西非深水区弱固结浊积砂岩岩石物理模型研究及其应用

深水浊积砂岩油气藏是当今世界油气勘探开发的热点目标,西非安哥拉深水区油气资源丰富、潜力巨大.该区第三系深水浊积砂岩埋深浅、成岩作用弱,致使地震反射纵波速度及其阻抗对有利砂岩储层和围岩的区分效果不明显;基础数据的制约如部分井声波或密度资料缺乏或存在质量问题等,给利用井震信息开展地震反演预测带来严重影响.本文旨在研究一套适合该地区储层预测的弱固结浊积砂岩岩石物理技术.为此,通过实际资料的反复论证,提出了拟合推理法确定矿物骨架弹性参数,并对等球颗粒模型进行了改进,创建了适合该地区弱固结浊积岩岩石物理模板,实现了测井曲线的合理校正和横波预测.以此为基础,进一步开展了叠前地震反演和储层的分布预测.结果表明,浊积砂储层预测精度达85%.因此,该岩石物理技术在西非深水区弱固结浊积砂岩的应用是可行的.     

有效应力变化对致密砂岩孔隙结构及弹性波响应的影响规律

致密砂岩气藏具有裂缝发育和有效应力高的特征,研究不同有效压力下孔、裂隙介质地震波传播特征,有利于地震解释与地下储层的识别.但是前人的研究较少考虑岩石内部微观孔隙结构特征与孔隙、裂隙间流体流动的关系.本文首先通过选取四川盆地典型致密砂岩岩样,在不同有效压力下对岩石样本进行超声波实验测量.然后基于实验测得的纵、横波速度进行裂隙参数反演,得到不同有效压力下致密砂岩样本的裂隙孔隙度.再将裂隙孔隙度和样本岩石物理参数代入双重孔隙介质模型,模拟得到不同有效压力下饱水致密砂岩样本纵横波速度频散和衰减的变化规律.结果表明模型预测的速度频散曲线与纵波速度实验测量结果能够较好的吻合.最后统计分析了致密砂岩裂隙参数,得到了致密砂岩储层裂隙参数随有效压力及孔隙度变化特征.依据实际岩石物理参数建立模型,其裂隙参数三维拟合结果能够较好描述致密砂岩裂隙结构与孔隙度、应力的关联,可为实际地震勘探中预测储层裂缝性质提供基础依据.     

层状孔隙介质孔隙度对地震属性影响分析

孔隙度是储层的重要参数之一,学者提出了多种根据地震属性分析孔隙度大小的方法.然而,层状孔隙介质中孔隙度对地震属性的影响至今没有系统的论述.鉴于此,本文建立了两种类型储层:其一为深度压实,固结程度好的储层;其二为欠压实,固结程度差的储层.对于上述两种类型储层,通过理论和数值模拟,分析了孔隙度对地震属性(与频率相关)的影响.研究表明,对于深度压实储层,反射系数随孔隙度的增加而减小;对于欠压实储层,反射系数随孔隙度的增加而增加.     

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.     

地下介质三维模型中界面的描述方法

介质模型可分为离散模型和连续模型，离散模型，使用规则网格或不规则网格将空间离散化，网格内介质参数不变，对连续模型，可用解析函数描述，或者由插值方法得到介质参数的空间分布，连续模型的描述，要素之一是界面的描述方法，本文借助计算机图形学和计算机辅助几何设计中发展起来的曲线和曲面技术，使用参数形式的Coons曲面、Bezier曲面、B样条曲面和三角形面片，描述三维地质构造,结合地震勘探采集系统设计的实际需要，给出一种三角形面片的模型描述方案。     

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.     

运用分形方法模拟地震勘探中的三维随机介质

实际的地震勘探遇到的是复杂随机介质,常规层状介质地震波场理论已经不能适应于高精度地震工作,需要进一步发展非均匀介质地震波场理论.本文首次给出了运用分形方法建立三维随机介质的具体算法;其次引入了三维锥形函数来压制建模时产生的离散误差;最后,通过建立几种三维随机介质模型来讨论尺度系数和豪斯特指数对模拟结果的影响,并且简单构建了区域多尺度随机介质模型.模拟的结果表明,分形方法可以更方便、灵活地模拟三维随机介质.针对南海某地区生物礁储层非均质性强的特点,在建立生物礁速度模型时,对目标区充填了多尺度的分形随机介质,波动方程正演模拟结果表明,分形随机介质可以用来描述生物礁等非均质性储层.     

含天然气水合物储层衰减岩石物理研究进展

衰减是储层的重要基础物性,正确认识天然气水合物储层的吸收衰减机制对于准确预测水合物饱和度具有重要意义.天然气水合物以不同形态赋存在粗粒砂岩或细粒黏土质沉积物中,而这两种水合物储层对应的衰减特征存在显著差异.为了阐明其内部的衰减机理,近年来学者们提出了多种岩石物理模型.其中,砂岩水合物层的衰减模型大致有两类,其中一类以三相Biot理论为基础,模型中包含多种描述水合物颗粒与砂岩颗粒间接触作用的衰减机制,如颗粒胶结、摩擦、微裂隙导致的喷射流等.这类模型可以较合理地再现实际声波测井资料中衰减随水合物饱和度增加而增加的情况,但在地震频段无法产生有效的衰减强度.另一类模型的衰减主要以等效颗粒模型所描述的水合物内部孔隙水与自由孔隙水之间的交换作用为主导,其能够解释砂岩水合物在地震频段的衰减现象.黏土质沉积物中的水合物衰减研究则是首先基于等效颗粒模型模拟黏土矿物附着水的衰减机制建立背景沉积物的衰减模型;接着在其基础上通过量化纯水合物的物性和水合物赋存对背景沉积物性质的改变来完成建模.该模型也已成功应用于地震频段的反射地震资料中.以上衰减模型的提出使水合物的衰减研究取得了实质性进展,使研究人员能够定量化...     

泥质砂岩中接触胶结泥质定量估算及对砂岩弹性的影响

在泥质砂岩的岩石物理建模中,明确泥质砂岩中泥质胶结物的接触类型及其含量对正确认识泥质的胶结作用对泥质砂岩声速的影响以及合理地建立岩石物理模型至关重要.现阶段,尚未有实验室定量估算胶结泥质的方法,导致应用胶结砂岩理论模型预测胶结砂岩地层的声速时往往由于胶结物含量被高估从而导致预测声速结果偏高.本文通过观察铸体薄片中泥质与颗粒之间的接触关系和相对分布提出了一种区分胶结泥质和分散泥质的方法:与两个或两个以上颗粒接触的连续分布的泥质为胶结泥质;与一个颗粒接触或者不与颗粒接触的泥质为分散泥质.基于这一准则,本文基于像素拾取法估算了人造泥质砂岩的胶结泥质含量,并将胶结泥质含量作为胶结砂岩模型的输入参数优化CCT模型.对比原始模型,本文方法声速误差下降了20%,预测准确度显著提高.本文方法适用于弱胶结地层的岩石物理建模,能够准确的预测声速以结合地震和测井资料识别有利储层,定量评价储层参数.     

多组垂直裂缝诱导各向异性的HTI近似及其特征分析

在裂缝诱导各向异性理论研究中通常使用等效HTI介质来近似多组裂缝所引起的综合效应.由于构造运动的复杂性,多组裂缝普遍存在于地壳与油气储层中.为了研究多组裂缝的地震属性特征,分析常用的等效HTI模型对于多组裂缝近似精度及附加裂缝对介质属性特征的影响,本文利用线性滑移模型进行了多组垂直裂缝的单斜各向异性等效介质理论计算,并利用空间搜索方法求取与其最为接近的HTI介质各向异性弹性参数.重点研究了在两种各向异性介质中纵波速度、快慢横波速度和极化特征及其差异,量化分析附加裂缝对于地震属性如速度、极化方向和走时等的影响,研究对附加裂缝敏感的地震属性.此研究结果和方法为进一步研究多组裂缝的反演及识别方法提供基础,同时对于将高阶对称性各向异性介质中已存在的计算方法应用于低阶对称性时的适用程度、精度分析及相关方法研究具有重要作用.     

Physics and Seismic Modeling for Monitoring CO<Subscript>2</Subscript> Storage

We present a new petro-elastical and numerical-simulation methodology to compute synthetic seismograms for reservoirs subject to CO₂ sequestration. The petro-elastical equations model the seismic properties of reservoir rocks saturated with CO₂, methane, oil and brine. The gas properties are obtained from the van der Waals equation and we take into account the absorption of gas by oil and brine, as a function of the in situ pore pressure and temperature. The dry-rock bulk and shear moduli can be obtained either by calibration from real data or by using rock-physics models based on the Hertz-Mindlin and Hashin-Shtrikman theories. Mesoscopic attenuation due to fluids effects is quantified by using White's model of patchy saturation, and the wet-rock velocities are calculated with Gassmann equations by using an effective fluid modulus to describe the velocities predicted by White's model. The simulations are performed with a poro-viscoelastic modeling code based on Biot's theory, where viscoelasticity is described by generalizing the solid/fluid coupling modulus to a relaxation function. Using the pseudo-spectral method, which allows general material variability, a complete and accurate characterization of the reservoir can be obtained. A simulation, that considers the Utsira sand of the North Sea, illustrates the methodology.     

马兰黄土剪应力松弛特性研究

运用Riemann-Liouville的分数阶导数理论及经典模型理论相结合的方法,采用Abel黏壶取代在经典模型理论中的Newton黏壶,得出了分数阶标准线性体模型剪应力松弛的解析表达式。采用不同含水量马兰黄土在不同正压力条件下进行直接剪切松弛试验,并对得到的9组剪应力松弛曲线特征进行了研究。考虑到最小二乘法对分数阶标准线性体模型参数进行拟合无法获得确切的结果,采用Monte Carlo方法对试验结果拟合。拟合结果表明,马兰黄土的松弛特性可由分数阶标准线性体模型有效的表征。确定了马兰黄土的松弛时间和粘滞系数,揭示了马兰黄土在直接剪切试验条件下的松弛特性。     

常规土类动剪切模量阻尼比超越概率计算方法

土的动剪切模量比和阻尼比是土层地震反应分析、工程场地地震安全性评价和地震小区划工作中的必备参数,但其不确定性显著,对地震动和抗震设计影响很大。本文以我国常规土类动剪切模量比和阻尼比与剪应变非线性关系试验为基础,研究考虑这两个动力参数变异性下其超越概率的计算方法。方法包括了试验数据的整理、超越概率的计算以及两个动力参数和超越概率关系模拟等几个步骤,最后给出了我国常规土类动剪切模量比和阻尼比超越概率的计算公式,为我国基于概率和可靠度思想的工程地震安全风险评估提供了一定基础。     

基于等效线性化方法的一维土层地震反应通用计算程序对比

基于等效线性化的一维土层地震反应计算是目前国内外普遍采用的方法,国外的SHAKE91、DEEPSOIL和我国的LSSRLI-1即是根据这一方法编制的通用计算程序。本文采用这3个程序进行了不同地震波、不同输入地震动幅值下不同场地类型的土层地震反应计算,并对三者的结果进行了全面的比较分析。结果表明:①SHAKE91和DEEPSOIL程序的计算结果完全相同;②当土层最大剪应变均采用时域计算时,LSSRLI-1程序的计算结果与SHAKE91和DEEPSOIL程序基本相同,但有微小差别,其原因是:在基于等效剪应变通过离散形式的剪切模量和阻尼比随等效剪应变变化的关系曲线确定等效剪切模量和阻尼比时,DEEPSOIL和SHAKE91采用的插值方法与LSSRLI-1不同;③当LSSRLI-1程序采用频域经验关系计算土层最大剪应变时,特别是在强地震动输入下得到的土层地表加速度峰值和加速度反应谱与另外两个程序的计算结果有差别,且土层最大剪应变随着输入加速度的增大出现较大的差别。因此,本文建议:当采用LSSRLI-1程序计算土层地震响应时,应使用程序中的时域解方法代替以往默认的频域经验关系方法。     

Rock-physics models of hydrate-bearing sediments in permafrost,Qilian Mountains,China

Rock-physics models are constructed for hydrate-bearing sediments in the Qilian Mountains permafrost region using the K–T equation model, and modes I and II of the effective medium model. The K–T equation models the seismic wave propagation in a twophase medium to determine the elastic moduli of the composite medium. In the effective medium model, mode I, the hydrate is a component of the pore inclusions in mode I and in mode II it is a component of the matrix. First, the P-wave velocity, S-wave velocity, density, bulk modulus, and shear modulus of the sediment matrix are extracted from logging data.. Second, based on the physical properties of the main components of the sediments, rockphysics model is established using the K–T equation, and two additional rock-physics models are established assuming different hydrate-filling modes for the effective medium. The model and actual velocity data for the hydrate-bearing sediments are compared and it is found that the rock-physics model for the hydrate-filling mode II well reproduces the actual data.     

数值模拟静态应力扰动下的断层失稳:结果分析兼与Dieterich模型和Coulomb模型的对比

基于大量岩石力学实验,Dieterich和其他研究者(Dieterich,1978;Ruina,1983)首先提出了描述岩石摩擦过程的速率-状态摩擦定律(R-S摩擦定律).如今R-S摩擦定律已成为研究地震成核等地震演化机制的有效手段.Dieterich(1992,1994)最早提出了描述受静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的余震触发机制的解析模型.现在Dieterich模型已经成为解释余震随时间衰减规律的Omori定律等地震观测现象的有力工具.与之相对应,广泛使用的Coulomb应力失稳模型也可以给出断层受到静态剪应力扰动后,断层失稳时间的提前和推后量.Dieterich模型和Coulomb应力失稳模型基于不同的物理方法,所以在进行地震危险性评估时,二者均有各自的局限性.本文利用R-S摩擦定律控制的1-D弹簧-滑块模型,模拟计算了理论地震循环以及在不同静态剪切应力扰动下,失稳时间的提前和推后量的变化情况,然后将计算得到的时间提前和推后量分别与Dieterich模型和Coulomb模型的相应计算结果进行了定量化对比和差异性分析,并给出了相应的解释.数值模拟结果显示,对于R-S摩擦定律在参数不变的条件下,断层模型失稳时间的提前和推后量的大小强烈依赖于静态剪应力扰动的大小和作用时间,而且绝对值相同的正、负向静态剪应力扰动造成的失稳时间的提前和推后量的变化情况并不完全一致.在震后松弛/滑移阶段和闭锁阶段,时间提前和推后量是常数,且随静态剪应力扰动绝对值的增大而增大,两者的比值接近于1.0,这与Dieterich模型和Coulomb模型的结果是一致的,相应的差值小于两模型结果的10%.而在自加速阶段,模拟计算结果则存在与Dieterich模型和Coulomb模型结果不同的特征.首先,在自加速阶段模拟计算结果均偏离Coulomb模型,而且时间提前和推后量的比值小于1.0,相异于Coulomb模型的论断.不过当受到正向静态剪应力扰动后,Dieterich模型的结果和模拟计算结果是一致的,最大相差量不超过Dieterich模型结果的7%,可接近0.对于负向静态剪应力扰动,当其绝对值较小时,Dieterich模型的结果很接近模拟计算结果,相差量不超过该结果的14%.但对于绝对值较大的情况,模拟计算结果远大于Dieterich模型的结果,最大可达Dieterich模型结果的35倍,这是由于负向静态剪应力扰动后使得Ω=δ·θ/dc1的条件不再成立,进而使得Dieterich模型不再成立.总的来说,与模拟计算相比Dieterich模型可以很好地描述1-D断层受扰后失稳时间提前和推后量的变化情况,并且可以体现出正、负静态剪切应力扰动后失稳时间提前量和推后量变化的差异性,而Coulomb模型则不能完整地给出受到静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的估计值.     

利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响

本文基于三维孔隙弹性理论,建立了紫坪铺水库及周边地区的有限元模型.根据紫坪铺水库开始蓄水到汶川地震发震时刻的水位变化情况,计算了整个区域的孔隙压力和库仑应力.详细讨论了断层及周围地层的弹性模量和扩散系数对计算结果的影响.计算结果表明:从弹性角度看,断层的弹性模量对汶川地震震源处的库仑应力影响很小;震源处的库仑应力随着断层和周围地层的扩散系数增大而增大.当给定弹性模量和扩散系数代表性值的时候,计算结果表明在汶川地震发震时刻,震源处的库仑应力变化量为+1 kPa左右,这表明紫坪铺水库使得汶川地震发震断层更加危险.是否这个量级的库仑应力就能够触发汶川地震还需要进一步探讨.通过分析库区周边小震的分布,发现小震分布区域均是库仑应力增加的地区,因此紫坪铺水库周边的小震应该与紫坪铺水库蓄水有直接关系.     

水渗透引起的应力场调整及岩石强度弱化的初步研究

本文采用二维线弹性的两相多孔介质理论,对水库蓄水后由水渗透引起的耦合应力变化及岩石强度弱化进行了数值模拟计算。结果表明,由于水的渗透使得岩石中的孔隙压力增大,耦合应力随之减小,从而导致岩石的有效应力减小,同时抗剪强度也相应减小,其减小的量值可以与地震时断层面上的应力降相比。根据计算结果,本文讨论了由水渗透引起地震的可能机制。     

基于叠前地震纵横波模量直接反演的流体检测方法

流体因子是储层流体识别的重要方法,而叠前地震反演是获得流体因子的有效途径之一.本文从流体因子的构建出发,基于多孔弹性介质岩石物理模型,建立了流体因子与纵横波模量之间的直接关系,避免了流体因子计算所需的密度参数无法准确求取的问题,通过推导基于纵横波模量的Zeoppritz近似方程及弹性阻抗方程,探讨了基于弹性阻抗的纵横波模量直接反演方法,模型与实际应用表明,基于弹性阻抗的纵横波模量直接反演方法合理、可靠,减少了常规方法间接计算纵横波模量带来的累积误差,基于纵横波模量的流体因子计算方法有较好的实际应用效果.     

A semi-empirical approach to model pressure dependence of elastic moduli in granular media accounting for variations of coordination-number and Poisson-ratio

The effective medium theory based on the Hertz–Mindlin contact law is the most popular theory to relate dynamic elastic moduli (or elastic velocities) and confining pressure in dry granular media. However, many experimental results proved that the effective medium theory predicts pressure trends lower than experimental ones and over-predicts the shear modulus. To mitigate these mispredictions, several evolutions of the effective medium theory have been presented in the literature. Among these, the model named modified grain contact theory is an empirical approach in which three parametric curves are included in the effective medium theory model. Fitting the parameters of these curves permits to adjust the pressure trends of the Poisson ratio and the bulk modulus. In this paper, we present two variations of the modified grain contact theory model. First, we propose a minor modification in the fitting function for the porosity dependence of the calibration parameters that accounts for non-linearity in the vicinity of the critical porosity. Second, we propose a major modification that reduces the three-step modified grain contact theory model to a two-step model, by skipping the calibration parameter–porosity fit in the model and directly modelling the calibration parameter–pressure relation. In addition to an increased simplicity (the fitting parameters are reduced from 10 to 6), avoiding the porosity fit permits us to apply the model to laboratory data that are not provided with accurate porosity measurements. For this second model, we also estimate the uncertainty of the fitting parameters and the elastic velocities. We tested this model on dry core measurements from literature and we verified that it returns elastic velocity trends as good as the original modified grain contact theory model with a reduced number of fitting parameters. Possible developments of the new model to add predictive power are also discussed.