岩石物理驱动下地震流体识别研究

　　摘要地震流体识别指利用地震资料对储层含流体特征进行识别与描述.含流体储层地震岩石物理是地震流体识别的基础,是搭建储层弹性参数与物性参数的桥梁,是实现含油气储层流体定量表征的重要发展方向.岩石物理驱动下地震流体识别研究有助于认识地下油气储层含流体特征及分布规律.文章概述地震流体识别及相关基础研究中的关键科学问题,着重评述国内外岩石物理驱动下地震流体识别研究的主要进展,探究地震流体识别研究面临的机遇,挑战及未来的研究方向.理论研究和实际应用表明,地震流体识别要以岩石物理及数值模拟为理论基础,发展有效的流体敏感参数构建及评价方法;以地震资料为数据支撑,形成有效的地震资料品质评价方法;以地震反演为技术保障,发展可靠的地震反演策略.

　　关键词流体识别地震岩石物理地震反演流体因子

　　地震流体识别,即利用地震资料对储层含流体特征进行识别与描述,是勘探地球物理学研究的热点和难点问题之一,究其原因是研究对象的特殊性、地下埋藏条件的复杂性以及相应地球物理数学特征的多解性.岩石物理驱动下地震流体识别是在地震岩石物理理论指导下将与孔隙流体有关的异常特性表征为流体因子或通过地震岩石物理建立储层流体类型与弹性参数间的量化关系,利用地震资料丰富的振幅、频率、相位及其变化特征信息等实现流体因子反演或流体类型预测的过程.

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　　1地震流体识别中的关键科学问题

　　1.1流体是如何影响地震波速度的?

　　储层中流体的特性及分布特征对地震波速度的影响一般通过岩石物理实验及理论模型的构建来研究.含流体储层一般等效为孔隙介质,包括多种相态,如由固体骨架和孔隙内充填的流体构成的双相介质等流体的分布特征不同,所建立的地震岩石物理模型各异,对地震波速度的影响亦不同.当波在均匀多孔介质中传播,波长与地层厚度可比时,岩石表现出宏观各向同性和均匀性.波的传播导致介质内部分界面上发生流体的流动,引起波的频散和衰减(Brajanovski等,2005),衰减的特征频率取决于孔隙流体压力弛豫的时空尺度(Wenzlau等,2010).分界面两侧流体性质的差别越小,波的频散和衰减越弱(Brajanovski等,2005).岩石的流体饱和度呈斑块分布时,体积模量较大的流体对应着较强的波衰减(Masson等,2006).斑块大小和含气饱和度对波诱导的流体流动效应(频散和衰减)有重要的作用,当气体密度低且斑块尺度相对较大时,含气饱和度的作用较为明显(Rubino等,2011).流体非均匀饱和对地震波传播和衰减也有很大的影响(Vogelaar和Smeulders,2007).流体非均匀饱和时,纵波速度随含油气饱和度的变化相对于流体均匀饱和情况下更加连续(侯波等,2012),孔隙含油水比只含气时纵波速度传播更快,含气饱和度增大,岩石的刚度降低,波速的低频极限降低(Brajanovski等,2005).含气饱和度较高时,岩石密度随含气饱和度增加而降低,导致波速增加等(Knight等,2010).目前,科学界对储层流体的存在形式及分布特征以及由此而建立的地震岩石物理理论模型的认识尚未达成共识,如何更合理地认识储层流体对地震波速度的影响是开展地震流体识别研究的关键科学问题之一.

　　1.2流体是如何影响地震波响应的?

　　储层中流体的特性及分布特征对地震波响应的影响一般通过物理模拟或数值模拟来研究.流体性质不同,对地震波响应的影响各异.如,孔隙流体黏滞性是引起储层岩石以及其他流体饱和多孔介质弹性波衰减的重要原因(Sharma,2005).与气体相比,液相的黏滞性对两种快波(快纵波和SV波)的速度影响更大,气体和液体黏滞性对这些波的衰减作用是类似的.随黏滞系数增大,横波液相分量的振幅略有增大,固相分量振幅略有减小,慢纵波的振幅逐渐减小,到黏滞边界条件下,慢纵波衰减较快,在快照中看不到慢纵波.实际介质大部分都具有黏滞边界,这也是在实际观测中很难观测到慢纵波的主要原因(卢明辉等,2009).流体渗透率亦会对地震波响应有直接影响,双孔隙度模型表明了频散和衰减与孔隙度和渗透率的关系(Pride和Berryman,2003),纵波衰减系数与频率的相关性,以及各向异性对渗透率的变化很敏感(Shapiro和Müller,1999),介质中不渗透的地质体能引起横波衰减明显增加.横波衰减可以作为油藏中渗透率变化的指示(Wenzlau等,2010).渗透率减小,慢纵波的振幅明显减小,而速度变化不明显,快纵波和横波无明显变化(卢明辉等,2009),除此之外,流体类型、分布均匀性、饱和度和温压条件等对地震波响应都有直接或间接的影响,如何在地震岩石物理模型构建基础上建立合理的数学物理方程,发展相应的模拟方法研究流体对地震波的影响亦是开展地震流体识别研究的关键科学问题.

　　2含流体储层地震岩石物理含流体储层岩石物理

　　等效模型主要包括三类:对矿物性质进行体积平均的有效介质理论(Wood,1941;Wyllie等,1956;Raymer等,1980),基于颗粒接触关系等效的接触介质理论(Walton,1987;Dvorkin和Nur,1996)和岩石内部矿物、孔隙形状及流体等效的自适应理论(Gassmann,1951;Biot,1956a,1956b;Berryman,1995).

　　3流体特性地震波响应及敏感参数构建

　　储层流体地震波响应模拟对于认识流体分布,黏滞性和渗透率等特性对地震波的影响具有重要意义,是构建储层流体敏感参数的基础.White(1975)研究了低频纵波垂直于非均匀饱和介质内部边界传播时的声学性质.Murphy等(1986)描述了局部流体流动对于声波性质的影响,黏滞性流体流动导致能量耗散.Cadoret等(1995)观测到了不同频段下,流体斑块饱和对声波性质的影响,速度随饱和度的变化与频率有关,且频散在饱和度高时较强.Gurevich等(1995)和Gelinsky等(1998)的研究结果表明在渗透性层状岩石多孔介质中,波传播引起界面上流体发生局部流动,导致的波衰减与周期层状介质模型中有明显不同.Pham等(2002)将地震波速度和衰减与多孔弹性固体的孔隙压力及饱和度联系起来,Carcione等(2003)使用数值实验模拟了球形White模型中的弛豫现象,发现了类似的趋势.Gei等(2003)校正了流体混合经验定律以及高频下的球状斑块饱和模型,得到岩石的速度和衰减表达式,两者是孔隙压力、温度、频率和饱和度的函数.Müller等(2005)分析了波传播过程中引起的流体流动对衰减和频率的影响,低频平面纵波的衰减系数的低频极限与频率的平方成正比,高频范围内,衰减系数与频率的平方根成正比.Brajanovski等(2005)模拟包含定向裂缝的多孔介质中波的频散和衰减,指出两者的特征频率取决于背景介质的渗透率,流体的黏度以及裂缝的密度和间距.孙林洁等(2011)对非均匀孔隙介质中的地震波进行了正演模拟,分析了孔隙度和流体类型对地震波反射特征的影响.孔隙度参数对地震反射波振幅和相位的影响较大.孔隙度增加导致双相介质界面反射波旅行时变化,且反射波振幅增加,而油水两相并存时,含水饱和度增加导致反射波旅行时增加,气水并存时,含气饱和度增大,反射波振幅迅速增大,当含气饱和度增加到10%左右时,振幅达到最大值,随后随含气饱和度上升缓慢下降.数字岩石物理(thedigitalrockphysics,DRP)使用现代显微成像以及先进的数值方法来模拟岩石的物理性质(Saenger等,2011;Madonna等,2012).DRP在不同的尺度下对岩石的结构进行3D数字建模,在完成实验测量的同时使用数值方法计算岩石的有效弹性参数(Ringstad等,2013).DRP技术可以比室验更快地提供准确的岩石信息,可用在孔隙尺度上对油藏进行敏感性分析、压裂方案设计、压力变化分析以及油藏描述,提高油藏预测、产量预测以及井位确定的精度,提高油气采收率(Kalam等,2011).

　　参考文献

　　巴晶,曹宏,杜启振,等.2012.非饱和岩石中的纵波频散与衰减:双重孔隙介质波传播方程.地球物理学报,55:219–231

　　曹丹平.2008.多尺度地震资料正反演方法研究.博士学位论文.山东:中国石油大学(华东)

　　陈建江.2007.AVO三参数反演方法研究.博士学位论文.山东:中国石油大学(华东)

　　陈学华,贺振华,黄德济,等.2009.时频域油气储层低频阴影检测.地球物理学报,52:215–221

　　印兴耀*,宗兆云,吴国忱

　　

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