CN110456412A - 一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，包括以下步骤：步骤1:碳酸盐岩储层岩石超声波实验测试及岩石样本衰减计算；步骤2:碳酸盐岩储层地震衰减提取；步骤3:碳酸盐岩衰减岩石物理模型构建；步骤4:分析碳酸盐岩结构非均质性和流体分布不均性对频散和衰减的影响；步骤5:碳酸盐岩衰减岩石物理图板构建；步骤6:超声及地震频段下校正衰减岩石物理图板；步骤7:碳酸盐岩储层孔隙度及流体饱和度定量解释。超声波实验测试为对碳酸盐储层样本进行部分饱和条件下的超声波波形测量，气体为氮气。本发明基于双重‑双重孔隙结构模型更好地描述复杂岩石中孔隙结构的非均质性和部分饱和流体的不均匀分布对弹性波频散和衰减的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，利用地震波衰减对储层流体的高敏感性构建碳酸盐岩衰减岩石物理图板检测储层流体，属于非常规油气储层地震流体检测领域。
背景技术
碳酸盐岩油气藏作为非常规油气资源的一种，分布范围广，储量丰富，具有巨大的勘探潜力。近年来，针对碳酸盐岩储层的勘探开发，在全球的油气资源开发方面占有越来越大的比重。碳酸盐岩储集空间类型多，具有很强的非均质性，储层中的空隙除了孔隙和喉道以外，还存在着裂缝和洞穴。张开的裂缝或洞穴改善了碳酸盐岩低孔、低渗的物性特征，使其可以成为高产的油气储层。正由于碳酸盐岩的强非均质性，使得碳酸盐岩储层类型十分复杂，常规地球物理勘探技术的应用存在很多困难。
碳酸盐岩岩石内部结构的强非均质性是导致碳酸盐岩油气勘探困难的主要原因之一，如何准确的模拟岩石内部结构非均质性对弹性波的影响，成为地震勘探理论的研究热点。近年来，岩石物理学的快速发展，对复杂介质的岩石物理特征研究提供了充分的理论支持。巴晶等(2013)将一种描述双重孔隙介质的Biot-Rayleigh方程进行岩石物理建模，成功应用于非均质碳酸盐岩天然气藏的地震预测研究中。
近年来，许多学者研究了孔隙流体对岩石弹性波传播的影响，波诱导的局部流体流动(WILFF)被认为是弹性波在含流体岩石中扩散和衰减的重要原因。目前，众多学者开始同时考虑岩石内部结构非均质性和流体非饱和性的情况。巴晶等(2017)将Biot-Rayleigh模型从饱和单一流体的双重孔隙介质的情况推广到可同时考虑双孔结构以及斑块状饱和的复杂情况，即双重-双重孔隙结构模型，描述了弹性波在同时具有流体和结构非均质性的多孔岩石中的传播规律。
近年来，许多关于储层参数的敏感性研究中，发现纵波衰减对储层的含流体性最为敏感，并且，许多国内外学者将地震波的衰减作为直接的烃类指示因子，并获得了较好的储层预测效果。巴晶等(2018)通过对10块碳酸盐岩样本的衰减特征分析，验证了纵波衰减可以作为直接表征碳酸盐岩储层的有效指标。 Cao et al(2018)结合塔里木盆地S区碳酸盐岩裂缝型储层的地质和测井资料，通过地震正演模拟和反演，发现地震波衰减和频散对裂缝密度和流体类型密切相关，并将这两种属性应用于塔里木盆地S区碳酸盐岩气藏地震识别中，结果表明，地震波衰减和频散参数在碳酸盐岩天然气的勘探中具有显著效果。
岩石物理图板能够建立起多种弹性性质与多个储层参数之间的联系，可以更直观地观察到复杂的储层参数与岩石弹性性质之间的关系。Dvorkin和Mavko (2006)给出了一个简单的衰减图板，能够区分含气砂岩和饱和砂岩。Picotti et al(2018)对他们的工作进行了扩展，建立针对砂岩的衰减岩石物理图板，分析不同流体饱和度，孔隙度和渗透率对地震波的影响。但他们的工作皆局限于单一尺度下，没有真实的数据来进行验证，因此并没有应用到实际的工区中。参考文献如下：
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发明内容
本发明的目的在于克服现有的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法易受到叠前数据成本高昂的制约的不足，提供一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，技术方案如下：
一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1:碳酸盐岩储层岩石超声波实验测试及岩石样本衰减计算；
步骤2:碳酸盐岩储层地震衰减提取；
步骤3:碳酸盐岩衰减岩石物理模型构建；
步骤4:分析碳酸盐岩结构非均质性和流体分布不均性对频散和衰减的影响；
步骤5:碳酸盐岩衰减岩石物理图板构建；
步骤6:超声及地震频段下校正衰减岩石物理图板；
步骤7:碳酸盐岩储层孔隙度及流体饱和度定量解释。
进一步地，超声波实验测试为对碳酸盐储层样本进行部分饱和条件下的超声波波形测量，其中气体为氮气。
进一步地，采用谱比法估算得到岩石样本的品质因子Q，使用具有高品质因子的标准铝块作为参考材料，计算按照公式(1)：
其中f是频率，A1(f)和A2(f)分别是岩石样本和参考材料的振幅谱，Q是岩石样本的品质因子，x是波传播距离，V是波速，G1(f)和G2(f)为岩石样本和参考材料的几何因子。
优选地，岩石样本为碳酸盐岩样本，取饱气状态下的测量值作为参考来估算每个样品的衰减值，研究其与饱和度之间的关系，利用公式(1)推导出公式(2)：
其中是相对品质因子，Qg和Vg分别是饱气时的品质因子和纵波速度。
进一步地，步骤2通过改进频移法提取碳酸盐储层地震波衰减，计算如公式(3)：
其中，fC0和fC1分别表示衰减前和衰减后信号的质心频率，t表示传播时间。
进一步地，步骤3采用Voigt-Reuss-Hill平均方程及微分等效介质理论DEM 计算岩石骨架的弹性参数及密度；
采用Batzle和Wang(1992)推导的方程，估算储层条件下地下水和天然气的体积模量和密度，依据储层环境下流体性质，结合流体的分布特征及其与孔隙的联系，利用双重-双重孔隙结构方程(即DDP理论方程，Double-double porosity model)估算含流体岩石的波响应特征，构建碳酸盐岩岩石物理模型。
进一步地，步骤4主要包括：
基于双重-双重孔隙结构方程即DDP理论方程模拟分析碳酸盐岩中的纵波频散和衰减特征，根据碳酸盐岩样本进行参数设置，模型中岩样的总孔隙度、背景岩石的渗透率为实验室测量值；
通过调节理论方程中岩石嵌入体骨架的体积比率和不同流体的饱和度，可以描述岩石内部结构和流体的非均质性对碳酸盐岩中的纵波衰减和频散的影响。
进一步地，步骤5基于碳酸盐岩岩石物理模型，以碳酸盐岩样本为参考选取合适的模型参数，引入纵波衰减和波阻抗参数，得到超声(1MHz)和地震频带(50Hz)下关于储层孔隙度和流体饱和度的碳酸盐岩衰减岩石物理图板。
进一步地，步骤6包括：采用公式(2)计算碳酸盐岩样本的相对完全饱气时的衰减，观察岩石衰减与饱和度之间的关系。将上述得到的衰减岩石物理图板，与对应的实验样本进行对比，从而实现实验样本校正图板。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)中、深地碳酸盐岩储层一般具备很强的结构和流体非均质性，含气分布复杂、埋藏深等。本发明基于双重-双重孔隙结构模型可以更好地描述复杂岩石中孔隙结构的非均质性和部分饱和流体的不均匀分布对弹性波频散和衰减的影响。
(2)地震波衰减对流体的敏感性最高，本方法引入地震波衰减构建碳酸盐岩衰减岩石物理图板检测储层流体饱和度具有更高的精度和准确性。
(3)仅基于叠后地震数据即可进行高精度的储层预测和检测流体，克服多解性、资料品质、处理信息等影响，经济效益更佳，推进了储层流体定量地震检测技术的发展。
附图说明
图1是本发明的方法的流程示意图；
图2为本发明中的实施例的纵横波速度的交会图；
图3为本发明中的实施例的纵波频散和衰减随含水饱和度的变化情况；
图4是改进频移法的计算流程图；
图5是碳酸盐岩工区储层一条过MX8、MX17和MX204三口含气井的测线；
图6、图7和图8分别是碳酸盐岩不同的嵌入体骨架体积比率在饱气、饱水和87％含水饱和度时纵波频散(a)和衰减(b)曲线；
图9是在104～107Hz频率之间，不同的含水饱和度时纵波频散(a)和衰减 (b)曲线；
图10是地震频带(10～100Hz)下，不同含水饱和度时的纵波频散(a)和衰减(b)曲线；
图11是超声(1MHz)和地震频带(50Hz)下的衰减岩石物理图板；
图12是超声频带下碳酸盐岩衰减岩石物理图板与实验数据对比图；
图13是地震频带下碳酸盐岩衰减岩石物理图板与地震数据对比图；
图14是本实施例的图5中测线的纵波阻抗二维剖面图；
图15是本实施例的图5中测线的储层孔隙度和含水饱和度的定量解释图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出的一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，包括如下具体步骤：
一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，包括以下步骤：
步骤1:碳酸盐岩储层岩石超声波实验测试及岩石样本衰减计算；
步骤2:碳酸盐岩储层地震衰减提取；
步骤3:碳酸盐岩衰减岩石物理模型构建；
步骤4:分析碳酸盐岩结构非均质性和流体分布不均性对频散和衰减的影响；
步骤5:碳酸盐岩衰减岩石物理图板构建；
步骤6:超声及地震频段下校正衰减岩石物理图板；
步骤7:碳酸盐岩储层孔隙度及流体饱和度定量解释。
具体到本实施例中，超声波实验测试为对碳酸盐储层样本进行部分饱和条件下的超声波波形测量，其中气体为氮气。
具体地，采用谱比法估算得到岩石样本的品质因子Q，使用具有高品质因子的标准铝块作为参考材料，计算按照公式(1)：
其中f是频率，A1(f)和A2(f)分别是岩石样本和参考材料的振幅谱，Q是岩石样本的品质因子，x是波传播距离，V是波速，G1(f)和G2(f)为岩石样本和参考材料的几何因子。
作为优选方式，岩石样本为碳酸盐岩样本，取饱气状态下的测量值作为参考来估算每个样品的衰减值，研究其与饱和度之间的关系，利用公式(1)推导出公式(2)：
其中是相对品质因子，Qgas和Vgas分别是饱气时的品质因子和纵波速度。
具体地，步骤2通过改进频移法提取碳酸盐储层地震波衰减，计算如公式
(3)：
其中，fC0和fC1分别表示衰减前和衰减后信号的质心频率，t表示传播时间。
具体地，步骤3采用Voigt-Reuss-Hill平均方程及微分等效介质理论DEM计算岩石骨架的弹性参数及密度；
采用Batzle和Wang(1992)推导的方程，估算储层条件下地下水和天然气的体积模量和密度，依据储层环境下流体性质，结合流体的分布特征及其与孔隙的联系，利用双重-双重孔隙结构方程估算含流体岩石的波响应特征，构建碳酸盐岩岩石物理模型。
具体地，步骤4主要包括：基于双重-双重孔隙结构方程模拟分析碳酸盐岩中的纵波频散和衰减特征，根据碳酸盐岩样本进行参数设置，模型中岩样的总孔隙度、背景岩石的渗透率为实验室测量值，以样本A为参考，设置岩石的参数；
通过调节理论方程中岩石嵌入体骨架的体积比率和不同流体的饱和度，可以描述岩石内部结构和流体的非均质性对碳酸盐岩中的纵波衰减和频散的影响。
具体地，步骤5基于碳酸盐岩岩石物理模型，以碳酸盐岩样本为参考选取合适的模型参数，引入纵波衰减和波阻抗参数，得到超声(1MHz)和地震频带 (50Hz)下关于储层孔隙度和流体饱和度的碳酸盐岩衰减岩石物理图板。
具体地，步骤6包括：采用公式(2)计算碳酸盐岩样本的相对完全饱气时的衰减，观察岩石衰减与饱和度之间的关系，将衰减岩石物理图板，与对应的实验样本进行对比，从而实现实验样本校正图板。
具体地，步骤7包括以下步骤：
(1)选定工区内过被测井的测线，使用改进频移法计算测线的衰减值；
(2)提取出反演得到的测线的纵波阻抗值，基于碳酸盐岩岩石物理图板，结合储层衰减值和纵波阻抗值，投影到碳酸盐岩岩石物理图板上，在碳酸盐岩岩石物理图板的储层参数范围内，判断距离数据点最近的图板格点，并将其孔隙度、饱和度数值作为该数据点所对应的储层参数，以实现对储层孔隙度和含气饱和度的定量解释。
实施例1：
步骤1:碳酸盐岩储层岩石超声波实验测试及岩石样本衰减计算。
本发明研究工区为四川MX地区龙王庙组碳酸盐岩气藏，对工区9块碳酸盐岩储层岩芯样本进行了系统的超声波P波和S波测量，这些岩石样本采集自中国西部的奥陶纪和寒武系地层的储层中，为直径25.2毫米，长30-42毫米的圆柱体。实验在80MPa的围压，20℃的温度和10MPa的孔隙压力下进行。
本发明使用超声波脉冲试验装置，进行超声波实验测量。对样本进行部分饱和(气水)条件下的超声波波形测量，其中气体为氮气。实验中，将完全饱水的样本放在烘箱中干燥用来改变饱和度，通过称量样品的重量并与完全饱和度时的重量比较来估算岩样的饱和度。然后对样品施加固定围压，并在给定的孔隙压力下将气体注入样品中，在20℃的测试温度下记录波形。
本发明利用谱比法来估算得到岩石样品的品质因子Q，使用具有高品质因子的标准铝块作为参考材料(郭梦秋，2006)，如公式(1)。
同时，对本发明采用的碳酸盐岩样本，使用饱气状态下的测量值作为参考来估算每个样品的衰减值，研究其与饱和度之间的关系，利用公式(1)推导出公式(2)。
如表1给出本发明9块碳酸盐岩样品的实验结果，利用上述的公式计算出样本的衰减。如图2和3是实验样本的结果图，分别给出纵横波速度的交会图及纵波频散和衰减随含水饱和度的变化情况。图2表示样品在干燥时，纵波速度与横波速度之间的关系，我们可以看到纵横波速度基本呈一个线性增大的趋势。图3a给出纵波速度随含水饱和度的变化关系，可以看到速度基本随着饱和度增加一直增大。图3b给出了样本的衰减与饱和度的关系，衰减随着含水饱和度的增加呈现出一种先增大后减小的趋势。这是由于当流体处于部分饱和时，在波激励下，岩石内部的部分饱和流体，发生局部流体流动，造成能量衰减。
表1给出本发明实施例中的9块碳酸盐岩样品的实验结果。
表1
步骤2:碳酸盐岩储层地震衰减提取。
本发明研究工区岩性主要为残余颗粒云岩和残余晶粒云岩，储集空间主要为溶蚀孔洞和残余粒间孔、晶间孔，储层平均孔隙度为4.24％，平均厚度为36m，发育有大面积颗粒滩，连续性较好，储量大、产量高，勘探潜力巨大。依据此工区的测井与地震资料，计算地震频带下储层的衰减值。Quan和Harris(1997) 提出质心频移法来估算品质因子Q，他们假设地震子波的振幅谱满足高斯分布。该方法Q值估算结果具有较高的稳定性，在低信噪比条件下依然能保证质量较高的计算结果。然而由于其假定子波振幅谱是高斯形状，该方法在实际资料应用时存在缺陷，且由于高频成分的衰减更快，当介质吸收衰减较强时，振幅谱的形态会愈发区别于高斯形态，此时，使用质心频率进行计算时，会产生较大的误差。为此Zhang和Ulrych(2002)提出了一种基于峰值频率的频移计算方法，假定震源为Ricker子波。该方法适用面更广、误差更小，在实际资料应用中结果也更为精确。但是，此方法结果的稳定性依赖于对峰值频率的精确提取，而在时窗类型及长度的选取、噪声干扰等因素的影响下，峰值频率会产生较大误差。
针对两类频移方法所存在的缺陷，Tu等(2009)，Hu等(2013)和Li等(2015) 等人分别提出并发展了改进的频移方法，主要思路是在Ricker子波的假设下，推导出基于质心频率的等效的峰值频移公式，即公式(3)。
该式结合了两类频移方法的优点，在保证较高精度的Q值估算结果的同时，兼具较强的稳定性，在实际地震资料中有更强的适用性。图4(a)为工区内某一示例地震道数据，红色点表示目的层内的波形数据，蓝色点为上覆致密的强反射龙潭组地层，选取为参考层。图4(b)为该道对应的时频图。图4(c)中，红色曲线为从时频分析结果中抽取的目的层内某一时间深度下的振幅谱，蓝色曲线为参考层的振幅谱，利用二者的质心频率差异采用公式(3)来计算各时间深度下的Q，得到单道衰减结果。
将上述流程应用到所选取的地震剖面上，即可得到储层衰减剖面。如图5 所示，给出该工区储层一条过MX8、MX17和MX204三口含气井的测线，虚线表示三口含气井位置。图5a和5b分别表示该测线的储层地震振幅剖面和通过改进频移法得到的储层衰减剖面。结果显示，三口含气井存在明显衰减异常，衰减结果与实际储层钻井情况吻合。而且，高衰减区域横向展布面积较大，连续性较好，符合该区碳酸盐岩颗粒滩储层的发育特征。
步骤3:碳酸盐岩衰减岩石物理模型构建；
建立合理的碳酸盐岩岩石物理图板需要针对实际的储层进行岩石物理建模，本发明针对碳酸盐岩给出模型的具体流程。首先分析碳酸盐岩岩石矿物组分，估算基质弹性参数与密度。岩石由不同矿物颗粒组成，它们各自有相应的弹性模量，而各矿物组分组成的岩石骨架的弹性模量与各组分矿物的弹性模量有关。通过实验测试发现，本发明研究的碳酸盐岩为纯净的白云岩，白云石含量较高，仅含有少量泥质，根据岩石物理手册给出白云石体积模量K＝94.9GPa，剪切模量μ＝45GPa，利用Voigt-Reuss-Hill平均方程(Voigt，1910；Reuss，1929； Hill，1952)求取岩石基质的弹性参数和密度。
其次，本文基于岩石基质性质，储层孔隙结构，骨架固结程度等因素采用微分等效介质理论方程(DEM)将孔隙与裂隙加入到岩石基质中，计算岩石骨架的弹性参数和密度(Norris,1985；Zimmerman,1991)。
最后，考虑储层环境下的岩石，分析储层流体在不同温度、压力条件下的体积模量和密度。本发明采用Batzle和Wang(1992)推导的方程，估算储层条件下地下水和天然气的体积模量和密度，依据储层环境下流体性质，结合流体的分布特征及其与孔隙的联系，利用双重-双重孔隙结构方程估算含流体岩石的波响应特征，构建碳酸盐岩衰减岩石物理模型，并与实际工程相联系。
碳酸盐岩具有复杂的孔隙结构，岩石内部多发育孔隙和裂隙，且常含有部分饱和的不相混溶流体，使得碳酸盐岩具有强烈的结构和流体非均匀性。双双重孔隙结构方程通过考虑在背景相介质中嵌入不同孔隙度、渗透率和压缩特性的非均质体，形成一个双重孔隙固体骨架，而在此双重孔隙固体中，每一个孔隙固体组分内部还存在着斑块饱和，即含有不相混溶的流体混合物。由于每一个斑块状饱和的多孔固体均可以采用一个次一级的双重孔隙介质进行描述，则原有的双重孔隙介质的每一个组分，仍嵌套含有一个次一级的双孔结构，即双重-双重孔隙介质结构。
DDP波动控制方程是由Hamilton原理推导得出的，可描述双重孔隙结构中含不相混溶流体的非饱和气包，在受到纵波激励下，岩石内部的流体产生局部运动。将局部流体流动相互作用并入应变能、动能和耗散能，可基于Biot-Rayleigh 方程推导出相应的DDP介质波传播控制方程为(Ba et al，2017),即公式组(4a)～ (4h)。
式中u,U(1),U(2),U(3)和U(4)分别为固体骨架的平均颗粒位移、流体相1(主体骨架中的主相流体)、流体相2(嵌入体骨架中的主体流体)、流体相3(主体骨架中的斑块内部流体)和流体相4(嵌入体骨架中的斑块内部流体)的位移； e,ξ(1),ξ(2),ξ(3),和ξ(4)是对应的5个位移散度场；ζ12,ζ13和ζ24表示局域流过程中导致的流体变化量。
岩石内部由于孔隙结构的非均匀性发育两类不同孔隙，φ10和φ20是主体骨架和嵌入体骨架的局部孔隙度；κ1和κ2是主体骨架和嵌入体骨架的渗透率；R12 为嵌入体骨架的半径。两种孔隙中的每一种内部，都含有两种不相混溶液体，形成四类流体相。φ1,φ2,φ3,和φ4是四个流体相的绝对孔隙度。和分别为主骨架的流体密度和主相流体的粘度。R13和R24是气包的半径，b1,b2,b3和b4是Biot 耗散系数。
步骤4:分析碳酸盐岩结构非均质性和流体分布不均性对频散和衰减的影响。
(1)超声频带下碳酸盐岩结构和流体非均质性对频散和衰减的影响
本发明针对碳酸盐岩岩石多发育孔隙和裂隙，且孔隙内常含有不相混溶流体不均匀分布的特性，采用同时考虑岩石内部非均质性和流体非饱和性的DDP理论方程。依据地质资料、测井解释和实验测量观测，本发明研究的碳酸盐岩基质矿物主要为白云石、方解石及少量泥质，孔隙空间主要为粒间孔隙和裂隙，假设孔隙是随机分布的，孔隙流体主要为气和水。
本发明基于DDP理论方程公式组(4a)～(4h)模拟分析碳酸盐岩中的纵波频散和衰减特征，根据碳酸盐岩样本进行参数设置，模型中岩样的总孔隙度、背景岩石的渗透率为实验室测量值。以样本A为参考，设置岩石的参数为：孔隙度 16.87％，渗透率3.31mD，密度2.32g/cm2，嵌入体半径50μm；流体参数水：体积模量2.24GPa，密度1.0016g/cm2，黏度0.00098Pa·s；气：体积模量0.017GPa，密度0.089g/cm2，黏度0.000016Pa·s，气泡半径80μm。通过调节方程中岩石嵌入体骨架的体积比率和不同流体的饱和度，可以描述岩石内部结构和流体的非均质性对碳酸盐岩中的纵波衰减和频散的影响。
将模型分别设置为饱气、饱水和部分饱和(含水饱和度为87％)的情况，探讨岩石内部流体非饱和性造成的影响，用模型中不同的嵌入体骨架的体积比率来模拟岩石内部的孔隙结构非均质性对弹性波的作用，分别设置为0.0002，
0.002，0.02，0.1，此时模型中其他参数均一致。如图6、图7和图8所示，分别给出了碳酸盐岩不同的嵌入体骨架体积比率在饱气、饱水和87％含水饱和度时纵波频散(a)和衰减(b)曲线。从图中可以看到，在三种流体饱和情况下，随着碳酸盐岩嵌入体骨架的体积比率的增大，岩石中的纵波频散逐渐增加，对应的衰减峰值同样逐渐增大。
对比三种不同饱和流体情况，我们可以看到，87％含水饱和度时纵波频散和衰减明显高于饱气和饱水时的值，此时波的传播不止受到岩石内部孔隙结构的不均匀性影响，还有非饱和不相混溶流体的非均匀分布产生的作用。这是由于在波激励下，岩石内部的部分饱和流体，发生局部流体流动，造成速度频散和能量衰减。我们可以看到，嵌入体的体积比率较小时，结构和流体非均匀性造成的速度频散和衰减峰重叠在一起，当逐渐增加体积比率时，两种非均质性造成的频散和衰减峰有分开的趋势。而当含水饱和度增加时，频散和衰减明显有先增大后减小的规律。
(2)在超声频带下碳酸盐岩流体饱和度对纵波频散和衰减的影响
作为目前世界上最大的天然气储层，碳酸盐岩岩石内部的气水识别是天然气勘探的主要目标之一。本发明以DDP理论方程来模拟碳酸盐岩纵波频散和衰减对流体的敏感性，将模型中流体饱和度设置为0～100％之间，观察超声频带 (104～107Hz)下，纵波频散和衰减的变化规律，如图9所示。
图9给出了在104～107Hz频率之间，不同的含水饱和度时纵波频散(a)和衰减(b)曲线，我们可以看到随着含水饱和度的增大，纵波频散和衰减呈先增大后减小的趋势，此时速度先减小后增大，衰减在高含水饱和度时达到峰值，接近饱水时下降，与本发明之前所得规律一致。在高频率波的激励下，岩石在部分饱和时，局部流体的流动导致速度频散和能量衰减，当饱和度接近100％时，此时局部的流体流动减弱，频散和衰减减小。
(3)在地震频带下碳酸盐岩流体饱和度对纵波频散和衰减的影响
基于同一组目的层参数从微观尺度推进到中观尺度下，在地震频带下考虑流体饱和度对频散和衰减的影响，此时不考虑裂缝。如图10给出了地震频带 (10～100Hz)下，不同含水饱和度时的纵波频散(a)和衰减(b)曲线。当此双孔骨架系统在地震尺度下时，骨架系统面对的为整个储层，此时嵌入体尺寸和流体斑块尺寸的量级增大。将嵌入体半径设置为80mm，气泡半径为50mm。
从图中可以看到，频散和衰减也有先增大后减小的趋势，但与超声频带下不同，当含水饱和度接近饱水时，频散和衰减仅有略微的降低，仍具有较大的值。这是因为孔隙结构的非均质性，当压缩波挤压岩体框架时，孔隙流体会从软孔隙(裂缝)流向硬孔隙，导致波的弛豫和能量衰减。而由于天然气的黏度远远小于水，流动性则远高于水，则裂隙尺度下天然气的流体流动的时间延迟比水短。因此，高频时喷射作用引起的衰减和频散是由天然气造成的，而低频时对应的是地下水。因此，当含水饱和度接近100％时，超声频率下的频散和衰减迅速减小。而在地震频率下，饱水时仍存在较大的频散和衰减。
步骤5:碳酸盐岩衰减岩石物理图板构建；
按照上述流程，引入纵波衰减和波阻抗参数，得到超声(1MHz)和地震 (50Hz)频带下关于储层孔隙度和饱和度的碳酸盐岩衰减岩石物理图板。此时图板参数为基质体积模量88GPa，剪切模量56GPa，得到骨架体积模量 25～63GPa，剪切模量16～43GPa，流体参数与上述相同。超声频带下嵌入体半径和气泡半径分别为80μm和50μm，而地震频带下分别为80mm和50mm。
如图11所示，图中纵坐标是纵波衰减，横坐标是纵波阻抗，本发明不考虑横波的衰减，理论上认为横波不受流体的影响。图中纬线是指在某一饱和度时，孔隙度变化下的衰减和纵波阻抗，经线是指在同一孔隙度，随着含水饱和度的变化，衰减和波阻抗的变化情况。从图中可以看到，超声和地震频带下纵波衰减随着孔隙度的减小呈单调下降趋势，此时波阻抗逐渐增大。在孔隙度不变时，两个频带下，衰减随着含水饱和度的增加先增大后减小，衰减峰在含水饱和度较高处；但与超声频带下饱水时衰减很低不同，地震频带下衰减仍有一个较大的值。
步骤6:超声及地震频段下校正衰减岩石物理图板；
本发明针对碳酸盐岩储层建立了基于纵波衰减和波阻抗的岩石物理图板，然而由于各碳酸盐岩工区地质特征、储层状况等差异很大，建立的岩石物理图板不可能适用于所有工区。因此，在利用图板对储层进行定量解释之前，需要利用实验数据以及地震资料对所得的图板进行校正，从而获得最终的储层岩石物理图板，在图板的储层参数(本发明中主要指储层的孔隙度和饱和度)范围内，对储层孔隙度和含气饱和度进行定量解释。
(1)实验频带下样本数据校正图板：
本发明利用公式(2)计算9块碳酸盐岩样品的相对完全饱气时的衰减，观察岩石衰减与饱和度之间的关系。相应地利用相对衰减(1/Qr)取代纵波衰减 (1/Q)，得到相对衰减岩石物理图板，与对应的实验样本进行对比，如图12所示。图12给出了超声频带下碳酸盐岩衰减岩石物理图板与实验数据对比图，图中纵坐标为为相对衰减值(1/Qr)，样本序号在图中依次为A～I(如表1)。
对比图板与实验观测结果，发现样本的孔隙度与衰减图板吻合良好，衰减随着孔隙度的减小呈单调下降趋势。在孔隙度不变时，样本的纵波阻抗随含水饱和度的增加而增大，与图板规律一致，此时岩石样本的衰减值随含水饱和度的增加同样是先增大后减小，具有相同的趋势。
(2)地震频带下地震数据校正图板
将超声频带推广到地震频带下，依据此工区的测井与地震资料，对本发明衰减岩石物理图板进行地震频带下的校正。利用工区测井附近地震道波形，基于改进频移法计算衰减值，纵波阻抗则由地震数据中反演得到，提取对应测井附近的地震道波阻抗，将测井中的储层参数(孔隙度和饱和度)作为对应地震数据的储层参数。由于地震数据分辨率较低，地震数据不能与测井数据中储层参数完全对应，因此将众多的测井数据根据地震数据相应的平均值，从而与地震数据对应起来，得到对应地震数据的储层参数。如图13所示，给出地震数据的衰减与含水饱和度之间的关系，我们可以看到，衰减基本随着饱和度的增大大致有着逐渐增大的趋势。将数据点投影到岩石物理图板上，饱和度的高低由颜色的深浅代替，颜色越深，含水饱和度越高。对比地震数据与岩石物理图板，我们可以看到，地震数据整体上与图板的规律基本吻合，数据的衰减随着含水饱和度的增加大体上呈逐渐增加的趋势，此趋势与图板基本一致。并且此时储层地震数据的平均孔隙度从左到右逐渐减小，与图板吻合。因此，基于该图板对储层含气性进行检测是可行的。
步骤7:碳酸盐岩储层孔隙度及流体饱和度定量解释。
以下为本发明的一个应用实例，说明基于一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩流体饱和度的方法的实现过程。
本发明对该工区一条过MX8、MX17和MX204三口井的测线进行了储层孔隙度、含气饱和度的定量解释。首先使用改进频移法计算测线的衰减值(如图 4b)，其次将反演得到的该两条测线的纵波阻抗值提取出来，得到对应测线的波阻抗二维剖面(如图14)。基于本发明给出的碳酸盐岩岩石物理图板，将上述得到的储层衰减和波阻抗值，投影到图板上，在图板的储层参数范围内，判断距离数据点最近的图板格点，并将其孔隙度、饱和度数值作为该数据点所对应的储层参数。
在目的层内，反演中主要考虑的是主力碳酸盐岩储层,对数据点与图板的边界差距较大的情况做非储层处理，图板之外的包括孔隙度过低的致密储层和饱和度过高的含水层并非勘探目标，可直接做非储层处理。因此，基于地震数据在图板的位置，得到相应的储层参数进行反演，可对储层孔隙度和含气饱和度进行定量解释，结果如图15所示。
图中我们可以直观地观察到储层孔隙度及含气饱和度的情况，该储层孔隙度范围大致为2％～12％，井MX8和MX204处显示较强的含气性，MX17含气性稍差，其中MX17显示有水层。图15b储层饱和度的反演剖面整体显示为上气下水，这与普遍认知的地质构造相一致，且对比孔隙度剖面，我们可以发现含气性与孔隙度基本吻合，在含气性较高的地区，孔隙度亦相对较高，此时储层条件良好。
对比测井解释和实际产气结果，测井的主要有效储层孔隙度为4％～9％，且井MX8、MX204为高产气井，井MX17为气水混合储层，产气量相对较低，如图所示，MX8、MX204和MX17的产气量分别为190.68万方/天、53.2万方/ 天和115.62万方/天。测井孔隙度与反演得到的孔隙度二维剖面结果吻合良好，实际产气结果中井MX8、MX204、MX17与饱和度解释剖面基本一致。
针对碳酸盐岩储层，本发明基于双重-双重孔隙结构模型，利用多尺度数据建立了碳酸盐岩衰减岩石物理图板，并进行了储层孔隙度、含气饱和度的定量解释。在以该两条测线为例的反演结果中，孔隙度和饱和度反演结果与各井的实际产气结果基本吻合。因此，本发明基于多尺度数据建立的衰减岩石物理图板能够较好地应用于碳酸盐岩储层预测及流体定量解释中。本方法可以仅基于叠后地震数据进行储层预测和检测流体，克服多解性、资料品质、处理信息等影响，推进了储层流体定量地震检测技术的发展，具有较好的经济效益。
采用超声波脉冲试验装置，进行超声波测量。对样本进行部分饱和(气水) 条件下的超声波波形测量，其中气体为氮气。
针对质心频移法(Quan et al.，1997)和峰值频移法(Zhang et al.，2002) 两种频移法的缺陷，本发明采用Tu(2009)、Hu(2013)和Li(2015)等人分别提出并发展的改进频移法提取储层地震波衰减，公式(3)：
本发明从超声频带推广到地震频带下，依据此工区的测井与地震资料，对本发明衰减岩石物理图板进行地震频带下的校正。利用工区测井附近地震道波形，基于改进频移法计算衰减值，纵波阻抗则由地震数据中反演得到，提取对应测井附近的地震道波阻抗，将地震数据点投影到岩石物理图板上，从而实现地震数据校正图板。
利用地震波衰减对储层流体的高敏感性构建碳酸盐岩衰减岩石物理图板检测储层流体。
基于双重-双重孔隙结构理论方程，选取叠后地震波衰减和波阻抗，构建了一种针对碳酸盐岩储层的衰减岩石物理图板，利用实验数据和叠后地震数据对图板进行多尺度校正，基于校正后的图板，对储层孔隙度和流体饱和度进行定量解释。随后，将该图板应用于四川MX地区龙王庙组碳酸盐岩天然气藏工区中，基于该工区储层叠后地震数据预测了一条测线，与实际资料进行对比分析，结果与工区的测井解释和实际产气基本吻合，有效地预测了优质储层分布的有利区域。因此，本发明提出的衰减岩石物理图板识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，可以仅基于叠后地震数据完成碳酸盐岩储层流体饱和度的定量预测。
本发明基于储层流体部分饱和引起的纵波衰减建立了碳酸盐岩岩石物理图板，选取纵波衰减和阻抗这两种参数来构建岩石物理图板，利用超声实验数据、测井和地震数据对图板进行校正，将储层孔隙度和饱和度与地震响应联系起来，基于校正后的图板对地震数据进行反演，将其应用到实际的工区储层中，实现对储层孔隙度和含气饱和度的定量解释。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于叠后地震数据识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1:碳酸盐岩储层岩石超声波实验测试及岩石样本衰减计算；
步骤2:碳酸盐岩储层地震衰减提取；
步骤3:碳酸盐岩衰减岩石物理模型构建；
步骤4:分析碳酸盐岩结构非均质性和流体分布不均性对频散和衰减的影响；
步骤5:碳酸盐岩衰减岩石物理图板构建；
步骤6:超声及地震频段下校正衰减岩石物理图板；
步骤7:碳酸盐岩储层孔隙度及流体饱和度定量解释。
2.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述超声波实验测试为对碳酸盐储层样本进行部分饱和条件下的超声波波形测量，其中气体为氮气。
3.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，采用谱比法估算得到岩石样本的品质因子Q，使用具有高品质因子的标准铝块作为参考材料，计算按照公式(1)：
其中f是频率，A1(f)和A2(f)分别是岩石样本和参考材料的振幅谱，Q是岩石样本的品质因子，x是波传播距离，V是波速，G1(f)和G2(f)为岩石样本和参考材料的几何因子。
4.根据权利要求3所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述岩石样本为碳酸盐岩样本，取饱气状态下的测量值作为参考来估算每个样品的衰减值，研究其与饱和度之间的关系，利用公式(1)推导出公式(2)：
其中是相对品质因子，Qg和Vg分别是饱气时的品质因子和纵波速度。
5.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述步骤2通过改进频移法提取碳酸盐储层地震波衰减，计算如公式(3)：
其中，fC0和fC1分别表示衰减前和衰减后信号的质心频率，t表示传播时间。
6.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述步骤3采用Voigt-Reuss-Hill平均方程(Voigt，1910；Reuss，1929；Hill，1952)及微分等效介质理论DEM(Norris,1985；Zimmerman,1991)计算岩石骨架的弹性参数及密度；
采用Batzle和Wang(1992)推导的方程，估算储层条件下地下水和天然气的体积模量和密度，依据储层环境下流体性质，结合流体的分布特征及其与孔隙的联系，利用双重-双重孔隙结构方程(Ba et al.,2017)估算含流体岩石的波响应特征，构建碳酸盐岩岩石物理模型。
7.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述步骤4主要包括：
基于双重-双重孔隙结构方程模拟分析碳酸盐岩中的纵波频散和衰减特征，根据碳酸盐岩样本进行参数设置，模型中岩样的总孔隙度、背景岩石的渗透率为实验室测量值，以样本A为参考，设置岩石的参数；
通过调节理论方程中岩石嵌入体骨架的体积比率和不同流体的饱和度，描述岩石内部结构和流体的非均质性对碳酸盐岩中的纵波衰减和频散的影响。
8.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述步骤5基于所述碳酸盐岩岩石物理模型，以碳酸盐岩样本为参考选取合适的模型参数，引入纵波衰减和波阻抗参数，得到超声(1MHz)和地震频带(50Hz)下关于储层孔隙度和流体饱和度的碳酸盐岩衰减岩石物理图板。
9.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述步骤6包括：
采用公式(2)计算所述碳酸盐岩样本的相对完全饱气时的衰减，观察岩石衰减与饱和度之间的关系，将所述衰减岩石物理图板，与对应的实验样本进行对比，从而实现实验样本校正图板。
10.根据权利要求1所述的识别碳酸盐岩储层流体饱和度的方法，其特征在于，所述步骤7包括以下步骤：
(1)选定工区内过被测井的测线，使用改进频移法计算测线的衰减值；
(2)提取出反演得到的测线的纵波阻抗值，基于所述碳酸盐岩岩石物理图板，结合储层衰减值和纵波阻抗值，投影到所述碳酸盐岩岩石物理图板上，在所述碳酸盐岩岩石物理图板的储层参数范围内，判断距离数据点最近的图板格点，并将其孔隙度、饱和度数值作为该数据点所对应的储层参数，以实现对储层孔隙度和含气饱和度的定量解释。
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