肖風(fēng)凱 王茂均 粟亮 曾銘 劉悅

(成都理工大學(xué),四川成都 610059)

儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)對(duì)地震參數(shù)的影響分析

肖風(fēng)凱 王茂均 粟亮 曾銘 劉悅

(成都理工大學(xué),四川成都 610059)

儲(chǔ)層流體研究對(duì)于地震勘探有著十分重要的意義。本文利用經(jīng)典的Boit- Gassmann方程, 在孔隙度不同的條件下, 通過(guò)對(duì)目的層進(jìn)行不同成分的流體替代, 研究了孔隙度、飽和度以及流體成分等巖石物理參數(shù)對(duì)等效巖石的縱橫波速度、密度等地震參數(shù)的影響, 并對(duì)計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律進(jìn)行分析。正研究結(jié)果表明：含氣飽和度的變化使混合流體的可壓縮性發(fā)生改變, P波速度隨含氣飽和度的增加先急劇下降,而后轉(zhuǎn)為緩慢升高;孔隙度的變化對(duì)P波速度、S波速度和介質(zhì)密度的影響要大于含油、含氣飽和度變化的影響;當(dāng)目標(biāo)層充填的流體由氣變?yōu)橛汀⑺畷r(shí), 目標(biāo)層的地震響應(yīng)的AVO 現(xiàn)象變得不明顯, 并且隨著目標(biāo)層厚度的逐漸減少, 地震響應(yīng)產(chǎn)生調(diào)諧效應(yīng)。

Gassmann方程 流體置換 AVO正演 飽和度 孔隙度 薄層 調(diào)諧效應(yīng)

1 儲(chǔ)層地質(zhì)模型

假設(shè)地質(zhì)模型為三個(gè)水平層狀介質(zhì)。選擇第二層為目標(biāo)層，進(jìn)行流體替代， 利用計(jì)算結(jié)果對(duì)縱橫波速度、密度的變化規(guī)律進(jìn)行分析。然后改變目標(biāo)層的厚度和流體成分， 正演合成地震記錄， 分析流體以及厚度對(duì)AVO 地震響應(yīng)的影響。

1.1 地層模型參數(shù)

第一層為800m厚層泥巖，層參數(shù)：

圖2

第二層為目標(biāo)層(流體替換層)為薄層砂巖;

第三層為半無(wú)限泥巖空間，層參數(shù)：

1.2 孔隙流體參數(shù)

水、油、氣三種流體進(jìn)行流體替代，水的密度為1.0g/cm3，體積模量為2.2GPa;氣的密度為0.14g/cm3，體積模量為0.02GPa;油的密度為0.8g/cm3，體積模量為1.0GPa。

2 流體置換的理論基礎(chǔ)--Gassmann方程

Gassmann方程是巖石彈性物理研究的重要理論工具，它建立了巖石物性參數(shù)與地震彈性參數(shù)進(jìn)行溝通的橋梁，并為進(jìn)一步利用地震信息劃分巖性、檢測(cè)油氣提供了理論依據(jù)。

Gassmann方程的假設(shè)：(1)巖石(基質(zhì)和骨架)宏觀上是均勻、各向同性、完全彈性的;(2)所有孔隙都是連通的;(3)孔隙內(nèi)部充滿無(wú)摩擦的流體(液體、氣體和混合物);(4)巖石—流體是封閉系統(tǒng)(不排液);(5)當(dāng)巖石被地震波激勵(lì)時(shí)，流體和骨架之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng);(6)孔隙流體對(duì)骨架無(wú)軟化或硬化作用。

在均勻各向同性介質(zhì)中，流體飽和的多孔介質(zhì)的縱波速度 vp

和橫波速度 vs可以寫(xiě)成：

圖3

圖4 充填不同流體對(duì)頂、底界面反射系數(shù)的影響

在已知巖石礦物成分和孔隙流體的組成的情況下，本文目標(biāo)層砂巖的基本參數(shù)設(shè)為：μm—巖石基質(zhì)剪切模量，GPa;

采用Nur等人1991年提出的經(jīng)驗(yàn)公式估算 Kd， μd;為砂巖的臨孔隙度值為0.4;

混合流體體積模量 Kf可以用WOOD方程：

3 流體置換模擬結(jié)果分析

3.1 流體成分、孔隙度和飽和度對(duì)地震參數(shù)的影響

選定第二層為目標(biāo)層，根據(jù)Biot-Gassmann理論，對(duì)它進(jìn)行流體替代， 建立水-氣，水-油，油-氣混合流體替代模型分析儲(chǔ)層孔隙度、流體飽和度變化對(duì)縱橫波速度，以及等效介質(zhì)密度的影響情況。假設(shè)替代層的孔隙度分別為φ=20%，25%，30%，水的密度為1.0g/cm3，體積模量為2.2GPa;氣的密度為0.14g/cm3，體積模量為0.02GPa;油的密度為0.8g/cm3，體積模量為1.0GPa[2]。如圖1、2、3。

不含氣的情況下，圖1中含油飽和度從0～100%，縱波速度平滑遞減，從三種孔隙度縱波速度曲線可以看出巖石孔隙度越小速度越大，這與實(shí)際情況相符，孔隙度越小，巖石越“實(shí)”，縱波速度越大;混合流體體積模量隨含油飽和度的增加遞減，這是由于油的體積模量小于水的體積模量，當(dāng)含油飽和度增加時(shí)混合流體的體積彈性模量減小;混合流體密度平滑遞減。

表1 流體替代參數(shù)表

在不含油的情況下，圖2中含氣飽和度從0～100%，縱波速度先陡然下降，然后再平滑緩慢上升，上升幅度很小，從三種孔隙度縱波速度曲線可以看出巖石孔隙度越小速度越大;混合流體體積模量在流體中含有氣體的時(shí)候陡然從2.2下降到0.35，然后再隨含氣飽和度的增加緩慢下降;混合流體密度隨含氣飽和度增加遞減，其遞減幅度略大于混合流體體積模量。

在不含水的情況下，圖3中含氣飽和度從0～100%，縱波速度先陡然下降，下降幅度比水—?dú)饽Ｐ托。缓笤倨交徛仙?，上升幅度很小，從三種孔隙度縱波曲線可以看出巖石孔隙度越小速度越大;混合流體體積模量在流體中含有氣體的時(shí)候陡然從1下降到0.35，然后再隨含氣飽和度的緩慢下降;混合流體密度遞減，其遞減幅度略大于混合流體體積模量。

結(jié)論：①一般認(rèn)為流體內(nèi)沒(méi)有剪切波，流體的孔隙度和飽和度的變化對(duì)橫波的影響不是很大，所以流體只是通過(guò)密度的變化影響橫波速度。②同時(shí)流體中含氣對(duì)等效介質(zhì)的縱波速度影響很大。③但是隨著含氣飽和度的逐漸增加， 等效介質(zhì)的縱波速度變化不大。所以，只能確定混合流體相中含氣體，但不能確定含氣量。因此，地層充填水氣混合流體和油氣混合流體時(shí)的等效速度都和地層完全飽含氣時(shí)的等效速度相當(dāng)，在AVO地震響應(yīng)上差別不明顯。

3.2 流體和地層厚度對(duì)地震響應(yīng)的影響

3.2.1 AVO技術(shù)基礎(chǔ)

本文中采用依賴(lài)于角度的Zoeppritz線性近似常規(guī)方程：(7)式中：

α、β、ρ分別為上下層的平均速度、密度;Δα、Δβ、Δρ 分別為上下層速度、密度差。

3.2.2 流體置換模型

下面討論的模型都是在目標(biāo)層孔隙度為20%的情況下進(jìn)行的。表1是目標(biāo)層含水、含油、含氣飽和度分別為100%時(shí)，計(jì)算出來(lái)的等效介質(zhì)的縱橫波速度、密度(如表1）。

圖4—a中，目的層飽含油砂巖以及飽含水的砂巖聲阻抗大于圍巖的阻抗，隨著入射角的增加反射振幅逐漸增強(qiáng);飽含氣的砂巖以及干骨架的砂巖，振幅隨入射角的增加先減小后增大，在入射角為20時(shí)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象[4];

圖4—b中，目的層飽含油砂巖以及飽含水的砂巖聲阻抗小于圍巖的阻抗，那么隨著入射角的增加反射振幅逐漸增強(qiáng)。

為了更加全面的觀測(cè)流體和厚度對(duì)地震響應(yīng)的影響，利用表1中的模型數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)層進(jìn)行流體替代，選用35Hz的雷克子波，采樣間隔為0.002s，合成地震記錄。為了觀測(cè)薄層AVO現(xiàn)象，正演模擬中改變目標(biāo)層的厚度，合成地震記錄。

由合成記錄可知，目標(biāo)層在含氣和含油的情況下，地震記錄很相似， 但是含油時(shí)地震反射比含水時(shí)的低;目標(biāo)層含氣時(shí)，隨著目標(biāo)層厚度的減少，地震記錄出現(xiàn)反向;并且目的層含水時(shí)的底界面的反射時(shí)間比含油和含氣時(shí)底界面的反射時(shí)間提前，這是由于氣、油、水三種流體的體積模量是逐漸增加的，從而引起砂巖速度的增加，使得地震波傳播時(shí)間超前。分別對(duì)比充填不同流體時(shí)厚度對(duì)地震響應(yīng)的影響：隨著厚度的減少，地震響應(yīng)產(chǎn)生調(diào)諧效應(yīng)，當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮诘卣鸱直媛蕰r(shí)，反射振幅與厚度有關(guān)，即其頂和底的反射會(huì)產(chǎn)生干涉疊加效應(yīng)。由于目標(biāo)層飽含水和飽含油的等效速度大于上下層界面的速度，所以在目標(biāo)層的上下界面形成反極性反射，隨著目標(biāo)層厚度的減少，頂界面的反射振幅先增加后減少，并且當(dāng)目標(biāo)層的厚度小于地震分辨率時(shí)，地層厚度與反射振幅成近似的比例關(guān)系;當(dāng)目標(biāo)層飽含氣時(shí)，目標(biāo)層的上下界面形成同極性反射，隨著地層厚度的減少頂界面反射振幅增加。

4 結(jié)語(yǔ)

基于薄儲(chǔ)層地震反射模型，應(yīng)用Gassmann流體置換方程分析了薄砂巖儲(chǔ)層流體飽和度和孔隙度變化對(duì)砂巖物性參數(shù)的影響;通過(guò)AVO正演模擬技術(shù)，分析厚度與流體對(duì)AVO地震響應(yīng)的影響，總結(jié)出不同流體飽和情況下的地震響應(yīng)特征，建立巖石流體性質(zhì)和地震響應(yīng)特征的聯(lián)系，這是進(jìn)行AVO分析的基礎(chǔ)。得到以下認(rèn)識(shí)：(1)P波速度隨含油飽和度的增加而降低，對(duì)含氣飽和度的增加先急劇降低后緩慢增加;S波速度隨含油和含氣飽和度的增加呈線性增加趨勢(shì);介質(zhì)密度隨含油和含氣飽和度的增加線性降低;P波速度、S波速度和介質(zhì)密度隨孔隙度的增加線性降低，降低程度大于隨流體飽和度變化時(shí)的情形。(2)目標(biāo)層在飽含水和飽含油的情況下，PP波的反射系數(shù)變化相似，在0到59范圍內(nèi)，反射振幅都隨著入射角的增大而增大，但是含油時(shí)地震反射比含水時(shí)的低。同樣目標(biāo)層在飽含氣與干骨架的情況下，PP波的反射系數(shù)變化相似，都出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。(3)當(dāng)目標(biāo)層充填的流體由氣變油和水時(shí)，目標(biāo)層的地震響應(yīng)的AVO現(xiàn)象變得不明顯，并且隨著目標(biāo)層厚度的逐漸減少，地震響應(yīng)產(chǎn)生調(diào)諧效應(yīng)。

[1]陳信平,劉素紅.淺談Gassmann方程[J].中國(guó)海上油氣,1996,11(2)：122～127.

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[4]林凱,賀振華,熊曉軍,黃德濟(jì).基于Gassmann方程的流體替換流程[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2009,6(1)：180～181amp;205.

[5]林凱,鐘結(jié)麟,賀振華,熊曉軍.基于Gassmann方程巖石速度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象成因分析.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.

注：肖風(fēng)凱、王茂均 為共同第一作者。