引用本文
唐杰, 王浩, 李健, 苏文涵, 姚振岸. 含流体浊积岩速度与衰减各向异性特征研究——以北海浊积岩为例[J]. 物探与化探, 2017,41(1): 153-157.
TANG Jie, WANG Hao, LI Jian, SU Wen-Han, YAO Zhen-An. A study of velocity and attenuation anisotropy characteristics of turbidite thin interbed saturated with fluid:A case study of Beihai turbidite[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(1): 153-157.  
Doi:10.11720/wtyht.2017.1.24
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含流体浊积岩速度与衰减各向异性特征研究——以北海浊积岩为例
唐杰1,2, 王浩1,2, 李健1,2, 苏文涵1,2, 姚振岸1,2
1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580
2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071

作者简介: 唐杰(1980-),男,中国石油大学(华东)副教授,主要从事地震岩石物理学研究工作。Email:tangjie@upc.edu.cn

收稿日期: 2016-03-17
基金: 国家自然科学基金项目(41504097、41374123); 山东省自然科学基金项目(ZR2013DQ020)
摘要

研究了含流体浊积岩储层的速度与衰减各向异性特征,分析了影响含流体浊积岩储层速度与衰减各向异性特征的主要因素。研究表明低频与高频条件下获得的含流体浊积岩弹性模量存在较大差异。通过速度各向异性分析可知,随着饱和度的增加,纵波速度增大;随着角度的增加,纵波速度增大;随着净毛比的增大,纵波速度减小。衰减各向异性分析结果表明层间流体流动导致平行于层理的纵波衰减小于垂直于层理面的纵波衰减;衰减依赖于介质非均匀性,当介质非均匀性最大时,衰减最大。

关键词: 浊积岩; 速度各向异性; 衰减各向异性; Backus理论; Gassmann方程
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)01-0153-05
A study of velocity and attenuation anisotropy characteristics of turbidite thin interbed saturated with fluid:A case study of Beihai turbidite
TANG Jie1,2, WANG Hao1,2, LI Jian1,2, SU Wen-Han1,2, YAO Zhen-An1,2
1.School of Geosciences,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China
2.Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266071,China
Abstract

In this paper,the authors studied velocity and attenuation anisotropy characteristics of turbidite thin interbed saturated with fluid,and analyzed the main influence factors such as group angle,net-to-gross,saturation and porosity.The results show that there are differences in condition between low frequency and high frequency.Through the anisotropy velocity analysis,the authors detected that compressional wave velocity increases with the increase of saturation and angle,and compressional wave velocity decreases with the increase of the net to gross.Through the attenuation anisotropy analysis,it's known that compressional wave attenuation parallel to the bedding is less than the result perpendicular to the bedding plane.Attenuation depends on the medium heterogeneity,and when medium inhomogeneity is maximum,attenuation is the largest.

Keyword: turbidite; velocity anisotropy; attenuation anisotropy; Backus theory; Gassmann's equation
0 引言

浊积岩是浊流沉积形成的各类沉积岩的统称, 常见的浊积岩包括钙质浊积岩和非钙质浊积岩等, 其中钙质浊积岩通常是由碎屑灰岩和灰泥岩互层组成, 非钙质浊积岩通常是由砾岩、砂岩和页岩等互层组成[1], 浊积岩储层会表现出速度与衰减各向异性特征。在沉积盆地中大约75%的碎屑填充物是页岩, 页岩由粘土材料组成, 由于具有低渗透率和各向异性微观结构, 页岩在流体流动和地震波传播中发挥着重要的作用[2], 而砂岩具有相对较大的孔隙度和渗透率, 二者组成的浊积岩表现出明显的层理构造[3]。Golikov研究了北海浊积岩的非均匀性和各向异性, 研究表明页岩和砂岩组成的浊积岩表现出VTI各向异性[4]。国内, 甘利灯等研究了薄层浊积岩储层的地震描述方法[5], 解吉高等对下刚果盆地北部中新统深水浊积岩储层及含油性作了地震预测[6]。在储层衰减特征研究方面, Dvorkin的结果表明模量频散和衰减之间的因果关系能够用来估算完全饱和岩石中的衰减[7], 而对于页岩和砂岩组成的浊积岩衰减特征研究较少, 以往的分析表明部分或者完全饱和岩石中的地震波会导致孔隙压力的时空变化, 进而诱导振荡流体流动, 流动中的粘滞损失是不可逆能量损失的重要原因[8]。波致流体流动会使得岩石的弹性模量随着频率变化, 在非常低频条件下, 弹性模量较小, 孔隙流体弛豫, 波导致的孔隙压力空间变化能够在振荡周期内均衡[9]。在非常高频条件下, 流体非弛豫, 孔隙之间没有直接的流体压力联系。

针对高频和低频条件下流体压力分布的差异, 结合Backus平均和各向异性流体替换方法, 研究了含流体浊积岩储层速度与衰减各向异性特征, 分析了影响含流体浊积岩储层速度与衰减各向异性特征的主要因素。

1 浊积岩储层高频与低频速度参数分析

浊积岩的等效弹性参数能够通过对组成浊积岩各岩石的刚度张量的Backus平均获得[10]。Backus平均方法认为当岩层厚度小于地震波波长时, 有效介质的弹性参数依赖于垂向非均匀程度以及平均长度。Backus平均是基于由各向同性层或TI介质层构成的分层模型发展起来的。低频条件下孔隙流体整体上达到压力均衡, 而在高频条件下孔隙流体只在层内达到均衡; 根据这一特征高频条件下先计算每层含流体时的弹性参数, 再通过Backus平均计算含流体浊积岩的弹性参数; 而低频条件下先通过Backus平均计算干燥岩石的弹性参数, 再通过各向异性流体替换计算饱和浊积岩的弹性参数。

1.1 含流体浊积岩储层高低频地震波参数计算

高频条件下岩石表现出不排水特征, 每层饱和岩石的弹性模量能够采用流体替换方法获得。对于由砂岩与页岩组成的薄互层, 其中各向同性饱和砂岩的刚度矩阵可以使用Gassmann方程获得[11]。高频条件下首先采用Gassmann流体替换获得各层含流体时的弹性参数, 再利用Backus平均可以获得高频条件下含流体浊积岩的等效介质模量。而高频条件下的混合流体模量可以采用Patchy斑块饱和理论获得[12]。Patchy模型计算的流体体积模量总是高于或等于利用Wood方程计算的流体体积模量, 两种混相流体体积模量的计算模型分别代表了混相流体充填的两种极端情况, 一种是流体在所有孔隙空间均匀充填(Wood方程), 另一种则是流体呈斑状彻底分离状态(Patch斑状饱和)。在低频条件下, 完全饱和岩石的有效弹性模量能够通过对干岩石骨架模量先做Backus平均, 之后再应用各向异性Gassmann流体替换方程获得。对于低频条件下的混合流体弹性模量, 可以根据Wood方程获得。该方程假设地震波的弹性压缩作用使得两种流体产生的应力变化是均衡的, 各个孔隙空间内的两种流体饱和度是相同的[13]。

1.2 含流体浊积岩储层各向异性衰减参数计算

衰减和频散之间存在因果关系, 没有频散就意味着没有衰减, 没有衰减将导致速度不随频率变化, 最大的衰减发生在模量变化最大时所对应的频率。以往的研究结果表明即使每一层的固有衰减为零, 分层介质中弹性参数的差异也会导致明显的地震波衰减, 这种衰减包含地震波诱导的层间孔隙流体的流动[14]。

对于线性粘弹性材料, 可以采用Kramer-Kronig关系将频散模量和品质因数Q联系起来, 对于任意的硬度张量Cij, 衰减值为:

Qij, max-1=Cij∞-Cij02Cij0Cij∞, （1）

式中:i和j为1~6之间的数, Cij0和 Cij∞分别对应前面计算获得的低频模量和高频模量。

2 浊积岩储层各向异性分析
2.1 浊积岩储层速度各向异性分析

这里取泥岩的参数满足:弹性刚度张量 c11shale=19.7 GPa、 c33shale=14.7 GPa、 c13shale=11.1 GPa、 c44shale=2.6 GPa、 c66shale=4.7 GPa, 密度ρ shale=2.3 g/cm3; 砂岩的参数满足:固体骨架体积模量Kfr=5 GPa, 固体基质体积模量Kma=35 GPa, 固体骨架剪切模量μ =3.5 GPa, 固体基质密度ρ ma=2.65 g/cm3; 流体的参数满足:水密度ρ w=1.02 g/cm3, 油密度ρ o=0.75 g/cm3, 固体基质密度ρ ma=2.65 g/cm3, 含水体积模量Kw=2.7 GPa, 含油体积模量Ko=1 GPa, 含气体积模量Kg=0.1 GPa; 上述参数取自文献[4]。浊积岩储层的各向异性强度可以用Thomsen参数γ 和ε 来表征, 其中ε 代表纵波速度的各向异性; γ 代表横波速度的各向异性, ε 、γ 、δ 的值是无量纲的, ε 越大, 介质的纵波各向异性越大, 一般情况下, ε 和γ 的单调性是一致的, 即同时增减或为零[15]。

图1给出了高频与低频条件下油水混合填充时的各向异性参数ε 、γ 和δ 随着饱和度和净毛比的变化图 (首先考虑疏松砂岩, 其孔隙度为ϕ = 0.35), 从图1中可以看出高频条件下随着净毛比NG的增加, 浊积岩的各向异性参数减小, 在低频条件下当净毛比约为0.1时, 各向异性参数ε 最大。高频条件下随着水饱和度Sw的增加, 各向异性参数ε 增加, 而在低频条件下, 浊积岩的各向异性参数ε 有所减少, 高频条件下各向异性更为明显。各向异性参数γ 在高频和低频条件下没有明显变化。

图2给出了油水饱和情况下纵波速度Vp、横波速度Vsh、纵横波速度比Vp/Vsh和纵波阻抗IA随着入射角、水饱和度Sw和净毛比NG的变化图以及Vp/Vsh-IA交会图(其中孔隙度ϕ = 0.35)。图2a为高频条件下的计算结果, 图2b为低频条件下的结果。从上到下为不同角度传播的波的计算结果, 分别为0° (垂直于层理面)、30° 、60° 和90° (平行于层理面)的结果, 从图中可以看出高频和低频条件下浊积岩储层各个方向的纵横波速度、速度比以及纵波阻抗都表现出明显的差异, 各个参数随着饱和度和净毛比的变化也会发生明显的变化。根据图2可知随着Sw的增加, 高频和低频条件下各角度的Vp都有所增加; 随着角度的增加, Vp增大, 平行层理的波速最大, 垂直层理的波速最小, 表现出明显的各向异性; 随着NG的增大, 高频和低频条件下不同角度的Vp都有所减小。通过Vp/Vsh与IA的交会图也可以看到相似的变化趋势。从图中也可以看出Vsh随着NG变化的行为相对较为复杂, 当角度小于45° 时, Vsh随着NG的增大而增大; 而当角度在45° ~90° 之间时, Vsh随着NG的增大而减小, Vsh对于饱和度不敏感。随着NG的增大, 不同角度的Vp/Vsh减小, IA减小; 随着Sw的增加, 不同角度的Vp/Vsh和IA都有所增大。

图1 ϕ = 0.35、油水混合填充情况下高频(a)与低频(b)条件下的各向异性参数ε 、γ 和δ 随着饱和度和净毛比的变化

图2 ϕ =0.35、油水混合填充情况下高频(a)与低频(b)条件下Vp、Vsh、Vp/Vsh和IA随着角度、饱和度和净毛比的变化
a11、a12、a13、a14— 0° 入射; a21、a22、a23、a24— 30° 入射; a31、a32、a33、a34— 60° 入射; a41、a42、a43、a44— 90° 入射; b11、b12、b13、b14— 0° 入射; b21、b22、b23、b24— 30° 入射; b31、b32、b33、b34— 60° 入射; b41、b42、b43、b44— 90° 入射

2.2 浊积岩储层衰减各向异性分析

在获得了高频模量和低频模量之后, 根据前面的讨论, 通过采用粘弹性模型能够计算出衰减因子, 图3和图4给出了垂直于层理面的衰减因子1/Q33、平行于层理面的衰减因子1/Q11随着饱和度和净毛比的变化图。从图中可以看出平行于层理的P波衰减1/Q11小于垂直于层理面的结果1/Q33。研究表明浊积岩的衰减特征依赖于组成浊积岩介质的非均匀程度, 当非均匀程度达到最大时, 浊积岩的衰减最大。浊积岩储层中最大衰减出现在较软的非固结页岩与较硬的固结砂岩层组成的浊积岩体系中。

图3 ϕ =0.35条件下1/Q33和1/Q11随着饱和度和净毛比的变化
a— 油水混合1/Q33; b— 油水混合1/Q11; c— 气水混合1/Q33; d— 气水混合1/Q11

图4 ϕ =0.05条件下1/Q33和1/Q11随着饱和度和净毛比的变化
a— 油水混合1/Q33; b— 油水混合1/Q11; c— 气水混合1/Q33; d— 气水混合1/Q11

3 结论

笔者研究了北海含流体浊积岩储层速度与衰减各向异性特征, 分析了影响含流体浊积岩储层速度与衰减各向异性特征的主要因素, 研究浊积岩储层参数对分析地震波参数的影响效果具有重要参考意义, 对于实际储层预测或描述也具有潜在的应用价值。此外本文中的研究方法还可用于其它类型的浊积岩储层分析, 如不同等粒度或孔隙度的砂岩组成的浊积岩等。主要结论包括:

1) 通过速度各向异性分析的结果可知, 随着饱和度的增加, 浊积岩储层的纵波速度增加; 随着地震波入射角度的增加, 纵波速度增大; 随着净毛比NG的增大, 纵波速度Vp减小。波速比Vp/Vsh以及纵波阻抗IA也可以看到相似的变化趋势。横波速度Vsh随着净毛比NG变化的行为相对较为复杂, 在小于45° 时, 横波速度Vsh随着净毛比NG的增大而增大, 而在45° ~90° 时, 横波速度Vsh随着净毛比NG的增大而减小。

2) 衰减各向异性分析结果表明层间流体流动导致平行于层理的P波衰减小于垂直于层理面的结果。浊积岩的衰减特征依赖于组成浊积岩介质的非均匀程度, 当非均匀程度达到最大时浊积岩的衰减最大。浊积岩储层中最大衰减出现在较软的非固结页岩与较硬的固结砂岩层组成的浊积岩体系中。

The authors have declared that no competing interests exist.

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