林東升，馮興強，黃為清

1中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京

2中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京

1. 引言

順9井區(qū)位于塔里木盆地順托果勒低隆起，南部緊鄰塔中隆起與古城隆起，北鄰塔北隆起，東毗鄰滿加爾凹陷，西側(cè)緊鄰阿瓦提凹陷。2011年3月完鉆的順9井在柯坪塔格組下段加砂壓裂獲得了低產(chǎn)油流，實現(xiàn)了塔中北坡古生界碎屑巖領域的勘探突破。

順9井區(qū)志留系柯坪塔格組埋深大，均在5000 m以下，且儲層物性差，孔隙度主要分布在5%～6%之間，滲透率主要分布在0.05～0.5 mD之間，為典型的低孔、特低滲儲層。在該地質(zhì)背景下，儲層與非儲層的波阻抗差異較小，利用波阻抗無法識別預測儲層。然而，儲層預測是研究區(qū)勘探面臨的核心問題之一，因此需要尋找波阻抗以外的其他儲層敏感巖石物理參數(shù)來預測，而開展巖石物理研究是解決該問題的有效方法。雖然儲層巖石物理特征可以通過測井曲線來研究，但研究區(qū)多數(shù)井的井眼狀況不好，導致測井曲線嚴重失真，因此利用測井曲線來識別目的層巖石物理特征比較困難。同時，在埋深大、儲層物性差的條件下，儲層彈性參數(shù)如何隨溫度、壓力、地層巖性、物性的變化還不十分清楚[1] [2] [3]。鑒于上述問題，需要對研究區(qū)目的層開展巖石物理試驗研究來尋找儲層敏感彈性參數(shù)，確定研究區(qū)目的層段巖石彈性參數(shù)(如阻抗、速度比等)與儲層參數(shù)(巖性、孔隙度、流體等)之間的響應規(guī)律，為儲層預測奠定物理基礎。

2. 巖石物理參數(shù)測試及規(guī)律分析

2.1. 壓力、溫度及流體效應

砂巖和泥巖的縱波速度(vp)、橫波速度(vs)均隨著壓力(pc)的變大而增大，加壓初始階段變化相對較快，后期相對較慢(圖1)。砂巖和泥巖的vp、vs均隨著溫度(t)的變大而減小，到70℃左右變化緩慢，而后速度變化相對加快(圖2)。

Figure 1. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of confining pressure圖1. 砂巖vp (a)、vs (b)隨pc的變化規(guī)律

Figure 2. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of temperature圖2. 砂巖vp (a)、vs (b)隨t的變化規(guī)律

從圖3中可以看出，砂巖的vp隨含氣體飽和度(Sg)呈非線性變化，巖石含有少量氣體時，能產(chǎn)生較大的vp變化；當含氣量增大后，巖石vp對Sg的變化不敏感；砂巖的vs不隨Sg的變化而改變，說明橫波對Sg、含水飽和度(Sw)變化不太敏感。

Figure 3. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of gas saturation圖3. 砂巖vp (a)、vs (b)隨Sg的變化規(guī)律

2.2. 巖石物理參數(shù)與孔隙度關(guān)系

通過統(tǒng)計巖心樣品的密度(ρ)與孔隙度(φ)的關(guān)系(圖 4)可以看出，砂巖和泥巖的ρ都隨φ的增大而減小，且泥巖平均ρ比砂巖大。從圖5中可以看出，砂巖和泥巖的vp、vs均隨φ的增大而減小，泥巖平均φ比砂巖小。

Figure 4. The density of sandstone and mudstone with the change of porosity圖4. 砂巖和泥巖的ρ隨φ變化

Figure 5. P-wave and S-wave velocity of sandstone and mudstone with the change of porosity圖5. 砂巖和泥巖的vp (a)、vs (b)隨φ的變化

3. 儲層敏感巖石物理參數(shù)分析

由于研究區(qū)目的層儲層與非儲層的波阻抗差異小，儲層的敏感巖石物理彈性參數(shù)不明確，為此開展了儲層敏感巖石物理參數(shù)分析。圖6和圖7表明，砂、泥巖的vp與縱波阻抗(Zp)差異不大，vs與橫波阻抗(Zs)雖然有差異，但僅使用vs和波阻抗(Z)也無法區(qū)分砂、泥巖，只有將vp、vs與Z結(jié)合起來才能較好地區(qū)分砂、泥巖。

Figure 6. The intersection diagram of P-wave velocity and S-wave velocity圖6. vp-vs交會圖

Figure 7. The intersection diagram of S-wave impedance with P-wave impedance圖7. Zs-Zp交會圖

Connolly提出的彈性阻抗(IE)公式中同時包含了縱、橫波參數(shù)，因此可以試驗IE的儲層敏感性。從圖8可以看出，當入射角(θ)較小時，單純利用IE無法將砂、泥巖區(qū)分開；θ增加到16?，IE可以比較好地區(qū)分砂、泥巖；當θ進一步增大為26?時，IE區(qū)分砂、泥巖的能力也進一步增強；當θ達到40?時，IE可以清晰地把砂、泥巖區(qū)分開。

Figure 8. The intersection diagram of elastic impedance and P-wave impedance at different incidence angles圖8. 不同入射角IE-Zp的交會圖

如圖9所示，泥巖的縱橫波速度比(vp/vs)整體上大于砂巖，其對砂、泥巖的區(qū)分效果也比較好。

Figure 9. The intersection diagram of velocity ratio of P-wave and S-wave with P-wave impedance圖9. vp/vs-Zp交會圖

4. 巖石物理參數(shù)流體敏感性分析

4.1. 巖石物理參數(shù)分類

飽水砂巖和飽氣砂巖的vp、vs均隨φ的變大而減小(圖10)，從趨勢線可以看出，飽水砂巖vp比飽氣砂巖大，vs比飽氣砂巖小，但總體數(shù)據(jù)很難區(qū)分，說明在vp、vs與φ交會圖上很難識別流體。因此需要利用新的參數(shù)進行流體識別。

Figure 10. The P-wave velocity and S-wave velocity of sandstone with the change of porosity圖10. 砂巖vp (a)、vs (b)隨φ的變化

根據(jù)巖石物理原理，影響巖石彈性參數(shù)的本質(zhì)因素是固體介質(zhì)及其結(jié)構(gòu)、流體的耦合，不同的彈性參數(shù)對流體和變形的響應不同[4] [5]。從進行流體檢測和巖性識別的角度，特別提出了3類參數(shù)的概念。

1) S型參數(shù)：該類參數(shù)對流體不敏感。由于流體不傳遞剪應力，巖石的剪切模量(G)對孔隙中流體不敏感，與G有關(guān)的一類彈性參數(shù)，如vs、參數(shù)μ、Zs等對巖石孔隙中流體的存在以及含量變化都不敏感。從變形的角度看，上述參數(shù)主要響應于畸變。不同巖石的剪性參數(shù)是不同的，因此S型參數(shù)有助于區(qū)分巖性。

2) P型參數(shù)：如體積模量(K)，vp、Zp，拉梅系數(shù)(λ)。在物理本質(zhì)上，它們同時反映了固體介質(zhì)及其結(jié)構(gòu)、流體的耦合。從變形的角度，對巖石的壓縮性比較敏感，該類參數(shù)稱為體性參數(shù)。

3) C型組合參數(shù)：用上述彈性參數(shù)組合構(gòu)造出的參數(shù)。組合參數(shù)應該是多種多樣，該次研究特別指由剪性參數(shù)與體性參數(shù)構(gòu)造的組合，如vp/vs，泊松比(ν)，Z2p?c?Z2s，λ?c?μ(c為常數(shù))。

不同巖石物理參數(shù)對孔隙流體的敏感程度是不同的，為了量化指標，引進了巖石物理參數(shù)流體敏感性的概念。對于兩種流體組成的系統(tǒng)，以含水樣品為標尺，定義其流體敏感性參數(shù)(FS)：

式中：A為某巖石物理參數(shù)；下標w表示水；下標i表示一種流體狀態(tài)。

FS一般在0～1之間。FS越大，則表明參數(shù)A對流體就越敏感。

根據(jù)樣品試驗數(shù)據(jù)，對上述參數(shù)的流體敏感性進行計算，統(tǒng)計出流體敏感性序列(圖 11)。研究區(qū)巖石物理參數(shù)的FS按大小依次排序為：

Figure 11. The fluid sensitivity sequence diagram of main parameters in the study area圖11. 研究區(qū)主要參數(shù)流體敏感性序列圖

上述3類巖石物理參數(shù)的特征對流體的響應說明了組合參數(shù)在流體檢測上有特別的意義。下面針對3類巖石物理參數(shù)交會對砂巖樣品流體識別進行分析。

4.2. P型參數(shù)與P型參數(shù)關(guān)系分析

對研究區(qū)vp、ρ、Zp、K、λ等P型參數(shù)進行交會分析，發(fā)現(xiàn)飽水砂巖和飽氣砂巖數(shù)據(jù)重疊多(圖12)，因此砂巖在ρ-vp交會圖及Zp-vp交會圖上均不能進行流體識別。飽水砂巖K和飽氣砂巖K在vp小的區(qū)域可以區(qū)分，在vp大的區(qū)域重疊多，不能區(qū)分；飽水砂巖λ比飽氣砂巖λ大，數(shù)據(jù)重疊少，基本可以區(qū)分開(圖 13)。

Figure 12. The intersection diagram of sandstone density and P-wave impedance with P-wave velocity圖12. 砂巖ρ(a)、Zp (b)與vp交會圖

Figure 13. The intersection diagram of sandstone bulk modulus and lame constant with P-wave velocity圖 13. 砂巖 K (a)、λ(b)與 vp交會圖

4.3. P型參數(shù)與S型參數(shù)關(guān)系分析

從圖14、圖15、圖16上可以看出，飽氣砂巖的vs比飽水砂巖vs大，數(shù)據(jù)有重疊，但大部分可以分開；飽氣砂巖的Zs比飽水砂巖Zs大，數(shù)據(jù)有部分重疊，但總體上可以分開；飽氣砂巖的G主要分布在飽水砂巖G的左邊，數(shù)據(jù)很少重疊，大致可以區(qū)分開。

Figure 14. The intersection diagram of sandstone S-wave velocity with P-wave velocity圖14. 砂巖vs-vp交會圖

Figure 15. The intersection diagram of sandstone S-wave impedance with P-wave impedance圖15. 砂巖Zs-Zp交會圖

Figure 16. The intersection diagram of sandstone shear modulus and lame constant圖16. 砂巖G-λ交會圖

4.4. P型參數(shù)與C型組合參數(shù)關(guān)系分析

飽水砂巖的vp/vs比飽氣砂巖大，數(shù)據(jù)重疊少，說明研究區(qū)砂巖在飽含氣、水時，利用vp/vs-vp交會圖及vp/vs-Zp交會圖可以大致將兩者區(qū)分開(圖17)。ν本質(zhì)上與vp/vs相同，從圖18上可以看出，飽水砂巖ν比飽氣砂巖ν大，數(shù)據(jù)重疊少，利用ν-vp交會圖及ν-Zp交會圖可以將飽氣砂巖與飽水砂巖區(qū)分開。構(gòu)建的組合參數(shù)λ-0.15μ和，飽水砂巖比飽氣砂巖大，數(shù)據(jù)重疊少，可以將飽氣砂巖和飽水砂巖區(qū)分開(圖19)。

Figure 17. The intersection diagram of P-wave velocity and impedance with velocity ratio of P-wave and S-wave圖17. 砂巖vp (a)、Zp (b)與vp/vs交會圖

Figure 18. The intersection diagram of P-wave velocity and impedance with poisson ratio圖18. 砂巖vp (a)、Zp (b)與v交會圖

Figure 19. The intersection diagram of sandstone parameters with poisson ratio圖 19. 砂巖 λ—0.15μ (a)、Zp2—2.15Zs2 (b)與 Zp交會圖

5. 結(jié)論

1) 壓力對砂巖的vp、vs影響大，并且與砂巖的φ成正比；壓力對泥巖的vp、vs影響小，與泥巖ρ高、壓實程度大有關(guān)；砂巖和泥巖的vp、vs均隨t的變大而減??；砂巖vp隨Sg呈非線性變化，飽水巖石含有少量氣體時就能產(chǎn)生較大的vp變化。

2) 研究區(qū)目的層砂、泥巖的vp和Zp差異不大，將vp、vs和Z結(jié)合起來才能較好地區(qū)分砂、泥巖；隨著θ從6?增大到40?，IE區(qū)分儲層的能力也越來越強，當θ較大時，利用IE可以比較好地區(qū)分砂泥巖；vp/vs區(qū)分儲層的效果也比較明顯。

3) P型參數(shù)基本上不能識別流體，S型參數(shù)和P型參數(shù)結(jié)合起來可以在一定程度上區(qū)分飽氣砂巖和飽水砂巖，C型組合參數(shù)識別流體的效果比較好。利用定義的FS，計算出研究區(qū)巖石物理參數(shù)的FS按大小依次排序為：

[1] Dehua, H., Nur, A. and Morgan, D. (1986) Effects of Porosity and Clay Content on Wave Velocities in Sandstones.Geophysics, 51, 2093-2107. https://doi.org/10.1190/1.1442062

[2] Jizba, D. (1991) Mechanical and Acoustical Properties of Sandstones and Shales. Ph.D. Thesis, Stanford University,Stanford, California.

[3] Mavko, G., Mukerji, T. and Dvorkin, J. (1998) The Rock Physics Handbook. Cambridge University Press, Cambridge.

[4] 施行覺, 夏從俊, 吳永剛. 儲層條件下波速的變化規(guī)律及其影響因素的實驗研究[J]. 地球物理學報, 1998, 41(2):234～240.

[5] 馬中高, 解吉高. 巖石的縱、橫波速度與密度的規(guī)律研究[J]. 地球物理學進展, 2005, 20(4): 905-910.