天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统

本发明属于地球物理测井，具体地说，涉及一种天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统。

背景技术：

1、自然界中的天然气水合物（以下简称“水合物”）广泛存在于永久冻土带和陆缘外围的海底沉积物中，尤其后者具有分布广、资源量巨大、密度高等特点，自20世纪60年底至今一直被许多国家重点研究，被誉为清洁、高效、储量丰富的新型清洁能源。地球物理测井（以下简称为“测井”）是水合物识别的主要信息来源之一，可以揭示水合物及伴生游离气的原位性质和评价水合物储层参数，其中水合物饱和度的估算是其核心关键任务，对于水合物甜点区的优选和后续勘探有着至关重要的作用。

2、现有水合物饱和度评价方法普遍沿用针对压实成岩作用的油气储层模型，如阿尔奇公式（简称：archie）或其衍生变形、威里平均时间公式（简称：wyllie）、多相wood方程等，对具有“弱胶结、细粒度、低孔径”未成岩特征的海底含水合物沉积物，上述饱和度计算模型估算结果往往与实际情况存在较大差异，难以满足水合物高效勘探开发需求。显然，上述模型不适用于水合物饱和度计算主要源于地质沉积特征的显著差异，给水合物饱和度评价和甜点预测带来了巨大挑战，因此，亟需发展新的、科学有效的水合物饱和度估算方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的等上述问题，提供一种天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统，能够快速、准确地预测天然气水合物饱和度，降低了解释结果的不确定性。

2、本发明第一方面，提供了一种天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法，其具体步骤为：

3、s1、根据天然气水合物储层的文献调研结果，构建理论储层模型，确定储层物性参数；

4、s2、基于声学多尺度岩石物理模型对理论储层模型进行正演模拟，得到理论储层模型的声学参数；

5、s3、基于电阻率三相物理模型对理论储层模型进行正演模拟，得到理论储层模型的电阻率；

6、s4、以声学参数和电阻率为输入、以天然气水合物饱和度为输出构建深度残差网络模型，根据步骤s2得到的声学参数和步骤s3得到的电阻率建立训练集，将训练集输入深度残差网络模型中进行训练得到训练后的深度残差网络模型；

7、s5、根据目标工区储层的声学参数和电阻率构建待测试集，将待测试集输入至训练后的深度残差网络模型中进行迁移学习，得到目标工区储层的天然气水合物饱和度。

8、在一些实施例中，所述步骤s3中，所述电阻率三相物理模型包括孔隙填充水合物的电阻率三相物理模型和胶结水合物的电阻率三相物理模型，其中：所述孔隙填充水合物的电阻率三相物理模型表示为：

9、

10、其中：

11、

12、

13、式中， rt_p为孔隙填充水合物沉积物的电阻率， rf为孔隙流体的电阻率， ϕ为孔隙度， rm为将水合物颗粒与固体颗粒等效为一种颗粒的等效电阻率， rs为固体颗粒的电阻率， rh为天然气水合物颗粒的电阻率， f为电流偏离比例， g为平均几何因子， βs为固体颗粒的体积分数， βh为天然气水合物颗粒的体积分数， sh为天然气水合物饱和度；

14、所述胶结水合物的电阻率三相物理模型表示为：

15、

16、式中， rt_c为胶结水合物沉积物的电阻率， r2t_c为两相介质的等效电阻率， rf为孔隙流体的电阻率， β为孔隙水或流体相所占的体积分数， β= ϕ(1- sh)。

17、在一些实施例中，所述孔隙填充水合物的电阻率三相物理模型的构建方法为：

18、对于孔隙填充水合物，水合物颗粒相当于孔隙流体中的孤立颗粒，将水合物颗粒与固体颗粒等效为一种颗粒，这种颗粒的等效电阻率表示为：

19、

20、则将三相介质转化为两相介质，得到孔隙填充水合物的电阻率上限 rhs+_p和孔隙填充水合物的最大几何等效电阻率 rgeo_p表示为：

21、

22、

23、定义电流偏离比例为 f， f=(1- ϕ)，根据电流偏离比例 f、hashin-shtrikman电导率上边界和最大几何等效电导率计算两相介质的真实电导率，所述两相介质的真实电导率表示为：

24、

25、结合电导率与电阻率的反比关系，将孔隙填充水合物的电阻率上限和最大几何等效电阻率的表达式代入两相介质的真实电导率的表达式，得到孔隙填充水合物沉积物的真实电阻率表示为：

26、

27、所述孔隙填充水合物沉积物的真实电阻率的表达式即为所述孔隙填充水合物的电阻率三相物理模型。

28、在一些实施例中，所述胶结水合物的电阻率三相物理模型的构建方法为：

29、对于胶结水合物，水合物颗粒堵塞相邻孔隙之间的连接，含水合物沉积物中只存在固体颗粒和水合物颗粒两相介质，即水合物颗粒代替了孔隙流体，则两相介质的电阻率上限 rgeo_c和电阻率下限 rhs+_c分别表示为：

30、

31、

32、其中：

33、

34、式中， rgeo_c为两相介质的电阻率上限， rhs+_c为两相介质的电阻率下限， βh1为两相介质中水合物的体积分数；

35、定义电流偏离比例为 f， f=(1- ϕ)，根据电流偏离比例 f、hashin-shtrikman电导率上边界和最大几何等效电导率计算两相介质的真实电导率，所述两相介质的真实电导率表示为：

36、

37、结合电导率与电阻率的反比关系，将两相介质的电阻率上限和两相介质的电阻率下限的表达式代入两相介质的真实电导率的表达式，得到两相介质的等效电阻率表示为：

38、

39、将孔隙水随机添加到水合物与固体颗粒组成的两相介质中，电流直接流经孔隙水，即流体相完全隔离，固体相全部连接，此时，hashin-shtrikman电导率下边界 σhs_可表示为：

40、

41、式中， σs和 σf分别表示固体相和流体相的电导率， β为孔隙水或流体相所占的体积分数；

42、结合电导率与电阻率的反比关系及胶结水合物固体相电导率 σs=1/ r2t_c，将两相介质的等效电阻率 r2t_c代入hashin-shtrikman电导率下边界 σhs_中，计算得到胶结型水合物沉积物的真实电阻率 rt_c，所述胶结型水合物沉积物的真实电阻率表示为：

43、

44、所述胶结型水合物沉积物的真实电阻率的表达式即为所述胶结型水合物的电阻率三相物理模型。

45、在一些实施例中，所述步骤s4中，所述深度残差网络模型通过短路的连接方式，直接把输入传到输出作为初始结果，输出结果表示为：

46、

47、式中，为输出结果，为残差， x为输入。

48、在一些实施例中，所述步骤s4中，所述深度残差网络模型采用resnet-18网络结构，在卷积层与激活层之间放置bn层，在卷积层的残差结构中采用relu函数作为激活函数。

49、在一些实施例中，所述步骤s2中，所述声学多尺度岩石物理模型的构建方法为：

50、s21、将喷射流模型加入到kuster-toksöz模型中，计算水合物颗粒的等效体积模量和水合物等效剪切模量；

51、s22、根据wood公式计算含水合物沉积物的孔隙流体的等效体积模量和等效剪切模量分别表示为：

52、

53、式中， kf为孔隙流体的等效体积模量， gf为孔隙流体的等效体积模量， sw为孔隙水饱和度， sg为游离气饱和度， sh为天然气水合物饱和度， kw为孔隙水的体积模量， kg为游离气的体积模量；

54、根据hill平均方程计算固体相的等效体积模量和等效剪切模量表示为：

55、

56、式中， ks为固体相的等效体积模量， gs为固体相的剪切模量； m为固体相中存在的矿物成分的种类数量， ki为固体相中第 i种矿物成分的体积模量， gi为固体相中第 i种矿物成分的剪切模量， fi为固体相中第 i种矿物成分的体积分数；

57、s23、将步骤s21得到的水合物颗粒的等效体积模量和等效剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入胶结砂岩模型中，得到颗粒涂层水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将步骤s22得到的固体相的体积模量和剪切模量代入hashin-shtrikman模型，得到颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；将石英颗粒的体积模量和剪切模量代入hashin-shtrikman模型中，得到孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量；

58、s24、联合步骤s22中得到的孔隙流体的体积模量和剪切模量以及步骤s23中得到的干岩石骨架的体积模量和剪切模量，根据biot-rayleigh双孔理论模型，得到接触胶结水合物、颗粒涂层水合物、颗粒支撑水合物、孔隙填充水合物四种不同赋存形态的含水合物沉积物的声波速度和声波衰减，即声学多尺度岩石物理模型。

59、在一些实施例中，在所述步骤s24中：

60、将步骤s22得到的孔隙流体的体积模量和剪切模量以及步骤s23得到的接触胶结水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入biot-rayleigh双孔理论模型，得到接触胶结水合物沉积物的声波速度和声波衰减；

61、将步骤s22得到的孔隙流体的体积模量和剪切模量以及步骤s23得到的颗粒涂层水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入biot-rayleigh双孔理论模型，得到颗粒涂层水合物沉积物的声波速度和声波衰减；

62、将步骤s22得到的孔隙流体的体积模量和剪切模量以及步骤s23得到的颗粒支撑水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入biot-rayleigh双孔理论模型，得到颗粒支撑水合物沉积物的声波速度和声波衰减；

63、将步骤s22得到的孔隙流体的体积模量和剪切模量以及步骤s23得到的孔隙填充水合物的干岩石骨架体积模量和干岩石骨架剪切模量代入biot-rayleigh双孔理论模型，得到孔隙填充水合物沉积物的声波速度和声波衰减。

64、在一些实施例中，所述biot-rayleigh双孔理论模型的波动方程为：

65、

66、

67、

68、

69、式中， n、 a、 qi、 ri为刚性系数， i=1,2， u为固体平均粒子位移，、分别为 u的一阶导数和二阶导数，、、为固体、孔1流体与孔2流体的位移场散度；, i=1,2,3， j=1,2,3是密度参数，是主相流体的密度，、分别是水饱和孔隙和水合物饱和孔隙的孔隙度，、是两个区域的局部孔隙度，, i=1,2是耗散参数，是局部流动过程引起的流体应变增量，、分别是的一阶导数和二阶导数，是主相流体的粘度，是主相流体的渗透率；若水合物作为孔隙流体，是孔隙流体为地层水时的位移，是孔隙流体为天然气水合物/游离气的位移；若水合物作为岩石骨架，是孔隙流体为在宿主骨架中的流体时的位移，是孔隙流体为在水合物包裹体中的流体时的位移；

70、根据平面波分析法求解上式，带入平面纵波的解析解，得到：

71、

72、其中，表示接触胶结水合物或颗粒涂层水合物或颗粒支撑水合物或孔隙填充水合物的波数；、为方程的系数矩阵， i=1,2,3， j=1,2,3；

73、则声波速度和声波衰减的计算公式表示为：

74、

75、

76、其中，为含水合物沉积物的声波衰减； v为含水合物沉积物的声波速度；和分别取 k的实部和虚部。

77、本发明第二方面，提供了一种天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演系统，用于实现本发明第一方面所述天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法，所述系统包括：

78、数据获取模块，用于获取天然气水合物储层的文献调研结果以及目标工区储层的声学参数和电阻率；

79、储层模型生成模块，用于根据天然气水合物储层的文献调研结果生成理论储层模型；

80、参数确定模块，用于确定储层物性参数；

81、声学参数计算模块，基于声学多尺度岩石物理模型对理论储层模型进行正演模拟，得到理论储层模型的声学参数；

82、电阻率计算模块，基于电阻率三相物理模型对理论储层模型进行正演模拟，得到理论储层模型的电阻率；

83、数据集生成模块，根据声学参数计算模块得到的声学参数和电阻率计算模块得到的电阻率生成训练集，并将目标工区储层的声学参数和电阻率进行迁移学习得到待测试集；

84、模型生成及训练模块，用于以声学参数和电阻率为输入、以天然气水合物饱和度为输出生成深度残差网络模型，并根据训练集训练深度残差网络模型得到训练后深度残差网络模型；

85、饱和度计算模块，通过训练后深度残差网络模型对待测试集进行迁移学习，得到目标工区储层的天然气水合物饱和度。

86、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

87、（1）本发明天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统，联合声学与电学两种属性的测井参数构建深度残差网络模型，通过深度残差网络模型反演计算天然气水合物饱和度，相较于现有基于固结成岩的传统油气储层饱和度模型，即可以利用声波和电阻率测井数据相互约束，还可以提高反演计算天然气水合物饱和度的精度及方法的鲁棒性，降低了解释结果的不确定性。

88、（2）本发明天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统，提供的声学多尺度岩石物理模型考虑了四种不同的水合物赋存形态，整合了喷射流模型和biot-rayleigh双孔理论模型，与实际含天然气水合物沉积物储层赋存形态一致，能够精确描述不同赋存形态的含天然气水合物沉积物的水合物饱和度的声学相应规律，为深度残差网络模型提供声学响应的训练集数据。

89、（3）本发明提供的天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统，避免了通过水合物原位岩石物理实验构建饱和度解释模型的困难，且随着水合物的勘探开发深入，测量数据的增加，本发明天然气水合物饱和度声电测井联合智能反演方法及系统构建的深度残差网络模型预测水合物饱和度更加准确。