CN110441817A - 孔隙介质中基于4d pp-ps波反演ccus压力和饱和度变化的方法 - Google Patents

Abstract

孔隙介质中基于4D PP‑PS波反演CCUS压力和饱和度变化的方法，构建CO₂不同注入量或者注入地层不同阶段，储层三相流体(CO₂、水、由)饱和度的变化规律，并以此为基础建立CO₂注入不同阶段的流体替换模型，获取流体替换前后，储层纵波速度、横波速度、密度变化率单独随孔隙压力和CO₂饱和度的变化关系，通过多元多次拟合，选取相关系数最高的拟合曲线搭建储层弹性参数与储层孔隙压力和CO₂饱和度之间的桥梁，构建四维PP‑PS波叠加数据的差异与储层孔隙压力和CO₂饱和度的变化关系，确定其变化量，有助于确定CO₂注入地下后的分布范围以及可能的CO₂泄漏点，更好的评估CO₂地质封存的安全性。

Description

孔隙介质中基于4D PP-PS波反演CCUS压力和饱和度变化的 方法

技术领域：

本发明涉及CO₂驱油、地质封存中四维PP-PS波联合反演技术领域，尤其涉及孔隙介质中基于4D PP-PS波反演CCUS压力和饱和度变化的方法，用于计算CO₂地质封存中，在CO₂注入前后以及注入地下不同阶段所造成的储层孔隙压力和流体饱和度的变化。

背景技术

随着Weyburn等CCUS项目的不断实施推广，通过时移地震数据反演储层孔隙压力和CO₂饱和度成为研究的热点。目前的研究主要基于时移PP波资料，针对四维PS波资料的研究较少，特别是在CO₂-EOR 与地质封存领域，通过运用PS波资料来监测地下储层压力、CO₂饱和度以及地下储层裂缝的变化成为了焦点。Davis等人在最早开展了四维九分量地震数据研究，并在Weyburn项目中以此为基础监测CO₂注入过程中的裂缝变化，随后将四维多分量地震勘探技术用于盖层的研究。Aoki等人通过OBC技术在海底采集四维多分量地震资料。

与此同时，四维多分量地震监测技术也运用于科罗拉多非常规气田RulisonField盖层的监测(Davis,Benson&Stroker,2009；Rojas &Davis,2009)。Bale(2005，2013)等以四维多分量技术为基础，结合横波分裂研究重油开采过程中应力状态变化。Grossman(2013) 结合加拿大PouceCoupeField油田的多分量四维地震资料,在非常规油气藏中探讨了横波分裂与油气产量之间的关系。Sayers(2010)指出在非常规油气藏中岩石(包括储层)所受水平最大应力方向与其裂缝方向一致。Dillen(2000)研究表明横波分裂也可由应力各向异性诱发。

目前，在CO2地质封存领域，基于四维PP-PS波资料的研究很少，并且大部分的研究都是定量描述，没有系统的区分出储层孔隙压力和 CO2饱和度单独对PS波造成的影响，也没有从四维PP-PS波中分离出储层孔隙压力和CO2饱和度在CO2注入不同阶段的变化情况。

本发明从四维PP-PS波叠前数据出发，通过岩石物理实验结果以及流体替换模型的构建，高精度拟合储层弹性参数随储层孔隙压力和 CO2饱和度的变化规律，考虑CO2注入储层不同阶段储层流体饱和度的变化，最终反演得到CO2注入前后储层孔隙压力和CO2饱和度的变化量，为确定CO₂注入地下后的分布范围以及可能的CO₂泄漏点，评估CO₂地质封存的安全性奠定基础。

发明内容：

基于背景技术中存在的问题，本发明提出了一种孔隙介质中基于 4D PP-PS波反演CCUS压力和饱和度变化的方法。

该方法通过联合四维PP波与PS波资料，计算孔隙模型中储层孔隙压力和流体饱和度的变化。利用Aki-Rigard公式构建PP波与PS 波反射系数的变化情况与储层弹性参数的直接联系，再通过岩石物理实验结果建立储层弹性参数与储层孔隙压力和流体饱和度变化的关系，最终，以不同CO₂注入阶段的PP波与PS波反射系数求取CO₂地质封存过程中储层孔隙压力和流体饱和度的变化。

本发明提出的孔隙介质中基于4D PP-PS波反演CCUS压力和饱和度变化的方法，包括以下步骤：

S1：从测井资料和岩石物理资料出发，构建基于实际地质资料的地层模型；

S2：以岩石物理测试结果和实际钻井资料为基础，确定CO₂地质封存过程中储层三相流体饱和度的变化规律；

S3：以S2流体饱和度变化规律为基础，结合Gassmann理论以及岩石物理测试结果，计算储层纵波速度、横波速度、密度的变化率单独随孔隙压力和CO₂饱和度的变化规律；

S4：结合Landro和Andorsen的研究基础，构建CO₂地质封存中四维PP-PS波叠加资料与孔隙压力和CO₂饱和度变化的关系；

S5:利用S1中的地层模型验证方法的准确性。

本发明实质性有益效果：对于各向同性均匀介质，本发明通过改进孔隙压力和储层CO₂饱和度与储层弹性参数之间的关系，考虑CO₂地质封存过程中，不同CO₂注入阶段储层三相流体饱和度的变化差异，反演更加准确的储层压力和CO₂饱和度变化情况，为CO₂地质封存中四维转换波地震资料解释以及CO₂地质封存的安全性监测提供重要的理论支撑

附图说明：

图1实际测井资料的盖层和储层段测井曲线。

图2随着CO₂注入，储层三相流体饱和度变化。

图3图3储层纵波速度(a)、横波速度(b)、密度(c)变化率

图4注入CO₂饱和度小于14％时，储层纵波速度(a)、横波速度(b)、密度(c)变化率随CO₂饱和度变化关系。蓝色线段为趋势线，图中标注等式为趋势线方程，R2是趋势线拟合指标。

图5注入CO₂饱和度小于14％时，储层纵波速度(a)、横波速度(b)、密度(c)变化率随CO₂饱和度变化关系。蓝色线段为趋势线，图中标注等式为趋势线方程，R2是趋势线拟合指标。

图6孔隙压力一定时，不同CO₂饱和度下转换波反射系数随入射角的变化情况。

图7 CO₂饱和度一定时，不同孔隙压力下转换波反射系数随入射角的变化情况。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。

孔隙介质中基于4D PP-PS波反演CCUS中压力和饱和度变化的方法，包括以下步骤：

第一，从测井曲线出发，以测井曲线和测井资料解释结果为基础，划分出储层和盖层的位置，从储层和盖层的测井曲线数据出发，构建储层和盖层的孔隙介质两层模型，储层和盖层的测井曲线如图1，表1是两层介质模型的基本参数。

图1某油田X井整理后的测井曲线，从左到右分别为纵波速度、横波速度、密度、有效孔隙度、含水饱和度、泥质含量和总孔隙度曲线。盖层为膏岩，深度范围为1689m～1698m，储层段深度为1698m～1724m，储层段可以分为储层段1 和储层2，其中，储层段1的深度范围为1698m～1705m，储层段2的深度范围为 1705m～1724m。

表1为两层模型基本参数

第二，以岩石物理测试结果和前人针对CO₂-EOR混相驱的研究结果为基础，确定CO₂地质封存中，三相流体混合时，随着CO₂的注入，储层三相流体饱和度的变化规律，如图2所示。

图2描述了CO₂地质封存中，随着CO₂注入，储层流体饱和度的变化规律，在CO₂注入前，储层含油饱和度为49％，含水饱和度为51％。随着CO2注入，并且当储层含油饱和度大于35％时，CO₂驱替只储层中的油，而不驱替储层中的水，当储层含油饱和度下降至35％时，CO₂开始驱替储层中的水，不再驱替储层中的油。

第三，我们以Gassmann流体替换理论为基础，结合图2中的流体替换步骤，计算不同CO₂注入阶段储层纵波速度、横波速度、密度随孔隙压力和CO₂饱和度变化时的变化规律，结果如图3-图5。

我们认为纵波速度受孔隙压力流体饱和度的双重影响，为提高精度，我们同时保留孔隙压力和流体饱和度的二阶项和常数项，因此纵波速度的变化量可以写成：

横波速度同样受孔隙压力和流体饱和度的双重影响，但孔隙压力的影响占据绝对主导，因此仅保留孔隙压力的二阶项，去除流体饱和度的二阶项，横波速度的变化量可以写成：

储层密度的变化同时受孔隙压力和流体饱和度的影响，密度的变化量可以写成：

其中，α₂，β₂，ρ₂分别是储层纵波速度、横波速度和密度。Δα₂，Δβ₂，Δρ₂分别是注入CO₂前后储层纵波速度、横波速度、密度的变化量，ΔP和ΔS是孔隙压力和CO₂饱和度的变化量，α₁～α₆、β₁～β₅、ρ₁～ρ₄分别是系数。我们以式(1)～ (3)拟合纵波速度、横波速度、密度分别随孔隙压力和CO₂饱和度的变化情况，结果如图3-图5中的趋势线方程。

图3描述在储层CO2饱和度为0时，储层纵波速度(a)、横波速度(b)、密度(c)变化率随孔隙压力变化关系。蓝色线段为趋势线，图中标注等式为趋势线方程，R2是趋势线拟合指标，图3(a)、(b)、(c)中的趋势线按式(1)～(3) 改写，则式(1)～(3)的系数分别为：

α₁＝-0.0001538，α₂＝-0.001826，α₃＝0.0001382；

β₁＝-0.0002225，β₂＝-0.00368，β₃＝0.000199；

ρ₁＝0.000006243，ρ₂＝-0.000001992。

图4描述了当CO2饱和度小于14％时，储层纵波速度(a)、横波速度(b)、密度(c)变化率随CO2饱和度变化关系。蓝色线段为趋势线，图中标注等式为趋势线方程，R2是趋势线拟合指标，图4(a)、(b)、(c)中的趋势线按式(1) ～(3)改写，则式(1)～(3)的系数分别为：

α₄＝0.0003355，α₅＝-0.007617，α₆＝-0.0154；

β₄＝0.0156，β₅＝-0.000002；

ρ₄＝-0.0312，ρ₅＝0.00000001。

图5描述了当CO₂饱和度小于14％时，储层纵波速度(a)、横波速度(b)、密度(c)变化率随CO₂饱和度变化关系。蓝色线段为趋势线，图中标注等式为趋势线方程，R2是趋势线拟合指标，图5(a)、(b)、(c)中的趋势线按式(1) ～(3)改写，则式(1)～(3)的系数分别为：

α₄＝0.07824，α₅＝-0.03728，α₆＝-0.06355；

β₄＝0.02955，β₅＝-0.001964；

ρ₄＝-0.0006，ρ₅＝0.044。

第四，我们假设盖层的纵、横波速度和密度分别为：α₁，β₁，ρ₁，储层的纵、横波速度分别为α₂，β₂，ρ₂，Aki(1980)对Zoeppritz(1919)方程进行化简，提出了孔隙介质模型中PP波和PS波反射系数的计算公式，可以表示为：

其中，R_PP和R_PS分别是孔隙介质模型中PP波和PS波的反射系数，Δα＝α₂-α₁，Δβ＝β₂-β₁，Δρ＝ρ₂-ρ₁，α＝(α₂+α₁)/2，β＝(β₂+β₁)/2，ρ＝(ρ₂+ρ₁)/2，K＝β/α，θ是纵横波入射角。我们假设CO₂注入后储层的纵横波速度和密度变成：α₂′，β₂′，ρ₂′，因此，Δα′＝α₂′-α₁，Δβ′＝β₂′-β₁，Δρ′＝ρ₂′-ρ₁，α′＝(α₂′+α₁)/2，β′＝(β₂′+β₁)/2，ρ′＝(ρ₂′+ρ₁)/2， K′＝β′/α′。对于CO₂注入后PP波和PS波反射系数可以表示为：

因此，在孔隙介质模型中，由于CO₂的注入，PP波和PS发射系数的变化可以表示为：

Landro(2003)将孔隙介质中PP波和PS波反射系数的变化量ΔR_PP和ΔR_PS按照孔隙压力和流体饱和度分别引起的变化改写为：

其中，和代表由流体饱和度变化造成的孔隙介质中PP波和PS波反射系数的变化，Δα^F、Δρ^F分别表示由于流体饱和度变化所造成的纵波速度和密度的变化差异；和代表孔隙压力变化造成的孔隙介质中PP波和PS 波反射系数的变化，Δα^P、Δβ^P分别代表孔隙压力变化所造成的纵、横波速度差异。

我们将式(1)～(3)带入到式(10)～(13)中，可以建立四维PP波与PS 波差异与孔隙压力和CO₂饱和度之间的联系：

我们以Andorsen and landro的研究结果，将式(14)～(15)改写成地震叠加数据表示：

其中，i1-i4为纵波与转换叠加角度的函数，在获得四维PP波和PS波反射系数差异的基础上，联合式(16)～(17)可以解出储层孔隙压力与CO₂饱和度的变化量。

第五，我们以式(4)和式(5)计算不同孔隙压力和CO₂饱和度下的AVA 曲线，如图6-图7，AVA曲线如图从中挑出几组数据验证我们方法的准确性，结果如表2

图6描述了孔隙压力分别为9MPa、15MPa、21MPa时，储层CO₂饱和度从 0％变化至20％和40％时，转换波AVA曲线的变化规律。

图7描述了储层CO₂饱和度分别为0％、20％、40％时，储层孔隙压力从9MPa 变化至15MPa和21MPa时，转换波AVA曲线的变化规律。

我们选取几组数据来验证我们方法的准确性，储层的原始孔隙压力为15MPa，储层原始CO₂饱和度为0％，我们分别选择孔隙压力差异为9MPa和15MPa，CO₂饱和度差异为10％和20％，最终反演的结果如表2，孔隙压力误差均小于10％， CO₂饱和度误差也大多在10％以内，证明本方法在CO₂地质封存中反演孔隙介质中的孔隙压力和CO₂饱和度变化有较高的精度。

表2孔隙压力和CO₂饱和度变化的误差分析

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.孔隙介质中基于4D PP-PS波反演CCUS压力和饱和度变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：从测井资料和岩石物理资料出发，构建基于实际地质资料的地层模型；

S2：以岩石物理测试结果和实际钻井资料为基础，确定CO₂地质封存过程中储层三相流体饱和度的变化规律；

S3：以S2流体饱和度变化规律为基础，结合Gassmann理论以及岩石物理测试结果，计算储层纵波速度、横波速度、密度的变化率单独随孔隙压力和CO₂饱和度的变化规律；

S4：结合Landro和Andorsen的研究基础，构建CO₂地质封存中四维PP-PS波叠加资料与孔隙压力和CO₂饱和度变化的关系；

S5:利用S1中的地层模型验证方法的准确性。