阅读说明：本技术 盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法 (Method for establishing salt-cemented sandstone rock physical model ) 是由 韩利 韩文明 阳怀忠 李欣 袁野 刘志国 程涛 黄健良 陈全红 刘新颖 于 2020-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法,其特征在于,包括如下步骤：1)首先根据测井、壁心分析资料获取岩石各组分参数,并根据岩石物理手册获取各组分纵、横波速度和密度值；然后设置岩石总孔隙度为石盐体积分量与岩石盐胶结后的有效孔隙度之和；2)根据步骤1)获取的参数,依次使用Voigt-Reuss-Hill模型、修改的Xu-White模型、Wood模型和Gassmann方程四个等效模型,建立盐胶结砂岩岩石物理等效模型。本发明能够基于该模型实现流体/固体替代。(The invention relates to a method for establishing a salt cemented sandstone rock physical model, which is characterized by comprising the following steps of: 1) firstly, acquiring parameters of each component of rock according to well logging and wall center analysis data, and acquiring longitudinal and transverse wave velocity and density values of each component according to a rock physics manual; then setting the total porosity of the rock to be the sum of the volume fraction of rock salt and the effective porosity of the cemented rock salt; 2) and (2) according to the parameters obtained in the step 1), sequentially using a Voigt-reus-Hill model, a modified Xu-White model, a Wood model and a Gassmann equation to establish a salt cemented sandstone rock physical equivalent model. The present invention enables fluid/solid substitution based on this model.)

盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法

技术领域

本发明涉及油气地球物理勘探领域，具体是关于一种盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法。

背景技术

西非盐下钻井揭示，部分砂岩因盐胶结而致密。盐胶结发育范围影响着油气田储量分布及勘探和开发策略。壁心砂岩薄片显示无盐胶结砂岩和盐胶结砂岩区别在于前者孔隙充填物为流体(包括气体)，而后者孔隙充填物中包含固体石盐。不同的孔隙充填物及不同充填物含量引起复杂的地震响应特征。因此，在潜在盐胶结发育区开展盐胶结砂岩和无盐胶结含油气砂岩地震响应特征研究尤为重要。

流体替代是研究地震响应随孔隙充填物变化而变化的常用手段，但目前基于Gassmann理论的传统流体替代技术要求孔隙连通、孔隙压力平衡、孔隙充填物剪切模量为零，仅适用于流体/流体替代。而盐胶结砂岩中固体石盐充填了孔隙，使得孔隙不再连通，孔隙充填物剪切模量也不再为零，孔隙压力不平衡，传统流体替代技术不适用于盐胶结砂岩地震响应特征研究中的流体/固体替代。

Ciz和Shapiro(2007)针对孔隙充填物为重油情况，在Gassman方程基础上拓展，提出了一种适用于剪切模量不为零的孔隙充填物的替代方程，但该方程仍然假设孔隙连通且孔隙压力一致，仍不适用于盐胶结砂岩情况，而且其他学者(Sun等，2018)通过物理实验和数值模拟证明该方程进行流体/固体替代预测存在误差。在没有新的有效的理论出现之前，利用岩石物理建模是最可行的实现流体/固体替代的思路，但目前尚无针对盐胶结砂岩的岩石物理模型。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，并能够基于该模型实现流体/固体替代。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，包括如下步骤：

1)首先根据测井、壁心分析资料获取岩石各组分参数，并根据岩石物理手册获取各组分纵、横波速度和密度值；然后设置岩石总孔隙度为石盐体积分量与岩石盐胶结后的有效孔隙度之和；

2)根据步骤1)获取的参数，依次使用Voigt-Reuss-Hill模型、修改的Xu-White模型、Wood模型和Gassmann方程四个等效模型，建立盐胶结砂岩岩石物理等效模型。

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，所述步骤1)中，岩石总孔隙为石盐体积分量与岩石盐胶结后的有效孔隙度之和为：

其中，为盐胶结前的岩石总孔隙度；f_halite为石盐体积分量；为岩石盐胶结后的有效孔隙度。

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，所述步骤2)包括如下子步骤：

①计算岩石基质等效模量和密度；

②计算岩石骨架等效模量和密度；

③计算孔隙混合流体等效模量和密度；

④计算饱和岩石等效模量和密度；

⑤计算岩石的纵波速度、横波速度和密度；

当岩石为干岩石，即岩石孔隙中未充填任何流体时，则跳过所述步骤③和步骤④；当岩石孔隙中充填有流体时，则实施步骤③和步骤④。

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，在所述步骤①中，利用Voigt-Reuss-Hill模型计算岩石基质等效模量，在Voigt-Reuss-Hill模型中，Voigt应变平均M_V是N种矿物混合物的等效弹性模量上限，Reuss应力平均M_R是等效弹性模量下限，Hill平均M_VRH是Voigt上限和Reuss下限的算术平均，即：

M_VRH＝(M_V+M_R)/2 (4)

其中，f_i，M_i分别是岩石基质第i个组成成分的体积分量和弹性模量；N为岩石基质组成成分的种类。

当式(2-4)中M为岩石体积模量和剪切模量时，分别通过式(5)和式(6)

计算岩石基质的等效体积模量K₀和等效剪切模量μ₀：

其中，K，μ分别是岩石基质第i个组成成分的体积模量和剪切模量；

同时，通过式(7)计算岩石基质的平均密度ρ₀：

其中，ρ_i是岩石基质第i个组成成分的密度；N为岩石基质组成成分的种类。

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，在所述步骤②中，利用修改的Xu-White模型计算岩石骨架等效模量，即通过求解线性常微分方程(8)和(9)分别计算岩石骨架的等效体积模量和等效剪切模量：

其中，和

别为有效孔隙度为时的岩石骨架(干岩石)的等效体积模量和等效剪切模量；系数p和q定义为：

其中，v_s和v_c分别为岩石骨架中砂岩(除黏土外的其他岩石基质)和泥岩(黏土)的体积分量，且v_s＝1-v_c；α为孔隙纵横比，α_s和α_c分别为砂岩和泥岩孔隙纵横比；T_iijj(α)和F(α)为关于孔隙纵横比的函数，

同时，通过式(12)计算岩石骨架的平均密度ρ_dry：

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，在所述步骤③中，利用Wood模型计算孔隙混合流体等效模量和密度，即通过式(13)和式(14)分别计算孔隙混合流体的等效体积模量K_fl和平均密度ρ_fl：

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，在所述步骤④中，利用Gassmann方程将孔隙混合流体加入岩石骨架模型，并通过式(15)和式(16)分别计算饱和岩石的等效体积模量K_sat和等效剪切模量μ_sat：

μ_sat＝μ_dry (16)

同时，通过式(17)计算饱和岩石的平均密度ρ_sat：

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，在所述步骤⑤中，当岩石为干岩石，即岩石孔隙未充填任何流体时(包括油、气或水)，利用所述步骤②

中输出的岩石骨架(干岩石)的等效体积模量、等效剪切模量和平均密度，分别通过式(18)、(19)和(20)计算岩石的纵波速度V_p、横波速度V_s和密度ρ：

ρ＝ρ_dry (20)

当岩石孔隙充填了流体时(包括油、气或水)，利用所述步骤④中输出的饱和岩石的等效体积模量、等效剪切模量和平均密度，分别通过式(21)、(22)和(23)

计算岩石的纵波速度V_p、横波速度V_s和密度ρ：

ρ＝ρ_sat (23)

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，该建立方法还包括如下步骤：

3)利用测井和壁心分析资料标定和验证盐胶结砂岩岩石物理等效模型，调整确定孔隙纵横比参数。

所述的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法，优选地，该建立方法还包括如下步骤：

4)利用标定好的盐胶结砂岩岩石物理等效模型实现流体/固体替代，获取石盐替换为流体或流体替换为石盐情况的弹性参数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明盐胶结岩石物理模型不仅适用于常规的流体/流体替代，同样适用于流体/固体替代。2、本发明中，石盐组分既作为孔隙充填物占据盐胶结前总孔隙空间，又是支撑岩石弹性模量的岩石基质。这种盐胶结砂岩岩石物理模型适用于固体充填孔隙或固液混合充填孔隙的情况，经测试该模型计算结果与实际测井结果吻合程度高，模型可靠。

附图说明

图1为壁心样本砂岩岩石薄片的示意图；其中，图1(a)展示的是无盐胶结砂岩薄片，图1(b)展示的是盐胶结砂岩薄片；

图2为砂岩岩石的构架示意图；其中，图2(a)是无盐胶结砂岩岩石的构架示意图，图2(b)是局部盐胶结砂岩岩石的构架示意图；

图3为盐胶结砂岩岩石组分的构成示意图；

图4为盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法流程图；

图5为盐胶结砂岩岩石物理等效模型的建立方法流程图；

图6为盐胶结砂岩岩石物理模型的验证图；

图7为不同石盐含量模型的弹性响应和振幅响应图；其中，图7(a)是不同盐含量砂岩地质模型图，图7(b-d)分别是速度、密度和纵波阻抗曲线图，图7(e-f)分别是地震记录和最大振幅曲线图；

图8为盐含量、总孔隙度和纵波阻抗之间关系模版图；其中，图8(a)是不同盐含量情况下的总孔隙度与纵波阻抗关系模版图，图8(b)是不同总孔隙度情况下的盐含量与纵波阻抗关系模版图；

图9为流体/固体(石盐)替代地震振幅响应图；其中，图9(a)是地质模型图，图9(b-e)分别是原地测井参数的盐胶结干砂岩地震记录图、岩石物理模型模拟盐胶结干砂岩地震记录图、岩石物理模型将石盐替换为水情况的地震记录图和岩石物理模型将石盐替换为气情况的地震记录图；

图10为该区基于流体/固体(石盐)替代的AVO响应图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在对本发明技术方案进行描述之前，首先有必要对盐胶结砂岩特征进行简单的说明，以便本领域技术人员更好地理解本发明技术方案的实质精神。图1(a)展示了无盐胶结砂岩薄片，该无盐胶结砂岩粒间孔隙发育，孔隙连通，被流体(包括油、气、水)充填，孔隙连通、孔隙压力平衡、孔隙充填物剪切模量为零；而图1(b)展示了盐胶结砂岩薄片，该盐胶结砂岩中粒间孔隙被固体石盐充填，孔隙不再连通，孔隙充填物剪切模量也不再为零。

如图2所示，根据岩石薄片，构建了无盐胶结砂岩和盐胶结砂岩岩石构架。砂岩主要由岩石矿物(石英、长石等)、岩屑、胶结物等固体部分和孔隙及孔隙充填物组成。无盐胶结砂岩和盐胶结砂岩区别在于前者孔隙中充填物为流体(包括气体)(见图1(a)和图2(a))，而后者孔隙充填物中包含了固体石盐(见图1(b)和图2(b))。

如图3所示，根据壁心分析，盐胶结前砂岩岩石主要由石英、长石、岩屑、胶结物、孔隙流体等组分构成，其中胶结物包括石英胶结(石英)、碳酸盐胶结(白云石)、黏土胶结(伊利时、绿泥石、高岭石)，孔隙流体为油、气或水。而盐胶结后石盐充填大部分孔隙空间，使得有效孔隙度降低。石盐作为固体与矿物颗粒胶结在一起，成为岩石基质的一部分，不仅会影响岩石的体积模量，同时会增加岩石剪切模量。

如图4所示，针对上述盐胶结砂岩特征，本发明提供的盐胶结砂岩岩石物理模型的建立方法包括以下步骤：

第一步：首先通过测井和壁心资料获取岩石各组分参数，包括岩石各组分体积分量及速度、密度等参数，并根据岩石物理手册(Mavko等，1998)获取各组分纵、横波速度和密度值；然后设置岩石总孔隙为石盐体积分量与岩石盐胶结后的有效孔隙度之和，即：

其中，

为盐胶结前的岩石总孔隙度；f_halite为石盐体积分量；为岩石盐胶结后的有效孔隙度。

第二步：如图5所示，根据第一步获取的参数，依次使用Voigt-Reuss-Hill模型、修改的Xu-White模型、Wood模型和Gassmann方程四个等效模型，建立盐胶结砂岩岩石物理等效模型，具体包括以下步骤：

1)计算岩石基质等效模量和密度：

在本发明中，利用Voigt-Reuss-Hill模型计算岩石基质等效模量，在Voigt-Reuss-Hill模型中，Voigt应变平均M_V是N种矿物混合物的等效弹性模量上限，Reuss应力平均M_R是等效弹性模量下限，Hill平均M_VRH是Voigt上限和Reuss下限的算术平均，即：

M_VRH＝(M_V+M_R)/2 (4)

其中，f_i，M_i分别是岩石基质第i个组成成分的体积分量和弹性模量；N为岩石基质组成成分的种类。

当式(2-4)中M为岩石体积模量和剪切模量时，分别通过式(5)和式(6)计算岩石基质的等效体积模量K₀和等效剪切模量μ₀：

其中，K_i，μ_i分别是岩石基质第i个组成成分的体积模量和剪切模量。岩石基质包括石英、长石、岩屑、常规胶结物及石盐等固体成分。

同时，通过式(7)计算岩石基质的平均密度ρ₀：

其中，ρ_i是岩石基质第i个组成成分的密度；N为岩石基质组成成分的种类。

2)计算岩石骨架等效模量和密度：

在本发明中，利用修改的Xu-White模型计算岩石骨架等效模量，即通过求解线性常微分方程(8)和(9)分别计算岩石骨架的等效体积模量和等效剪切模量：

其中，和分别为有效孔隙度为时的岩石骨架(干岩石)的等效体积模量和等效剪切模量；系数p和q定义为：

其中，v_s和v_c分别为岩石骨架中砂岩(除黏土外的其他岩石基质)和泥岩(黏土)的体积分量，并且存在v_s＝1-v_c的关系；α为孔隙纵横比，α_s和α_c分别为砂岩和泥岩孔隙纵横比；T_iijj(α)和F(α)为关于孔隙纵横比的函数，由Kuster和(1974)及Xu和White(1995)定义。

同时，通过式(12)计算岩石骨架的平均密度ρ_dry：

3)计算孔隙混合流体等效模量和密度：

在本发明中，利用Wood模型计算孔隙混合流体等效模量和密度，即通过式(13)和式(14)分别计算孔隙混合流体的等效体积模量(Reuss平均)K_fl和平均密度ρ_fl：

4)计算饱和岩石等效模量和密度：

在本发明中，利用Gassmann方程将孔隙混合流体加入岩石骨架模型，并通过式(15)和式(16)分别计算饱和岩石的等效体积模量K_sat和等效剪切模量μ_sat：

μ_sat＝μ_dry (16)

同时，通过式(17)计算饱和岩石的平均密度ρ_sat：

5)计算岩石的纵波速度、横波速度和密度：

在本发明中，当岩石为干岩石，即岩石孔隙未充填任何流体时(包括油、气或水)，利用所述步骤2)中输出的岩石骨架(干岩石)的等效体积模量、等效剪切模量和平均密度，分别通过式(18)、(19)和(20)计算岩石的纵波速度V_p、横波速度V_s和密度ρ：

ρ＝ρ_dry (20)

在本发明中，当岩石孔隙充填了流体时(包括油、气或水)，利用所述步骤4)

中输出的饱和岩石的等效体积模量、等效剪切模量和平均密度，分别通过式(21)、

(22)和(23)计算岩石的纵波速度V_p、横波速度V_s和密度ρ：

ρ＝ρ_sat (23)

在上述实施例中，当岩石为干岩石，即岩石孔隙中未充填任何流体时(包括油、气或水)，则跳过步骤3)和步骤4)；当岩石孔隙中充填有流体时，则实施步骤3)和步骤4)。

在上述实施例中，优选地，还可以包括第三步：利用已钻井实测资料(包括测井和壁心分析资料)对盐胶结砂岩岩石物理等效模型标定和验证。可调整确定孔隙纵横比参数，具体为：岩石孔隙纵横比参数是反应盐胶结砂岩受压实作用后孔隙形态的一个参数，影响岩石骨架等效模型的计算，表现为会整体影响模型计算弹性参数的值域范围。将壁心分析资料各组分体积含量作为模型输入，将模型模拟的盐胶结砂岩岩石弹性参数与井测数据对比，可标定盐胶结砂岩岩石孔隙纵横比参数。一个区域目的层范围内，因为成岩作用相似，该参数通常是固定的。该参数确定后，计算所有样本模型模拟结果与井实测数据相关度，相关度较大时证明模型有效，可以较好的模拟该区砂岩弹性参数。

在上述实施例中，优选地，还可以包括第四步：将模型用于流体/固体(石盐)替代，获取石盐替换为流体或流体替换为石盐情况的弹性参数，用以研究不同孔隙充填物类型和不同石盐含量情况下盐胶结砂岩岩石的弹性参数和地震振幅响应特征。

下面通过实施例对本发明的盐胶结砂岩岩石物理建模及基于该模型进行流体/固体替代做进一步介绍。

实施例1：

如图6所示，西非某气田局部发育盐胶结，依据上述盐胶结砂岩岩石物理模型建立流程，建立了该区主要目的层盐胶结砂岩岩石物理模型。模型计算结果与井测数据吻合度非常高，达到0.95，证明本发明的模型建立方法有效。

如图7所示，基于本发明盐胶结岩石物理模型，在总孔隙度不变的情况下，改变石盐含量，计算出不同石盐含量情况下的岩石纵、横波速度和密度。基于这些弹性参数，建立了一个盐含量变化砂岩地质模型。该地质模型中砂岩总孔隙度为16％，厚度为50m，上下为泥岩，石盐含量从左到右逐渐从0％变到16％(见图7a)。如图7(b-d)所示，随着盐含量的增加，砂岩纵、横波速度、密度和纵波阻抗(纵波速度和密度的乘积)均增加。如图7(e和f)所示，总孔隙度一定的情况下，石盐含量越高，反射振幅越大。

如图8所示，基于盐胶结砂岩岩石物理模型，通过模拟不同盐含量、不同总孔隙度情况的砂岩弹性参数，建立了不同盐含量情况下总孔隙度与纵波阻抗关系模版，及不同总孔隙度情况下石盐含量与纵波阻抗关系模版。其中，图8(a)是不同盐含量情况下的总孔隙度与纵波阻抗关系模版；图8(b)是不同总孔隙度情况下的盐含量与纵波阻抗关系模版。

如图9所示，基于盐胶结砂岩岩石物理模型可以进行流体/固体(石盐)替代。其中，图9(a)是地质模型，砂岩厚度为50m，原地砂岩为盐胶结干砂岩，砂岩孔隙度和盐含量参数来源于壁心样本分析，砂岩总孔隙度为16％，砂岩盐含量为9.6％。如图9(b-c)所示，岩石物理模型模拟的盐胶结干砂岩地震响应与原地实测盐胶结砂岩地震响应一致，模型有效。如图9(b-c)所示，该区盐胶结砂岩具有强振幅反射特征。如图9(d)所示，无盐胶结含水砂岩为中弱振幅反射特征，如图9(e)所示，无盐胶结含气砂岩为弱振幅反射特征。

如图10所示，基于流体/固体替换得到的弹性参数，可以计算不同孔隙充填物情况下砂岩的AVO响应特征。该区主力目的层盐胶结砂岩为I类AVO特征，无盐胶结含水砂岩为弱I类AVO特征，而无盐胶结含气砂岩为IIp类AVO特征。

综上所述，本发明与现有技术具有明显的区别，其主要为以下几点：1、目前普遍使用的流体替代技术基于Gassmann理论，假设岩石孔隙连通、孔隙压力一致且孔隙填充物剪切模量为零，这使得流体替代理论仅适用于流体与流体(包括气体)间的替代，而不适用于流体/固体间的替代；本发明盐胶结岩石物理模型不仅适用于常规的流体替代，同样适用于流体/固体替代。2、石盐组分既作为孔隙充填物占据盐胶结前总孔隙空间，又是支撑岩石弹性模量的岩石基质。这种盐胶结砂岩岩石物理模型适用于固体充填孔隙或固体和流体同时充填孔隙的情况；3、利用本发明盐胶结砂岩岩石物理模型，可以求取不同盐含量和不同总孔隙度等多种情况下砂岩的纵、横波速度和密度等弹性参数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。