岩石物理分析

~~第一篇地震岩石物理学及在储层预测的应用SeismicRockphysicsTheoryandtheApplicationinReservorDiscrimination摘要储层预测研究主要在于弄清储层构造特征、岩性特征及储层参数，进而减少勘探开发风险。储层参数包括孔隙度、渗透率、流体类型等，而地震资料提供的是地震波旅行时和振幅信息，再通过反演可得到弹性参数。地震岩石物理学则为储层参数和弹性参数之间搭建桥梁。横波速度是重要的地球物理参数在近些年发展起来的叠前地震储层弹性参数反演及流体检测方面起着重要的作用。地震横波速度估计技术是根据地震岩石物理建立的目标岩石模量计算模式，利用计算出的模量重建纵波曲线，与实测曲线建立迭代格式修正岩石模量，实现横波速度等关键参数估计。在方法实现上利用了Xu-White模型为初始模型。流体因子是识别储层流体的重要参数，常规流体因子多是基于单相介质理论提出的，而从双相介质岩石物理理论出发可以更好的研究孔隙流体对介质岩石弹性性质的影响，为敏感流体因子的构建提供更好的指导。本文采用了Gassmann流体因子，并分析了其敏感性。关键词：等效介质模量，孔隙度，横波速度估算，Xu-White模型，Gassmann流体因子。SeismicRockphysicsTheoryandtheApplicationinReservorDiscriminationAbstractThestudyofreservoirpredictionismainlytoinvestigatethecharacteristicsofreservoirstructure,lithologicfeaturesandreservoirparameters,aimtoreducetheriskofexploration.Reservoirparametersincludeporosity,permeability,fluidtype,etc,Butseismicdataonlyreflectsonseismictraveltime,amplitudeinformation,andelasticparameterswhichcanbeobtainedthrouthseismicinversion.Seismicrockphysicsbuildsbridgesforreservoirparameterselastic.S-wavevelocity,animportantgeophysicalparameter,playsanimportantroleinpre-stackseismicreservoirelasticparameterinversionandfluiddetectionwitchdevelopedinrecentyears.Theseismicshearwavevelocityestimationtechniqueisbasedontherockmasscalculationmodelestablishedbytheseismicrockphysics,reconstructsthelongitudinalwavecurvewiththecalculatedmodulus,establishestheiterativepatternwiththemeasuredcurvetocorrecttherockmodulus,andobtainthekeyparameterssuchastheshearwavevelocity.TheXu-Whitemodelwasusedastheinitialmodelinthemethodimplementation.Fluidfactorisanimportantparametertoidentifyreservoirfluid.Conventionalfluidfactorsaremostlybasedonthetheoryofsingle-phasemedium.Fromthetheoryofbiphasicmediumrockphysics,itcanbebettertostudytheeffectofporefluidontheelasticpropertiesoffluidTheconstructionoffluidfactorsprovidesbetterguidance.Inthispaper,theGassmannfluidfactorisusedanditssensitivityisanalyzed.Keyword:Equivalentmediummodulus,porosity,Shearwavevelocityestimation,Xu-Whitemodel,Gassmannfluidfactor成。在岩石物理研究中，速度是岩石物理研究乃至整个地球物理勘探领域的关键参数，理论模型则是其研究的基础。这两个关键贯穿于岩石物理研究的整个过程第二章基本理论模型分析岩石是由固体的岩石骨架和流动的孔隙流体组成的多相体，其速度的影响因素呈现复杂性和多样性。各因素对速度的影响不是单一的，是相互影响、综合作用的结果。这也表明利用地球物理资料进行储层特征预测和流体识别是切实可行的。岩石的弹性表现为多相体的等效弹性，可以概括为4个分量：基质模量、干岩骨架模量、孔隙流体模量和环境因素（包括压力、温度、声波频率等）。岩石物理理论模型旨在建立这些模量之间相互的理论关系。根据建立方法的不同，岩石物理基本理论模型可以分为有效介质模量理论和波传播理论两大类[14]。2.1有效介质模量理论有效介质模量理论是岩石物理学的一个重要分支。它是根据各种几何平均物理模型，在已知组成岩石各相的相对含量、弹性模量以及各相在岩石介质中分布特征条件下，以适当方式定量求取岩石的等效弹性模量，从而进一步求出弹性波的速度和衰减。对于多孔岩石介质，有效介质模量理论的关键是确定适合介质成分的混合模型。以下是常用的几种有效介质模量理论模型。（1）Voigt-Reuss-Hill（V-R-H）模量模型。在已知组成岩石介质各相的相对含量以及弹性模量的情况下，分别利用同应变状态、同应力状态估算岩石介质有效弹性模量的Voigt上限、Reuss下限，利用两者的算术平均计算岩石的有效弹性模量。这种平均并没有任何理论的基础和物理含义。该模型比较适合于计算矿物成分的有效体积模量及可能的最大上下限，不适于求取岩石的总体积模量、剪切模量和气饱和岩石的情况。（2）Hashin-Shtrikman模量模型。在已知岩石矿物和孔隙流体的弹性模量及孔隙度的情况下，Hashin-Shtrikman模型能精确地计算出多孔流体饱和岩石模量的取值范围，其上、下限的分离程度取决于组成矿物弹性性质的差异（均为固体矿物颗粒时，上下限分离很小；如有流体存在时，则上下限分离较大）。（3）Wood模量模型。首先利用Reuss下限计算混合物平均体积模量，再利用其与密度的比值估算速度。该模型比较适用于计算孔隙混合流体的有效体积模量,或者浅海沉积物的有效体积模量（浅海沉积物基本为悬浮状态）。（4）Kuster-Toksoz模型[15]。通过考虑孔隙的形状及分布规律，利用连续介质一阶差分理论来计算多孔介质的等效模量。该模型是根据孔隙内流体的流动状态对岩石孔隙进行分类考虑，孔隙孤立的存在于介质之中，考虑了孔隙形状但没有考虑孔隙间的相互作用，因此较适合于实验室超声高频条件下流体饱和岩石模量的计算。其中，纵横比较小的扁平孔隙对速度的影响比较大。2.2波传播理论尽管有效介质模量理论能够简单直观地得到多孔饱和流体介质的有效弹性模量，但其毕竟是建立在组成岩石矿物各组分模量的简单平均或一般假设基础上，缺乏岩石介质中应变随应力变化的理论基础。波传播理论则基于波在岩石中传播的理论规律，通过对孔隙形状等参数的某些假定，利用组成岩石的各相态模量来计算多孔岩石介质不同状态下的弹性模量。常用的理论模型包括以下几种。（1）Gassmann模型[16]。在低频条件下，Gassmann推导出了饱和流体状态条件下岩石体积模量的理论方程。Gassmann方程是岩石物理研究的最基本方程，用来描述从干岩石状态到饱和流体孔隙状态下的模量变化。该方程的一个重要的适用条件是低频条件，也即只有在足够低频条件下，该方程是有效的，此时孔隙所受的压力在整个孔隙空间达到平衡（即对于孔隙流体，有足够的时间消除压力梯度，达到平衡）。应用Gassmann理论时，应注意以下事项：①干岩石并不等价于气饱和状态下的岩石（干岩石或者干骨架模量是指孔隙压力保持不变而围压变化所导致的体模量的应变，这种耗散状态相当于岩石充满空气时在常温和常压条件下的状态；气饱和状态的模量相当于储层条件下（高孔隙压力），气体具有不可忽略的体积模量）；②干岩石骨架的弹性模量是指微湿或者潮湿状态条件下的岩石模量；③对于混合矿物，可以利用平均模量作为总的有效模量；④对于泥质充填岩石，最合理的做法是把软泥岩当作充满孔隙的一种流体，而不是当作一种矿物骨架，即孔隙流体为泥岩；⑤对于部分饱和岩石，在足够低频条件下，孔隙流体的有效模量可以利用等应力条件下流体和气体状态决定。（2）Biot模型[17]。Biot采用连续介质力学的方法导出了流体饱和多孔隙介质中的声波方程，建立了多孔介质中声速、衰减与频率和多孔介质参数之间的关系。该模型反映了流体和岩石骨架中粘性和惯性相互作用机制，既包含了岩石骨架和孔隙流体对混和岩石介质弹性模量的单独作用，也包含了它们之间的耦合作用。该模型适合于任意频率条件下多孔岩石介质弹性模量的计算，但是由于没有考虑高频条件下孔隙流体的喷射作用，因此该理论方程所预测高频条件下饱和流体岩石的速度并不十分准确。（3）BISQ模型[14][18]。当地震波在多孔介质中传播时，Biot流和喷射流机制同时存在，Biot流描述的是宏观现象，喷射流机制反映的是局部特征，两种机制通过流体的质量守衡而统一，对地震波的衰减和频散均产生重要影响。Dvorkin和Nur基于孔隙各向同性一维问题将这两种流体—固体相互作用的力学机制有机地结合起来，提出了统一的Biot-Squirt（BISQ）模型。BISQ模型反映了两种不同流动形式和流体特性对波速、衰减和频散的影响规律，比Biot理论更能真实地体现波在孔隙各向同性岩石介质中的传播规律。喷射流特征长度则需要根据速度、频率的测量结果猜测或者根据经验调整。（4）Xu-White模型[19，20]。基于Kuster-Toksoz模型和Gassmann理论，Xu-White提出了砂泥岩混和介质的速度模型。该模型综合考虑岩石孔隙度和粘土含量来预测声波速度，把粘土成分、压力、胶结等因素对声波的影响归因于泥页岩和砂岩的孔隙几何形状和面孔率的差异。在该模型中，总的孔隙空间由两部分组成：①与砂岩颗粒相关的孔隙；②与泥岩颗粒相关的孔隙（包括束缚水）。不同孔隙形状的孔隙对弹性模量的影响是不同的。该模型首先利用时间平均方程计算骨架混合矿物的弹性模量，利用Woods方程计算混合流体的弹性模量；然后针对两相介质，利用Kuster-Toksoz模型估计干岩石骨架的弹性模量；最后利用变换后的Gassmann方程计算流体饱和岩石条件下的弹性模量。该模型适合于低频率条件下，多孔流体饱和砂泥岩纵横波速度估算，其关键参数是泥岩孔隙和砂岩孔隙的纵横比。2.3理论模型的比较及适用性分析由于多孔介质岩石物理性质的复杂性及地震波在岩石中传播所导致的复杂波场效应，不同专家基于不同的假设和目的提出了不同理论模型，这对于岩石物理变化规律的研究提供了基础性认识和指导作用。不同的理论模型有其不同的适用条件应用重点、考虑因素及需要知道的关键参数。而且，很多理论模型并不是孤立的，是相互联系的，在相同的假设条件及制约因素下是基本等价的，复杂假设条件下的理论模型可以转换为简单条件下的模型。总体而言，有效介质模量理论模型比较适合于计算岩石有效矿物的弹性模量和可能的变化范围，波传播理论模型则比较适合于计算孔隙含流体状态岩石的弹性模量，常用于横波估算、流体替代、AVO分析中。在常用的两种理论模型中，Gassmann模型比较适合于砂泥岩储层，而Xu-White模型比较适合于碳酸盐岩储层。在实际应用中，根据研究区域的实际情况选用合适的理论模型是岩石物理在储层表征中得到较好应用的关键第三章速度影响因素分析孔隙岩石介质速度的变化呈现复杂性和多样性，其主要影响因素为岩石的组成、内部结构以及所处的热力学环境[1]，如表1所示。这些因素之间常常具有一定的内在关联性，当一个因素发生变化时其他许多因素也同时发生变化，这些变化会对岩石速度产生正面或负面的影响。对于特定的地质研究目标，必须要找出影响速度的主要因素，并寻求这些影响因素的共同表征参数。以下分别对几种实际工作中经常考虑的因素进行分析。3.1岩性对速度的影响假如没有孔隙和节理，那么地震波的传播速度就只取决于岩石的矿物成分。岩石往往是不纯的，是各种矿物成份的混和，因此岩石中波的传播速度取决于各个组分的百分含量。致密岩石一般比非致密岩石的高。需要指出的是，泥质成分及存在形式对岩石的速度及孔隙含流体的性质有较大影响\*MERGE-FORMAT[8]。影响程度取决于泥质在岩石中的状态：填充孔隙、破坏颗粒的接触或是替换部分骨架。因此，必须根据粘土在岩石中存在的具体形式建立相应的理论计算或统计模型。3.2孔隙对速度的影响通常，岩石速度与孔隙的关系表现为较为复杂的形式。孔隙度与速度之间一般并不存在简单的映射对应关系。一方面，给定孔隙度值的岩石速度会在较宽的范围内发生变化；另一方面，由于孔隙度的变化，固相成分不同的岩石也可能具有相同的波速。孔隙的存在导致速度值下降。这是因为岩石孔隙度的变化会有效地改变岩石密度，而且岩石有效弹性模量也会随孔隙度的变化而变化。研究表明：孔隙总体积、孔隙形状（孔隙纵横比）对速度都有较重要的影响；泥质含量等其他参数对速度的影响都可归因于孔隙形状的变化。在其他因素相同时，孔隙度大的岩石波速低；孔隙度相同时，骨架颗粒细、孔隙小的岩石比颗粒粗、孔隙大的岩石的速度高；在相同应力条件下，圆形孔隙形变比狭长孔隙形变小得多。3.3成岩作用对速度的影响速度受成岩作用的各因素控制，如颗粒间接触关系、圆度、分选性、胶结程度等。颗粒间接触关系不好、分选性差、圆度低、胶结作用弱等都将导致岩石速度的降低。这些因素一般都是通过其对孔隙度的影响而改变岩石的速度。不同的胶结物类型及胶结物含量对岩石弹性参数的影响就不同。纵、横波速度与胶结物含量表现出明显的正相关关系，且速度及孔隙度按胶结物含量呈明显的分区性，相应的体积和剪切模量也会表现出相同的特征。如果胶结含量的差异代表岩石成岩作用的差异，那么，孔隙度—弹性属性交汇图就可以区分岩石成岩作用的差异。对人造疏松砂岩样品的研究\*MERGEFORMAT[5]表明，与非固结砂岩相比，胶结好的砂岩，速度对孔隙度的依赖性较强，而且速度随胶结物含量的不同有不同额增大趋势。3.4密度对速度的影响一般而言，岩石速度随密度增加而增加。Gardner[9]提出了速度和密度之间的指数关系形式，得到较广泛的应用。其后，不同的研究机构根据该公式或者适当的变形得到了各自的经验参数。基于速度、密度和孔隙度的体积平均原理，文献\*MERGEFORMAT[10]提出了速度和密度之间新的理论模型，对济阳坳陷大量实验室岩心数据的统计分析表明了该模型的可靠性和适用性。3.5孔隙流体对速度影响岩石孔隙中充填不同性质流体后，其弹性性质会发生变化，这是利用地震资料进行储层预测或碳氢直接检测的物理依据。理论和大量的岩心测试研究表明，岩石样品饱和水时的速度大于饱和油时的速度，饱和气时的速度最低。当样品中水被原油替代后，样品的纵、横波速度随含油饱和度的增加而减小，变化的幅度与围压有关。当样品中水被气替代后，速度随含气饱和度的变化呈现“速度泡沫”现象[11]，即当气体刚驱替样品中的水时，纵波速度急剧下降，随着含气饱和度的增加，速度逐渐变大。这是因为随着含气饱和度增加，尽管流体的体积模量基本稳定，但岩石样品的密度却逐渐减小。“速度泡沫”现象对于气藏的识别是很不利的，即意味着有经济价值的气藏与衰竭的气藏有几乎相同的纵波地震振幅，因此，实践中要认真分析。纵波速度对含油饱和度的敏感性要高于横波速度，因为岩石剪切模量大小主要由岩石骨架性质决定。3.6压力对速度的影响速度随压力变化的主要原因是岩石上覆截荷压力引起的压实作用和非弹性变形导致孔隙度下降，最终使岩石整体弹性模量和体积密度的变化。压力对致密岩石和多孔隙岩石中波速的影响是不同的。对于均匀致密介质，影响波速的只有外压力，而地震勘探深度上的压力与原子间的力相比不算很大，因而造成原子间距离的变化不太大，以至于对介质的弹性模量的影响可以忽略。因此，致密岩石中波速取决于它的矿物成分。对于多孔隙介质，影响波速的是围岩压力和孔隙内流体压力的共同作用。由于上覆压力增大时骨架中颗粒之间接触更紧密，骨架中微裂隙闭合和减小，导致骨架的弹性模量增大，从而引起速度增大。而孔隙内流体压力则使骨架颗粒之间错动，减小其弹性。因此，当上覆压力和流体压力都变化时，仅仅是二者之差才是引起骨架弹性模量改变的原因。当骨架压力（有效压力，即上覆压力与流体压力之差）增大时，速度变大；上覆压力与流体压力之差为常数时，则速度保持不变。不同岩性、不同流体状态，速度随压力的变化也不完全一致[12]。3.7温度对速度的影响温度升高，岩石速度降低，降低的幅度与压力有关\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT[12，13]。高围压下，波速下降的幅度不大，且呈线性；低围压下，速度下降显著，当温度超过一定限度后，温度以非线性形式降低，表明微裂隙开始热扩张。特别的，当温度达到一定程度时，岩石将会发生热开裂现象。这对于火烧油层的开采方法具有重要意义。完全重油饱和未固结砂岩对温度变化非常敏感，比对压力变化敏感得多，含重油未固结砂岩纵波速度随温度升高而降低的幅度与含油饱和有关，含油饱和度越高，降低幅度越大；同样的未固结砂岩，水饱和时的纵波速度几乎与温度没有关系。另外，随着温度和压力的变化，岩石物理性质发生改变，Q值因子也发生变化（随压力增大，Q值因子增大；随温度增大，Q值因子变小）第四章主要应用速度、密度等地球物理参数影响因素的复杂性表明了利用地震资料进行储层表征和流体预测的可行性；岩石物理理论模型则建立了多孔岩石介质不同因素之间相互的关系。这些都为岩石物理研究在地球物理领域的应用提供了数据和理论基础。其主要应用可以概括为以下几个方面。4.1横波速度估算横波速度是重要的岩石物理性质，是进行叠前地震弹性反演和AVO属性分析的基础数据，但大多数井缺乏横波资料。这就需要利用已知的信息对横波速度进行估算[6，7]。常用横波速度的估算方法可以分为两大类：经验公式法和岩石物理理论模型法。经验公式法即是根据研究区域实验室测试的纵横波速度信息或者实际测井的纵横波速度信息，通过统计分析，建立横波速度与纵波速度、泥质含量、孔隙度等参数的线性或者非线性统计关系，如Castagna泥岩线公式、Castagna抛物线模型、Smith趋势线等。经验公式简单明了，应用方便，但缺乏不同岩石物理参数之间的非线性动态变化，只能适应于岩性简单、流体单一或者缺乏其它岩石物理信息条件下的应用。岩石物理理论模型法是基于饱和流体状态条件下的理论方程，通过正反演相结合，利用已知矿物成分和含量、孔隙度、流体成分和饱和度、实测纵波速度等岩石物理信息计算岩石横波速度，其整个计算过程如下（图1）：①基于固体模型，如V-R-H模型或者H-S模型，利用已知的矿物成分和含量计算岩石矿物的有效弹性模量；基于混和流体模型，如Wood模型，利用已知的流体成分和饱和度计算孔隙流体的有效弹性模量；②根据经验公式，利用实际测试的纵波速度计算横波速度；③利用固体矿物有效弹性模量、流体有效弹性模量、孔隙度等参数，通过岩石物理理论模型的反演，计算岩石骨架的弹性模量；④通过岩石物理理论模型的正演模拟，计算原状流体条件下岩石的纵横波速度；⑤对计算和实际测试的纵波速度进行误差分析，如果误差在一定程度范围之内，则计算得到的横波速度可认为是该饱和流体岩石的横波速度，如果误差较大，则利用实际纵波速度、计算得到的横波速度作为已知参数，返回到步骤③，再反演计算岩石的骨架弹性模量，通过多次循环迭代，对横波速度进行优化。本质上，岩石物理理论模型法横波速度的估算是一个优化问题的求解。该方法的一个关键是步骤③，即岩石骨架弹性模量的反演计算。常用的包括两种方法：修正Gassmann模型法和Xu-White模型法。修正Gassmann模型法即是通过对Gassmann方程的转换，首先得到纵波速度、横波速度求取的表达式，然后再补充一个经验方程，使方程组满足正定条件，从而估算岩石骨架弹性模量；Xu