基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法及系统

摘要

公开了一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法及系统。该方法可以包括：根据岩石矿物以及骨架孔隙流体的体积模量与剪切模量，计算岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量；计算孔隙流体的频变体积模量；根据孔隙流体的频变体积模量、岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量，计算岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量；根据岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量，计算地震波速与衰减因子。本发明利用油气的高频衰减、低频增强的特性，同时体现地震频段和超声频段的衰减信息，提高预测的准确性，对全频带范围内弹性波的速度频散和衰减原因给出了更全面的解释。

说明书

技术领域

本发明涉及石油勘探开发领域，更具体地，涉及一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法及系统。

背景技术

想要研究地震波频散和衰减，首先要理解地震波的衰减机制，目前已经形成几种比较成熟的衰减机制。

地震波在地下储层中传播时，孔隙流体通常会发生喷射流(也称为局部流)，学者们认为这是造成地震波速度频散的主要因素，Mavko-Jizba(1974)提出了喷射流(SquirtFlow)模型。地震波的传播会使岩石孔隙中产生孔隙压力梯度，岩石中不同孔隙的可压缩能力不同。当地震波在饱和流体多孔介质中传播时，软孔中的孔隙流体会流向硬孔；当地震波在饱和部分气体多孔介质中传播时，孔隙流体压力的存在会使压缩能力较差的流体流向压缩能力较强的气体，这两种流动即喷射流；由于该模型仅适用于高频条件，Gurevich(2009)针对该局限对模型进行了优化，建立了可以适用于饱和气体岩石孔隙可以，流体和干岩石的高频极限喷射流模型。该模型仅体现了岩石骨架饱和流体造成的在超声频段地震波速度频散和能量的衰减现象。

White(1975a)等首次建立了周期性球状斑块饱和模型。该模型假设每一个单元立方体内流体均呈水包气斑块状分布，其所受应力均匀分布。White(1975b)等在球状斑块饱和模型基础上建立了周期层状斑块饱和模型，White模型仅在饱和两种不同流体地层界面之间流体压不连续的条件下适用，Dutta(1979)在Biot理论基础上对White球状斑块饱和模型重新进行求解使其适用于不同流体饱和地层界面处流体压力连续的情况；Johnson D L(2001)对模型做了进一步优化，使得该模型适用于各种斑块形状，Müller T M(2009)对物性参数和地震波速以及衰减因子之间的关系进行了研究。该模型仅体现了岩石内斑块饱和流体相互流动造成的在地震频段地震波的速度频散与能力衰减现象。

在实际测量中，速度频散和能量衰减现象存在于整个频带范围内，以上两种模型仅能够展示单一频带内的频散和衰减现象，而对于整个地震频带范围内的频散和衰减现象不能很好的同时体现，导致模拟结果与实际结果存在较大差异。因此，有必要开发一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法及系统。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法及系统，其利用油气的高频衰减、低频增强的特性，同时体现地震频段和超声频段的衰减信息，提高预测的准确性，对全频带范围内弹性波的速度频散和衰减原因给出了更全面的解释。

根据本发明的一方面，提出了一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法。所述方法可以包括：根据岩石矿物以及骨架孔隙流体的体积模量与剪切模量，计算岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量；计算孔隙流体的频变体积模量；根据所述孔隙流体的频变体积模量、所述岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量，计算岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量；根据所述岩石有效体积模量与所述岩石有效剪切模量，计算地震波速与衰减因子。

优选地，通过公式(1)计算所述岩石频变湿骨架的体积模量：

通过公式(2)计算所述岩石频变湿骨架的剪切模量：

其中，K

优选地，通过公式(3)计算所述孔隙流体的频变体积模量：

其中，

优选地，通过公式(4)计算所述岩石有效体积模量：

K(ω)＝K

通过公式(5)计算所述岩石有效剪切模量：

μ(ω)＝μ

其中，K(ω)为岩石有效体积模量，μ(ω)为岩石有效剪切模量，α(ω)与D(ω)均为计算参数，

优选地，通过公式(6)计算所述地震波速：

通过公式(7)计算所述衰减因子：

其中，Vp(ω)为地震波速，1/Q为衰减因子，ρ

根据本发明的另一方面，提出了一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：根据岩石矿物以及骨架孔隙流体的体积模量与剪切模量，计算岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量；计算孔隙流体的频变体积模量；根据所述孔隙流体的频变体积模量、所述岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量，计算岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量；根据所述岩石有效体积模量与所述岩石有效剪切模量，计算地震波速与衰减因子。

优选地，通过公式(1)计算所述岩石频变湿骨架的体积模量：

通过公式(2)计算所述岩石频变湿骨架的剪切模量：

其中，K

优选地，通过公式(3)计算所述孔隙流体的频变体积模量：

其中，

优选地，通过公式(4)计算所述岩石有效体积模量：

K(ω)＝K

通过公式(5)计算所述岩石有效剪切模量：

μ(ω)＝μ

其中，K(ω)为岩石有效体积模量，μ(ω)为岩石有效剪切模量，α(ω)与D(ω)均为计算参数，

优选地，通过公式(6)计算所述地震波速：

通过公式(7)计算所述衰减因子：

其中，Vp(ω)为地震波速，1/Q为衰减因子，ρ

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法的步骤的流程图。

图2a和图2b分别示出了根据喷射流模型计算的衰减因子随频率的变化趋势与速度随频率的变化趋势的示意图。

图3a和图3b分别示出了根据斑块饱和模型计算的衰减因子随频率的变化趋势与速度随频率的变化趋势的示意图。

图4a和图4b分别示出了根据本发明的双尺度模型计算的衰减因子随频率的变化趋势与速度随频率的变化趋势的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明的基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法的步骤的流程图。

在该实施例中，根据本发明的基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法可以包括：步骤101，根据岩石矿物以及骨架孔隙流体的体积模量与剪切模量，计算岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量；步骤102，计算孔隙流体的频变体积模量；步骤103，根据孔隙流体的频变体积模量、岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量，计算岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量；步骤104，根据岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量，计算地震波速与衰减因子。

在一个示例中，通过公式(1)计算岩石频变湿骨架的体积模量：

通过公式(2)计算岩石频变湿骨架的剪切模量：

其中，K

在一个示例中，通过公式(3)计算孔隙流体的频变体积模量：

其中，

在一个示例中，通过公式(4)计算岩石有效体积模量：

K(ω)＝K

通过公式(5)计算岩石有效剪切模量：

μ(ω)＝μ

其中，K(ω)为岩石有效体积模量，μ(ω)为岩石有效剪切模量，α(ω)与D(ω)均为计算参数，

在一个示例中，通过公式(6)计算地震波速：

通过公式(7)计算衰减因子：

其中，Vp(ω)为地震波速，1/Q为衰减因子，ρ

具体地，饱和流体的多孔介质中，存在流体相对流动和喷射流动两种不同的流动方式，分别对应不同的尺度和频带范围。在地震频带范围内，造成地震波速度频散和能量衰减的主要原因是岩石基质与孔隙之间分布着饱和两种不同流体(水、空气)的斑块，而不同流体之间会发生相对流动，该机制为斑块饱和模型，属于介观尺度；在超声波频率范围内，造成地震波速度频散和能量衰减的主要原因是岩石骨架中存在的软孔隙流体发生喷射流动，即喷射流模型，属于微观尺度。

事实上，当地震波在岩石中传播时，这两种衰减机制都是存在的，而上述两种模型都仅考虑了单一频带内的衰减机制，即仅用单独的Squirt或斑块饱和模型都无法全面的分析地震波的速度频散现象和能量衰减现象。因此通过建立双尺度模型可以对地震波在全频带的速度频散和能量衰减现象进行更全面的分析。

根据本发明的基于双尺度模型地震波频散与衰减预测方法可以包括：

根据岩石矿物以及骨架孔隙流体的体积模量与剪切模量，采用频变Squirt模型，通过公式(1)计算岩石频变湿骨架的体积模量，通过公式(2)计算岩石频变湿骨架的剪切模量，其中，岩石基质矿物为石英，骨架孔隙流体为水。

通过公式(3)计算孔隙流体的频变体积模量；将孔隙流体的频变体积模量、岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量代入全频带White层状斑块模型，通过公式(4)计算岩石有效体积模量，通过公式(5)计算岩石有效剪切模量。

根据岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量，通过公式(6)计算地震波速，进而通过公式(7)计算衰减因子。

根据图像可以观察地震波速度随频率发生改变，即为地震波频散现象；衰减因子随频率发生变化，且存在极值点，该处频率即为衰减程度最大的频率

本方法利用油气的高频衰减、低频增强的特性，同时体现地震频段和超声频段的衰减信息，提高预测的准确性，对全频带范围内弹性波的速度频散和衰减原因给出了更全面的解释。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

本发明通过对比部分饱和(水、空气)枫丹白露砂岩岩芯的实验测量结果与模型计算结果来说明：

岩样为水气部分饱和枫丹白露纯砂岩，通过DAS设施测量岩样在不同频率下(1-2000Hz)的应力应变，并根据岩石物理公式转换为不同频率下地震波速和衰减因子，实测数据如图2a-b、3a-b、4a-b中黑色圆点所示。

根据岩样矿物成分的物性参数及岩样的孔隙度、渗透率等参数，具体如表1所示。

表1

图2a和图2b分别示出了根据喷射流模型计算的衰减因子随频率的变化趋势与速度随频率的变化趋势的示意图。模型仅体现超声频段的衰减信息，且衰减因子数值明显大于实测数据，地震波速在低频极限及高频段与实测数据吻合。

图3a和图3b分别示出了根据斑块饱和模型计算的衰减因子随频率的变化趋势与速度随频率的变化趋势的示意图。该模型仅体现地震频段的衰减信息，数据吻合度高，地震波速在低频段与实测数据吻合，但高频段远小于实测数据。

图4a和图4b分别示出了根据本发明的双尺度模型计算的衰减因子随频率的变化趋势与速度随频率的变化趋势的示意图。该模型可同时体现地震频段和超声频段的衰减信息，地震波速在地震频段和超声频段范围内都能很好的和实测数据吻合。

综上所述，本发明利用油气的高频衰减、低频增强的特性，同时体现地震频段和超声频段的衰减信息，提高预测的准确性，对全频带范围内弹性波的速度频散和衰减原因给出了更全面的解释。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

根据本发明的实施例，提供了一种基于双尺度模型地震波频散与衰减预测系统，其特征在于，该系统包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：根据岩石矿物以及骨架孔隙流体的体积模量与剪切模量，计算岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量；计算孔隙流体的频变体积模量；根据孔隙流体的频变体积模量、岩石频变湿骨架的体积模量与剪切模量，计算岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量；根据岩石有效体积模量与岩石有效剪切模量，计算地震波速与衰减因子。

在一个示例中，通过公式(1)计算岩石频变湿骨架的体积模量：

通过公式(2)计算岩石频变湿骨架的剪切模量：

其中，K

在一个示例中，通过公式(3)计算孔隙流体的频变体积模量：

其中，

在一个示例中，通过公式(4)计算岩石有效体积模量：

K(ω)＝K

通过公式(5)计算岩石有效剪切模量：

μ(ω)＝μ

其中，K(ω)为岩石有效体积模量，μ(ω)为岩石有效剪切模量，α(ω)与D(ω)均为计算参数，

在一个示例中，通过公式(6)计算地震波速：

通过公式(7)计算衰减因子：

其中，Vp(ω)为地震波速，1/Q为衰减因子，ρ

本系统利用油气的高频衰减、低频增强的特性，同时体现地震频段和超声频段的衰减信息，提高预测的准确性，对全频带范围内弹性波的速度频散和衰减原因给出了更全面的解释。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。