《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》是中國石油大學（華東）於2011年4月19日申請的發明專利，該專利的申請號為2011101129069，公布號為CN102253415A，公布日為2011年11月23日，發明人是杜啟振、王雪梅、張強，該專利屬於勘探地球物理學領域。
《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》特徵是利用裂縫等效介質理論定量表示裂縫特徵參數與等效介質彈性參數之間的關係，依據Bond變換和疊加原理建立裂縫網路各向異性等效介質模型的本構關係，並將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層的實際空間位置，建立實際地層裂縫等效介質模型；利用地震波場數值模擬手段建立起不同構造部位、不同岩性裂縫性儲層的地震回響模式。該發明涉及的是基於裂縫等效介質模型的裂縫性儲層地震回響模式的建立方法，實用性強，為從疊前地震資料識別裂縫性儲層提供了依據。
2014年11月6日，《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法
- 公布號：CN102253415A
- 公布日：2011年11月23日
- 申請號：2011101129069
- 申請日：2011年4月19日
- 申請人：中國石油大學（華東）
- 地址：山東省東營市東營區北二路271號中國石油大學學科建設處
- 發明人：杜啟振、王雪梅、張強
- 分類號：G01V1/40（2006.01）I
- 代理機構：東營雙橋專利代理有限責任公司
- 代理人：侯華頌
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在油氣勘探和開發過程中，常常需要藉助地震波場數值模擬手段來研究特定的複雜地球介質中地震波傳播規律。也就是說，人們可以通過正演的方法模擬地震波場的傳播，總結不同介質所對應的地震波場特徵得出規律性的認識，利用得出的一般規律從野外實際記錄中推斷特定的地球介質類型。截至2011年4月，裂縫性油氣藏是石油增儲上產的重要新領域。裂縫儲層極大的影響了地震波在地球介質中的傳播規律，岩石中裂縫的存在，會引起儲層地震波反射特徵的改變，從而在地震剖面上指示裂縫的存在。因此，利用已知的裂縫介質模型進行地震波場數值模擬，建立裂縫的地震回響模式用於裂縫識別成為可能。要實現裂縫性儲層地震波場數值模擬，需要解決的關鍵技術在於在儘可能多地利用裂縫的特徵參數建立準確表征裂縫介質的地球等效介質模型。對於具有強各向異性特徵的裂縫性儲層，簡單的介質模型和速度、密度等彈性參數僅能反映背景岩層信息（如岩性等），描述裂縫的眾多特徵參數（如裂縫密度、裂縫開度等）無法直接用於波場數值模擬運算，因此需要尋求其它方法對其進行深入研究。將裂縫性介質進行等效的方法是研究裂縫介質的普遍方法。這種等效方法反映的是介質內全部裂縫所引起的巨觀地震波場效應，可以表征裂縫介質的整體特徵。2011年4月前，研究裂縫對地震波傳播影響的巨觀地球等效介質模型包括Husdon理論、Thomsen理論和Schoenberg線性滑動理論等。但上述等效介質理論都只局限於理論研究，沒有開展利用地震波場數值模擬手段建立基於裂縫等效介質理論的實際地層裂縫等效介質模型的地震回響模式的方法，無法為地下裂縫性儲層的檢測提供識別依據。
發明內容
專利目的
《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》的目的就是針對2011年4月前已有技術存在的上述缺陷，提供一種基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法，為從疊前地震資料識別裂縫性儲層提供依據。
技術方案
《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》包含以下步驟：
步驟a、通過野外露頭及岩心觀察，定量表征裂縫特徵參數；
步驟b、利用裂縫等效介質理論建立裂縫網路各向異性等效介質模型；
步驟c、將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層的實際空間位置，建立實際地層裂縫介質模型；
步驟d、進行地震波場數值模擬；
步驟c、建立裂縫儲層地震回響模式。
上述步驟a中所述的裂縫特徵參數為裂縫傾向、走向、密度、開度、充填物、岩性及埋藏深度。
上述步驟b中所述的利用裂縫等效介質理論建立裂縫網路各向異性等效介質模型，具體步驟包括：
b1、在裂縫特徵參數定量表征的基礎上，利用裂縫等效介質理論定量表示裂縫特徵參數與等效介質彈性參數之間的關係，得到簡單裂縫介質概念模型；
b2、基於簡單縫等效概念模型，利用Bond變換得到任意產狀裂縫等效模型；
b3、通過疊加原理建立裂縫網路各向異性等效介質模型。
4、根據權利要求1所述的基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法，其特徵在於，步驟c中所述的建立實際地層裂縫介質模型的具體步驟包括：
c1、統計實際地下裂縫的網路發育情況：①裂縫的特徵參數：裂縫傾向、走向、密度、開度、充填物、岩性、及埋藏深度；②不同構造部位裂縫發育情況；③不同岩性地層裂縫發育差異；④總結裂縫發育規律，對裂縫形成機制及發展規律進行充分認識；
c2、根據統計資料確定不同構造位置、不同岩性地層裂縫網路的具體組合及裂縫特徵參數的取值；
c3、綜合地震成果剖面和剖面所過井的測井資料，建立實際地層構造格架模型；
c4、將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層構造格架模型的實際空間位置，建立不同岩性、不同構造及裂縫發育位置情況下實際地層裂縫介質模型。
上述步驟d中所述的進行地震波場數值模擬，採用的方法是旋轉交錯格線有限差分技術，並綜合套用非分裂完全匹配層吸收邊界條件和自由地表邊界條件形成組合邊界條件。
上述步驟e中所述的建立裂縫儲層地震回響模式的具體步驟為：
e1、對實際地層裂縫等效介質模型進行正演模擬獲得的疊前炮記錄進行運動學特徵和動力學特徵分析，分析不同構造部位、不同岩性裂縫地層的疊前地震回響特徵；
e2、對實際地層裂縫介質模型進行正演模擬得到的疊加剖面進行分析，分析不同構造部位、不同岩性裂縫地層的疊後地震回響特徵；
e3、歸納總結不同裂縫發育模式在疊前炮記錄和疊加剖面上的地震回響特徵，最終建立裂縫儲層地震回響模式；同野外實際疊前炮記錄和疊加剖面進行綜合對比，依據建立的裂縫儲層地震回響模式預測裂縫發育區。
有益效果
根據實際地下裂縫的網路發育模式，參考不同岩性、不同構造部位裂縫參數統計資料，綜合地震解釋和測井資料，依據確定的裂縫網路的具體組合及給定裂縫特徵參數的取值，將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層的實際空間位置，建立不同岩性、不同構造及裂縫發育位置情況下實際地層裂縫等效介質模型，並採用地震波場數值模擬的手段建立起基於裂縫等效介質模型的地震回響模式，為地下裂縫性儲層的檢測提供識別依據。
附圖說明
圖1（a）為直立產狀平行裂縫示意圖。
圖1（b）為傾斜產狀平行裂縫示意圖。
圖2為裂縫網路組合模型示意圖。
圖3為背斜構造的傾末端發育裂縫示意圖。
圖4（a）為實際介質灰岩裂縫發育模型。
圖4（b）為實際介質白雲岩裂縫發育模型。
圖5（a）為背斜構造翼部模型。
圖5（b）為野外實際炮記錄。
圖5（c）為地震波場數值模擬炮記錄。
圖5（d）為炮點在208井實際炮記錄局部放大圖。
圖5（e）為地震波場數值模擬記錄局部放大圖。
圖5（f）為過208井地震疊加剖面。
圖6為裂縫性儲層地震回響模式建立流程圖。
權利要求
1.《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》其特徵是包含以下步驟：
步驟a、通過野外露頭及岩心觀察，定量表征裂縫特徵參數；
步驟b、利用裂縫等效介質理論建立裂縫網路各向異性等效介質模型；
步驟c、將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層的實際空間位置，建立實際地層裂縫介質模型；
步驟d、進行地震波場數值模擬；
步驟e、建立裂縫儲層地震回響模式。
上述步驟b中所述的利用裂縫等效介質理論建立裂縫網路各向異性等效介質模型，具體步驟包括：
b1、在裂縫特徵參數定量表征的基礎上，利用裂縫等效介質理論定量表示裂縫特徵參數與等效介質彈性參數之間的關係，得到簡單裂縫介質概念模型；
b2、基於簡單縫等效概念模型，利用Bond變換得到任意產狀裂縫等效模型；
b3、通過疊加原理建立裂縫網路各向異性等效介質模型。
上述步驟c中所述的建立實際地層裂縫介質模型的具體步驟包括：
c1、統計實際地下裂縫的網路發育情況：①裂縫的特徵參數：裂縫傾向、走向、密度、開度、充填物、岩性、及埋藏深度；②不同構造部位裂縫發育情況；③不同岩性地層裂縫發育差異；④總結裂縫發育規律，對裂縫形成機制及發展規律進行充分認識；
c2、根據統計資料確定不同構造位置、不同岩性地層裂縫網路的具體組合及裂縫特徵參數的取值；
c3、綜合地震成果剖面和剖面所過井的測井資料，建立實際地層構造格架模型；
c4、將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層構造格架模型的實際空間位置，建立不同岩性、不同構造及裂縫發育位置情況下實際地層裂縫介質模型。
上述步驟d中所述的進行地震波場數值模擬，採用的方法是旋轉交錯格線有限差分技術，並綜合套用非分裂完全匹配層吸收邊界條件和自由地表邊界條件形成組合邊界條件。
上述步驟e中所述的建立裂縫儲層地震回響模式的具體步驟為：
e1、對實際地層裂縫等效介質模型進行正演模擬獲得的疊前炮記錄進行運動學特徵和動力學特徵分析，分析不同構造部位、不同岩性裂縫地層的疊前地震回響特徵；
e2、對實際地層裂縫介質模型進行正演模擬得到的疊加剖面進行分析，分析不同構造部位、不同岩性裂縫地層的疊後地震回響特徵；
e3、歸納總結不同裂縫發育模式在疊前炮記錄和疊加剖面上的地震回響特徵，最終建立裂縫儲層地震回響模式；同野外實際疊前炮記錄和疊加剖面進行綜合對比，依據建立的裂縫儲層地震回響模式預測裂縫發育區。
2.根據權利要求1所述的基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法，其特徵是：步驟a中所述的裂縫特徵參數為裂縫傾向、走向、密度、開度、充填物、岩性及埋藏深度。
實施方式
實施例1：該發明實現其目的所採取的技術方案是利用裂縫等效介質理論定量表示裂縫特徵參數與等效介質彈性參數之間的關係，依據Bond變換和疊加原理建立裂縫網路各向異性等效介質模型的本構關係，並將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層的實際空間位置，建立實際地層裂縫等效介質模型；利用地震波場數值模擬手段建立起不同構造部位、不同岩性裂縫性儲層的地震回響模式。具體過程如下：
（1）開展野外露頭及岩心觀察，總結裂縫發育規律，對裂縫形成機制及發展規律進行充分認識，提取裂縫特徵參數。
（2）裂縫網路等效模型的建立
在裂縫特徵參數提取的基礎上，依據確定的裂縫網路的具體組合及給定裂縫特徵參數的取值，利用裂縫等效公式，可得到裂縫網路等效介質模型；具體步驟為：
a.針對簡單裂縫，即假設所含裂縫為一組定向平行直立裂縫，將裂縫長度、開度、裂縫充填物體積模量和剪下模量、裂縫密度這類裂縫特徵參數等效為裂縫的法向弱度ΔN和切向弱度ΔT參數，從而得到簡單裂縫（直立裂縫）引起的柔度矩陣S直立：
其中e為裂縫密度，k′和μ′為裂縫充填物的體積模量與剪下模量，λ和μ為介質的拉梅常數，a為裂縫的長度，c為裂縫的寬度，g是背景岩層縱橫波速度比。
b.根據裂縫的空間分布情況，即裂縫的方位角和傾角θ，將建立的簡單裂縫等效介質模型的柔度矩陣S直立進行Bond變換，將傾斜裂縫介質本構坐標系的彈性矩陣變換到觀測坐標下的彈性矩陣，建立任意方位角和任意傾角裂縫的等效介質模型，得到任意傾斜裂縫介質的彈性矩陣S傾斜：
其中Mθ和為Bond變換矩陣。
c.根據裂縫的空間分布情況，建立每組裂縫引起的相應的彈性柔度矩陣；按照疊加原理，將每組裂縫相應的彈性柔度矩陣Si與背景各向同性介質的柔度矩陣Sb相加得到裂縫組合形成的裂縫等效介質模型的柔度矩陣S；進行方程求逆，得到不同產狀裂縫組合而成的裂縫網路各向異性等效介質的剛度矩陣C，即
（3）實際地層裂縫等效介質模型的建立
根據實際地下裂縫的網路發育模式，參考不同岩性、不同構造部位裂縫參數統計資料，綜合地震解釋和測井資料，依據確定的裂縫網路的具體組合及給定裂縫特徵參數的取值，將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層的實際空間位置，建立不同岩性、不同構造及裂縫發育位置情況下實際地層裂縫等效介質模型，具體步驟包括：
a.統計實際地下裂縫的網路發育情況：①裂縫的特徵參數：傾角、開度、密度、厚度、充填程度；②不同構造部位裂縫發育情況；③不同岩性地層裂縫發育差異。總結裂縫發育規律，對裂縫形成機制及發展規律進行充分認識。
b.根據統計資料確定裂縫網路的具體組合及裂縫特徵參數的取值。
c.綜合地震資料和測井資料，建立實際地層構造模型。
d.將構建的裂縫網路等效介質模型置於地層構造模型的實際空間位置，建立不同岩性、不同構造及裂縫發育位置情況下實際地層裂縫等效介質模型。
（4）地震波場數值模擬
套用旋轉交錯格線有限差分技術得到裂縫等效介質一階速度-應力彈性波方程的正演模擬遞推格式，綜合套用非分裂完全匹配層吸收邊界（NPML）條件和自由地表邊界條件形成組合邊界條件進行地震波場正演模擬。
（5）建立裂縫儲層地震回響模式
對數值模擬獲得的波場快照和合成記錄進行分析，研究裂縫地層的地震回響特徵，根據裂縫儲層在實際地震記錄和正演模擬記錄的綜合對比分析，得到裂縫儲層地震回響模式，為裂縫檢測提供依據。具體步驟為：
a.對實際地層裂縫等效介質模型進行正演模擬獲得的疊前炮記錄進行運動學特徵和動力學特徵分析，研究不同構造部位、不同岩性裂縫地層的疊前地震回響特徵。
b.對實際地層裂縫等效介質模型進行正演模擬得到的疊加剖面進行分析，研究裂縫在疊後記錄中的地震回響特徵。
c.歸納總結不同裂縫發育模式（不同構造部位、不同岩性）在疊前炮記錄和疊加剖面上的地震回響特徵，最終建立裂縫儲層地震回響模式；同野外實際疊前炮記錄和疊加剖面進行綜合對比，依據建立的裂縫儲層地震回響模式預測裂縫發育區。
實施例2：通過勝利油區富台潛山裂縫性油藏為例並結合附圖來詳細說明該發明的內容及實現原理：
1.裂縫特徵參數定量描述
通過野外露頭觀測及實驗室岩心觀察，可獲得勝利油區的富台潛山裂縫性油藏的裂縫發育狀況，從中提取出裂縫的空間分布信息：裂縫的傾向（傾角）、走向（方位角）、裂縫的發育組數及分布情況（平面共軛、剖面共軛）；同時獲得描述裂縫的特徵參數：裂縫的密度、開度、延伸長度、充填物、裂縫層的厚度及裂縫背景層的岩性。
2.裂縫網路等效介質模型的建立
在實際地區裂縫特徵參數提取的基礎上，依據確定的裂縫網路的具體組合及給定裂縫特徵參數的取值，利用裂縫等效公式（1）～（4），得到裂縫網路等效介質模型；細化步驟為：
①針對簡單裂縫，即假設所含裂縫為一組定向平行直立裂縫，依據等效介質理論，利用公式（1）將裂縫長度、開度、裂縫充填物體積模量和剪下模量、裂縫密度特徵參數等效為裂縫的法向弱度ΔN和切向弱度ΔT參數，從而可得到直立裂縫引起的柔度矩陣。
②根據裂縫的空間分布情況，即裂縫的方位角和傾角θ，將建立的簡單裂縫等效介質模型的柔度矩陣按公式（3）進行Bond變換，將傾斜裂縫介質本構坐標系的彈性矩陣變換到觀測坐標下的彈性矩陣，如附圖1所示，建立任意方位角和任意傾角裂縫的等效介質模型，得到任意傾斜裂縫介質的彈性矩陣。
③按照疊加原理，將第②步得到的各種任意傾斜裂縫的彈性柔度矩陣與背景各向同性介質的柔度矩陣相加得到裂縫組合形成的裂縫等效介質模型的柔度矩陣，如附圖2所示；最後進行方程求逆，得到裂縫等效介質的剛度矩陣。
3.實際油藏裂縫等效介質模型建立
在對實際模型的處理中，參考潛山不同岩性、構造部位裂縫參數統計資料（表1），綜合地震解釋和測井資料，平面上分不同構造部位（軸部、翼部、傾末端），縱向上分不同的岩性段（灰岩、白雲岩），統計裂縫發育情況，構建實際地層裂縫等效介質模型，如附圖3所示為背斜構造的傾末端發育裂縫示意圖。
將構建的裂縫網路等效介質模型置於地下油藏實際空間位置，建立不同岩性、不同構造及裂縫發育位置情況下的實際油藏裂縫介質模型，如附圖4。採用地震波場數值模擬手段得到實際油藏裂縫介質模型的地震回響特徵。
模型基本參數 | 參數值 | 模型基本參數 | 參數值 |
裂縫傾角° | 90//75/45 | 裂縫切深，m | 50 |
裂縫密度，條/米 | 10 | 背景層岩性 | 灰岩/白雲岩 |
裂縫開度/毫米 | 5 | 背景層縱波速度，米/秒 | 6220/6554 |
裂縫充填物 | 油 | 背景層縱波速度，米/秒 | 3331/3544 |
裂縫厚度/米 | 200 | 背景層密度，克/立方厘米 | 2.79/2.84 |
4.基於旋轉交錯格線算法的地震波場數值模擬
基於彈性波一階速度-應力方程旋轉交錯格線高階有限差分方法，建立裂縫等效介質的正演模擬的遞推格式，採用非分裂完全匹配層（Non-spliting Perfect Match Layer，簡稱NPML）吸收邊界條件和自由邊界條件形成組合邊界條件，對建立的裂縫等效介質模型進行地震波場數值模擬。
5.建立裂縫儲層地震回響模式
利用根據富台潛山油藏建立的實際裂縫地層模型（附圖4）進行正演模擬，對於正演模擬獲得的波場快照和合成記錄進行運動學特徵和動力學特徵分析，研究不同構造部位、不同岩性裂縫地層的地震回響特徵，建立了不同構造部位裂縫網路的地震回響模式。
裂縫儲層在實際疊前地震記錄（附圖5b、附圖5d）中相應空間位置處表現為較弱的地震回響，即非雙曲線型、塊狀分布的連續弱反射特徵。而在對應的地震疊加剖面（附圖5f）中，裂縫引起的反射特徵非常微弱，難於識別裂縫回響特徵。依據“非雙曲線型、塊狀分布的連續弱反射特徵”的地震回響模式為裂縫預測提供依據。該發明對從疊前炮記錄中預測裂縫具有指導意義。
該發明所提供的裂縫性儲層地震回響模式建立方法的流程如圖6所示。
該發明實現了利用裂縫等效介質理論定量表示裂縫特徵參數與等效介質彈性參數之間的關係，建立了實際地層裂縫等效介質模型；採用地震波場數值模擬的手段建立了基於裂縫等效介質模型的地震回響模式，為地下裂縫性儲層的檢測提供了識別依據。
榮譽表彰
2014年11月6日，《基於裂縫等效介質模型的地震回響模式建立方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
