层的脆性，对脆性页岩和非脆性页岩的敏感性高。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的页岩储层脆性评价方法的流程图。
图2是实施例中利用脆性弹性阻抗反演得到杨氏模量剖面，图中JP1井所示杨氏模量测算结果与实际曲线一致。
图3是实施例中利用脆性弹性阻抗反演得到泊松比剖面，图中JP1井所示泊松比测算结果与实际曲线一致。
图4是实施例中利用脆性弹性阻抗反演得到的杨氏模量和泊松比计算的脆性指数剖面，图中JP1井所示脆性指数测算结果与实际曲线一致。
图5是实施例中利用脆性弹性阻抗反演得到的弹性参数(虚线)与实测值(实线)对比示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透 彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明的一个实施例的页岩储层脆性评价方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供的页岩储层脆性评价方法可以包括：
步骤101，构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，其中该BEI为弹性阻抗与所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ随不同纵波入射角θ的变化的函数；
步骤102，通过对应于三个不同纵波入射角θ的所述BEI，确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ；
步骤103，将所确定的杨氏模量E除以所确定的泊松比σ得到所述页岩地层的脆性因子；以及
步骤104，利用所述脆性因子评价所述页岩地层的脆性。
在本实施例中，利用构建的反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，得到的杨氏模量和泊松比能准确评价页岩地层的脆性，对脆性页岩和非脆性页岩的敏感性高。现有技术中页岩脆性指数的计算主要依据叠前反演得到的纵波速度、横波速度和密度，受入射角度(或偏移距)的限制，叠前反演得到的密度误差较大，因此，由此计算出的脆性指数不准确。上述技术方案消除了现有技术中的上述限制，能够利用地震资料准确地测算和评价页岩地层脆性。
本公开构建了反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗(BEI，Brittleness ElasticImpedance)公式，推导出脆性弹性阻抗与杨氏模量、泊松比和密度的方程。在叠前道集数据基础上，由三个角度脆性弹性阻抗数据体，通过叠前地震反演可以得到杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ，从而求取页岩地层脆性指数。
在本公开的技术方案中：首先构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI。弹性阻抗EI(Elastic Impedance)是地震勘探领域中的一项术语，指随不同纵波入射角变化的广义波阻抗。BEI是本公开在弹性阻抗EI的基础上所构建的。BEI具有反映弹性阻抗与地下岩石杨氏模量、泊松比和密度随不同纵波入射角的变化关系这一物理涵义。在本公开的示例中，BEI可以通过简单计算获得，例如， 对于测井数据，可以根据实测地层岩的石杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ，曲线由公式(8)计算得到，以下对本公开提供的方法详细说明。
在实施方式中，构建BEI的公式可以如下：
且，
公式(6)中的R(θ)是随不同纵波入射角变化的纵波反射系数，不同于公式(1)，公式(6)是Zong(2013)提出的新的纵波反射近似公式，能够描述地层岩石杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ相对变化。
BEI公式是在公式(6)的基础上，根据连续介质积分原理推导出的新的弹性阻抗方程。
其中，
k＝(vs/vp)2
式中，E、σ、ρ、θ分别代表杨氏模量、泊松比、密度和纵波入射角，R(θ)是随不同纵波入射角θ变化的纵波反射系数，vs为横波速度、vp为纵波速度。
在一个示例中，为了消除BEI数值量纲随入射角度变化，可以对上述公式进行标准化处理。在这样的示例中，在所述构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI后，本公开提供的方法还可以包括按照以下步骤对BEI进行标准化以消除BEI数值量纲随纵波入射角θ的变化：
根据多个测井数据统计所述地层的平均横纵波速度比平方k、平均杨氏模量值E0、平均泊松比值σ0和平均密度值ρ0；将入射角设置为零，通过所述平均横纵波速度比的平方k、所述平均杨氏模量值E0、所述平均泊松比值σ0和所述平均密 度值ρ0计算BEI0；以及将公式标准化为公式(7)和(8)。
通过标准化处理，一方面，去掉了函数对尺度，即量纲上的差异。通过标准化处理可以消除不同入射角下BEI之间的量纲差异的依赖性并使函数更加稳定，另一方面，使BEI的尺度变得与声波阻抗AI(Acoustic Impedance)一样，方便对比分析。其中，纵波入射角为零对应的EI，即声波阻抗AI，AI是纵波垂直入射(入射角为零时)的反射系数对应的弹性阻抗。
BEI(θ)＝EAσBρC (7)
在一个示例中，本公开提供的方法还包括对标准化的公式进行对数线性化以得到对应于三个不同纵波入射角θ的BEI与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ关系。为提取参数，将公式(8)两边对数线性化，可以得到公式(9)：
通过数学变换得到的对应于三个不同纵波入射角θ的BEI与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ关系的公式(10)如下：
其中，θ1、θ2、θ3为三个不同的纵波入射角。
这样，以上式为基础，对三个不同纵波入射角θ的叠加数据体进行弹性阻抗反演，通过井旁弹性阻抗和测井数据回归计算得到系数矩阵：
其中，在一个示例中对三个不同纵波入射角θ的叠加数据体进行弹性阻抗反演可以包括：
提取多个角度叠加数据；对每个所述角度叠加数据进行层位标定，并提取角度地震子波；根据测井数据和层位数据建立脆性弹性阻抗低频模型；以及根据稀疏脉冲反演方法反演每个所述角度对应的脆性弹性阻抗数据体。
通过上述过程可以系数矩阵和不同角度的弹性阻抗数据体。在一个示例中，可以根据以下公式(11)确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ：
然后在本公开的示例中，可以将杨氏模量E和泊松比σ直接相除，计算页岩地层脆性因子，公式(12)如下：
Brittle_index＝E/σ (12)
上式中，Brittle_index为脆性因子，E为杨氏模量，σ为泊松比。该脆性因子可以用来评价页岩地层的脆性。
图2-图4是实施例中利用脆性弹性阻抗反演得到杨氏模量剖面、泊松比剖面、脆性指数剖面与实际曲线的对比示意图；图5是实施例中利用脆性弹性阻抗反演得到的弹性参数(虚线)与实测值(实线)对比示意图。从上述对比示意图中可以看出，利用本公开实施例提供的方法测算的各弹性参数与弹性参数的实际值相符，因此可以对页岩地层的脆性进行准确评价。
通过本公开提供的技术方案具有以下优势：
利用构建的反映页岩地层脆性的弹性阻抗公式，通过叠前地震反演可以得到准确的杨氏模量、泊松比和密度等弹性参数，消除了利用传统的叠前反演方法计算杨氏模量和泊松比而造成的误差。
利用叠前地震反演可以得到准确的杨氏模量和泊松比可以计算页岩脆性数据体，能准确评价页岩地层的脆性，对脆性页岩和非脆性页岩的敏感性高。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的 情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (6)
1.一种页岩储层脆性评价方法，其特征在于，该方法包括：
构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI，其中该BEI为弹性阻抗与所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ随不同纵波入射角θ的变化的函数；
通过对应于三个不同纵波入射角θ的所述BEI，确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ；
将所确定的杨氏模量E除以所确定的泊松比σ得到所述页岩地层的脆性因子；以及
利用所述脆性因子评价所述页岩地层的脆性；
其中，按照以下公式构建所述BEI：
且，
其中，
k＝(vs/vp)2
式中，E、σ、ρ、θ分别代表杨氏模量、泊松比、密度和纵波入射角，R(θ)是随不同纵波入射角θ变化的纵波反射系数，vs为横波速度、vp为纵波速度；
其中，在所述构建反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI后，该方法还包括按照以下步骤对BEI进行标准化以消除BEI数值量纲随纵波入射角θ的变化：
根据多个测井数据统计所述地层的平均横纵波速度比平方k、平均杨氏模量值E0、平均泊松比值σ0和平均密度值ρ0；
将入射角设置为零，通过所述平均横纵波速度比的平方k、所述平均杨氏模量值E0、所述平均泊松比值σ0和所述平均密度值ρ0计算BEI0；以及
将公式标准化为：
BEI(θ)＝EAσBρC；以及
2.根据权利要求1所述的页岩储层脆性评价方法，其特征在于，该方法还包括对标准化的公式进行对数线性化以得到对应于三个不同纵波入射角θ的BEI与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ关系。
3.根据权利要求2所述的页岩储层脆性评价方法，其特征在于，所得到的对应于三个不同纵波入射角θ的BEI与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ关系的公式如下：
其中，θ1、θ2、θ3为三个不同的纵波入射角。
4.根据权利要求3所述的页岩储层脆性评价方法，其特征在于，该方法还包括对所述三个不同纵波入射角θ的叠加数据体进行弹性阻抗反演；以及通过井旁弹性阻抗和测井数据回归来计算系数矩阵：
5.根据权利要求4所述的页岩储层脆性评价方法，其特征在于，对所述三个不同纵波入射角θ的叠加数据体进行弹性阻抗反演包括：
提取多个角度叠加数据；
对每个所述角度叠加数据进行层位标定，并提取角度地震子波；
根据测井数据和层位数据建立脆性弹性阻抗低频模型；以及
根据稀疏脉冲反演方法反演每个所述角度对应的脆性弹性阻抗数据体。
6.根据权利要求4所述的页岩储层脆性评价方法，其特征在于，根据以下公式确定所述地层岩石的杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ：
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106368687A (zh) | 2017-02-01 |
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