基于方位弹性阻抗的HTI型裂缝储层参数预测方法及系统与流程

基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法及系统
技术领域
1.本发明属于地球物理勘测技术领域，具体涉及一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.我国页岩气储层地质的地球物理条件差异较大，勘探开发难度较大。工程甜点评价是页岩等非常规油气储层勘探开发的重要环节，其中脆性和裂缝密度预测是工程甜点评价中非常关键的参数。avaz（amplitude variation with azimuth）反演技术是研究裂缝储层的重要手段。
4.裂缝是非常规（致密油气、页岩油气等）储层重要的油气存储空间与运移通道，脆性可有效指导储层开发方案的设计。稳定而有效的刻画地下储层脆性和裂缝特征，可提高裂缝油气藏的勘探与开发效率。各向同性均匀岩石中发育一组垂直定向硬币型裂缝时，可将其等效为hti介质，地震avaz反演方法是垂直裂缝储层的有效预测方法。但针对垂直裂缝储层脆性和裂缝参数预测的模型参数化和反问题的稳定求解依旧存在较大的挑战。
5.脆性是岩石的一种固有性质，表现为岩石受到外力时产生较小的形变甚至不发生形变就可以发生破碎。目前，国内外学者研究储层脆性的方法主要包括：脆性矿物含量评价法，应力-应变曲线评价法和弹性参数评价法。针对脆性地震评价一般采用弹性参数评价法，该方法中，弹性力学参数主要包括岩石的杨氏模量和泊松比；杨氏模量与岩石的刚度有关，泊松比能够表征岩石的塑性。脆性地震预测方法通过综合利用地震数据与测井资料，通过地震反演方法提取出杨氏模量和泊松比这两个弹性参数，从而实现脆性甜点评价。国内外许多专家分析了杨氏模量和泊松比与岩石脆性之间的关系，利用这两个参数提出了多种脆性指数表达方法；如何获得能够直接反映杨氏模量等力学参数的各向异性反射系数方程是裂缝储层脆性评价的重点所在。
6.各向异性反射方程的推导是构建五维地震正演算子和裂缝参数等工程甜点地震评价的基础；但是现有技术中反射系数方程所包含的待反演参数较多，严重影响地震预测的精确度；因此，降低表征地震反射系数方程的参数个数，是提高裂缝储层反演结果合理性的重要手段。
7.反问题求解算法的选取是储层脆性及裂缝特征精确刻画的关键。最小二乘方法是最基础的反问题求解手段，它对正演算子合理性具有较高的要求，同时，对地震资料中的噪音较为敏感，通过加入约束项可在一定程度上提高待反演参数的预测准确度；但是，难以量化预测结果的不确定性。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数
预测方法及系统，通过参数化hti型裂缝储层，计算准裂缝密度参数、垂直裂缝储层pp波反射系数方程和方位弹性阻抗方程，构建反演目标函数，预测脆性指数，提高了hti型裂缝储层参数的预测精度。
9.根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法，采用如下技术方案：一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法，包括以下步骤：获取hti型裂缝储层的第一刚性矩阵和第二刚性矩阵，计算准裂缝密度参数和pp波反射系数方程；对所得到的pp波反射系数方程进行反演计算，构建方位弹性阻抗方程；选择出以反演目标函数最小的方位弹性阻抗，使用被选择出的方位弹性阻抗预测hti型裂缝储层参数。
10.作为进一步的技术限定，所预测的hti型裂缝储层参数包括准裂缝密度参数和脆性指数。
11.进一步的，所述脆性指数至少包括全工区参数的最小值和最大值。
12.作为进一步的技术限定，所述第一刚性矩阵为背景柔度矩阵与裂缝柔度矩阵之和；所述第一刚性矩阵与所述第二刚性矩阵互为逆矩阵。
13.进一步的，所述背景柔度矩阵与所述hti型裂缝储层的杨氏模量、泊松比和剪切模量相关；所述裂缝柔度矩阵与所述hti型裂缝储层的扰动裂缝的法向弱度和切向弱度相关。
14.进一步的，对所述第二刚性矩阵进行线性处理，结合散射理论，得到pp波反射系数。
15.进一步的，所述pp波反射系数与所述hti型裂缝储层的质量密度、pp波在所述hti型裂缝储层上的入射角，以及观测方位角相关。
16.进一步的，基于所得到的pp波反射系数构建所述pp波反射系数方程，通过约束稀疏脉冲反演法对所述pp波反射系数方程进行反演计算，得到每个方位的弹性阻抗，结合道积分思想，构建方位弹性阻抗方程。
17.进一步的，所述反演目标函数采用约束稀疏脉冲反演法的目标函数，即为：，其中，下标m代表第m个采样点，是入射角为θ，方位角为
ϕ
的弹性阻抗反射系数；和分别代表实际和合成地震记录；是通过测井数据估计的弹性阻抗梯度模型约束；和分别代表p阶和q阶范数；常数和是通过工区先验认识给定的权重系数。
18.根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝
储层参数预测系统，采用如下技术方案：一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测系统，包括：获取模块，被配置为获取hti型裂缝储层的第一刚性矩阵和第二刚性矩阵，计算准裂缝密度参数和pp波反射系数方程；构建方程模块，被配置为对所得到的pp波反射系数方程进行反演计算，构建方位弹性阻抗方程；参数预测模块，被配置为选择出以反演目标函数最小的方位弹性阻抗，使用被选择出的方位弹性阻抗预测hti型裂缝储层参数。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过参数化hti型裂缝储层，计算准裂缝密度参数、垂直裂缝储层pp波反射系数方程和方位弹性阻抗方程，构建反演目标函数，预测脆性指数，提高了hti型裂缝储层参数的预测精度。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是本发明实施例一种的基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法的流程图；图2是本发明实施例一中的各向同性背景中发育一组垂直定向分布的裂缝所形成的等效hti介质模型示意图；图3是本发明实施例二中的基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测系统的结构框图。
具体实施方式
22.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
23.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.实施例一本发明实施例一介绍了一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法。
27.本实施例采用schoenberg线性滑动理论和hudson理论参数化hti型裂缝储层，基于born逆散射理论和稳相法推导杨氏模量、泊松比、质量密度和裂缝密度四参数直接表征的垂直裂缝储层pp波反射系数方程和方位弹性阻抗方程；再结合贝叶斯反演方法和低频模型正则化约束，构建反演目标函数，形成脆性指数和准裂缝密度参数预测技术；最后结合实
际案例应用证明了本实施例所提出方法的有效性。
28.如图1所示的一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法，包括以下步骤：获取hti型裂缝储层的第一刚性矩阵和第二刚性矩阵，计算准裂缝密度参数和pp波反射系数方程；对所得到的pp波反射系数方程进行反演计算，构建方位弹性阻抗方程；选择出以反演目标函数最小的方位弹性阻抗，使用被选择出的方位弹性阻抗预测hti型裂缝储层参数。
29.当各向同性背景岩石中发育一组垂直定向排列的硬币型裂缝时，可将其看作具有水平对称轴的横向各向同性介质（horizontal transversely isotropic medium，即hti介质），如图2所示。schoenberg线性滑动理论指出，定向裂缝介质的整体等效柔度矩阵可表示为背景柔度矩阵与裂缝柔度矩阵之和，同时，介质柔度矩阵是其刚度矩阵的逆矩阵，则垂直裂缝诱导的hti介质有效刚度矩阵可表示为：（1）对于大多数储层，裂缝密度均较小，对公式（1）进行泰勒级数的展开，仅仅保留一阶项，得（2）其中，各向同性背景的柔度矩阵可表示为：（3）当垂直定向裂缝组法向与x轴一致时，对于小裂缝密度情况，裂缝柔度矩阵可近似表达为
（4）其中，，和分别表示背景介质的杨氏模量，泊松比和剪切模量；是背景介质刚度矩阵第ii个元素，和分别表示扰动裂缝的法向弱度和切向弱度。
30.裂缝法向和切向弱度参数是裂缝密度的线性函数，对于含气储层，即有：，（5）将公式（3）、公式（4）和公式（5）带入公式（2），可得裂缝诱导的hti介质等效刚度矩阵为：（6）其中，
，，。
31.假设某一反射界面将具有相同裂缝倾向的两个hti介质划分开，且裂缝密度较小，界面上下弹性差异较小，则包含，，和的项可以忽略，则该界面上下介质刚度参数扰动量可近似表示为：（7）其中，,,,,
，其中，，，。
32.根据散射理论，可以得到p-p波反射系数和散射函数的线性近似关系为：（8）其中，表示pp波散射函数在端点处的函数值，即有，（i, j, k, l=1,2,3）（9）其中，重复的角标指的是einstein求和；代表储层质量密度，是克罗内克函数。，，和分别代表入射波和反射波的慢度和极化向量，即
（10）其中，和分别代表入射角和观测方位角。
33.假设参考介质是均匀各向同性的，则公式（9）可表示为（11）其中，，（12）角标(m, n)和角标(i, j, k, l)的关系为,。
34.将公式（10）带入公式（12）可得。将差分矩阵公式（7）、公式（12）、公式（a-1）及公式（11）带入公式（8）中，则得到hti型裂缝储层p波入射，p波反射的反射系数方程为：（13）其中：，，
，
35.为了消除背景各向同性反射系数与裂隙诱导方位各向异性反射系数间的表达差异，根据mesdag和quevedo给出的准弱度参数概念，提出一种新的裂隙密度参数化方法，即，其中，代表裂缝密度在全工区的平均值；可将qe称为准裂缝密度参数，则公式（13）可变换为：（14）弹性阻抗是一种层属性，而且弹性阻抗反演方法比avo同步反演方法的稳定性更强；因此，本实施例研究了基于hti介质弹性阻抗的脆性参数和裂缝参数预测方法。根据connolly的弹性阻抗概念，可扩展得到方位弹性阻抗的定义，即（15）其中，ei和分别代表方位弹性阻抗及其上下层的平均值。
36.假设上下层介质性质差异较小，则，然后将公式（14）带入公式（15）可得：（16）对公式（16）等号两边同时求积分，并进行标准化处理，可得：
（17）其中，代表相应属性在全工区的平均值。
37.在本实施例中，采用约束稀疏脉冲反演方法反演每个方位的弹性阻抗。
38.约束稀疏脉冲反演是综合地震资料、测井数据和解释层位等基础数据，以地震解释层位作为地层控制格架，以测井数据为约束条件，从井点出发，由井旁道向外推内插完成地震反演。此方法保持了地震资料原有的横向分辨率，同时纵向上与测井数据吻合度较高。其主要过程可以分为以下三步：（1）通过最大似然反褶积求得一个具有稀疏特性的反射系数序列；（2）通过最大似然反演得到相对弹性阻抗；（3）将测井数据中的低频趋势补充到相对弹性阻抗中，得到地震资料的绝对弹性阻抗，完成整个反演过程；其中，约束稀疏脉冲反演的目标函数可写为：（18）其中，下标m代表第m个采样点，是入射角为θ，方位角为
ϕ
的弹性阻抗反射系数；和分别代表实际和合成地震记录；是通过测井数据估计的弹性阻抗梯度模型约束；和分别代表p阶和q阶范数；常数和是通过工区先验认识给定的权重系数，用于调节公式（18）中所包含的三项对反演结果的贡献度。
39.非线性反演算法，通过寻找公式（18）的全局最小值即可获得最优弹性阻抗反射系数估计，再利用道积分思想便可求得最终的方位弹性阻抗，即，其中，t0代表初始时刻，ti代表第i时刻。
40.当目标储层拥有n个反射界面，采用p个方位角，每个方位角m个入射角的地震记
录，公式（17）可表达为矩阵形式：（19）其中,其中,,其中，，，，，，，，，
，，，，，，，，。
41.由于模型参数间的相关性会导致反演结果的不稳定，利用协方差矩阵奇异值分解思想消除模型参数的相关性。
42.假设模型参数的协方差矩阵可表示为：；利用奇异值分解方法，协方差矩阵可写为
（20）其中，是由特征值组成的对角矩阵，是由特征向量组成的单位正交阵。
43.因此，n个界面的去相关矩阵可表示为：（21）其中，代表kronecker积，是l阶单位矩阵。所以，去相关后的正演算子可写为：（22）柯西分布表征变量具有稀疏分布特征，基于bayesian反演理论，将柯西分布作为先验概率密度函数来提高反演结果的分辨率，高斯分布作为似然函数，则后验概率密度函数可写为：（23）其中，代表噪音方差，代表模型参数的方差；是指数函数。
44.针对公式（23）的最大后验概率估计，可将其等效写为：（24）通过融合从测井、地质等方法获得的初始模型低频信息，最终的目标函数可写为：（25）
式中，，，表示模型参数的初值；代表模型参数的约束系数，控制低频约束模型对反演结果的贡献度；对公式（25）求解，可得（26）式中，，。
45.其中，称为柯西稀疏矩阵。
46.采用迭代重加权最小二乘算法即可求解公式（26），获得杨氏模量、泊松比、质量密度和准裂缝密度的估计；准裂缝密度可直接指示裂缝发育情况，将估计的杨氏模量和泊松比带入rickman脆性指数表达式，即可实现岩石脆性的描述，rickman脆性指数bi可表示为：（27）其中，下标min和max分别代表相应参数在全工区的最小值和最大值，可通过测井数据等先验信息获得。除此之外，本实施例中所提出的方法应用到实际工区时，需要根据工区先验信息，给出整个目标区的裂缝方位分布，并将方位地震数据中蕴含的裂缝方位全部校正到0度方向。
47.以中国某裂缝型页岩气工区为例进行本实施例中所介绍方法的合理性验证。
48.该工区的宽方位地震数据包括六个方位扇，即0度-30度、30度-60度、60度-90度、90度-120度、120度-150度及150度-180度，叠加后将每个角度范围的中间值作为该叠加数据的方位角。每个方位角对应的地震数据包括3个入射角，即10度，19度和29度。根据工区前期的勘探认识，采用方位角为15度和105度的地震数据进行方位弹性阻抗反演，最后采用本实施例提出的反演方法实现准裂缝密度及脆性参数的预测。
49.反演的方位弹性阻抗在入射角和方位角域均存在差异，这为基于方位弹性阻抗的脆性参数和准裂缝密度参数估计奠定基础。在有效融合杨氏模量、泊松比、密度、准裂缝密度参数的低频先验信息后，进而可估计储层脆性参数。
50.目的层的准裂缝密度参数较大，表明裂缝较为发育，但脆性预测值较低。横向对比可发现，目的层整体表现出较好的工程甜点属性，即高脆性、高裂缝密度特征，可以沿层进行水平钻井作业。后期水平井钻进显示，目的层裂缝较为发育，脆性指数较高，是良好的油气储层；预测结果与实钻结果较为吻合，证明了本实施例所介绍方法的合理性。
51.本实施例推导了岩石力学参数和准裂缝密度参数表征的hti介质四参数反射系数方程，提出了一个基于贝叶斯反演框架的脆性参数和准裂缝密度参数反演方法；基于schoenberg线性滑动理论和born逆散射理论，在界面弱对比和裂缝密度较小的假设下，推导了杨氏模量、泊松比、质量密度和准裂缝密度表征的垂直裂缝储层pp波反射系数方程，并进一步给出了方位弹性阻抗方程，以提高脆性和准裂缝密度参数估计精度；然后结合bayesian反演框架，提出了裂缝型含气储层脆性和裂缝密度直接反演方法，工区案例证明所提方法是可行的。
52.本实施例所介绍的方法主要针对含气裂缝储层，但如果采用饱含水时的裂缝弱度参数表达式（即公式5）来重新参数化刚度矩阵，即公式（6），便可将本实施例中所介绍的方法扩展到含油水裂缝储层的工程甜点评价中。
53.实施例二本发明实施例二介绍了一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测系统。
54.如图3所示的一种基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测系统。
55.获取模块，被配置为获取hti型裂缝储层的第一刚性矩阵和第二刚性矩阵，计算准裂缝密度参数和pp波反射系数方程；构建方程模块，被配置为对所得到的pp波反射系数方程进行反演计算，构建方位弹性阻抗方程；参数预测模块，被配置为选择出以反演目标函数最小的方位弹性阻抗，使用被选择出的方位弹性阻抗预测hti型裂缝储层参数。
56.详细步骤与实施例一提供的基于方位弹性阻抗的hti型裂缝储层参数预测方法相同，在此不再赘述。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。