多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统

本发明属于地球物理测井，涉及一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统。

背景技术：

1、近年来，石油与天然气新探明储量不断减少，寻找可替代能源成为当前全世界最急迫的研究课题之一。海底沉积物和大陆永久冻土带中蕴藏着大量以甲烷为主要成分的天然气水合物，资源潜力大、能量密度高、燃烧高效清洁，是非常理想的替代能源，作为未来战略资源已成为国际共识。据统计天然气水合物资源量是石油、天然气等常规能源的2倍多，天然气水合物将是油气勘探领域未来长期的研究热点。

2、天然气水合物的有效识别和饱和度评价是其试采的重要前提，测井是天然气水合物识别与评价的主要信息来源之一，水合物所具有的不导电、低密度、高声波速度、高含氢量等特性，为基于测井资料识别水合物并预测其分布提供了重要的依据。其中，基于声学岩石物理模型，可利用声波测井信息识别天然气水合物藏并进行天然气水合物饱和度评价解释。在声学性质上，天然气水合物的存在会引起储层声波速度的增加，同时也会引起声波频散与衰减的变化。声波频散是指声波在介质中传播的速度随频率变化而发生改变的现象，衰减则是指声波传播过程中波的振幅出现减弱的现象。声波在岩石中传播时，孔隙流体与固体基质之间会产生相对位移，该现象被称为波致流，会导致声波在岩石中传播时发生速度频散与能量衰减。根据波致流产生的压力梯度特征长度尺寸，可以将其分为三种尺度的流动：宏观尺度、微观尺度和介观尺度。其中：宏观尺度是指波长尺度，描述的是声波在岩石中传播时，波峰和波谷之间产生的压力梯度导致的波致流；微观尺度是指孔隙尺度，描述的是不同孔隙之间产生的局部压力梯度导致的波致流；介观尺度则是指远大于孔隙尺度但又远小于波长尺度的中间尺度。常规声学岩石物理模型仅仅考虑速度或单一尺度下的速度频散与衰减机制，将其应用于天然气水合物储层测井评价中，其识别精度和饱和度解释能力有限，无法准确预测估算储层水合物饱和度这一重要参数。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题，提供一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，考虑了宏观、微观和介观三种尺度波致流机制影响下的天然气水合物纵波速度频散特征和衰减特征，基于实际测井资料能够准确计算天然气水合物储层的水合物饱和度，实现天然气水合物储层的定量评价。

2、本发明第一方面，提供了一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法，其具体步骤为：

3、s1、获取目标层位深度区间上的不同测井曲线，基于不同测井曲线计算得到储层参数，并基于地区水合物储层实验或钻录井资料，给定初始水合物饱和度；所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；

4、s2、基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用vrh平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量，考虑孔隙流体类型，利用wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；

5、s3、利用等效自相容近似sca模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量，通过gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量表示为：

6、

7、式中， kdry为含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量， ksc为饱和流体岩石体积模量， kma为含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量， kf为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量， ϕ为含天然气水合物储层的地层孔隙度；

8、s4、利用固体基质体积模量和剪切模量将biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；

9、s5、利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量，并利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量构建多尺度岩石物理模型，进而通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；

10、s6、判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小；若误差最小，对应的水合物饱和度为目标层水合物饱和度；若误差不是最小，则改变水合物饱和度，重复步骤s2-s5，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度直至误差最小得到目标层水合物饱和度；

11、s7、重复步骤s2-s6，直至整个测井深度区间处理完毕，获得测井深度区间水合物饱和度变化曲线。

12、在一些实施例中，在所述步骤s1中，所述测井曲线包括自然伽马测井曲线gr、三孔隙度的声波时差测井曲线ac、体积密度测井曲线den，或自然伽马测井曲线gr、三孔隙度的声波时差测井曲线ac、补偿中子测井曲线cnl。

13、在一些实施例中，在所述步骤s2中，利用vrh平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：

14、通过公式（1）计算n种矿物颗粒组成的固体基质弹性模型上限，公式（1）表示为：

15、（1）

16、式中， mvoigt为固体基质弹性模型上限， fj为第 j个矿物组分的体积含量， mj为第 j个矿物组分的弹性模量；

17、通过公式（2）计算n种矿物颗粒组成的固体基质弹性模量下限，公式（2）表示为：

18、（2）

19、式中， mreuss为固体基质弹性模型上限；

20、利用vrh平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量表示为：

21、（3）

22、式中， mma为含天然气水合物沉积物的固体基质弹性模量， m为 k时，即 kma表示含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量， m为 g时，即 gma表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量。

23、在一些实施例中，在所述步骤s2中，所述wood公式表示为：

24、（4）

25、式中， kf为含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量， fj为第 j个矿物组分的体积含量， kj为第 j个孔隙流体组分的体积模量。

26、在一些实施例中，在所述步骤s3中，利用等效自相容近似sca模型计算得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量的具体方法为：

27、具有n种包含物材料的混合物等效自相容近似sca模型表示为：

28、（5）

29、式中， xj为第 j种包含物材料的体积分数， kj为第 j个孔隙流体组分的体积模量， gj为第 j个孔隙流体组分的剪切模量， ksc为饱和流体岩石体积模量， gsc为饱和流体岩石剪切模量， pj、 qj为第 j种包含物材料的几何因数；

30、以含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量 kma和固体基质剪切模量 gma作为起始值，利用同时迭代的方法求解所述等效自相容近似sca模型得到饱和流体岩石的体积模量和剪切模量。

31、在一些实施例中，在所述步骤s4中，得到等效于biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量的具体方法为：

32、引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将biot流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于biot理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：

33、

34、

35、其中：

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、式中，为纵波传播时等效于biot理论的等效固体基质体积模量，为横波传播时等效于biot理论的等效固体基质体积模量，为等效固体基质剪切模量， gma表示含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量， ρf为流体岩石密度， ρ为饱和流体岩石密度， kf为孔隙流体体积模量， kf大于0.5 gpa时视为相对不可压缩流体， t为曲折度， f(ξ)为粘弹性算子； η为孔隙流体粘度， ω为波频率， κ为地层渗透率；

43、引入复模量值与频率相关的固体基质体积模量和剪切模量，对纵横波在孔隙介质中传播时，将喷射流造成的速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量，分别表示为：

44、

45、

46、

47、其中：

48、

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、

57、

58、

59、式中，为纵波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，为横波传播时等效于喷射流理论的等效固体基质体积模量，为等效固体基质剪切模量， gma为含天然气水合物沉积物的固体基质剪切模量， λma为拉梅常数， ω0为在低频范围内一个足够小的的角频率， γ为裂缝孔隙纵横比， τ为一个时间尺度单位， kp为孔隙的空间可压缩性参数， kc为裂缝的空间可压缩性参数， i为虚数单位；

60、进而得到等效固体基质体积模量和剪切模量中相较于低频情况时的体积模量和剪切模量变化值、、、；

61、将biot流和喷射流导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到：

62、

63、

64、式中，为等效于biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量，为等效于biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效岩石固体基质体积模量。

65、在一些实施例中，在所述步骤s5中，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和含天然气水合物沉积物的干燥骨架剪切模量，公式（6）表示为：

66、（6）

67、其中：

68、

69、

70、

71、式中， ϕc为临界孔隙度， n为骨架颗粒间连接系数， p为有效压力， υ为岩石骨架固体基质的泊松比；

72、对于与频率相关的等效岩石固体基质体积模量和等效岩石固体基质体积模量，通过公式（6）计算得到含天然气水合物沉积物干燥骨架体积模量和剪切模量和。

73、在一些实施例中，利用球状斑块饱和模型计算得到的饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量表示为：

74、

75、其中：

76、

77、

78、

79、

80、式中， k∞为特征单元在高频极限下的体积模量， s1为饱和介质1的饱和度， s2为饱和介质2的饱和度， a1为特征单元中饱和介质1的饱和球体半径， a2为特征单元中饱和介质2的饱和球体半径， eg1为饱和介质1的等效gassmann体积模量， eg2为饱和介质2的等效gassmann体积模量， kf1为饱和介质1孔隙中流体的体积模量， kf2为饱和介质2孔隙中流体的体积模量；

81、所述多尺度岩石物理模型为：

82、

83、

84、式中， vp为水合物沉积物纵波速度， q-1为水合物沉积物衰减系数， gdry为岩石干燥骨架体积模量，re表示取实部，im表示取虚部， ρe为特征单元的等效密度，， ρma为岩石固体的密度， ρg为介质中气体的密度， ρw为水的密度， ϕ为孔隙度。

85、本发明第二方面，提供了一种多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的系统，包括：

86、获取装置，用于获取目标层位深度区间上的不同测井曲线、钻录井资料；

87、储层参数计算模块，用于基于不同测井曲线得到储层参数，所述储层参数包括地层矿物含量、地层孔隙度、地层渗透率、孔隙流体粘度；

88、饱和度设定模块，用于设定初始水合物饱和度和更新饱和度；

89、固体基质模量计算模块，基于所述储层参数，考虑地层矿物组分，利用vrh平均公式计算含天然气水合物沉积物的固体基质体积模量和剪切模量；

90、孔隙流体模量计算模块，基于所述储层参数，考虑孔隙流体类型，利用wood公式计算含天然气水合物沉积物的孔隙流体体积模量；

91、干骨架模量计算模块，用于利用等效自相容近似sca模型向固体基质中添加含有饱和流体的孔隙得到饱和流体岩石体积模量和剪切模量；并通过gassmann方程计算得到含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量；

92、等效固体基质模量计算模块，用于利用固体基质体积模量和剪切模量将biot流和喷射流机制导致的声波速度频散与衰减等效到岩石固体基质中，得到等效于biot理论和喷射流理论的含天然气水合物沉积物的等效固体基质体积模量和剪切模量；

93、等效干骨架模量计算模块，利用等效介质模型将岩石的干燥骨架体积模量与所述等效固体基质体积模量和剪切模量、岩石孔隙度和有效压力联系起来，计算得到含天然气水合物沉积物的等效干燥骨架体积模量和剪切模量；

94、饱和流体等效模量计算模块，利用球状斑块饱和模型计算得到饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量；

95、模型生成模块，基于含天然气水合物沉积物的干燥骨架体积模量和剪切模量、饱含流体的含天然气水合物沉积物等效体积模量生成多尺度岩石物理模型；

96、纵波速度与衰减系数计算模块，通过多尺度岩石物理模型计算得到水合物沉积物纵波速度和衰减系数；

97、判断模块，用于判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差是否最小，并在误差最小时输出目标层水合物饱和度；

98、曲线生成模块，用于根据判断模块输出的目标层水合物饱和度生成测井深度区间水合物饱和度变化曲线。

99、在一些实施例中，所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差最小时，则为目标层水合物饱和度，所述判断模块输出的目标层水合物饱和度为误差最小时对应的水合物饱和度；所述判断模块判断水合物沉积物纵波速度与声波测井的纵波速度误差不是最小，则输出更新命令至饱和度设定模块，以通过所述饱和度设定模块改变水合物饱和度，重新通过多尺度岩石物理模型计算水合物沉积物纵波速度，直至误差最小得到目标层水合物饱和度，并输出目标层水合物饱和度。

100、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

101、（1）本发明提供的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，综合考虑了宏观、微观和介观三种尺度波致流引起的纵波速度频散与衰减，建立了多尺度岩石物理模型，描述了三种尺度综合下的含天然气水合物沉积物纵波速度与衰减特征，能够准确表征不同参数条件下天然气含水合物岩心纵波速度与衰减特征，适用于松散沉积物的天然气水合物储层纵波速度和衰减表征。

102、（2）本发明提供的多尺度岩石物理模型估算水合物饱和度的方法及系统，基于实际测井资料建立声波测井响应与水合物储层参数之间的关系，对于松散沉积物的水合物储层饱和度预测效果要优于常规的三相声波方程，对于不同赋存状态的水合物，本发明的多尺度岩石物理模型通过考虑不同水合物临界饱和度，达到了更好的预测效果，能够实现天然气水合物储层的定量评价，丰富了天然气水合物储层中岩石物理理论技术及声波方法应用。