（地球探测与信息技术专业论文）中深部含气储层声波测井特征及划分方法研究.pdf

摘要 中深部天然气层由于受成岩作用和压实作用的影响 常具有低孔 低渗 致密 等特点 储层物性较差 测井响应特征一般不明显 虽然高阻特征比较明显 但是 和其它储层又难以区分 全波列测井是获取地层信息最多的测井方法之一 可以提 供包括纵横波速度 幅度 衰减系数 品质因子等丰富的测井信息 因此 本文利 用岩石物理理论 研究储层含不同流体时声波测井参数的特征 从中提取对中深部 气层显示明显的特征参数 然后通过b p 神经网络对中深部含气储层进行识别 论文首先对浅层和中深部天然气层的测井响应特征和常规识别方法进行了分析 总结 然后利用双相介质理论对储层含气情况下的纵横波速度 泊松比 体积模量 等声学特征进行了正演研究 采用b i o t b i s q d v o r k i n 三种模型研究了气层对声 幅衰减的影响 用频谱比法对实际阵列声波测井资料进行了处理 认为频谱比法是 目前计算衰减最有效的方法 在以上研究的基础上 利用b p 人工神经网络对储层类型识别进行了研究 在 对天然气层测井响应特征敏感性分析基础上 选取较为明显的测井响应特征 结合 声波特征参数 作为人工神经网络的输入特征向量 以待识别的储层类型作为输出 向量 对实际地层进行了识别 结果表明 利用人工神经网络技术识别深部气层是 有效的 关键词 中深部气层 岩石物理 声波测井 人工神经网络 a c o u s t i cl o g g i n gc h a r a c t e r i s t i ca n di d e n t i f i c a t i o nm e t h o ds t u d yf o r m i d d e e pg a s f o r m a t i o n w a n gr u i h o n g g e o d e t e c t i o na 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 ya s s o c i a t ep r o f s h a oc a i r u i a b s t r a c t a sm i d d e e pg a sf o r m a t i o nh a st h ec h a r a c t e ro fl o wp o r o s i t y l o wp e r m e a b i l i t y t h e l o gr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sc o m m o n l yn o te v i d e n tt h a no t h e rf o r m a t i o n t h o u g hi tu s u a l l y c a ns h o wh i g hr e s i s t a n c ep r o p e r t y i t sh a r dt oi d e n t i f yw h e t h e ri ti so i lf o r m a t i o no rg a s f o r m a t i o n a c o u s t i cw a v e t r a i n l o g g i n g h a sa b o u n d a n t i n f o r m a t i o n i n c l u d i n g c o m p r e s s i o n a la n ds h e a rw a v ev e l o c i t y a m p l i t u d e a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t a n ds o o n t h e r e f o r e t h i st h e s i su t i l i z e sr o c kp h y s i c st h e o r yt oj u d g et h ec h a r a c t e ro fa c o u s t i cw e l l l o gp a r a m e t e r sa st h er e s e r v o i ri ss a t u r a t e dw i t hg a s a n de x t r a c t ss o m ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sw h i c ha r es e n s i t i v et om i d d e e pg a sf o r m a t i o n f i n a l l yu s e sb pa n nt e c h n i q u e t oi d e n t i f ym i d d e e pg a sf o r m a t i o n f i r s t t h i st h e s i ss u m m a r i z e ss o m ew e l l l o g r e s p o n s e p r o p e r t y a n dg e n e r a l d i s t i n g u i s h i n gm e t h o d so fs h a l l o wa n dm i d d e e pg a sf o r m a t i o n t h e nu s i n gd o u b l e p h a s e t h e o r ya n db i o t g a s s m a n ne q u a t i o nt od of o r w a r dm o d e l i n go fs o m ea c o u s t i cc h a r a c t e r s s u c ha sc o m p r e s s i o n a la n ds h e a rv e l o c i t y p o i s s o nr a t i o b u l km o d u l u sw h e nt h er e s e r v o i r i sf i l l e dw i t hg a s i no r d e rt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fg a so na t t e n u a t i o n t h i sa r t i c l e u t i l i z e st h r e em o d e l s b i o t b i s qa n dd v o r k i n t oc a l c u l a t ei n v e r s e q u a l i t yf a c t o r r e s p e c t i v e l y a n dp r o c e s sa c t u a lx m a cd a t au s i n gs p e c t r a lr a t i om e t h o d r e s u l t ss h o w s p e c t r a lr a t i om e t h o di st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt oc a l c u l a t ea t t e n u a t i o n o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h t h i st h e s i sd o e ss o m er e s e a r c ho na p p l y i n gb pa n n t e c h n i q u e t or e s e r v o i ri d e n t i f i c a t i o n f i r s ta n a l y s e s s e n s i t i v i t y o fw e l l l o g r e s p o n s e c h a r a c t e ro fg a sf o r m a t i o n c o m b i n i n gt h es e n s i t i v eo n e sw i t ha c o u s t i cc h a r a c t e r p a r a m e t e r sa st h ei n p u tv e c t o ro fa n n t a k et h ei d e n t i f y i n gr e s e r v o i rt y p e sa so u t p u tv e c t o r t h er e s u l ti se f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s m i d d e e pg a sf o r a m t i o n r o c kp h y s i c s a c o u s t i cl o g g i n g a r t i f i c a ln e u r a l n e t w o r k 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 豳 学位论文使用授权书 目期 溯年 月么日 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 指导教师签名 日期 沏目年 日期 勿孵 y 石月么 日 厂月厂日 中国石油大学 华东 硕士学位论文 第一章前言弟一早日i j 苗 1 1 论文的选题背景和意义 深层天然气一般是指埋深超过3 5 0 0 米地层中的天然气 中深层天然气勘探是 我国油气勘探的重要目标 具有广阔的勘探前景 测井技术在天然气的勘探中发挥 着重要的作用 研究有效的中深层天然气测井评价方法 是准确识别中深层天然气 层的基础保证 埋深在3 5 0 0 m 以下的中深层天然气 储层常包括孔隙型的致密砂岩 砂砾岩和 孔洞 裂缝型的火成岩 碳酸盐岩等 由于受成岩作用和压实作用的影响 常具有 低孔 低渗 致密 层薄等特征 属于低孔低渗非均质气藏 这种储层物性差 孔 隙度低 测井曲线在气层的特征模糊 气体特有的低中子孔隙度 高声波时差等特 征不明显 测井解释难度较大 浅层常用的电法测井解释方法不适用于深层气的解 释 另外 由于天然气的可压缩性大 更易受钻井液浸染 影响了测井资料的解 释 增加了气层识别的难度 测井响应特征是识别和评价天然气层的基础 特别在 中深层地质条件下 如何通过并不明显的测井响应特征来准确判断气层就显得至关 重要 全波列测井是获取信息最多的测井方法之一 可以提供包括纵横波速度 幅 度 泊松比 衰减系数等丰富的信息 这些声波参数受地层水矿化度的影响很小 而对油 气 水层其数值往往差异较大 因此 可以考虑利用计算岩石物理理论 研究储层含不同流体对声波测井参数的影响 从中提取对中深部气层显示明显的特 征参数 通过人工神经网络来进行中深部含气储层的自动划分方法研究 1 2 国内外研究现状 孔隙岩石介质中的声波传播问题主要研究在不同的饱和条件下声波传播的速度 和衰减特性 目前 研究比较广泛的就是双相介质理论 主要涉及 构成岩石孔隙 介质的各组分的物理性质如结构 岩石孔隙度 渗透率 饱和度和密度等 弹性参 数 如体积模量 剪切模量等参数和声波传播特性之间的内在规律性关系 进而利 用该关系来评价和预测岩石孔隙内流体的类型和含量 关于双相介质的研究 1 9 5 1 年 g a s s m a n n 3 j 提出了关于弹性波在多孔双相介质 中传播的理论 提出了著名的g a s s m a n n 方程 给出了弹性波速度和孔隙度 岩石 组分弹性参数之问的定量关系 之后 b i o t t 4 5 根据流体饱和多孔隙介质中弹性波的 第一章前言 位移特性和吸收特性 提出了在流体饱和的孔隙岩石介质中声波传播的b i o t 理论 奠定了岩石孔隙流体介质中声波传播的理论基础 该理论模型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机理 并首次从理 论上预测声波在双相岩石孔隙流体介质中传播时存在着三种波 快纵波 慢纵波和 横波 同时给出了计算这三种波的基本方程 发展了g a s s m a n n 的流体饱和多孔隙双 相介质理论 奠定了双相介质波动理论的基础 该理论的正确性被p l o n a 通过实验 得到验证 对于弹性波在含流体介质中传播时衰减问题的研究 1 9 7 5 年w h i t e l 6 1 等通过实验 证实了孔隙流体的相对运动是弹性波衰减的主要机理 目前关于该问题的解释除了 b i o t 理论外 还有m a r c o 和n u r t 7 在1 9 7 5 年首次提出的喷射流动理论 该理论认为 在低频时 流体有足够的时间在孔隙间流动 岩石处于松弛状态 高频时 流体来 不及响应 岩石处于非松弛状态 因此 岩石在高频情况下有较高的波速 在低频 到高频的某 频率 流体与孔隙骨架之间的作用可达到最大值 即达到衰减的峰 值 该理论不仅可以成功地定性说明许多实验观测到的现象 而且理论计算结果在 数量级上也与实验值相符合 b i o t 流和喷射流是含流体多孔隙介质中流体流动的两 种重要形式 在弹性波传播过程中同时存在 并作为一个耦合过程共同对波的频散 和衰减产生影响 d v o r k i n 和m 一8 j 将b i o t 流动机制和喷射流动机制综合起来 提出 b i s q 模型 这种模型将基于微观水平的喷射流动机制与固体和流体的宏观性质联 系起来 建立了弹性波相速度和衰减与固相的弹性常数 孔隙度 渗透率 饱和 度 流体粘滞度 压缩性 频率及特征喷射流动参数之间的关系 利用该模型能更 真实地预测波的衰减和频散 d v o r k i n 9 利用这种模型预测了某些岩石中压缩波的相 速度和衰减并与实验结果进行了比较 证实了该模型的有效性 声波测井资料反映了岩石的总体特性 它包含岩石的孔隙流体部分的贡献 以 往在应用声波测井资料评价地层孔隙所含流体时 一般采用 周波跳跃 法或由纵 横波速度比 首波幅度等参数判断地层是否含气 声波全波列测井技术的迅速发 展 不仅可以提供纵横波速度 而且还可以提供各种岩石力学参数 使得定量计算 地层中的声波衰减成为可能 t o k s o z 1 0 在实验室内 对0 1 1 o m h z 频率范围测量 了干燥和饱和岩石的纵横波衰减 发现水饱和岩石 无论是低压还是高压下 纵波 品质因子都大于横波的品质因子 在干燥或气饱和岩石中 横波品质因子要稍大于 纵波品质因子 随着压力的增大 纵波和横波的衰减都急剧增大 t o k s o z 还发现 2 中国石油大学 华东 硕士学位论文 无论是对纵波还是横波 衰减系数都和频率成线性比例 由此提出了频谱比法 即 通过求两不同源距的接收器振幅对数比来计算衰减 频谱比法是目前应用最为广泛 的方法 李造鼎 1 对岩石中流体含量对声波衰减影响的实验研究成果表明 纵波衰 减随含水饱和度增加而增加 且有明显的峰值存在 而横波衰减随含水饱和度增加 而减小 勋所 1 2 1 用频谱比法计算了岩石的品质因子 并与理论结果进行了比较 结 果表明 用频谱比法计算得到的品质因子数值要比理论数值小 直接将频谱比法应 用于声波测井资料的处理会出现问题 x i a o p i n g l i 1 3 1 对频谱比法进行了改进 在两 个频率点处用远近两个接收器组成的接收器组的傅里叶频谱比来求取 这样可以避 免在计算时对频谱几何扩散的校正 得到了较好的效果 k l i m e n t o s 1 4 采用峰值频率 法计算纵横波品质因子 由远近接收器的峰值能量来计算品质因子 由于峰值能量 数值较大 可以在一定程度上提高计算精度 油气层解释的主要任务是判断储层中所含流体的性质 为准确发现油气层和确 定试油层位提供依据 目前常用的解释方法主要是定性解释法和交会图法 常规方 法直观 简单 但是受人为因素影响较大 自动化程度较低 人工神经网络可以模 拟人脑的结构 通过对外界事物的感知和认识 实现判别过程 李云省 将几种常 规气层识别方法与人工神经网络方法识别效果进行了比较后发现 人工神经网络技 术可以很好地区分气层 水层和干层 而其他方法却很难达到 同时发现对测井响 应较差的气层 神经网络也可以较好地进行识别 说明人工神经网络是其中最好的 识别方法 徐景桢 高春文 l6 根据油气层解释的特点 提出了单井油气层综合解释 的人工神经网络方法 采用简单的分层网络 反馈算法和误差逐次修正法建立了网 络模型 并选择了大庆油田的9 1 个油气层段进行训练 训练后的神经网络识别符合 率达9 3 4 高于现场测井解释和综合判断的符合率 人工神经网络以其能模拟人的大脑形象思维能力和采用并行分布式信息 知 识 表达及处理方法去处理解决问题的特点 给人们开发出一种具有决策能力和推 理联想功能的新型测井解释系统带来了希望 目前 这项在测井解释领域内广泛得 到应用的方法以其求解问题时较强的抗干扰能力 以及强大的非线性映射能力等优 点而倍受青睐 1 3 论文的主要研究内容及成果 本论文主要在以下几个方面开展了研究 1 建立正演地层模型 利用岩石物理理论及b i o t g a s s m a n n 方程 研究了孔隙 3 第一章前言 岩石介质中含气对饱和流体岩石的纵横波速度 波速比 泊松比等声波特性参数的 影响规律 2 研究了衰减对气层的敏感性 据岩石物理模型 利用三种模型计算了拟品质 因子 对不同孔隙度下的情形进行了比较 结果表明拟品质因子对储层含气比较敏 感 且孔隙度越大 衰减也越大 3 通过对比声波全波列测井资料衰减计算方法 优选了最为有效的方法并用于 实际资料的处理 实际资料的处理结果表明了利用声衰减来识别气层的可行性 4 在以上研究基础上 通过实际区块的测井响应特征分析 选取了对含气反映 明显的特征参数作为特征向量 构建人工神经网络 进行了中深部气层自动划分方 法的研究 得到了比较理想的效果 4 中国石油人学 华东 硕士学位论文 第二章中深部含气储层测井响应特征研究 2 1 浅部天然气层的测井响应特征 常规测井方法中 浅部天然气层一般显示为 三高三低 即高电阻率 高声 波时差 高密度孔隙度 低密度测井值 低中子孔隙度 低自然伽马 l 高电阻率 由于油气层电阻率一般都显示为高值 低阻油层除外 远大于 水层 在相同岩性条件下油气层电阻率接近 2 天然气使声速降低 声幅衰减变大 因而使声波时差增大 甚至出现纵波时 差曲线幅度忽大忽小急剧变化的 周波跳跃 现象 3 密度测井孔隙度偏高 在相同岩性和孔隙度条件下 地层含气时所测的密度 值要比油层和水层低 由密度测井计算的孔隙度偏高 4 中子孔隙度测井值较低 具有 挖掘效应 中子测井通过测量地层的含氢 指数来反映孔隙度的大小 由于天然气的氢浓度太低 其孔隙体积对快中子的减速 能力比石灰岩骨架还低 将显示为负的含氢指数 即 挖掘效应 这导致气层所 测中子孔隙度值明显低于相同岩性和孔隙度的油层和水层 5 高中子伽马计数率 测井中采用长源距时 中子伽马计数率随地层含氢指数 孔隙度 增加而减小 因此 氢密度很低的气层计数率很高 以上的气层测井响应特征在浅层地质条件下效果较明显 而在深层地质条件下 则不够明显 2 2 中深部天然气层的测井晌应特征 中深部天然气层由于受成岩作用和压实作用的影响 测井响应特征一般不明 显 具体表现为 电阻率测井值比较高 声波时差有相对增大的峰值 但基本上无 周波跳跃 现象 密度值相对变小 但变小的趋势不明显 中子孔隙度测井值在 气层有相对减小的趋势 但一般观察不到 挖掘效应 此处选取胜利油田山东探区两口井 分别称为a 井和b 井 的部分深层测井资 料进行了统计分析 其中 a 井的层段位于4 0 0 0 米以下 岩性为砂岩 b 井层段位 于4 0 0 0 米以下 岩性为砾岩 将中深部气层与油层 水层 油水层及干层进行了比 较 总结出研究区块的中深部天然气层具有以下的特征 1 在同种岩性条件下 由于受到压实作用的影响基本上无 周波跳跃 现象 声波时差测井值远小于浅层天然气层的数值 并且在岩性相同和孔隙度相近的条件 5 第二章中深部含气储层测井响应特征研究 下可能出现声波时差与油层 水层近似的现象 从表2 1 可以看出 气层段的声波时差测井值与油层相比无明显区别 甚至可 能小于干层的测井值 所以中深部天然气层的声波测井响应特征不明显 在识别中 不能只用单一的声波时差曲线来确定 表2 1 胜利油田山东探区a 井和b 井不同储层声波测井响应特征统计表 测井曲线样本点最小值最大值均值标准差流体 a c 1 1 48 0 7 1 89 1 4 4 0 2 58 7 2 8 16 73 1 8 9 4 1 6 气层 5 97 0 6 7 8 8 88 9 6 9 1 8 88 3 8 3 31 34 6 8 9 6 8 4 油层 a 井 3 9 8 6 1 8 8 0 5 1 1 9 9 9 l 7 9 6 5 4 3 77 7 5 7 8 1 5干层 2 4 l1 0 9 5 5 5 l1 4 2 4 9 9l1 9 2 3 2 44 5 0 11 9 2 气层 a c1 3 1 65 7 6 2 2 51 3 7 2 51 1 8 1 8 2 8 8 2 6 7 9 6干层 b 井3 27 7 3 1 4 1 1 6 2 6 6 3l0 0 2 2 7 81 1 4 4 6 4 1 水层 3 77 6 3 9 8 131 1 9 9 6 2 69 5 6 0 2 4 71 1 3 5 油干层 2 密度值有相对变小特征 但受压实影响较大 绝对变小特征不明显 统计资 料表明 中深部天然气层的密度测井值要远大于浅部天然气层的密度测井值 且与 油层或者水层接近 经压实校正后密度减小特征明显 密度测井受岩石骨架 孔隙度和孔隙流体性质 泥质含量等因素的影响 在中 深层段 天然气层的密度测井值可能与油层或者水层接近 图2 1 是不考虑岩性影 响对不同产层的统计结果 可见气层段密度值与油层和水层差别不大 图2 1 胜利油田山东探区a 井不同储层密度测井响应特征统计直方图 3 在相同岩性条件下 电阻率测井值要远大于其它层段的测井值 表2 2 为两1 3 井电阻率测井数值统计结果 其中 l l d 三醪分别为深浅侧向 电阻率 尺丁为地层真电阻率 可以看出r t 在气层段的数值与其它储层相比要高得 多 6 中国石油大学 华东 硕士学位论文 表2 2 胜利油田山东探区a 井和b 井不同储层电阻率测井响应特征统计表 曲线样本 最小值 最大值平均值标准差流体 2 4 l1 3 52 5 7 2 55 3 0 0 16 3 0 7 0 3 9 气层 l l d 1 3 1 62 1 3 1 7 4 2 22 8 0 4 3 812 0 4 3 5 3 3 干层 b 井 3 76 1 95 3 9 32 4 11 7 5 712 5 5 5 7 7 油干层 3 21 5 54 1 1 2 6 5 1 2 50 6 6 8 8 0 6 水层 3 76 8 85 6 9 82 5 0 1 2 1 61 3 1 0 2 7 2 油干层 l l s 2 4 17 9 91 6 3 4 2 2 5 0 0 2 9 92 4 5 9 6 5 气层 b 井 1 3 1 61 7 41 9 4 7 82 4 5 1 2 8 61 9 4 0 3 5 3 干层 3 21 2 3 2 9 52 0 1 2 8 1 30 4 6 1 6 8 2 水层 1 1 42 7 8 0 2 57 4 8 0 1 3 715 4 7 3 6 5 1 7 0 1 2 6 5 气层 r t 3 9 84 4 8 46 7 1 2 2 9 72 4 2 1 0 7 77 5 6 7 1 8 l 干层 a 井 4 51 0 0 3 9 24 7 0 6 0 8 2 1 1 7 3 5 21 2 7 0 0 9 1 含水层 5 91 0 2 1 41 0 5 5 6 76 9 5 7 5 6 62 7 4 1 4 1 5 油层 4 中子孑l 隙度测井有相对减小趋势 但受压实作用影响较大 挖掘效应 不 明显 图2 2 为a 井不同储层中子孔隙度测井响应特征统计结果 由统计可知 几 种类型储层的中子孔隙度数值差别不大 挖掘效应 不明显 图2 2 胜利油田山东探区a 井不同储层中子孔黻测井响应特征统计直方图 2 3 中深部天然气层的识别方法 天然气层的测井响应特征是识别天然气层的基础 常规电法测井资料一般只能 对油气层和水层进行区分 不能用于区分油层和气层 因此目前主要通过非电法测 井 特别是岩性 孔隙度系列测井方法对油气进行识别 切 对浅部天然气层 测井 响应特征比较明显 可根据天然气层的声波 电阻率 中子孔隙度等测井响应特 征 进行快速的直观判断 或者利用曲线重叠 交会图等技术进行判别 7 第二章中深部含气储层测井响应特征研究 中深部天然气层地质条件一般比较复杂 具有低孔 低渗 致密 层薄等特 征 非均质性强 储层物性较差 随着深度的增加 天然气对各种测井曲线的响应 逐渐降低 测井解释难度较大 难以通过常规测井资料直接区分 如何突出三孔隙 度测井曲线在天然气层的细微变化和提高识别的准确性是用常规方法进行深层气识 别的关键 同时 根据中深层天然气的特殊响应特征 需要综合分析考虑多种因素 的影响 以提高解释的准确性 2 3 1 测井曲线组合参数判别法 测井曲线组合参数判别法就是利用对天然气层响应敏感的测井曲线 根据测井 响应方程来进行参数的组合以得到新的判别参数来识别气层 主要有以下几个参数 f 1 8 1 9 1 1 2 0 1 一 视流体参数 由纯砂岩和饱和水砂岩地层的密度响应方程 岛 叩向 1 一 p o h d p 1 一 d 成 得到视流体密度p 加 同时定义视流体密度p 归和视流体时差 2 一1 2 2 p 向氓 一等 p m 口一p s 2 3 p 抽2p m o 一嚆 p m d a t l 打 警 a t 一出 2 4 式中 d s 分别为密度和声波时差孔隙度 2 d 2 为地层有效 孔隙度 定义两个归一化无因次参数p p 向 p 厂和丁 a t 加 a t 厂 令q c t p 则 q c 0 时为气层 q c 0 时为水层 q c 0 或最 0 时 q c l 1 指示为气层 反之则指示为非 茸囝 l z o 三 四孔隙度比值 定义 d s j i 尺 2 1 0 m 月 1 一 令r r 4 1 当r 0 时 指示为气层 否则指示为非气层 四 流体声阻抗比值 采用地层孔隙内饱和水时的声阻抗与饱和流体时的声阻抗之比来识别气层 令 t a t a t 1 一a t a t s 07 9 第二章中深部含气储层测j 响应特征研究 p 以 一 p 一1 d1 0 r 流体声阻抗比值定义为 z t p 2 1 1 式中 a t 一流体声波时差值 一总有效孔隙度 令z z 一1 当z 0 时指示为气层或轻质油层 z 0 为水层 z l 油层时 p h r 接近于1 或稍大 水层时 p h r 1 或稍小 2 3 2 声波参数识别法 由于三孔隙度测井曲线在中深部气层测井响应特征不够明显 给识别带来了困 难 虽然电法测井特征相对明显 但是与油层无法区分 且受地层矿化度影响较 大 声波参数受地层水矿化度的影响很小 气层的声波参数与油水层相比一般有较 大的差别 可以作为识别气层的有效方法 常用的识别方法包括 2 l 2 2 2 3 一 声阻抗与声速重叠法 声阻抗可表示为 z 2 岛石1 1 0 6 2 1 3 其中 p a 为地层密度 g c m 3 为时差 y s f t 声阻抗的大小主要与流体性质有关 由于气和水的密度不同 当地层中含气 时 密度减小 时差增大 声阻抗减小 当地层含水时 密度增大 时差减小 声 阻抗增大 将声阻抗与声速进行重叠 可较好地识别气层 二 弹性模量差比值法 定义为目的层完全含水时岩石的弹性模量与岩石弹性模量之差除以岩石的弹性 模量 即 1 0 中国石油人学 华东 硕士学位论文 m 笋 仁 式中 m 为岩石的弹性模量 m 为水的弹性模量 该方法是在声阻抗法的基础上发展起来的 它对天然气的响应比声阻抗更敏 感 弹性模量定义为 m 础 当地层含气时 密度减小 纵波速度减小 弹性模量随之减小 因此 当地层 完全含气时 m 印盛小 m 0 当地层完全含水时 m c 和m 相同 m 0 三 纵波差值法 利用测量纵波时差与合成纵波时差的差值识别气层 测量纵波时差 t a t 1 一 合成纵波时差 w 0 1 一中 0 一 乙 v 式中 为中子孔隙度 n 为声波孔隙度 两者差值 d a c a t 一 乙 s 一 v 2一 1 5 在相同岩性和孔隙度条件下 气层岩石的测量纵波时差大于水层岩石的测量纵 波时差 气层岩石的合成纵波时差小于水层岩石的合成纵波时差 因此 当测量纵 波时差大于合成纵波时差时 d a c 0 直观指示为气层 当测量纵波时差等于合 成纵波时差时 d a c 0 直观指示为水层 油层的纵波差值与水层相似 纵波差值法统一了声波测井与中子伽马测井的量纲 使用复合测井信息识别天 然气层 能够抵偿岩石孔隙度和岩性变化的影响 有利于提高直观识别气层的解释 精度 四 用纵波首波幅度识别砂岩气层的方法 李宁等发现 当砂岩内含气饱和度大于2 0 时 纵波首波幅度的衰减达到最大 值 而且 纵波首波幅度对砂岩内的天然气响应比纵波首波频率和速度敏感 基于 这一实验结果 提出用纵波首波幅度识别砂岩气层 第一二章中深部含气储层测井响应特征研究 岩石的纵波首波幅度定义为气水饱和岩石的纵波首波幅度与水饱和岩石的纵波 首波幅度之比 为含气饱和度的函数 可表示为 r 爿 a a f s 譬 2 1 6 式中 尺爿为岩石的纵波首波幅度比 彳 为气水饱和岩石的纵波首波幅度 a 为水饱和岩石的纵波首波幅度 s 为含气饱和度 气水饱和岩石相当于含气层岩石 水饱和岩石相当于含水层岩石 将水饱和岩 石的纵波首波幅度定义为侵入带天然气的背景值 即岩石孔隙空间只含水不含气时 的纵波首波幅度 岩石的纵波首波幅度值由声波波形分析图提取得到 岩石的纵 波首波幅度背景值 可用邻近水层岩石的纵波首波幅度求取 当岩石的纵波首波幅 度明显小于背景值时 指示侵入带中存在天然气 可识别为气层 纵波首波幅度比受侵入带含气饱和度的影响显著 能有效指示侵入带的天然 气 只要侵入带的含气饱和度大于2 0 用纵波首波幅度指示纯砂岩气层和泥质砂 岩气层侵入带的天然气 都有较高的分辨率 且指示泥质砂岩气层侵入带天然气比 指示纯砂岩气层侵入带天然气的分辨率高 1 2 中国 油大学 华东 硕士学位论文 第三章中深部含气储层声波测井特征正演研究 岩石中声波传播的速度和衰减等声波特性参数反映了岩石的总体特性 这些参 数不仅与岩性 孔隙度 渗透率等因素有关 而且与岩石孔隙内的流体类型和饱和 条件有密切关系 声波参数与岩石充填的流体性质之间的关系是利用声波测井资料 进行流体识别的基础 在通常的研究中 将岩石骨架和孔隙流体分开来看作两相 此时的研究对象就称为双相介质 双相介质理论其实就是研究组成岩石的骨架及流 体对岩石整体物性的贡献 本章旨在研究当孔隙中充填不同流体时对岩石的声波特 性参数的影响情况 从中得出各参数对储层含气的敏感性 为下面将要进行的利用 人工神经网络技术识别气层作准备 3 1 理论基础 由弹性波动力学理论可知 对任何各向同性的弹性介质 饱和岩石的体积模 量 剪切模量与其纵横波速度之问存在如下关系 3 1 k 2 芳 p 2 式中 k 和p 分别为饱和岩石的体积模量 剪切模量和密度 p 又可表示 为 p 1 一 p 册 叩 3 3 其中 中 风 p 分别为孔隙度 组成岩石的骨架密度和孔隙流体密度 由于孔隙流体类型的变化将引起饱和岩石体积模量 剪切模量和密度的变化 可以看出 如果改变孔隙流体类型 就可以求得流体性质改变时纵横波速度的变化 情况 由于气体的体积模量远小于水的体积模量 气饱和岩石的体积模量应小于水 饱和岩石的体积模量 又由于岩石的剪切模量不随流体性质的改变而改变 因此 岩石孔隙内充填的流体由水变为气后 纵波速度明显降低 而横波速度无明显的变 化 可以将此结论作为判断孔隙流体性质的依据 3 1 1g a s s m a n n 方程 假定组成岩石的孔隙物质是各向同性 弹性 单矿物且均匀 孔隙空间连通很 1 3 第三章中深部含气储层声波测井特征正演研究 好且处于压力平衡状态 限于零频率 固 流系统处于一个封闭的系统 且在边界 没有孔隙流体的流动 当岩石被流体饱和时 流体和岩石骨架之间没有化学作用 即剪切模量保持恒定 g a s s m a n n 方程建立了低频率下饱和岩石的体积模量 孔 隙度 孔隙流体的体积模量 岩石骨架的体积模量及组成岩石的固体基质的体积模 量间的关系方程 k 却盅 p 4 髟 百1 毒慈 3 4 k fk m dk o 心 3 5 其中 k 和 分别为饱和岩石的体积模量和剪切模量 k d 和 t d 分别为干岩石 的体积模量和剪切模量 k 为孔隙流体的体积模量 k 为岩石基质 固体颗粒 的体积模量 为孔隙度 由于孔隙流体剪切模量不受流体饱和度的影响 所以通 常认为其数值为零 3 1 2 弹性参数的确定 g a s s m a n n 方程是针对均匀各向同性多孔介质的岩石模型提出的 严格地说仅适 用于纯岩石 因此 对于泥质岩石可先等效为纯岩石 作泥质校正的处理后再应用 g a s s m a n n 方程 从以上的分析可以看出 要利用g a s s m a n n 方程进行计算 需要确 定岩石基质和孔隙流体的弹性模量以及b i o t 系数 一 基质和流体参数的确定 g a s s m a n n 方程中的基质参数和流体参数都是指等效参数 若要预测这些参数 需要确定 1 各相的体积分数 2 各相的体积模量和剪切模量 流体无剪切 模量 3 各相之间的排列方式 一般情况下很难知道 因此 当仅知道各相的体积分数和弹性模量时 往往通过确定其等效参数的上 下限来大致估算等效模量的数值 应用较为广泛的模型是豫日模型 已知岩石由 种矿物组成 第f 种矿物占岩石体积的百分比为z 假设每种矿 物的弹性模量为m 包括体积模量k 和剪切模量u 估算岩石基质有效弹性模量 的公式为 v o i g t 上限 m r f g 3 6 1 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 r e u s s 下限 击m 兰t l 舌 一 一 r mt 3 7 场喀公式假定岩石受到应力作用时固液两相发生相同的应变 相当于 等应 变 情况 因此得到的数值应为实际值的上限 r e u s s 公式假定岩石受到应力作用时 固液两相承受相同的应力 相当于 等应力 情况 得到的数值应为实际值的下 限 上下限之间的问距大小取决于各相之间性质的差别 当所有的相均为固体时 上下限之间的差别很小 但当其中一相为流体时 上下限之间的差别就很大 由 此 胁朋 1 9 5 2 提出用场移和r e u s s 公式计算的平均值来近似估计混合物的模量 肘删 半 3 8 在g a s s m a n n 方程中 孔隙流体的影响是通过流体体积模量厨计算出来的 当孔 隙流体为多种成分的混合时 可通过w o o d 方程来计算流体的响应 w o o d 方程认为一个混合体的物性参数是由各成分的物性参数综合而成 称为有 效物性参数 假定孔隙流体由油 气 水三部分混合而成 则利用w o o d 方程计算混 合流体的体积模量公式如下 上 旦 量 旦 3 9 k f k w k o k g 其中 s s s 分别为水 油 气的饱和度 s o s 砖 1 k k k 分别为水 油 气的体积模量 同样 可得到混合流体的体积密度 p p s p s o p g s g 3 1 0 其中 p 见和以分别为水 油和气的体积密度 二 干岩石模量的确定 通过g 伽朋口 以方程的计算式可以看出 干岩石的体积模量k d 和剪切模量 d 是 方程中的重要参数 直接影响方程的应用效果 已有的岩石物理实验表明 干岩石 的弹性模量受岩石矿物成分 孔隙度 压力 温度和孔隙内部结构等多种因素的影 响 目前求取岩石骨架弹性模量的方法较多 但都是实验数据得到的拟合结果 b i o t 理论把流体体积变化量表示成流体压力变化和地层体积变化的函数 毗 鲁 3 1 1 1 5 第三章中深部含气储层声波测井特征正演研究 其中卢为b i o t 系数 表示孔隙压力6 p 恒定时流体体积变化艿 占地层体积 变化万 y 加 的比率 它反映了孔隙压力对骨架应力的影响程度 是孔隙度的函数 m 是地层体积不变时要向地层中排入一定的流体所需施加的压力 采用b i o t 系数 干岩石的弹性模量可表示为 k c k 1 一 3 1 2 u u 1 一 因此 g a s s m a n n 方程可改写为 k c k 1 一 2 m h p d 其中 1口一 一 一 一 m k m k f 通过以上的公式可以计算出纵横波速度 3 1 3 3 1 4 3 1 5 3 1 6 凤啄 成 1 2 m 3 1 7 p y j p m n v 2 i g 一1 8 r a y m e r 2 4 1 在w y l l i e t 2 5 1 公式的基础上得到岩石波速和孔隙度间的关系如下 1 陬3 7 钊删 肌序 妒 该式只适用于流 体为水的情况 11一 2 列7 删 j 5赢 旦p ovlpv p y 3 川 3 7 时 古 等 吉 等 吉 舯 和圪删为 4 7 两种情况下计算得到的y 该公式适用的孔隙度范围较大 且在 1 时 原式中的 可简化 为 2 丽p 瓦l p 丽2 3 2 5 m f y 2 囝 其中 民叫 一器 以 等 该简化式等于忽略 j b i s q 模型中所包含的b i o t 流动机制的影响 计算结果仅体 现喷射流动对相速度和衰减的影响 对饱和度为s 的部分饱和岩石 用r s 代替r d v o r k i n 等通过引入饱和度s s l 表示完全饱和 对 3 2 6 式进行 f q 日应修改得到 2 丽p 丽l s p 2 3 2 6 m s f y 2 心 式中 叫 一器 以 学 三 d v o r k i n 模型 为了定量计算品质因子q 利用物理的原理将衰减系数和弹性模量随频率的变 化联系起来 对理想的粘弹性系统 标准线性固体 有 2 q m l m m l x m h m l 3 2 7 其中 瓯袅是最大逆品质因子 m 是高频下的压缩模量 心是低频下的压缩 模量 压缩模量等于密度乘以纵波速度的平方 这样问题就变为求解心和m l 为了估计低频下的压缩模量m 可以假定岩石内的流体之间接触良好 其体 2 2 中国石油大学 华东 硕上学位论文 积模量k f 为水的体积模量k 与气的体积模量磁的单调平均 即 k f s k 孑1 1 一s k 云1 其中 为含水饱和度 可由k f 通过g a s s m a n n 方程计算岩石的体积模量 m l 即为体积模量加上4 3 倍的剪切模量 在计算高频下的压缩模量m h 时 可以假定部分饱和岩石中的所有流体都聚集 为一些完全饱和的颗粒 岩石的其它部分被气充填 这样 这些完全饱和的颗粒的 体积浓度为乳 若假设流体饱和与气体饱和颗粒的剪切模量相等 则部分饱和岩石 的有效压缩模量就是湿岩石的压缩模量m 眦r 与仅含气的岩石的压缩模量m 脚y 的单 调平均 即m 二1 s w m 茹r 1 s m 矗 如果知道了干燥骨架和孔隙流体的组分 及孔隙度 就可以t 妇g a s s m a n n 方程计算出m 舾r 和m 朋 3 4 2 含气情况下的声衰减正演模拟 号 o 口 口 号 o a 口 j s g 图3 8 纵波拟品质因子随含气饱和度变化图版 左 b i o t 模型 右 b i s q 模型 s g 图3 9 纵波拟品质因子随饱和度变化图版 左 d v o r k i n 模型 2 3 含水饱和度 右 李伟东 2 0 0 0 第三章中深部含气储层声波测 i 特征正演研究 胄 占 号 o a 口 s gs g 图3 1 0 不同孔隙度下纵 横波拟品质因子随含气饱和度变化图版 b i o t 模型 左 纵波 右 横波 5 9s g 图3 1 l 不同孔隙度下纵波拟品质因子随含气饱和度变化图版 左 b i s q 模型 右 d v o r k i n 模型 假定饱和岩石固体部分为砂岩 孔隙由气和水饱和 分别用三种模型计算了拟 品质因子随含气饱和度变化的图版 并将计算结果与实验图版进行了比较 然后对 不同孔隙度下 5 3 5 饱和岩石的拟品质因子随含气饱和度变化趋势进行了研 究 并做出了相应的图版 计算时采用的参数分别为 流体粘滞系数r 0 0 5 c p s 孔隙率 0 2 5 渗透 率k 2 0 m d 固体颗粒的体积模量k 3 7 g p a 剪切模量 t 册 4 4 g p a 固体颗 粒密度p 2 6 5 0 k g m 3 特征喷射流动长度r 2 r a m 水密度几 1 0 0 0 k g m 3 体积模量k 2 2 5 g p a 天然气密度p g 1 2 5 k g m 3 体积模量k g o 0 5 g p a 固 液间的惯性耦合密度p 4 2 0 k g m 3 频率缈 5 0 0 h z 2 4 中国缸油人学 华东 硕士学位论文 3 5 j 结 该部分研究的目的是找出声波特性参数与岩石饱和流体性质之间的关系 从图 版中观察各参数对含气的敏感情况 以期找出对含气响应比较明显的参数 含气地 层的弹性参数变化特征基本反映了混合流体性质的变化 从得到的图件可以看出 随含气饱和度增加 含水饱和度降低 含气地层的纵波速度 纵横波速比 泊松 比显著降低 压缩系数增大 但当含气饱和度增加到一定程度后 这些参数变化很 小 由于横波主要沿骨架传播 其变化主要由地层密度的变化所引起 因此 变化 较为平稳 由此可知 当地层含气饱和度较小时 纵波速度 纵横波速比 泊松 比 压缩系数等参数对地层是否含气比较敏感 用于识别气层比较有效 可以作为 识别地层是否为气层的敏感参数 而当含气饱和度较大时会有一定的困难 此时横 波速度的差异可作为一个有效的识别指标 影响岩石品质因子的