張麗華，潘保芝，單剛義，雷 健.

(吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026)

基于縱橫波速度的致密砂巖氣層定性識別與定量計(jì)算方法研究

張麗華，潘保芝，單剛義，雷 健.*

(吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026)

利用聲學(xué)資料定量計(jì)算含氣飽和度一直是學(xué)者們探討的問題。本文參考地震勘探中縱橫波資料的應(yīng)用方法，通過綜合應(yīng)用密度測井得到的地層密度，以及陣列聲波測井得到的縱橫波數(shù)據(jù)，對致密砂巖儲層的流體性質(zhì)進(jìn)行定性識別和定量計(jì)算含氣飽和度，得到的結(jié)果與已有的試氣結(jié)論是一致的。本文提出的計(jì)算含氣飽和度的新方法，與常規(guī)電測井確定含氣飽和度方法相結(jié)合用于含氣儲集層的解釋與評價(jià)，可以提高解釋準(zhǔn)確性。

陣列聲波測井；含氣飽和度；氣層識別；縱橫波速度；骨架模量

含氣飽和度是油氣勘探和開發(fā)中需要確定的一個(gè)重要參數(shù)。在測井評價(jià)中,通常用各種電測井計(jì)算含氣飽和度。氣層的定性，主要是應(yīng)用電阻率、自然電位、自然伽瑪、聲波、中子和密度等測井資料來識別。應(yīng)用地震資料識別地層中的流體是儲層預(yù)測的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在地震勘探中，人們通常綜合利用地震縱波和橫波資料來反映儲層流體信息，提出了識別流體性質(zhì)的多種方法[1-6]，如流體因子法、阻抗法等。普通聲波測井只能得到縱波時(shí)差數(shù)據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲波測井探頭、聲波激發(fā)和接收方式都有了很大進(jìn)步，發(fā)展了陣列聲波測井儀，通過記錄多條曲線進(jìn)行相關(guān)和疊加處理，可以有效地壓制干擾，準(zhǔn)確提取縱波、橫波和斯通利波的各種信息。利用聲學(xué)資料定量計(jì)算含氣飽和度一直是學(xué)者們探討的問題。這不僅是測井評價(jià)的需求，也是應(yīng)用測井資料和地震資料綜合評價(jià)儲層的需要[7]。

在測井中，預(yù)測儲層流體性質(zhì)是儲層評價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于蘇里格氣田致密砂巖儲層具有低孔隙度、低滲透率、復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，利用常規(guī)測井資料對儲層含氣性進(jìn)行有效評價(jià)很難，因此，通常利用電阻率測井資料計(jì)算含水飽和度，從而判斷油氣水層。本文從地震勘探中縱橫波資料的應(yīng)用方法中得到啟發(fā)，通過綜合應(yīng)用密度測井得到的地層密度和縱橫波數(shù)據(jù)，對蘇里格氣田致密砂巖儲層的流體性質(zhì)進(jìn)行定性識別和含氣飽和度定量計(jì)算，為應(yīng)用電阻率資料計(jì)算含水飽和度判斷油氣水層提供了一種輔助手段。

1 基于縱橫波的定性識別方法

1.1 縱橫波時(shí)差比法

把地層完全被水飽和時(shí)的縱橫波速度比值作為背景值，在儲層中，氣的存在將引起縱橫波速度比的減小。當(dāng)縱橫波速度比的測量值小于背景值時(shí)，指示氣層；若兩者比較接近，則指示非氣層[8]?？v橫波時(shí)差比DTSC定義為：

(1)

式中DTSC——縱橫波時(shí)差比；

Δtc——縱波時(shí)差，μs/m；

Δts——橫波時(shí)差，μs/m。

1.2 體積壓縮系數(shù)法

由陣列聲波測井得到的縱橫波速度(vp、vs)及補(bǔ)償密度測井?dāng)?shù)據(jù)ρc，可以計(jì)算巖石體積彈性模量(K)和體積壓縮系數(shù)(C)：

(2)

(3)

式中vp——縱波速度，m/s；

vs——橫波速度，m/s；

ρc——補(bǔ)償密度測井?dāng)?shù)據(jù)，g/cm3；

K——巖石體積彈性模量，MPa；

C——巖石體積壓縮系數(shù)，MPa-1。

1.3 泊松比法

計(jì)算泊松比的公式為：

(4)

式中POSB——泊松比。

由以上公式可以看出：由于氣的存在，體積壓縮系數(shù)會增大，泊松比會減小，縱橫波時(shí)差比也減小。

1.4 縱波彈性模量差比法

巖石的等效彈性模量變化反映了巖石孔隙流體性質(zhì)的變化。在巖性和孔隙度相同的儲層，當(dāng)孔隙里含氣時(shí)，由于縱波時(shí)差變大和體積密度變小，使得縱波等效彈性模量也變??；當(dāng)孔隙里含水時(shí)，由于縱波時(shí)差變小和體積密度變大，相應(yīng)地縱波等效彈性模量也變大[9]。

巖石的縱波等效彈性模量計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中Ec——儲層的等效彈性模量，10-5N/cm2；

ρc——儲層的密度，g/cm3；

Ecw——儲層完全含水時(shí)的等效彈性模量，10-5N/cm2；

ρcw——儲層完全含水時(shí)的密度，g/cm3；

Δtcw——儲層完全含水時(shí)的縱波時(shí)差，μs/m；

DR——縱波等效彈性模量差比值。

如果DR大于零，則指示氣層。這里計(jì)算巖石的等效彈性模量，不用計(jì)算巖石的泊松比；在沒有橫波測井資料時(shí)，也可以使用。

2 基于Biot-Gassmann理論的定性識別與定量計(jì)算

巖石是有孔隙的礦物的集合體?？紫犊臻g中充填有一種或多種流體，當(dāng)波在巖石中傳播時(shí)，礦物骨架會發(fā)生變形，孔隙中的流體也會壓縮、伸展或是流動?；贐iot-Gassmann[10-11]理論和關(guān)系，縱波速度vp和橫波速度vs的計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

(10)

式中Kb——顆粒骨架的潤濕體積量，GPa；

N——顆粒骨架的剪切模量，GPa；

Kp——孔隙空間模量，GPa；

Km——巖石骨架的體積模量，GPa；

Kf——流體的體積模量，GPa；

α——柔量；

Ф——孔隙度，%。

W.MURPHY[12]收集了很多砂巖樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括巖樣的孔隙度，飽含氣時(shí)的縱波速度、橫波速度，以及飽含水時(shí)的縱波速度、橫波速度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了由氣飽和巖樣的速度計(jì)算骨架模量的公式。圖1和圖2分別是骨架剪切模量和骨架體積模量與孔隙度的關(guān)系圖，從圖中可以看出，骨架模量隨著孔隙度的增大而減小，骨架模量與孔隙度具有明顯的相關(guān)性。

(11)

(12)

圖1 骨架剪切模量與孔隙度關(guān)系Fig.1 Relationship between matrix shear modulus and porosity

圖2 骨架體積模量與孔隙度關(guān)系Fig.2 Relationship between matrix bulk modulus and porosity

定義

(13)

計(jì)算孔隙空間模量Kp的公式是：

(14)

流體的體積模量Kf的表達(dá)式為：

(15)

Km是巖石骨架的體積模量，對于砂巖，Km取44 GPa。

α是柔量，由下式計(jì)算：

(16)

Brie[13]在比較視流體模量與通過測井方法計(jì)算的沖洗帶流體飽和度之后，擬合出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：

(17)

由此可推出定量計(jì)算含氣飽和度Sg的公式：

(18)

式中Kg——?dú)獾捏w積模量，0.1 GPa；

Kw—— 水的體積模量，2.2 GPa；

Kfa——視流體體積模量，GPa；

Sxo——沖洗帶含水飽和度。

e——常數(shù)，對于砂巖，e=3。

3 應(yīng)用實(shí)例

鄂爾多斯盆地存在大面積低豐度巖性氣藏，其中蘇里格氣田是迄今為止我國陸上發(fā)現(xiàn)的最大天然氣田，是低滲透巖性氣藏的典型代表。蘇里格地區(qū)測井儲層評價(jià)仍面臨的主要問題為：一是致密砂巖氣層的孔隙度低和滲透率低，準(zhǔn)確識別氣層難度大；二是致密砂巖氣層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含氣飽和度低，氣水關(guān)系復(fù)雜，流體定量評價(jià)困難。在研究中，選取研究區(qū)有縱橫波測井資料的三口井，將以上方法運(yùn)用Fortran語言編程，掛接在Forward平臺上形成模塊，對實(shí)際井資料進(jìn)行了處理。

在以下各圖中，vp、vs是通過測井縱橫波時(shí)差計(jì)算得到的速度，(vp/vs)2指的是縱橫波速度比的平方，標(biāo)有“預(yù)測”的vp指的是通過橫波速度計(jì)算的縱波速度，標(biāo)有“預(yù)測”的其余各量是通過本文的相應(yīng)公式計(jì)算得到的。Sw是常用的應(yīng)用電阻率測井資料計(jì)算的含水飽和度，Sg是本文應(yīng)用縱橫波資料計(jì)算的含氣飽和度。

圖3是A井某井段的處理成果圖。在3655.4～3658.4 m層段從泊松比與體積壓縮系數(shù)的鏡像來看，有氣顯示；縱橫波速度比低于背景值1.6；縱波等效彈性模量差比值大于0，顯示氣；計(jì)算的縱橫波速度比的平方接近于理論氣線；預(yù)測的縱波速度與計(jì)算的氣層縱波速度接近，而偏離水層的縱波速度線；計(jì)算的孔隙流體體積模量很小，接近于0；計(jì)算的含氣飽和度Sg平均為60%，Sw平均為40%。綜合這些結(jié)果，將該層解釋為氣層。該層測試日產(chǎn)氣46849 m3，測試結(jié)論為氣層。解釋結(jié)論與測試結(jié)果一致。

圖3 A井某井段處理成果Fig.3 The results of an interval of well A

圖4 B井某井段處理成果Fig.4 The results of an interval of well B

圖4是B井某井段的處理成果圖。在3461.0～3465.6 m層段從泊松比與體積壓縮系數(shù)的鏡像來看，有氣顯示；縱橫波速度比稍低于背景值1.6；縱波等效彈性模量差比值大于0，顯示氣；計(jì)算的縱橫波速度比平方接近于理論氣線；預(yù)測的縱波速度與計(jì)算的氣層縱波速度和水層的縱波速度線都接近；計(jì)算的孔隙流體體積模量很小，接近于0.6；計(jì)算的含氣飽和度Sg平均為45%，Sw平均為60%。綜合這些結(jié)果，將該層解釋為含氣水層。該層測試日產(chǎn)氣5096 m3，日產(chǎn)水23 m3，測試結(jié)論為含氣水層。解釋結(jié)論與測試結(jié)果一致。但是，在3459.5～3460.6 m層段，依靠電阻率資料計(jì)算的含水飽和度Sw為22%，如果僅僅依靠電阻率資料計(jì)算的Sw來確定儲層性質(zhì)，該層應(yīng)判為氣層，但依據(jù)Sg判斷，該層應(yīng)為水層。綜合來看，這一層不能被判為氣層。

圖5是C井某井段的處理成果圖。在3613.0～3614.6 m層段，從泊松比與體積壓縮系數(shù)的鏡像來看，有氣顯示；縱橫波速度比稍低于背景值1.6；縱波等效彈性模量差比值接近于0；計(jì)算的縱橫波速度比平方接近于理論氣線；上部預(yù)測的縱波速度與計(jì)算的氣層縱波速度接近，下部預(yù)測的縱波速度與計(jì)算的水層縱波速度接近；計(jì)算的孔隙流體體積模量上部接近于0，下部為2.0；計(jì)算的含氣飽和度Sg平均為62%，Sw平均為40%。綜合解釋該層為氣水同層。該層測試日產(chǎn)氣36160 m3、日產(chǎn)水4.5 m3，測試結(jié)論為氣水同層。解釋結(jié)論與測試結(jié)果一致。

圖5 C井某井段處理成果Fig.5 The results of an interval of well C

此外，從以上各圖中還可以看出，在砂巖層段，計(jì)算的縱橫波速度比的平方與預(yù)測的縱橫波速度比的平方幾乎一致；而在泥巖層段，二者卻有明顯的差別。在泥巖層段計(jì)算的剪切模量與預(yù)測的剪切模量之間的差異會明顯增大。這兩個(gè)區(qū)別砂巖和泥巖的標(biāo)志與自然伽馬曲線指示的巖性是一致的。

4 結(jié)論

(1)通過應(yīng)用陣列聲波測井得到的縱、橫波速度，以及密度測井得到的地層密度，得到了利用縱橫波速度比、體積壓縮系數(shù)、泊松比、縱波彈性模量差比法等定性識別致密砂巖氣層的方法，如果縱波彈性模量差比大于零，則指示氣層。體積壓縮系數(shù)增大、泊松比減小、縱橫波時(shí)差減小，也是氣層的指示標(biāo)志。

(2)通過計(jì)算孔隙流體體積模量、理論氣線的縱橫波速度比的平方、氣層縱波速度線和水層的縱波速度線，與預(yù)測的相應(yīng)值對比，也可定性識別氣層。通過公式定量計(jì)算含氣飽和度，對定性識別出的氣層有一個(gè)量的概念。研究方法得到的結(jié)果與測試的結(jié)論是一致的。定性識別與定量計(jì)算方法在致密砂巖中取得了滿意的效果，對其他巖性的儲層有參考意義。

(3)本文豐富了聲波測井資料在儲層評價(jià)中的應(yīng)用，提出了含氣飽和度計(jì)算的新方法。新方法與常規(guī)電阻率測井方法確定含氣飽和度相結(jié)合，用于含氣儲集層的解釋與評價(jià)，進(jìn)一步提高了解釋準(zhǔn)確性。

[1] 寧忠華,賀振華,黃德濟(jì).基于地震資料的高靈敏度流體識別因子[J].石油物探, 2006,45(3):239-242.

[2] GOODWAY W, CHEN T, DOWNTON J. Improved AVO Fluid detection and lithology discrimination using Lame petrophysical parameters from P and S inversion[J]. Expanded Abstracts of 68th Annual Internat SEG Mtg, 1997:183-186.

[3] RUSSELL B H, HEDLIN K, HILTERMAN F J, et al. Fluid Property discrimination with AVO: A Biot-Gassmann perspective[J]. Geophysics, 2003,68(1):29-39.

[4] DILLON L, SCHWEDERSKY G, GUILHEMER V, et al. A multiscale DHI elastic attributes evaluation[J]. The leading Edge, 2003,22(10):1024-1029.

[5] 陳遵德,朱廣生.地震儲層預(yù)測方法研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,1997,12(4):76-84.

[6] 劉文玲,牛彥良,李剛,等.多信息儲層預(yù)測與地震屬性提取與有效性分析方法[J].石油物探,2002,41(1):100-106.

[7] 劉國強(qiáng),譚廷棟.孔隙度和含氣飽和度的彈性模量計(jì)算方法[J].石油勘探與開發(fā), 1993,20(5):33-41.

[8] 張麗華,潘保芝,單剛義,等.長嶺地區(qū)火山巖儲層流體性質(zhì)測井預(yù)測[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009,24(6):2151-2155.

[9] 譚廷棟.用等效彈性模量差比法識別裂縫性氣層[J].天然氣工業(yè),1985(1):12-20,5.

[10] WILLIAM M, ANDREW R, KAI H. Modulus decomposition of compressional and shear velocities in sand bodies, GEOPHYISCS, 1993,58(2):227-239.

[11] BRIE A,PAMPURI F, MARSALA A, et al.. Shear sonic interpretation in gas-bearing sands[A]. SPE30595,1995.

[12] BIOT M A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid saturated porous solid. I. low frequency range. II. Higher-frequency range[J]. Acoustics Society of America,1956,28(2):168-178.

[13] GASSMAMM F. Uber die Elastizitat poroser Medien, Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zurich[J]. 1951,96:1-23.

ResearchonGasZoneIdentificationandComputationinTightSandBasedonCompressionalandShearWaveVelocity

Zhang Lihua, Pan Baozhi, Shan Gangyi, Lei Jian

(CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun,Jilin130026,China)

The use of acoustic data of quantitative calculation of gas saturation has been studied by researchers. Referencing the application methods of P- and S-wave in seismic exploration, this paper synthesized the formation density from density log, and the P- and S-wave from array sonic logging to qualitatively identify fluid property and quantitatively compute gas-bearing saturation. The computational results were accordant with the gas testing results. A new method for calculating gas-bearing saturation was proposed, which can improve the accuracy rate of the interpretation and evaluation of gas bearing reservoir by combining the method with the conventional electrical logging.

array sonic log; gas-bearing saturation; gas-bearing identification; P- and S-wave velocity; matrix modulus

張麗華(1974—)，女，博士，高級工程師，主要從事巖石物理與測井?dāng)?shù)據(jù)處理與解釋研究工作。郵箱：zhanglh@jlu.edu.cn.

單剛義(1970—)，男，博士，高級工程師，主要從事地震數(shù)據(jù)處理與解釋研究工作。郵箱：shangangyi@jlu.edu.cn.

P631.8

A