CN113341465A - 方位各向异性介质的地应力预测方法、装置、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方位各向异性介质的地应力预测方法、装置、介质及设备,包括如下步骤:a基于方位各向异性介质和水平应变为零的假设,分析地应力与裂缝参数的定量关系;b基于方位各向异性介质的假设和AVO理论,分析纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系;c基于褶积模型、贝叶斯确定性反演框架以及步骤b中的纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系,反演裂缝弱度参数和背景基质弹性参数;d基于步骤c反演的背景基质模型参数以及步骤a中地应力与裂缝参数关系,计算地下地应力分布。本发明的纵波反射系数公式的自变量参数只有5个,大大减少了自变量参数的个数,降低了反演的自由度,可以应用到AVO反演领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种方位各向异性介质的地应力预测方法、装置、介质及设备,属于勘探地球物理地震反演领域。
背景技术
在储层开发过程中,裂缝参数是地应力预测的关键。同时,地应力场的状态和岩石力学的性质又决定了压裂的裂缝延伸方向、形态和方位,影响着压裂的增产效果。随着地应力测量方法从地下岩石应力状态估计、测井资料估计、发展到地震勘探预测,地应力预测的信息量逐渐增多、范围逐渐变大、纵向和横向连续性逐渐增强。早期的地应力地震预测方法只是给出了反射系数公式与地应力之间的关系,并没有给出裂缝参数与地应力之间的直接关系。现有的地应力地震预测方法中,部分基于各向异性介质反射系数公式的精确解,采用全局优化方法反演裂缝参数,从而计算地应力;部分基于Rüger公式反演各向异性参数,从而采用水平应力差异比来表征裂缝的强弱。上述方法都没有给出裂缝参数与各向异性介质纵波反射系数的定量关系,过多的反演参数也大大增加了反演的自由度和降低了反演的准确性。
发明内容
针对上述突出问题,本发明提供一种方位各向异性介质的地应力预测方法、装置、介质及设备,该方法直接将地应力与裂缝参数和背景基质弹性参数联系起来,便于研究背景基质弹性参数和裂缝参数对地应力的影响,方便研究水力压裂中裂缝的扩展。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
一种方位各向异性介质的地应力预测方法,包括如下步骤:
a基于方位各向异性介质和水平应变为零的假设,分析地应力与裂缝参数的定量关系;
b基于方位各向异性介质的假设和AVO理论,分析纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系;
c基于褶积模型、贝叶斯确定性反演框架以及所述步骤b中的纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反演裂缝弱度参数和背景基质弹性参数;
d基于所述步骤c反演的背景基质模型参数以及所述步骤a中地应力与裂缝参数关系,计算地下地应力分布。
所述的地应力预测方法,优选地,所述步骤a包括如下具体步骤:
a1)计算岩石等效柔度:根据线性滑动理论模型,岩石等效柔度等于背景基质柔度与裂缝柔度的线性叠加:
Se=Sb+Sf (1)
其中,Se为岩石等效柔度;Sb为背景基质柔度;Sf为裂缝柔度;各向同性背景基质柔度Sb的矩阵表达式如下:
其中,E为杨氏模量;v为泊松比;μ为剪切模量;
假设裂缝具有旋转不变性,裂缝柔度Sf的矩阵表达式如下:
其中,ZN为垂向裂缝柔度;ZT为切向裂缝柔度;
根据公式(1),方位各向异性介质的岩石等效柔度Se的矩阵表达式如下:
a2)计算地应力与裂缝参数的定量关系:根据胡克定律,应变与应力满足如下线性关系:
其中,σ1和σ2分别为最小、最大水平应力;σ3为垂向应力;e1和e2分别为最小、最大水平应变;e3是垂向应变;σ4、σ5、σ6为切向应力,e4、e5、e6为切向应变;
假设e1和e2为零,则σ1和σ2的表达式分别为:
其中,垂向应力σ3的表达式为:
其中,g0为重力加速度;ρ为方位各向异性介质的密度;d为采样深度间隔;h为方位各向异性介质的深度。
所述的地应力预测方法,优选地,所述步骤b包括如下具体步骤:
b1)方位各向异性介质的纵波反射系数按照如下公式计算:
其中,i为入射角;φ为方位角;ΔZ为垂向纵波阻抗(Z=ρα);μ为垂向剪切模量(μ=ρβ2);α和β分别为垂向纵横波速度;Δα和分别表示上下界面的垂向纵波速度差和平均值;ΔZ和分别表示上下界面的垂向纵波阻抗差和平均值;Δμ和分别表示上下界面的垂向剪切模量差和平均值;ε(V)和δ(V)为方位各向异性介质中Thomsen参数;γ为方位各向异性介质横波各向异性参数;Δε(V)、Δδ(V)、Δγ分别表示上下界面各向异性参数的差;
b2)分析方位各向异性介质的各向异性参数与裂缝弱度参数的定量关系,根据定义,ε(V)、δ(V)和γ的表达式为:
其中,g是各向同性背景基质横纵波速度比的平方;C11、C33、C13、C44、C66分别为方位各向异性介质的5个独立弹性参数;δN和δT分别是垂向和切向裂缝弱度;与裂缝柔度的关系为:
其中,λb和μb为背景基质的拉梅系数;
将公式(10)和(11)按照δN和δT线性化可得:
ε(V)≈-2g(1-g)δN (15)
δ(V)≈-2g[(1-2g)δN+δT] (16)
b3)分析方位各向异性介质的纵波反射系数与裂缝弱度的定量关系,将公式(12)、(15)和(16)代入公式(9)可得:
其中,Q=sin2(i)cos2(φ);H=1+sin(φ)2tan(i)2。
所述的地应力预测方法,优选地,所述步骤c包括如下具体步骤:
c1)构建目标函数,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反推得到地下岩石背景基质弹性参数和裂缝参数,并且保证利用得到的弹性参数正演的合成叠前地震方位角道集记录与真实方位角道集记录非常接近;因此,构建如下目标函数:
||Sd-S||→min (18)
其中,Sd为真实方位角道集记录;S为合成叠前地震方位角道集记录;
2)利用所述步骤b分析的纵波反射系数公式正演合成叠前地震方位角道集记录,Sd=w*RP,其中w=(w1,w2,...,wK)T为地震子波;K为地震子波长度;RP=(r1,r2,...,rL-1)T为纵波反射系数序列;L为采样点长度;T为转置;*表示褶积运算;
通过构建子波矩阵W:
可以将褶积运算转化为矩阵运算,则有:
Sd=WRP (20)
针对1个采样点,假设有M个入射角,N个方位角,则公式(17)写成矩阵形式如下:
其中,
c3)基于贝叶斯框架,反演背景基质弹性参数和裂缝弱度参数,叠前反演解在概率统计学中满足如下概率分布:
其中,S为地震数据;m为待求解模型参数;P(m|S)为后验概率分布;P(S|m)为观测数据的似然函数;P(m)为模型的先验分布;P(S)为观测数据的边缘概率密度;由于P(S)为一常数,在考虑后验概率分布形状不变的情况下,将后验概率分布函数表示为观测数据的条件概率分布函数和先验概率分布函数的乘积:
P(m|S)∝P(S|m)P(m) (24)
在概率统计学上,似然函数P(S|m)描述的是观测数据S与模型参数m之间的相对概率,反映了模型响应与真实数据之间的差值的概率分布,此差值即噪声,写作:
n=S-Gm (25)
其中,n为噪声;G为正演算子;
假设噪声服从均值为0,方差为Cn的高斯分布,则有:
在实际应用中,往往假设噪声是相互独立不相关的,因此上述高斯分布也是相互独立的均匀分布,则有:
假设模型参数的先验信息也服从高斯分布,则有:
其中,Cm为模型参数的协方差矩阵;P1(m)为模型参数的先验分布;
假设模型与低频模型的差也服从高斯分布,则有:
其中,P2(m|m0)为模型与低频模型差的先验分布;Cm0为模型与低频模型差的协方差矩阵;λ为阻尼因子;m0为初始模型参数,随着反演迭代而更新;
综上,模型的先验分布P(m)表示为:
P(m)=P1(m)P2(m|m0) (30)
根据公式(24),在最大后验概率的约束准则下,构建反演目标函数:
其中,J(m)为目标函数;
对目标函数取极小值,令J(m)对m的一阶偏导为零,则:
所述的地应力预测方法,优选地,所述步骤d包括如下具体步骤:
d1)利用所述步骤c反演的背景基质模型参数计算拉梅系数λb和μb,计算公式为:
λb=ρα2-2ρβ2 (33)
μb=ρβ2 (34)
d2)利用所述步骤c反演的裂缝弱度、拉梅系数λb和μb,根据公式(13)反求裂缝柔度ZN;
d3)利用拉梅系数λb和μb计算杨氏模量和泊松比,计算公式为:
d4)利用所述步骤c反演的方位各向异性介质的密度,根据公式(8)计算垂向应力;
d5)利用垂向应力、杨氏模量、泊松比和裂缝柔度ZN根据公式(6)和(7)计算最大、最小水平地应力。
基于上述地应力预测方法,本发明还提供一种该预测方法的分析装置,包括:
第一处理单元,用于基于方位各向异性介质和水平应变为零的假设,分析地应力与裂缝参数的定量关系;
第二处理单元,用于基于方位各向异性介质的假设和AVO理论,分析纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系;
第三处理单元,用于基于褶积模型、贝叶斯确定性反演框架以及所述步骤b中的纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反演裂缝弱度参数和背景基质弹性参数;
第四处理单元,用于基于所述步骤c反演的背景基质模型参数以及所述步骤a中地应力与裂缝参数关系,计算地下地应力分布。
基于上述地应力预测方法,本发明还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述地应力预测方法的步骤。
基于上述地应力预测方法,本发明还提供一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述地应力预测方法的步骤。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:
1、本发明在方位各向异性介质条件下,提供了纵波反射系数与背景基质纵横波速度、密度和裂缝弱度的定量关系,便于研究背景基质弹性参数和裂缝弱度对纵波反射系数的影响。
2、本发明的纵波反射系数公式的自变量参数只有5个,大大减少了自变量参数的个数,降低了反演的自由度,可以应用到AVO反演领域。
3、本发明的测井资料约束、低频模型约束的贝叶斯反演方法提高了反演精度,降低了阻尼因子的选择困难,可以应用到最优化领域。
4、本发明直接将地应力与裂缝参数和背景基质弹性参数联系起来,便于研究背景基质弹性参数和裂缝参数对地应力的影响,方便研究水力压裂中裂缝的扩展。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的裂缝参数反演和地应力求取的流程图;
图2为本发明该实施例提供的一维井资料的纵横波速度、密度、裂缝弱度参数;
图3为本发明该实施例提供的一维井资料入射角为30°情况下的方位地震记录;
图4为本发明该实施例提供的一维井资料纵横波速度、密度和裂缝弱度反射系数反演值与实际值的比较;
图5为本发明该实施例提供的一维地应力预测图;
图6为本发明第二实施例提供的二维模型在入射角为10°、方位角为0°时的地震记录剖面;
图7为本发明该实施例提供的二维模型纵波反射系数真实值(图7a)、初始值(图7b)和反演值(图7c)的对比图;
图8为本发明该实施例提供的二维模型横波反射系数真实值(图8a)、初始值(图8b)和反演值(图8c)的对比图;
图9为本发明该实施例提供的二维模型密度反射系数真实值(图9a)、初始值(图9b)和反演值(图9c)的对比图;
图10为本发明该实施例提供的二维模型ΔN反射系数真实值(图10a)、初始值(图10b)和反演值(图10c)的对比图;
图11为本发明该实施例提供的二维模型ΔT反射系数真实值(图11a)、初始值(图11b)和反演值(图11c)的对比图;
图12为本发明该实施例提供的二维模型地下地应力分布预测图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
该实施例模拟的是一维井曲线,纵横波速度、密度和裂缝弱度如图2所示,图3是根据公式(20)计算的入射角为30°情况下的实际方位地震记录,图4是根据步骤c的反演算法求出的纵横波速度、密度和裂缝弱度反射系数,黑线是实际的反射系数,虚线是初始模型,点线是反演的反射系数,可以看到反演值和实际值吻合良好,图5是根据步骤d计算的地应力。
实施例二
该实施例模拟的是一个二维方位各向异性介质模型,在入射角为10°,方位角为0°时,通过公式(20)计算的实际地震记录如图6所示,由于模拟的是高陡峭复杂构造,在某些地方为出现反射系数为空值的情况,此时用零进行填充,所以在地震记录上会看到竖条状线条。根据步骤c提供的反演算法,可以反演出纵横波速度、密度、裂缝弱度的反射系数,如图7-11所示,从五幅图中可以看到反演值与真实值吻合,说明本发明的反演方法能够获得与实际相近的纵横波速度、密度和裂缝弱度的反射系数。再根据步骤d即可计算地下地应力分布,如图12所示,其中,图12a为垂向应力,图12b和12c为水平应力。
基于上述地应力预测方法,本发明还提供一种该方法的分析装置,包括:
第一处理单元,用于基于方位各向异性介质和水平应变为零的假设,分析地应力与裂缝参数的定量关系;
第二处理单元,用于基于方位各向异性介质的假设和AVO理论,分析纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系;
第三处理单元,用于基于褶积模型、贝叶斯确定性反演框架以及第二处理单元中的纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反演裂缝弱度参数和背景基质弹性参数;
第四处理单元,用于基于第三处理单元反演的背景基质模型参数和裂缝参数以及第一处理单元中的地应力与裂缝参数关系,计算地下地应力分布。
基于上述地应力预测方法,本发明还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现上述地应力预测方法的步骤。
基于上述地应力预测方法,本发明还提供一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述地应力预测方法的步骤。
本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种方位各向异性介质的地应力预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
a基于方位各向异性介质和水平应变为零的假设,分析地应力与裂缝参数的定量关系;
b基于方位各向异性介质的假设和AVO理论,分析纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系;
c基于褶积模型、贝叶斯确定性反演框架以及所述步骤b中的纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反演裂缝弱度参数和背景基质弹性参数;
d基于所述步骤c反演的背景基质模型参数以及所述步骤a中地应力与裂缝参数关系,计算地下地应力分布。
2.根据权利要求1所述的地应力预测方法,其特征在于,所述步骤a包括如下具体步骤:
a1)计算岩石等效柔度:根据线性滑动理论模型,岩石等效柔度等于背景基质柔度与裂缝柔度的线性叠加:
Se=Sb+Sf (1)
其中,Se为岩石等效柔度;Sb为背景基质柔度;Sf为裂缝柔度;各向同性背景基质柔度Sb的矩阵表达式如下:
其中,E为杨氏模量;v为泊松比;μ为剪切模量;
假设裂缝具有旋转不变性,裂缝柔度Sf的矩阵表达式如下:
其中,ZN为垂向裂缝柔度;ZT为切向裂缝柔度;
根据公式(1),方位各向异性介质的岩石等效柔度Se的矩阵表达式如下:
a2)计算地应力与裂缝参数的定量关系:根据胡克定律,应变与应力满足如下线性关系:
其中,σ1和σ2分别为最小、最大水平应力;σ3为垂向应力;e1和e2分别为最小、最大水平应变;e3是垂向应变;σ4、σ5、σ6为切向应力,e4、e5、e6为切向应变;
假设e1和e2为零,则σ1和σ2的表达式分别为:
其中,垂向应力σ3的表达式为:
其中,g0为重力加速度;ρ为方位各向异性介质的密度;d为采样深度间隔;h为方位各向异性介质的深度。
3.根据权利要求2所述的地应力预测方法,其特征在于,所述步骤b包括如下具体步骤:
b1)方位各向异性介质的纵波反射系数按照如下公式计算:
其中,i为入射角;φ为方位角;ΔZ为垂向纵波阻抗,Z=ρα;μ为垂向剪切模量,μ=ρβ2;α和β分别为垂向纵横波速度;Δα和分别表示上下界面的垂向纵波速度差和平均值;ΔZ和分别表示上下界面的垂向纵波阻抗差和平均值;Δμ和分别表示上下界面的垂向剪切模量差和平均值;ε(V)和δ(V)为方位各向异性介质中Thomsen参数;γ为方位各向异性介质横波各向异性参数;Δε(V)、Δδ(V)、Δγ分别表示上下界面各向异性参数的差;
b2)分析方位各向异性介质的各向异性参数与裂缝弱度参数的定量关系,根据定义,ε(V)、δ(V)和γ的表达式为:
其中,g是各向同性背景基质横纵波速度比的平方;C11、C33、C13、C44、C66分别为方位各向异性介质的5个独立弹性参数;δN和δT分别是垂向和切向裂缝弱度;与裂缝柔度的关系为:
其中,λb和μb为背景基质的拉梅系数;
将公式(10)和(11)按照δN和δT线性化可得:
ε(V)≈-2g(1-g)δN (15)
δ(V)≈-2g[(1-2g)δN+δT] (16)
b3)分析方位各向异性介质的纵波反射系数与裂缝弱度的定量关系,将公式(12)、(15)和(16)代入公式(9)可得:
其中,Q=sin2(i)cos2(φ);H=1+sin(φ)2tan(i)2。
4.根据权利要求3所述的地应力预测方法,其特征在于,所述步骤c包括如下具体步骤:
c1)构建目标函数,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反推得到地下岩石背景基质弹性参数和裂缝参数,并且保证利用得到的弹性参数正演的合成叠前地震方位角道集记录与真实方位角道集记录非常接近;因此,构建如下目标函数:
||Sd-S||→min (18)
其中,Sd为真实方位角道集记录;S为合成叠前地震方位角道集记录;
2)利用所述步骤b推导的纵波反射系数公式正演合成叠前地震方位角道集记录,Sd=w*RP,其中,w=(w1,w2,...,wK)T为地震子波;K为地震子波长度;RP=(r1,r2,...,rL-1)T为纵波反射系数序列;L为采样点长度;T为转置;*表示褶积运算;
通过构建子波矩阵W:
可以将褶积运算转化为矩阵运算,则有:
Sd=WRP (20)
针对1个采样点,假设有M个入射角,N个方位角,则公式(17)写成矩阵形式如下:
其中,
c3)基于贝叶斯框架,反演背景基质弹性参数和裂缝弱度参数,叠前反演解在概率统计学中满足如下概率分布:
其中,S为地震数据;m为待求解模型参数;P(m|S)为后验概率分布;P(S|m)为观测数据的似然函数;P(m)为模型的先验分布;P(S)为观测数据的边缘概率密度;由于P(S)为一常数,在考虑后验概率分布形状不变的情况下,将后验概率分布函数表示为观测数据的条件概率分布函数和先验概率分布函数的乘积:
P(m|S)∝P(S|m)P(m)(24)
在概率统计学上,似然函数P(S|m)描述的是观测数据S与模型参数m之间的相对概率,反映了模型响应与真实数据之间的差值的概率分布,此差值即噪声,写作:
n=S-Gm (25)
其中,n为噪声;G为正演算子;
假设噪声服从均值为0,方差为Cn的高斯分布,则有:
在实际应用中,往往假设噪声是相互独立不相关的,因此上述高斯分布也是相互独立的均匀分布,则有:
假设模型参数的先验信息也服从高斯分布,则有:
其中,Cm为模型参数的协方差矩阵;P1(m)为模型参数的先验分布;
假设模型与低频模型的差也服从高斯分布,则有:
其中,P2(m|m0)为模型与低频模型差的先验分布;Cm0为模型与低频模型差的协方差矩阵;λ为阻尼因子;m0为初始模型参数,随着反演迭代而更新;
综上,模型的先验分布P(m)表示为:
P(m)=P1(m)P2(m|m0) (30)
根据公式(24),在最大后验概率的约束准则下,构建反演目标函数:
其中,J(m)为目标函数;
对目标函数取极小值,令J(m)对m的一阶偏导为零,则:
6.一种如权利要求1-5任意一项所述地应力预测方法的分析装置,包括:
第一处理单元,用于基于方位各向异性介质和水平应变为零的假设,分析地应力与裂缝参数的定量关系;
第二处理单元,用于基于方位各向异性介质的假设和AVO理论,分析纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系;
第三处理单元,用于基于褶积模型、贝叶斯确定性反演框架以及所述步骤b中的纵波反射系数与裂缝弱度参数的定量关系,利用叠前方位角道集数据、测井数据以及地质背景信息,反演裂缝弱度参数和背景基质弹性参数;
第四处理单元,用于基于所述步骤c反演的背景基质模型参数以及所述步骤a中地应力与裂缝参数关系,计算地下地应力分布。
7.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5任意一项所述地应力预测方法的步骤。
8.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任意一项所述地应力预测方法的步骤。
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