CN110276091A - 基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，该基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法包括：步骤1，依据实验室偏光显微镜观察结果得到岩石矿物成分及含量，计算岩石基质的弹性模量；步骤2，计算孔隙结构参数；步骤3，计算含有软孔隙分布的岩石干岩样模量；步骤4，利用Wood方程混合孔隙流体,计算流体的等效体积模量；步骤5，计算饱和流体岩石的不同频率的体积模量和剪切模量表达式。该基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法为更准确的表征复杂岩石介质的弹性波传播特征，复杂孔隙介质动态弹性性质定量表征、多频段数据融合与外推、裂缝体密度的定量预测、复杂孔隙介质孔隙流体特征预测等提供依据。

Description

基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法

技术领域

本发明涉及地震岩石物理与储层地球物理技术领域，特别是涉及到一种基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法。

背景技术

流体饱和条件下，由于孔隙形状差异引起孔隙弹性性质的差异，在弹性波的作用下这种微观尺度上孔隙弹性特征的差异诱发不同孔隙间的流体流动作用，从而造成弹性波的速度频散和衰减，即“喷射流”作用。描述喷射流作用的理论模型可分为两种类型。其一是首先将岩石中不同形状的孔隙理想化为“软”孔隙(在相同有效压力下容易被压缩，主要表现为颗粒接触边界和微裂隙)和“硬”孔隙两种类型的孔隙，两类孔隙间流体流动满足Navier-Stokes流动方程，然后通过表征不同频率下孔隙间流体流动作用对软孔隙刚度的改变来描述喷射流作用对岩石整体性质的影响，该类模型以Murphy的微观颗粒尺度流体松弛机制以及Dvorkin等所给出的BISQ理论模型为代表；其二是以无限大均匀基质中单一椭球体的弹性响应为基础的夹杂体模型，利用孔隙流体质量守恒及达西定理描述具有不同孔隙结构孔隙间的流体流动作用，例如Hudson等给出的含裂隙孔隙介质喷射流模型以及基于T-矩阵方法所给出的考虑宏观流体流动和微观喷射流动的统一理论模型。Gurevich等(2010),唐晓明(2011)基于相同的孔隙结构模型采用不同的方法给出了弹性波传播特征与岩石孔隙结构特征(纵横比、软孔隙含量、微裂隙密度)的理论关系。

上述文献仅给出含某一特定纵横比及含量的软孔隙对介质速度频散与衰减的影响，然而在实际的储层岩石中,软孔隙(也可称为微裂隙)的纵横比值往往不是一个定值，而应该是对应于一个连续的分布范围。对于具有一定孔隙连续分布特征的实际岩石而言,其频散和衰减特征并无更多的讨论。为此我们发明了一种新的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于非均质储层、复杂油气储层的多重孔隙结构的弹性波响应模型的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，该基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法包括：步骤1，依据实验室偏光显微镜观察结果得到岩石矿物成分及含量，计算岩石基质的弹性模量；步骤2，基于压力—孔隙闭合理论，推导裂隙密度与压力间的关系式，求取实际储层岩石的孔隙结构参数；步骤3，使用等效介质理论模型将不同孔隙结构的孔隙加入岩石基质中，计算岩石骨架的弹性模量；步骤4，利用Wood混合孔隙流体,计算流体的等效体积模量；步骤5，基于挤喷流原理，将流体加入岩石骨架,得到饱和岩石的弹性模量,进而可计算不同频率下该饱和流体岩石的纵横波速度。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，依据实验室偏光显微镜观察结果得到岩石矿物成分及含量，利用Voigt-Reuss-Hill方程计算岩石基质的弹性模量：

其中M_VRH是矿物基质的弹性模量，f_i和M_i分别是第i种组分的体积含量和弹性模量，N是矿物组分的总数量。

在步骤2中，仅含硬孔隙岩石的等效弹性模量与较高有效压力情况下的弹性模量(K^h、μ^h)近似相等，其中K^h为高频体积模量，μ^h为高频剪切模量，通过CT扫描成果得到硬孔隙的含量φ_s。

在步骤2中，在得到硬孔隙的含量以后，给出有效压力p下未闭合的所有软孔隙的最小初始纵横比值αⁱ的计算公式:

式中ε_p表示有效压力p下未闭合软孔隙的累积裂隙密度，ε₀表示零有效压力下岩石中的初始裂隙密度，K_d(ε_p)表示岩石在有效压力p下的体积模量，从实验数据中求取，ε为裂隙密度，p为有效压力的大小，K^h为高频体积模量大小。

在步骤3中，向岩石的基质中加入硬孔隙，来计算仅含硬孔隙的干岩样模量，计算公式如下：

其中K_VRH、μ_VRH为岩石基质的体积模量和剪切模量，采用步骤1计算可得，P、Q为形状因子，硬孔隙时默认为1，K^h、μ^h为仅含硬孔隙时岩石的体积模量和剪切模量，φ_s为硬孔隙的含量。

在步骤3中，加入硬孔隙以后，再从小到大依次加入不同孔隙纵横比分布的软孔隙，采用(4)式计算此时的岩石干岩样模量：

其中K_di、μ_di分别为孔隙纵横比为αⁱ时的岩石干岩样体积模量和剪切模量，ν^h为仅含硬孔隙的泊松比，从实验数据得到，αⁱ为有效压力p下未闭合的所有软孔隙的最小初始纵横比值αⁱ。

在步骤4中，利用Wood混合孔隙流体,计算流体的等效体积模量：

其中k_f代表混合流体的体积模量，S_i、k_fi代表第i种流体组分的体积含量和体积模量。

在步骤5中，利用Gassmann方程，对干燥硬孔隙进行流体置换，而后基于喷射流理论即可得到饱和流体岩石的不同频率的体积模量和剪切模量表达式：

μ_sat(ω,i)＝μ_di (6)

其中ω为圆频率，K_sat(ω,i)，μ_sat(ω,i)分别为频率为ω,孔隙最小纵横比为αⁱ时的体积模量和剪切模量，K_di、μ_di分别为孔隙纵横比为αⁱ时的岩石干岩样体积模量和剪切模量，φ_s为硬孔隙的含量，k_f代表混合流体的体积模量，K_pf(ω)表示有效压力为p条件下的岩石体积模量。

本发明中的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，涉及了岩石物理分析、岩石介质孔隙结构特征定量表征、复杂孔隙介质动态弹性性质定量表征、复杂孔隙介质孔隙流体特征预测等。利用干燥岩石压力-速度数据或者CT扫描成果求取岩石的孔隙分布特征，并在此基础上结合孔隙尺度喷射流作用机制，给出了具有复杂孔隙分布特征的岩石的速度频散特征，通过构建适合于非均质储层、复杂油气储层的多重孔隙结构的弹性波响应模型，给出了具有复杂孔隙分布特征的岩石的速度频散特征，为更准确的表征复杂岩石介质的弹性波传播特征，复杂孔隙介质动态弹性性质定量表征、多频段数据(测井—地震数据)融合与外推、裂缝体密度的定量预测、复杂孔隙介质孔隙流体特征预测等提供依据。

附图说明

图1为本发明的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中致密砂岩样品跨频段实验结果的示意图；

图3为本发明的一具体实施例中致密砂岩样品跨频段理论模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法的流程图。

(1)依据实验室偏光显微镜观察结果得到岩石矿物成分及含量，利用VRH岩石基质弹性模量计算公式(Voigt-Reuss-Hill方程)计算岩石基质的弹性模量。

其中M_VRH是矿物基质的弹性模量，f_i和M_i分别是第i种组分的体积含量和弹性模量，N是矿物组分的总数量。

(2)岩石的孔隙根据孔隙纵横比大小的不同可以分为软孔隙和硬孔隙，孔隙纵横比小的为软孔隙，孔隙纵横比大的为硬孔隙。通常情况下硬孔隙对岩石等效弹性参数的影响较为简单，基本不随压力发生变化，因此仅含硬孔隙岩石的等效弹性模量与较高有效压力情况下的弹性模量(Kh、μ^h)近似相等。硬孔隙具体的纵横比对压力不敏感，因此不需要求取具体的数值，一般认为纵横比大于0.2的都是硬孔隙，硬孔隙的含量φ_s是非常重要的参数可以通过ct扫描成果得到。在得到硬孔隙的含量以后，可给出有效压力p下未闭合的所有软孔隙的最小初始纵横比值αⁱ的计算公式:

式中ε_p表示有效压力p下未闭合软孔隙的累积裂隙密度，ε₀表示零有效压力下岩石中的初始裂隙密度，K_d(ε_p)表示岩石在有效压力p下的体积模量，可以从实验数据中求取。

(3)首先向岩石的基质中加入硬孔隙，来计算仅含硬孔隙的干岩样模量，计算公式如下：

其中K_VRH、μ_VRH为岩石基质的体积模量和剪切模量，采用步骤(1)计算可得，P、Q为形状因子，硬孔隙时默认为1，K^h、μ^h为仅含硬孔隙时岩石的体积模量和剪切模量。

加入硬孔隙以后，再从小到大依次加入不同孔隙纵横比分布的软孔隙，采用(4)式计算此时的岩石干岩样模量。

其中K_di、μ_di分别为孔隙纵横比为αⁱ时的岩石干岩样体积模量和剪切模量，ν^h为仅含硬孔隙的

泊松比，可以从实验数据得到。

(4)利用Wood混合孔隙流体,计算流体的等效体积模量。

其中k_f代表混合流体的体积模量，S_i、k_fi代表第i种流体组分的体积含量和体积模量。

(5)利用Gassmann方程，对干燥硬孔隙进行流体置换，而后基于喷射流理论

即可得到饱和流体岩石的不同频率的体积模量和剪切模量表达式。

μ_sat(ω,i)＝μ_di (6)

其中ω为圆频率，K_sat(ω,i)，μ_sat(ω,i)分别为频率为1/ω,孔隙最小纵横比为αⁱ时的体积模量和剪切模量。

在应用本发明的一具体实施例中，图2和图3为某致密砂岩样品(φ＝5.2％，κ＝0.05mD)跨频段实验结果及与本次工作所新构建理论模型对比。可以看出本次工作所给出的频散模型不但能够较好的给出高、低频速度极限值，同时也能较为准确的表征样品在1～1000Hz频率范围的速度变化特征，也与实验结果更为接近。

本发明的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，考虑在实际的储层岩石中,软孔隙(也可称为微裂隙)的纵横比值往往不是一个定值，而应该是对应于一个连续的分布范围。对于具有一定孔隙连续分布特征的实际岩石而言,其频散和征并无更多的讨论。正是基于这个问题，本专利利用干燥岩石压力-速度数据求取岩石的孔隙分布特征，并在此基础上结合孔隙尺度喷射流作用机制，给出了具有复杂孔隙分布特征的岩石所表现出的可能的速度频散及衰减特征，为更准确的表征复杂岩石介质的弹性波传播特征，为复杂孔隙介质动态弹性性质定量表征、多频段数据(测井—地震数据)融合与外推、裂缝体密度的定量预测、复杂孔隙介质孔隙流体特征预测等提供依据。

Claims (8)

1.基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，该基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法包括：

步骤1，依据实验室偏光显微镜观察结果得到岩石矿物成分及含量，计算岩石基质的弹性模量；

步骤2，基于压力—孔隙闭合理论，推导裂隙密度与压力间的关系式，求取实际储层岩石的孔隙结构参数；

步骤3，使用等效介质理论模型将不同孔隙结构的孔隙加入岩石基质中，计算岩石骨架的弹性模量；

步骤4，利用Wood混合孔隙流体,计算流体的等效体积模量；

步骤5，基于挤喷流原理，将流体加入岩石骨架,得到饱和岩石的弹性模量,进而可计算不同频率下该饱和流体岩石的纵横波速度。

2.根据权利要求1所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤1中，依据实验室偏光显微镜观察结果得到岩石矿物成分及含量，利用Voigt-Reuss-Hill方程计算岩石基质的弹性模量：

其中M_VRH是矿物基质的弹性模量，f_i和M_i分别是第i种组分的体积含量和弹性模量，N是矿物组分的总数量。

3.根据权利要求1所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤2中，仅含硬孔隙岩石的等效弹性模量与较高有效压力情况下的弹性模量(K^h、μ^h)近似相等，其中K^h为高频体积模量，μ^h为高频剪切模量，通过CT扫描成果得到硬孔隙的含量φ_s。

4.根据权利要求3所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤2中，在得到硬孔隙的含量以后，给出有效压力p下未闭合的所有软孔隙的最小初始纵横比值αⁱ的计算公式:

式中ε_p表示有效压力p下未闭合软孔隙的累积裂隙密度，ε₀表示零有效压力下岩石中的初始裂隙密度，K_d(ε_p)表示岩石在有效压力p下的体积模量，从实验数据中求取，ε为裂隙密度，p为有效压力的大小，K^h为高频体积模量大小。

5.根据权利要求1所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤3中，向岩石的基质中加入硬孔隙，来计算仅含硬孔隙的干岩样模量，计算公式如下：

其中K_VRH、μ_VRH为岩石基质的体积模量和剪切模量，采用步骤1计算可得，P、Q为形状因子，硬孔隙时默认为1，K^h、μ^h为仅含硬孔隙时岩石的体积模量和剪切模量，φ_s为硬孔隙的含量。

6.根据权利要求5所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤3中，加入硬孔隙以后，再从小到大依次加入不同孔隙纵横比分布的软孔隙，采用(4)式计算此时的岩石干岩样模量：

其中K_di、μ_di分别为孔隙纵横比为αⁱ时的岩石干岩样体积模量和剪切模量，ν^h为仅含硬孔隙的泊松比，从实验数据得到，αⁱ为有效压力p下未闭合的所有软孔隙的最小初始纵横比值αⁱ。

7.根据权利要求1所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤4中，利用Wood混合孔隙流体,计算流体的等效体积模量：

其中k_f代表混合流体的体积模量，S_i、k_fi代表第i种流体组分的体积含量和体积模量。

8.根据权利要求1所述的基于岩石多重孔隙结构的弹性波响应模型建模方法，其特征在于，在步骤5中，利用Gassmann方程，对干燥硬孔隙进行流体置换，而后基于喷射流理论即可得到饱和流体岩石的不同频率的体积模量和剪切模量表达式：

μ_sat(ω,i)＝μ_di (6)

其中ω为圆频率，K_sat(ω,i)，μ_sat(ω,i)分别为频率为ω,孔隙最小纵横比为αⁱ时的体积模量和剪切模量，K_di、μ_di分别为孔隙纵横比为αⁱ时的岩石干岩样体积模量和剪切模量，φ_s为硬孔隙的含量，k_f代表混合流体的体积模量，K_pf(ω)表示有效压力为p条件下的岩石体积模量。