物探与化探 2018 , 42 (1): 87-95 https://doi.org/10.11720/wtyht.2018.1.10

Orginal Article

复杂裂缝地球物理模型制作及地震采集处理研究

张福宏¹^,, 黄平¹, 黄开伟², 关旭¹, 邹定永¹, 梁瀚¹

1.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院,四川成都 610041
2.西南油气田公司国际合作事业部,四川成都 610051

The construction of complex fracture geophysical model and the gathering and processing of seismic data

ZHANG Fu-Hong¹^,, HUANG Ping¹, HUANG Kai-Wei², GUAN Xu¹, ZOU Ding-Yong¹, LIANG Han¹

1.Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Chengdu 610041,China
2.Department of International Cooperation,Southwest Oil and Gas Field Company,Chengdu 610051,China

中图分类号: P631.4

文献标识码: A

文章编号: 1000-8918(2018)01-0087-09

责任编辑: ZHANG Fu-HongHUANG PingHUANG Kai-WeiGUAN XuZOU Ding-YongLIANG Han

收稿日期: 2016-11-16

修回日期: 2017-06-23

网络出版日期: 2018-01-20

基金资助: 中国石油天然气集团公司重大专项(2012E-2601-03),国家科技重大专项(2016ZX05047002-005、2016ZX05052001)

作者简介:

作者简介: 张福宏(1981-),男,硕士研究生,工程师,供职于中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院地球物理所,长期从事地震资料解释工作。Email:zhangfuhong@petrochina.com.cn

展开

摘要

裂缝是川中侏罗系致密油储层主要的渗流通道和重要的储集空间,控制着油气的分布与高产。储层裂缝主要分为在构造应力场作用下形成的构造裂缝和在储层沉积或成岩过程中产生的成岩裂缝,所以裂缝的研究及预测对于寻找致密油储层具有重要的意义。在研究复杂裂缝特征及制作方法的基础上,构建一个与实际地质参数相关的裂缝储层地震物理模型,并对其进行地震采集得到三维地震数据,经常规的叠前、叠后处理,得到综合裂隙模型的三维纵波地震数据。处理结果对于研究裂缝及裂缝带的地震反射特征、优选裂缝预测的敏感属性等具有重要的指导意义。

关键词： 侏罗系 ; 裂缝 ; 地球物理模型 ; 正演

Abstract

The fracture is the main flow channel and the important reservoir space of the Jurassic tight oil reservoir in central Sichuan Basin,which controls the distribution and the high yield of oil and gas.The fractures of reservoir are mainly divided into the structural fractures formed by the tectonic stress field and the diagenetic fractures produced in the process of reservoir sedimentation and diagenesis.So the study and prediction of fractures is very important for the search of tight oil reservoir.Based on the study of the characteristics and manufacture methods of complex fracture,the authors constructed a fractured reservoir seismic physical model associated with the actual geological parameters,and carried out the study of three-dimensional seismic acquisition of seismic data,the regular pre- and post-stack processing,a 3D P-wave seismic data based on the establishment of a comprehensive crack model.The results have important guiding significance for the study of the seismic reflection characteristics of the fracture and the fracture zone and the investigation of sensitive properties of the optimal fracture prediction.

Keywords： Jurassic ; fracture ; geophysical model ; forward

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张福宏, 黄平, 黄开伟, 关旭, 邹定永, 梁瀚. 复杂裂缝地球物理模型制作及地震采集处理研究[J]. 物探与化探, 2018, 42(1): 87-95 https://doi.org/10.11720/wtyht.2018.1.10

ZHANG Fu-Hong, HUANG Ping, HUANG Kai-Wei, GUAN Xu, ZOU Ding-Yong, LIANG Han. The construction of complex fracture geophysical model and the gathering and processing of seismic data[J]. , 2018, 42(1): 87-95 https://doi.org/10.11720/wtyht.2018.1.10

0 引言

为了对裂缝中纵波传播特征进行研究,通常采用正演模拟方法。正演模拟方法可分为数值模拟和物理模拟,数值模拟参数设置简单可变,但是存在裂缝理论模型建立困难以及不易验证等问题,目前学者多采用这种正演手段。地震模型模拟方面存在着制作工艺和人力成本的问题,在国内外开展的研究较少,然而其模拟的结果更为真实有效。笔者在分析总结国内外研究成果基础上,针对四川盆地川中侏罗系致密油裂缝储层地质情况,尤其是大安寨段储层的地质和地震特征,设计制作了一个地震—地质模型和一个抽象简化的缝洞模型。模拟面积共10 km×10 km,深度为2~4 km;通过设计和构建一个裂缝储层地震物理模型,研究裂缝储层的地震物理模拟技术,探讨裂缝储层的地震响应特征,从而开展储层裂缝预测方法研究。

1 复杂裂缝地震物理模型技术

地震物理模型研究方法的基本原理是在实验室内将野外地质形态或地质体按照一定的尺度相似比用相应的材料制作成地质模型,并用超声波测试方法模拟野外地震勘探方法进行数据采集的一种正演技术。它能较真实地观测声波或弹性波在模型介质中的传播规律,从而来推断地震波在地下地质构造中的传播波场特征。在利用地震物理模型进行地震波传播过程模拟和现象分析时主要应考虑:①模型与原型应服从同一自然规律,可以用相同的物理方程来描述;②描述模型与原型的物理量应相似;③模型与原型的空间条件和时间条件应相似。根据波动方程的统一性,考虑波在实际地层介质的传播速度v、旅行时间t、传播距离l等基本参数,可以导出

$\begin{matrix} M_{v} \frac{M_{t}}{M_{l}} = 1, (1) \end{matrix}$

式中,M_v= $\begin{matrix} \frac{v_{m}}{v} \end{matrix}$ ,M_t= $\begin{matrix} \frac{t_{m}}{t} \end{matrix}$ ,M_l= $\begin{matrix} \frac{l_{m}}{l} \end{matrix}$ ,其中v_m,t_m,l_m分别是波在模型介质中的速度参量、旅行时间及传播距离参量,M_v、M_t、M_l分别代表对应的模型参数(v、t、l)与实际原型参数的相似比,又因为M_λ= $\begin{matrix} \frac{λ_{m}}{λ} \end{matrix}$ (λ_m和λ分别为模型和原型中的波长,M_λ为波长相似比),于是式(1)可以写成:

$\begin{matrix} M_{l} / M_{λ} = 1 。 (2) \end{matrix}$

式(1)明确提出了在波动方程成立的前提下对时间、空间和介质物性3方面的要求,并表明在介质物性方面只考虑波速相似即可;式(2)则指明了模型尺度相似比与波长相似比之间的关系。一般情况下,可以根据试验中所要的野外真实地质体的速度来选择模型材料制作的具体情况确定M_l、M_t。

模型制作的材料主要是形态易加工的,有各种树脂、硅橡胶、石蜡、石膏等。其中,速度变化可控的复合材料是最理想的三维地质模型制作材料,速度变化可通过不同的配比来控制。通过对大量不同复合材料和实验声学参数的测试表明,环氧树脂与硅橡胶类之间的复合仍是一种较合适的模型材料。

2 等效裂缝介质弹性参数的基本理论

地震资料中包含了裂缝的信息,地震方法是识别裂缝型储层的重要手段之一,其基础是各向异性理论。然而,因地下裂缝分布的隐蔽性和复杂性,利用地震属性参数和各向异性理论来检测地下裂缝系统特征仍处于探索阶段。

物理模型中裂缝体是在Hudson模型的基础上再等效制作成的。其纵横波速度和各向异性规律与Hudson裂缝理论一致,各向异性参数是由Thomsen理论计算得到。Hudson^[1-2]在一定的条件下,给出了定向排列的裂缝介质的有效弹性模量,为裂隙介质的数值模拟奠定了基础。同时也可以应用到物理模拟的研究中。Thomsen发展了Hudson 的理论,假设各向异性介质中包含孔隙液可以连通的裂隙,这个理论要求液体压力局部平衡。并由此引出了一套Thomsen 各向异性参数,可以方便地表示出纵横波的各向异性差异。

2.1 Hudson裂缝理论

由于裂缝的形状各异,分布也不均匀,精确求解裂缝介质的弹性张量,目前尚无方法。等效介质理论能够简化裂缝引起的地震各向异性分析,至今仍然是研究裂缝介质的主流方法。其中Hudson理论模型被广泛应用。Hudson模型是基于对含有薄硬币形状的椭球缝隙或包含物的弹性固体中的平均波场的散射理论分析而得到的^[1,3],他的理论假设条件比较多。首先,定向排列的稀疏裂缝的尺度要比地震波波长小得多;其次,裂缝不连通,裂缝之间无流体流动,形状为薄的扁球体;最后,裂缝所含气体或者液体等物质的物理模量应该比围体介质小。

在这些假设的基础上,裂缝介质的有效弹性模量C可以表示为:

$\begin{matrix} C = C^{(0)} + b C^{(1)} + b^{2} C^{(2)} 。 (3) \end{matrix}$

其中:C⁽⁰⁾是背景介质的弹性张量,C⁽¹⁾和C⁽²⁾分别是裂缝以及裂缝之间相互作用的一阶和二阶弹性模量。b则是裂缝密度:

$\begin{matrix} b = N \times a^{3} 。 (4) \end{matrix}$

式中,N是单位体积内的裂缝个数,a是裂缝的半径。在物理模型实验中,就是根据Hudson理论进行完成的。

2.2 Thomsen各向异性参数

Thomsen理论对各向异性的发展作出了重要的贡献。理论认为当各向异性在小于20%的时候,这种情况可以定义为弱各向异性,从而使得相应的研究得到简化。为了方便各向异性的研究,Thomsen提出针对弱各向异性VTI介质的参数^[4-5]:

$\begin{matrix} \begin{matrix} α = \sqrt[]{\frac{c_{33}}{ρ}}, β = \sqrt[]{\frac{c_{44}}{ρ}}, ε = \frac{c_{11} - c_{33}}{2 c_{33}}, γ = \frac{c_{66} - c_{44}}{2 c_{44}}, \\ δ = \frac{(c_{13} + c_{44})^{2} - (c_{33} - c_{44})^{2}}{2 c_{33} (c_{33} - c_{44})}, (5) \end{matrix} \end{matrix}$

其中,α和β是沿对称轴传播的纵波和横波速度,ε和γ代表纵波各向异性和横波各向异性差异程度,δ则和波前的椭圆形状有关。对于同性介质ε,γ和δ为0。

此外,纵波各向异性参数ε可以由不同方向上的速度计算得到,横波各向异性参数γ类似:

$\begin{matrix} \begin{matrix} ε \approx \frac{v_{P}^{H} - v_{P}^{V}}{v_{P}^{V}} = \frac{v_{P} (90 °) - v_{P} (0 °)}{v_{P} (0 °)} \\ γ \approx \frac{V_{SH}^{H} - V_{SH}^{V}}{V_{SH}^{V}} = \frac{V_{SH} (90 °) - V_{SV} (90 °)}{V_{SV} (90 °)} \\ = \frac{V_{SH} (90 °) - V_{SH} (0 °)}{V_{SH} (0 °)} 。 (6) \end{matrix} \end{matrix}$

相似的,通过Bond变化将x₃对称轴变到x₁方向,则对于HTI介质,Thomsen参数变为:

$\begin{matrix} ε = \frac{c_{33} - c_{11}}{2 c_{11}}, γ = \frac{c_{44} - c_{66}}{2 c_{66}}, δ = \frac{2 c_{66} + c_{13} - c_{11}}{c_{11}} 。 (7) \end{matrix}$

Hudson裂缝理论和Thomsen各向异性参数都是一种等效理论,这些公式在进行地震物理模拟时可用于对裂隙介质制作的指导。

3 等效裂缝介质的制作和测试方法

地震物理模型技术的最大特点是能较真实地模拟野外实际地质情况。到目前为止,这一技术所遵守的最基本原则主要是波传播的运动学相似性,即波的传播速度,空间尺度和频率的相似性。但裂缝性油气储层模型中主要的模拟对象是各种复杂多变的缝隙,常常成群、成带分布。单个裂缝尺度非常小,通常所说的裂缝指的都是裂缝带。同时裂缝的裂缝开度都是毫米级别的,按照模型相似比无法制作出如此小的裂缝,这使得这种空间尺度的相似性在制模过程中受到挑战^[6]。

采用Hudson等效介质理论设计制作3种不同基质速度的裂隙模块(分别见图1a、1b和1c),3种基质速度代表裂缝填充物不同。基质采用速度变化可控的复合材料,即环氧树脂与硅橡胶之间的复合。通过不同的配比控制速度的变化。设计3种环氧树脂和硅橡胶配比,分别代表的3种基质纵波速度分别为2 348、2 125、1 817 m/s,密度分别是1.147、1.127、1.102 g/cm³。用纸质中的纤维模拟微小裂隙,按一层复合材料一层纸质纤维的方式叠合在一起,制作成裂隙片,然后切割成需要的裂隙块,如图1所示。

裂隙编号	环氧树脂与硅橡胶配比	纸纤维张数	裂缝密度 (张/mm)	x/mm	y/mm	z/mm	ρ/(g/cm³)
样块1	1:0.15	320	9.203	47.81	34.77	25.38	1.156
样块2	1:0.30	320	9.598	47.55	33.34	29.61	1.126
样块3	1:0.45	320	9.744	32.84	30.67	32.84	1.095

项目	方案
观测系统	14L×8S×240R
面元尺寸	25 m×25 m
覆盖次数	10×7=70次
接收道数	3 360道
道距	50 m
炮距	50 m
接收线距	400 m
炮线距	600 m
纵向最大炮检距	6 150 m-200-50-200-6 150 m
最小非纵距	25 m
最大非纵距	2 775 m
最大炮检距	6 747 m
束线滚动距离	400 m
横纵	0.56

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复杂裂缝地球物理模型制作及地震采集处理研究

The construction of complex fracture geophysical model and the gathering and processing of seismic data

0 引言

1 复杂裂缝地震物理模型技术

2 等效裂缝介质弹性参数的基本理论

2.1 Hudson裂缝理论

2.2 Thomsen各向异性参数

3 等效裂缝介质的制作和测试方法

4 裂缝地球物理模型设计及制作

5 模型三维地震采集及处理

6 裂缝地震响应特征

7 结论

参考文献 文献选项 原文顺序 文献年度倒序 文中引用次数倒序 被引期刊影响因子

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子