張明明,梁利喜,劉向君

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西南石油大學(xué),四川 成都 610500)

0 引 言

聲波在儲(chǔ)層中的傳播特性是預(yù)測地層流體分布、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征的有效手段,研究儲(chǔ)層孔隙中流體類型及含量變換對(duì)聲波特性的影響,對(duì)認(rèn)識(shí)油氣勘探中儲(chǔ)層、分析測井資料以及了解油氣開采過程中地下巖石物性的變化都具有重要意義[1]。因此,圍繞聲波與地層含流體特性的關(guān)系,國內(nèi)外學(xué)者[2-9]進(jìn)行了大量的研究工作。劉斌等[10]綜合分析了不同孔隙度干燥和水飽和樣品縱橫波速度及衰減的差別,劉向君等[11]研究了碳酸鹽巖孔洞特征對(duì)地震波參數(shù)的影響,隨著孔隙度密度的增加,縱橫波速度、振幅和品質(zhì)因子均成下降趨勢(shì),振幅和品質(zhì)因子比速度對(duì)孔密度的變化更為敏感;王森等[12]研究了碳酸鹽巖含氣飽和度對(duì)超聲波衰減特性的影響,但未考慮圍壓的影響。施行覺等[13]對(duì)縱橫波速和衰減Q值隨飽和度的變化進(jìn)行了理論分析,發(fā)現(xiàn)含水飽和度較小時(shí)縱波波速基本保持不變,含水飽和度大于60%后,縱波速度顯著增加;而當(dāng)飽和度低于某值時(shí),Q值明顯下降,隨后Q值基本不變或略有上升。譚廷棟等[14]提出了縱橫波速比直觀指示砂巖氣藏的解釋方法,并采用中子與密度孔隙度以及沖洗帶和原狀地層含水孔隙度作驗(yàn)證,提高了直觀指示氣層的可靠性,但該方法能否用于裂縫性碳酸鹽巖氣藏有待進(jìn)一步研究。王東[15]、梁利喜[16]等利用數(shù)值方法研究了巖石孔隙及流體對(duì)聲波傳播規(guī)律的影響。周志國[17]對(duì)巖樣縱波3層db1小波包分解表明,飽水巖樣最低頻率范圍內(nèi)縱波信號(hào)能量所占比例大于其烘干狀態(tài)下的比例,高頻段信號(hào)能量比例逐漸趨于一致。朱洪林等[18]對(duì)碳酸鹽巖聲波傳播特性研究認(rèn)為利用縱橫波速比識(shí)別儲(chǔ)層時(shí)還需結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)才能做出更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià),但是作者未能進(jìn)一步探討振幅及頻譜特性與飽和度的關(guān)系。

本文測試了碳酸鹽巖縱橫波速度隨含水飽和度及圍壓的變化規(guī)律,研究了波速、縱橫波速比及聲波的衰減特性隨含水飽和度的變化,解釋了聲波傳播特性隨含水飽和度變化的內(nèi)在機(jī)理,并對(duì)比分析了聲波波速與衰減特性對(duì)含水飽和度的敏感性。研究結(jié)果可以更好地反映地層條件下聲波的響應(yīng)特點(diǎn),為預(yù)測孔洞、裂縫發(fā)育的復(fù)雜碳酸鹽巖儲(chǔ)層含流體情況提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

選取某地區(qū)具有代表性的不同孔洞發(fā)育程度的9塊碳酸鹽巖加工成Φ100 mm×105 mm的圓柱形全直徑巖樣,在40 ℃溫度下,烘干巖樣72 h,然后放入干燥皿中冷卻。測量巖樣長度、直徑、干重等參數(shù),利用SCAR-Ⅱ型高溫高壓全直徑測量儀對(duì)巖樣孔隙度和滲透率進(jìn)行測量(見表1),同時(shí)測得原巖不同圍壓下的縱橫波速度,視為含水飽和度為0時(shí)的聲波速度。

表1 巖樣基本參數(shù)

*非法定計(jì)量單位,1 mD=0.987×10-3μm2,下同

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮嫉貙铀再|(zhì),在實(shí)驗(yàn)室中配制相應(yīng)地層的模擬地層水。為使巖心充分飽和地層水,將巖樣抽真空后飽和地層水,并靜置24 h,使巖樣充分飽和,建立巖樣100%地層水飽和點(diǎn)。然后采用自然風(fēng)干法分別獲得100%、60%、50%、20%及0%的含水飽和度。含水飽和度的計(jì)算公式為

(1)

式中,Sw為含水飽和度;m烘干為巖心烘干后質(zhì)量;m飽和為巖樣浸泡24 h后的質(zhì)量;m為巖心自然風(fēng)干過程中的質(zhì)量。

1.2 測試方法

實(shí)驗(yàn)在常溫下采用西南石油大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的SCAR-Ⅱ新型全自動(dòng)巖心測量系統(tǒng),對(duì)具有不同含水飽和度的巖樣進(jìn)行不同圍壓作用下的縱橫波速度測量。激發(fā)頻率為50 kHz的探頭發(fā)射超聲波脈沖,接收探頭將透射后的聲波信號(hào)經(jīng)過示波器顯示,并通過Ultra Scope軟件采集接收端探頭聲波波形,采樣間隔為2 μs,采樣個(gè)數(shù)為600個(gè)。測試原理如圖1所示。

為了解地層條件下聲波傳播規(guī)律,進(jìn)行不同圍壓下實(shí)驗(yàn)巖心的縱波和橫波速度的檢測實(shí)驗(yàn),分別測量0、10、20、40、50 MPa及60 MPa圍壓下的縱橫波速度。

圖1 超聲波測試流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同含水飽和度對(duì)波速的影響

波的走時(shí)為波在樣品和儀器系統(tǒng)中傳播的時(shí)間總和。系統(tǒng)基時(shí)通過用標(biāo)準(zhǔn)金屬不銹鋼標(biāo)塊進(jìn)行標(biāo)定確定。根據(jù)樣品的長度和超聲波通過樣品的時(shí)間,樣品的波速按式(2)計(jì)算

巖石波速=巖樣長度/(聲波到時(shí)-系統(tǒng)基時(shí))

(2)

圖2 S-3巖心在不同含水飽和度條件下的聲波速度

本文選取具有代表性的不同孔隙度巖樣縱橫波速度隨飽和度的變化曲線(見圖2至圖4)。從圖2(a)至圖4(a)中可以看出,縱波速度均隨含水飽和度的增大逐漸增大。對(duì)比圖2(a)至圖4(a)可以發(fā)現(xiàn),無論壓力條件如何,巖石的速度與飽和度均呈線性關(guān)系,孔隙度越大對(duì)飽和度變化的靈敏度越高。對(duì)不同飽和度下的縱波速度線性回歸可以發(fā)現(xiàn),巖心L-2的縱波波速隨飽和度增大曲線的最大斜率為1.438 9,而巖心S-3最大斜率僅為0.275。從圖2(b)至圖4(b)可以看出,橫波速度隨飽和度的增大略有減小或基本不變,橫波速度不能作為識(shí)別含水飽和度的方法。除此之外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,縱橫波速度均隨圍壓的增大迅速升高。因此,在利用聲波測井資料解釋儲(chǔ)層含水飽和度時(shí)要考慮儲(chǔ)層的上覆巖層壓力及孔隙壓力的影響。在不同圍壓下,縱橫波波速隨含水飽和度的變化均較小,且受到多種因素的共同作用,因此,采用首波觸發(fā)機(jī)制的常規(guī)聲波波速信息,并不能很好地識(shí)別出氣層或水層。

當(dāng)孔隙介質(zhì)含氣時(shí),縱橫波速比將隨之減小,即使含少量氣體,也會(huì)造成比值明顯下降,可以將Sw=100%時(shí)的縱橫波速比作為背景值判斷儲(chǔ)層含流體變化情況。巖樣在不同含水飽和度下的縱橫波速比如圖5所示。隨著含水飽和度的增加,縱橫波速比呈增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)轱柡瑲鈨?chǔ)層含水后,縱波速度將隨之增加,而橫波速度不受流體影響,因而縱橫波速比也隨之增加。同一巖樣、同一飽和度狀態(tài)下,在不同圍壓下縱橫波速比沒有明顯的變化規(guī)律。但是圍壓越高、孔隙度越小,縱橫波速比隨含水飽和度的變化越不明顯。此外,縱橫波速比不僅與儲(chǔ)集層所含流體的性質(zhì)有關(guān),而且還受巖性、孔隙度、巖石所承受的有效應(yīng)力、裂縫等因素的影響。

2.2 不同含水飽和度對(duì)聲波衰減影響研究

在低孔隙度高壓儲(chǔ)層中波速及縱橫波隨含水飽和度的變化很小,難以有效地識(shí)別水層或氣層,需要對(duì)聲波的傳播特性隨含水飽和度的變化作進(jìn)一步的探索。研究表明振動(dòng)振幅隨距離的增加[12],呈指數(shù)規(guī)律變化,衰減系數(shù)的計(jì)算公式可以表示為

α=(lnA0-lnA)/L

(3)

式中,A0為發(fā)射探頭波形的最大幅度,V;A為聲波透射過巖心后最大首波振幅,V;α為聲波衰減系數(shù),dB/m;L為巖心長度,m。

如圖6所示,含水飽和度增加,衰減系數(shù)在縱波與橫波曲線上呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律?？v波衰減系數(shù)隨含水飽和度增加,呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),且在Sw=40%～70%的范圍內(nèi)達(dá)到最大;而橫波衰減系數(shù)隨含水飽和度的增加呈不斷增大趨勢(shì)。利用上述規(guī)律,可以綜合利用縱橫波資料進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià),對(duì)儲(chǔ)層含水飽和度進(jìn)行預(yù)測。當(dāng)含氣飽和度較高時(shí)縱、橫波的衰減較小;當(dāng)含水飽和度較高時(shí)縱波衰減小而橫波衰減較大。

圖3 M-1巖心在不同含水飽和度下的聲波速度

圖4 L-2巖心在不同含水飽和度下的聲波速度

圖5 巖心縱橫波速比柱狀圖

圖6 圍壓60 MPa時(shí)巖心縱橫波衰減系數(shù)

3 變化機(jī)理分析

根據(jù)彈性波速度公式

(4)

式中,k為介質(zhì)的體積模量;μ為介質(zhì)的剪切模量;ρ為密度。

對(duì)于縱波,水會(huì)從2個(gè)方面影響巖心中波速的傳播:①水進(jìn)入巖心孔隙及裂縫中增大樣品的體積模量,使得縱波速度增大;②巖心含水后會(huì)引起密度的增大,降低波速。在實(shí)驗(yàn)圍壓范圍內(nèi),體積模量變化的影響作用高于密度對(duì)波速的影響;當(dāng)壓力更高時(shí),縱波波速的變化還有待驗(yàn)證。

對(duì)于橫波,它是一種剪切波,在傳播時(shí)不會(huì)引起介質(zhì)和孔隙體積的變化,也不會(huì)引起飽和度的變化,且流體本身不具有抗剪能力,橫波不能在氣體或液體中傳播,因此,S波速度不受含水飽和度變化的影響,基本保持不變或略有減小;部分測試點(diǎn)略有減小的原因認(rèn)為水分子浸入巖心后由于表面張力吸附在巖石顆粒表面,由于水的潤滑作用,減弱了橫波引起的顆粒間的摩擦作用,但該作用影響微弱;實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)個(gè)別測試點(diǎn)S波波速略有上升,認(rèn)為其原因可能是在圍壓作用下水本身具有的黏滯性增強(qiáng),使巖心裂縫或孔洞中的流體具有一定傳播S波的能力,另外根據(jù)式(2)可以發(fā)現(xiàn)巖心含水后密度增大,也會(huì)引起S波速度的衰減。因此,S波隨飽和度的變化會(huì)出現(xiàn)略有減小或升高的現(xiàn)象。

超聲波在巖石中的衰減主要由波前擴(kuò)展、散射及介質(zhì)的黏滯性和熱傳導(dǎo)引起[9]?？v波在介質(zhì)中傳播是由于介質(zhì)體積的變化(壓縮和膨脹)而產(chǎn)生的。當(dāng)含水飽和度較低時(shí),由于表面張力作用,水分子吸附在巖石顆粒或裂縫表面,對(duì)衰減的影響較小,表現(xiàn)為巖石對(duì)彈性波的黏滯性吸收增大,衰減亦增大;當(dāng)含水飽和度增大以后,水集中在巖石孔隙中,波傳播時(shí)又引起了液體與固體的接觸表面能的變化,進(jìn)而引發(fā)了能力的耗散,此時(shí)衰減與振動(dòng)引起的固液接觸表面積成正比;另一方面,水振動(dòng)以后會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)壓力,同樣會(huì)吸收聲波能量,完全飽水后,振動(dòng)引起的固液接觸面積減小,振動(dòng)引起的水的波動(dòng)空間減小,同時(shí),飽水巖樣介質(zhì)的不均勻性較干燥情況下有很大改善,聲波散射損失大大減小。因此,當(dāng)含水飽和度為50%及60%時(shí)衰減較大。另外,橫波主要是由于介質(zhì)的切向擾動(dòng)而傳播的,隨著含水飽和度的增加,縫洞表面液相潤濕面積逐漸增大,巖石顆粒間切向摩擦的降低使橫波傳播更加困難,橫波衰減逐漸加劇。因此,飽水后縱橫波的衰減表現(xiàn)出截然相反的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1) 常壓下,飽和水巖樣縱波速率比烘干時(shí)增大5.24%～15.05%;在圍壓60 MPa環(huán)境下,飽和水巖樣縱波速率比烘干時(shí)僅增大2.94%～8.92%;在高壓低孔隙度碳酸鹽儲(chǔ)層中,僅利用縱波波速不易識(shí)別出水層或是氣層。

(2) 常壓下,飽和水巖樣比烘干時(shí)縱橫波速比值增大7.67%～42.82%;在圍壓60 MPa時(shí),飽和水情況下比烘干時(shí)增大5.63%～23.38%。相比于波速,縱橫波速比對(duì)含水飽和度的變化更加敏感,能更好地識(shí)別氣層及水層。

(3) 對(duì)聲波衰減特性隨含水飽和度變化情況的研究發(fā)現(xiàn),即使在高壓狀態(tài)下,隨含水飽和度的變化縱波衰減系數(shù)變化率為37.74%～103.08%,平均為81.59%;橫波衰減系數(shù)變化率為61.02%～196.78%,平均為112.3%。即同波速及縱橫波速比相比,衰減系數(shù)隨巖石飽和度的變化敏感性更高。但巖樣飽和水時(shí)縱波衰減系數(shù)與烘干時(shí)相比,未出現(xiàn)一定規(guī)律,應(yīng)結(jié)合橫波衰減系數(shù)或波速信息綜合確定氣層或是水層。

(4) 本文研究結(jié)果對(duì)于正確利用聲波全波資料評(píng)價(jià)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層具有一定的指導(dǎo)作用和應(yīng)用價(jià)值,對(duì)現(xiàn)有研究起到一定的補(bǔ)充作用。

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