碳酸鹽巖儲(chǔ)集層模型數(shù)值模擬與分析

周懷來,李錄明,羅省賢,王明春

(1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司勘探開發(fā)研究院,天津 300452)

碳酸鹽巖儲(chǔ)集層模型數(shù)值模擬與分析

周懷來1,李錄明1,羅省賢1,王明春2

(1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司勘探開發(fā)研究院,天津 300452)

碳酸鹽巖儲(chǔ)層作為油氣勘探領(lǐng)域中的重要研究目標(biāo),其波場(chǎng)特征變化極為復(fù)雜,為提高對(duì)該類儲(chǔ)集層多波地震資料的認(rèn)知度,高精度數(shù)值模擬是行之有效的方法之一。這里在各向同性彈性波方程基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了縱波、橫波分離方程,運(yùn)用高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分技術(shù)與PML邊界吸收技術(shù),高精度模擬地震波在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的傳播,得到了該類儲(chǔ)層模型中的彈性波全波場(chǎng),也分離出縱波信息和轉(zhuǎn)換波波場(chǎng)信息,并保留了各自能量信息。同時(shí)結(jié)合AVO技術(shù)分析了彈性波在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中AVO響應(yīng)特征,并通過對(duì)儲(chǔ)層理論模型進(jìn)行試算,分析研究該類儲(chǔ)層中的波場(chǎng)響應(yīng)特征及傳播規(guī)律,為碳酸鹽巖儲(chǔ)層的識(shí)別與預(yù)測(cè)提供參考依據(jù),更能滿足復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)的實(shí)際需要。

碳酸鹽巖;波場(chǎng)特征;AVO技術(shù);PML;正演

0 前言

碳酸鹽巖儲(chǔ)層是油氣勘探領(lǐng)域中重要研究目標(biāo),研究其全波場(chǎng)響應(yīng)特征對(duì)于儲(chǔ)層的識(shí)別有著特別重要的意義。由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層地層速度高,非均質(zhì)性強(qiáng),儲(chǔ)層識(shí)別難度較大,究其原因,發(fā)現(xiàn)是由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的地震波場(chǎng)響應(yīng)特征與其它類型儲(chǔ)層不同,這將引起碳酸鹽巖儲(chǔ)層地震資料解釋的多解性,因此儲(chǔ)層所產(chǎn)生的復(fù)雜波場(chǎng),增加了地震勘探難度。在多波資料解釋過程中,要弄清碳酸鹽巖儲(chǔ)層的巖性與多波波場(chǎng)特征之間的關(guān)系,利用高精度數(shù)值模擬技術(shù)則顯得尤為重要,它是聯(lián)系地震、地質(zhì)、測(cè)井以及油藏工程的紐帶,其作用主要體現(xiàn)在提高人們對(duì)各種復(fù)雜介質(zhì)中地震波傳播規(guī)律的認(rèn)知,并可為新技術(shù)、新方法提供試驗(yàn)數(shù)據(jù),以滿足方法技術(shù)研究的需要,同時(shí)也可以檢驗(yàn)解釋結(jié)果的正確性。因此,為了增強(qiáng)對(duì)該類儲(chǔ)層復(fù)雜波場(chǎng)特征的識(shí)別,作者在本文通過理論模型研究地震波在碳酸鹽儲(chǔ)層中的傳播規(guī)律與響應(yīng)特性,利用地震正演全波場(chǎng)模擬和AVO分析技術(shù),來識(shí)別碳酸鹽巖儲(chǔ)層的地震響應(yīng),可消除解釋上的多解性,也為多波資料處理結(jié)果的判別提供理論依據(jù)。

1 高精度正演模擬方法原理

多波波場(chǎng)正演模擬是以彈性波方程為基礎(chǔ),其核心是研究高精度數(shù)值模擬技術(shù)。同時(shí),結(jié)合邊界處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)高精度、高效率正演。

1.1 各向同性介質(zhì)中的一階應(yīng)力——速度彈性波方程

彈性波理論的研究基礎(chǔ)是彈性體受力和應(yīng)變的關(guān)系,根據(jù)各向同性介質(zhì)表示的應(yīng)力,即應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程和表示應(yīng)變與位移的柯西方程,可以推導(dǎo)出各向同性介質(zhì)中傳播的一階速度,即應(yīng)力彈性波方程[1]如式(1):

其中 λ、μ表示Lam e彈性常數(shù);ρ為彈性體密度;σxx、σzz表示正應(yīng)力;σxz表示切應(yīng)力;vx、vz分別表示x方向、z方向速度分量。

1.2 一階應(yīng)力——速度各向同性彈性波波場(chǎng)分離

方程

在均勻各向同性介質(zhì)中,全彈性波的波場(chǎng)可分解為純縱波和純橫波二部份[2]。通過分解全彈性波方程,可以既得到完全彈性波方程,又滿足P波和S波方程的一階應(yīng)力,即速度等價(jià)方程。

為構(gòu)造等價(jià)方程,在方程(1)的基礎(chǔ)上,引入混合波場(chǎng)新變量U={vx,vz},P波波場(chǎng)新變量Up={vpx,vpz}和S波波場(chǎng)新變量Us={vsx,vsz},并滿足如下方程:其中 vpi(i=x,z)、vsi(i=x,z)分別為P波、S波波場(chǎng)的速度分量;σpij(i,j=x,z)、σsij(i,j=x,z)分別為P波、S波波場(chǎng)的應(yīng)力分量;vi(i=x,z)為混合波場(chǎng)的速度分量。

通過聯(lián)立求解方程(2)、方程(3)和方程(4),可得到P波波場(chǎng)Up={vpx,vpz}和S波波場(chǎng)Us={vsx,vsz},即可實(shí)現(xiàn)完全彈性波波場(chǎng)分離。

2 碳酸鹽巖模型正演模擬與分析

(1)模型參數(shù)。碳酸鹽巖儲(chǔ)層模型(見圖1)分為五層:第一層碳酸鹽巖厚度1 000 m;第二層含氣碳酸鹽巖厚度為500m;第三層含水碳酸鹽巖厚度為500m;第四層泥巖厚度為500m;第五層硬石膏地層厚度為500m。

地層屬性參數(shù)依次為:①縱波速度5 500m/s、橫波速度2 900 m/s、密度2.8 g/cm3;②縱波速度5 100m/s、橫波速度3 100m/s、密度2.7 g/cm3;③縱波速度3 050m/s、橫波速度1 550m/s、密度2.7 g/cm3;④縱波速度5 100m/s、橫波速度2 500 m/s、密度2.6 g/cm3;⑤縱波速度5 700m/s、橫波速度3 000m/s、密度3.0 g/cm3。

(2)網(wǎng)格化參數(shù)。模型橫向采樣間隔為10m,縱向采樣間隔為10 m;橫向網(wǎng)格數(shù)目為300,縱向網(wǎng)格數(shù)目為300;數(shù)值模擬時(shí)間采樣間隔1 m s,記錄長度2 800m s。

圖1 碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)模型Fig.1 Geo logicalmodelof the carbonate reservoir

為了搞清楚地震波在該類碳酸鹽巖儲(chǔ)層模型中較為復(fù)雜的傳播特性,故作者采用了高精度數(shù)值模擬方法,分別得到全波場(chǎng)記錄、分離縱波和轉(zhuǎn)換波記錄,并通過與AVO響應(yīng)特征對(duì)比,研究其傳播規(guī)律及波場(chǎng)特征。下頁圖2(a)、圖2(b)分別是碳酸鹽巖儲(chǔ)層模型全波場(chǎng)正演模擬水平分量記錄和垂直分量記錄。從圖2中可以看出,水平分量和垂直分量都包含P波反射信息和S波反射信息,這說明Z分量記錄和X分量記錄都是P波和S波的混合信息。轉(zhuǎn)換波同相軸位于反射縱波的下方,曲率較大,并且P波和S波的速度差異越大,二者分得越開,在單炮記錄或零偏移距剖面上越容易識(shí)別。

圖3是在進(jìn)行彈性波波場(chǎng)分離后得到的記錄。其中圖3(a)為縱波分量,圖3(b)為轉(zhuǎn)換波分量。

圖4是對(duì)碳酸鹽巖模型進(jìn)行正演模擬得到的AVO記錄(圖4(a)是縱波分量,圖4(b)是轉(zhuǎn)換波分量)。

圖2 碳酸鹽巖模型模擬單炮記錄Fig.2 Shot record of the carbonate rockmodel(a.horizontal component;b.vertical component)

圖3 碳酸鹽巖模型模擬單炮記錄Fig.3 Shot record of the carbonate rockmodel(a.P-wave;b.convertedwave)

圖5(a)、圖5(b)分別是碳酸鹽巖模型中各界面縱波反射系數(shù)曲線和轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)曲線對(duì)比圖。

圖4 碳酸鹽巖模型AVO響應(yīng)Fig.4 AVO response of the carbonate rocksmodel(a.P-wave;b.convertedwave)

圖5 碳酸鹽巖模型各界面反射系數(shù)曲線圖Fig.5 Reflection coefficient curve of the carbonate rock interface(a.P-wave;b.convertedwave)

通過正演模擬得到的單炮記錄和AVO響應(yīng)特性綜合分析,可以得到幾點(diǎn)該類碳酸鹽巖儲(chǔ)層波場(chǎng)特征:

(1)Z分量記錄的是質(zhì)點(diǎn)的垂直震動(dòng),正偏移距和負(fù)偏移距都具有相同的極性,而X分量記錄的是質(zhì)點(diǎn)的水平震動(dòng),炮點(diǎn)二側(cè)具有相反的極性。

(2)同一巖性界面對(duì)應(yīng)縱波分量和轉(zhuǎn)換波分量,波場(chǎng)特征較為復(fù)雜。并且在到達(dá)同一界面的縱波旅行時(shí)比轉(zhuǎn)換波旅行時(shí)要短,縱波同相軸曲率要比轉(zhuǎn)換波同相軸曲率小,這說明PP波比P-SV波傳播速度快。

(3)P-SV波的能量隨偏移距的增加而增加,零偏移距處能量為零,即在炮點(diǎn)正下方不發(fā)生地震波的轉(zhuǎn)換,只有反射和透射。

(4)在含氣碳酸鹽巖層頂界面,垂直入射的縱波反射系數(shù)為負(fù)。隨著偏移距的增加,反射系數(shù)絕對(duì)值逐漸增大,顯示出該模型為“亮點(diǎn)”型氣層模型。在零偏移距處,底界面反射系數(shù)為負(fù)。在小偏移距范圍內(nèi),隨偏移距增大而減小,然后發(fā)生極性反轉(zhuǎn),最后又隨偏移距的增大,反射系數(shù)絕對(duì)值逐漸增大。

(5)含氣層頂界面轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)值較小,振幅強(qiáng)度相對(duì)較弱,并有極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。含氣層底界面轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)為正,并隨偏移距先增大后減小,沒有發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)進(jìn)行各向同性彈性波波動(dòng)方程數(shù)值模擬,可以正確認(rèn)識(shí)地震波在復(fù)雜介質(zhì)中傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,準(zhǔn)確分析油氣儲(chǔ)集體中的多波波場(chǎng)特征及其變化規(guī)律,進(jìn)而指導(dǎo)多波資料的解釋。

(2)正演模擬技術(shù)是研究多波波場(chǎng)特征的重要手段。在全波場(chǎng)彈性波波動(dòng)方程數(shù)值模擬中,將高階差分與交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合,同時(shí)采用PML邊界吸收技術(shù),可在模擬精度和效率上得到很大提高。但在同時(shí),也要充分考慮正演精度、算法穩(wěn)定性、計(jì)算效率和模型的適應(yīng)性。

(3)通過數(shù)值模擬,可以得到地震波在碳酸鹽巖儲(chǔ)層模型中的響應(yīng)結(jié)果,并結(jié)合AVO分析技術(shù)與之對(duì)比研究,可為多波地震資料解釋提供最佳解決方案。

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TE 122.2+21

A

1001—1749(2011)01—0020—04

國家863項(xiàng)目(2007AA 060505);高等學(xué)校博士學(xué)科專項(xiàng)科研基金(20070616004)

2010-09-17 改回日期:2010-11-17

周懷來(1978-),男,博士,教師,主要研究方向:石油物探信息處理及反演,多波信息處理。