基于全波波形时频分析的方法对地质储存的应用研究

黄宇迪

（长江大学，湖北武汉 430100）

天然气近年来作为一种新兴产业资源，正在很多方面得到应用，许多产业发展和技术进步都与天然气紧密相关，它是一种优质能源，同时也是未来能源工业发展的基石。我国也十分重视天然气产业的发展，并已将其纳入国家发展战略，最近一段时间我国天然气产业规模发展迅速，中东部以及西部部分地区都有发现较多天然气能源。随着工业化程度的不断加深，以及社会生产生活对天然气的依赖程度持续加深，天然气在我国能源产业结构中占据较大份额，如何改进天然气勘探技术已经是学界和社会各界探究的热点问题。在天然气勘探技术中，测井技术是较为重要的一项技术，它能够便于我们准确识别和评价天然气，帮助我们了解地下气层基本情况，并且其技术地位也日益提高。

1 多极子阵列声波波形数值模拟及分析软件

该软件以多极子声波测井井孔声场理论为基础，借助双相介质孔隙地层模型，可以仿真出单极、偶极、四极作用下出现的声场，借助两步走的方案对波形进行统计分析。先分析二维谱，再结合具体需求挑选合理的声波源头和其激发主频，该方案能够合理地多次利用二维谱的信息，进而大大提升工程进度，并且软件还能实现波形的时频分析，便于人们及时获得仿真模拟的数据及结果。

2 多极子阵列声波波形数值模拟

计算数值的方法有实轴积分法以及牛顿迭代法两种，借助上述方法能够得到各向可性孔隙地层充液井孔中单极和偶极声源作用下出现的二维谱与波形。在求解过程中以中速砂岩孔隙地层为基准层，计算数据以各种参数组合的方式呈现出来。

3 多极子声波测井响应特征分析

全波波形的组分波会受到气层的影响，借助观察与分析全波波形，能够帮助我们辨别含气储层所处的位置，下文将从单偶极全波波形以及含气的变化规律展开研究。

3.1 单极子全波波形变化特征

图1是孔隙度为10%，渗透率为10mD 时，从0到80%时含气饱和度单极全波波形的变化规律，该图像变化规律也反映了低孔隙度和低渗透率下含气饱和度单极全波波形的变化规律。由图1可知，含气饱和度与纵波波至来临时间呈现显著正相关，而与横波波至来临时间没有显著关系；含气饱和度越高，波的幅度越小，Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波幅度下降得很快，含气饱和度从零升高至60%时，Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波下降幅度很大。但是之后含气饱和度增长对于这两种波的影响效应就大大降低，波幅的下降速度减慢了很多。因此，在低渗透率和低孔隙度的前提下，含气饱和度与纵波波速呈显著负相关，而与横波波速没有显著关系，与Stoneley 波、pseudo-Rayleigh波的幅度呈现显著负相关，并且0＜含气饱和度＜60%时，这两种模式波很容易受到含气饱和度变化的影响。

图1 孔隙度为10%，渗透率为10mD全波波形与含气饱和度关系图

图2是孔隙度与渗透率处在中间水平，即孔隙度=20%，渗透率=100mD，含气饱和度由0 至80%时，反映单极全波波形的变化规律。和图1相比，变化规律大体相同。有所不同的地方在于，因为孔隙度、渗透率的提高，导致纵横波波至来临的时间都往后推迟，横波持续时间减少；而Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波的波幅受到含气饱和度的增加减弱得更快，含气饱和度从0升高到40%的过程中，这两种模式波的波幅减弱速度很快，幅度减少很多；一旦含气饱和度超过了40%这个临界点时，Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波幅度减弱趋势变缓。所以，可以得出，0＜含气饱和度＜40%时，两种模式波波幅很容易受到含气饱和度的影响。

图2 孔隙度为20%，渗透率为100mD全波波形与含气饱和度关系图

图3是在孔隙度与渗透率都较高的前提下经过实验得出的，即孔隙度=30%，渗透率=500mD，含气饱和度由0至80%时，单极全波波形图像变化规律。由图3可知，含气饱和度升高，纵波波至来临的时间点先是突然往后延迟，随后又呈现一种平稳的状态，纵波波幅呈现低速下行趋势；而横波基本没有受到影响；Stoneley 波幅度衰减很快，一旦含气饱和度提升至10%时，Stoneley 波消散，pseudo-Rayleigh 波幅度开始增加。因为孔隙度和渗透率条件都比较高，导致纵波波速马上减缓，Stoneley 波幅度下降很快。

图3 孔隙度为30%，渗透率为500mD，全波波形与含气饱和度关系图

3.2 偶极子弯曲波波形变化特征

图4是当孔隙度和渗透率都处于较低水平时，即令孔隙度=10%，渗透率=10mD 的条件下，含气饱和度由0增长至80%时，偶极弯曲波波形的变化规律。由图4可知，弯曲波波至来临的时间点与含气饱和度没有太大关联，而弯曲波高低频能量占比发生变化，含气饱和度增加，弯曲波低频能量占比逐渐增加，含气饱和度从0提高到50%时，弯曲波高频组分的比例快速下降，呈急速减弱趋势，随着含气饱和度进一步增加，弯曲波高频组分变化迅速减缓。所以，从图像变化上看，低水平的孔隙度和渗透率在含气饱和度与横波波速变化上基本没有影响，二者之间也不存在显著影响的关系，但是含气饱和度增加，弯曲波高频部分减弱得更加严重。所以，在低水平的孔隙度和渗透率的条件下，0＜含气饱和度＜50%时，偶极弯曲波的高频部分很容易受到含气饱和度变化的影响。

图4 孔隙度为10%，渗透率为10mD全波波形与含气饱和度关系图

图5 是在中等孔渗条件下，即孔隙度=20%，渗透率=100mD 时，含气饱和度由0增长至80%时偶极弯曲波全波波形的图像变化规律。由图5可知，含气饱和度与弯曲波波至时间没有显著影响关系，而低频弯曲波能量所占的比重逐渐增大。并且，含气饱和度从0升至30%时，高频弯曲波能量下降速度加快，当含气饱和度超过30%时，高频弯曲波能量变化幅度减缓。总的来说，弯曲波能量衰减程度严重，与图4相比，弯曲波频率组分稍有下降。但是含气饱和度与横波波速之间基本不存在相互影响关系。因为孔渗条件的升高，导致弯曲波的频率组分皆呈现出衰弱的趋势，并且高频能量衰弱的趋势较低频更为严重。

图5 孔隙度为20%，渗透率为100mD全波波形与含气饱和度关系图

图6 是当孔渗条件都处于高水平的条件下，即孔隙度=30%，渗透率=500mD，含气饱和度由0增长至80%时，偶极弯曲波波形的变化规律。由图6可知，当含气饱和度升高，弯曲波波至时间会有所下降，也就是横波波速有所加快，弯曲波减弱趋势很大，特别是高频部分的减弱趋势更加明显。总的来说，因为孔渗条件都处于较高水平，导致弯曲波高低频组分没有明确分界线，频率渐渐统一，而且减弱的趋势很明显，这也说明在0＜含气饱和度＜20%时，高频弯曲波很容易受到含气饱和度的影响。

图6 孔隙度为30%，渗透率为500mD全波波形与含气饱和度关系图

4 结论

从以往的成功经验可以得出，开挖和探索天然气储集层的过程中，最重要的是要对气层有一个精准辨识和评判。本文借助数值模拟软件，建立一套双相介质孔隙地层井孔声场模型，对各个储层条件不同的多极子阵列声波进行研究，得到测井的响应特点，得出对含气饱和度变化较为敏感的指标和参数，将其作为参考依据对气层进行辨识，获得了不错的成果。