（地球探测与信息技术专业论文）基于岩石物理的流体识别研究.pdf

摘要 地球物理是石油勘探的重要手段，随着勘探难度和成本的加大，从早先单纯的构 造解释到现在的岩性及流体预测，地球物理学家对地球物理也提了越来越高的要求。 本文主要在岩石物理理论分析的基础上，研究了岩石在含有不同流体时特点的变化， 利用反射率方法进行了双相介质的正演模拟，研究了流体对地震响应的影响。然后对 不同的流体识别方法进行介绍和讨论。最后研究了基于弹性阻抗反演的流体识别方 法，利用井资料分析可以得出对流体敏感的属性，以及利用交会属性进行有效流体识 别。 岩石物理是联系油藏特性参数与地震数据的桥梁，也是地球物理资料的正反演计 算和综合解释所必须的，它不仅会为正反演提供知识基础以及必要的数据资料，同时 也可以减小反演问题的不确定性。本文详细介绍了岩石物理理论的基础知识以及弹性 参数的影响因素，分别讨论了三种常用的双相介质理论，研究了密度、纵横波速度随 流体饱和度的变化，并且比较了不同理论在不同流体、饱和度和孔隙度时，预测介质 性质的差异。 正演模拟是全面认识地震波在地下介质中的传播特点、帮助解释观测数据并搞清 地质构造的有效手段。反射率法是一种数值变换方法，它是实现层状半空间介质中全 波场模拟的有效方法，与其它的地震正演模拟方法相比较，反射率法精度较高，计算 成本较低，本文论述了双相介质反射率地震正演模拟方法。实现了基于双相介质理论 的反射率法正演模拟，并对不同流体饱和度的双相介质进行了正演模拟。 在流体识别方法中，流体因子方法的研究对流体识别具有重要的意义。流体因子 角和交会图角与叠前反演相比具有计算简单，计算速度较快的特点。弹性阻抗反演具 有良好的保真性和多信息性，并且可以得到纵波阻抗、横波阻抗、纵横波速度比、泊 松比等能够反映岩性及流体特征的岩性参数，从而可以进行有效的储层流体预测。泊 松阻抗方法和基于g a s s m a n n 方法的流体识别方法通过选择合理的参数，可以有效区 分不同流体。本文研究的各种方法在某地区实际资料中进行了检验和应用。应用效果 表明，文中讨论的方法是可行和有效的。 关键词：岩石物理，双相介质，正演模拟，流体识别 s t u d yo ff l u i dd i s c r i m i n a t i o nb a s e do nr o c kp h y s i c s g a ih a i y a n g ( g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw ug u o c h e n a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fp e t r o l e u mp r o s p e c t i n gd i f f i c u l t ya n dc o s t ，p e o p l ea r eh a v i n g h i g h e rd e m a n di ng e o p h y s i c sw h i c hi sa l li m p o r t a n tm e a n so fp e t r o l e u mp r o s p e c t i n g ，f r o m t h ee a r l ys i m p l es t r u c t u r ei n t e r p r e t a t i o nt ot h ep r e s e n tl i t h o l o g ya n df l u i dp r e d i c t i o n t h i s t h e s i s ，o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i so fr o c kp h y s i c s ，m a i n l ya n a l y s e st h ef e a t u r e so f r o c kc o n t a i n i n gd i f f e r e n tf l u i d s ，p e r f o r m st w o - p h a s em e d i af o r w a r dm o d e l i n gb yt h e m e t h o do fr e f l e c t i v i t y , a n ds t u d i e st h ei m p a c to ff l u i d so ns e i s m i cc o r r e s p o n d i n ga n d r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t t h i st h e s i st h e ng i v e sa ni n t r o d u c t i o na n dd i s c u s s i o na b o u td i f f e r e n t f l u i di d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，o nt h eb a s i so ff l u i df a c t o ro fa v oa n a l y s i sb e i n gd i f f e r e n t a n g l ep a r a m e t e r so b t a i n e dt h r o u g ht h ew e l l sd a t aa n a l y s i s f i n a l l y , t h ea u t h o rs t u d i e sf l u i d i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sb a s e do ne l a s t i c i m p e d a n c ei n v e r s i o n ：t h e e f f e c t i v ef l u i d i d e n t i f i c a t i o np r o p e r t i e sc a nb eo b t a i n e dt h r o u g hw e l l sd a t a a n a l y s i s ，a n dc r o s sp l o t a t t r i b u t e sc a nb eu s e df o re f f e c t i v ef l u i di d e n t i f i c a t i o n r o c kp h y s i c si st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nr e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n d s e i s m i cd a t a ，a n di sa l s on e c e s s a r yf o rf o r w a r da n di n v e r s ec a l c u l a t i o na n dc o m p r e h e n s i v e i n t e r p r e t a t i o n ，w h i c hn o to n l yp r o v i d e sk n o w l e d g eb a s ea n dn e c e s s a r yd a t af o rf o r w a r da n d i n v e r s i o nm o d e l i n g ，b u ta l s or e d u c e st h eu n c e r t a i n t yo fi n v e r s i o np r o b l e m t h i st h e s i s i n t r o d u c e sb a s i ck n o w l e d g eo fr o c kp h y s i c st h e o r y , a n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fe l a s t i c p a r a m e t e r s ，r e s p e c t i v e l yd i s c u s s e st h r e ec o m m o n l yu s e dt w o - p h a s em e d i at h e o r y , s t u d i e s t h er o l eo fd e n s i t ya n dp - w a v ea n ds - w a v ev e l o c i t i e sv a r y i n ga l o n gw i t ht h ec h a n g eo f f l u i ds a t u r a t i o n ，a n dm a k e sc o m p a r i s o n so fd if f e r e n tt h e o r i e si nt h ef o r e c a s t i n go fm e d i a n a t u r eu n d e rd i f f e r e n tf l u i d ，s a t u r a t i o na n dp o r o s i t y f o r w a r dm o d e l i n gi sa ne f f e c t i v em e a n st of u l l yu n d e r s t a n dt h ep r o p a g a t i o nf e a t u r eo f s e i s m i cw a v ei nc o m p l e xm e d i a ，a n dt oh e l pt oe x p l a i nt h eo b s e r v a t i o n a ld a t aa n dm a k e c l e a rt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e r e f l e c t i v i t ym e t h o d ，an u m e r i c a lt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d ，i s a l le f f e c t i v ew a yo fr e a l i z i n gf u l l w a v ef i e l dm o d e l i n gw i t hh i g h e ra c c u r a c ya n dl o w e rc o s t c a l c u l a t i o ni nl a y e r e dh a l f - s p a c em e d i a t h i st h e s i sd i s c u s s e ss e i s m i cf o r w a r dm o d e l i n g m e t h o do ft w o p h a s em e d i ar e f l e c t i v i t ya n dc a r r yo u tf o r w a r dm o d e l i n go ft w o - - p h a s e m e d i ao fd i f f e r e n tf l u i ds a t u r a t i o n t h es t u d yo ff l u i df a c t o rm e t h o d ，a m o n gf l u i di d e n t i f i c a t i o nm e t h o d si so fg r e a t s i g n i f i c a n c ei nf l u i di d e n t i f i c a t i o n c o m p a r e dw i t hp r e - s t a c ki n v e r s i o n ，f l u i df a c t o ra n g l e a n dc r o s s p l o ta n g l ep o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ea n df a s tc a l c u l a t i o n e l a s t i c i m p e d a n c ei n v e r s i o nh a sg o o df i d e l i t ya n dm u c hi n f o r m a t i o n t h e nl i t h o l o g i c a lp a r a m e t e r s r e f l e c t i n gl i t h o l o g ya n df l u i d s ，s u c ha sp w a v ea n ds - w a v ei m p e d a n c e ，a n dp w a v ea n d s - w a v ev e l o c i t yr a t i oa n dp o i s s o nr a t i oa n ds oo nc a l lb ef i g u r e do u ts oa st oe f f e c t i v e l y p r e d i c tr e s e r v o i rf l u i d s p o i s s o ni m p e d a n c em e t h o da n df l u i di d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e d o ng a s s m a n nm e t h o d ，c a l le f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s hd i f f e r e n tf l u i d sb ys e l e c t i n gr e a s o n a b l e p a r a m e t e r s v a r i o u sm e t h o d ss t a t e di nt h i st h e s i sh a v eb e e nt e s t e da n du s e di nt h ea c t u a l d a t ao fac e r t a i na r e a t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d ss t a t e di nt h et h e s i si s f e ：a s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：r o c kp h y s i c s ，t w o - p h a s em e d i a ，s e i s m i cm o d e l i n g ，f l u i dd i s c r i m i n a t i o n 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：2 p 乃年多月工日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：墨迄差 指导教师签名： 日期：加7 年g 月日 日期：d 夕年占月e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 地震分析的目标是直接从地震数据中定量提取岩性、孔隙度和孔隙流体成分，岩 石物理学为地震岩性测定提供了基础依据。在勘探地震学中，地震波以旅行时间、反 射波振幅及相位变化的形式带来了地下岩石和流体的信息。在早期的勘探地震学中， 地震数据主要用作构造解释，这些构造可能含有油气。随着计算能力的提高和地震处 理、解释技术的进步，现在对地震数据的分析一般是为了预测岩性、孔隙度、孔隙流 体以及饱和度。因为岩石物理学为地震数据与油藏特性和参数之间架起了桥梁，近年 来它己在有关新技术的开发中发挥作用，诸如4 d 地震油藏监测、地震岩性识别，以 及“亮点”和反射系数随入射角变化的分析等油气直接检测技术。众所周知，地震方 法所得到的数据其实是反映了地下岩石层波阻抗的变化，也就是岩石物理性质的变 化，另一方面，某种岩石表现出来的实际物理性质与很多因素有关，但通过大量统计 计算，并结合工作经验，进行理论分析，可以建立岩石物理模型，我们可以通过建立 的岩石物理模型来分析储层含不同流体时的弹性特征变化，而且地震数据是可以反映 上述变化的，通过对原始地震数据进行各种去粗存精的变换之后，可以更加清晰的捕 捉到这种变化，并由此为石油勘探提供更好的依据。 地震正演模拟是对地震振幅信息进行定量分析的常用方法之一，是了解和认识地 震波在地层介质中传播、帮助解释观测数据并搞清地质构造的有效手段。基于假设或 者说已经解释好的地质模型来制作合成记录，然后将合成记录与实际地震道相比较， 如果必要的话则必须修改地质模型而得到更好的匹配结果。地震正演模拟式地震反演 的一个反过程，地质模型是由实际地震资料和测井资料转化而来的。结合工区的油藏 特征，分析不同地质条件下油、气、水及特殊岩性体的a v o 特征，然后建立相应的 a v 0 检测标志，即可在实际地震记录中直接识别岩性及油气。 利用地震资料识别储层中的流体是储层预测的一项重要内容，随着勘探难度的加 大，仅仅利用单一或少量的信息难以达到识别流体的目的。近年来，人们以地震资料 为基础，综合利用岩石物理分析、地震正演模拟、a v 0 分析技术和弹性阻抗反演， 对储层流体识别进行深入研究，提出了多种流体异常的识别方法，利用a v 0 截距和 梯度交会分析和弹性阻抗反演与参数提取可以得到不同的属性参数，从而可以进行流 体因子方法的研究，更有效的进行储层流体预测。将弹性阻抗反演与流体因子方法研 第一章绪论 究相结合，就可以更加准确有效地进行储层流体识别。 1 2 选题背景 大部分岩石含有孔隙，孔隙中又含有流体，流体饱和和多孔介质模型与经典的弹 性介质模型相比较，前者更逼真的描述了地下岩石( 尤其像含油岩层、海底沉积岩层 等) 情况，关于双相介质的理论已有几十年的历史，g a s s m a n n ( 1 9 5 1 ) 提出了关于弹性 波在多孔介质中的传播理论，并建立了著名的g a s s m a n n 方程( 反映了速度与孔隙度 之间的定量关系) ，b i o t ( 1 9 5 6 ) 根据流体饱和多孔隙介质中弹性波的位移特征和吸收 特征，发展了g a s s m a r m 流体饱和的多孔隙双相介质理论，从而奠定了双相介质波动 理论的基础。b i o t 理论充分考虑了孔隙介质的双相特性，发现了慢速纵波，并指出粘 滞力控制孔隙流体的相对运动是弹性波在孔隙介质传播过程中发生衰减的重要因素， 并且被后来的研究所证实、发展和应用。p l o n a ( 1 9 8 0 ) 通过实验观测到第二类纵波( 慢 纵波) ，证实了b i o t 理论的正确性。h a r n d i 等人用双相介质理论研究了海上沉积物的 渗透率；n u r 在综合前人工作的基础上，详细的论述了流体饱和度、裂隙密度、孔隙 度、孔隙流体压力与围压、裂隙与孔隙空间的几何形态等因素对地震波衰减的影响和 弹性介质以及多孔隙岩石内波的传播特点，并指出了双相介质理论在测井储油层评 价、强化回采率、断层检测、圈定地下含蒸汽区域等地震勘探领域的应用前景；n u r 和w a n g 全面深入的总结和论述了双相介质中地震波和声波速度的实验、理论和模型 成果；b i o t 理论是研究孔隙介质中弹性波传播理论的基础，但其仅考虑孔隙介质中的 p o i s e u i l l e 流动，已难以对付许多实际问题和实验中所观察到的弹性波高频散和强衰减 以及粘弹性行为作出合理的解释。m a v k o 和n u r ( 1 9 7 9 ) 发现喷射流机制是造成部分饱和 岩石中波强衰减和高频散的主要原因，喷射流机制预测了l 卜, b i o t 机理更高的衰减，并 认为这种机制也可存在于完全饱和岩石中。m u r p h y 和n u r 等发现，在沉积物中，喷射 流机制是造成p 波和s 波能量衰减和频散的主要原因并进行了验证。d v o r k i n ( 1 9 9 4 ) 提 出了喷射流机制的宏观描述和应用固液相互作用的喷射流机制研究了完全饱和岩石 中波的频散和衰减，通过与b i o t 机制相比较，发现b i o t 机制过分低估了波的衰减和频 散现象。 d v o r k i n 和n u r ( 1 9 9 3 ) 基于孔隙各向同性一维问题，将b i o t 机s j j 和s q u i r t 机制统一在 一个模型，o j b i o t s q u i r t ( b i s q ) 模型，并利用b i o t 理论的弹性波动力学方程和流体力 学质量守恒方程以及流体轴对称流动的基本性质，导出了含可压缩粘性流体的双相介 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 质中压缩波相速度和衰减品质因子的计算公式，这种波速度、品质因子和衰减系数与 频率、流体粘滞度、流体压缩性、孔隙度、渗透率、特征喷射长度等参数之间的关系， 反映了流体两种不同流动形式和流体特性对波速、衰减和频散的影响，l 匕b i o t 理论更 能真实的体现波在孔隙各向同性介质中的传播规律。p a r r a ( 1 9 9 7 ) 给出了基于b i s q 理论 的横向各向同性孔隙介质二维波动方程以及波的频散和衰减关系。 进入9 0 年代以来，有关双相介质地震波传播理论及其应用的研究在国内得到了快 速的发展，取得了较大的进展。中国石油大学( 北京) 牟永光教授( 1 9 9 6 ) 主持的科研 组以b i o t 理论为基础，在双相介质地震物理模型实验、数值模拟和a v o 分析等方面开 展了全面的研究：董敏煜教授主持的科研组在各向异性分析、正演模拟、裂隙参数反 演和多波多分量资料处理方面取得重要进展。乔文孝教授主持的课题组对基于b i o t 介 质的双相介质理论进行了数值模拟和物理实验，研究了声波波速及其衰减特性与储层 物性参数之间的关系。中国石油大学( 华东) 印兴耀教授主持的科研组开展了对双相 介质a v o 的研究。 应用地球物理资料进行精细气藏描述( 定量) 一直是油气勘探家们特别是地球物 理勘探家极为关注的问题，是油藏地球物理的重要课题。在该研究领域，通常使用的 地震资料向油藏参数的转换是基于地震解释和统计相关理论基础之上的，没有考虑到 地震波传播特征和油藏性质之间的物理联系。因此，需要加深对这方面的物理意义的 理解。进入二十世纪九十年代以来，国内外很多学者都曾对不同岩石的地震响应做过 研究，建立了地震特性和储层参数之间的一些很重要的关系。比如韩德华( 1 9 8 6 ) 等研 究了孔隙度和泥质含量与地震特征之间的关系；a n s e l m e t t i ( 1 9 9 7 ) 等研究了岩石微观结 构和构造与地震特征之间的关系：g r e e n b e r g ( 1 9 9 2 ) 等研究了岩性与地震特征之间的关 系；王之敬( 1 9 9 0 ) 等研究了孔隙流体与地震特征之间的关系。这些已有的岩石物理理 论和已建立的相应模型，可以帮助我们更好地利用地震反射特征来预测油气储层的性 质，从而达到比常规的统计转换方法更高的预测准确度。在该领域，个重要的发展 方向就是在现有基本理论的基础上，建立起岩石物理与沉积学之间的联系，实现地质、 地球物理和岩石物理三者之间的完全交融，统一指导油气的勘探和开发。具体地说， 就是首先要建立沉积相和岩石物性之间的联系，这将改善利用地震振幅信息进行储层 表征和预测的准确度，因为沉积相对于储层的几何形态和孔隙分布具有宏观的控制作 用：另外，沉积相在横向和垂向分布上可预测性还可以用来研究沉积过程和沉积环境。 近年来，人们以纵、横波资料为基础对储层流体识别进行了深入研究。s m i t h 和 3 第一章绪论 g i d l o w ( 1 9 8 7 ) 首先提出可以利用叠前数据通过不同加权函数进行叠加得到流体因子 和伪泊松比剖面来预测岩性和流体。g o o d w a y ( 1 9 9 7 ) 提出了一种用于流体异常识别的 技术，即l a m b d a m u r h o 技术。h e d l i n ( 2 0 0 0 ) 基于m u r p h y 等人( 1 9 9 3 ) 的著作同时融 入了地震上的纵、横波阻抗信息，提出了孔隙模量的方法。h i l t e r m a n ( 2 0 0 1 ) 介绍了流 体因子的概念并总结了g o o d w a y 和h e d l i n 等人的成果。r u s s e l l ( 2 0 0 3 ) 总结了前人的 观点，利用b i o t g a s s m a n n 方程对饱和流体条件下的的纵波速度方程进行了改写，得 到流体因子进行流体识别。g i d l o w 和s m i t h ( 2 0 0 3 ) 根据叠前a v o 分析，提出了流体 因子角度和交会图角度的概念，利用这两种角度进行计算来得到流体因子。宁忠华 ( 2 0 0 6 ) 在总结分析前人方法的基础上，提出了高灵敏度的流体因子方法。m a r k ( 2 0 0 6 ) 提出了泊松阻抗的概念，这个概念联合了泊松比和密度属性，比单一的泊松比或密度 参数能更有效的区分流体。通常，流体因子表示为纵、横波阻抗等属性参数组合的形 式，通过弹性阻抗反演及参数提取，我们可以得到不同的属性参数。将提取的参数与 流体识别方法研究相结合，从而可以更加有效地进行储层预测与流体识别。s t o l l 和 k a n ( 1 9 8 1 ) 研究了地震波由海水入射于海底沉积土时的反射与透射，以解释海洋地震 勘探资料；d e r e s i e w i e z 和l e v y ( 1 9 6 7 ) ，h a j r a 和m u k h o p o d h y a y ( 1 9 8 2 ) 先后发表了地震 波在弹性固体与饱和砂岩界面的反射与透射的研究成果。基于此，杨峻等( 1 9 9 7 ) 研究 了地震波以任意角度由一种饱和土层入射于另一饱和土层时的反射与透射，其中饱和 土模型采用实用的修改b i o t 模型( b i o t ，1 9 6 2 ；p h i l i p p a c o p o u l o s ，1 9 8 7 ) 。汪恩华等0 0 0 1 ) 研究了基于薄层的反射系数谱理论与模型正演，获得了在薄层条件下不同频率成分的 纵波反射系数谱数学关系式。为开展面向多参数特征的流体预测奠定了基础。 1 3 论文研究内容 本文主要在岩石物理理论分析的基础上，分析了岩石在含有不同流体时的特点， 利用反射率方法进行了双相介质的正演模拟，研究了流体对地震相应以及反射系数的 影响。然后对不同的流体识别方法进行介绍和讨论，基于a v o 分析的流体因子是根 据井资料的分析得到不同的角度参数。最后研究了基于弹性阻抗反演的流体识别方 法，利用井资料分析可以得出有效识别流体的属性，根据分析得到交会属性进行有效 流体识别。全文共分为五章，下面对各章做一概述。 第一章是绪论，主要概述选题目的及意义，岩石物理理论、双相介质正演模拟和 流体识别技术的历史和发展现状等。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章是双相介质理论，主要是岩石物理理论的基础知识，并且讨论了常用弹性 参数的影响因素。分别讨论了三种常用的岩石理论，研究了密度、纵横波速度变化随 流体饱和度的变化，并且比较了不同理论在流体替代时的差异。 第三章主要论述了双相介质反射率地震正演模拟方法。分别讨论了数值模拟方法 的种类和优缺点。实现了基于b i s q 理论的反射率法正演模拟，并验证了反射率正演 模拟方法的正确性。分析了不同流体时的地震响应。 第四章对流体因子方法进行研究。通过截距和梯度的交会分析得出，当地层为泥 岩或含水砂岩时，截距和梯度的变化趋势基本呈线性关系，而当地层是含气或含油砂 岩石，截距和梯度不符合线性变换。基于这个结论得到了两种定义流体因子的方法。 并在实际应用中取得了较好的效果。 第五章基于弹性阻抗反演的流体识别方法，从反演结果可以提取地层的弹性参 数，利用井资料分析可以得出有效识别流体的属性，根据分析得到交会属性进行有效 流体识别。 最后部分是结论，总结了论文的主要研究内容，并提出了一些双相介质理论和流 体识别方面的认识和结论。 5 第二章双相介质理论 第二章双相介质理论 地震岩石物理学( 简称岩石物理学) 是研究与地震特性有关的岩石物理性质以及 这些物理性质与地震响应之间关系的- f 7 科学。岩石物理不仅是联系油藏特性参数与 地震数据的桥梁，也是地球物理资料的正反演计算和综合解释所必须，不但会为正反 演提供知识基础以及必要的数据资料，同时也可以大大减小反演问题的不确定性。对 于深部构造研究、区域性油气预测、储层预测和油藏描述都是必不可少的。 地壳岩石是由岩石骨架和孔隙所组成的多孔介质，孔隙通常被水、气、油等流体 所充填而构成多相介质。微观尺度上岩石固体骨架与孔隙流体的相互作用、相互干扰 使得弹性波在这种流体饱和多孔介质中传播时，其传播规律与理想的弹性介质明显不 同。关于双相介质的研究，自从1 9 2 8 年起已经出现了近2 0 种理论。最早的要数 v o i g t - r e u s s 模型( 印兴耀，2 0 0 6 ) ，g a s s m a n n ( 1 9 5 1 ) 在流体和固体之间的任何相对 运动和岩层自身的运动相比可以忽略不计的假设条件下，推导出了孔隙岩层充满流体 的弹性模量公式，奠定了近代沉积岩的弹性理论与岩石物性之间研究的基础，接着有 被广泛使用的w y l l i e 的时间平均方程( w y l l i e ，1 9 5 6 ，1 9 5 8 ) 。研究双相介质理论就 是研究组成骨架及流体的各个成分的物性对岩石整体物性的作用和贡献。 2 1 岩石物理学基础 岩石物理学基础研究及相关分析方法研究是地震反演和属性分析的基础，为进 一步的识别岩性和烃类奠定基础，这就要求对反映岩石物理学特征的地震参数与岩性 和烃类的关系有深刻的理解，这是建立相关分析方法的物理基础。 表征岩石物理学特征的岩石性质参数主要有岩石的弹性模量、密度p 、纵波速度 巧、横波速度以以及衰减等，它们是我们识别岩性及油气的重要参数，也是我们联 系储集层特征的参数，进行定量地震油藏描述的桥梁，例如，孔隙度缈、饱和度s 、 渗透率k 和地层压力p 。岩石物理学用于烃类直接检测的主要问题是：当孔隙流体成 分改变时，密度、以及纵横波速度是如何变化的。描述这种变化通常有两种方法：采 用岩石物理模型或者进行岩石物理计算。计算多孔岩石流体饱和的地震参数密度 p 、纵波速度和横波速度乓，种方法是需要了解背景岩石的弹性参数之间的关 系，针对不同地区，建立相应的地震参数一岩性关系量板，统计相应的地震参数一储 集层特征参数的经验关系。通常建立流体替代模型，分析油、气、水层和泥岩的地震 反射特征、a v o 属性交会图，通过检测a v o 属性和背景模型的差异来预测油气和特 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 殊体。 在均匀各向同性介质中，描述岩石弹性特征的主要地震参数有岩石的弹性模量、 密度p 、纵波速度和横波速度珞等。弹性模量反映了岩石应力一应变关系的特征， 密度反映岩石的比重，而速度则反映地震波在岩石中的传播的特征，它是弹性模量的 函数。 岩石物理学及相关分析方法研究是地震反演和属性分析的基础，为进一步的识别 岩性和烃类奠定基础，这就要求对反映岩石物理学特征的地震参数与岩性和烃类的关 系有深刻的理解，这是建立相关分析方法的物理基础。在均匀各向同性介质中，描述 岩石弹性特征的主要地震参数有岩石的纵波速度巧、横波速度k 和泊松比盯等。 a ) 纵波速度和横波速度 在均匀各向同性介质中，密度p 反映单位体积岩石的重量，纵波速度圪和横波 速度珞可用密度p 、体积模量k 与剪切模量或者拉梅常数兄来表示： 口= 乎= 巫k + 4 3 t ( 2 一1 ) 肛括 ( 2 - 2 ) b ) 纵、横波阻抗 对于储层的页岩盖层，它也具有不同的速度和波阻抗。然而，页岩总是具有比砂 岩储层高的珞值。因此，当盖层泥岩与储层砂岩具有相似的纵波阻抗时，它们的 横波阻抗不同。如果盖层泥岩和储层砂层之间具有相似的纵波阻抗，那么纵波地震数 据不足以定义油藏边界线。 c ) 泊松比 泊松t ：k 是反应岩性和含气性的重要参数，它是用岩石纵向拉伸和横向压缩的比值 来表示。泊松比与纵横波速度i ：k 有如下关系： 仃= 帮1 = 粤1 - y 仁3 ， 仃= 二- = ：f 2 3 1 一( 珞) 2 2 、7 尝- ( 高0 5 ) - 陋4 ， 珞 l 一仃l 可见，当v 1 v ：4 7 时，则盯：0 ；当咋k ：1 5 时，则仃：o 1 ( 含气砂岩情形) ；当 7 一 苎三兰翌塑坌堕里堡 一 - _ _ _ - - _ - - _ 一一 咋= 2 01 对，贝, uo - = o 3 3 3 ( 含水砂岩情形) ：当巧k = o o n s ，贝, l jo - = 0 5 ( f l = 0 ，液 体情形) 。图1 - 1 给出了含气砂岩和含水砂岩的泊松比。通过测量岩石纵向拉伸和横 向压缩的比值计算的泊松比通常称为静态泊松比，通过测量岩石的纵波速度和横波速 度，由式( 2 3 ) 计算的泊松比通常称为动态泊松比。 a 2i l j i a 耽 a 删矽 口。面f 图2 - 1 泊松比的物理意义 图2 - 2 含气和含水砂岩的泊松比 d ) 拉梅常数，2 ( l a m b d a ) 和( m u ) j ，一。 ， 币t i | f i - - 。 f f ifl f f l 7 i 一一， ji fi 7 + ， 图2 3 弹性模量及具物理葸义 ( a ) 剪切模量；( b ) 体积模量k ：( c ) 杨氏模量e 五和“是拉梅常数，饱和的含油气地层一般都具有较低的初和旯。尽管一般 的岩石物理理论认为与孔隙流体无关，但是它是岩石骨架及岩性的指示剂。低的和 与较软的岩性相关；而高的k p 与硬的岩性相关，低的舻与松软岩石相关，高的印与 刚性较强的岩石相关。肜不受流体的影响，但却受孔隙变化的影响。初与肜能够 灵敏地反映储层属性，并且物理意义明确，在岩性和流体预测方面具有重要意义。 2 2 岩石弹性参数及相互关系 2 2 1 泊松比与岩性及流体成分的关系 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 实验室测量表明，不同的岩石，其泊松比分布范围也是不同的，在某些情况下 甚至不出现重迭区间：例如，砂岩的泊松比在o 1 7 0 2 6 间，白云岩和石灰岩泊松比 的区间分别是：0 2 7 - 0 2 9 和0 2 9 0 3 3 ( 殷八斤，1 9 9 5 ) 。 o 5 o o 3 ：丑 密 蜒 o 2 o o1 o 图2 - 4 不同岩性和地震参数的关系( 殷八斤，1 9 9 5 ) 不同岩性和地震参数有不同的对应关系，只利用纵波速度圪，区分砂岩和泥岩 是比较困难的，因为砂岩和泥岩的纵波速度出现了很大的重叠区间，而综合泊松比盯 和纵波速度咋，情况就不一样，砂岩和泥岩在咋一仃坐标中不出现重叠区间，含有油 气等不同流体时也可区分，因此，在油藏描述中，综合纵波和横波信息比单纯使用纵 波信息更为有效。通常，含气或含油砂岩和含水砂岩的弹性模量是不同的，含油气饱 岩石和与水饱和岩石的弹性模量虽然有些重叠区间，但前者岩石的值一般比较低，特 别是泊松比在含气饱和的砂岩中通常显示特别的低值。与含水砂岩相比，含油气砂岩 的纵波速度显著减少，而横波速度珞几乎不变，而且略有上升，这样就导致了含 油气砂岩的低泊松比现象。因此，泊松比对于区分水饱和与气饱和的岩石有特殊的意 义。 2 2 2 密度、纵波速度和横波速度的关系 尽管测井可以提供岩石的密度p 、纵波速度巧和横波速度攻。但是，在实际应 用中，为了更加方便，人们经常建立三者之间简单的关系，g a r d n e r ( 1 9 7 4 ) 禾1 j 用统计方 9 第二章双相介质理论 法建立了岩石密度和纵波速度的关系： p = 0 3 1 口o 2 5( 2 - 5 ) 按照上述关系p = c 口6 ，针对不同岩性，c a s t a g n a ( 1 9 8 5 ) 统计了不同岩性时的参 数c 和b 值： 表2 - 1 不同岩石的密度与纵波速度的关系 系数 泥岩砂岩 白云岩碳酸盐岩石膏 c 0 2 7 9 5 0 2 7 3 30 3 0 1 60 3 2 8 90 7 2 5 6 b0 2 6 5 0 2 6 10 2 4 30 2 5 50 1 6 0 进一步，c a s t a g n a ( 1 9 9 3 ) 还提出用抛物关系来回归不同岩石的密度p ( 或横波速度 珞) 与纵波速度2 _ f b - 的关系： p ( o r 珞) = 彳巧2 + b 咋+ c ( 2 - 6 ) 当速度单位为k m s ，密度单位为g c m 3 时，表2 - 2 给出了c a s t a g n a 统计的不同 岩性的密度与纵波速度的关系。 表2 2 不同岩石的密度与纵波速度的关系 系数石灰岩 白云岩 砂岩页岩膏岩 a一0 0 2 9 6- 0 2 3 5 0 0 0 1 1 5- 0 0 2 6 10 0 2 0 3 b0 4 6 1 00 3 9 0 00 2 6 1 00 3 7 3 00 3 2 1 0 c0 9 6 3 01 2 4 2 l1 1 5 1 01 4 5 8 01 。7 3 2 1 表2 3 给出不同岩性的横波速度与纵波速度的关系。一般地，泥岩的纵横波速度 关系可以写为： 咋= 1 1 6 圪+ 1 3 6 表2 _ 3 不同岩石的横波速度与纵波速度的关系 系数 石灰岩白云岩砂岩 页岩煤 a一0 0 5 5 1 0 2 3 2 0 b1 0 1 6 80 5 8 3 00 8 0 4 20 7 7 0 01 5 4 2 c1 0 3 0 5- 0 0 7 8- 0 8 5 5 9 - 0 8 6 7 41 2 1 4 0 1 0 ( 2 - 7 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 3 孔隙度与密度、纵横波速度的关系 ( 1 ) w y l l i e ( 1 9 5 6 ) 的时间平均方程 去= 号卜百1 - ( 0 - i p 8 ， 一= 一 iz 一 巧 圪 、7 这里缈为孔隙度，巧为纵波速度，为流体速度，圪为基质速度。 ( 2 ) p i c k e t t ( 1 9 6 3 ) 方程 这里v 为纵波速度或横波速度珞。 喜：a 。+ 却 一=+ b 口 y 7 ( 3 ) r a y m e r ( 1 9 8 0 ) 方程( 测井统计) y = ( 1 一咖2 匕+ 伊吩 ( 4 ) 密度与孔隙度的关系 凡2 岛十饬町= ( 1 一伊) 岛+ ( 0 p f ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 矾、岛、乃和成分别为湿样品密度、干样品的密度、流体密度和骨架密度。 ( 5 ) 纵横波速度与孔隙度的关系 韩德华等人的工作表明：纯砂岩中纵横波速度与孔隙度可用非线性关系表示： 咋= o 1 9 4 + 0 3 2 8 ( 2 1 2 ) 一= 0 3 2 0 + 0 6 2 8 ( 0( 2 1 3 ) 或更简洁地表示为线性关系： ? 咋= 5 0 2 5 3 6 ( 0( 2 1 4 ) k = 3 0 3 3 7 8 ( 0( 2 1 5 ) 对于非纯砂岩，实验室测量和测井统计表明：孔隙度够、泥质百分比含量与纵 横波速度之间存在近似的线性关系： 巧= a p + b p 伊+ c p ( 2 1 6 ) = 4 + b s 9 + e ( 2 1 7 ) 第二章双相介质理论 表2 - 4 孔隙度和泥质含量与纵横波速度的关系 a pb pg4 b sg t o s a y o 5 88 62 43 76 32 1 韩德华等5 5 96 9 32 1 83 5 24 9 1 1 8 9 c a s t a g n a 等 8 8 19 4 22 2 l 3 8 97 0 72 0 4 甘利灯5 3 76 3 31 8 23 1 53 5 1 1 5 2 上面两式中的系数爿i d 邵，0 以，b g 可以由实验室测量获得也可以根据测井数 据确定，统计结果见表2 4 ，k l i m e n t o 用纵波速度来反映孔隙度缈、渗透率c 和泥 质百分比含量。获得了孔隙度为6 3 6 时的经验关系： 咋= 5 2 7 5 4 p 一2 5 4 c 一0 0 0 1 n( 2 - 1 8 ) 2 2 4 影响沉积岩地震性质的因素 王之敬系统总结了岩石物理学特征与地震性质的联系，表2 5 表2 7 列出了影 响沉积岩地震性质