（固体地球物理学专业论文）三维地震裂缝介质正反演研究.pdf

摘要 三维地震裂缝介质正反演研究 作者简介：邓友茂，男，1 9 7 7 年1 1 月生，2 0 0 5 年师从成都理工大学李录明 教授，于2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学固体地球物理学专业。 摘要 随着经济的发展和生活水平的不断提高，人们对油气资源的需求不断攀升， 这给油气资源的勘探和开发带来了机遇与挑战。原有的或相对容易勘探的油气藏 几乎已经开发殆尽。这又对油气藏的勘探与开发提出了更高的要求。 裂缝作为地壳中的一种普遍现象，广泛地存在于各类岩层之中。到目前为止， 已经在砂岩、泥岩和碳酸盐岩，甚至是火成岩的裂缝性储集层中获得大量的工业 气流。据统计，低渗透油气藏( 包括各类裂缝性油气藏) 储量为我国油气探明储 量的三分之一左右，全国可动用油气储量的四分之三为低渗透的致密的裂缝性油 气藏。在油气田的勘探开发领域里，裂缝性储集层的地位越来越重要。 裂缝的形成受多种因素控制，其物理属性复杂，横向、纵向变化大，表现出 很强的各向异性。裂缝多为后期生成，不像其它油气藏具有相应的沉积环境特征， 所以裂缝性油气藏比常规油气藏更难于勘探。以往使用测井数据来进行裂缝检 测，其检测结果大多数只能在井点周围很小的范围内有效。由于裂缝的复杂性， 井间裂缝方向和密度的预测难于依靠井中结果的外推。当探区内缺乏测井数据， 甚至根本没有井时，就必须寻找其它方法。所幸的是，裂隙的存在导致裂缝介质 的物理性质随着测线方位的不同丽发生变化，这在地震勘探中称为方位各向异 性。同时，由于地层上覆载荷的压实作用，水平或低角度裂缝近乎消失，对裂缝 性油气藏贡献大的是易于保存的高角度和近于垂直的裂缝，而正是这类裂缝对地 震波产生了各向异性的传播特征，并且人们能够相对容易地获得这些信息。这一 性质使得我们可以依靠叠前地震资料检测裂缝。 地震横波对裂缝具有很强的敏感性。当地震横波的偏振方向与裂缝的走向不 平行或垂直时，横波就会发生分裂现象，产生与裂缝走向平行的快横波和与裂缝 走向垂直的慢横波。通过观测和测量横波分裂情况，就可以反演裂缝介质的参数。 但横波采集和处理的费用极高，对油田的投资风险大，因此并不是常规应用的技 术。 目前已经发展起来的裂缝性油气藏勘探技术有：横波、p s 转换波、多分量 地震、多方位v s p 、纵波a 、，a z 等勘探技术。其中最有效的方法应属横波分裂技 术，但横波采集和处理的费用极高，对油田的投资风险大，因此并不是常规应用 成都理工大学硕士学位论文 的技术。多分量地震、多方位v s p 、p s 转换波技术有着不错的效果，但要么勘 探成本高，要么是非常规地震采集项目，在国内现阶段难于广泛应用。所以，运 用纵波a 、，a z 勘探是现阶段既经济、又实用的勘探方法。 裂缝介质的研究方法大体可分为两类：一是裂缝介质的波场模拟，包括物理 模拟和数值模拟( 波动方程模拟和射线追踪模拟) ；二是在各向异性理论基础和 物理模型观测基础上形成的各种检测裂缝方法技术的研究。 裂缝介质是指具有水平对称轴的横向各向同性介质，简称h r i 介质或e d a 介质。裂缝介质是描述裂缝性储层的最简单的方位各向异性模型，代表了平行垂 直裂缝。 当地震波通过裂缝介质时，其反射系数、速度和走时都会随测线方位角和入 射角发生变化。通过对裂缝介质的全方位角勘探，运用地震波的动力学和运动学 特征分析，就可以反演出裂缝介质发育的主方向，以及其他参数。由于资料处理 简单、费用低廉，方位纵波分析法是现阶段裂缝性储层的主要分析方法。 在裂缝介质的分析过程中，发现裂缝介质中的动校正速度随测线方位角的变 化而变化，且呈椭圆关系。当测线平行裂缝走向时，动校正速度最大；当测线垂 直裂缝走向时，动校正速度最小。运用与在固定炮检距情况下利用振幅信息求取 裂缝走向相似的方法，利用裂缝介质中的方位动校正速度来拟合裂缝的走向。 本文在采用两项的v a v r y c u k 近似公式对裂缝介质参数进行反演时，将裂缝 的走向参数和裂缝介质的其他参数反演相分离。首先运用裂缝介质中的动校正速 度反演裂缝的走向，然后运用v a v r v c u k 近似公式反演裂缝介质的其他参数。在 反演的具体算法上，采用解超定线性方程组的s v d 法。在小偏移距的情况下， 运用两项的v a v r v c u k 近似公式是合理的。 在进行裂缝介质的参数反演过程中，需要采集的资料是宽方位角的，用于反 演的c m p 道集是高信噪比的、高保真的、高分辨率的振幅信息，其动校正速度 是经过精细处理所得到的数据。v a v r y c u k 的近似公式是在弱各向异性介质，而且 是具有相同裂缝对称轴方向的基础上建立起来的，所以在利用该公式进行裂缝介 质的反演时，也只能适合大套裂缝的情况。 关键字：裂缝介质裂缝走向动校正速度 a b s 职a c t 3 ds e i s m i c i i l t r o d u c t i o no fa u t h o r ：d e n g1 向u m a 0 ，m a l e ，b o mi n1 1o f1 9 7 7 ，w 硒黟彻t e dt h e m a s t e rn d m c h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw h o s e t u t o rw a sp r o f c s s o rl il u m i n g w i l ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m 印t 柚dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m c n t0 fl i v i n g s t a n d a r d s ，t h ed e m 锄df o rt h eo i l 唱a sr e s o u r c e si sr i s i n gc o n t i n u o u s l y ，w h i c hh 弱 b r o u 曲t0 p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g c st 0t h eo i l 觚dg a sr e s o u r c e se x p l o r a t i o na n d d e v e l o p m e n t t h eo r i 酉n a lo re a s yo i i - g a sr e s o u r c e sh a v eb e e na l m o s tc o m p l e t e l y w h i c hi sh i g l l e rd e m a n dt ot h eo i l g a se x p l o r a t i o n 柚dd e v e l o p m e n t ( j r a c ki nt h ec n l s ti st h eu n i v e r s a lp h e n o m e n o n ，a n di sw i d e l yf b u n di nv a r i o u s r o c k s s 0f a r 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借阅。本人授权盛鳌堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 7 子 学位论文作者导师签名： 孝 甄、 月 弓 日 一叼一 孙妒 毫 第1 章绪论 第1 章绪论 许多地球物理学者对地震波在地下介质中的传播情况进行了大量的分析和 研究，认为地壳上部的绝大多数岩石都表现出明显的各向异性特征。各向异性是 自然界物质存在的普遍特性，所以没有完全的各向同性介质。在油气勘探领域里， 人们最关心的是两种各向异性介质：一种是具有垂直对称轴的横向各向同性介 质，简称介质；另一种是具有水平对称轴的横向各向同性介质，简称册 介质( 或e d a 介质，或裂缝介质) 。地下定向排列的垂直裂缝是低渗透率油气藏 储集、运移的通道，对油气藏的勘探和开发有着重要的研究意义。 1 1 选题的目的及意义 随着经济的发展和生活水平的不断提高，入们对油气资源的需求不断攀升， 这给油气资源的勘探和开发带来了机遇与挑战。原有的或相对容易勘探的油气藏 几乎已经开发殆尽。这又对油气藏的勘探与开发提出了更高的要求。 裂缝作为地壳中的一种普遍现象，广泛地存在于各类岩层之中。到目前为止， 已经在砂岩、泥岩和碳酸盐岩，甚至是火成岩的裂缝性储集层中获得大量的工业 气流。据统计，低渗透油气藏( 包括各类裂缝性油气藏) 储量为我国油气探明储 量的三分之左右，全国可动用油气储量的四分之三为低渗透的致密的裂缝性油 气藏。在油气田的勘探开发领域里，裂缝性储集层的地位越来越重要。 裂缝的形成受多种因素控制，其物理属性复杂，横向、纵向变化大，表现出 很强的各向异性。裂缝多为后期生成，不象其它油气藏具有相应的沉积环境特征， 所以裂缝性油气藏比常规油气藏更难于勘探。以往使用测井数据来进行裂缝检 测，其检测结果大多数只能在井点周围很小的范围内有效。由于裂缝的复杂性， 井间裂缝方向和密度的预测难于依靠并中结果的外推。当探区内缺乏测井数据， 甚至根本没有井时，就必须寻找其它方法。所幸的是，裂隙的存在导致裂缝介质 的物理性质随着测线方位的不同而发生变化，这在地震勘探中称为方位各向异 性。同时，由于地层上覆载荷的压实作用，水平或低角度裂缝近乎消失，对裂缝 性油气藏贡献大的是易于保存的高角度和近于垂直的裂缝，而正是这类裂缝对地 震波产生了各向异性的传播特征，并且人们能够相对容易地获得这些信息。这一 性质使得我们可以依靠叠前地震资料检测裂缝。 裂缝是油气存储的重要场所，而裂缝性油气藏又是油气藏的重要类型。无论 是砂岩、泥岩或碳酸盐岩，都可以发育成裂缝，进而形成裂缝性油气藏。地震波 在裂缝介质中传播时，其振幅、速度和走时等都会随测线方位角和入射角的变化 而变化。通过对裂缝介质的全方位角勘探，运用地震波的动力学和运动学特征， 成都理工大学硕士学位论文 就可以找出裂缝介质发育的主方向，以及其他参数，进而为油气田的评价和开发 提供科学的依据。 目前已经发展起来的裂缝性油气藏勘探技术有：横波、p s 转换波、多分量 地震、多方位v s p 、纵波眦等勘探技术。其中最有效的方法应属横波分裂技 术，但横波采集和处理的费用极高，对油田的投资风险大，因此并不是常规应用 的技术。多分量地震、多方位v s p 、p s 转换波技术有着不错的效果，但要么勘 探成本高，要么是非常规地震采集项目，在国内现阶段难于广泛应用。所以，运 用纵波眦勘探是现阶段既经济、又实用的勘探方法。 1 2 国内外研究与发展现状 用地震方法进行裂隙检测方法的研究，已经有了较长时间的历史，国外早在 2 0 世纪7 0 年代就己经开始。并且不断提出了许多新颖实用的方法，有很多方法 已经在一些地区和油田得到了成功的应用。近年来国内也相继开展了裂缝检测方 法的研究，并成功地应用于碳酸盐岩岩、砂岩和泥岩的裂缝检测。 1 9 7 7 年c r a m p i n 等人通过反射率法制作了三分量合成地震记录，并且指出： 地壳中广泛地存在着裂缝，裂缝是横波分裂的主要原因。并且于1 9 8 5 年提出了 裂缝介质的理论模型，模拟地壳中的垂直裂缝系统。1 9 8 6 年h u d s o n 在一定条件 假设的基础上，提出了定向排列的垂直裂缝模型，并详细推导了地震波在垂直裂 缝模型中的相速度表达式，为裂缝介质的数值模拟奠定了基础。 1 9 9 5 年t 1 1 0 m s e n 在h u d s o n 模型的基础上，又提出了t h o m s e n 模型，假设 在各向同性介质中包含一套平行的与等径孔隙液压相连接的裂缝，而且裂缝内局 部的液体压力是平衡的，并且引入了t h o m s e n 参数。1 9 9 7 年t s v a i l l 【i n 发表了h n 介质中的反射时差和参数估计一文，提出了运用纵波在h t i 介质中的反射时差 来预测裂缝参数。1 9 9 8 年v r a v r y c i l k 和p s e n c i k 发表了p p 波在各向异性介质中的 反射系数一文，详细推导了纵波在各向异性介质中的反射系数公式。并且推导出 在具有水平对称轴的横向各向同性介质中p p 波反射系数的近似公式。 1 9 9 8 年阴可、杨慧珠提出了可以表征横向各向同性介质和方位各向异性介 质各向异性程度的广义参数，并以此为基础将d e l y 等人推导的横向各向同性介 质中的反射系数公式推广到方位各向异性介质的主轴方向上。1 9 9 9 年董渊、杨 慧珠提出利用p 波层问时差确定裂缝性地层的各向异性参数。在彼此相交呈4 5 度角的4 条二维p 波测线的c d p 道集上，拾取层间时差来求取各向异性参数， 并由此对地下裂缝的发育及分布作出判断。 2 0 0 3 年c h a p m a n 研究了随观测频率变化的各向异性，使各向异性介质中p p 波反射系数理论适用于随频率变化的情况。2 0 0 3 年成都理工大学的罗省贤、李 2 第1 苹绪论 录明利用横波分裂原理来对裂缝介质进行预测。2 0 0 3 年张晓斌、李亚林等利用 多波资料检测裂缝，根据上行转换横波穿过裂缝介质时产生的分裂来研究裂缝的 特征，采用旋转分析识别裂缝方位，采用动校正速度、纵波速度和垂直速度分析 来计算裂缝密度。2 0 0 6 年陈天胜、魏修成等利用c o 彻o l l y 推导弹性阻抗的思想， 根据各向异性反射系数近似公式，推导出了适合非零炮检距的各向异性弹性阻抗 近似公式。通过数值模拟，对纵波弹性阻抗随入射角和方位角变化特征进行描述， 分析了各向异性参数对不同方位纵波弹性阻抗的影响。 1 3 裂缝介质研究的内容与方法 裂缝介质研究的基础是介质的各向异性理论。所谓各向异性，一般是指介质 弹性参数随方向的变化而变化的特性。地震各向异性是指地震波在介质中传播 时，由方向或偏振的变化而引起物理性质测量值的变化。具体表现在介质的物理 性质所对应的地球物理参数的变化，如速度、振幅、频率等的变化。裂缝介质的 研究方法大体可分为两类：一是裂缝介质的波场模拟，包括物理模拟和数值模拟 ( 波动方程模拟和射线追踪模拟) ；二是在各向异性理论基础和物理模型观测基 础上形成的各种检测裂缝方法技术的研究。 在各向异性条件下，地震波的数值模拟有基于波动方程的数值解法：高阶有 限差分法、有限元法、边界元法、伪谱法、近似解析法、反射率法和多项式展开 法等。基于射线理论的数值解法：波前扩散法、最短路径法和程函方程法等。数 值模拟为认识各向异性介质中地震体波与面波的传播规律，解释多分量地震资料 提供了有力的工具。 模拟方法的研究主要是为了弄清裂缝介质对地震波的动力学和运动学特征 的影响，寻求检测裂缝的途径。裂缝介质模型的物理正演模拟，就是用各种材料 模拟各向异性介质，然后用超声波代替地震波，模拟地震波动过程，观测并接收 相应的记录，通过分析和处理所得到的地震波物理参数来研究各向异性介质的物 理性质。 有关裂缝预测的方法主要有三大类： 一、基于成因分析的预测方法。它主要是从裂缝形成条件出发，如裂缝发育 的有利构造部位、有利沉积相带、有利岩性、有利厚度等，来间接预测裂缝发育 带。 二、地震横波预测法。因为横波在裂隙介质中传播时，会分裂成快、慢横波 ( 横波双折射) ，通过对地震资料的坐标变换得到横波的多个分量，这样就可以得 到所需的信息，进而实现裂缝检测。 三、基于裂缝纵波地震响应属性的预测方法。通过分析裂缝纵波的地震响应 3 成都理工大学硕士学位论文 特征，如相干体、方位振幅、方位速度、方位走时、波阻抗、吸收系数等，来分 析裂缝介质的地层曲率、分频属性、属性体和属性差异体，进而直接预测裂缝的 展布特征。 在上述三大类裂缝预测方法中，基于成因分析的预测方法只能对裂缝进行间 接预测。地震横波在裂缝检测上具有相对的优势，但由于成本和处理技术等问题， 近期难以推广应用。纵波地震预测方法则是一种既直接又经济的裂缝检测方法。 1 4 本文研究的思路及主要内容 裂缝介质是油气勘探领域中研究的主要内容，因而形成一套完整的裂缝介质 分析方法尤为重要。本文在借鉴了国内外众多研究思路和研究成果的基础上，建 立了一套适合裂缝介质的纵波分析法。本文研究的主要内容如下： ( 一) 绪论 主要是介绍选题的目的和意义，以及国内外研究和发展的现状和本文所研究 的主要内容及特点。 ( 二) 裂缝介质的各向异性分析 从引起裂缝介质各向异性的本构关系出发，详细分析了引起裂缝介质各向 异性的5 个独立弹性系数分量：c 1 ，、q ，、c ，、c “和c 硒，以及他们与裂缝介 质各向异性系数之间的关系。运用运动学和动力学知识，分析了在裂缝介质中任 意测线方向上的弹性波动方程。通过引入h u d s o n 和t l l o m s e n 裂缝模型，详细分 析了地震波在裂缝介质中的相速度表达式，以及表征裂缝介质各向异性参数各物 理量之间的关系和作用。 ( 三) 裂缝介质的参数特征 主要介绍了裂缝介质中的纵波方位反射系数、方位动校正速度和方位走时 等，表征裂缝介质各向异性的运动学和动力学参数与裂缝介质各向异性系数之间 的关系。为进行裂缝介质的正反演研究奠定理论基础。 ( 四) 裂缝介质的模型正演 通过对单层和多层裂缝模型的正演实验，详细分析了裂缝介质各向异性系数 对地震纵波方位反射系数、方位动校正速度和方位走时的影响。 ( 五) 裂缝介质的参数反演 通过运用纵波方位动校正速度来反演裂缝介质的走向，运用“s v d 法解超 定线性方程组来反演裂缝介质的其他参数。 4 第1 章绪论 本文研究的主要特点： 1 ) 在借鉴和吸收已有的国内外研究成果的基础上，建立了一套适合裂缝介质 的纵波分析方法，并编制了相应的算法和程序； 2 1 采用裂缝介质中的方位动校正速度来拟合椭圆长轴的方法，来代替求取裂 缝的发育方向； 3 ) 在已知裂缝发育方向的前提下，采用两项v 打e r y c l l k 近似公式进行裂缝介 质其他参数的反演。 5 成都理工大学硕士学位论文 第2 章裂缝介质的各向异性分析 地震波是在地下介质中传播的机械波，通常情况下可把地震波视为弹性波。 因此，弹性动力学理论就是地震波动理论的基础。根据弹性波动理论，介质在受 力后引起微小变形的情况下，其中质点运动及微观力学性质可用位移、应力、应 变以及与描述运动有关的方程来表示。裂缝介质是指具有水平对称轴的横向各向 同性介质( h t i = h o r i z o n t a lt r 觚s v e 瑙ei s o t r o p y 介质) 的简称，也称方位各向异性 介质或扩容各向异性介质( e i ) a - e x t e n s i v ed i i a t a n c y a n i s o t f o p y 介质) 。 2 1 裂缝介质的本构分析 2 1 1 应力和应变的关系 由广义h 0 0 k e 定律可知，在弹性限度内，应力与应变成正比关系，即满足 如下关系： q f = c 湫f 。e 超 ( 2 1 ) 上式是一九阶线性方程组。式中，c 槲为一四阶张量，称为弹性张量，它有 8 1 个分量，由介质弹性性质决定。由于应力和应变张量都具有对称性，即 嘞= 仃菇、一e 跃，因此f 、，的次序可以交换，即有毛- 一弓募，这样8 1 个分量的弹性系数中只有3 6 个是独立分量。由于弹性体内应力和应变的关系， 有c 一c 且，因此3 6 个分量的弹性系数可以写成独立的2 1 个参数形式。将2 1 个 独立分量的弹性系数重新排列，则应力和应变的关系可以表示为： c 1 lc 1 2 c 2 2 对 c 1 3c 1 4 c 2 3 c 2 4 c 3 3c 3 4 c 4 4 称 ( 2 2 ) 该式称为广义h o o k e 定律，也称线弹性体本构方程。 从上面的本构方程可以看到，正应力不仅能引起正应变，而且还会引起切应 变，切应力既能引起切应变也能引起正应变。 6 ：2 ；8 弘 帖 弘 的 c c c c c c ：2 笱 弘 钙 鲐 c c c c c 材 炒 芷 弦 荔 砂 仃 盯 仃 仃仃 仃， 第2 章裂缝介质的各向异性分析 2 1 2h n 介质的本构方程 如果在弹性介质中存在一个二维平面，在平面内沿所有方向的弹性性质都是 相同的，而且垂直平面各点的轴向都是相互平行的，则称这样的平面为各向同性 面，垂直各向同性面的轴称为对称轴，具有各向同性面的弹性介质称为横向各向 同性介质，简称( t r 柚s v e r s ei s o t r o p y ) 介质。 当n 介质的对称轴与z 轴平行时，称介质为( v e n i c a lt r 锄s v e r s ei s o t r o p y ) 介质，他代表了在长波长情况下具有垂直对称轴的横向各向同性均匀岩石模型， 是周期性薄互沉积的体现，如图2 1 。当1 r i 介质的对称轴与x 轴或y 轴平行时， 称介质为肌( h o r i z o n t a lt r 锄s v e r s ei s o t r o p y ) 介质，他代表了具有竖立平行裂 缝的岩层结构，如图2 2 。 z 图2 1v 1 1 介质示意图图2 2m 1 介质示意图 由于在h t i 介质中，对称轴与x 轴重合时，沿( yz ) 平面内的弹性参数是 相同的，即有： c 2 2 = c 3 3 c 5 5 一c 6 6 c 1 2 = c 1 3 c 2 3 = c 3 3 2 c 4 4 代入线弹性体本构方程( 2 2 ) ，可得h t i 介质的本构方程。 c 1 l c 1 3 c 1 3 c 3 3 c c 3 3 对 称 ooo oo0 0o0 c 4 4 00 c 酯 o c 6 6 7 e p 眇 e z z 知y z 勉。 勉删 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 盯 秒 召 弦 嚣 矽 仃 盯 仃 仃 仃 仃 成都理工大学硕士学位论文 从衄介质的本构方程中可以看出：其中独立的弹性参数仅有c 1 。、c l ，、c ，、 c 、c 拍共五个；正应力只产生正应变，切应力只产生切应变。 2 2 裂缝介质中的地震波 2 2 1 任意测线方向上的h 兀介质 在实际地震勘探过程中，由于地震测线可以在3 6 0 0 的范围内变化，所以由地 震测线所确定的坐标系和由裂缝走向与裂缝对称轴所确定的自然坐标系并不完 全一致，其中竖直向下的方向是一致的。假设裂缝所确定的自然坐标系为( x ，y z ) 测线所规定的人为坐标系为( x 1 ，y 1 ，z 1 ) ，其中垂直地表的z 轴和z 1 轴是重合 的，两坐标系的夹角为目，如图2 3 。 图2 - 3 两坐标系示意图 从图2 3 上可以看出，由于裂缝介质和测线所确定的坐标系的不一致性，所 以在裂缝介质规定的自然坐标系下的本构方程需要转换到由测线规定的坐标系 内。由数学知识可知，两坐标系的转换关系为： 【c ， - 阻i c k 】r ( 2 - 5 ) 其中， 阻】； oc o s 2p 0s i n 2 口 10 o0 00 o三s i n2 p 2 s i n 2 口 c o s 2 口 0 0 o 1 n 一一s l n z 2 o0 0 0 o0 c o s 8s i n 锣 一s i n 目c o s 口 00 阻】r 是阻】的转置。 在测线所规定的坐标系下，裂缝介质的本构方程可写为：