碳酸盐岩储集层模型数值模拟与分析

周怀来,李录明,罗省贤,王明春

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,地球探测与信息技术教育部重点实验室,成都 610059;2.中海石油(中国)有限公司 天津分公司勘探开发研究院,天津 300452)

碳酸盐岩储集层模型数值模拟与分析

周怀来1,李录明1,罗省贤1,王明春2

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,地球探测与信息技术教育部重点实验室,成都 610059;2.中海石油(中国)有限公司 天津分公司勘探开发研究院,天津 300452)

碳酸盐岩储层作为油气勘探领域中的重要研究目标,其波场特征变化极为复杂,为提高对该类储集层多波地震资料的认知度,高精度数值模拟是行之有效的方法之一。这里在各向同性弹性波方程基础上,推导了纵波、横波分离方程,运用高阶交错网格有限差分技术与PML边界吸收技术,高精度模拟地震波在碳酸盐岩储层中的传播,得到了该类储层模型中的弹性波全波场,也分离出纵波信息和转换波波场信息,并保留了各自能量信息。同时结合AVO技术分析了弹性波在碳酸盐岩储层中AVO响应特征,并通过对储层理论模型进行试算,分析研究该类储层中的波场响应特征及传播规律,为碳酸盐岩储层的识别与预测提供参考依据,更能满足复杂油气田勘探开发的实际需要。

碳酸盐岩;波场特征;AVO技术;PML;正演

0 前言

碳酸盐岩储层是油气勘探领域中重要研究目标,研究其全波场响应特征对于储层的识别有着特别重要的意义。由于碳酸盐岩储层地层速度高,非均质性强,储层识别难度较大,究其原因,发现是由于碳酸盐岩储层的地震波场响应特征与其它类型储层不同,这将引起碳酸盐岩储层地震资料解释的多解性,因此储层所产生的复杂波场,增加了地震勘探难度。在多波资料解释过程中,要弄清碳酸盐岩储层的岩性与多波波场特征之间的关系,利用高精度数值模拟技术则显得尤为重要,它是联系地震、地质、测井以及油藏工程的纽带,其作用主要体现在提高人们对各种复杂介质中地震波传播规律的认知,并可为新技术、新方法提供试验数据,以满足方法技术研究的需要,同时也可以检验解释结果的正确性。因此,为了增强对该类储层复杂波场特征的识别,作者在本文通过理论模型研究地震波在碳酸盐储层中的传播规律与响应特性,利用地震正演全波场模拟和AVO分析技术,来识别碳酸盐岩储层的地震响应,可消除解释上的多解性,也为多波资料处理结果的判别提供理论依据。

1 高精度正演模拟方法原理

多波波场正演模拟是以弹性波方程为基础,其核心是研究高精度数值模拟技术。同时,结合边界处理技术,实现高精度、高效率正演。

1.1 各向同性介质中的一阶应力——速度弹性波方程

弹性波理论的研究基础是弹性体受力和应变的关系,根据各向同性介质表示的应力,即应变关系的本构方程和表示应变与位移的柯西方程,可以推导出各向同性介质中传播的一阶速度,即应力弹性波方程[1]如式(1):

其中 λ、μ表示Lam e弹性常数;ρ为弹性体密度;σxx、σzz表示正应力;σxz表示切应力;vx、vz分别表示x方向、z方向速度分量。

1.2 一阶应力——速度各向同性弹性波波场分离

方程

在均匀各向同性介质中,全弹性波的波场可分解为纯纵波和纯横波二部份[2]。通过分解全弹性波方程,可以既得到完全弹性波方程,又满足P波和S波方程的一阶应力,即速度等价方程。

为构造等价方程,在方程(1)的基础上,引入混合波场新变量U={vx,vz},P波波场新变量Up={vpx,vpz}和S波波场新变量Us={vsx,vsz},并满足如下方程:其中 vpi(i=x,z)、vsi(i=x,z)分别为P波、S波波场的速度分量;σpij(i,j=x,z)、σsij(i,j=x,z)分别为P波、S波波场的应力分量;vi(i=x,z)为混合波场的速度分量。

通过联立求解方程(2)、方程(3)和方程(4),可得到P波波场Up={vpx,vpz}和S波波场Us={vsx,vsz},即可实现完全弹性波波场分离。

2 碳酸盐岩模型正演模拟与分析

(1)模型参数。碳酸盐岩储层模型(见图1)分为五层:第一层碳酸盐岩厚度1 000 m;第二层含气碳酸盐岩厚度为500m;第三层含水碳酸盐岩厚度为500m;第四层泥岩厚度为500m;第五层硬石膏地层厚度为500m。

地层属性参数依次为:①纵波速度5 500m/s、横波速度2 900 m/s、密度2.8 g/cm3;②纵波速度5 100m/s、横波速度3 100m/s、密度2.7 g/cm3;③纵波速度3 050m/s、横波速度1 550m/s、密度2.7 g/cm3;④纵波速度5 100m/s、横波速度2 500 m/s、密度2.6 g/cm3;⑤纵波速度5 700m/s、横波速度3 000m/s、密度3.0 g/cm3。

(2)网格化参数。模型横向采样间隔为10m,纵向采样间隔为10 m;横向网格数目为300,纵向网格数目为300;数值模拟时间采样间隔1 m s,记录长度2 800m s。

图1 碳酸盐岩储层地质模型Fig.1 Geo logicalmodelof the carbonate reservoir

为了搞清楚地震波在该类碳酸盐岩储层模型中较为复杂的传播特性,故作者采用了高精度数值模拟方法,分别得到全波场记录、分离纵波和转换波记录,并通过与AVO响应特征对比,研究其传播规律及波场特征。下页图2(a)、图2(b)分别是碳酸盐岩储层模型全波场正演模拟水平分量记录和垂直分量记录。从图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,这说明Z分量记录和X分量记录都是P波和S波的混合信息。转换波同相轴位于反射纵波的下方,曲率较大,并且P波和S波的速度差异越大,二者分得越开,在单炮记录或零偏移距剖面上越容易识别。

图3是在进行弹性波波场分离后得到的记录。其中图3(a)为纵波分量,图3(b)为转换波分量。

图4是对碳酸盐岩模型进行正演模拟得到的AVO记录(图4(a)是纵波分量,图4(b)是转换波分量)。

图2 碳酸盐岩模型模拟单炮记录Fig.2 Shot record of the carbonate rockmodel(a.horizontal component;b.vertical component)

图3 碳酸盐岩模型模拟单炮记录Fig.3 Shot record of the carbonate rockmodel(a.P-wave;b.convertedwave)

图5(a)、图5(b)分别是碳酸盐岩模型中各界面纵波反射系数曲线和转换波反射系数曲线对比图。

图4 碳酸盐岩模型AVO响应Fig.4 AVO response of the carbonate rocksmodel(a.P-wave;b.convertedwave)

图5 碳酸盐岩模型各界面反射系数曲线图Fig.5 Reflection coefficient curve of the carbonate rock interface(a.P-wave;b.convertedwave)

通过正演模拟得到的单炮记录和AVO响应特性综合分析,可以得到几点该类碳酸盐岩储层波场特征:

(1)Z分量记录的是质点的垂直震动,正偏移距和负偏移距都具有相同的极性,而X分量记录的是质点的水平震动,炮点二侧具有相反的极性。

(2)同一岩性界面对应纵波分量和转换波分量,波场特征较为复杂。并且在到达同一界面的纵波旅行时比转换波旅行时要短,纵波同相轴曲率要比转换波同相轴曲率小,这说明PP波比P-SV波传播速度快。

(3)P-SV波的能量随偏移距的增加而增加,零偏移距处能量为零,即在炮点正下方不发生地震波的转换,只有反射和透射。

(4)在含气碳酸盐岩层顶界面,垂直入射的纵波反射系数为负。随着偏移距的增加,反射系数绝对值逐渐增大,显示出该模型为“亮点”型气层模型。在零偏移距处,底界面反射系数为负。在小偏移距范围内,随偏移距增大而减小,然后发生极性反转,最后又随偏移距的增大,反射系数绝对值逐渐增大。

(5)含气层顶界面转换波反射系数值较小,振幅强度相对较弱,并有极性反转现象发生。含气层底界面转换波反射系数为正,并随偏移距先增大后减小,没有发生极性反转。

3 结论与认识

(1)进行各向同性弹性波波动方程数值模拟,可以正确认识地震波在复杂介质中传播的运动学和动力学特征,准确分析油气储集体中的多波波场特征及其变化规律,进而指导多波资料的解释。

(2)正演模拟技术是研究多波波场特征的重要手段。在全波场弹性波波动方程数值模拟中,将高阶差分与交错网格技术相结合,同时采用PML边界吸收技术,可在模拟精度和效率上得到很大提高。但在同时,也要充分考虑正演精度、算法稳定性、计算效率和模型的适应性。

(3)通过数值模拟,可以得到地震波在碳酸盐岩储层模型中的响应结果,并结合AVO分析技术与之对比研究,可为多波地震资料解释提供最佳解决方案。

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TE 122.2+21

A

1001—1749(2011)01—0020—04

国家863项目(2007AA 060505);高等学校博士学科专项科研基金(20070616004)

2010-09-17 改回日期:2010-11-17

周怀来(1978-),男,博士,教师,主要研究方向:石油物探信息处理及反演,多波信息处理。