基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法

摘要

本发明属于应用地球物理测井领域，涉及一种基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法，考虑了多个尺度的衰减机制，构建多尺度岩石物理模型；根据工区测井资料，计算固体相的体积模量和剪切模量，将固体相的体积模量和剪切模量代入多尺度岩石物理模型中，得到工区储层的纵波速度和衰减系数，与声波测井计算得出的纵波速度和衰减系数比较，确定工区储层的水合物饱和度。本发明构建的多尺度岩石物理模型能够精细刻画含水合物沉积物的纵波速度和衰减特性，计算的速度和衰减精确，并基于声学参数和多尺度岩石物理模型计算饱和度，为含水合物沉积物的饱和度定量解释提供了理论依据。

说明书

技术领域

本发明属于应用地球物理测井领域，具体地，涉及一种基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法。

背景技术

自然界中的天然气水合物广泛存在于永久冻土带和陆缘外围的海底沉积物中。因为天然气水合物具有分布广，资源量巨大，密度高等特点，自20世纪60年底至今一直受到许多国家广泛关注，被誉清洁、高效、储量丰富的新型潜在能源。在目前的水合物储层测井解释评价中，弹性波岩石物理模型具有重要地位。但是，当前现有的弹性波岩石物理模型无法精确描述实际水合物储层的衰减机制，影响了水合物饱和度的计算，给含水合物沉积物的地球物理定量分析带来了巨大的挑战。

波动诱导流体流动(以下简称：WIFF)是含水合物沉积物中弹性波频散和衰减的主要原因，介观和微观不均匀性是引起WIFF的主要机制。在含水合物沉积物中，介观和微观非均匀性同时存在，并可导致纵波速度的明显转变，这就意味着有必要同时考虑这两种机制对频散和衰减的影响。尽管现有模型(例如：BISQ模型)在模拟含水合物沉积物的速度和衰减特征方面取得了一定的应用效果，但这些模型还不能同时描述微观、介观和宏观三个尺度的衰减机制，导致无法精确刻画含水合物沉积物的纵波速度和衰减特性，严重影响了井中水合物饱和度的计算。

发明内容

本发明针对现有技术不能精确描述含水合物沉积物的纵波速度和衰减问题，提供了一种基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法，该方法构建了描述实际天然气水合物储层的纵波速度和衰减多尺度岩石物理模型，形成了对应的建模方法，并在此基础上基于声学参数计算饱和度。该方法构建的多尺度岩石物理模型能够精确地描述不同赋存形态的含水合物沉积物的纵波速度和衰减特性，为含水合物沉积物的饱和度定量解释提供了理论依据。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法，其步骤为：

S1、建立多尺度岩石物理模型，其具体步骤为：

S11、将喷射流模型加入到Kuster-

S12、将孔隙水和甲烷气体的体积模量以及步骤S11得到的水合物的等效体积模量代入wood公式，得到第一流体相的体积模量表示为：

式中，K

将孔隙水和甲烷气体的体积模量代入wood公式，得到第二流体相的体积模量表示为：

将石英颗粒的体积模量和剪切模量以及步骤S11得到的水合物的等效体积模量和等效剪切模量代入Hill平均方程，得到固体相的体积模量和剪切模量表示为：

式中，K为固体相的体积模量，G为固体相的剪切模量；K

S13、将步骤S11得到的水合物的等效体积模量和等效剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到颗粒涂层水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将步骤S12得到的固体相的体积模量和剪切模量代入Hashin-Shtrikman模型，得到颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入Hashin-Shtrikman模型中，得到孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；

S14、联合步骤S12中得到的流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13中得到的干岩石骨架的体积模量和剪切模量，根据Biot-Rayleigh理论模型，得到接触胶结水合物、颗粒涂层水合物、颗粒支撑水合物、孔隙填充水合物四种不同赋存形态的含水合物沉积物的纵波波速和衰减系数，即多尺度岩石物理模型；

S2、根据工区目标层位的自然伽马测井、孔隙度测井和岩性密度测井数据资料得到岩石成分的体积分数，根据Hill平均方程计算得到固体相的体积模量和剪切模量，根据工区的电阻率测井数据资料，得到水合物的饱和度，然后将固体相的模量与水合物的饱和度代入到S1步骤中构建的多尺度岩石物理模型，最后得到工区储层的纵波速度和衰减系数，与实测声波测井得出的纵波速度和衰减系数比较，更新水合物饱和度，直到预测和测量的纵波速度和衰减在设定的误差范围之内，得到预测的工区储层的水合物饱和度。

优选的，步骤S11中，所述喷射流模型表示为：

K′

G′

式中，K′

将喷射流模型加入到Kuster-

式中，

优选的，步骤S13中，所述胶结砂岩模型表示为：

式中，K

当孔隙度小于临界孔隙度时，所述Hashin-Shtrikman模型表示为：

当孔隙度大于等于临界孔隙度时，所述Hashin-Shtrikman模型表示为：

/>

式中，φ是孔隙度；φ

优选的，步骤S14中：

将步骤S12得到的第二流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到接触胶结水合物沉积物的纵波波速和衰减系数；

将步骤S12得到的第二流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的颗粒涂层水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到颗粒涂层水合物沉积物的纵波波速和衰减系数；

将步骤S12得到的第二流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到颗粒支撑水合物沉积物的纵波波速和衰减系数；

将步骤S12得到的第一流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到孔隙填充水合物沉积物的纵波波速和衰减系数。

优选的，所述Biot-Rayleigh双孔理论模型的波动方程为：

式中，N、A、Q

根据平面波分析法求解上式，带入平面纵波的解析解，得到：

其中，k表示接触胶结水合物或颗粒涂层水合物或颗粒支撑水合物或孔隙填充水合物的波数；a

则速度和衰减的计算公式表示为：

其中，Q

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法，基于喷射流模型根据Kuster-

(2)本发明提供的基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法考虑了四种不同的水合物赋存形态，与实际含水合物沉积物储层赋存形态一致，能够精确描述不同赋存形态的含水合物沉积物的纵波速度和衰减系数，为含水合物沉积物的定量解释评价提供了理论依据。

(3)本发明提供的基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法构建的多尺度岩石物理模型，由于能够描述不同赋存形态的含水合物沉积物的纵波速度和衰减系数，将构建的多尺度演示物理模型应用于水合物探测，进而提供一种利用声学参数(即纵波速度和衰减系数)进行水合物探测的新方法，可以为声波测井的改进和完善提供测量方法。

(4)本发明提供的基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法，利用了本发明构建的多尺度岩石物理模型，利用纵波速度和衰减联合确定水合物饱和度，相较于利用阿尔奇公式或变形的电阻率饱和度计算方法，本发明提供的这种新的基于声学参数的饱和度计算方法，避免了阿尔奇公式在含泥质地层或弱成岩地层的不适用问题，极大的扩展了含水合物储层的饱和度计算方法，一定程度上解决了弱成岩地层含水合物饱和度的评价解释。

附图说明

图1为本发明实施例所述基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法的流程图；

图2a为孔隙填充水合物沉积物的纵波速度的频散曲线示意图；

图2b为孔隙填充水合物沉积物的衰减系数的频散曲线示意图；

图3a为不同水合物赋存形态的纵波速度随水合物饱和度的变化曲线图；

图3b为不同水合物赋存形态的衰减系数随水合物饱和度的变化曲线图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，本发明实施例提供了一种基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法，其具体步骤为：

S1、建立多尺度岩石物理模型，其具体步骤为：

S11、将喷射流模型加入到Kuster-

具体地，所述喷射流模型表示为：

K′

G′

式中，K′

将喷射流模型加入到Kuster-

式中，

S12、将孔隙水和甲烷气体的体积模量以及步骤S11得到的水合物的等效体积模量代入wood公式，得到第一流体相的体积模量表示为：

式中，K

将孔隙水和甲烷气体的体积模量代入wood公式，得到第二流体相的体积模量表示为：

将石英颗粒的体积模量和剪切模量以及步骤S11得到的水合物的等效体积模量和等效剪切模量代入Hill平均方程，得到固体相的体积模量和剪切模量表示为：

式中，K为固体相的体积模量，G为固体相的剪切模量；K

S13、将步骤S11得到的水合物的等效体积模量和等效剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到颗粒涂层水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将步骤S12得到的固体相的体积模量和剪切模量代入Hashin-Shtrikman模型，得到颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入Hashin-Shtrikman模型中，得到孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量。

需要说明的是，当水合物是孔隙流体的一部分时，将其添加到流体相中形成孔隙填充水合物。当水合物为固体颗粒时，将其添加到固体基质中形成颗粒支撑水合物。以水合物为胶结物，当胶结方式为全部水合物沉淀在颗粒接触处时形成接触胶结水合物，当胶结方式为水合物均匀地沉淀在颗粒表面时形成颗粒涂层水合物。

两种胶结方式与参数α′有关。当胶结方式为全部水合物沉淀在颗粒接触处时，

具体地，所述胶结砂岩模型表示为：

式中，K

需要说明的是，将步骤S11得到的水合物的等效体积模量和等效剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量时，M

具体地，当孔隙度小于临界孔隙度时，所述Hashin-Shtrikman模型表示为：

当孔隙度大于等于临界孔隙度时，所述Hashin-Shtrikman模型表示为：

式中，φ是孔隙度；φ

需要说明的是，将步骤S12得到的固体相的体积模量和剪切模量代入Hashin-Shtrikman模型，得到颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量时，Hashin-Shtrikman模型中的参数K'是固体相的体积模量K，G'是固体相的剪切模量G。将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入Hashin-Shtrikman模型中，得到孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量时，Hashin-Shtrikman模型中的参数K'是石英颗粒的体积模量K

S14、联合步骤S12中得到的流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13中得到的干岩石骨架的体积模量和剪切模量，根据Biot-Rayleigh理论模型，得到接触胶结水合物、颗粒涂层水合物、颗粒支撑水合物、孔隙填充水合物四种不同赋存形态的含水合物沉积物的纵波波速和衰减系数，即多尺度岩石物理模型。

具体地，将步骤S12得到的第二流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到接触胶结水合物沉积物的纵波波速和衰减系数。

具体地，将步骤S12得到的第二流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的颗粒涂层水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到颗粒涂层水合物沉积物的纵波波速和衰减系数。

具体地，将步骤S12得到的第二流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到颗粒支撑水合物沉积物的纵波波速和衰减系数。

具体地，将步骤S12得到的第一流体相的体积模量和剪切模量以及步骤S13得到的孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入Biot-Rayleigh双孔理论模型，得到孔隙填充水合物沉积物的纵波波速和衰减系数。

具体地，所述Biot-Rayleigh双孔理论模型的波动方程为：

式中，N、A、Q

根据平面波分析法求解上式，带入平面纵波的解析解，得到：

其中，k表示接触胶结水合物或颗粒涂层水合物或颗粒支撑水合物或孔隙填充水合物的波数；a

当k表示接触胶结水合物的波数k

其中，Q

当k表示颗粒涂层水合物的波数k

其中，Q

当k表示颗粒支撑水合物的波数k

其中，Q

当k表示孔隙填充水合物的波数k

其中，Q

S2、根据工区的伽马射线测井、孔隙度测井和密度测井数据资料得到岩石成分(方解石、伊利石和石英)的体积分数，根据Hill平均方程计算得到固体相的体积模量和剪切模量，根据工区的电阻率测井数据资料，得到水合物的饱和度，然后将固体相的模量与水合物的饱和度代入到S1步骤中构建的多尺度岩石物理模型，最后得到工区储层的纵波速度和衰减系数，与实测声波测井资料得出的纵波速度和衰减系数比较，更新水合物饱和度，直到预测和测量的纵波速度和衰减在设定的误差范围之内，得到预测的工区储层的水合物饱和度。

具体地，更新水合物饱和度的具体方法为：通过多尺度岩石物理模型得到速度和衰减与实测声波测井资料计算得到的速度和衰减系数构建最小二乘目标函数，通过不断调整多尺度岩石物理模型中的各个参数，使得构建的目标函数的最小二乘达到最小的时候对应的含水饱和度即目标层位的水合物饱和度。需要说明的是，有些参数是通过区域地层的实验获得并代入多尺度岩石物理模型，有些是不同变化，如含水合物饱和度。

上述方法中，构建的含水合物沉积物的多尺度岩石物理模型，考虑了多个尺度的衰减机制，相比现有的理论模型，更加符合含水合物沉积物的实际情况，能够更加精确地描述不同赋存形态的含水合物沉积物的纵波速度和衰减系数，计算的速度和衰减更加精确，对于含水合物沉积物的声学探测和识别具有重要的意义和价值，为含水合物沉积物的饱和度定量解释提供了理论依据。将该多尺度岩石物理模型应用于水合物探测，进而提供一种利用声学参数(即纵波速度和衰减系数)进行水合物探测的新方法，可以为声波测井的改进和完善提供测量方法。

为了说明本发明上述方法构建的多尺度岩石物理模型的效果。图2a、图2b、图3a、图3b给出了含水合物沉积物中纵波速度和衰减系数的频散曲线以及4中不同水合物赋存形态的纵波速度和衰减系数随水合物饱和度的变化趋势，并与实验数据进行比较。

图2a、图2b分别显示了纵波速度和纵波衰减系数作为不同包裹体纵横比的频率函数。本发明上述方法构建的多尺度岩石物理模型预测了三个弛豫峰，即局部流(介观尺度)、全局流(宏观尺度)和喷射流(微观尺度)。通过分析图2a、图2b，可以得出以下结论：随着水(甲烷气体)包裹体纵横比的增加，第三个峰向更高的频率，纵横比控制喷射流弛豫时间，进而影响衰减峰的位置。

图3a、图3b分别展示了4中不同水合物赋存形态的纵波速度和衰减系数随水合物饱和度的变化形式。由图3a、图3b可以看出，“过量水”方法主要生成的水合物为孔隙填充水合物，“过量气”方法生成的主要是胶结水合物，并且与颗粒涂层水合物模拟结果吻合度更高，在水合物饱和度为0％-40％以下，本发明上述方法构建的多尺度岩石物理模型能够捕捉测量到纵波速度和衰减系数随水合物饱和度的变化趋势。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。