CN109459497A - 一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，步骤为：S1、测量不含平行裂缝横向各向同性岩石的实验参数；S2、根据步骤S1测量的实验参数，计算岩石的弹性刚度矩阵系数；S3、对含裂缝的横向各向同性岩石做CT扫描实验，得到裂缝参数；S4、根据步骤S2和S3中得到的参数，计算法向裂缝柔度Z_N及切向裂缝柔度Z_T；S5、根据步骤S4得到的Z_N和Z_T，计算裂缝的横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵C^eff；S6、根据步骤S5得到的弹性刚度矩阵C^eff的系数，计算声波速度。本发明的声速预测结果更准确，能够更有效的预测含裂缝岩石的弹性性质，为地震勘探及测井识别、评价裂缝储层提供支持。

Description

一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法

技术领域

本发明涉及勘探地球物理领域，尤其涉及岩石物理中的一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法。

背景技术

裂缝是地质构造的一个重要特征，在地层中分布广泛。虽然裂缝在岩石中含量相对较低，但在致密地层，裂缝对于地层的渗流性质会产生巨大影响。由于裂缝纵横比较小，少量存在的裂缝会显著降低岩石弹性模量。而且，在压力作用下裂缝容易闭合，这就使得压力增大对岩石模量的提升效果变得更加显著。因此，我们在计算和预测岩石等效弹性性质及声速时必须考虑裂缝的影响。

目前常用的评价裂缝的方法主要有两种：一是实验观测野外露头或钻井取心样品，直接确定裂缝的几何形状和分布特征；二是测井获取含裂缝地层的详细特征参数。上述两种方法考察范围局限于样品或井眼的尺度，难以体现含裂缝地层的整体特征。地震勘探是一种探测范围较大的无损勘探方法。其中，由于地震波长远大于裂缝尺寸，因此我们需要建立合适的岩石物理模型，通过测量各向异性声速(含裂缝地层弹性性质)与裂缝特征参数的联系来评价地层中的裂缝特征。

国内外学者针对含裂缝岩石的弹性性质进行了大量的研究，基于散射理论，针对含硬币状裂缝的各向同性岩石推导出了等效弹性模量的计算公式；基于椭球形裂缝应变的研究上，提出了相应的模型，该模型可以用于计算含平行于各向同性面椭球形裂缝的各向同性岩石的等效弹性模量；根据线性滑动理论，推导出了不同裂缝系统的裂缝柔度矩阵。但实践证明，现有的模型普遍存在以下问题：

(1)目前常用的岩石物理模型大多假设背景介质为各向同性，实际含裂缝地层中，背景介质多由薄层构成而呈现出横向各向同性；针对多种岩石声速各项异性的测量结果发现，当岩石不含裂缝时，各向异性比例大于10％，所以在针对含裂缝岩石进行岩石物理建模时，考察各向异性背景的影响能够更好的评价含裂缝地层以及更好的对比理论预测结果与实验测量结果；

(2)部分考虑了TI(Transverse isotropy，横向各向同性)背景介质的模型结果复杂，并没有显性的给出弹性参数的计算公式，应用困难。

CN104267435A公开了一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法，包括对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度，利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C₁₁，C₁₃，C₃₃，C₄₄，C₆₆；利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C₃₃，C₄₄，C₆₆；其中，弹性系数C₃₃，C₄₄，C₆₆为测井可测量的弹性系数，弹性系数C₁₁，C₁₃为测井不可测量的弹性系数；利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C₁₁，C₁₃，C₃₃，C₄₄，C₆₆建立测井可测量的弹性系数C₃₃，C₄₄，C₆₆和不可测量的弹性系数C₁₁，C₁₃之间的组合关系计算公式；其中，所述组合关系计算公式为：C₁₁＝C₃₃*C₆₆/C₄₄，C₁₃＝C₃₃-1.97*C₄₄；将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C₃₃，C₄₄，C₆₆代入测井可测量的弹性系数C₃₃，C₄₄，C₆₆和不可测量的弹性系数C₁₁，C₁₃之间的组合关系计算公式，得到测井不可测量的弹性系数C₁₁，C₁₃，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数，该发明可以准确地表征TI背景介质地层的弹性性质，但是该发明的研究对象为为不含裂缝的横观各向同性的岩心样品，无法对含裂缝的岩石进行评价。

因此，本发明针对现有含裂缝岩石物理模型的不足，提供了一种形式简单，应用方便的含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，同时可以获得等效弹性参数，应用更加方便。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，模型中将背景介质设置为TI背景介质，裂缝形状设置为硬币状裂缝(天然裂缝大多纵横比较小)，更加符合真实含裂缝地层的情况，而且弹性参数计算公式形式更加简单，应用更加方便。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度的计算方法，包括以下步骤：

S1、测量不含平行裂缝横向各向同性岩石的实验参数，所述的实验参数为密度参数和各向异性声速参数；

S2、根据步骤S1测量的实验参数，计算不含平行裂缝横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵系数；

S3、对含裂缝的横向各向同性岩石做CT扫描实验，得到裂缝参数，所述的裂缝参数为裂缝密度e和裂缝纵横比α；所述的裂缝为平行各向同性面的硬币状裂缝；

S4、根据步骤S2中得到的弹性刚度矩阵系数和步骤S3中得到的裂缝参数，计算得到硬币状的裂缝的法向裂缝柔度Z_N及切向裂缝柔度Z_T；

S5、根据步骤S4得到的法向裂缝柔度Z_N、切向裂缝柔度Z_T，计算得到硬币状裂缝的横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵C^eff；

S6、根据步骤S5得到的弹性刚度矩阵C^eff的系数，计算声波速度V_P、V_SH和V_SV。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明针对现有含裂缝岩石岩石物理模型的弊端，立足于含裂缝岩石的真实特征，基于横向各向同性的背景介质及纵横比较小的硬币状裂缝推导出了含平行各向同性面硬币状裂缝横向各向同性岩石的弹性性质及声速计算模型。与实测数据的对比结果表明，本发明计算得到的声速与实验测量结果吻合较好，相比假设背景介质为各向同性的情况，声速预测结果更加准确。本发明的方法能够更加有效的预测含裂缝岩石的弹性性质，可以为地震勘探及测井识别、评价裂缝储层提供支持。

附图说明

附图1为本发明计算Vp结果与实验测量Vp结果的对比图。

附图2为本发明计算V_SH结果与实验测量V_SH结果的对比图。

附图3为本发明计算V_SV结果与实验测量V_SV结果的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和图1-3，对本发明的技术方案做详细的介绍。

一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，包括如下步骤：

S1、测量不含平行裂缝横向各向同性岩石的实验参数，所述的实验参数包括岩石密度ρ和各向异性声速，所述的声速包括入射波与各向同性面夹角为0度的纵波速度V_p(90°)、夹角为45度的纵波速度V_p(45°)、夹角为90度纵波速度V_p(0°)、横波偏振方向平行于各向同性面的V_SH和垂直于各向同性面的V_SV；

S2、根据步骤S1测量的实验参数，计算不含平行裂缝横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵系数；

所述的实验参数为横向各向同性岩石各向异性声速；

所述的弹性刚度矩阵系数包括C₁₁、C₁₃、C₁₂、C₃₃、C₄₄、C₁和C₆₆；

所述C₁₁的计算公式为：

所述C₁₂的计算公式为：

所述C₃₃的计算公式为：

所述C₄₄的计算公式为：

所述C₁₃的计算公式为：

所述C₁的计算公式为：

所述C₆₆的计算公式为：

S3、对含裂缝的横向各向同性岩石做CT扫描实验，根据CT扫描图像和数据确定岩石中的裂缝参数，裂缝密度e和裂缝纵横比α；所述的裂缝为平行各向同性面硬币状裂缝；

所述e的计算公式为：

其中，α为裂缝纵横比，n为裂缝数量，V为参考量；

S4、根据步骤S2中得到的弹性刚度矩阵系数和步骤S3中得到的裂缝参数，计算得到硬币状裂缝的法向裂缝柔度Z_N及切向裂缝柔度Z_T；

所述法向裂缝柔度Z_N的计算公式为：

所述切向裂缝柔度Z_T的计算公式为：

其中，所述的B₃的计算公式为：

所述B₄的计算公式为：

S5、根据步骤S4得到的法向裂缝柔度Z_N、切向裂缝柔度Z_T，计算得到硬币状裂缝的横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵C^eff；

所述C^eff的计算公式为：

所述Δ_N的计算公式为：

所述Δ_T的计算公式为：

S6、根据步骤S5得到的弹性刚度矩阵C^eff的系数，计算声波速度；

应用岩石等效弹性参数计算地震波相速度，所述声波速度的计算公式为：

其中，

C₄₄ ¹、C₂₂ ¹、C₃₃ ¹、C₅₅ ¹和C₆₆ ¹是步骤S5中计算得到的硬币裂缝岩石的弹性刚度矩阵C^eff中的弹性刚度矩阵系数；

ρ是岩石密度；

ψ是地震波相对于X3轴的入射角；

M计算公式为：

同时，本发明还提供了一种上述计算方法在测量含平行裂缝横向各向同性的饱和流体岩石的声波速度中的应用。

一种含平行裂缝横向各向同性的饱和流体岩石的声波速度计算方法，包括如下步骤：

S1、测量不含平行裂缝横向各向同性岩石的实验参数，所述的实验参数包括岩石密度ρ和各向异性声速，所述的声速包括夹角为0度的纵波速度V_p(90°)、夹角为45度的纵波速度V_p(45°)、夹角为90度纵波速度V_p(0°)、横波偏振方向平行于各向同性面的V_SH和垂直于各向同性面的V_SV；

S2、根据步骤S1测量的实验参数，计算不含平行裂缝横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵系数；

所述的实验参数为横向各向同性岩石各向异性声速；

所述的弹性刚度矩阵系数包括C₁₁、C₁₃、C₁₂、C₃₃、C₄₄、C₁和C₆₆；

所述C₁₁的计算公式为：

所述C₁₂的计算公式为：

所述C₃₃的计算公式为：

所述C₄₄的计算公式为：

所述C₁₃的计算公式为：

所述C₁的计算公式为：

所述C₆₆的计算公式为：

S3、对含裂缝的横向各向同性岩石做CT扫描实验，根据CT扫描图像和数据确定岩石中的裂缝参数，裂缝密度e和裂缝纵横比α，所述的裂缝为平行各向同性面硬币状裂缝；

所述e的计算公式为：

其中，a为X1-X2平面上的裂缝半径，n为裂缝数量，V为参考量；

S4、根据步骤S2中得到的弹性刚度矩阵系数和步骤S3中得到的裂缝参数，计算含饱和流体时硬币状裂缝法向柔度及切向柔度Z_T；

的计算公式为：

其中，K_f是流体体积模量，K_S是背景介质的广义体积模量计算公式为：

所述切向柔度Z_T的计算公式为：

其中，所述的B₃的计算公式为：

所述B₄的计算公式为：

S5、根据步骤S4得到的法向柔度切向柔度Z_T，计算得到硬币状裂缝的横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵C^eff；

所述C^eff的计算公式为：

所述的Δ_N的计算公式为：

所述的Δ_T的计算公式为：

S6、根据步骤S5得到的弹性刚度矩阵C^eff的系数，计算声波速度；

应用岩石等效弹性参数计算地震波相速度，所述声波速度的计算公式为：

其中，

C₄₄ ¹、C₂₂ ¹、C₃₃ ¹、C₅₅ ¹和C₆₆ ¹是步骤S5中计算得到的硬币裂缝岩石的弹性刚度矩阵C^eff中的刚度矩阵弹性系数；

ρ是岩石密度；

ψ是地震波相对于X3轴的入射角；

M计算公式为：

本次实施例中所用TI背景介质弹性刚度矩阵系数为C₁₁＝47.31GPa，C₃₃＝33.89GPa，C₁₂＝7.83GPa，C13＝5.29GPa和C44＝17.15GPa；各向同性背景介质弹性刚度矩阵系数为C₁₁＝47.31GPa，C₁₂＝7.83Gpa；密度ρ为2.504g/cm3；裂缝密度和纵横比分别为0.05和0.01；饱和流体体积模量为2.5GPa。

通过以上流程，我们可以获得含平行各向同性面硬币状裂缝的横向各向同性岩石的各向异性声速。图1-3中，含平行裂缝各向同性岩石的声波速度用虚线表示，实线表示含平行裂缝横向各向同性的饱和流体岩石的声波速度用实线表示，实验测量的声波速度用实心三角形表示。

从图1-3可以看到因为本发明的模型考虑了背景介质的横向各向同性，估算的结果和实测的声速结果吻合更好，这说明该方法的有效性。

目前针对含裂缝岩石的岩石物理模型大多假设背景介质为各向同性，这与岩石实际情况不符，部分考虑背景介质横向各向同性的模型并没有显性给出岩石弹性参数的计算方式，应用起来较为困难。本发明针对现有含裂缝岩石岩石物理模型的弊端，立足于含裂缝岩石的真实特征，基于横向各向同性的背景介质及纵横比较小的硬币状裂缝推导出了含平行各向同性面硬币状裂缝横向各向同性岩石的弹性性质及声速计算模型。与实测数据的对比结果表明，本发明计算得到的声速与实验测量结果吻合较好，相比假设背景介质为各向同性的情况，声速预测结果更加准确。本发明的方法能够更加有效的预测含裂缝岩石的弹性性质，可以为地震勘探及测井识别、评价裂缝储层提供支持。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量不含平行裂缝横向各向同性岩石的实验参数，所述的实验参数为密度参数和各向异性声速参数；

S2、根据步骤S1测量的实验参数，计算不含平行裂缝横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵系数；

S3、对含裂缝的横向各向同性岩石做CT扫描实验，得到裂缝参数，所述的裂缝参数为裂缝密度e和裂缝纵横比α；所述的裂缝为平行各向同性面的硬币状裂缝；

所述裂缝密度e的计算公式为：

其中，α为裂缝纵横比，n为裂缝数量，V为参考量；

S4、根据步骤S2中得到的弹性刚度矩阵系数和步骤S3中得到的裂缝参数，计算得到硬币状裂缝的法向裂缝柔度Z_N及切向裂缝柔度Z_T；

S5、根据步骤S4得到的法向裂缝柔度Z_N、切向裂缝柔度Z_T，计算得到硬币状裂缝的横向各向同性岩石的弹性刚度矩阵C^eff；

S6、根据步骤S5得到的弹性刚度矩阵C^eff的系数，计算声波速度。

2.根据权利要求1所述的含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，其特征在于，步骤S1中所述的各向异性声速包括V_p(90°)、V_p(45°)、V_p(0°)、V_SH和V_SV。

3.根据权利要求1所述的含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，其特征在于，步骤S2中所述的弹性刚度矩阵系数包括C₁₁、C₁₃、C₁₂、C₃₃、C₄₄、C₁和C₆₆；

所述C₁₁的计算公式为：

所述C₁₂的计算公式为：

所述C₃₃的计算公式为：

所述C₄₄的计算公式为：

所述C₁₃的计算公式为：

所述C₁的计算公式为：

所述C₆₆的计算公式为：

其中，所述的ρ为岩石密度。

4.根据权利要求1所述的含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，其特征在于，步骤S4中所述的

法向裂缝柔度Z_N的计算公式为：

切向裂缝柔度Z_T的计算公式为：

其中，所述的B₃的计算公式为：

所述的B₄的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，其特征在于，步骤S5中所述的弹性刚度矩阵C^eff的计算公式为：

所述Δ_N的计算公式为：

所述Δ_T的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的含平行裂缝横向各向同性岩石的声波速度计算方法，其特征在于，步骤S6中所述的声波速度的计算公式为：

其中，

C₄₄ ¹、C₂₂ ¹、C₃₃ ¹、C₅₅ ¹和C₆₆ ¹是步骤S5中计算得到的硬币裂缝岩石的弹性刚度矩阵C^eff中的弹性刚度矩阵系数；

ρ是岩石密度；

ψ是地震波相对于X3轴的入射角；

M的计算公式为：

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的计算方法在测量含平行裂缝横向各向同性的饱和流体岩石的声波速度计算方法，其特征在于，将步骤S4中的法向裂缝柔度Z_N替换为饱和流体时裂缝的法向柔度所述的的计算公式为：

其中，

K_f是流体体积模量；

K_s是背景介质的广义体积模量，K_s的计算公式为：

8.一种根据权利要求7所述的声波速度计算方法在测量含裂缝岩石的等效弹性参数和声波速度中的应用。