基于贝叶斯框架的各向异性页岩储层岩石物理反演技术

页岩岩石物理建模旨在建立页岩矿物组分、微观结构、流体填充与岩石弹性参数的关系.对四川盆地龙马溪组页岩进行岩石物理建模研究,针对页岩黏土含量高、层间微裂缝发育等特点,利用Backus平均理论描述页岩黏土矿物弹性参数,利用Chapman理论计算与水平微裂缝有关的VTI各向异性,并利用Bond变换考虑地层倾角的影响.提出以黏土矿物纵、横波速度和孔隙纵横比为拟合参数进行岩石物理反演的方法,并引入贝叶斯框架减小反演的多解性.由已知的黏土矿物纵、横波速度和孔隙纵横比作为先验信息,并以测井纵、横波速度作为约束条件建立反演的目标函数,同时利用粒子群算法进行最优化搜索.计算结果表明,基于先验约束和粒子群算法的反演方法能够较准确地反演黏土矿物的弹性参数、孔隙形态参数以及裂缝密度等参数.计算得到的黏土纵、横波速度较高,并且在一定范围内变化,这可能与龙马溪组页岩的黏土矿物组分中具有较高弹性模量的伊利石含量较高有关,同时也与黏土定向排列等微观物性特征有关.反演得到的裂缝密度与纵波各向异性参数ε呈明显的正相关,而与横波各向异性参数γ相关性较小.另外,页岩各向异性参数与黏土垂向的纵横波速度有较强的相关性.     

干酪根对富含有机质页岩弹性性质的影响

改进的Backus平均模型已被证明能较好地模拟Bakken页岩,对于同样的对象,本文采用各向异性DEM模型进行分析,分别模拟了干酪根作为岩石背景基质与内部包含物时岩石的等效弹性张量随干酪根含量的变化规律,发现将干酪根看作岩石基质时模拟结果更接近目标页岩的实验室测量数据,与目标岩样的电镜扫描结果一致;继而将粘土矿物的纵横比以及干酪根与粘土矿物的弹性模量看作自由参数,通过最小二乘法求取了各向异性DEM模型的最佳输入参数,由此得到的预测结果优于改进的Backus平均模型,说明采用各向异性DEM模型来分析有机质的含量和分布对岩石弹性性质的影响是有效可行的.最后,拟合生成了目标页岩的实际刚度系数与含氢指数的关系曲线,得出岩石刚度与干酪根成熟度之间具有正相关性.     

基于微纳米孔隙理论的页岩气储层岩石物理建模方法

页岩储层由于其复杂的构造和孔隙特征,目前一般的岩石物理模型无法对其进行精确描述.微纳米孔隙作为页岩气主要的储集空间,对页岩整体弹性参数有较大影响.干酪根作为页岩中重要的有机质矿物,在页岩中的赋存状态随成熟度不同而变化,同时干酪根也是纳米级孔隙的主要发育场所.目前常规的岩石物理建模方法没有体现微纳米孔隙的作用,同时较少考虑不同成熟度下干酪根对页岩储层弹性性质的影响.本文采用一种微纳米孔隙理论描述页岩微纳米孔隙特性,考虑微纳米孔隙和不同成熟度下干酪根的赋存状态,应用上述微纳米孔隙模型、各向异性SCA-DEM模型、各向异性Eshelby-Cheng模型和Brown-Korringa固体替换方程等建立一种新的页岩储层岩石物理模型.利用中国西南某工区页岩气井对该模型进行验证,模型预测的横波速度与测井速度拟合较好.结果表明不同干酪根成熟度的页岩岩石物理建模结果具有一定的差异,据此可大致区分该工区井的干酪根成熟度;最后对微纳米孔参数进行正演分析,结果反映了页岩的纵横波速度随微纳米孔隙参数的变化趋势.     

筇竹寺和五峰—龙马溪组页岩地震岩石物理等效模型及等效孔隙纵横比的分析（英文）

四川盆地及其周缘地区的筇竹寺组和五峰-龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一,但其地震弹性性质响应规律的区域性特征需要开展相关的实验和理论研究工作予以明确。本研究对干燥状态下的筇竹寺组和五峰-龙马溪组页岩的露头样品进行了超声波速度测试,系统地分析了地震弹性性质随页岩岩石学特征的变化规律。研究结果表明,孔隙度与粘土矿物含量呈正相关、与脆性矿物含量呈负相关;粘土、石英、长石和碳酸盐构成页岩岩石基质,与孔隙共同构成页岩岩石骨架,而干酪根和黄铁矿主要赋存于孔隙中,与页岩骨架的耦合较弱。通过将全部连通性孔隙近似等效于仅存在于骨架粘土矿物之内和采用Gassmann流体替换类似的思路处理干酪根和黄铁矿,可以较为简单地将自相容近似(SCA)理论、微分等效介质模型(DEM)和Gassmann方程组合起来构建研究区页岩的地震岩石物理等效模型。该模型通过关键参数等效孔隙纵横比(采用研究区样品平均值或者由碳酸盐含量进行估算)可以较为准确地预测筇竹寺和五峰-龙马溪组页岩的纵波速度,验证了等效模型的有效性和较广的适用性,可为筇竹寺组和五峰-龙马溪组页岩气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据。     

基于粒子群算法的页岩孔隙结构反演及横波速度预测

提出了基于粒子群算法的页岩孔隙纵横比反演以及横波速度预测的方法.基于岩石物理模型,建立岩石纵、横波速度与密度、孔隙度和矿物组分等参数之间的定量关系,利用传统遍历搜索方法和粒子群算法两种方法计算最佳孔隙纵横比,使理论纵波速度与实际纵波速度的误差最小,并以孔隙纵横比作为约束进行横波速度预测,将预测结果与实测横波速度对比,验证了粒子群算法的有效性和精确性.反演结果表明页岩部分的孔隙结构比围岩部分的孔隙结构更加的稳定,利用粒子群算法的预测结果比利用传统算法的预测结果更加准确.     

龙马溪组页岩微观结构、地震岩石物理特征与建模

龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一.由于岩石物理实验结果具有区域性,龙马溪组页岩的岩石特征与其地震弹性性质的响应规律需要开展相关的实验和理论研究工作予以明确.本研究基于系统的微观结构观察(扫描电镜和CT成像技术)和岩石物理实验来分析龙马溪组页岩样品地震弹性性质的变化规律,并依据微观结构特征建立相应的地震岩石物理表征模型.研究结果表明,石英含量对龙马溪组页岩的孔隙度以及有机碳(TOC)含量具有一定的控制作用,TOC和黄铁矿主要赋存于孔隙中;岩石骨架组成亦受控于石英或粘土含量,在石英含量大于40%(对应粘土含量小于30%)时,以石英、粘土共同作为岩石骨架,而粘土含量大于30%时,则以粘土作为岩石的骨架.因此,岩石骨架组成矿物、TOC含量、孔隙度共同制约龙马溪组页岩的地震弹性性质,富有机质储层岩石通常表现出低泊松比、低阻抗和低杨氏模量的特征,但由于支撑矿物的转换,某些富有机质页岩亦可表现为高阻抗特征.粘土矿物的定向排列仍然是造成页岩样品表现出各向异性的主要原因,各向异性参数与粘土含量具有指数关系.基于龙马溪组页岩的岩性特征及微观结构特征,可以利用自洽模型(SCA)、微分等效模量模型(DEM)和Backus平均模型的有效组合较为准确地建立龙马溪组页岩的地震岩石物理模型,实验结果和测井数据验证了模型的准确性.研究结果可为龙马溪组页岩气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

基于微结构-尺度双分解的页岩随机介质模拟和非均质特征分析

页岩储层矿物颗粒、孔/裂隙、干酪根等微观结构呈现明显的尺度化分布特征,常规的单结构单尺度随机介质模拟方法难以完整描述和重构微观尺度的页岩储层介质,本文提出了一种微结构-尺度双分解的随机介质模拟方法.基于龙马溪组页岩数字岩心,将岩心切片按照占比分解为脆性矿物、孔隙、干酪根及背景介质四种类型,对脆性矿物、孔隙和干酪根三种微结构进行尺度分解,通过优化随机介质模型参数,实现精确模拟不同尺度的微结构组分,再按占比进行微结构-尺度双合成.结果表明,微结构-尺度双分解随机介质模拟大幅度提高强非均质页岩储层介质的建模精度.     

各向异性富有机质页岩的岩石物理建模及脆性指数研究（英文）

岩石物理建模及脆性指数构建是影响脆性预测精度的两大重要环节。现有页岩模型对有机质的模拟争议较大,需要寻找合理的岩石物理理论来模拟富有机质页岩。同时,现有脆性公式种类繁多,各公式的适用性值得探究。本文利用Self-Consistent Approximation and the Differential Effective Medium(SCA+DEM)理论,通过模拟有机质与粘土的耦合性,构建各向异性富有机质岩石物理模型。与前人理论对比,初步验证了本模型的有效性;同时,基于模型构建脆性模板,分析物性参数对各脆性指数公式的影响。结果显示:各脆性公式对不同物性条件下地层的敏感性不同,基于杨氏模量构建的脆性指数对矿物含量的变化较敏感,而基于拉梅系数构建的脆性公式对孔隙度/孔隙流体敏感。应综合各脆性指数公式并结合地层物性信息,以达到最优的预测结果。     

川南下志留统龙马溪组页岩储集空间定量表征

以川南上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩钻井资料为基础,通过建立储层岩石物理模型和孔隙度数学模型,对富有机质页岩段基质孔隙构成和裂缝发育状况进行了定量评价.经过定量表征证实,龙马溪组页岩储集空间具有4大特征:(1)脆性矿物、粘土矿物和有机质三者产生的单位质量孔隙体积为有机质最高、粘土矿物次之、脆性矿物最少;(2)有效储层孔隙度适中,与Barnett相当,且孔隙构成以粘土矿物层间孔隙和有机质孔隙为主体;(3)富有机质页岩段孔隙度与TOC、脆性矿物/粘土矿物比值关系密切,主要表现为孔隙度随着TOC增大而增大,富含粘土的页岩孔隙度比富含脆性矿物的页岩孔隙度大;(4)黑色页岩裂缝发育,裂缝规模以微型、中-大型裂缝为主,裂缝密度自上而下增大,反映了龙马溪组底部具有脆性矿物含量高、杨氏模量高、泊松比低和脆性好等特点.     

岩石的等效孔隙纵横比反演及其应用

通过融合Gassmann方程和由微分等效介质理论建立的干岩石骨架模型--DEM解析模型,本文提出根据纵波(和横波)速度反演岩石等效孔隙纵横比进行储层孔隙结构评价和横波速度预测的方法.首先,利用Gassmann方程和DEM解析模型建立岩石的纵、横波速度与密度、孔隙度、饱和度和矿物组分等各参数之间的关系;其次,将岩石孔隙等效为具有单一纵横比的理想椭球孔,应用非线性全局寻优算法来寻找最佳的等效孔隙纵横比使得理论预测与实际测量的弹性模量之间的误差最小;最后,将反演得到的等效孔隙纵横比代入到Gassmann方程和DEM解析模型中构建横波速度.实验室和井孔测量数据应用表明,反演得到的等效孔隙纵横比可准确反映储层的孔隙结构,对于裂缝型储层如花岗岩,其孔隙纵横比通常小于0.025,而对于孔隙型储层如砂岩,其孔隙纵横比通常大于0.08.只利用纵波与同时利用纵、横波反演得到的孔隙纵横比结果几乎完全一致,而且由纵波构建的横波与实测横波吻合良好,说明本文提出的等效孔隙纵横比反演及其横波速度预测方法是有效的.     

基于统计岩石物理模型的各向异性页岩储层参数反演

提出了各向异性页岩储层统计岩石物理反演方法.通过统计岩石物理模型建立储层物性参数与弹性参数的定量关系,使用测井数据及井中岩石物理反演结果作为先验信息,将地震阻抗数据定量解释为储层物性参数、各向异性参数的空间分布.反演过程在贝叶斯框架下求得储层参数的后验概率密度函数,并从中得到参数的最优估计值及其不确定性的定量描述.在此过程中综合考虑了岩石物理模型对复杂地下介质的描述偏差和地震数据中噪声对反演不确定性的影响.在求取最大后验概率过程中使用模拟退火优化粒子群算法以提高收敛速度和计算准确性.将统计岩石物理技术应用于龙马溪组页岩气储层,得到储层泥质含量、压实指数、孔隙度、裂缝密度等物性,以及各向异性参数的空间分布及相应的不确定性估计,为页岩气储层的定量描述提供依据.     

Simulation of improved pure P-wave equation in transversely isotropic media with a horizontal symmetry axis

Characterizing the expressions of seismic waves in elastic anisotropic media depends on multiparameters. To reduce the complexity, decomposing the P-mode wave from elastic seismic data is an effective way to describe the considerably accurate kinematics with fewer parameters. The acoustic approximation for transversely isotropic media is widely used to obtain P-mode wave by setting the axial S-wave phase velocity to zero. However, the separated pure P-wave of this approach is coupled with undesired S-wave in anisotropic media called S-wave artefacts. To eliminate the S-wave artefacts in acoustic waves for anisotropic media, we set the vertical S-wave phase velocity as a function related to propagation directions. Then, we derive a pure P-wave equation in transversely isotropic media with a horizontal symmetry axis by introducing the expression of vertical S-wave phase velocity. The differential form of new expression for pure P-wave is reduced to second-order by inserting the expression of S-wave phase velocity as an auxiliary operator. The results of numerical simulation examples by finite difference illustrate the stability and accuracy of the derived pure P-wave equation.     

Study on anisotropy of Longmaxi shale using hydraulic fracturing experiment

Hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology is crucial in the development of shale gas exploitation techniques.Large quantities of high-pressure fluids injected into shale reservoirs significantly alter compressional(P)and shear(S)wave velocities,rock mechanical parameters,and anisotropic characteristics.In this study,differentiated hydraulic fracturing petrophysical experiments were carried out on Longmaxi Formation shale under pseudo-triaxial stress loading conditions.The effects of stress loading methods,and water-rock physical and chemical reactions on P-and S-wave velocities and rock mechanical parameters were compared.The experimental results showed that isotropic stress loading may increase the P-and Swave velocities and Young’s modulus of dry shale kldnsample.Furthermore,it may lead to a weakening of the corresponding anisotropy.In contrast,differential stress loading was able to improve the anisotropy of Young’s modulus and accelerate the decrease in the compressive strength of shale in the vertical bedding direction.The water-rock physical and chemical reactions prompted by hydraulic fracturing was found to"soften"shale samples and reduce Young’s modulus.The influence of this"soften"effect on the compressional and shear wave velocities of shale was negligible,whilst there was a significant decrease in the anisotropy characteristics of Thomsen parameters,Young’s modulus,and Poisson’s ratio.The negative linear relationship between the Poisson’s ratios of the shale samples was also observed to lose sensitivity to stress loading,as a result of the"soften"effect of fracturing fluid on shale.The results of this study provide a reliable reference point and data support for future research on the mechanical properties of Longmaxi shale rocks.     

基于页岩岩石物理等效模型的地应力预测方法研究

地应力的精确预测是对页岩地层进行水平井钻井轨迹设计和压裂的基础.本文在分析页岩构造特征的基础上,提出了适用于页岩地层的岩石物理等效模型的建立流程,并以此为基础实现了最小水平地应力的有效预测.首先,通过分析页岩地层的矿物、孔隙、流体及各向异性特征,将其等效为具有垂直对称轴的横向各向同性介质,进行了页岩岩石物理等效模型的构建;然后建立了页岩地层纵横波速度经验公式,并将该经验公式与岩石物理等效模型均应用于实际页岩工区的横波速度预测中,二者对比表明,本文中建立的页岩气岩石物理等效模型具有更高的横波预测精度,验证了该模型的适用性;最后,利用该模型计算各弹性刚度张量,进而实现了页岩地层最小水平地应力的预测,与各向同性模型估测结果对比表明,该模型预测的最小水平地应力与地层瞬间闭合压力一致性更高,且储层位置更为明显,具有较高的实用性.     

泥页岩岩石物理建模研究

泥页岩由于其复杂的岩石特性（主要是裂缝及有机质的存在）,目前还没有有效的岩石物理模型可以较为精确的模拟其性质.本文在自洽模型和微分等效介质模型的基础上,引入Berryman三维孔隙形态及Brown-Korringa固体替代技术,建立适用于富有机质泥页岩的新型岩石物理模型.在此基础上进行正演分析,讨论不同孔隙形态对于自洽模型的临界孔隙度以及岩石速度的影响.正演分析的结果表明即使将未知的混合岩石作为背景岩石,微分有效介质模型的引入使得固体相和流体相仍然不是对称的,临界孔隙度不一定要落在0.4到0.6之间.且不同的孔隙形状对于自洽模型的临界孔隙度以及岩石的速度具有明显的影响.此外,基于岩石物理模型,文章讨论了不同孔隙形态、不同泥质含量时有机质对于岩石弹性性质的影响.最后利用一口页岩气井对该模型进行验证,预测的纵横波速度与测井结果吻合的很好,证明了该模型对于富有机质泥页岩的适用性.     

One-Dimensional qP-Wave Velocity Model of the Upper Crust for the West Bohemia/Vogtland Earthquake Swarm Region

The western part of the Bohemian Massif (West Bohemia/Vogtland region) is characteristic in the relatively frequent recurrence of intraplate earthquake swarms and in other manifestations of past-to-recent geodynamic activity. In this study we derived 1D anisotropic qP-wave model of the upper crust in the seismogenic West Bohemia/Vogtland region by means of joint inversion of two independent data sets - travel times from controlled shots and arrival times from local earthquakes extracted from the WEBNET seismograms. We derived also simple 1-D P-wave and S-wave isotropic models. Reasons for deriving these models were: (a) only simplified crustal velocity models, homogeneous half-space or 1D isotropic layered models of this region, have been derived up to now and (b) a significant effective anisotropy of the upper crust in the region which was indicated recently by S-wave splitting. Both our anisotropic qP-wave and isotropic P-and S-wave velocity models are constrained by four layers with the constant velocity gradient. Weak anisotropy for P-waves is assumed. The isotropic model is represented by 9 parameters and the anisotropic one is represented by 24 parameters. A new robust and effective optimization algorithm - isometric algorithm - was used for the joint inversion. A two-step inversion algorithm was used. During the first step the isotropic P- and S-wave velocity model was derived. In the second step, it was used as a background model and the parameters of anisotropy were sought. Our 1D models are adequate for the upper crust in the West Bohemia/Vogtland swarm region up to a depth of 15 km. The qP-wave velocity model shows 5% anisotropy, the minimum velocity in the horizontal direction corresponds to an azimuth of 170°. The isotropic model indicates the V_P/V_S ratio variation with depth. The difference between the hypocentre locations based on the derived isotropic and anisotropic models was found to be several hundreds of meters.     

基于碳酸盐岩裂缝岩石物理模型的横波速度和各向异性参数预测

高角度缝隙充填的碳酸盐岩储层可以等效为具有水平对称轴的横向各向同性介质.本文提出了适用于裂缝型碳酸盐岩的岩石物理模型构建流程,重点介绍了在碳酸盐岩各向同性背景中,综合利用微小裂隙模型和线性滑动模型添加缝隙系统,并分析了当缝隙充填不同流体时,各向异性参数随纵横波速比的变化特征.同时本文讨论了裂缝密度和缝隙充填流体对地震反射系数的影响,推导了不同类型流体充填时储层反射系数与裂缝密度的近似关系式,阐述了各向异性流体替换理论,最终实现饱含流体碳酸盐岩裂缝储层的纵横波速度和各向异性参数的估测.选取某碳酸盐岩工区A井对该方法进行试算,结果表明基于碳酸盐岩裂缝岩石物理模型估算的纵横波速度值与测井值吻合较好,而且估测所得的各向异性参数值也能够较好地反映出裂缝储层位置.     

Seismic anisotropy analysis at the Low-Noise Underground Laboratory (LSBB) of Rustrel (France)

Seismic anisotropy of a fractured karstic limestone massif in sub-parallel underground galleries is studied. As the fractures are mostly vertically oriented, the seismic properties of the massif are approximated by horizontal transverse isotropy (HTI). Several data inversion methods were applied to a seismic dataset of arrival-times of P and S-waves.The applied methods include: isotropic tomography, simple cosine function fit, homogeneous Monte-Carlo anisotropic inversion for the parameters of horizontal transverse isotropy and anisotropic tomography for tilted transversely isotropic bodies. All methods lead to the conclusion that there is indeed an anisotropy present in the rock massif and confirm the direction of maximum velocity parallel to the direction of fracturing. Strong anisotropy of about 15% is found in the studied area. Repeated measurements show variations of the P-wave parameters, but not of the S-wave parameters, which is reflecting a change in water saturation.