岩石物理测试分析的Vp-Vs关系式的适用性分析

选取渤海海域古近系19块岩石样品,采用MTS815超声波测试系统进行地层温压状态下的纵波速度与横波速度的测试,获得了上述岩样的纵、横波速度.然后,采用Castagna公式拟合得到了测试数据(纵、横波速度)的Vp-Vs关系式;再采用该关系式和研究区古近系地层的测井(7口取芯井)获得的纵波速度计算横波速度(预测的横波速度);发现预测的横波速度与测井获得的横波速度具有相同的宏观变化规律,但是存在一个常数差值.上述分析结论表明,岩石物理测试获得纵横波速度的关系式不能直接应用于测井的横波速度预测,需要进行常数校正.     

基于地震正交各向异性的裂缝介质岩石力学建模研究

岩石力学模型是描述地层原地应力状态的基础,而常规各向同性模型难以刻画地层本征横观各向同性(VTI)和天然高角度裂缝的耦合作用,建立更为准确的正交各向异性模型变得尤为重要.本文利用VTI介质中发育单组垂直缝的Schoenberg裂缝等效模型,简化了一般正交各向异性介质的表征参数,推导了由背景VTI介质弹性参数和裂缝参数的各向异性杨氏模量、泊松比和水平地应力的精确方程.借鉴Thomsen弱各向异性近似思路,舍去裂缝弱度参数高阶扰动项,推导了正交各向异性介质岩石力学近似方程,由裂缝弱度表示的近似方程更为直观地反映了裂缝对背景介质力学性质的影响,杨氏模量和泊松比值随裂缝法向弱度的增大而显著减小.选取页岩实验数据进行数值实验,结果表明本文方程与实际物理规律相吻合,随裂缝弱度的增加,形成相同应变所需的水平地应力值降低,且近似方程与模拟结果相对误差小于5%,有助于提高岩石力学参数估算和地应力预测精度.     

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.     

VTI介质SH-SH波地震反演方法研究

近年来,随着横波可控震源技术的发展,国内外已经实现了纯横波地震勘探.相较于地震纵波,地震横波对横波阻抗、横波速度尤其是各向异性参数变化更为敏感,因此地震横波能够用来更好地估算上述地层参数.VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)是地层介质中广泛存在的一种各向异性形式,对振幅随偏移距变化(AVO)影响显著.本文提出了一种改进的VTI介质SH-SH波反射系数近似公式,新公式具有较高的精度且仅包含两项待求参数：横波阻抗和水平横波(SH波)速度.基于新方程建立了VTI介质SH-SH波反演方法,该方法相比VTI介质的PP波反演不确定性明显下降,同时降低了常规PP波各向异性反演对大角度数据的要求.为了获得独立的横波各向异性参数,进一步地提出了一种基于岩石物理关系的横波各向异性参数估算方法.合成地震数据测试和柴达木盆地九分量地震勘探实际地震数据应用结果表明,新方法能够准确地预测地层的横波阻抗、水平横波(SH波)速度、各向异性参数,为各向异性地层的岩性解释和油气储层预测提供了可靠的解决方案,从而深化了横波地震勘探的应用潜力.     

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.     

孔隙裂隙型砂岩横波速度预测方法

在地震资料的AVO分析以及储层预测的流体识别分析等中需要横波速度信息,然而目前多数地区缺少横波速度测井,既没有岩石物理测试也没有VSP提供的横波速度信息.以往AVO和储层反演中的横波速度通常依靠经验公式或从纵横波波速度比为常数的假设中得到.这些经验公式往往精度很低,对于AVO特性包括弹性阻抗等特性描述不准确.特别是对储层中流体变化引起的AVO异常无法准确描述.为了获得准确的横波速度信息,我们采用Gassmann方程为基础的孔隙介质理论以及Lee提出来的方法建立了孔隙介质的横波速度模型.以此模型为基础,利用Thomsen的裂隙介质理论建立更加符合实际的含有裂隙的孔隙砂岩模型.预测的横波速度与实际的横波速度的对比证明了本文方法的有效性.     

碳酸盐岩孔洞储层地震岩石物理建模及应用

碳酸盐岩组成复杂,储集层空间类型多,储层参数的规律性较差,AVO响应特征弱,尤其是孔隙形状对弹性参数的影响不可忽略.针对碳酸盐岩储层的特点,基于自洽模型和微分等效模型构建了多孔隙结构条件下多相介质的碳酸盐岩岩石物理模型.按照各相介质体积含量由小到大的顺序,先利用自洽模型计算孔隙度为50%时的双相等效介质,再通过微分等效模型将孔隙度调整至实际孔隙度,计算实际孔隙条件下的双相介质等效体,重复迭代该过程,最终构建出与实际岩石等效的介质体,计算获得等效岩石的弹性模量参数.通过实验对比了自洽模型、微分等效模型与自洽-微分等效模型的岩石弹性模量与孔隙度、孔隙纵横比之间的适用性规律.最后基于四川龙岗飞仙关组实际测井资料,结合自洽-微分等效模型进行了目标地层的横波预测.结果显示该模型的横波预测效果相对Xu-Payne模型预测,两者预测曲线比较接近,但在形态上更接近实际横波.SCA-DEM模型在孔隙度和孔隙纵横比上具有更好的适应性,为碳酸盐岩孔洞型储层的岩石物理建模提供了一种新参考.     

基于变形P-L模型的矩阵方程迭代精细横波预测

横波速度预测问题的关键有两个,一是如何建立合理的岩石物理模型,二是针对建立的横波预测目标函数,如何准确高效地求解.针对第一个问题,对Pride模型和Lee模型(P-L模型)进行变形,提出拟固结指数的概念,将干岩石模量和岩石基质模量相联系,变形后的P-L模型在没有降低P-L模型准确度的情况下简化了问题的复杂度,建立起了饱和流体岩石弹性模量与干岩石模量、岩石基质模量、混合流体模量之间的关系,进而计算理论上的纵波速度,并通过比较实测纵波速度与计算的理论纵波速度大小,最终建立了横波预测的目标函数.针对第二个问题,借鉴了地震反演的思路,将该目标函数的最优化问题转化为线性矩阵方程组迭代求解问题,通过几步迭代就可以求解出合适的拟固结指数,进而得到预测横波速度.实际验证和应用表明,该横波预测方法具有很好的稳定性和准确性,并且岩石物理模型的构建和目标函数的求解思路可用于其他储集类型地层的横波预测.     

测井资料Xu-White模型预测横波速度的一些新观点

目前横波预测的方法大致可以分为两种:经验公式预测和理论岩石物理模型。由于经验公式预测一般具有区域性,研究者更重视岩石物理模型预测。目前大多数岩石物理模型预测横波的方法假定地下流体的物性参数(速度和密度)不受地层深度的影响,且孔隙扁率是恒定的,实际上这并不科学。因为矿物的体积模量和剪切模量随所处地层深度发生改变,而对于孔隙扁率则随颗粒形状、孔隙度等的变化有较大变化。针对这些情况,提出一种新的改进的Xu-White横波预测方法,并可取得较好的效果。     

基于正交各向异性介质理论的地应力地震预测方法

地应力是评价页岩气储层是否可压裂成网的重要参数.利用地震资料进行地应力参数预测可以根据水平应力差异比(DHSR,Differential Horizontal Stress Ratio)值大小来判断.现阶段计算水平应力差异比主要基于具有对称轴的横向各向同性介质理论,即HTI介质假设,欠缺对页岩中实际大量存在的VTI特征的考虑.本研究同时考虑页岩气地层VTI和HTI特征的作用,利用正交各向异性介质岩石物理关系,推导出水平应力差异比与弹性参数及各向异性参数之间的关系.首先,在分析应力应变本构方程的基础上,对正交各向异性介质(OA)的本构方程进行推导,通过胡克定律一般形式获得正交各向异性介质的应力和应变关系;其次,利用该应力和应变关系推导出最大水平应力、最小水平应力和水平应力差异比与地层弹性参数和各向异性参数的关系并定义了参数正交各向异性水平应力差异比(ODHSR,Orthorhombic Differential Horizontal Stress Ratio);最后,对正交各向异性水平应力差异比ODHSR与具有水平对称轴的横向各向同性介质的DHSR进行了对比,证明了本文的正交各向异性水平应力差异比(ODHSR)计算公式.     

横观各向同性页岩岩石物理模型建立——以龙马溪组页岩为例

在龙马溪页岩微观物性特征分析的基础上,综合利用测井解释、微观测试分析资料,建立了一种适用于龙马溪页岩的横观各向同性岩石物理模型,该模型建模过程：将各向异性SCA和DEM模型联合模拟得到的黏土和干酪根混合物作为背景介质;采用SCA模型对脆性矿物混合物进行模拟,利用各向异性DEM将脆性矿物混合物添加到背景介质;进一步将空孔隙添加到页岩基质,并利用Brown-Korringa模型进行各向异性条件下的流体替换,从而得到横观各向同性页岩岩石物理模型.通过对四川盆地A井龙马溪页岩进行岩石物理建模分析,计算了孔隙纵横比、纵横波速、各向异性系数和弹性参数,检验了模型的准确性.研究结果表明：矿物颗粒和孔隙纵横比是影响模型精度的关键参数,黏土和干酪根颗粒纵横比为0.05,图像识别获得的脆性矿物颗粒纵横比主要分布于0.45~1.0（集中分布于0.5~0.85）,横波波速反演获得的孔隙纵横比主要分布于0.1~0.3（平均值约为0.22）;模型预测和实测纵波波速之间误差为-2.40%~2.21%（平均绝对误差仅1.20%）,预测和实测横波波速之间误差为-1.93%~1.42%（平均绝对误差仅0.64%）,证实了本文模型的准确性和精度.本文模型能够准确计算页岩5个独立的刚度系数,为页岩弹性参数、声波波速、各向异性和脆性分析提供了有效手段,也为后续地球物理和工程地质参数分析提供了重要依据.     

基于方位地震数据的地应力反演方法

在页岩油气藏的开发和勘探阶段,需要对储层进行水力压裂改造,形成有利于油气聚集和运移的裂缝.地应力是进行水力压裂改造的重要参数,能够决定裂缝的大小、方向以及分布形态,影响着压裂的增产效果,且最大和最小水平应力差异比（ODHSR,Orthorhombic Differential Horizontal Stress Ratio）是评价储层是否可压裂成网的重要因子.本文探讨了基于地震数据估算地应力的方法,以指导页岩气的水力压裂开发.首先,利用叠前方位地震数据反演得到地层的弹性参数和各向异性参数;其次,基于正交各向异性水平应力差异比近似公式,利用反演得到的弹性参数和各向异性参数估算地层的ODHSR;最后,选取某工区的裂缝型页岩储层的叠前方位地震数据对该方法进行实际应用.实际工区地震数据应用表明,基于叠前方位地震数据反演得到的ODHSR能够有效的识别储层中易于压裂成网的区域.     

龙马溪组页岩数字岩心动态法弹性等效数值建模

数字岩心是计算岩石弹性性质的一类常用方法.龙马溪组页岩具有多矿物构成、复杂微结构和强非均质等特征,常规岩石物理的弹性等效解析建模局限性较大,目前流行的静态数值等效建模方法的精度有限.本文基于高分辨率的页岩数字岩心数据,采用多阈值分割方法将数字岩心分解为黏土、石英、孔隙、TOC、长石类、黄铁矿类等六种矿物类型;利用矿物组分等效模量法计算各类矿物的弹性模量;采用二元函数分水岭方法表征不同压力下的岩石孔隙变形和颗粒接触关系变化;通过取向分布函数(ODF)定量分析矿物颗粒展布造成的各向异性特征.最后基于Biot孔弹方程,采用不分裂卷积完全匹配层(CPML)旋转交错网格有限差分法模拟不同压力下弹性波在数字岩心中的传播.以未加压的数字岩心为参考模型,计算不同压力下弹性波走时的平均时间差,进而估算各压力点的数字岩心等效速度.与该岩心样品的超声实验测量速度比较,动态法数值计算结果略偏高,据此校正数值计算过程中表征岩石微结构及颗粒接触关系随压力变化的二元函数,有效改善动态法弹性等效数值建模精度.     

Influence of Bedding and Mineral Composition on Mechanical Properties and Its Implication for Hydraulic Fracturing of Shale Oil Reservoirs

The premise of hydraulic fracturing is to have an accurate and detailed understanding of the rock mechanical properties and fracture propagation law of shale reservoirs. In this paper, a comprehensive evaluation of the mechanical properties of the shale oil reservoir in the south of Songliao Basin is carried out. Based on the experiments and the in-situ stress analysis, the fracture propagation law of three types of shale reservoirs is obtained, and the suggestions for fracturing are put forward. The results have shown that the fracture propagation of pure shale and low mature reservoir is easy to open along the bedding plane under compression loading, which is greatly influenced by the bedding. Sand-bearing shale is slightly better, the fractures of which are not easy to open along the bedding plane. The mechanical experimental results show that all the samples have the characteristics of low compressive strength, low Young''s modulus and strong anisotropy, indicating that the shale oil reservoir is certain plastic, which is related to its high clay mineral content and controlled by the bedding development. Compared with pure shale and low mature shale, the sand-bearing shale has less clay content and less developed bedding, which maybe the main reason for its slightly better brittleness. Overall, the expansion of hydraulic fracture is controlled by in-situ stress and bedding. Because of the development of bedding, it is easy to form horizontal fractures. Thus it is not suitable for horizontal well fracturing. Because of the high content of clay minerals, the applicability of conventional slick hydraulic fracturing fluid is poor. It is suggested to use vertical well or directional well to carry out volume fracturing. In this way, the effect of bedding can be effectively used to open and connect the bedding and form a larger fracture network.     

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.     

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.     

Seismic inversion for underground fractures detection based on effective anisotropy and fluid substitution

Underground fractures play an important role in the storage and movement of hydrocarbon fluid. Fracture rock physics has been the useful bridge between fracture parameters and seismic response. In this paper, we aim to use seismic data to predict subsurface fractures based on rock physics. We begin with the construction of fracture rock physics model. Using the model, we may estimate P-wave velocity, S-wave velocity and fracture rock physics parameters. Then we derive a new approximate formula for the analysis of the relationship between fracture rock physics parameters and seismic response, and we also propose the method which uses seismic data to invert the elastic and rock physics parameters of fractured rock. We end with the method verification, which includes using well-logging data to confirm the reliability of fracture rock physics effective model and utilizing real seismic data to validate the applicability of the inversion method. Tests show that the fracture rock physics effective model may be used to estimate velocities and fracture rock physics parameters reliably, and the inversion method is resultful even when the seismic data is added with random noise. Real data test also indicates the inversion method can be applied into the estimation of the elastic and fracture weaknesses parameters in the target area.     

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.