CN117233845B - 多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地球物理测井技术领域，本发明涉及一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，综合考虑了宏观、微观和介观三种尺度波致流机制影响下的天然气水合物纵波频散特征和衰减特征，基于实际测井资料构建声波测井响应与天然气水合物储层参数之间的关系，进而建立能够很好的描述三种尺度综合下的含天然气水合物纵波速度和衰减系数的多尺度岩石物理模型，通过所述多尺度岩石物理模型准确表征不同参数条件下含天然气水合物纵波速度和衰减系数，进而对天然气水合物储层进行定量评价。本发明能够准确估算松散沉积物中的水合物饱和度，实现天然气水合物储层的定量评价。
Description
技术领域
本发明属于地球物理测井技术领域，涉及一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统。
背景技术
近年来，石油与天然气新探明储量不断减少，寻找可替代能源成为当前全世界最急迫的研究课题之一。海底沉积物和大陆永久冻土带中蕴藏着大量以甲烷为主要成分的天然气水合物，资源潜力大、能量密度高、燃烧高效清洁，是非常理想的替代能源，作为未来战略资源已成为国际共识。据统计天然气水合物资源量是石油、天然气等常规能源的2倍多，天然气水合物将是油气勘探领域未来长期的研究热点。
天然气水合物的有效识别和饱和度评价是其试采的重要前提，测井是天然气水合物识别与评价的主要信息来源之一，水合物所具有的不导电、低密度、高声波速度、高含氢量等特性，为基于测井资料识别水合物并预测其分布提供了重要的依据。其中，基于声学岩石物理模型，可利用声波测井信息识别天然气水合物藏并进行天然气水合物饱和度评价解释。在声学性质上，天然气水合物的存在会引起储层声波速度的增加，同时也会引起声波频散与衰减的变化。声波频散是指声波在介质中传播的速度随频率变化而发生改变的现象，衰减则是指声波传播过程中波的振幅出现减弱的现象。声波在岩石中传播时，孔隙流体与固体基质之间会产生相对位移，该现象被称为波致流，会导致声波在岩石中传播时发生速度频散与能量衰减。根据波致流产生的压力梯度特征长度尺寸，可以将其分为三种尺度的流动：宏观尺度、微观尺度和介观尺度。其中：宏观尺度是指波长尺度，描述的是声波在岩石中传播时，波峰和波谷之间产生的压力梯度导致的波致流；微观尺度是指孔隙尺度，描述的是不同孔隙之间产生的局部压力梯度导致的波致流；介观尺度则是指远大于孔隙尺度但又远小于波长尺度的中间尺度。常规声学岩石物理模型仅仅考虑速度或单一尺度下的速度频散与衰减机制，将其应用于天然气水合物储层测井评价中，其识别精度和饱和度解释能力有限，无法准确预测估算储层水合物饱和度这一重要参数。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，考虑了宏观、微观和介观三种尺度波致流机制影响下的天然气水合物纵波速度频散特征和衰减特征，基于实际测井资料能够准确计算天然气水合物储层的水合物饱和度，实现天然气水合物储层的定量评价。
本发明第一方面，提供了一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其具体步骤为：
S1、获取目标层位深度区间上的不同测井曲线，基于不同测井曲线计算得到储层参数，并基于地区水合物储层实验或钻录井资料，给定初始水合物饱和度；所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；
S2、基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量，考虑孔隙流体类型，利用Wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；
S3、利用等效自相容近似SCA模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量，通过Gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量表示为：
式中，K dry为含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量，K SC为饱和流体岩石体积模量，K ma为含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量，K f为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量，ϕ为含天然气水合物储层的地层孔隙度；
S4、利用固体基质体积模量和剪切模量将Biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；
S5、利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量，并利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量构建多尺度岩石物理模型，进而通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；
S6、判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小；若误差最小，对应的水合物饱和度为目标层水合物饱和度；若误差不是最小，则改变水合物饱和度，重复步骤S2-S5，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度直至误差最小得到目标层水合物饱和度；
S7、重复步骤S2-S6，直至整个测井深度区间处理完毕，获得测井深度区间水合物饱和度变化曲线。
在一些实施例中，在所述步骤S1中，所述测井曲线包括自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线AC、体积密度测井曲线DEN，或自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线AC、补偿中子测井曲线CNL。
在一些实施例中，在所述步骤S2中，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：
通过公式（1）计算N种矿物颗粒组成的固体基质弹性模型上限，公式（1）表示为：
（1）
式中，M Voigt为固体基质弹性模型上限，f j为第j个矿物组分的体积含量，M j为第j个矿物组分的弹性模量；
通过公式（2）计算N种矿物颗粒组成的固体基质弹性模量下限，公式（2）表示为：
（2）
式中，M Reuss为固体基质弹性模型上限；
利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量表示为：
（3）
式中，M ma为含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量，M为K时，即K ma表示含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量，M为G时，即G ma表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量。
在一些实施例中，在所述步骤S2中，所述Wood公式表示为：
（4）
式中，K f为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量，f j为第j个矿物组分的体积含量，K j为第j个孔隙流体组分的体积模量。
在一些实施例中，在所述步骤S3中，利用等效自相容近似SCA模型计算得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量的具体方法为：
具有N种包含物材料的混合物等效自相容近似SCA模型表示为：
（5）
式中，x j为第j种包含物材料的体积分数，K j为第j个孔隙流体组分的体积模量，G j为第j个孔隙流体组分的剪切模量，K SC为饱和流体岩石体积模量，G SC为饱和流体岩石剪切模量，P j、Q j为第j种包含物材料的几何因数；
以含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量K ma和固体基质剪切模量G ma作为起始值，利用同时迭代的方法求解所述等效自相容近似SCA模型得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量。
在一些实施例中，在所述步骤S4中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：
引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将Biot流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：
其中：
式中，为纵波传播时等效于Biot理论的等效固体基质体积模量，/>为横波传播时等效于Biot理论的等效固体基质体积模量，/>为等效固体基质剪切模量，G ma表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量，ρ f为流体岩石密度，ρ为饱和流体岩石密度，K f为孔隙流体体积模量，K f大于0.5 GPa时视为相对不可压缩流体，T为曲折度，F(ξ)为粘弹性算子；η为孔隙流体粘度，ω为波频率，κ为地层渗透率；
引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将喷射流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：
其中：
式中，为纵波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，/>为横波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，/>为等效固体基质剪切模量，G ma为含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量，λ ma为拉梅常数，ω 0为在低频范围内一个足够小的的角频率，γ为裂缝孔隙纵横比，τ为一个时间尺度单位，K p为孔隙的空间可压缩性参数，K c为裂缝的空间可压缩性参数，i为虚数单位；
进而得到等效固体基质体积模量和剪切模量中相较于低频情况时的体积模量和剪切模量变化值、/>、/>、/>；
将Biot流和喷射流导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到：
式中，为等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量，/>为等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量。
在一些实施例中，在所述步骤S5中，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和含天然气水合物沉积物的干燥骨架剪切模量，公式（6）表示为：
（6）
其中：
式中，ϕ c为临界孔隙度，n为骨架颗粒间连接系数，P为有效压力，υ为岩石骨架固体基质的泊松比；
对于与频率相关的等效岩石固体基质体积模量和等效岩石固体基质体积模量/>，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物干燥骨架体积模量/>和剪切模量和/>。
在一些实施例中，利用球状斑块饱和模型计算得到的饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量表示为：
其中：
式中，K ∞为特征单元在高频极限下的体积模量，S 1为饱和介质1的饱和度，S 2为饱和介质2的饱和度，a 1为特征单元中饱和介质1的饱和球体半径，a 2为特征单元中饱和介质2的饱和球体半径，E G1为饱和介质1的等效Gassmann体积模量，E G2为饱和介质2的等效Gassmann体积模量，K f1为饱和介质1孔隙中流体的体积模量，K f2为饱和介质2孔隙中流体的体积模量；
所述多尺度岩石物理模型为：
式中，V p为水合物沉积物纵波速度，Q -1为水合物沉积物衰减系数，G dry为岩石干燥骨架体积模量，Re表示取实部，Im表示取虚部，ρ e为特征单元的等效密度，，ρ ma为岩石固体的密度，ρ g为介质中气体的密度，ρ w为水的密度，ϕ为孔隙度。
本发明第二方面，提供了一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的系统，包括：
获取装置，用于获取目标层位深度区间上的不同测井曲线、钻录井资料；
储层参数计算模块，用于基于不同测井曲线得到储层参数，所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；
饱和度设定模块，用于设定初始水合物饱和度和更新饱和度；
固体基质模量计算模块，基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量；
孔隙流体模量计算模块，基于所述储层参数，考虑孔隙流体类型，利用Wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；
干骨架模量计算模块，用于利用等效自相容近似SCA模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量；并通过Gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量；
等效固体基质模量计算模块，用于利用固体基质体积模量和剪切模量将Biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；
等效干骨架模量计算模块，利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的等效干燥骨架体积模量和剪切模量；
饱和流体等效模量计算模块，利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量；
模型生成模块，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量生成多尺度岩石物理模型；
纵波速度与衰减系数计算模块，通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；
判断模块，用于判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小，并在误差最小时输出目标层水合物饱和度；
曲线生成模块，用于根据判断模块输出的目标层水合物饱和度生成测井深度区间水合物饱和度变化曲线。
在一些实施例中，所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差最小时，则为目标层水合物饱和度，所述判断模块输出的目标层水合物饱和度为误差最小时对应的水合物饱和度；所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差不是最小，则输出更新命令至饱和度设定模块，以通过所述饱和度设定模块改变水合物饱和度，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度，直至误差最小得到目标层水合物饱和度，并输出目标层水合物饱和度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
（1）本发明提供的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，综合考虑了宏观、微观和介观三种尺度波致流引起的纵波速度频散与衰减，建立了多尺度岩石物理模型，描述了三种尺度综合下的含天然气水合物沉积物纵波速度与衰减特征，能够准确表征不同参数条件下天然气含水合物岩心纵波速度与衰减特征，适用于松散沉积物的天然气水合物储层纵波速度和衰减表征。
（2）本发明提供的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，基于实际测井资料建立声波测井响应与水合物储层参数之间的关系，对于松散沉积物的水合物储层饱和度预测效果要优于常规的三相声波方程，对于不同赋存状态的水合物，本发明的多尺度岩石物理模型通过考虑不同水合物临界饱和度，达到了更好的预测效果，能够实现天然气水合物储层的定量评价，丰富了天然气水合物储层中岩石物理理论技术及声波方法应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法的流程图；
图2为本发明实施例所述多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的系统的结构框图；
图3a为本发明实施例沉积物中水合物为孔隙填充型时，宏观、微观和介观三种尺度与多尺度岩石物理模型的纵波速度曲线对比图；
图3b为本发明实施例沉积物中水合物为孔隙填充型时，宏观、微观和介观三种尺度与多尺度岩石物理模型的纵波衰减曲线对比图；
图4a为本发明实施例沉积物中水合物为孔隙填充型和颗粒支撑型共存时，宏观、微观和介观三种尺度与多尺度岩石物理模型的纵波速度曲线对比图；
图4b为本发明实施例沉积物中水合物为孔隙填充型和颗粒支撑型共存时，宏观、微观和介观三种尺度与多尺度岩石物理模型的纵波衰减曲线对比图；
图5a-5e为本发明实施例所述A井和B井含天然气水合物沉积物储层参数计算结果示意图；
图6a为本发明实施例所述A井饱和度估算结果示意图；
图6b为本发明实施例所述B井饱和度估算结果示意图；
图7为本发明实施例所述B井上下水合物层段基于氯离子浓度法数据对应的电阻率与纵波速度交会图。
图中，1、获取装置，2、储层参数计算模块，3、饱和度设定模块，4、固体基质模量计算模块，5、孔隙流体模量计算模块，6、干骨架模量计算模块，7、等效固体基质模量计算模块，8、等效干骨架模量计算模块，9、饱和流体等效模量计算模块，10、模型生成模块，11、纵波速度与衰减系数计算模块，12、判断模块，13、曲线生成模块。
具体实施方式
下面，结合附图通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
本发明提供的一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，综合考虑了宏观、微观和介观三种尺度波致流机制影响下的天然气水合物纵波频散特征和衰减特征，基于实际测井资料构建声波测井响应与天然气水合物储层参数之间的关系，得到多尺度岩石物理模型，该模型很好地描述了三种尺度综合下的含天然气水合物沉积物纵波速度与衰减系数，并能够准确表征不同参数条件下含天然气水合物岩心纵波速度与衰减特征，实现天然气水合物储层的定量评价。
以下结合附图和实施例对本发明上述多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统进行详细说明。
参见图1，本发明第一方面实施例提供了一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其具体步骤为：
S1、获取目标层位深度区间上的不同测井曲线，基于不同测井曲线计算得到储层参数，并基于地区水合物储层实验或钻录井资料，给定初始水合物饱和度；所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度。
在一些实施例中，所述测井曲线包括自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线AC、体积密度测井曲线DEN。
在一些实施例中，所述测井曲线包括自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线、补偿中子测井曲线CNL。
S2、基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量，考虑孔隙流体类型，利用Wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量。
具体地，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：
通过公式（1）计算N种矿物颗粒组成的固体基质弹性模型上限，公式（1）表示为：
（1）
式中，M Voigt为固体基质弹性模型上限，f j为第j个矿物组分的体积含量，M j为第j个矿物组分的弹性模量；
通过公式（2）计算N种矿物颗粒组成的固体基质弹性模量下限，公式（2）表示为：
（2）
式中，M Reuss为固体基质弹性模型上限；
利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量表示为：
（3）
式中，M ma为含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量，M为K时，即K ma表示含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量，M为G时，即G ma表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量。
具体地，所述Wood公式表示为：
（4）
式中，K f为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量，f j为第j个矿物组分的体积含量，K j为第j个孔隙流体组分的体积模量。
需要说明的是，计算含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量（包括体积模量和剪切模量）和孔隙流体弹性模量（即孔隙流体体积模量）时考虑两种赋存形态的天然气水合物，一种为孔隙填充形态，天然气水合物作为孔隙流体填充于岩石孔隙中，一种为颗粒支撑形态，天然气水合物视为固体骨架的一部分，作为岩石颗粒支撑于岩石骨架中。引入临界饱和度参数，当水合物饱和度小于临界饱和度时，水合物为孔隙填充形态，当水合物饱和度大于临界饱和度时，孔隙填充和颗粒支撑两种形态的水合物同时存在，且由于颗粒支撑水合物视为骨架的一部分，这将导致含天然气水合物储层的地层孔隙度相应的降低。含天然气水合物储层的地层孔隙度表示为：
式中，ϕ 0为地层初始孔隙度，S c为临界饱和度，S h为水合物饱和度。
同时含天然气水合物储层的地层渗透率也会随着地层孔隙度的变化而变化，地层孔隙度与地层渗透率之间的关系表示为：
式中，κ为地层渗透率，κ 0为地层初始渗透率。
同时随着水合物饱和度的增大，孔隙流体将变得粘稠，流动性变差，表观粘度相应增大，采用下述公式计算随着水合物饱和度变化产生的流体粘度：
式中，η为含天然气水合物孔隙流体的流体粘度，η w为水粘度，S h为水合物饱和度。
S3、利用等效自相容近似SCA模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量，通过Gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量表示为：
式中，K dry为含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量，K SC为饱和流体岩石体积模量，K ma为含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量，K f为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量，ϕ为含天然气水合物储层的地层孔隙度。
具体地，利用等效自相容近似SCA模型计算得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量的具体方法为：
具有N种包含物材料的混合物等效自相容近似SCA模型表示为：
（5）
式中，x j为第j种包含物材料的体积分数，K j为第j个孔隙流体组分的体积模量，G j为第j个孔隙流体组分的剪切模量，K SC为饱和流体岩石体积模量，G SC为饱和流体岩石剪切模量，P j、Q j为第j种包含物材料的几何因数。
以含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量K ma和固体基质剪切模量G ma作为起始值，利用同时迭代的方法求解所述等效自相容近似SCA模型得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量。
需要说明的是，球状包含物的P j、Q j表示为：
式中，ξ m为中间变量，无实际意义。
硬币状包含物的P j、Q j表示为：
β m为中间变量，无实际意义；α为孔隙纵横比，球状孔隙：α=1，硬币状孔隙：α=0.01。
S4、利用固体基质体积模量和剪切模量将Biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量。
具体地，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：
引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将Biot流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：
其中：
式中，为纵波传播时等效于Biot理论的等效固体基质体积模量，/>为横波传播时等效于Biot理论的等效固体基质体积模量，/>为等效固体基质剪切模量，G ma表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量，ρ f为流体岩石密度，ρ为饱和流体岩石密度，K f为孔隙流体体积模量，K f大于0.5 GPa时视为相对不可压缩流体，T为曲折度，F(ξ)为粘弹性算子；η为孔隙流体粘度，ω为波频率，κ为地层渗透率；
引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将喷射流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：
其中：
/>
式中，为纵波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，/>为横波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，/>为等效固体基质剪切模量，G ma为含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量，λ ma为拉梅常数，ω 0为在低频范围内一个足够小的的角频率，γ为裂缝孔隙纵横比，τ为一个时间尺度单位，K p为孔隙的空间可压缩性参数，K c为裂缝的空间可压缩性参数，i为虚数单位；
进而得到等效固体基质体积模量和剪切模量中相较于低频情况时的体积模量和剪切模量变化值、/>、/>、/>；
将Biot流和喷射流导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到：
式中，为等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量，/>为等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量。
S5、利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量，并利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量构建多尺度岩石物理模型，进而通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数。
具体地，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和含天然气水合物沉积物的干燥骨架剪切模量，公式（6）表示为：
（6）
其中：
式中，ϕ c为临界孔隙度，n为骨架颗粒间连接系数，P为有效压力，υ为岩石骨架固体基质的泊松比；
对于与频率相关的等效岩石固体基质体积模量和等效岩石固体基质体积模量/>，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物干燥骨架体积模量/>和剪切模量和/>。
具体地，利用球状斑块饱和模型计算得到的饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量表示为：
其中：
式中，K ∞为特征单元在高频极限下的体积模量，S 1为饱和介质1的饱和度，S 2为饱和介质2的饱和度，a 1为特征单元中饱和介质1的饱和球体半径，a 2为特征单元中饱和介质2的饱和球体半径，E G1为饱和介质1的等效Gassmann体积模量，E G2为饱和介质2的等效Gassmann体积模量，K f1为饱和介质1孔隙中流体的体积模量，K f2为饱和介质2孔隙中流体的体积模量。
具体地，所述多尺度岩石物理模型为：
式中，V p为水合物沉积物纵波速度，Q -1为水合物沉积物衰减系数，G dry为岩石干燥骨架体积模量，Re表示取实部，Im表示取虚部，ρ e为特征单元的等效密度，，ρ ma为岩石固体的密度，ρ g为介质中气体的密度，ρ w为水的密度，ϕ为孔隙度。
S6、判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小；若误差最小，误差最小时对应的水合物饱和度为目标层水合物饱和度；若误差不是最小，则改变水合物饱和度，重复步骤S2-S5，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度直至误差最小得到目标层水合物饱和度。
S7、重复步骤S2-S6，直至整个测井深度区间处理完毕，获得测井深度区间水合物饱和度变化曲线。
参见图2，本发明第二方面实施例提供了一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的系统，用于实现本发明第一方面实施例所述多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，所述测井系统包括：
获取装置1，用于获取目标层位深度区间上的不同测井曲线、钻录井资料；
储层参数计算模块2，用于基于不同测井曲线得到储层参数，所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；
饱和度设定模块3，用于设定初始水合物饱和度和更新饱和度；
固体基质模量计算模块4，基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量；
孔隙流体模量计算模块5，基于所述储层参数，考虑孔隙流体类型，利用Wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；
干骨架模量计算模块6，用于利用等效自相容近似SCA模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量；并通过Gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量；
等效固体基质模量计算模块7，用于利用固体基质体积模量和剪切模量将Biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；
等效干骨架模量计算模块8，利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的等效干燥骨架体积模量和剪切模量；
饱和流体等效模量计算模块9，利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量；
模型生成模块10，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量生成多尺度岩石物理模型；
纵波速度与衰减系数计算模块11，通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；
判断模块12，用于判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小，并在误差最小时输出目标层水合物饱和度；
曲线生成模块13，用于根据判断模块输出的目标层水合物饱和度生成测井深度区间水合物饱和度变化曲线。
在一些实施例中，所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差最小时，则为目标层水合物饱和度，所述判断模块输出的目标层水合物饱和度为误差最小时对应的水合物饱和度；所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差不是最小，则输出更新命令至饱和度设定模块，以通过所述饱和度设定模块改变水合物饱和度，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度，直至误差最小得到目标层水合物饱和度，并输出目标层水合物饱和度。
在一些实施例中，所述获取装置1获取的测试曲线包括自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线AC、体积密度测井曲线DEN。
在一些实施例中，所述获取装置1获取的测井曲线包括自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线、补偿中子测井曲线CNL。
在一些实施例中，所述储层参数计算模块2利用目标层位深度区间上的不同测井曲线、钻录井资料根据地区经验公式计算地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率。
以下通过数值模拟以南海神狐海域为例，对本发明上述多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法和系统对的有效性进行说明。
图3a、3b为沉积物中水合物为孔隙填充型时，宏观、微观和介观三种尺度与多尺度岩石物理模型的纵波速度曲线和纵波衰减曲线对比图。图4a、4b分别为沉积物中水合物为孔隙填充型和颗粒支撑型共存时，宏观、微观和介观三种尺度与多尺度岩石物理模型的纵波速度曲线和纵波衰减曲线对比图。通过模拟结果可以看出，四种模型下均出现了纵波速度与衰减现象，多尺度岩石物理模型的模拟结果中，纵波衰减曲线出现了多个峰值，水合物饱和度为20%时呈现双峰特征，水合物饱和度为50%时呈现三峰特征。纵波速度随频率的增加而增加，整体呈现上升的趋势，频率较低时（<0.1 Hz），纵波速度基本不变，在第一个衰减峰值处，速度快速增大，随后变化趋势趋于平缓，在第二个衰减峰值处又快速增大，在超高频时（>10 MHz）速度变化趋势再次不明显。
在低频段处（1 Hz~1 kHz），多尺度岩石物理模型模拟的纵波速度与衰减结果与球状斑块饱和模型的模拟结果相吻合，这是由于喷射流和Biot流在低频状态下并无明显频散与衰减现象，且在建模过程中计算了其相较于低频情况时的体积模量和剪切模量变化值。在高频段（10 kHz-10 MHz），为Biot流和喷射流发生衰减的主要频段，两种尺度的模型计算的衰减均小于多尺度岩石物理模型计算的衰减。同时由于随着水合物饱和度的增加，喷射流机制下的衰减峰值逐渐向低频移动，Biot流机制下的衰减峰值逐渐向高频移动，故水合物饱和度为50%时，纵波衰减曲线出现了三个峰值，其中最高频段处的衰减与Biot流的衰减吻合较好。相较于水合物为20%时的模拟结果，水合物饱和度为50%的情况下含水合物岩石的纵波速度更大，低频段的衰减峰值更大，而高频段的衰减峰值要小于水合物为20%时。
如图5a-5e所示，计算的南海神狐海域A井和B井的储层参数，在多尺度岩石物理模型中，考虑天然气水合物储层中影响储层纵波速度的主要参数为孔隙度、渗透率和水合物饱和度三类参数，地层矿物含量影响较小，故在模型输入中，孔隙度和渗透率采取计算结果，地层矿物含量可根据计算的参数分布范围进行选择，如A井矿物组分固定为石英（65%）、方解石（15%）和黏土（20%），B井矿物组分固定为石英（45%）、方解石（15%）和黏土（40%），并给定一初始水合物饱和度，将这些参数作为多尺度岩石物理模型输入进行水合物饱和度反演计算。
图6a和图6b为基于多尺度岩石物理模型的南海神狐海域A井和B井的饱和度预测结果，图中第七道为多尺度岩石物理模型的预测结果，并与基于氯离子浓度估算的水合物饱和度结果进行对比。第八道为常规三相声波方程的计算结果，并与基于氯离子浓度估算的水合物饱和度结果进行对比。
A井和B井采用三相Wyllie时间平均方程预测的水合物饱和度均为0，原因在于其预测的纵波速度均大于实测纵波速度，可见时间平均方程不适用于海域沉积物的天然气水合物储层饱和度预测。A井基于三相Wood方程预测的水合物饱和度值较氯离子浓度法预测结果整体偏大，而三相加权方程和本文模型预测结果较氯离子浓度估算的饱和度相差不大。A井基于三相加权方程的饱和度预测数据与氯离子浓度法计算的饱和度数据的均方根误差为0.096，R平方为0.463，而本文模型预测的饱和度结果均方根误差为0.067，R平方为0.736，显著优于三相声波方程的计算结果。
对于B井的饱和度预测结果，三相声波方程和本发明多尺度岩石物理模型在不同深度的拟合效果不同。基于氯离子浓度法数据对应的电阻率与纵波速度测井值做交会图，如图7所示，可以发现储层电阻率与纵波速度均随着水合物饱和度的增加而增加，但上下两个层段的数据存在明显的分界线，认为反映了两个层段的天然气水合物赋存状态不同。
在205 mbsf~230 mbsf储层段，三相加权方程和水合物临界饱和度为5%的多尺度岩石物理模型拟合效果更好，在230 mbsf~250 mbsf储层段，三相Wood方程和水合物临界饱和度为30%的多尺度岩石物理模型拟合效果更好。在205 mbsf~230 mbsf储层段，三相加权方程预测的饱和度结果均方根误差为0.074，R平方为0.45，而多尺度岩石物理模型预测的饱和度结果均方根误差为0.059，R平方为0.649。在230 mbsf~250 mbsf储层段，三相Wood方程的饱和度预测数据均方根误差为0.098，R平方为0.935，而多尺度岩石物理模型预测的饱和度结果均方根误差为0.097，R平方为0.937。
以上分析充分说明了相较于常规三相声波方程，本发明提供的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统有着更好的饱和度预测效果。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，其具体步骤为：
S1、获取目标层位深度区间上的不同测井曲线，基于不同测井曲线计算得到储层参数，并给定初始水合物饱和度；所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；
S2、基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量，考虑孔隙流体类型，利用Wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；
S3、利用等效自相容近似SCA模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量，通过Gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量表示为：
式中，为含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量，/>为饱和流体岩石体积模量，/>为含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量，/>为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量，/>为含天然气水合物储层的地层孔隙度；
S4、利用固体基质体积模量和剪切模量将Biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：
引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将Biot流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：
其中：
式中，为纵波传播时等效于Biot理论的等效固体基质体积模量，/>为横波传播时等效于Biot理论的等效固体基质体积模量，/>为等效固体基质剪切模量，/>表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量，/>为流体岩石密度，/>为饱和流体岩石密度，为孔隙流体体积模量，/>大于0.5 GPa时视为相对不可压缩流体，/>为曲折度，/>为粘弹性算子；/>为孔隙流体粘度，/>为波频率，/>为地层渗透率；
引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将喷射流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：
其中：
式中，为纵波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，/>为横波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，/>为等效固体基质剪切模量，/>为含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量，/>为拉梅常数，/>为在低频范围内一个足够小的的角频率，/>为裂缝孔隙纵横比，/>为一个时间尺度单位，/>为孔隙的空间可压缩性参数，/>为裂缝的空间可压缩性参数，/>为虚数单位；
进而得到等效固体基质体积模量和剪切模量中相较于低频情况时的体积模量和剪切模量变化值、/>、/>、/>；
将Biot流和喷射流导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到：
式中，为等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量，/>为等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量；
S5、利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量，并利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量构建多尺度岩石物理模型，进而通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；
S6、判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小；若误差最小，对应的水合物饱和度为目标层水合物饱和度；若误差不是最小，则改变水合物饱和度，重复步骤S2-S5，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度直至误差最小得到目标层水合物饱和度；
S7、重复步骤S2-S6，直至整个测井深度区间处理完毕，获得测井深度区间水合物饱和度变化曲线。
2.如权利要求1所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述测井曲线包括自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线、体积密度测井曲线DEN，或自然伽马测井曲线GR、三孔隙度的声波时差测井曲线、补偿中子测井曲线CNL。
3.如权利要求1所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：
通过公式（1）计算N种矿物颗粒组成的固体基质弹性模型上限，公式（1）表示为：
（1）
式中，为固体基质弹性模型上限，/>为第/>个矿物组分的体积含量，/>为第/>个矿物组分的弹性模量；
通过公式（2）计算N种矿物颗粒组成的固体基质弹性模量下限，公式（2）表示为：
（2）
式中，为固体基质弹性模型上限；
利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量表示为：
（3）
式中，为含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量，/>为/>时，即/>表示含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量，/>为/>时，即/>表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量。
4.如权利要求1所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述Wood公式表示为：
（4）
式中，为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量，/>为第/>个矿物组分的体积含量，/>为第/>个孔隙流体组分的体积模量。
5.如权利要求1所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用等效自相容近似SCA模型计算得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量的具体方法为：
具有N种包含物材料的混合物等效自相容近似SCA模型表示为：
（5）
式中，为第/>种包含物材料的体积分数，/>为第j个孔隙流体组分的体积模量，/>为第/>个孔隙流体组分的剪切模量，/>为饱和流体岩石体积模量，/>为饱和流体岩石剪切模量，/>、/>为第/>种包含物材料的几何因数；
以含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和固体基质剪切模量/>作为起始值，利用同时迭代的方法求解所述等效自相容近似SCA模型得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量。
6.根据权利要求1所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和含天然气水合物沉积物的干燥骨架剪切模量，公式（6）表示为：
（6）
其中：
式中，为临界孔隙度，/>为骨架颗粒间连接系数，/>为有效压力，/>为岩石骨架固体基质的泊松比；
对于与频率相关的等效岩石固体基质体积模量和等效岩石固体基质体积模量，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物干燥骨架体积模量/>和剪切模量。
7.根据权利要求6所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，利用球状斑块饱和模型计算得到的饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量表示为：
其中：
式中，为特征单元在高频极限下的体积模量，/>为饱和介质1的饱和度，/>为饱和介质2的饱和度，/>为特征单元中饱和介质1的饱和球体半径，/>为特征单元中饱和介质2的饱和球体半径，/>为饱和介质1的等效Gassmann体积模量，/>为饱和介质2的等效Gassmann体积模量，/>为饱和介质1孔隙中流体的体积模量，/>为饱和介质2孔隙中流体的体积模量；
所述多尺度岩石物理模型为：
式中，为水合物沉积物纵波速度，/>为水合物沉积物衰减系数，G dry为岩石干燥骨架体积模量，Re表示取实部，Im表示取虚部，/>为特征单元的等效密度，，/>为岩石固体的密度，/>为介质中气体的密度，/>为水的密度，/>为孔隙度。
8.一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的系统，用于实现权利要求1-7任意一项所述多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其特征在于，包括：
获取装置，用于获取目标层位深度区间上的不同测井曲线、钻录井资料；
储层参数计算模块，用于基于不同测井曲线得到储层参数，所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；
饱和度设定模块，用于设定初始水合物饱和度和更新饱和度；
固体基质模量计算模块，基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用VRH平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量；
孔隙流体模量计算模块，基于所述储层参数，考虑孔隙流体类型，利用Wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；
干骨架模量计算模块，用于利用等效自相容近似SCA模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量；并通过Gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量；
等效固体基质模量计算模块，用于利用固体基质体积模量和剪切模量将Biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于Biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；
等效干骨架模量计算模块，利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的等效干燥骨架体积模量和剪切模量；
饱和流体等效模量计算模块，利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量；
模型生成模块，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量生成多尺度岩石物理模型；
纵波速度与衰减系数计算模块，通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；
判断模块，用于判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小，并在误差最小时输出目标层水合物饱和度；
曲线生成模块，用于根据判断模块输出的目标层水合物饱和度生成测井深度区间水合物饱和度变化曲线。
9.如权利要求8所述的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的系统，其特征在于，所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差最小时，则为目标层水合物饱和度，所述判断模块输出的目标层水合物饱和度为误差最小时对应的水合物饱和度；所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差不是最小，则输出更新命令至饱和度设定模块，以通过所述饱和度设定模块改变水合物饱和度，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度，直至误差最小得到目标层水合物饱和度，并输出目标层水合物饱和度。
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