塔南凝灰質(zhì)火山碎屑巖儲層巖石物理試驗(yàn)研究

韓學(xué)輝，李來林，楊龍，趙海波，成德安，仇吉亮

（1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580;2.大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712; 3.新疆油田重油開發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000;4.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶 163411）

塔南凝灰質(zhì)火山碎屑巖儲層巖石物理試驗(yàn)研究

韓學(xué)輝1，李來林2，楊龍3，趙海波2，成德安2，仇吉亮4

（1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580;2.大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712; 3.新疆油田重油開發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000;4.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶 163411）

在模擬地層溫度、壓力條件下，試驗(yàn)觀測塔南白堊系南屯組、銅缽廟組的凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)巖屑砂巖儲層的縱、橫波速度，考察巖性、礦物含量、膠結(jié)方式和接觸類型、密度、孔隙度、泥質(zhì)含量、含水飽和度對火山碎屑巖聲波速度的影響。在試驗(yàn)考查的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn):①致密凝灰質(zhì)礫巖的聲速明顯高于儲油物性較好的凝灰質(zhì)礫巖和凝灰質(zhì)巖屑砂巖的聲速;②縱、橫波速度隨巖漿巖巖屑含量的增加而增大，隨石英、長石含量的增大而減小;③相同孔隙度條件下，孔隙式膠結(jié)、線性接觸巖石的縱、橫波速度最大，基底式膠結(jié)、不接觸－點(diǎn)接觸巖石的縱、橫波速度最小，縱波速度較橫波速度對膠結(jié)類型、接觸方式更敏感一些;④縱、橫波速度隨密度增大而增大，凝灰質(zhì)巖屑砂巖的聲波速度與密度存在較好的冪函數(shù)關(guān)系，縱橫波速度隨孔隙度、泥質(zhì)含量增大而減小，凝灰質(zhì)巖屑砂巖的聲速與孔隙度和泥質(zhì)含量有很好的負(fù)線性函數(shù)關(guān)系，但泥質(zhì)（主要為凝灰質(zhì)）的影響僅為孔隙度影響的1/5～1/10，可以忽略不計(jì);⑤隨著含水飽和度增加，縱波速度對流體變化比橫波速度更為敏感，且聲速變化幅度與孔隙度存在正相關(guān)關(guān)系。

凝灰質(zhì)火山碎屑巖;聲波速度;膠結(jié)類型;接觸方式;巖石物理性質(zhì)

海塔盆地白堊系下統(tǒng)扎賚諾爾群銅缽廟組、南屯組發(fā)育有大量含油致密凝灰質(zhì)礫巖和中孔低滲的凝灰質(zhì)巖屑砂巖儲層，具有很大的勘探潛力［1］。自Wyllie［2］提出時(shí)間平均公式以來，前人針對沉積巖儲層聲速特征及其影響因素（巖性、物性、流體性質(zhì)、密度及環(huán)境因素）已進(jìn)行了大量的研究［2－20］，而有關(guān)凝灰質(zhì)巖屑砂巖儲層的聲學(xué)性質(zhì)鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。筆者通過試驗(yàn)測量塔南礫巖和凝灰質(zhì)巖屑砂巖的縱、橫波速度，分析巖性、礦物含量、膠結(jié)方式和接觸類型、密度、孔隙度、泥質(zhì)含量、流體飽和度對巖石縱、橫波速度的影響規(guī)律，為應(yīng)用地震、測井資料開展海塔盆地火山碎屑巖的巖性預(yù)測、孔隙度估算、流體性質(zhì)識別的方法研究提供依據(jù)。

1 塔南火山碎屑巖儲層地質(zhì)特征

塔南白堊系南屯組、銅缽廟組層段巖心的薄片資料分析結(jié)果表明該區(qū)樣品類型屬于凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)巖屑砂巖及凝灰?guī)r。巖石組分以石英、長石、巖漿巖巖屑為主，填隙物主要是凝灰質(zhì)雜基。顆粒分選度為較差、差，長石風(fēng)化程度為中、深，磨圓度多以次棱角、次棱角－次圓為主，雜基、顆粒支撐，顆粒間以不接觸－點(diǎn)接觸、點(diǎn)－線接觸，孔隙類型屬于原生粒間孔隙和粒間擴(kuò)大孔隙，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)。其中，凝灰質(zhì)巖屑砂巖物性較好（孔隙度平均值為9.96%、滲透率平均值為28.01×10－3μm2、泥質(zhì)含量最低），是該地區(qū)主要的儲層;物性較好的凝灰質(zhì)礫巖也可以作為有利儲層。

2 試驗(yàn)方法

2.1 樣品的制備

對塔南白堊系南屯組、銅缽廟組的凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)巖屑砂巖及凝灰?guī)r，試驗(yàn)中主要制作了3種測試樣品:鑄體薄片、顆粒樣（3 g）和柱塞巖樣（直徑25.4 mm）。鑄體薄片主要用于薄片鑒定，顆粒樣用于激光粒度分析，柱塞樣品用于密度、孔隙度、滲透率、聲波速度的測試。柱塞樣品的清洗、切割、端面拋光、烘干等制作是嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T5336－2006實(shí)施的。對于需要飽和度控制的巖樣，試驗(yàn)中采取了二氧化碳置換氧氣、氮?dú)獾某檎婵占訅猴柡图夹g(shù)來確保樣品的近完全飽和。該技術(shù)主要利用二氧化碳更容易吸附于巖樣顆粒表面、在鹽水中溶解度極高的特點(diǎn)，在常規(guī)的抽真空（真空度－0.095 MPa）加壓（28 MPa）飽和技術(shù)外，加入了二氧化碳置換氧氣、氮?dú)獾沫h(huán)節(jié)。在樣品含水飽和度的控制中，采用了非穩(wěn)態(tài)相對滲透率測量中的油（氣）驅(qū)水技術(shù)。

2.2 孔隙度、滲透率、泥質(zhì)含量、密度測量

樣品孔隙度、滲透率的測量采用美國CORELAB公司的CMS300測量儀。在模擬地層壓力條件（有效壓力25 MPa）下，樣品的孔隙度分布在0.02%～21.19%，平均值為6.21%;滲透率分布在（0.01～793）×10－3μm2，平均值為12.61×10－3μm2。泥質(zhì)含量采用MASTERSIZER－2000激光粒度分析儀測定，泥質(zhì)含量分布在14.2%～38.6%，平均值為24.18%。巖樣的密度ρ由巖樣的質(zhì)量m與CMS300測量儀測定的骨架體積Vg和孔隙體積Vpor得到:

2.3 聲波速度測量

2.3.1 測量裝置和測量方法

巖樣聲波速度的測量使用中國石油大學(xué)（華東）研制的高溫高壓多參數(shù)測量儀（圖1（a））。該儀器的聲波速度測試系統(tǒng)由液壓泵、溫度控制單元、巖樣長度計(jì)量（由微位移傳感器承擔(dān)）和聲波測試單元4部分構(gòu)成（圖1（b）），可在模擬地層溫度（≤150℃）、壓力（圍壓、軸壓、有效壓力小于70 MPa）條件下測量巖樣的聲波速度。其中，聲波測試單元由PANAMETRICS公司的5800型脈沖發(fā)生器、AGILENT公司的DSO6032A型數(shù)字示波器、PANAMETRICS公司的聲學(xué)探頭和信號傳輸線組成?？v、橫波晶片頻率為1.2、0.6 MHz，探頭縱、橫波頻率為0.25、0.12 MHz。

縱、橫波速度的測定采用超聲脈沖透射法。介質(zhì)的聲波速度是由聲波在介質(zhì)中傳播的距離L與聲波到時(shí)t減去系統(tǒng)零時(shí)t0的比值確定，即

式中，v為聲波速度，m/s;L為巖樣長度，m;t為聲波到時(shí)，s;t0為系統(tǒng)零時(shí)，s。

圖1 巖石樣品聲學(xué)參數(shù)測試裝置Fig.1 Sketch map ofmeasurement system for acoustic parameters of core samples

2.3.2 質(zhì)量保證措施和精度分析

為了保證聲波探頭與巖樣的良好耦合，采用了打孔錫箔紙作為耦合劑。打孔錫箔紙的作用有兩個(gè):保證縱波速度采集的同時(shí)，可有利于壓制縱波幅度以準(zhǔn)確確定橫波到時(shí);能夠確保油（氣）通過完成含水飽和度的變化。測量了長度為50 mm的316 L型不銹鋼鋼塊的縱、橫波速度，測量結(jié)果見表1（計(jì)算得縱、橫波速度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.24和11.35）。可見，重復(fù)測量數(shù)據(jù)十分接近，說明波速測量系統(tǒng)具有較好的可靠性。

表1 不銹鋼聲波速度測量結(jié)果Table 1 Com pressional or shear wave velocites of stainless steel p lug

按照不確定度計(jì)算方法，聲速的相對測量不確定度Ev為

式中，ΔL為樣品長度測量的不確定度，mm;Δt為走時(shí)測量的不確定度，μs。

本次試驗(yàn)使用精度為±0.01 mm的電子數(shù)顯卡尺測量樣品長度時(shí)，其相對不確定度不超過1‰，可以忽略。對于縱波速度測量，其走時(shí)測量不確定度為0.05～0.15μs，縱波走時(shí)按16～21μs計(jì)，則相對不確定度約為0.3%～0.9%。同理，對于橫波測量走時(shí)不確定度最大可達(dá)0.4μs，橫波走時(shí)按29～39μs計(jì)，其相對不確定度為0.8%～1.4%。

2.3.3 試驗(yàn)測試內(nèi)容和測試條件

試驗(yàn)測量了干巖樣、飽和水樣（地層水礦化度為5 g/L）和飽和油樣（模擬油密度為0.798 g/cm3、黏度為3.52 mPa·s）在地層條件（溫度90℃、圍壓50 MPa，孔隙壓力25 MPa）下的縱、橫波速度。

3 聲波速度影響因素分析

3.1 巖性和礦物含量

石英、長石、巖漿巖巖屑和凝灰質(zhì)雜基含量對干巖樣縱、橫波速度的影響見圖2。其中，巖性和礦物含量是由薄片鑒定確定的。

圖2 巖樣聲波速度與礦物含量交會圖Fig.2 Com pressional and shear wave velocities versusm ineral concentration

巖樣的縱、橫波速度總體上隨石英含量、長石含量的增加而減小，隨著巖漿巖巖屑含量的增加而增大，與凝灰質(zhì)雜基含量關(guān)系不明顯。該結(jié)論與Sch?n［3］統(tǒng)計(jì)的大量火成巖聲波速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律一致。其中，致密凝灰質(zhì)礫巖的聲速明顯高于物性較好的凝灰質(zhì)礫巖和凝灰質(zhì)巖屑砂巖樣品的聲波速度，分析認(rèn)為是由其較低的石英含量（≤10%）和較高的巖漿巖巖屑含量（≥60%）決定的。有一些樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化趨勢不符合上述趨勢，推斷與這些礦物在巖石中的幾何表現(xiàn)、分布狀況、膠結(jié)情況以及礦物顆粒之間的孔隙度有關(guān)［16］。

3.2 膠結(jié)類型和顆粒接觸方式

圖3是不同膠結(jié)類型和顆粒接觸類型巖樣的縱橫波速度與孔隙度的交會圖?？梢?，相同孔隙度條件下，孔隙式膠結(jié)、線性接觸巖樣縱、橫波速度最大，基底式膠結(jié)、不接觸－點(diǎn)接觸巖樣的縱橫波速度最小，接觸式膠結(jié)、點(diǎn)接觸－線接觸巖樣的縱橫波速度居中。相對橫波速度，不同膠結(jié)類型、接觸方式巖樣的縱波速度相差更大一些，表明縱波速度對膠結(jié)類型、接觸方式要更為敏感一些。

圖3 縱橫波速度隨孔隙度、膠結(jié)類型、顆粒接觸類型的變化Fig.3 Variation of com pressional and shear wave velocitiesw ith porosity on cementation type and particle contactmode

機(jī)制分析認(rèn)為:基底式膠結(jié)代表碎屑和膠結(jié)物同時(shí)沉積，是快速堆積的產(chǎn)物，顆粒在雜基中大多彼此不接觸而呈漂浮狀孤立分布，巖樣的剛度小，體積模量小，聲波在巖樣中的傳播速度較小;孔隙式膠結(jié)一般是碎屑先沉積，顆粒之間相互以線或其他方式緊密堆積，顆粒孔隙中的膠結(jié)物是成巖期孔隙溶液的化學(xué)沉淀，當(dāng)巖樣的膠結(jié)物被溶解時(shí)，所造成的孔隙再次被次生膠結(jié)物填充，巖樣的剛度大，體積模量大，聲波在巖樣中的傳播速度較大;接觸式膠結(jié)形成于成巖—后生階段，有些原來的膠結(jié)物被淋濾掉而沒有新的次生膠結(jié)，聲波在巖樣中的傳播速度居中。因此，存在應(yīng)用聲波速度特別是縱波速度研究成巖作用的可能，有進(jìn)一步研究的必要。

3.3 巖樣密度

Simmons［4］認(rèn)為巖石聲波速度與巖石組分和密度之間存在廣義線性關(guān)系;Gardner［5］提出了聲速與密度的冪函數(shù)關(guān)系式;在此基礎(chǔ)上，馬中高等［6］采用最小二乘法將縱波速度vp、橫波速度vs和密度ρ結(jié)合在一起進(jìn)一步提出了廣義的Gardner公式。表2為凝灰質(zhì)巖屑砂巖的密度ρ與聲波速度的擬合關(guān)系。結(jié)果表明，采用廣義Gardner公式得到的擬合公式相關(guān)系數(shù)與Gardner一般形式相比變化不大，僅僅略有提高，在缺少橫波速度的情況下，僅僅采用縱波速度反演得到的密度ρ的方法也較為可靠。該結(jié)論與馬中高、解吉高（2005）結(jié)果［6］類似。

圖4為樣品密度ρ與縱、橫波速度交會圖。由圖看出，巖樣的縱波速度、橫波速度隨著巖樣密度的增加而增大?？v、橫波速度較高的數(shù)據(jù)點(diǎn)為凝灰質(zhì)礫巖（位于圖4右上方橢圓內(nèi)），大體上可用vp≥5.3 km/s將其與凝灰質(zhì)巖屑砂巖區(qū)分開。

表2 聲波速度與密度的擬合關(guān)系Table 2 Fitting equation between density and compressional or shear wave velocites

圖4 密度與聲波速度交會圖Fig.4 Com p ressional wave and shear wave velocities versus density

3.4 孔隙度、泥質(zhì)含量

針對沉積碎屑巖孔隙度、泥質(zhì)含量對聲波速度的影響規(guī)律，Han、Nur、Alberto、Klimentos、史謌等［7－16］曾做過大量的研究。結(jié)果表明:巖樣的縱、橫波速度隨著孔隙度的增加而減小;泥質(zhì)含量對聲波速度的影響較為復(fù)雜，在固結(jié)較好砂巖中，聲波速度隨著黏土含量的增加有減小的趨勢，但在固結(jié)較差的巖樣中，黏土的增加會使巖石輕微變硬，縱、橫波速度有增大的趨勢;總的來說泥質(zhì)含量是造成砂巖試驗(yàn)結(jié)果在聲波速度－孔隙度交會圖中出現(xiàn)離散的重要原因。

根據(jù)Han［7］給出的線性函數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式v=a+bφ +cVsh（Vsh為泥質(zhì)含量），對凝灰質(zhì)巖屑砂巖縱、橫波速度和孔隙度－泥質(zhì)含量進(jìn)行了回歸，結(jié)果見表3。

表3 聲波速度與孔隙度、泥質(zhì)含量的關(guān)系Table 3 Relation of com pressional and shear wave velocities，porisity and clay con tent

結(jié)果表明，凝灰質(zhì)巖屑砂巖縱波速度、橫波速度與孔隙度、泥質(zhì)含量存在明顯的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系（R－0.89≥－0.85），泥質(zhì)含量對縱、橫波速度的影響僅為孔隙度影響的1/5～1/10，因此泥質(zhì)含量對聲波速度的影響很弱，可以忽略不計(jì)。這與Han針對墨西哥灣75塊泥質(zhì)砂巖測試數(shù)據(jù)得出泥質(zhì)（黏土）含量對聲波速度的影響僅為孔隙度影響的1/3左右的結(jié)論有較大差異。分析認(rèn)為:本次研究的火山碎屑巖的泥質(zhì)主要是以雜基形式存在的凝灰質(zhì)，其主要成分是火山巖巖屑，聲速遠(yuǎn)大于黏土礦物的聲速而與骨架礦物的聲速接近，因此在一定程度上弱化了泥質(zhì)含量對聲速的影響。目前，還只有海塔盆地白堊系凝灰質(zhì)巖屑砂巖的試驗(yàn)結(jié)果，這一認(rèn)識是否具有普遍意義還有待于進(jìn)一步研究。

3.5 孔隙流體

孔隙流體對聲波速度的影響主要體現(xiàn)在流體替換分析，其核心是Biot［17］理論和Gassmann［18］方程，以及建立在此基礎(chǔ)上的其他的相關(guān)理論（如射流公式等［19－20］）。圖5為塔南火山碎屑巖飽和油樣和飽和水樣縱、橫波速度差與孔隙度交會圖。

圖5 飽和水樣和飽和油樣縱、橫波速度之差與孔隙度交會圖Fig.5 Difference in com pressionalw ave and shear wave velocities between brine-bearing and oil-bearing one versus porosity

可見，飽和油樣與飽和水樣縱、橫波速度之差的絕對值與樣品孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，飽和水樣的縱波速度大于飽和油樣的縱波速度，絕對變化率分布在0～300 m/s，相對變化率（相對飽和油樣縱波速度）最大約為6%，流體替換響應(yīng)較為敏感。飽和水樣的橫波速度略小于飽和油樣的橫波速度，絕對變化率分布在0～120 m/s，相對變化率較小，流體替換響應(yīng)不明顯。

根據(jù)Biot理論和Gassmann方程，流體替換后巖樣縱波速度變化較大主要是由于流體體積模量的差異造成的，水的體積模量大于油的體積模量，所以飽水樣縱波速度大于飽和油樣的縱波速度。對于橫波速度的變化，Wang和Nur認(rèn)為:由于流體替換時(shí)巖樣的剪切模量基本不變，橫波速度的變化主要是由流體替換時(shí)巖樣密度和流體黏度的變化造成的，橫波速度隨著巖樣密度的增加而減小，隨著流體黏度的增加而增大。試驗(yàn)結(jié)果與前人的認(rèn)識是一致的。

4 結(jié)論

（1）縱、橫波速度隨巖漿巖巖屑含量的增加而增大，隨石英、長石含量的增加而減小，這是由巖漿巖巖屑與石英、長石的密度和彈性模量差異造成的。

（2）相同孔隙度條件下，孔隙式膠結(jié)、線性接觸巖樣縱、橫波速度最大，基底式膠結(jié)、不接觸－點(diǎn)接觸巖樣的縱、橫波速度最小，孔隙式膠結(jié)、點(diǎn)接觸－線接觸巖樣的縱橫波速度居中。相對橫波速度，縱波速度對膠結(jié)類型、接觸方式更敏感。

（3）凝灰質(zhì)礫巖石英含量較低（≤10%），巖漿巖巖屑含量較高（≥60%），聲波速度明顯高于物性較好的凝灰質(zhì)巖屑砂巖，可大致用vp≥5.3 km/s作為致密凝灰質(zhì)礫巖的速度下限將二者區(qū)分開。

（4）縱、橫波速度隨密度的增大而增大，凝灰質(zhì)巖屑砂巖的聲波速度與密度存在較好的冪函數(shù)關(guān)系。

（5）凝灰質(zhì)巖屑砂巖的縱、橫波速度與孔隙度、泥質(zhì)含量有很好的負(fù)線性函數(shù)關(guān)系，但泥質(zhì)對聲速的影響僅為孔隙度影響的1/5～1/10，推斷與泥質(zhì)主要是由凝灰質(zhì)構(gòu)成有關(guān)。應(yīng)用聲速計(jì)算海塔盆地白堊系儲層孔隙度時(shí)，可以忽略泥質(zhì)的影響。

（6）隨著含水飽和度增加，縱波速度增大，橫波速度略有減小。聲波速度的變化量與孔隙度存在正相關(guān)關(guān)系，但最大變化幅度不超過6%。因此，若地震和測井提取的縱橫波速度的不確定度較小，存在應(yīng)用地震和測井資料識別物性好的油水層的可能性。

致謝感謝中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的孫國忠老師為本次研究制作了薄片，以及鄢繼華博士做了薄片鑒定工作!

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Petrophysical experim ental research in Tanan tuffaceous pyroclastic rock reservoir

HAN Xue－h(huán)ui1，LILai－lin2，YANG Long3，ZHAO Hai－bo2，CHENG De－an2，QIU Ji－liang4

（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Exploration and Development Research Institute，Daqing Oilfield Company Lim ited，Daqing 163712，China; 3.Heavy Oil Development Company of Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China; 4.Drilling Company No.1，Daqing Drilling and Prospecting Engineering Company，Daqing 163411，China）

Under the condition of simulated formation temperature and pressure，the compression and shear wave velocity of the tuffaceous conglomeratesand rock－fragment sandstones of the reservoirs in K1t，K1n group of Cretaceous system in Tanan weremeasured.The effects of lithology，mineral content，cementation type and particle contactmode，density，porosity，shale content，and water saturation on the acoustic velocity of the tuffaceous pyroclastic rock were studied.Within the observation lim its，some rules are found:①The acoustic velocity of the fine tuffaceous conglomerates is remarkably greater than that of the tuffaceous rock－fragment sandstones with good physical property.②The acoustic velocity increases with fragment content increasing，and decreaseswith quartz and feldspar content increasing.③In the same porosity，the velocity of porous cementation and lineal contact rock is the biggest，the velocity of basal cementation and matrix－suppot－point contact rock is the smallest and the compression velocity ismore sensitive to the cementation type and particle contactmode than shear wave velocity.④The acoustic velocity increases with density increasing，and the velocity of tuffaceous rock－fragment sandstones keeps a good relation with density in form of power function.The acoustic velocity decreases with porosity and shale content increasing，the velocity of the tuffaceous rock－fragment sandstones keeps a good relation with porosity and shale content in form of negative linear function，buteffectof shale（bemade of tuffaceous）content isonly5－10 times as small as thatof theporosity，hence can be neglected.⑤With porosity increasing，compression wave velocity is relatively sensitive to fluid alternation，and the range in which velocity varies keeps positive correlation with porosity.

tuffaceous pyroclastic rock;acoustic velocity;cementation type;particle contactmode;petrophysical property

P 584

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.03.011

1673－5005（2012）03－0069－07

2011－11－22

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y2008E08）;國家油氣專項(xiàng)課題（2011ZX05009－003）

韓學(xué)輝（1974－），男（漢族），遼寧盤錦人，副教授，博士，博士后，從事儲層巖石物理研究。

（編輯 修榮榮）