基于非饱和多孔隙介质BISQ模型的储层参数反演

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制．文中基于同时包含这两种力学机制的非饱和多孔隙BISQ模型,利用小生境遗传算法实现了储层参数(孔隙度、渗透率、含流体饱和度等)的反演．结果表明,本文方法在储层参数的反演过程中目标函数收敛快、且具有较强的抗“噪声”干扰性能,当观测噪声ε≤5%时,储层参数的反演精度很高．最后,通过实测数据的反演应用验证了该方法处理储层参数反演问题的有效性和非饱和BISQ模型的准确性．     

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.     

多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.     

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.     

砾岩储层地震波传播方程:三重孔隙结构模型

针对砾岩储层的砂、砾、泥三重孔隙结构特征,本文分析砾岩孔隙区域、砂岩孔隙区域以及泥岩孔隙区域相互之间的孔隙流体流动机制,将静态的砾岩骨架本构方程与动态的孔隙流体运动方程联立,提出了复杂砾岩储层的弹性波传播理论方程.采用实测砾岩储层参数,在算例中与双重孔隙介质理论进行对比分析,验证了本文理论方程的合理性;基于三重孔隙介质模型,分析不同储层环境下纵波的传播特征,结果显示:随流体黏滞系数增大,在衰减-频率轴坐标系中,砾与砂、砂与泥孔隙区域间局域流导致的两个衰减峰向低频端移动,而Biot全局流导致的衰减峰向高频端移动;嵌入体尺寸及背景相介质渗透率的变化,主要影响纵波速度频散曲线沿频率轴左、右平移,不影响波速低频、高频极限幅值;嵌入体含量及孔隙度的变化改变了岩石干骨架的弹性、密度参数,不仅影响速度频散曲线沿频率轴平移,而且影响其上、下限幅值;砾包砂包泥三重孔隙介质模型所预测的衰减曲线中,低频段"第一个衰减峰"主要由砾岩孔隙区域与砂岩孔隙区域之间的局域流导致,中间频段"第二个衰减峰"主要由砂岩孔隙区域与泥岩孔隙区域之间的局域流导致,超声频段"第三个衰减峰"由Biot全局流导致.对慢纵波传播特征的分析显示,砂岩骨架(局部孔隙度较大)内部的宏观孔隙流体流动造成的耗散明显强于砾岩与泥岩骨架.     

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.     

砂岩和页岩弹性波性质的实验研究进展

砂岩和页岩的弹性波性质是通过地震资料推断储层物性和流体分布的基础.岩石波速测量常用超声波(10⁵～10⁶ Hz)脉冲法,低频岩石物理实验技术的发展为研究弹性波在岩石中的衰减和频散奠定了基础.本文系统总结了前人在高频和低频下测量砂岩和页岩弹性波性质的方法和实验结果,并结合矿物弹性性质和岩石物理模型,分析了压力、温度、矿物组成、孔隙结构、流体、频率等因素对岩石波速和衰减的影响.由于孔隙和微裂隙随压力增加而逐渐关闭,干燥砂岩和页岩的P波和S波速度在低压下随压力非线性增加,高于临界压力呈线性增加.干燥岩石样品的波速随温度增加而缓慢线性降低,频散效应可以忽略.而含流体砂岩和页岩的衰减和频散受温度、压力、流体饱和度、流体黏度、孔隙结构和频率等多种因素的影响,含流体砂岩和页岩的泊松比和逆品质因子Q^-1显著高于干燥样品.低压下砂岩的波速与孔隙度负相关,而影响页岩波速的因素更为复杂,页岩的波速、衰减和频散的各向异性都高于砂岩.将跨频段岩石物理实验与数字岩石物理技术相结合,可为勘探地球物理的方法创新和资料解释提供可靠依据.     

砂泥岩储层孔隙度和含水饱和度同步反演

基于岩石物理和地震反演理论,提出了一种同步反演储层孔隙度和含水饱和度的方法.以岩石物理为基础,建立了砂泥岩储层物性和弹性参数之间定量的关系-Simon模型,以贝叶斯理论为手段,结合不同类型的砂泥岩储层,建立了多信息联合约束的物性参数反演目标函数,并通过蒙特卡罗和遗传算法相结合的思路求解该目标函数,最终得到孔隙度和含水饱和度的同步反演结果.将该方法应用于河道砂和砂砾岩两种不同的砂泥岩储层中,孔隙度和含水饱和度数据的联合应用,进一步减少了储层预测的多解性,为石油地质综合研究提供了更加丰富准确的基础数据.     

地震岩石物理研究概述

地震岩石物理是研究岩石物理性质与地震响应之间关系的一门学科,它通过对各种岩心资料、测井资料和地震资料进行综合分析,研究岩性、孔隙度、孔隙类型、孔隙流体、流体饱和度和频率参数等对岩石中弹性性质的影响,并提出利用地震响应预测岩石物理性质的理论和方法,是地震响应与储层岩石参数之间联系的桥梁,进行定量储层预测的基本前提.在查阅了大量相关资料的基础上,对国内外地震岩石物理研究现状进行了详细的概述,并总结了其存在问题和发展前景.     

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.     

二氧化碳相变技术应用于新型震源研发的可行性研究

为了研究二氧化碳物理相变技术应用于新型震源研发的可行性,在地下成层性较好的某煤田地震测区,开展了利用二氧化碳相变技术激发地震波的野外人工震源激发-接收实验．并与传统炸药震源进行了对比．地震数据利用Aries2.66型垂直分量反射地震仪和PDS-2型三分量地震仪接收．根据实测地震数据,从野外地震记录震相识别,初至波传播距离分析,震源近场地震信号时频分析,CO_2相变激发震源子波提取和基于CO_2震源子波的地震初至波波形反演实验等多个方面,进行了关于CO_2相变激发技术能否产生地震波信号以及能否将其应用于新型震源研发的可行性研究．研究结果表明CO_2物理相变膨胀能够产生能量集中的地震波信号;在实验区地质条件和激发参量下地震记录中初至波的可识别的传播距离约为1km;震源近场地震信号的主频集中在8～13Hz;利用震源近场数据提取了CO_2震源子波;通过地震初至波波形反演实验认为这种震源子波能够应用于波形反演等方面的研究．因为CO_2相变激发具有绿色、环保、安全等方面的优点,若能进一步在激发能量、激发—延迟时间一致性等方面加以改进,该技术有望在城市隐伏活动断层探测、城市地下空间探测、煤矿高瓦斯环境人工地震勘探等领域发挥重要的作用．     

含不同孔隙流体的砂岩地震波速度随压力变化的实验研究

岩石的地震波性质是区域构造研究和浅部地震勘探应用的基础.延长油田是我国重要的油气生产基地之一,但目前仍缺乏地震波性质方面的基础资料.作者利用Autolab2000多功能岩石物性自动测试设备,在0~180MPa及饱含不同孔隙流体(干燥、饱水及饱油)条件下,研究了三种来自延长油田砂岩岩芯的纵波、横波速度.结果表明:三种砂岩的V_p、V_s1和V_s2均随压力增加(或降低)而基本呈对数曲线增大(或减小);干燥、饱水和饱油三种波速间的关系因砂岩类型不同而不同,这主要取决于岩石的有效弹性模量、孔隙流体性质以及岩石的内部结构等;含同种孔隙流体的不同类型砂岩,其V_p、V_s1和V_s2随压力变化的规律主要受岩石孔隙度和粒度的影响;而含不同孔隙流体的同种砂岩,其V_p、V_s1和V_s2随压力变化的规律则主要受控于岩石的有效弹性模量和流体密度.另外,含水或含油饱和度的变化对V_s1和V_s2基本没有影响.实验结果可以为该地区地震资料的解释及与声波测井之间的对比提供重要的基础数据和参考依据.     

带粒子滤波约束的PP-PS联合反演的稀疏解算法

随着地震勘探目标从构造型油气藏向岩性油气藏的转变,地震勘探难度日益增大,这就要求从地震数据中获得更多可靠且具有明确地质含义的属性信息,并充分利用这些属性信息来对储层的岩性、岩相进行分析.AVO三参数反演能够从振幅随炮检距的变化信息中直接提取纵波速度、横波速度以及密度来估计岩石和流体的性质,进而对储层进行预测.然而,AVO反演本身是一个不适定的问题,加上地震纵波反射系数对横波速度和密度的不敏感,会造成单纯利用纵波地震数据进行反演的结果误差大.随着地震接收和数据处理技术的发展,越来越多的学者对PP-PS联合反演方法进行了研究并在实际资料中得以运用.融合转换横波地震数据的联合反演在一定程度上提高了反演的精度,降低了解的不稳定性.但是在信噪比较低的情况下,联合反演的效果受到了限制.本文从优化理论出发,提出了基于粒子滤波提供先验知识的l₁范数约束极小化问题的稀疏解算法.并将上述方法运用到了不同的模型中,通过比较分析,证实了该方法在不同信噪比资料中的有效性和在信噪比较低情况下的优势.     

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.     

Multiscale rock-physics templates for gas detection in carbonate reservoirs

The heterogeneous distribution of fluids in patchy-saturated rocks generates significant velocity dispersion and attenuation of seismic waves. The mesoscopic Biot–Rayleigh theory is used to investigate the relations between wave responses and reservoir fluids. Multiscale theoretical modeling of rock physics is performed for gas/water saturated carbonate reservoirs. Comparisons with laboratory measurements, log and seismic data validate the rock physics template. Using post-stack and pre-stack seismic inversion, direct estimates of rock porosity and gas saturation of reservoirs are obtained, which are in good agreement with oil production tests of the wells.     

Der Kohlendioxid-Gehalt und die Kalzitsättigung der Ilm, einschließlich einiger Vergleichsuntersuchungen im Thüringer Raum

The CO₂ content, air saturation and calcite equilibrium of the River Ilm and some of its tributaries were analysed. CO₂ content was measured by degasing the CO₂ from water. The CO₂ level is a very sensitive indicator for a low pollution in oxygen saturated waters. Clean running waters have a CO₂ content close to the air saturation of 0.1–0.3 mg C l⁻¹. Ground water and springs are rich in CO₂. Polluted waters are characterised by higher CO₂ contents, also organic pollution can result in high values of CO₂. Carbon dioxide concentration of streams and brooks is limited by re-aeration.

The headwater region (softwater) of the River Ilm is unsaturated, the hard water in the middle- and underflow is oversaturated. In summer and autumn high saturation could be found, but without autochthonous calcite precipitation like in hard water lakes.     

Comparison of P‐wave attenuation models of wave‐induced flow

Wave‐induced oscillatory fluid flow in the vicinity of inclusions embedded in porous rocks is one of the main causes for P‐wave dispersion and attenuation at seismic frequencies. Hence, the P‐wave velocity depends on wave frequency, porosity, saturation, and other rock parameters. Several analytical models quantify this wave‐induced flow attenuation and result in characteristic velocity–saturation relations. Here, we compare some of these models by analyzing their low‐ and high‐frequency asymptotic behaviours and by applying them to measured velocity–saturation relations. Specifically, the Biot–Rayleigh model considering spherical inclusions embedded in an isotropic rock matrix is compared with White's and Johnson's models of patchy saturation. The modeling of laboratory data for tight sandstone and limestone indicates that, by selecting appropriate inclusion size, the Biot‐Rayleigh predictions are close to the measured values, particularly for intermediate and high water saturations.     

Full waveform inversion in the time lapse mode applied to CO2 storage at Sleipner

Carbon capture and storage is a viable greenhouse gas mitigation technology and the Sleipner CO₂ sequestration site in the North Sea is an excellent example. Storage of CO₂ at the Sleipner site requires monitoring over large areas, which can successfully be accomplished with time lapse seismic imaging. One of the main goals of CO₂ storage monitoring is to be able to estimate the volume of the stored CO₂ in the reservoir. This requires a parametrization of the subsurface as exact as possible. Here we use elastic 2D time‐domain full waveform inversion in a time lapse manner to obtain a P‐wave velocity constrain directly in the depth domain for a base line survey in 1994 and two post‐injection surveys in 1999 and 2006. By relating velocity change to free CO₂ saturation, using a rock physics model, we find that at the considered location the aquifer may have been fully saturated in some places in 1999 and 2006.     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

山西地震带北段与张家口——渤海地震带不同深度CO_2和Rn气体通量的差异性

2014年在山西地震带北段和张家口—渤海地震带布设35个测量剖面,测量土壤气CO_2、Rn浓度及深度20 cm、1 m的CO_2和Rn通量。测量结果表明:(1) CO_2、Rn浓度与深度20 cm、1 m的CO_2、Rn通量的平均值和最大值变化趋势大致相同,均呈自西向东的增大趋势;(2)深度20 cm、1 m的CO_2和Rn通量相关性均不明显,但1 m深的CO_2、Rn通量明显较高;(3) CO_2和Rn浓度、通量变化主要与区域复杂的地震活动性和断层活动性有关,主要受到地表化学成分和区域岩石地球化学影响。