基于多尺度岩石物理模型的井中水合物饱和度计算方法

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、s1、建立多尺度岩石物理模型，其具体步骤为：

4、s11、将喷射流模型加入到kuster-模型中，计算含气/水包裹体的水合物等效体积模量和水合物等效剪切模量；

5、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：

6、

7、式中，kf1为第一流体相的体积模量，kw为孔隙水的体积模块，kg为甲烷气体的体积模量，为水合物的等效体积模量，sw为孔隙水的饱和度，sg为甲烷气体的饱和度，sh为水合物的饱和度；

8、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：

9、

10、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：

11、

12、

13、式中，k为固体相的体积模量，g为固体相的剪切模量；kq为石英颗粒的体积模量，gq为石英颗粒的剪切模量，fh为在固体相中水合物的体积分数，fq为在固体相中水合物的体积分数；

14、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；

15、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；

16、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。

17、优选的，步骤s11中，所述喷射流模型表示为：

18、k′i＝k1i+iωkhτi

19、g′i＝iωμi

20、式中，k′i为包裹体的体积模量，g′i为包裹体的剪切模量，k1i为水合物包裹体和孔隙中的流体等效体积模量，下标i＝1,2,3,4,...,n，n为不同种类包裹体；kh为水合物的体积模量，下标h为水合物，τi为弛豫时间，ω为角频率，μi为水合物中包裹体的粘度；

21、将喷射流模型加入到kuster-模型中，计算得到水合物的等效体积模量和等效剪切模量表示为：

22、

23、

24、

25、式中，为水合物的等效体积模量，为水合物的等效剪切模量，gh为水合物的剪切模量，xi为第i中包裹体的体积分量；为几何因子，α为水和甲烷气包裹体的半径。

26、优选的，步骤s13中，所述胶结砂岩模型表示为：

27、

28、

29、式中，kdry为干岩石的体积模量，gdry为干岩石的剪切模量，mc为胶结物或水合物的体积模量，gc为石英颗粒或水合物的剪切模量；参数为与胶结的两颗粒组合体的正向成比例，与胶结的两颗粒组合体的剪切刚度成比例，参数和取决于胶结物的含量及胶结物和骨架颗粒的特性；n为颗粒配位数，在含水合物沉积物中取n＝8.5；φ0为沉积物的初始孔隙度；

30、当孔隙度小于临界孔隙度时，所述hashin-shtrikman模型表示为：

31、

32、

33、当孔隙度大于等于临界孔隙度时，所述hashin-shtrikman模型表示为：

34、

35、

36、式中，φ是孔隙度；φc是临界孔隙度，是临界孔隙度下的体积模量，是临界孔隙度下的剪切模量，是从k′和g'计算的矿物相的泊松比，k'是固体相或石英颗粒的体积模量，g'是固体相或石英颗粒的剪切模量，p是等效压力，

37、优选的，步骤s14中：

38、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；

39、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；

40、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；

41、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。

42、优选的，所述biot-rayleigh双孔理论模型的波动方程为：

43、

44、

45、

46、

47、式中，n、a、qi,、ri,i＝1,2是刚性系数，u是固体平均粒子位移，分别是u的一阶导数和二阶导数，ε、ζ(1)、ζ(2)表示固体、孔1流体与孔2流体的位移场散度；ρij,i＝1,2,3，j＝1,2,3是密度参数，ρf是主相流体的密度，φ1、φ2分别是水饱和孔隙和水合物饱和孔隙的孔隙度，φ10、φ20是两个区域的局部孔隙度，bi,i＝1,2是耗散参数，是局部流动过程引起的流体应变增量，分别是的一阶导数和二阶导数，η1是主相流体的粘度，κ1是主相流体的渗透率；若水合物作为孔隙流体，是第一流相体为地层水时的位移，是第二流体相为天然气水合物/游离气的位移；若水合物作为岩石骨架，是第一流相体为在宿主骨架中的流体时的位移，是第二流体相为在水合物包裹体中的流体时的位移；

48、根据平面波分析法求解上式，带入平面纵波的解析解，得到：

49、

50、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；aij、bij表示方程的系数矩阵，i＝1,2,3，j＝1,2,3；

51、则速度和衰减的计算公式表示为：

52、

53、

54、其中，q-1为衰减系数；v为含水合物沉积物的纵波波速；re(k)和im(k)分别取k的实部和虚部。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

56、(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-模型计算水合物等效弹性模量；根据wood公式和hill平均方程分别计算流体相和固体相的弹性模量；利用胶结砂岩模型计算接触胶结水合物和颗粒涂层水合物的干岩石骨架弹性模量，利用hashin-shtrikman模型计算孔隙填充水合物和颗粒支撑水合物的干岩石骨架弹性模量；联合流体相和干岩石骨架的弹性模量，根据biot-rayleigh理论模型，得到4种赋存形态的含水合物沉积物的纵波速度和衰减系数，即多尺度演岩石物理模型。本发明构建的多尺度演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，可以刻画含水合物沉积物储层的声学响应规律，进而利用声波测井进行含水合物沉积物的探测和识别。

57、(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。

58、(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。

59、(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。