利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法与流程

本发明涉及石油地球物理勘探和岩石物理学，特别是涉及到一种利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法。

背景技术：

1、随着油气资源的需求量增加和地震采集、处理技术的不断发展，石油勘探的方向开始向着非常规油气藏发展。关于以页岩油气储层为代表的非常规油气藏的研究受到越来越多的关注，成为地震勘探研究的新热点和重要领域。

2、由于垂直裂缝的发育，页岩通常具有较强的方位各向异性。针对单组裂隙诱导的横向各向同性介质，目前应用较为广泛的方法，是通过走时、时差速度及振幅这些随方位变化的地震响应反演弹性参数和各向异性参数随方位变化的规律，从而通过弹性参数和各向异性参数将地震响应拟合为椭圆，根据椭圆率及椭圆半轴方向得到地层裂隙的走向和密度这些参数，指导页岩油气的勘探。

3、针对地下介质中较为复杂的方位各向异性，早已有许多研究者提出针对不同各向异性介质的理论及相应的各向异性参数，并研究了通过地震响应反演获取这些各向异性参数的方法。然而在得到这些各向异性参数之后，如何根据各向异性参数信息获得裂缝参数，相关的研究基本处于空白状态。

4、针对复杂各向异性介质的类thomsen各向异性参数往往有一个特点，即描述更加复杂的各向异性介质的类thomsen参数，也可以应用于较为简单的各向异性介质当中，在此过程中，部分各向异性参数表现为零值或相等的状态。因此，根据反演结果中相应各向异性参数为接近零的值或接近相等等信息，可以推断出介质各向异性的种类，但这对于裂缝预测是远远不够的。然而，裂缝参数转化为各向异性参数是一个非常复杂的过程，同时地震响应的反演往往无法获得全部的各向异性参数，因此通过各向异性参数进一步反演求取裂缝参数是较难完成的。

5、在申请号：cn202211202769.2的中国专利申请中，涉及到一种离散型裂隙傅里叶网络模型的构建方法及装置。该发明包括：获取多条岩体裂隙对应的多组表征参数，其中，每条岩体裂隙对应多组表征参数，一条岩体裂隙对应一条形态曲线，每条形态曲线对应至少一条波形曲线，一组表征参数为一条波形曲线对应的参数，波形曲线为形态曲线中按不同的波形分割出的曲线；依据多组表征参数以及傅里叶级数展开公式，确定多条节理迹线，其中，节理迹线用于表征对应的岩体裂隙的结构面的形态；依据多条节理迹线，构建离散型裂隙傅里叶网络模型。通过该发明，解决了相关技术中不存在统一的粗糙离散裂隙网络模型的技术问题。

6、在申请号：cn201811324201.1的中国专利申请中，涉及到多裂隙类岩石试样力学性质的几何损伤流变分析方法。步骤如下：(1)、构建多裂隙类岩石试样代表性单元的几何模型；(2)、定义多裂隙类岩石试样代表性单元的损伤张量；(3)、计算多裂隙类岩石试样中单组裂隙的损伤张量；(4)、计算多裂隙类岩石试样中多组裂隙的损伤张量；(5)、推导多裂隙类岩石试样有效应力公式；(6)、建立多裂隙类岩石试样几何损伤流变本构模型；(7)、多裂隙类岩石试样几何损伤流变本构模型程序化；(8)、统计工程岩体的几何裂隙参数，进行工程岩体的损伤流变特性数值模拟。

7、在申请号：cn202111446071.0的中国专利申请中，涉及到一种基于机器学习的岩体表征单元体积数值预测方法及系统。其中，该方法包括基于预先构建的合成岩体模型，获取多组岩体力学性质参数下的表征单元体积，得到样本数据集；对样本数据集进行归一化处理，并将岩体力学性质参数作为输入样本，将表征单元体积作为输出样本；将归一化处理后的设定数量的样本数据集用于训练模型，得到表征单元体积模型，建立岩体力学性质参数与表征单元体积之间的非线性数学关系；将归一化处理后的剩余样本数据集用于测试模型，通过回归分析指标，定量判断模型预测的准确性；基于岩体表征单元体积预测模型及工程岩体力学性质参数，预测出工程岩体表征单元体积，作为数值模拟的基本单元。

8、以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种将基于复杂各向异性介质理论求出的各向异性参数进行组合，得出能够直接表征介质裂隙方向属性的指示参数的利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法。

2、本发明的目的可通过如下技术措施来实现：利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法，该利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法包括：

3、步骤1、选取指示参数；

4、步骤2、进行裂隙诱导介质指示参数建模；

5、步骤3、采用指示参数近似表征反射p波走时及nmo速度；

6、步骤4、采用指示参数表征裂隙性质。

7、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

8、在步骤1，指示参数fra1＝δx+δy，用于表征裂隙之间夹角，指示参数fra2＝χz，用于表征裂隙平均走向角；其中δx，δy以及χz来源于基于任意各向异性介质理论的wa参数。

9、在步骤1，δx，δy以及χz的表达式为：

10、

11、其中，aij＝cij/ρ，cij表示介质刚度系数矩阵中的元素，ρ表示介质的密度，α表示参考各向同性介质p波速度。

12、在步骤2，假设介质是具有线性连续边界的、充填物模量较小的介质；裂隙诱导各向异性岩石的等效柔度系数矩阵s表示为：

13、s＝s0+sf1+sf2, (2)

14、其中，s0是各向同性围岩的等效柔度，sfi是由第i组裂隙引起的等效柔度。

15、在步骤2，各向同性围岩的柔度系数矩阵s0为：

16、

17、公式(3)中，λ和μ为拉梅常数，在应力-应变关系中表示介质相关的量；对于裂隙引起的等效柔度矩阵，由于涉及到裂隙的方位角，因此需要首先确定全局坐标系；假设一笛卡尔坐标系作为全局坐标系，其x3轴是垂直方向的，x1，x2轴是水平方向且相互正交；对称轴平行于x1轴的裂隙，其引起的等效柔度矩阵sf为：

18、

19、其中，kn为法向柔量，kt为切向柔量；对于一组法向方向与x1轴方向夹角为的裂隙，其引起的等效柔度矩阵可以运用bond变换，在公式(4)所示矩阵的基础上进行推导：

20、

21、bond变换矩阵为：

22、

23、其中，转换矩阵r为：

24、

25、法向柔量kn和为切向柔量kt可以通过两个无量纲的参数δn和δt进行表示：

26、

27、

28、δb和δt分别表示沿裂隙对称轴方向和垂直于裂隙对称轴方向的由裂缝引起的弹性参数差值，其变化范围为0-1。

29、在步骤2，当裂隙满足以下假设时：

30、(1)裂隙定向排列且系数分布于背景介质中，裂隙尺寸远小于地震波波长；

31、(2)裂隙是相互独立的薄扁球体，流体不能在裂隙之间流动，裂隙纵横比较小；

32、(3)裂隙内的气体、液体以及其他物质的体积模量和剪切模量都比背景介质小；

33、δn和δt可以在不同情况下通过公式进行求取。

34、在步骤2，当裂隙中填充较小体积模量和剪切模量的固体时：

35、

36、

37、其中，k′和μ′分别为填充介质的体积模量和剪切模量，e为裂隙密度，d为裂隙纵横比。

38、在步骤2，当裂隙为干裂隙时：

39、

40、

41、其中，e为裂隙密度。

42、在步骤2，当裂隙中填充无粘滞流体时：

43、δn＝0, (14)

44、

45、其中，e为裂隙密度。

46、在步骤2，在求得裂隙诱导各向异性岩石的等效柔度系数矩阵s之后，可以通过求等效柔度系数矩阵s的逆矩阵获得介质的等效刚度系数矩阵：

47、c＝s-1, (16)

48、根据公式(1)，即可求得对应的指示参数。

49、在步骤3，根据指示参数涉及的wa参数，近似表示的单层水平界面二维坐标系下反射p波走时近似公式为：

50、

51、其中，t0表示参考各向同性介质中的零偏双程走时：

52、

53、表示层厚度归一化的偏移距：

54、

55、为传播因子：

56、

57、公式(17)-(20)中，x表示偏移距，h表示反射层深度，α表示参考各向同性介质中的p波速度；εx，εz分别代表介质在坐标轴x1、x3方向p波相速度与参考速度α的差异；δy代表介质在坐标轴x2方向p波速度的变化梯度。

58、在步骤3，在三维坐标系下，传播因子变为：

59、

60、公式(21)中，εx，εy，εz分别代表介质在坐标轴x1、x2、x3方向p波相速度与参考速度α的差异；δx，δy，δz代表介质在坐标轴x1、x2、x3方向p波速度的变化梯度；χz代表在平面(x1,x2)内p波偏离轴向的程度；ξ16，ξ26代表在平面(x1,x2)内p波方向与快、慢s波方向的偏离程度；nmo速度vnmo的平方的相反数：

61、

62、通过预处理信息得到介质的p波速度vp0，并设定α＝vp0，则εz＝0，nmo速度公式变为：

63、

64、三维坐标系下：

65、

66、公式(24)中的参数wij为以下形式：

67、w11＝α-2(1-2δy)，

68、w12＝-2α-2χz，

69、w22＝α-2(1-2δx)， (25)

70、在实际生产中，可根据公式(17)或公式(24)反演获取wa参数，并进一步获取本发明中涉及的指示参数。

71、在步骤4，指示参数fra1不随裂隙平均走向角的变化而变化，仅随裂隙之间夹角σ变化；当σ＝0°时，指示参数fra1最大，随着σ增大，指示参数fra1的值逐渐减小，当σ＝90°时，指示参数fra1的值最小；在实际生产中，指示参数fra1可以用于判断介质中裂隙之间夹角的大小，指示参数fra1的值越大，证明裂隙之间夹角σ越小。

72、在步骤4，指示参数fra2既随裂隙平均走向角的变化而变化，也随裂隙之间夹角σ变化；但是对于任意裂隙之间夹角σ，指示参数fra2随裂隙平均走向角的变化规律相同，均为正弦变化，周期为180°。

73、在步骤4，在实际生产中，裂隙的方位角可以通过改变全局坐标系得方向而改变，因此可以通过以下方式计算裂隙得方位角：

74、(1)确定一个观测系统的局部坐标系，此时假设裂隙平均走向角为求出该全局坐标系下的指示参数

75、(2)将观测系统坐标系旋转45°，此时假设裂隙平均走向角为求出该全局坐标系下的指示参数

76、(3)求得介质的全局参数

77、(4)裂隙平均走向角可通过公式求出；

78、(5)全局参数fra2_max不随裂隙平均走向角变化，也可以作为裂隙之间夹角σ得判定依据。

79、本发明中的利用裂隙介质裂隙方向属性指示参数表征裂隙性质的方法，通过引入线性滑动近似、bond变换以及适用于多组裂隙诱导各向异性介质的任意各向异性理论及对应的wa参数，提出了一组基于wa参数的裂隙平均方位角、裂隙之间夹角的指示参数：通过线性滑动近似及bond变换，建立了通过裂隙参数获取指示参数的方法；通过任意各向异性理论，建立了通过介质各向异性参数求取反射p波速度的方法，指出了指示参数与地震反射p波走时之间的关系；通过研究指示参数随隙平均方位角、裂隙之间夹角的变化规律提出指示参数表征裂隙性质的方法。为将各向异性参数反演结果应用于裂隙解释工作提供了一种新的有效的方法。

80、本发明的优点是解决了复杂各向异性介质中各向异性参数无法直接表示介质裂隙方向属性的问题，通过本发明中提供的方法，将基于复杂各向异性介质理论求出的各向异性参数进行组合，得出能够直接表征介质裂隙方向属性的指示参数，对将宽方位数据各向异性参数反演结果应用于裂隙方位属性解释工作中有着重要的意义。