巖石中孔隙和裂隙的三維cfd模擬

眾所周知，介質(zhì)的孔隙度和體積指數(shù)是影響地震反射波振幅和位移之間變化的重要因素。長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)振幅隨位移變化及其avo屬性的相交圖進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和油藏規(guī)劃，取得了良好的效果。尤其是對(duì)于具有較差固結(jié)不良祖母巖儲(chǔ)量的破碎屑巖儲(chǔ)量，有許多成功的例子。然而,隨著油氣勘探向復(fù)雜地區(qū)延伸,勘探目標(biāo)越來(lái)越復(fù)雜,特別是在裂縫發(fā)育的地區(qū),AVO應(yīng)用受到了挑戰(zhàn),主要困難是難以確定巖石物性與AVO響應(yīng)的關(guān)系。筆者通過(guò)裂縫介質(zhì)的AVO正演模擬,研究裂縫對(duì)AVO的影響,并進(jìn)一步分析對(duì)AVO交會(huì)圖識(shí)別氣層的影響。AVO的地質(zhì)基礎(chǔ)在于不同巖石以及含有不同流體的同類(lèi)巖石之間泊松比的差異,故在做AVO正演模擬時(shí),泊松比與孔隙度、流體飽和度、孔隙縱橫比變化關(guān)系的求取變得十分重要,利用Berryman散射模型方法模擬孔隙介質(zhì),通過(guò)設(shè)定不同的孔隙幾何形狀(孔隙縱橫比)及其分布,來(lái)模擬裂隙分布。通過(guò)對(duì)一個(gè)兩層砂泥巖介質(zhì)模型的AVO正演模擬(保持孔隙度和流體飽和度不變,只改變孔隙縱橫比),研究反射系數(shù)與孔隙縱橫比的關(guān)系。根據(jù)Gassmann方程,對(duì)孔隙流體進(jìn)行替換,研究孔隙縱橫比對(duì)AVO交會(huì)圖識(shí)別氣層的影響。1方法原理1.1表征及基本參數(shù)把巖石當(dāng)作是由不同形狀的孔隙、各種礦物成分及孔隙流體組成的復(fù)合介質(zhì),礦物成分的百分含量可任意設(shè)定(所有礦物成分百分含量的總和為1),礦物顆粒形狀及孔隙形狀是可變的。Berryman根據(jù)長(zhǎng)波長(zhǎng)的一次散射理論,即彈性波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于組成復(fù)合介質(zhì)礦物顆粒和孔隙尺寸,此時(shí)可忽略高次散射,推導(dǎo)出了復(fù)合介質(zhì)的等效密度ρm、等效體積彈性模量Κm和等效剪切模量μm與各組分的密度ρi、體積彈性模量Κi和剪切模量μi的關(guān)系n∑i=1ci(ρi-ρm)=0,n∑i=1ci(Κi-Κm)Ρi=0,n∑i=1ci(μi-μm)Qi=0。(1)∑i=1nci(ρi?ρm)=0,∑i=1nci(Ki?Km)Pi=0,∑i=1nci(μi?μm)Qi=0。(1)式中,n為組分?jǐn)?shù),ci為第i種介質(zhì)的體積與復(fù)合介質(zhì)的體積百分比,Pi和Qi是與組分和孔隙形狀有關(guān)的參數(shù),Berryman給出了球狀、針狀、碟狀和橢球狀4種形狀的Pi和Qi表達(dá)式。筆者用橢球狀孔隙模擬裂隙,對(duì)于橢球狀孔隙,其表達(dá)式如下Ρi=Κm+43μiΚi+43μi+παβm?(2)Pi=Km+43μiKi+43μi+παβm?(2)Qi=15[1+8μm4μi+πα(μm+2βm)+2Κi+23μi+23μmΚi+34μi+παβm]?(3)1.2含氣砂巖的avo反演AVO分析技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中乃是利用地震反射的共成像點(diǎn)(CIP)道集資料分析反射振幅隨炮檢距的變化規(guī)律,或通過(guò)計(jì)算縱波反射振幅隨入射角的變化參數(shù),估算界面上的AVO屬性參數(shù)和泊松比差,進(jìn)一步推斷儲(chǔ)層巖性和含油氣性質(zhì)。AVO正演模擬是采用AVO方法進(jìn)行烴類(lèi)檢測(cè)的基礎(chǔ),模擬的結(jié)果可以指導(dǎo)利用實(shí)際的地震道集的AVO反演結(jié)果進(jìn)行可靠的含氣砂巖解釋,AVO主要的理論基礎(chǔ)是Zoeppritz(1919)方程,對(duì)于各向同性介質(zhì),平面縱波以某一角度入射到某一平界面上,發(fā)生的反射和透射及波的轉(zhuǎn)換可由Zoeppritz方程計(jì)算得到。由于Zoeppritz方程的復(fù)雜性,從應(yīng)用的角度考慮,不少研究者從不同方面對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化(例如Aki等,1980;Bortfeld,1961;Shuey,1985)。Shuey在基于一定假設(shè)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了PP(縱波入射,縱波反射)反射系數(shù)隨入射角變化的關(guān)系R(x)=R0+[A0R0+Δσ(1-σ)2]sin2α+Δvp2vp(tan2α-sin2α)?A0=B-2(1-B)(1-2σ)1-σ?B=Δvpρ(Δvpρ+Δρvp)。(4)式中,vp為相鄰2層縱波速度的平均,Δvp為相鄰2層的縱波速度差,R0為垂直入射時(shí)的反射系數(shù),σ為相鄰2層的泊松比的平均,Δσ為相鄰2層的泊松比差,α為入射角。該公式是目前應(yīng)用最多的Zoeppritz近似方程,筆者采用該公式計(jì)算AVO響應(yīng)。2計(jì)算與分析2.1孔隙結(jié)構(gòu)及厚度依據(jù)上述理論,對(duì)一個(gè)上層為泥巖,下層為砂巖的二層介質(zhì)模型,探討孔隙縱橫比對(duì)界面反射系數(shù)和振幅的影響。泥巖的縱波速度vp為3400m/s,橫波速度vs為1450m/s,泊松比σ為0.38,密度ρ為2.5g/cm3。下層的砂巖由固體骨架和孔隙水組成,孔隙度為0.15,骨架的主要礦物成分是石英,含少量長(zhǎng)石和方解石,參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算過(guò)程中,保持骨架和孔隙流體及孔隙度不變,只改變孔隙縱橫比,根據(jù)Berryman散射理論模型計(jì)算復(fù)合介質(zhì)的等效彈性參數(shù)和速度(圖1a),圖1b是飽水砂巖孔隙縱橫比與速度的關(guān)系,這是根據(jù)Gassmann方程做流體替換得到的飽氣砂巖孔隙縱橫比與速度的關(guān)系,從圖中看出孔隙縱橫比對(duì)速度影響很大,隨著孔隙縱橫比增大,縱橫波速度迅速增大。圖1c是根據(jù)飽氣砂巖的縱橫波速度計(jì)算得到的孔隙縱橫比與泊松比的關(guān)系,隨著孔隙縱橫比增大,泊松比先快速降低然后緩慢增加。2.2孔隙縱橫比對(duì)氣層反射振幅的影響前人已證明Wyllie(1956)的時(shí)間平均公式對(duì)于Berryman散射理論模型的孔隙縱橫比α≈0.07是準(zhǔn)確的,Raymer(1980)公式對(duì)應(yīng)的Berryman散射理論模型的孔隙縱橫比α≈0.1,所以取砂巖的孔隙縱橫比變化范圍α為0.02～0.14,研究孔隙縱橫比對(duì)AVO交會(huì)圖識(shí)別氣層的影響。圖2是根據(jù)Shuey公式計(jì)算的氣砂巖的反射系數(shù)(振幅)隨入射角的變化關(guān)系,對(duì)應(yīng)的孔隙縱橫比分別是0.02、0.06、0.10、0.14,圖中實(shí)線是含水砂巖的反射系數(shù),虛線是氣砂巖的反射系數(shù)。當(dāng)孔隙縱橫比是0.02時(shí),砂巖的波阻抗和泊松比均小于上覆泥巖,所以反射系數(shù)全部為負(fù),隨入射角增大呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),此時(shí)水砂和氣砂層反射系數(shù)差異最大,氣層反射振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水層;當(dāng)孔隙縱橫比≥0.06時(shí),由于速度增大,導(dǎo)致砂巖波阻抗大于上覆泥巖的波阻抗,因此垂直入射時(shí)反射系數(shù)由負(fù)變正,但由于泊松比小于上覆泥巖,因此反射系數(shù)隨入射角的增大逐漸減小。從圖中發(fā)現(xiàn),隨著孔隙縱橫比的增大,水層和氣層的反射系數(shù)差異逐漸減小,合成記錄上反射振幅的變化也越來(lái)越相似。圖3a是不同孔隙縱橫比時(shí)水砂和氣砂的斜率—截距交會(huì)圖,即P—G交會(huì)圖,該交會(huì)圖通常用于儲(chǔ)層流體的地震識(shí)別,圖中實(shí)心點(diǎn)為水砂巖,空心點(diǎn)為氣砂巖,數(shù)字代表不同的孔隙縱橫比,數(shù)字越大孔隙縱橫比越大。從交會(huì)圖上可以看出,隨著孔隙縱橫比的增大水砂和氣砂點(diǎn)逐漸靠近,如果把水砂巖看成是背景趨勢(shì),孔隙縱橫比越小,氣砂巖偏離背景趨勢(shì)越大,越利于識(shí)別;反之,偏離背景趨勢(shì)越小,不利識(shí)別氣砂巖。因此,用P—G交會(huì)圖對(duì)識(shí)別小孔隙縱橫比的氣層比較有利。圖3b是λρ—μρ交會(huì)圖,它是一種常用的識(shí)別流體的AVO交會(huì)圖,λ是拉梅系數(shù),μ是剪切模量,ρ為密度,從圖中可以看出,由于流體沒(méi)有剪切模量,只有體積模量,所以不同孔隙縱橫比的水層和氣層的μρ數(shù)值相差不大,其微小的變化是由密度的變化引起的,但λρ數(shù)值差別較大,特別是當(dāng)孔隙縱橫比較小時(shí),隨著孔隙縱橫比的增大,λρ差別逐漸減小,說(shuō)明λρ—μρ交會(huì)圖對(duì)識(shí)別孔隙縱橫比較小的氣砂層有利,而大孔隙縱橫比的氣砂層相對(duì)困難。3孔隙縱橫比對(duì)氣層3d融合的影響通過(guò)一個(gè)砂泥巖理論模型,在保持上覆泥巖和砂巖孔隙度不變的條件下,研究了砂巖孔隙縱橫比對(duì)AVO的影響,并分析了孔隙縱橫比對(duì)AVO交會(huì)圖識(shí)別氣層的影響,根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了以下結(jié)論:(1)對(duì)于具有相同含氣飽和度和孔隙度的儲(chǔ)層,當(dāng)儲(chǔ)層的孔隙縱橫比不同時(shí),速度和泊松比也不同,造成氣層的AVO特征(反射系數(shù)和振幅)有明顯的差異,小孔隙縱橫比的水層和氣層的反射系數(shù)(振幅)差異大于大孔隙縱橫比時(shí)水層和氣層的差異。(2)孔隙縱橫比影響AVO交會(huì)圖,在P—G交會(huì)圖上,孔隙縱橫比越小,氣層偏離背景趨勢(shì)越大,越容易識(shí)別;反之異常偏離背景趨勢(shì)越小,呈現(xiàn)出與背景趨勢(shì)相似的性質(zhì),利用P—G交會(huì)圖較難識(shí)別。同樣,在λρ—μρ交會(huì)圖上,孔隙縱橫比越小,λρ對(duì)孔隙流體越敏感,利用λρ—μρ交會(huì)圖識(shí)別氣層比較有利;隨