储层地球物理学(2017)

储层地球物理(ReservoirGeophysics)王德利吉林大学地球探测科学与技术学院地震教研室目录第一章概述第二章储层岩石物性第三章地震分辨率第四章AVO技术第五章地震瞬时属性第六章井地联合波阻抗反演第七章四维（4D）地震技术第八章四分量地震第九章地震各向异性第一章概述§1.1绪言储层地球物理是上世纪90年代发展起来的一门新兴学科。其研究内容是利用地球物理学的理论和方法（主要是地震和测井方法）进行油气储层研究的一门新兴学科，主要研究地震波在油气储层中的传播规律及其它地球物理场在储层中分部规律。在此基础上，对油气储层进行预测并进一步确定油气储层的空间展布和储层参数（孔隙度、渗透率、油气饱和度空隙压力等），对油气储层进行静态描述和油气开采动态监测。储层地球物理是在目前石油和天然气地球物理勘探从构造勘探向岩性勘探的发展、从一般的地层研究向储层研究的发展和从油气勘探阶段向油气开发阶段发展的趋势下发展起来的。在利用地震波的运动学特性（即研究地震波在传播过程中波前的空间位置与其传播时间之间的关系）的同时，充分利用地震波的动力学特性，即利用地震波的振幅、波形、频率、吸收、衰减的特征来研究地层的岩性，在寻找构造圈闭的同时，还寻找和发现岩性圈闭及直接进行烃类检测（如空隙流体的性质）。一个共炮集表示的地震波场有两个分量，走时和振幅。直接反演地震波场来估计地球的弹性参数要求许多复杂的计算。因此，实际的反演方法是分别应用地震走时和振幅。走时反演产生由一组层速度和反射界面几何形态组成的地球构造模型，然后通过深度偏移获得地球的构造图像，构造反演可适当地用于描述由走时反演进行构造模拟和成像的过程。通过构造反演，定义了储层单元及上覆和下伏沉积单元的几何形状。然而，旅行时仅仅是记录地震波场的两个分量之一，振幅则是另一个分量。§1.2储层地球物理研究的主要内容一、岩石物性、AVO及波阻抗反演储层地球物理主要是通过反射振幅反演来推断沉积单元内储层岩石的物理特性。岩石物理特性包括孔隙度、渗透性、孔隙压力和流体饱和度。研究叠前振幅反演来推导振幅随偏移距变化(AVO)属性，以及叠后振幅反演来估计地质模型的波阻抗。通过振幅反演来估计波阻抗和AVO属性的流程可以适当的称为地层反演。我们的最终目标是通过钻井资料标定，在地震资料构造和地层反演的基础上实现储层描述。二、地震分辨率我们研究在确定储层单元几何形态的垂向和横向变化的过程中，从地震资料中能够得到的分辨率。分辨率是分辨两条非常靠近的同相轴的能力。地震分辨率有两个方面：垂向(时间)和横向(空间)。地震分辨率在绘制小的构造特征时，如隐蔽的封闭的断层，和圈定有限面积范围的薄地层特征时，地震分辨率显得特别重要。三、垂直地震剖面储层描述包括地面地震资料分析结果的标定――从构造反演到钻井资料，从地层反演到钻井资料。一类钻井资料包括不同类型的测井曲线。与地震资料关系最密切的测井曲线有声波测井、横波测井和密度测井。另一类钻井资料是垂直地震剖面(VSP)。四、四维地震技术就像我们能用地震的方法描述储层一样，也可以用地震的方法监测储层的变化。它的实现是以适当的时间间隔对正在进行开采的整个油田进行三维(3D)地震资料记录，来探测储层条件，特别是储层岩石物理特性(如流体饱和度和孔隙压力)的变化。这种变化可表现为从上次三维勘探到下次三维勘探地震振幅的变化。储层的时延三维地震监测可看作四维(4D)地震方法，第四维代表储层监测过程的时间。五、四分量地震技术对于某些储层，应用横波资料可以更好地进行确定和监测。例如，储层顶界面的纵波波阻抗差可能太小而无法检测，而横波阻抗差则可能足够大。另外，记录海底的多分量资料（OBS，OBC），可以得到P波和S波成像。一般记录四个分量数据——压力波场，质点振动速度的纵向、横向和垂直分量。因此，多分量地震资料记录及分析常指四分量地震方法。六、地震各向异性传统勘探地震学全部建立在各向同性介质假设的基础上，而实际的地层是各向异性的。这意味着地层的弹性性质随记录方向的变化而变化。地震各向异性常常表现为速度随方向的变化。例如，具有垂向断裂的石灰岩储层中，纵波沿断裂方向的速度比垂直于断裂面方向的速度高(方位各向异性)。速度随方向的变化还包括水平层理和平行于层理的断裂。在这种情况下，水平速度比垂向速度高(横向各向异性)。第二章弹性波与岩石物性应力应力是单位面积上的力。设想固体内部有一点，用包含该点的无限小体积表示，大小为(dx，dy，dz）(下图)。作用在其中一个面上的应力，如dy−dz,面，可以为任意方向。但它可以分解成三个分量，即一个垂直于面，两个与面相切。应力的垂直分量称为正应力，切向分量称为剪应力。正应力分量如果为正表示张性力，如果为负表示压缩力。流体不支持剪应力。在流体介质中，只有一个独立的应力分量存在，即静水压力。应变应变是应力引起的体积或容积的微小变化。应变是一个标量。远离常规震源的应力场很小以至沿传播路径的岩石质点不发生明显的形变。因此，地震波引起的应变非常小，通常约为。分析固体内两点，P和Q(下图)。在应力场的作用下，固体以一定的方式发生形变，P点和Q点的质点移到新的位置P′和Q′最简单的形变是在张力的作用下沿一个方向延伸(图a)。给定方向上长度的微小变化定义为正应变分量。应变为正表示拉伸，为负表示收缩。其他类型的形变是由剪切(图b)、旋转(图c)、和两者的共同作用(图d)引起的。这些角度的形变称为剪应变，因为它们是由于固体内围绕一点的体积的剪切作用引起的。•弹性应变是固体的形变。应力释放，形变消失。弹性形变的虎克定律表明任意一点的应变与作用在该点的应力成正比例弹性模量是描述应力-应变关系的重要常数：为了研究地震振幅和它们在勘探地震学中的应用，我们要了解不同弹性参数之间的关系，其中最重要的有拉梅常数、、杨氏模量E、泊松比，体积模量K等。（1）体积模量K是静水应力与容积应变之比。因此，它是不可压缩性的量度。（2）刚性模量是剪应力和剪应变之比；因此，它是抗剪切力的量度。（3）杨式模量E是圆柱棒沿轴线方向进行纵向拉伸时，纵向应力与纵向应变之比。因为应变为标量，则杨式模量的量纲与应力相同。（4）泊松比是圆柱棒沿轴线方向进行纵向拉伸时，横向收缩与纵向拉伸之比。弹性参数之间的关系不同密度、不同类型岩石中P波的速度变化由P波和S波速度定义可知，两者都与密度ρ成反比。这意味着岩石密度越低，波速越高。一个很好的例子就是低密度(1.8gr/cm3)、高P波速度(4500m/s)的岩盐。但大多数情况下，密度越高，速度越高。这是因为密度的增加通常伴随着岩石抗压缩力和抗剪切力的能力的增加。因此密度的增加通常隐含着体积模量和刚性模量的增加。不同岩性组成的岩石样本在不同埋深时的速度范围（引自Sheriff，1976；AAPG）速度（kft/s）速度（km/s）深度（kft）深度（km）对于给定的岩石成分，岩石中的地震波速受孔隙度、孔隙形状、孔隙压力、孔隙流体饱和度、围压和温度的影响。广泛接受的是围压或者埋藏深度对地震波速度的影响最复杂(左图)。例如，碎屑岩中的P波速度在地面时为2km/s，埋深大于5km时为5km/s；而碳酸盐中的P波速度在地面时为3km/s，埋深大于5km时达到6km/s。由于各种因素引起的P波速度的巨大变化，根据P波速度本身不足以清楚无误的推断岩性。如果我们还知道S波速度，岩性确定的这种模糊性可以在一定程度上得到解决。除了沿钻井直接测量S波速度外，有三种间接估计S波速度的方法。第一种方法是作叠前振幅反演估计P波和S波反射系数，进而计算相应的波阻抗。第二种方法是记录多分量地震资料，从P-S转换波分量中估计S波速度。第三种方法是激发并记录S波本身。SS：砂岩SH：页岩LS：石灰岩S波和P波速度比β/α，它仅依赖于泊松比σ。通常我们用上述比值的倒数α/β。泊松比越高，速度比α/β越高。这种关系通过泊松比的物理意义，即剪切应变和正应变之比来支持。描述泊松比物理意义的一种方法，是假定一受拉伸应变作用的金属棒，当受到拉伸时棒变长变细。因此，岩石的刚性越小，泊松比越高.松散沉积物或饱含流体的储层岩石刚性较低，因此，具有高泊松比和高速度比α/β。可以是碳氢化合物的直接指示器，即P波和S波速度比泥岩含量的增加引起速度比的增加泥和粘土成分对速度比α/β的影响是确定岩性的重要因素。实验资料表明，泥岩和粘土成分的增加导致了S波速度的降低，从而引起速度比α/β的增加粘土含量对速度比的影响最后，孔隙度对速度比α/β的影响一般取决于孔隙形状。对孔隙以微裂缝为主的石灰岩，速度比随着孔隙百分比的增加而增加。对圆形空隙的砂岩，速度比的增加不如孔隙度增加得快(Miller和Stewart，1999)。圆形孔隙与微裂缝的差别在于微裂缝更容易破裂，因此刚性模量较低。第三章地震分辨率分辨率指两个点靠得多近时仍可以区分。地震分辨率有两种——垂向（时间）和横向（空间）分辨率，两者都受信号带宽的控制。垂向分辨率的标准是优势波长，优势波长＝波速/主频。反褶积试图拓宽频谱从而压缩地震子波以增加垂向分辨率。衡量横向分辨率的标准是菲涅耳带，在反射层上的圆环面积，大小取决于反射层的深度、反射层以上地层速度和主频。偏移通过减小菲涅耳带的宽带增加横向分辨率，从而分清横向上模糊的物体面貌。一、垂向分辨率当沿反射层面推断断层引起的不连续时，应注意垂向分辨率。图11.1-2显示了一系列断层，垂直断距为优势波长的1、1/2、1/4、1/8和1/16。当断距等于或大于优势波长的四分之一时，断层的位置很容易确定。当地震资料信噪比较高时，利用反射层上断层引起的绕射也许可以推断更小的断距。因此，分辨和检测小的地质目标的能力，可以通过提高叠加资料的优势频率得以提高。采集的重点是保护高频，压制噪音。检波器组合应足够小，防止由于道间时差及静校，而使高频信号有显著的损失。但是，组合也不应太小，因为小组合对压制随机高频噪音(风引起的噪音)不如大组合有效。震源能量应足够大，从而在期望频带内相对噪音水平有足够高的信号水平。除非野外资料的信噪比高于某一最小值，如0.25，否则处理算法很难恢复信号。信号必须检测出来才能被加强。处理的重点应保护和显示输入资料中存在的高频信号。对内插处理，如NMO切除、基准面校正及静校正，以及多路记录偏斜校正时，应用高频响应好的滤波器。特别注意保证在叠加以前，消除可能在叠加中引起高频损失的小的剩余动校正或静校正时差。最后，必须注意保证所有的高频信号都显示在最终的叠加剖面上。叠后反褶积是实现这一目的的有用方法。反褶积前反褶积后提高分辨率解释员宁愿看到清晰的、精细的反褶积剖面(右)，而不要看起来模糊不清的、有鸣震现象的没有反褶积剖面(左)(资料由EnterpriseOil提供)反褶积帮助人们容易分辨主要反射波(b)，但在没有反褶积的剖面(a)上，反射波被交混回响能量所掩盖(a)CMP叠加(b)脉冲反褶积；©时变谱白化；(d)时变滤波二、横向分辨率无反射段横向分辨率与深度（时间s）的关系（S）纵向分辨率与横向分辨率的关系根据所得的响应，可以推断楔形体的顶端为B点的左边，该点的波形只剩下单一子波爆炸反射面模型爆炸反射面模型爆炸反射面模型爆炸反射面模型爆炸反射面模型爆炸反射面模型爆炸反射面模型爆炸反射面模型叠加剖面爆炸反射面模型图4.0-1CMP叠加剖面(a)偏移前，(b)偏移后；(c)明显绕射D及偏移前的倾斜同相轴(B)和偏移后的倾斜同相轴(A)CMP叠加剖面(a)偏移前，(b)偏移后；偏移解开了叠加剖面上的蝴蝶结并将其变成了向斜（Taner和Koehler，1977）(a)CMP叠加剖面；(b)时间偏移剖第四章AVO技术当地震波向下传播遇到存在速度和密度差异的地层界面时，入射波能量在各个界面重新分配，发生反射和透射现象。发生反射的那部分能量依赖于入射角的大小。作为入射角的函数，反射振幅分析有时可用来检测储层岩石的弹性特征的横向变化，如泊松比的变化、纵波(P波)和横波(S波)速度比的变化，同时也可以表明储层岩石内部流体性质及饱和度的变化等。这就是AVO技术，Amplit