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.     

龙马溪组页岩微观结构、地震岩石物理特征与建模

龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一.由于岩石物理实验结果具有区域性,龙马溪组页岩的岩石特征与其地震弹性性质的响应规律需要开展相关的实验和理论研究工作予以明确.本研究基于系统的微观结构观察(扫描电镜和CT成像技术)和岩石物理实验来分析龙马溪组页岩样品地震弹性性质的变化规律,并依据微观结构特征建立相应的地震岩石物理表征模型.研究结果表明,石英含量对龙马溪组页岩的孔隙度以及有机碳(TOC)含量具有一定的控制作用,TOC和黄铁矿主要赋存于孔隙中;岩石骨架组成亦受控于石英或粘土含量,在石英含量大于40%(对应粘土含量小于30%)时,以石英、粘土共同作为岩石骨架,而粘土含量大于30%时,则以粘土作为岩石的骨架.因此,岩石骨架组成矿物、TOC含量、孔隙度共同制约龙马溪组页岩的地震弹性性质,富有机质储层岩石通常表现出低泊松比、低阻抗和低杨氏模量的特征,但由于支撑矿物的转换,某些富有机质页岩亦可表现为高阻抗特征.粘土矿物的定向排列仍然是造成页岩样品表现出各向异性的主要原因,各向异性参数与粘土含量具有指数关系.基于龙马溪组页岩的岩性特征及微观结构特征,可以利用自洽模型(SCA)、微分等效模量模型(DEM)和Backus平均模型的有效组合较为准确地建立龙马溪组页岩的地震岩石物理模型,实验结果和测井数据验证了模型的准确性.研究结果可为龙马溪组页岩气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

四川盆地龙马溪组页岩气储层各向异性岩石物理建模及应用（英文）

不同类型的页岩,微观物性特征差异明显,本文针对四川盆地龙马溪组页岩气储层进行岩石物理建模及VTI各向异性参数反演。首先,基于前人对粘土矿物的定向排列是产生页岩固有各向异性主要原因这一地质认识,在岩石物理建模过程中引入粘土矿物压实指数CL参数描述粘土矿物的弹性各向异性。之后,基于岩石物理模型开发反演算法,计算页岩储层CL参数及Thomsen各向异性参数,解决了由于无法测得与井壁垂直方向上的声波速度,各向异性直接测量存在困难的问题。计算结果表明,通过在岩石物理建模中引入粘土压实参数,反演方法能够合理估计龙马溪页岩储层的弹性各向异性,反映了龙马溪页岩的微观物性特征。进一步分析发现,龙马溪页岩中粘土含量与参数CL相关性较弱,表明粘土矿物的多少对其压实或各向异性程度影响较小。同时,参数CL在目标层龙马溪组底部和五峰组具有高异常值,反映了储层微观结构与含油气特征具有关联性。最后,基于模型构建了岩石物理模板,可用于储层测井数据与多物性参数关系的定量解释。测井数据在岩石物理模板上的合理分布也验证了岩石物理建模方法的有效性。     

筇竹寺和五峰—龙马溪组页岩地震岩石物理等效模型及等效孔隙纵横比的分析（英文）

四川盆地及其周缘地区的筇竹寺组和五峰-龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一,但其地震弹性性质响应规律的区域性特征需要开展相关的实验和理论研究工作予以明确。本研究对干燥状态下的筇竹寺组和五峰-龙马溪组页岩的露头样品进行了超声波速度测试,系统地分析了地震弹性性质随页岩岩石学特征的变化规律。研究结果表明,孔隙度与粘土矿物含量呈正相关、与脆性矿物含量呈负相关;粘土、石英、长石和碳酸盐构成页岩岩石基质,与孔隙共同构成页岩岩石骨架,而干酪根和黄铁矿主要赋存于孔隙中,与页岩骨架的耦合较弱。通过将全部连通性孔隙近似等效于仅存在于骨架粘土矿物之内和采用Gassmann流体替换类似的思路处理干酪根和黄铁矿,可以较为简单地将自相容近似(SCA)理论、微分等效介质模型(DEM)和Gassmann方程组合起来构建研究区页岩的地震岩石物理等效模型。该模型通过关键参数等效孔隙纵横比(采用研究区样品平均值或者由碳酸盐含量进行估算)可以较为准确地预测筇竹寺和五峰-龙马溪组页岩的纵波速度,验证了等效模型的有效性和较广的适用性,可为筇竹寺组和五峰-龙马溪组页岩气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据。     

基于岩石物理模型的页岩油储层各向异性研究（英文）

针对沾化凹陷罗家地区泥页岩进行岩石物理建模,在Backus平均理论中引入粘土矿物压实指数,考虑粘土定向排列引起的各向异性,由Chapman多尺度理论考虑裂缝系统引起的各向异性。根据储层物性特征,以水平缝为主控因素开发基于模型的反演算法,计算裂缝密度和各向异性参数。结果表明,反演的水平裂缝密度与岩心实测的水平渗透率有很好的正相关性,说明裂缝密度可作为渗透率的有效指示参数,同时也表明研究层段泥页岩的裂缝密度与粘土和石英等陆源碎屑含量呈负相关,而与碳酸盐岩含量呈正相关。同时,裂缝的存在使得纵波各向异性大于横波各向异性,裂缝密度与纵波各向异性参数呈明显正相关,而粘土含量与横波各向异性具有明显正相关性。这充分证明了岩石物理建模方法与裂缝反演技术的有效性。     

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.     

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.     

利用三维数字岩心计算龙马溪组页岩等效弹性参数（英文）

弹性参数在甜点区预测和页岩气的开发过程中扮演着重要的角色,因此研究等效弹性参数随页岩气储层属性的变化是一项很有意义的工作。研究中我们用X射线CT扫描技术获得了较为精确的页岩样品微观结构图像。从这些图像中,我们可以获得孔隙度和矿物的详细情况,据此,我们构建了三维数字岩心,并应用有限元法对弹性参数进行了数值模拟,其间深入考察了子样选取、网格划分、求解器类型以及边界条件等,该方法易于区别不同的矿物及其百分含量。本文重点研究孔隙度和干酪根含量对弹性参数的影响,计算结果表明,孔隙度和干酪根含量对弹性性质有较大的影响,当孔隙度和干酪根含量增加时,弹性模量降低,且当孔隙度小于0.75%左右、干酪根含量大于3%左右时弹性参数减小速率较缓。因为孔隙度仅仅为4.5%,孔隙中填充油或气对弹性参数的影响甚微。不同岩心样本具有不同的孔隙度和干酪根含量,传统岩石物理实验不仅昂贵而且费时,而数值模拟是基于数字岩心来计算弹性参数,更加经济、方便。本研究证实了将页岩样品的微观结构图像与弹性模量的计算相结合来预测页岩弹性参数的可行性。     

基于计算岩石物理方法的页岩储层弹性参数提取

发展了应用数值计算方法获取页岩储层的速度、各向异性参数的计算岩石物理系列方法.该系列方法包括了大尺度精细地质模型数值建模、计算网格尺度的地球物理建模和地震波数值模拟提取岩石物理弹性参数.本文方法利用储层的统计数据而不是具体岩心的测量数据,可获得储层岩石物理弹性参数的变化规律.相比于基于岩心测试的岩石物理方法,本文方法可精细考虑实际储层的非均匀特征,可得到岩心测试难以求取的与尺寸效应高度相关的弹性参数,也避免了求取弹性参数变化规律时获取不同地质特征岩心的困难.本文发展了计算岩石物理方法,为计算岩石物理面临的大尺度地质建模和计算能力限制问题提供了有效的解决方案.文中以胜利罗家的页岩储层为例,求得了储层TOC含量从3%到21%变化情况下储层的P波、S波速度以及各向异性参数变化规律.     

各向异性富有机质页岩的岩石物理建模及脆性指数研究（英文）

岩石物理建模及脆性指数构建是影响脆性预测精度的两大重要环节。现有页岩模型对有机质的模拟争议较大,需要寻找合理的岩石物理理论来模拟富有机质页岩。同时,现有脆性公式种类繁多,各公式的适用性值得探究。本文利用Self-Consistent Approximation and the Differential Effective Medium(SCA+DEM)理论,通过模拟有机质与粘土的耦合性,构建各向异性富有机质岩石物理模型。与前人理论对比,初步验证了本模型的有效性;同时,基于模型构建脆性模板,分析物性参数对各脆性指数公式的影响。结果显示:各脆性公式对不同物性条件下地层的敏感性不同,基于杨氏模量构建的脆性指数对矿物含量的变化较敏感,而基于拉梅系数构建的脆性公式对孔隙度/孔隙流体敏感。应综合各脆性指数公式并结合地层物性信息,以达到最优的预测结果。     

泥岩、页岩声速各向异性及其影响因素分析

在实验室超声波频率下(纵波主频为700kHz、横波为250kHz)对层理发育的页岩和泥岩的各向异性进行了研究,给出了在干燥和油饱和条件下,样品不同方向上纵、横波速度以及各向异性参数随压力的变化规律. 用X 射线衍射和扫描电镜分析了样品中引起各向异性的原因,指出平行于层理定向排列的粘土矿物和微裂隙是使样品显示出强弹性各向异性的内在原因. 随着压力的增高微裂隙逐渐闭合,样品的各向异性程度减弱. 孔隙流体的存在增强了孔隙（裂隙）的刚度,减弱了各向异性随压力增大而减小的趋势.     

基于电张量矩阵分析裂缝形态对页岩模型等效电特性的影响

对具有裂缝结构的各向异性页岩模型等效电特性的研究是非常规油气勘探、页岩储层评价和测井解释的重要基础.针对具有强各向异性的裂缝页岩模型,本文提出使用二阶电学张量矩阵来对裂缝模型的电各向异性进行分析.论文工作采用有限元方法对含针状裂缝和圆盘状裂缝的理想页岩模型进行数值模拟,系统地分析了裂缝的形状、体积以及在岩体中的不同位置形态对页岩等效电参数张量的影响.结果 表明:裂缝的存在是导致岩石模型表现出电各向异性的原因之一;当裂缝的体积相同时,裂缝的形状以及裂缝的位置不同,都会使页岩模型的介电张量出现较大差异,并随裂缝相对位置及角度改变而呈现一定规律.这一研究结果有望为电磁测井和页岩油页岩气参数的反演提供关键的理论参考依据.     

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.     

川南下志留统龙马溪组页岩储集空间定量表征

以川南上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩钻井资料为基础,通过建立储层岩石物理模型和孔隙度数学模型,对富有机质页岩段基质孔隙构成和裂缝发育状况进行了定量评价.经过定量表征证实,龙马溪组页岩储集空间具有4大特征:(1)脆性矿物、粘土矿物和有机质三者产生的单位质量孔隙体积为有机质最高、粘土矿物次之、脆性矿物最少;(2)有效储层孔隙度适中,与Barnett相当,且孔隙构成以粘土矿物层间孔隙和有机质孔隙为主体;(3)富有机质页岩段孔隙度与TOC、脆性矿物/粘土矿物比值关系密切,主要表现为孔隙度随着TOC增大而增大,富含粘土的页岩孔隙度比富含脆性矿物的页岩孔隙度大;(4)黑色页岩裂缝发育,裂缝规模以微型、中-大型裂缝为主,裂缝密度自上而下增大,反映了龙马溪组底部具有脆性矿物含量高、杨氏模量高、泊松比低和脆性好等特点.     

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.     

基于页岩岩石物理等效模型的地应力预测方法研究

地应力的精确预测是对页岩地层进行水平井钻井轨迹设计和压裂的基础.本文在分析页岩构造特征的基础上,提出了适用于页岩地层的岩石物理等效模型的建立流程,并以此为基础实现了最小水平地应力的有效预测.首先,通过分析页岩地层的矿物、孔隙、流体及各向异性特征,将其等效为具有垂直对称轴的横向各向同性介质,进行了页岩岩石物理等效模型的构建;然后建立了页岩地层纵横波速度经验公式,并将该经验公式与岩石物理等效模型均应用于实际页岩工区的横波速度预测中,二者对比表明,本文中建立的页岩气岩石物理等效模型具有更高的横波预测精度,验证了该模型的适用性;最后,利用该模型计算各弹性刚度张量,进而实现了页岩地层最小水平地应力的预测,与各向同性模型估测结果对比表明,该模型预测的最小水平地应力与地层瞬间闭合压力一致性更高,且储层位置更为明显,具有较高的实用性.     

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.     

岩石物理驱动的正交各向异性方位叠前地震反演方法

基于长波长近似假设,周期性薄互层中发育一组平行排列的垂直裂缝则可视为等效的正交各向异性介质.岩石物理是构建裂缝参数与地震响应之间联系的基础,地震散射理论是各向异性介质参数反演的有效途径.文章提出了一种利用方位叠前地震数据实现正交各向异性裂缝储层Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数可靠预测的方法.首先,综合考虑矿物基质、孔隙、裂缝及各向异性岩石中流体替换的影响,通过构建正交各向异性裂缝岩石物理等效模型,实现正交各向异性刚度系数的估测,进而预测储层测井数据的弹性参数、Thomsen弱各向异性参数及裂缝弱度参数,为后续地震反演提供初始模型约束;然后,基于地震散射理论,推导了面向Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数反演的正交各向异性介质纵波反射系数方程,为后续地震反演奠定了理论基础;最后,发展了贝叶斯框架下的正交各向异性裂缝储层Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数AVAZ反演方法,同时考虑柯西稀疏约束正则化和平滑模型约束正则化约束,使用非线性的迭代重加权最小二乘策略实现正交各向异性特征参数的稳定估算.模型和实际资料处理表明,该方法能够稳定可靠地从方位叠前地震资料中获取正交各向异性特征参数,为正交各向异性介质的特征参数预测提供了一种高可靠性的地震反演方法.     

不同页岩及干酪根比表面积和孔隙结构的比较研究

运用氮气吸附和扫描电子显微镜实验研究了中国南方古生界不同页岩及其干酪根孔隙发育形态及影响因素.结果显示:二叠系大隆组页岩比表面积介于2.22~3.52 m2 g-1,比表面积与TOC含量之间没有相关性;干酪根纳米孔隙不发育,比表面积为20.35~27.49m2 g-1;志留系龙马溪组页岩比表面积介于17.83~29.49 m2 g-1,比表面积与TOC含量之间有极好的正相关性;干酪根纳米孔隙发育很好,比表面积高达279.84~300.3 m2 g-1;寒武系牛蹄塘组页岩比表面积介于20.12~29.49 m2 g-1,比表面积随TOC含量和蒙脱石含量增加而增加;干酪根发育有一定量的纳米孔隙,比表面积为161.2 m2 g-1.作为比对样品,油柑窝组油页岩比表面积为19.99 m2 g-1;干酪根孔隙极不发育,比表面积仅为5.54 m2 g-1,说明了油页岩的比表面积可能主要是来自蒙脱石等粘土矿物的贡献.页岩比表面积的高低及孔隙的多少与有机质含量、类型、成熟度和蒙脱石含量等因素密切相关.低成熟干酪根基本没有孔隙发育而显示出极低的比表面积;高过成熟干酪根具有较好的孔隙发育及较高的比表面积.龙马溪组干酪根比牛蹄塘组干酪根具有更为发育的纳米孔隙和更高的比表面积,这可能与它们的干酪根类型及显微组分等因素有关.较高的蒙脱石含量也会对页岩比表面积有一定的贡献.低成熟干酪根的孔容和比表面积主要是来自大于10 nm孔的贡献,高过成熟干酪根的孔容主要是大于10 nm孔的贡献,但4 nm左右孔也有一定的贡献,比表面积则主要是来自小于4 nm孔的贡献.通过对比研究不同页岩及干酪根的比表面积与孔隙结构可以得出龙马溪组和牛蹄塘组页岩比大隆组页岩具有更强的吸附能力.     

页岩储层脆性评价分析及可压裂性定量评价新方法研究

目前绝大部分可压裂性模型以弹性参数脆性指数法为基础评价页岩储层可压裂性,然而通过岩石应力应变特性、岩石力学测试统计结果和矿场压裂实例分析可知,通过弹性参数评价页岩脆性缺乏理论依据,且与实验测试、压裂效果等相悖.针对页岩储层可压裂性定义不统一、不全面的问题,综合分析了影响页岩体积压裂过程中压碎难度、缝网的复杂度、获得较高...