基于等效介质理论的煤层气储层岩石物理建模与应用

地震岩石物理建模作为表征油气储层物性参数与地震参数间映射关系的主流工具,鲜有应用于煤层气储层,关键制约因素在于煤层气储层特有的吸附气和双重孔隙的等效计算问题尚未有效解决.为此,本文将吸附气视为类似煤基质的固相,将双重孔隙分解为基质孔隙和裂隙两部分;尝试利用自相容近似模型计算煤基质、吸附气和基质孔隙混合后煤基质干骨架的等效纵、横波速度,通过Mori-Tanaka模型和Brown-Korringa各向异性流体替换理论加入裂隙和流体,以此构建煤层气储层岩石物理模型.在此基础之上,通过正演模拟分析基质孔隙参数、吸附气含量以及裂隙参数的等效纵、横波速度响应;基于模型反演基质孔隙和裂隙参数,并将基于模型预测的纵、横波速度与实测数据对比,论证所构建的煤层气储层岩石物理模型的合理性.进一步通过制作岩石物理量版,探讨煤层气"甜点区"界定的两个关键参数——吸附气含量和脆性指数与储层物性参数(基质孔隙度、裂隙孔隙度)以及地震参数间的关系.结果表明:吸附气含量的变化引起的纵、横波速度、纵横波速度比和纵波阻抗变化微弱,引起的流体因子参数(λρ和μρ)变化略显著;基质孔隙度变化引起的地震参数响应显著强于吸附气含量;裂隙孔隙度与两种脆性指数间均具有明显的负相关性,可认为是煤层气储层脆性的主要影响因素.     

复杂孔隙储层三维岩石物理模版

复杂孔隙储层往往同时发育孔缝洞等多种孔隙类型,这种孔隙结构的复杂性使得岩石的速度与孔隙度之间的相关性很差.经典的二维岩石物理模版只研究弹性参数与孔隙度和饱和度之间的定量关系,而不考虑孔隙结构的影响,用这样的模版来预测复杂孔隙储层的物性参数时带来很大偏差.本文首先证明多重孔隙岩石的干骨架弹性参数可以用一个等效孔隙纵横比的单重孔隙岩石物理模型来模拟;进而基于等效介质岩石物理理论和Gassmann方程,建立一个全新的三维岩石物理模版,用它来建立复杂孔隙岩石的弹性性质与孔隙扁度及孔隙度和饱和度之间的定量关系;在此基础上,预测复杂储层的孔隙扁度、孔隙度以及孔隙中所包含的流体饱和度.实际测井和地震反演数据试验表明,三维岩石物理模版可有效提高复杂孔隙储层参数的预测精度.     

多孔可变临界孔隙度模型及储层孔隙结构表征

碳酸盐岩、致密砂岩和页岩等储层具有孔隙类型多样、孔隙结构复杂和非均质性强等特征,属于典型的多重孔隙储层,孔隙结构表征是多重孔隙储层预测和流体识别的关键.现有的孔隙结构表征方法大多利用孔隙纵横比或者构建一种新参数来描述孔隙结构.岩石临界孔隙度模型是一种常用的岩石物理模型,具有一定的物理意义和地质含义.本文推导了岩石临界孔隙度与岩石孔隙结构(孔隙纵横比)之间的关系,进而利用极化(形状)因子建立临界孔隙度与弹性参数之间的关系,构建了能够包含多种孔隙类型的多孔可变临界孔隙度模型.利用多孔可变临界孔隙度模型由储层的弹性参数反演不同孔隙类型的体积含量.实验室测量数据和实际测井数据表明,多孔可变临界孔隙度模型能够适用于多重孔隙储层岩石物理建模和孔隙结构表征.     

非均质碳酸盐岩储层岩石物理建模:孔隙度估算与烃类检测(英文)

在非均质天然气藏中,天然气一般呈细小"斑块状"分布于含水岩石骨架内。这种非均质性,即"斑块状饱和",会引起显著的地震波速度频散和能量衰减现象。为了建立地震响应和流体类型之间的联系,本文进行了碳酸盐岩岩石物理建模。首先利用CT扫描分析部分饱和岩石中的流体分布,然后预测不同频率下波响应与岩性、孔隙流体基本性质之间的定量关系,基于岩石薄片分析孔隙结构和地震反演数据制作岩石物理图板,并将这种方法应用于阿姆河右岸地区的灰岩气藏,基于叠后阻抗反演和叠前弹性参数反演,采用地震数据估算岩石孔隙度与含气饱和度,预测结果与多井试气结果吻合。     

储层砂岩声波速度预测

本文主要基于Ｇａｓｓｍａｎｎ方程和经验规律，提出了孔隙流体替代和孔隙度改变时对砂央地震波速度变化的估计，以及直接利用岩石矿物和孔隙流体的弹性性质计算砂岩地震波速度方法，利用已知的岩芯，测井或地震数据，运用这此方法，可合理地对储层砂岩地震波速度进行预测。     

致密砂岩气藏裂隙-孔隙型弹性岩石物理模板研究:以川西坳陷A区为例

相对于常规砂岩,致密砂岩在岩石物理性质、力学性质等方面具有明显差异,并呈现出很强的非均质性.岩石物理模型能将储层参数与地震特性信息联系起来,因此可以作为致密砂岩储层参数与地震特性信息转换的桥梁.常规的岩石物理模型通常只考虑单一因素(例如非均匀性,单一孔隙,单一尺度等),建立的岩石物理模板并不适用于致密砂岩.本文针对高饱和气、微裂隙发育、非均质性强的致密砂岩储层,利用Voigt-Reuss-Hill模型计算混合矿物的弹性模量,采用微分等效介质(DEM)模型描述含裂隙、孔隙岩石的骨架弹性模量,基于Biot-Rayleigh波动方程构建了岩石物理弹性模板,给出了致密砂岩储层弹性参数与物性的关系.基于测井数据和实验数据对岩石物理弹性模板进行校正,并将校正后的岩石物理弹性模板结合叠前地震资料应用于川西地区储层孔隙度与裂隙含量预测.结果显示,反演裂隙含量、孔隙度与储层试气报告、测井孔隙度基本吻合,表明该模板能够较合理地应用于致密砂岩储层孔隙度及裂隙含量解释中.     

基于有效流动孔隙的低孔渗泥质砂岩储层渗透率确定方法

针对低孔渗储层渗透率主要受孔隙结构影响致使利用常规孔隙度和束缚水饱和度等参数预测渗透率精度低的难题,依据低孔渗岩石孔隙中流体渗流的特点,考虑岩石孔隙空间中对流体渗流贡献最大的那一部分孔隙,引入有效流动孔隙概念,以提高低孔渗岩石渗透率计算精度.考虑岩性、物性、电性变化,设计岩石物理实验,根据压汞实验数据计算岩样对应不同孔隙半径的进汞孔隙度与渗透率之间的相关系数,制作相关系数与孔隙半径交会图,将相关系数达到某一值(如0.8)对应的孔隙半径确定为有效流动孔隙半径下限,其对应的进汞孔隙度确定为有效流动孔隙度实验分析值.依据水流与电流流动相似性原理,从导电角度推导有效流动孔隙度的计算公式.对于含水低孔渗泥质岩石,将束缚水和粘土水看成不导电干骨架,采用能够描述孔喉比的等效岩石元素模型推导出只有可动水孔隙存在的低孔渗岩石地层因素的公式;根据有效流动孔隙的含义,只有可动水孔隙存在的低孔渗岩石的有效流动孔隙可以等效为具有相同岩石体积和地层因素且由骨架和弯曲毛细管组成的岩石结构中的毛管孔隙,根据弯曲毛管模型推导出地层因素与有效流动孔隙度关系式,结合两式可得到有效流动孔隙度的表达式.根据实验数据采用最优化方法确定公式中参数,从而给出有效流动孔隙度计算式.统计有效流动孔隙度实验值与岩心分析渗透率关系,回归得到低孔渗泥质岩石渗透率的计算式.对B区X1、X2井低孔渗储层进行处理,从实际应用效果方面证实该方法提高了低孔渗泥质储层渗透率计算精度.     

双相介质的AVO正演模拟

岩石的孔隙度、流体饱和度等信息是影响地震波振幅随炮检距变化（AVO）的重要因素.本文在实验给定了岩石的物性参数（孔隙度及孔隙流体的不同相态）,利用Gassmann方程计算储层条件下的纵、横波速度,通过模拟不同类型的孔隙流体的地震响应,研究双相介质中流体成分的变化对地震反射波AVO的影响.     

岩石物理驱动的相约束叠前地震概率化反演方法

地震岩石物理是连接岩石弹性参数与储层物性参数的桥梁,叠前地震反演是实现地下岩石弹性、物性、岩性及含流体性质定量表征的重要方法.文章构建了碎屑岩地震岩石物理高阶近似模型,推导了利用岩石模量高阶近似(Jacobian、Hessian矩阵)表征的叠前地震AVO反射特征方程,并分析了岩石孔隙度、泥质含量及流体饱和度对AVO反射率的贡献度,探讨了此方程在岩石物性参数直接预测方面的可行性.以此为基础,在待反演模型参数服从混合概率先验模型的前提下,文章提出了基于差分进化-马尔可夫链蒙特卡罗随机模型的相约束叠前地震概率化反演方法,兼具差分进化算法的全局寻优特性和马尔可夫链蒙特卡罗模型的不确定性分析能力;通过多条马尔可夫链的交叉并行,可以同步获得待反演模型参数的多个随机解,进而模拟待反演模型的后验概率密度分布,后验均值作为待反演模型的最优解,方差与置信区间用来评价反演结果的不确定性,实现储层弹性、物性、离散岩相及干岩石骨架等参数的同步预测.通过理论试验和实际资料处理验证了该理论方法的有效性.     

基于弹性阻抗的孔隙结构与物性参数非线性同步反演

碳酸盐岩储层具有复杂的孔隙结构,其显著影响了岩石的弹性和地震响应特征,也影响物性参数预测精度.现有的岩石物理反演方法主要是针对碎屑岩储层,反演的对象主要是孔隙度和饱和度,采用的数据主要是弹性参数,使用的算法主要是线性近似法,缺少针对碳酸盐岩储层的孔隙结构与物性参数反演方法.针对这些问题,文章首次提出了一种基于弹性阻抗的适用于碳酸盐岩复杂孔隙储层的孔隙结构和物性参数贝叶斯非线性同步反演新方法,该方法把多孔介质岩石物理模型、Gassmann方程、AVO理论、贝叶斯理论和非线性反演算法结合起来,实现复杂孔隙储层的孔隙结构和物性参数的定量同步预测.模型正演揭示,孔隙结构参数即孔隙扁度对AVO反射系数和弹性阻抗的贡献度仅次于孔隙度,远远大于含水饱和度的影响.实际资料应用表明,文章提出的从叠前道集中直接反演物性参数和等效孔隙扁度新方法可以准确预测储层孔隙度和饱和度及其空间展布,并可评价有效储层的孔隙结构.     

含流体砂岩地震波频散实验研究

为了研究孔隙流体对不同渗透率岩石地震波速度的影响,在实验室利用跨频带岩石弹性参数测试系统得到了应变幅值10-6的2~2000Hz频段下的地震波速度和1 MHz频率下的超声波速度,利用差分共振声谱法得到了频率600Hz岩石干燥和完全饱水情况下岩石声学参数.实验表明,在低饱和度下,致密砂岩在地震和超声频段下没有明显的频散;在高饱和度下纵波速度的频散变得明显.从干燥到完全水饱和条件,不同频率测量的致密砂岩的体积模量随岩石孔隙度增高而降低,且体积模量的变化量受岩石微观孔隙结构的影响较大.高孔、高渗砂岩无论在低含水度下还是在高含水饱和度下频散微弱,并且在地震频段下围压对于岩石纵横波速度的影响要大于频率的影响.高孔、高渗砂岩和致密砂岩不同含水饱和度下的频散差异可应用于储层预测,油气检测等方面,同时该研究可以更好地帮助理解岩石的黏弹性行为,促进岩石物理频散理论的发展,提高地震解释的精度.     

Velocities of compressional and shear waves in limestones

Carbonate rocks are important hydrocarbon reservoir rocks with complex textures and petrophysical properties (porosity and permeability) mainly resulting from various diagenetic processes (compaction, dissolution, precipitation, cementation, etc.). These complexities make prediction of reservoir characteristics (e.g. porosity and permeability) from their seismic properties very difficult. To explore the relationship between the seismic, petrophysical and geological properties, ultrasonic compressional‐ and shear‐wave velocity measurements were made under a simulated in situ condition of pressure (50 MPa hydrostatic effective pressure) at frequencies of approximately 0.85 MHz and 0.7 MHz, respectively, using a pulse‐echo method. The measurements were made both in vacuum‐dry and fully saturated conditions in oolitic limestones of the Great Oolite Formation of southern England. Some of the rocks were fully saturated with oil. The acoustic measurements were supplemented by porosity and permeability measurements, petrological and pore geometry studies of resin‐impregnated polished thin sections, X‐ray diffraction analyses and scanning electron microscope studies to investigate submicroscopic textures and micropores. It is shown that the compressional‐ and shear‐wave velocities (V_p and V_s, respectively) decrease with increasing porosity and that V_p decreases approximately twice as fast as V_s. The systematic differences in pore structures (e.g. the aspect ratio) of the limestones produce large residuals in the velocity versus porosity relationship. It is demonstrated that the velocity versus porosity relationship can be improved by removing the pore‐structure‐dependent variations from the residuals. The introduction of water into the pore space decreases the shear moduli of the rocks by about 2 GPa, suggesting that there exists a fluid/matrix interaction at grain contacts, which reduces the rigidity. The predicted Biot–Gassmann velocity values are greater than the measured velocity values due to the rock–fluid interaction. This is not accounted for in the Biot–Gassmann velocity models and velocity dispersion due to a local flow mechanism. The velocities predicted by the Raymer and time‐average relationships overestimated the measured velocities even more than the Biot model.     

致密碳酸盐岩跨频段岩石物理实验及频散分析

致密碳酸盐岩在成岩和后成岩过程中形成了复杂的孔隙结构特征,其速度等地震弹性参数不仅与孔隙度有关,而且还与孔隙结构特征密切相关.为了进一步研究致密碳酸盐岩内部流体相关的速度频散特征,针对致密碳酸盐岩进行实验室的频散测量与频散理论分析尤为重要.本研究选用了一块典型的致密型碳酸盐岩样品,在对样品进行了精细的包括CT扫描与镜下薄片的孔隙结构描述基础上,进行了实验室跨频段(从地震频段-超声频段)的频散测量与频散响应分析.比较实验室跨频段岩石物理频散测量可以获得如下认识:1)较之于典型的"喷射流"机制,改进的"喷射流"模型可以半定量地解释频散测量的结果,这大大提高了对致密碳酸盐岩频散响应的理解与认识;2)改进的"喷射流"模型还不能完全精确地匹配实验室频散测量结果,这说明除了微观尺度下的"喷射流"机制,还存在着其他控制频散与衰减的机制;3)本项工作对研究致密碳酸盐岩储层中不同频段地震波响应以及对储层预测与流体识别提供了理论依据.     

岩石物理弹性参数规律研究

根据辽东湾凹陷某区在地层条件和不同流体相态(气饱和、水饱和等)下岩石纵波速度、横波速度及密度等岩心测试数据,以及岩石矿物成分、孔隙度等常规岩心分析数据,统计分析了岩石弹性参数变化规律.采用有效流体模型、斑块饱和模型进行了纵、横波速度理论计算,并和实验测量结果比较,认为高孔、高渗岩石可以看作有效流体模型,低孔、低渗岩石更接近斑块饱和模型.这些规律和认识对于指导储层预测和油气检测及地震振幅综合解释有重要的意义.     

碳酸盐岩孔隙结构参数构建与储层参数反演(英文)

碳酸盐岩储层孔隙结构相对碎屑岩更复杂,常用的岩石物理模型不能较好的描述其孔隙结构的变化规律,且岩石孔隙结构的差异较大程度上会影响岩石的弹性性质。本文首先利用岩石薄片分析了碳酸盐岩的微观孔隙结构。然后基于Gassmann方程和Eshelby-Walsh椭球包体裂缝理论,在合理的假设前提下给出了一种新的岩石物理建模方法,并且从中提取了一个参数来表征孔隙结构的变化规律。最后,基于全波列测井数据,我们利用该方法计算了单井的孔隙度,并与用常规方法预测的结果进行了比较,同时进行了地震储层参数反演。研究结果表明,孔隙结构对岩石的弹性性质的影响较大,且新的建模方法预测的孔隙度误差仅为0.74%。因此,该方法可有效的减小孔隙结构对计算各岩石弹性参数的影响并提高孔隙度的预测精度。     

基于数字岩心的碳酸盐岩孔隙结构对弹性性质的影响研究(下篇):储层孔隙结构因子表征与反演

碳酸盐岩复杂的孔隙结构如何影响其弹性性质一直是地球物理研究的难点问题,在此基础上如何半定量甚至是定量地对碳酸盐岩储层预测,特别是如何有效地获取孔隙结构参数相关的地震属性体一直是油气工业界追求的目标,本研究从数字岩心角度入手,联合测井以及地震数据尝试探究这一问题的解决方案.首先针对代表不同孔隙结构类型的有限数目的碳酸盐岩样品获得其对应的高精度数字岩心数据体,为了获得更加可靠的具有地球物理含义的弹性性质随孔隙度变化的统计规律,我们通过子网格的技术,在有限数目的碳酸盐岩数字岩心数据体上获得了大量的数字岩心子网格样本,对于每个子网格样本可以分别获得其对应的数字岩心图像孔隙度、表征孔隙软硬程度的孔隙结构参数(γ)、以及基于有限元法模拟的弹性性质,由此基于数字岩心的研究思路,我们最终获得了基于孔隙结构因子表征与分类下的弹性性质与孔隙度的定量化解释量版.与此同时,在地震尺度上通过叠前地震资料获取的纵横波及密度属性体后,基于如上获得的定量化解释量版,我们最终获得了针对碳酸盐岩储层的新的属性体——孔隙结构参数(γ)属性体,这使得在地震尺度上预测碳酸盐岩储层的孔隙结构类型成为可能,也使利用地震数据在孔隙结构参数表征与分类下的碳酸盐岩储层反演精度的提高成为可能.     

碳酸盐岩跨频段岩石物理测量与理论建模——不同孔隙结构对碳酸盐岩频散与衰减的影响研究

碳酸盐岩孔隙结构类型复杂多样,当地震波经过含有不同孔隙结构的流体饱和岩石后往往会产生不同的波频散和衰减特征,这使得根据波的不同响应特征来推断碳酸盐岩的孔隙结构类型,甚至孔隙流体性质信息成为可能.本文针对白云岩、灰岩以及人工碳酸盐岩样品开展了跨频段（超声+低频）实验测量和理论建模,探索碳酸盐岩的孔隙结构类型和孔隙流体对模量频散和衰减的影响机制.首先根据铸体薄片、扫描电镜的图像对碳酸盐岩样品进行了孔隙结构类型分析,并将样品主要分为裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三类,然后测量了相应样品完全饱和流体后在不同围压下的模量频散与衰减.在完全饱和甘油并处于低围压时,裂缝型与孔洞型样品均出现一个衰减峰,分别位于1 Hz与100 Hz附近,而裂缝-孔隙型样品则具有两个衰减峰,一个在1 Hz附近,另一个在100 Hz附近.裂缝型样品（裂缝主导）的衰减峰相比孔洞型样品（中等刚度孔隙主导）对应的衰减峰在低围压下幅度更大,且对围压变化更敏感.在测量数据的基础上,建立了考虑纵横比分布的软孔隙和中等刚度孔隙的喷射流模型,认为该模型能一定程度上解释裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三种类型碳酸盐岩在测量频带的频散.以上研究加深了对不同孔隙类型主导的碳酸盐岩储层地震响应特征的认识,对储层预测工作的进一步精细化具有重要意义.     

基于数字岩心的碳酸盐岩孔隙结构对弹性性质的影响研究(上篇):图像处理与弹性模拟

碳酸盐岩复杂的孔隙结构如何影响其弹性性质一直是地球物理研究的难点问题,在此基础上如何半定量甚至是定量地对碳酸盐岩储层预测,特别是如何有效地获取孔隙结构参数相关的地震属性体一直是油气工业界追求的目标.本研究从数字岩心角度入手,联合测井以及地震数据尝试探究这一问题的解决方案,包括如下几个方面:(1)代表性碳酸盐岩储层样品获取;(2)CT扫描数字岩心数据体获取;(3)数字岩心数据的图像处理;(4)数字岩心数据的静态弹性模拟;(5)数字岩心子数据体的孔隙结构因子提取;(6)孔隙结构因子表征与分类下的弹性性质与孔隙度的定量化量版建立;(7)数字岩心-井-地震联合的孔隙度属性提取;(8)孔隙结构因子的地震属性体获取.本研究分为两篇系列文章上篇与下篇,上篇主要阐述如上提出的(1)—(4)方面,重点在于针对碳酸盐岩二值化图像处理的流程建立与验证,以及数字岩心静态弹性模拟的理论方面,这两方面是基于数字岩心获得精确的碳酸盐岩弹性性质模拟结果的关键所在;下篇主要阐述利用数字岩心数据获得孔隙结构因子的思路、理论与流程,以及为碳酸盐岩储层预测为目标而获得孔隙结构因子的地震属性体的实际应用方面.由于两篇文章共享数字岩心数据,同时所涉及的研究思路与流程形成一个有机整体,因此写成两篇系列文章而非两篇独立文章.本文为两篇系列文章的第一篇:上篇.     

Influence of pore pressure on velocity in low-porosity sandstone: Implications for time-lapse feasibility and pore-pressure study

As seismic data quality improves, time‐lapse seismic data is increasingly being called upon to interpret and predict changes during reservoir development and production. Since pressure change is a major component of reservoir change during production, a thorough understanding of the influence of pore pressure on seismic velocity is critical. Laboratory measurements show that differential pressure (overburden minus fluid pressure) does not adequately determine the actual reservoir conditions. Changes in fluid pressure are found to have an additional effect on the physical properties of rocks. The effective‐stress coefficient n is used to quantify the effect of pore pressure compared to confining pressure on rock properties. However, the current practice in time‐lapse feasibility studies, reservoir‐pressure inversion and pore‐pressure prediction is to assume that n= 1. Laboratory measurements, reported in both this and previous research show that n can be significantly less than unity for low‐porosity rocks and that it varies with porosity, rock texture and wave type. We report the results of ultrasonic experiments to estimate n for low‐porosity sandstones with and without microcracks. Our results show that, for P‐waves, n is as low as 0.4 at a differential pressure of 20 MPa (about 3000 psi) for a low‐porosity sandstone. Thus, in pore‐pressure inversion, an assumption of n= 1 would lead to a 150% underestimation of the pore pressure. Comparison of the effective‐stress coefficient for fractured and unfractured samples suggests that the presence of microfractures increases the sensitivity of P‐wave velocity to pore pressure, and therefore the effective‐stress coefficient. Our results show that the effective‐stress coefficient decreases with the differential pressure, with a higher differential pressure resulting in a lower effective‐stress coefficient. While the effective‐stress coefficient for P‐wave velocity can be significantly less than unity, it is close to one for S‐waves.     

Quantitative geophysical pore‐type characterization and its geological implication in carbonate reservoirs

This paper discusses and addresses two questions in carbonate reservoir characterization: how to characterize pore‐type distribution quantitatively from well observations and seismic data based on geologic understanding of the reservoir and what geological implications stand behind the pore‐type distribution in carbonate reservoirs. To answer these questions, three geophysical pore types (reference pores, stiff pores and cracks) are defined to represent the average elastic effective properties of complex pore structures. The variability of elastic properties in carbonates can be quantified using a rock physics scheme associated with different volume fractions of geophysical pore types. We also explore the likely geological processes in carbonates based on the proposed rock physics template. The pore‐type inversion result from well log data fits well with the pore geometry revealed by a FMI log and core information. Furthermore, the S‐wave prediction based on the pore‐type inversion result also shows better agreement than the Greensberg‐Castagna relationship, suggesting the potential of this rock physics scheme to characterize the porosity heterogeneity in carbonate reservoirs. We also apply an inversion technique to quantitatively map the geophysical pore‐type distribution from a 2D seismic data set in a carbonate reservoir offshore Brazil. The spatial distributions of the geophysical pore type contain clues about the geological history that overprinted these rocks. Therefore, we analyse how the likely geological processes redistribute pore space of the reservoir rock from the initial depositional porosity and in turn how they impact the reservoir quality.