砂泥岩储层岩石物理交会模板构建

岩石物理是研究储层参数和岩石弹性参数之间关系的基础,在储层特性和地震特性之间起到了桥梁作用.为了更加精细的识别岩性,更好的进行砂泥岩储层油气的识别和预测,需要基于岩石物理寻找有效的识别方法.本文基于微分等效介质理论构建了砂泥岩储层岩石物理模型.为了考虑砂泥岩储层流体分布的非均匀性,模型中采用了斑块状饱和理论.文中分析了砂泥岩弹性参数和储层物性之间的关系,给出了各物性参数对弹性参数的影响结果,并根据储层物性的影响绘制了弹性参数交会模板.不同于常规交会分析,该弹性参数交会模板综合考虑了孔隙度、含水饱和度、泥质含量和孔隙纵横比等参数的影响,更加真实地反应了储层的地下特征.该交会模板的优势在于可以合理的界定出储层的砂、泥岩范围,而且根据泥质含量等参数的不同,可以进一步界定储层岩性的范围,为储层岩性的精细识别提供了新的方法.通过实际井资料的应用,该交会模板做到了砂泥岩储层岩性的有效区分,另外根据交会模板中泥质含量的不同,由0.5到0.25,我们可以在地震剖面中做出砂岩储层范围的精细界定,较好地识别了岩性,为寻找储层提供可靠依据.     

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.

     

地震岩石物理研究进展

地震岩石物理(Seismic Rock Physics)是研究岩石物理性质与地震响应之间关系的一门学科,旨在通过研究不同温度压力条件下岩性、孔隙度、孔隙流体等对岩石弹性性质的影响,分析地震波传播规律,建立各岩性参数、物性参数与地震速度、密度等弹性参数之间的关系.本文主要论述了半个多世纪以来,国内外地震岩石物理在岩石、流体基础研究、烃类检测等方面取得的主要进展,并分析目前国内岩石物理的研究现状、存在的问题、最新研究动向及展望.     

基于岩石物理模型的碳酸盐岩物性参数替换方法

碳酸盐岩的物性参数在油气勘探和开发的过程中起着重要的作用,且碳酸盐岩为具有多重孔隙类型的岩石,复杂的孔隙类型使得孔隙度与弹性参数之间的关系非常离散。本文基于岩石物理模型,提出一种碳酸盐岩物性参数替换的方法,首先对碳酸盐岩储层进行岩石物理建模,对模型中的等效孔隙纵横比进行反演,在进行替换时,保持其他参数不变,只改变孔隙度、方解石含量、含水饱和度和孔隙形状的体积分数中的一项。再结合AVO理论,进行正演模拟,正演模拟揭示孔隙度与孔隙形状的变化对地震响应的影响更为强烈,远远大于方解石含量、含水饱和度变化的影响,方解石含量和含水饱和度的变化对于地震响应的影响较微弱。实际资料应用表明,文章提出的碳酸盐岩物性参数的替换方法可以有效地分析物性参数及孔隙形状变化的影响,表征岩石的物理性质并判断岩石的孔隙类型。     

岩石物理驱动的储层物性参数非线性地震反演方法

叠前地震反演和岩石物理反演分别是获取弹性参数和物性参数的重要手段, 两者结合有助于实现储层参数预测并精细刻画储层特征.储层物性参数的反演依赖于岩石物理模型, 在进行物性参数反演时可以将复杂的岩石物理模型做泰勒展开, 进而得到其一阶或高阶的近似表达式, 然而这会降低模型的精确性并增加反演的误差.为了提高储层物性参数反演的稳定性和准确性, 本文以碎屑岩储层为例, 提出了岩石物理驱动的储层物性参数非线性地震反演方法.首先, 基于贝叶斯框架和高斯分布约束条件, 从叠前地震数据中实现纵、横波速度及密度等弹性参数的反演.其次, 通过碎屑岩岩石物理模型建立起弹性参数与物性参数之间的联系.最后, 利用粒子群算法进行全局寻优获得较为准确的孔隙度、泥质含量和含水饱和度等物性参数.合成数据和实际资料测试结果验证了所提方法的可行性和准确性, 反演结果与测井数据吻合较好, 可有效指示含气储层区域, 本文方法在储层预测和评价方面具有广泛的应用前景.

     

渤海潜山储层岩石孔隙结构反演实验研究

多形态拓展孔隙、裂隙并存理论描述了介质中孔隙与多形态裂隙体之间的相互作用,现已被用于岩石的孔隙结构反演．利用实验室加压条件下干燥和流体饱和岩石的纵、横波速测量数据,联合反演了潜山储层岩石的孔隙纵横比谱．反演结果表明：随着有效压力的增加,裂隙元素的纵横比减小,小纵横比裂隙的闭合降低了裂隙密度,导致低压段的弹性波速度显著增大．同时,在双对数刻度下,孔隙度与孔隙纵横比之间存在幂函数关系,孔隙结构指数随总孔隙度单调增加,此关系可用于判别潜山储层的有效性．本文的研究不仅为潜山储层岩石孔隙结构分析方法提供了实验验证,而且给出了一种潜山储层有效性的辅助判别方法．     

岩石物理模版在储层定量解释中的应用

岩石物理模板采用测井解释的各类岩性矿物骨架点值,选取适合该地区的岩石物理模型,模拟在不同储层组合、不同孔隙及不同饱和度情况下,储层岩石物理参数变化引起的储层测井参数及地球物理响应特征的变化,定量地建立起储层参数同地球物理弹性参数间的解释关系模版.本文根据新场JS42气藏储层参数分析结果,尝试性地将岩石物理解释模板应用于储层定量解释中,对储层高产气区、含水区域进行定量解释,并预测了该气藏的气水界面,该预测结果与实钻井测试情况吻合,证实了该方法的科学性.     

基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验

数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足,为岩石物理学研究提供一个新平台.本文以常规砂岩为研究对象,利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型;应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究,统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征,建立了等价孔隙网络模型;将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率,对于考虑固相充填孔隙的情况,模拟计算了岩石有效弹性参数,并与近似Gassmann方程良好验证.本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段,为其大规模发展提供了一条新途径.     

孔隙结构对致密碳酸盐岩地震岩石物理特征的影响分析（英文）

塔里木盆地奥陶系鹰山组碳酸盐岩在成岩和后成岩过程孔中形成了较为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。本文对取自塔中碳酸盐岩样品进行了岩石物理测试,从铸体薄片数字图像处理中提取了反映样品孔隙结构的平均比表面、平均孔喉半径、孔隙圆度以及平均纵横比等特征参数。研究表明,平均高速度样品具有低平均比表面、高平均孔喉半径和高均纵横比的特征。由于致密碳酸盐岩样品的孔隙结构差异引起流体相关速度频散作用的不同,然而速度频散与平均比表面和平均纵横比之间没有线性关系,在平均比表面较高或者较低时,岩石样品孔隙结构较为均匀致使喷射流作用相对较弱,造成超声测量结果接近于Gassmann方程预测结果;而当刚度较大的溶蚀(铸模)孔隙与刚度较小的微裂隙共存于岩石样品中,流体相关速度频散作用明显,造成测量纵波速度结果与Gassmann方程预测结果存在较大差异。     

致密砂岩衰减岩石物理图板分析:储层微裂隙预测

致密砂岩储层普遍具有孔隙度低、微裂隙发育的特点,岩石内部常含有强烈的结构非均质性.致密砂岩发育的微裂隙使储层具有良好的连通性,促成高饱和气的天然气成藏.针对川西某探区须家河组高含气饱和度致密砂岩,本文选取致密砂岩岩心样本,进行了不同围压下的超声波实验测量.考虑储层完全饱气情况下的粒间孔隙、微裂隙双重孔隙结构,采用Biot-Rayleigh双重孔隙方程,构建致密砂岩岩石物理模型,进而分析了裂隙含量对纵波频散和衰减的影响.基于地震波衰减,构建了致密砂岩多尺度岩石物理图板.采用谱比法和改进频移法估算致密砂岩样本及储层衰减,对超声和地震频带下的图板进行校正.将校正后的图板应用到研究工区,选取二维测线和三维区块,进行储层孔隙度和裂隙含量的定量预测.对比实际资料进行分析,结果显示,本文预测的孔隙度和裂隙含量与三口测井的孔隙度曲线和实际产气情况基本吻合,基于孔隙-裂隙衰减岩石物理模型有效地预测了优质储层的分布区域.

     

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.     

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.     

基于岩石物理模板的孔隙度非敏感流体因子构建方法及应用

流体因子是一种指示储层含流体特征的常用工具,在储层流体识别中发挥着重要作用.现有的大多数流体因子除了反映孔隙流体性质以外还与孔隙度密切相关,对同一储层的高孔和低孔区域具有不同的流体敏感性,可能造成非均质储层的流体识别假象.本文提出一种消除孔隙度影响的流体因子,并将其应用于非均质储层流体识别.首先根据研究区地质特征选择并校准岩石物理模型,以此为基础优选横波阻抗I_S和饱和岩石体积模量与剪切模量之比K_sat/μ_sat构建能够分离岩石骨架和孔隙流体性质的I_S-K_sat/μ_sat岩石物理模板;而后通过对数域多项式拟合和归一化的方式构建孔隙度非敏感流体因子PINF(Porosity-Insensitive Normalized Fluid Factor).最后将本文提出的流体因子应用于苏里格气田非均质储层流体识别,实际测井和地震资料测试结果表明该流体因子的预测结果与测井解释结果相符,在同一储层段的高孔和低孔区域均显现出较好的应用效果,适用于非均质储层流体识别.     

Geomechanical property estimation of unconventional reservoirs using seismic data and rock physics

An extension of a previously developed rock physics model is made that quantifies the relationship between the ductile fraction of a brittle/ductile binary mixture and the isotropic seismic reflection response. By making a weak scattering (Born) approximation and plane wave (eikonal) approximation, with a subsequent ordering according to the angles of incidence, singular value decomposition analyses are performed to understand the stack weightings, number of stacks, and the type of stacks that will optimally estimate two fundamental rock physics parameters – the ductile fraction and the compaction and/or diagenesis. It is concluded that the full PP stack, i.e., sum of all PP offset traces, and the “full” PS stack, i.e., linear weighted sum of PS offset traces, are the two optimal stacks needed to estimate the two rock physics parameters. They dominate over both the second‐order amplitude variation offset “gradient” stack, which is a quadratically weighted sum of PP offset traces that is effectively the far offset traces minus the near offset traces, and the higher order fourth order PP stack (even at large angles of incidence). Using this result and model‐based Bayesian inversion, the seismic detectability of the ductile fraction (shown by others to be the important rock property for the geomechanical response of unconventional reservoir fracking) is demonstrated on a model characteristic of the Marcellus shale play.     

CO2 saturation estimates at Sleipner (North Sea) from seismic tomography and rock physics inversion

CO₂ saturations are estimated at Sleipner using a two-step imaging workflow. The workflow combines seismic tomography (full-waveform inversion) and rock physics inversion and is applied to a two-dimensional seismic line located near the injection point at Sleipner. We use baseline data (1994 vintage, before CO₂ injection) and monitor data that was acquired after 12 years of CO₂ injection (2008 vintage). P-wave velocity models are generated using the Full waveform inversion technology and then, we invert selected rock physics parameters using an rock physics inversion methodology. Full waveform inversion provides high-resolution P-wave velocity models both for baseline and monitor data. The physical relations between rock physics properties and acoustic wave velocities in the Utsira unconsolidated sandstone (reservoir formation) are defined using a dynamic rock physics model based on well-known Biot–Gassmann theories. For data prior to injection, rock frame properties (porosity, bulk and shear dry moduli) are estimated using rock physics inversion that allows deriving physically consistent properties with related uncertainty. We show that the uncertainty related to limited input data (only P-wave velocity) is not an issue because the mean values of parameters are correct. These rock frame properties are then used as a priori constraint in the monitor case. For monitor data, the Full waveform inversion results show nicely resolved thin layers of CO₂–brine saturated sandstones under intra-reservoir shale layers. The CO₂ saturation estimation is carried out by plugging an effective fluid phase in the rock physics model. Calculating the effective fluid bulk modulus of the brine–CO₂ mixture (using Brie equation in our study) is shown to be the key factor to link P-wave velocity to CO₂ saturation. The inversion tests are done with several values of Brie/patchiness exponent and show that the CO₂ saturation estimates are varying between 0.30 and 0.90 depending on the rock physics model and the location in the reservoir. The uncertainty in CO₂ saturation estimation is usually lower than 0.20. When the patchiness exponent is considered as unknown, the inversion is less constrained and we end up with values of exponent varying between 5 and 20 and up to 33 in specific reservoir areas. These estimations tend to show that the CO₂–brine mixing is between uniform and patchy mixing and variable throughout the reservoir.     

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.

     

利用大地电磁三维反演方法获得二维剖面附近三维电阻率结构的可行性

大地电磁野外实测数据目前大多为二维剖面数据.如何反演这些二维剖面数据获得较为接近实际地电情况的结果,是多数大地电磁工作者关心的问题.我们通过对理论模型的三维响应进行分析和对合成数据及实测资料的反演结果进行对比研究,讨论了利用三维反演的方法来获得大地电磁二维剖面附近三维电阻率结构的可行性.结果表明:可用三维反演的方法来解释二维剖面数据.对大地电磁二维剖面的张量数据进行三维反演,不仅可以沿剖面获得较好的二维断面结果,还能够得到二维反演所不能获得的剖面附近的三维电阻率结构信息.合成数据的反演算例表明:对二维剖面数据进行三维反演时,对角元素对于圈定剖面附近三维异常体的空间分布具有独特作用,应尽量反演所有的张量元素.     

A semi-analytical model for computation of capillary entry pressures and fluid configurations in uniformly-wet pore spaces from 2D rock images

A novel semi-analytical model for computation of capillary entry pressures and associated fluid configurations in arbitrary, potentially non-convex, 2D pore space geometries at uniform wettability is developed. The model computes all possible centre positions of circular arcs, and physically sound criteria are implemented to determine the set of these arcs that correspond to geometrically allowed interfaces. Interfaces and pore boundary segments are connected to form closed boundaries of identified geometrical regions. These regions are classified as either oil regions, located in the wider parts of the pore space, or as water regions located in pore space constrictions. All possible region combinations are identified and evaluated for each radius value in an iterative procedure to determine the favourable entry radius and corresponding configuration based on minimisation of free energy. The model has been validated by comparison with known analytical solutions in idealised pore geometries. In cases where different analytical solutions are geometrically possible, the model generates several oil and water regions, and the valid solution is determined by the region combination that corresponds to the most favourable entry pressure, consistent with the analytical solution. Entry pressure radii and configurations are computed in strongly non-convex pore spaces extracted from an image of Bentheimer sandstone, which demonstrates that the model captures successfully well-known characteristics of capillary behaviour at different wetting conditions. The computations also demonstrate the importance of selecting the fluid configuration of minimum change in free energy. In some cases, a merged region formed by a combination of oil and water regions corresponds to the favourable entry configuration of oil, whereas in other cases, an individual oil region may correspond to the favourable oil entry configuration. It is also demonstrated that oil entry configurations may constitute merged regions for weakly water-wet conditions and individual oil regions for strongly water-wet conditions in the same pore space. The computations show that the ratio of pore area to perimeter multiplied by the cosine of the contact angle under-predicts the entry pressure radii in Bentheimer sandstone pore spaces. An alternative formula is proposed for prediction of entry radii for nonzero contact angles based on the entry radii obtained for zero contact angles.     

CSAMT法三维分辨能力及其物理机制

随着CSAMT法探测应用需求的日益增多,其分辨能力及其物理机制的研究成为人们不得不面对的问题.在CSAMT勘探中,几何效应、电流效应和感应效应是引起电磁场变化的三种物理机制,本文详细介绍了与地下电性结构密切相关的电流效应和感应效应.首先,利用CSAMT法对100 m×100 m×100 m的异常体进行了探测,研究表明存在两个畸变区域.利用电流效应对存在的两个畸变区域进行了解释,进一步研究表明当收发距为10 km时电流效应占据主要地位,感应效应位居次要地位,当收发距增大时电流效应比重下降,感应效应比重增大.选取坐标原点位于电偶极子中心,x方向为电偶极矩方向,z轴垂直向下,随后,研究了CSAMT法对异常体沿x、y及z方向长度变化时的探测灵敏度,研究表明CSAMT法对异常体沿x方向的变化最为灵敏、y方向变化次之、z方向最为迟钝,最后对以上现象给出了解析.     

在二维和三维CT图象重建理论方法的研究工作及新进展

本文主要介绍近几年清华大学工程物理系“粒子技术与辐射成象”国家专业实验室在二维和三维ＣＴ图象重建领域的研究成果，这些成果基本上代表了我国在核领域的研究水平。