CN107167844B - 一种砂泥岩薄互层流体替换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂泥岩薄互层流体替换方法，它解决了现有技术中流体替换方法误差较大的不足，仅改变砂泥岩薄互层中砂层的流体类型，不改变砂泥岩薄互层中泥层的流体类型；并且既不需要已知砂泥岩薄互层中砂层和泥层所占的比例，也不需要对砂泥岩薄互层进行“升降尺度”处理，其技术方案为：根据已知砂泥岩薄互层的参数，利用砂泥岩薄互层流体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩薄互层中纯净砂岩层流体替换后纵波柔度的改变量成正比的关系模型，计算砂泥岩薄互层流体替换后的弹性特征。

Description

一种砂泥岩薄互层流体替换方法

技术领域

本发明涉及油气资源勘探技术领域，尤其涉及一种砂泥岩薄互层流体替换方法。

背景技术

流体替换是一种非常重要的岩石物理方法，通常用来定量预测将岩石孔隙中的流体类型 替换为另一种流体类型之后的岩石弹性特征差异，包括纵波速度、横波速度、密度以及各种 弹性模量等。利用这些岩石弹性特征差异可以校正泥浆侵入的测井曲线、分析流体类型对地 震振幅随偏移距变化(Amplitude variation with offset，AVO)的影响以及模拟四维地震(4D Seismic)的地震响应特征差异。

流体替换最常用的工具就是Gassmann方程。而Gassmann方程通常假设岩石为单一矿物 均匀多孔介质，这样才能保证弹性波在岩石传播过程中引起的孔隙压力可以在整个孔隙空间 得到充分均衡。而当Gassmann方程应用于砂泥岩薄互层时，这些假设条件就不能满足，会 导致错误的结果。这是因为砂泥岩薄互层中的泥岩会通过以下几种方法影响Gassmann方程 的应用效果：(1)由于泥岩或者泥质砂岩中泥质部分的低孔隙度和低渗透性，会阻止弹性波 在岩石传播过程中引起的孔隙压力无法得到均衡，(2)泥质砂岩中泥质部分违反了Gassmann 方程的单一矿物组成的假设(3)理想情况下的砂泥岩薄互层流体替换是只对薄互层中的砂岩 部分进行流体替换，而泥岩不进行流体替换，而现有的观测方法(包括地震、测井、VSP等) 分辨率无法达到区分砂泥岩薄互层的砂岩和泥岩部分。

针对泥质砂岩储层的流体替换方法有很多，例如：利用经验公式对Gassmann方程中的 干燥岩石骨架的弹性模量进行修正的方法；将岩石孔隙中充填的泥质作为岩石基质的一部分， 利用Voigt-Reuss-Hill平均方法计算岩石基质弹性模量，同时利用有效孔隙度用来代替总孔隙 度的方法。然而这些方法都不是砂泥岩薄互层提出的。一般砂泥岩薄互层的厚度在地震分辨 率以下，因此测量得到弹性特征都是多个砂层和泥层的平均值。如果直接应用Gassmann方 程进行流体替换，而不考虑砂泥岩薄互层薄互层的非均质性，就会出现误差。

常规的砂泥岩薄互层流体替换方法就是首先利用逆Backus平均对砂泥岩薄互层进行“降 尺度”，分别得到各个砂层和泥层的特征(孔隙度、等效弹性模量)，然后应用Gassmann方程 仅对各个砂层进行流体替换，最后再利用Backus平均方法对砂泥岩薄互层进行“降尺度”，即 对所有的砂层和泥层进行Backus平均，得到整个薄互层的弹性特征。当砂泥岩薄互层中砂层 和泥层的比例已知的情况下，这种“升降尺度”的方法是比较理想的。然而实际过程中，砂 泥岩薄互层中砂层和泥层的比例很难确定，因此可能导致较大的误差，特别是砂层的比例很 小的时候。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种砂泥岩薄互层流体替换方法，该方法仅仅 改变砂泥岩薄互层中砂层的流体类型，不改变砂泥岩薄互层中泥层的流体类型；并且既不需 要已知砂泥岩薄互层中砂层和泥层所占的比例，也不需要对砂泥岩薄互层进行“升降尺度”处 理。

本发明采用下述技术方案：

一种砂泥岩薄互层流体替换方法，根据已知砂泥岩薄互层的参数，利用砂泥岩薄互层流 体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩薄互层中纯净砂岩层流体替换后纵波柔度的改变量成正 比的关系模型，计算砂泥岩薄互层流体替换后的弹性特征。

步骤1：收集砂泥岩薄互层的纵波速度、密度、有效孔隙度和饱和度；

步骤2：根据砂泥岩薄互层的纵波速度V_Psat1和密度ρ_sat1计算含有原始流体类型1的砂泥岩 薄互层的纵波模量M_sat1和纵波柔度C_sat1；

步骤3：根据纯净砂岩层的孔隙度φ_sand和含有原始流体类型1的纯净砂岩层的纵波速度 V_Psand1和密度ρ_sand1，计算含有原始流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand1和纵波柔度C_sand1；

步骤4：根据岩石物理经验值选取砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的体积模量K_sand0和剪切模量μ_sand0计算砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的纵波模量M_sand0；

步骤5：根据原始孔隙流体类型1的饱和度、孔隙流体组成成分的体积模量计算孔隙流体 类型1的体积模量K_f1和密度ρ_f1；

步骤6：利用替换后的孔隙流体类型2的饱和度、孔隙流体组成成分的体积模量计算孔隙 流体类型2的体积模量K_f2和密度ρ_f2；

步骤7：利用Gassmann方程计算原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄 互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand2和纵波柔度C_sand2；

步骤8：根据砂泥岩薄互层的有效孔隙度φ_eff计算砂泥岩薄互层含有的原始孔隙流体类型1 被孔隙流体类型2替换后的纵波柔度C_sat2和纵波模量M_sat2；计算砂泥岩薄互层含有的原始孔隙 流体类型1被孔隙流体类型2替换后的密度ρ_sat2和纵波速度V_Psat2。

进一步的，所述的步骤2中，假定砂泥岩薄互层原始流体类型1被流体类型2替换，其 相应参量下标分别以1、2加以区别；

进一步的，所述的步骤3中，假定砂泥岩薄互层中纯净砂岩层原始流体类型1被流体类 型2替换，其相应参量下标分别以1、2加以区别；选取砂泥岩薄互层中纯净砂岩层确定纯净 砂岩层的孔隙度φ_sand；

进一步的，所述的步骤4中，砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的纵波模量M_sand0：

进一步的，所述的步骤5中，孔隙流体类型1的体积模量K_f1和密度ρ_f1分别为：

ρ_f1＝ρ_hydro·(1-S_w1)+ρ_water·S_w1 (7)

式中，K_hydro和K_water分别为碳氢化合物(油或气)、水的体积模量，ρ_hydro和ρ_water分别为 碳氢化合物(油或气)、水的密度，S_w1为孔隙流体类型1的含水饱和度，1-S_w1为孔隙流体类型1的含碳氢化合物(油或气)饱和度。

进一步的，所述的步骤6中，假定原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换，孔隙流 体类型2的体积模量K_f2和密度ρ_f2分别为：

ρ_f2＝ρ_hydro·(1-S_w2)+ρ_water·S_w2 (9)

式中，S_w2为为替换后的孔隙流体类型2的含水饱和度，1-S_w2为替换后的孔隙流体类型 2的含碳氢化合物(油或气)饱和度。

进一步的，所述的步骤7中，原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄 互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand2和纵波柔度C_sand2分别为：

进一步的，所述的步骤8中，利用砂泥岩薄互层流体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩 薄互层中纯净砂岩层流体替换后纵波柔度的改变量成正比的关系模型，原始孔隙流体类型1 被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的纵波柔度C_sat2和纵波模量M_sat2分别为：

砂泥岩薄互层含有的原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的密度ρ_sat2和纵波速 度V_Psat2分别为：

ρ_sat2＝ρ_sat1+φ_eff·(ρ_f2-ρ_f1) (14)

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用砂泥岩薄互层流体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩薄互层中纯净砂岩 层流体替换后纵波柔度的改变量成正比的关系模型，计算砂泥岩薄互层流体替换后的弹性特 征，具有普遍适用性，避免了常规的方法需要已知砂泥岩薄互层中砂层和泥层所占的比例的 缺陷；

(2)本发明提出的砂泥岩薄互层流体替换方法，直接对观测尺度的数据进行流体替换， 不需要对数据进行“升降尺度”处理，简单易用，弥补了常规方法在砂岩层所占比例很小的 情况下会出现很大的误差的不足。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实 施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为砂泥岩薄互层流体替换的流程图；

图2为某油田含气砂泥岩薄互层的测井曲线；

图3为含有原始流体类型1的砂泥岩薄互层的纵波模量和纵波柔度；

图4为含有原始流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量和纵波柔度、纯净 砂岩层岩石基质的纵波模量；

图5为孔隙流体类型1的体积模量和密度；

图6为替换后的孔隙流体类型2的体积模量和密度；

图7为原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵 波模量和纵波柔度；

图8为原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的纵波柔度和纵波模 量；

图9为原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的密度和纵波速度。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的 相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其 指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在常规替换方法误差较大的不足，为了解决如上 的技术问题，本申请提出了一种砂泥岩薄互层流体替换方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种砂泥岩薄互层流体替换方法， 根据已知砂泥岩薄互层的参数，利用砂泥岩薄互层流体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩薄 互层中纯净砂岩层流体替换后纵波柔度的改变量成正比的关系模型，计算砂泥岩薄互层流体 替换后的弹性特征。

步骤1：收集砂泥岩薄互层的纵波速度、密度、有效孔隙度和饱和度；

步骤2：根据砂泥岩薄互层的纵波速度V_Psat1和密度ρ_sat1计算含有原始流体类型1的砂泥岩 薄互层的纵波模量M_sat1和纵波柔度C_sat1；

假定砂泥岩薄互层原始流体类型1被流体类型2替换，其相应参量下标分别以1、2加以 区别；

步骤3：根据纯净砂岩层的孔隙度φ_sand和含有原始流体类型1的纯净砂岩层的纵波速度 V_Psand1和密度ρ_sand1，计算含有原始流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand1和纵波柔度C_sand1；

假定砂泥岩薄互层中纯净砂岩层原始流体类型1被流体类型2替换，其相应参量下标分 别以1、2加以区别；选取砂泥岩薄互层中纯净砂岩层确定纯净砂岩层的孔隙度φ_sand；

步骤4：根据岩石物理经验值选取砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的体积模量K_sand0和剪切模量μ_sand0计算砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的纵波模量M_sand0；

砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的纵波模量M_sand0为：

步骤5：根据原始孔隙流体类型1的饱和度、孔隙流体组成成分的体积模量计算孔隙流体 类型1的体积模量K_f1和密度ρ_f1；

孔隙流体类型1的体积模量K_f1和密度ρ_f1分别为：

ρ_f1＝ρ_hydro·(1-S_w1)+ρ_water·S_w1 (7)

式中，K_hydro和K_water分别为碳氢化合物(油或气)、水的体积模量，ρ_hydro和ρ_water分别为 碳氢化合物(油或气)、水的密度，S_w1为孔隙流体类型1的含水饱和度，1-S_w1为孔隙流体类 型1的含碳氢化合物(油或气)饱和度。

步骤6：利用替换后的孔隙流体类型2的饱和度、孔隙流体组成成分的体积模量计算孔隙 流体类型2的体积模量K_f2和密度ρ_f2；

假定原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换，孔隙流体类型2的体积模量K_f2和密度 ρ_f2分别为：

ρ_f2＝ρ_hydro·(1-S_w2)+ρ_water·S_w2 (9)

式中，S_w2为为替换后的孔隙流体类型2的含水饱和度，1-S_w2为替换后的孔隙流体类型2 的含碳氢化合物(油或气)饱和度。

步骤7：利用Gassmann方程计算原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄 互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand2和纵波柔度C_sand2；

原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量 M_sand2和纵波柔度C_sand2分别为：

步骤8：利用砂泥岩薄互层流体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩薄互层中纯净砂岩层流 体替换后纵波柔度的改变量成正比的关系模型，根据砂泥岩薄互层的有效孔隙度φ_eff计算砂泥 岩薄互层含有的原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的纵波柔度C_sat2和纵波模量 M_sat2；计算砂泥岩薄互层含有的原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的密度ρ_sat2和纵 波速度V_Psat2。

原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的纵波柔度C_sat2和纵波模量 M_sat2分别为：

砂泥岩薄互层含有的原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的密度ρ_sat2和纵波速 度V_Psat2分别为：

ρ_sat2＝ρ_sat1+φ_eff·(ρ_f2-ρ_f1) (14)

某油田含气砂泥岩薄互层的测井曲线如图2所示，包括泥质含量、有效孔隙度、原始孔 隙流体类型1含水饱和度、孔隙流体类型1含水饱和度砂泥岩薄互层的密度、纵波速度等， 这些数据为实施步骤1的输入数据。

含有原始流体类型1的砂泥岩薄互层饱和岩石的纵波模量和纵波柔度如图3所示，它们 是由砂泥岩薄互层的纵波速度和密度根据步骤2中的式(1)和(2)计算得到。

含有原始流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量和纵波柔度、纯净砂岩层 岩石基质的纵波模量如图4所示，它们是由含有原始流体类型1的纯净砂岩层的纵波速度和 密度根据步骤3中的式(3)和(4)、步骤4中的式(5)计算得到。这里纯净砂岩层的孔隙 度、纵波速度和密度分别取0.13，3340m/s和2.43g/cm³，纯净砂岩层岩石基质的体积模量和 剪切模量分别取36GPa和45GPa。

孔隙流体类型1的体积模量和密度如图5所示，它们是由原始孔隙流体类型1的饱和度、 孔隙流体组成成分的体积模量等根据步骤5中的式(6)和(7)计算得到，这里孔隙流体组 成成分为水和气，孔隙流体类型1的含水饱和度即为图2中的含水饱和度，水的体积模量和 密度分别取2.29GPa和1.0g/cm³，气的体积模量和密度分别取0.0208GPa和0.00001g/cm³。

替换后的孔隙流体类型2的体积模量和密度如图6所示，它们是由孔隙流体类型2的饱 和度、孔隙流体组成成分的体积模量等根据步骤6中的式(8)和(9)计算得到，这里孔隙 流体组成成分为水，孔隙流体类型2的含水饱和度即为100％，水的体积模量和密度分别取 2.29GPa和1.0g/cm³。

原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量 和纵波柔度如图7所示，它们是由原始孔隙流体类型1的体积模量、替换后的孔隙流体类型 2的体积模量、含原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量、纯净砂岩 层岩石基质纵波模量等根据计算步骤7中的式(10)和(11)得到。

原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的纵波柔度和纵波模量如图 8所示，它们是由原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换前后的砂泥岩薄互层中纯净砂 岩层的纵波模量和纵波柔度、纯净砂岩层孔隙度、砂泥岩薄互层的有效孔隙度等利用新发明 的砂泥岩薄互层流体替换后的纵波柔度改变量与砂泥岩薄互层中纯净砂岩层流体替换后的纵 波柔度改变量成正比的关系模型，根据步骤8中(12)和(13)计算得到。

原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的密度和纵波速度如图9所 示，它们是由原始孔隙流体类型1的密度、孔隙流体类型2的密度、含孔隙流体类型1砂泥 岩薄互层的密度、含孔隙流体类型2砂泥岩薄互层的纵波模量等根据步骤8中(14)和(15) 计算得到。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员 来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，根据已知砂泥岩薄互层的参数，利用砂泥岩薄互层流体替换后纵波柔度的改变量与砂泥岩薄互层中纯净砂岩层流体替换后纵波柔度的改变量成正比的关系模型，计算砂泥岩薄互层流体替换后的弹性特征；

包括以下步骤：

步骤1：根据已知砂泥岩薄互层的纵波速度V_Psat1和密度ρ_sat1，计算含有原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层的纵波模量M_sat1和纵波柔度C_sat1；

步骤2：根据纯净砂岩层的孔隙度φ_sand和含有原始孔隙流体类型1的纯净砂岩层的纵波速度V_Psand1和密度ρ_sand1，计算含有原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand1和纵波柔度C_sand1；

步骤3：利用Gassmann方程计算原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand2和纵波柔度C_sand2；

步骤4：利用所述的关系模型，根据砂泥岩薄互层的有效孔隙度φ_eff，计算原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的纵波柔度C_sat2、纵波模量M_sat2、纵波速度V_Psat2和密度ρ_sat2；

原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后砂泥岩薄互层的纵波柔度C_sat2和纵波模量M_sat2分别为：

砂泥岩薄互层含有的原始孔隙流体类型1被孔隙流体类型2替换后的密度ρ_sat2和纵波速度V_Psat2分别为：

ρ_sat2＝ρ_sat1+φ_eff·(ρ_f2-ρ_f1)

ρ_f1为原始孔隙流体类型1的密度，ρ_f2为孔隙流体类型2的密度。

2.根据权利要求1所述的一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，所述的步骤1中原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层的纵波模量M_sat1为砂泥岩薄互层密度ρ_sat1与其纵波速度V_Psat1平方的乘积；原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层的纵波柔度C_sat1为其纵波模量M_sat1的倒数。

3.根据权利要求1所述的一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，所述的步骤2中原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波模量M_sand1为含有原始孔隙流体类型1的纯净砂岩层的密度ρ_sand1与其纵波速度V_Psand1平方的乘积；含有原始孔隙流体类型1的砂泥岩薄互层中纯净砂岩层的纵波柔度C_sand1为其纵波模量M_sand1的倒数。

4.根据权利要求1所述的一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，还包括：选取砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的体积模量K_sand0和剪切模量μ_sand0，计算砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的纵波模量M_sand0。

5.根据权利要求4所述的一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，砂泥岩薄互层中纯净砂岩层岩石基质的纵波模量M_sand0为其体积模量K_sand0与4/3倍剪切模量μ_sand0之和。

6.根据权利要求1所述的一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，所述的步骤2中还包括：根据原始孔隙流体类型1的饱和度、孔隙流体组成成分的体积模量，计算孔隙流体类型1的体积模量K_f1和密度ρ_f1。

7.根据权利要求1所述的一种砂泥岩薄互层流体替换方法，其特征在于，所述的步骤3中利用替换后的孔隙流体类型2的饱和度、孔隙流体组成成分的体积模量，计算孔隙流体类型2的体积模量K_f2和密度ρ_f2。