東濮凹陷巖石聲學和彈性力學參數(shù)特性試驗研究

郝加良，秦廣勝，蔡啟新 （中石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮陽457001）

東濮凹陷巖石聲學和彈性力學參數(shù)特性試驗研究

郝加良，秦廣勝，蔡啟新 （中石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮陽457001）

以東濮凹陷鉆井取心巖樣為例，在實驗室模擬井下溫壓條件，研究了干巖樣和孔隙充填流體巖石的聲學特征，以含水飽和度20%為間隔，分別測量了縱波速度、橫波速度、密度、泊松比、楊氏模量、彈性模量、切變模量、體積模量等8個巖石聲學和巖石彈性力學參數(shù)，擬合了東濮凹陷1號樣品在干巖樣和100%含水時的壓力與縱橫波速度、縱橫波速度比、泊松比及巖石彈性力學參數(shù)之間的關系，以及2號樣品在油驅水過程中縱橫波速度、波速比、泊松比及巖石彈性力學參數(shù)在不同壓力和溫度下隨含水飽和度的變化規(guī)律，該擬合結果為東濮凹陷疊前彈性反演、巖性識別和流體檢測等提供了可靠的基礎數(shù)據。研究結果亦可為今后該地區(qū)的地質和地球物理特征研究提供巖石物理參考。

巖石物理；聲學特征；速度；彈性參數(shù)；東濮凹陷

近年來巖石物理研究在國際上日益受到重視，通過實驗室測量得到更多的巖石聲學參數(shù)可以為地球物理反演提供最直接的約束。由于地下孔隙結構和充填物性質的差異，直接利用地震和聲波測井資料研究復雜儲層的聲學特征越來越困難［1］。在地震波疊前反演中，加入泊松比等參數(shù)可以比單純利用縱波或橫波波速提供更強的約束［2］。Christensen［3］也發(fā)現(xiàn)在使用地震波數(shù)據反演巖石層結構時，單純使用縱波速度與巖石礦物組成的關系來確定地下物質結構有很大的局限性，所以利用實驗室測定的更多的彈性數(shù)據作為精確反演的約束顯得十分重要。近年來國內外不少學者通過不同的巖石物理試驗，得到了一些有意義的結論。Murphy等［4］研究了不同流體飽和度對巖石聲學特性的影響；王東等［1］使用基于Biot空隙彈性理論的高階交錯網格有限差分法，對部分飽和孔隙巖石中聲波傳播特性進行過數(shù)值模擬；張元中等［5］對巖石樣品進行了聲頻散的試驗研究；劉斌等［2］研究了不同圍壓下巖石中泊松比的各向異性；史謌等［6］對部分巖石樣品在不同壓力及氣、水狀態(tài)下測試了巖石的縱、橫波速度，利用回歸分析法得出了縱、橫波速度與孔隙度、泥質含量的線性相關性。地震和聲波測井資料的結果都顯示，由于不同地區(qū)的地質狀況的不同，巖石聲速、孔隙度、滲透率等參數(shù)沒有統(tǒng)一的公式可以適用。因此通過實驗室獲取不同地區(qū)的巖石彈性波參數(shù)，對于該地區(qū)的地震反演、巖性識別和流體檢測的研究顯得更加重要。

1 試驗研究樣品概況

東濮凹陷是我國東部主要的生油和產油凹陷之一。關于東濮凹陷巖石聲學和彈性力學參數(shù)特征的深入研究尚未見論文發(fā)表。為了研究東濮凹陷巖石縱橫波速度、泊松比、彈性模量等參數(shù)隨圍壓和溫度的變化關系，該次研究選取了東濮凹陷2200～4400m層段產油層范圍內巖石樣品，在不同飽和度及不同溫壓條件下對巖石縱橫波速度和各種巖石彈性力學參數(shù)進行了詳細的實驗室測試和分析，該研究成果為東濮凹陷油氣田地震勘探、巖性識別、流體識別和地層劃分提供了重要的巖石物性依據。限于篇幅，該次研究只給出了2塊有代表性的細粉砂巖巖樣 （1號樣品和2號樣品，見表1）的測試結果。

該次實驗室測量的巖心取自于2220～4415m深度范圍的產油層段，巖性主要為砂巖和細粉砂巖，部分樣品情況見表1。

表1 部分巖心參數(shù)表

2 部分巖樣試驗結果

2.1 干巖樣與完全飽和水巖樣的巖石聲學及巖石彈性力學參數(shù)特征

圖1～4和圖5～8分別給出了1號樣品在干巖樣和100%含水時的壓力與縱橫波速度、縱橫波速度比、泊松比及巖石彈性力學參數(shù)之間的關系。測量中圍壓分別取0.3、5、10、15、20MPa。

圖1 干巖樣時縱橫波速度與壓力的關系曲線

圖2 干巖樣時縱橫波速度比與壓力的關系曲線

圖3 干巖樣時泊松比與壓力的關系曲線

圖4 干巖樣時巖石彈性力學參數(shù)與壓力的關系曲線

從圖1～4可以看出，對于1號樣品干巖樣，縱橫波速度、楊氏模量、剪切模量和體積模量隨著壓力的增大而增大。這是由于巖石樣品中存在著不同類型和不同數(shù)量的孔隙，隨著有效壓力的增大，巖石中的微裂隙閉合，從而增加了巖石的速度和剛性即增加了彈性模量。縱橫波速度比、泊松比則隨著壓力的增大，先增大然后減小。從圖5～8可以看出，1號樣品100%含水時，隨著壓力的增大，縱橫波速度增加；縱橫波速度比和泊松比均先增大然后減小；楊氏模量、剪切模量隨著壓力的增大而增大，體積模量隨著壓力的增大，先增大然后減小。干巖樣與100%含水時相比，巖石聲學特征變化基本相似，但是數(shù)值不同；對巖石彈性力學參數(shù)來說，干巖樣的楊氏模量遠大于剪切模量和體積模量，100%含水時楊氏模量和體積模量接近。

圖5 100%含水時縱橫波速度與壓力的關系曲線

圖6 100%含水時縱橫波速度比與壓力的關系曲線

圖7 100%含水時泊松比與壓力的關系曲線

圖8 100%含水時巖石彈性力學參數(shù)與壓力的關系曲線

2.2 油驅水過程中不同飽和度下的巖石聲學及巖石彈性力學參數(shù)特征

圖9 ～20詳細給出了2號樣品在油驅水過程中縱橫波速度、波速比、泊松比及巖石彈性力學參數(shù)在不同壓力和溫度下隨含水飽和度的變化規(guī)律。測量中圍壓分別取0.3、5、10、15、20MPa，溫度分別取30、45、60、75、90℃。

圖9 不同圍壓下縱橫波速度與含水飽和度的關系曲線

圖10 不同圍壓下縱橫波速度比與含水飽和度的關系曲線

圖11 不同圍壓下泊松比與含水飽和度的關系曲線

圖12 不同圍壓下楊氏模量與含水飽和度的關系曲線

圖13 不同圍壓下剪切模量與含水飽和度的關系曲線

圖14 不同圍壓下體積模量與含水飽和度的關系曲線

圖15 不同溫度下縱橫波速度與含水飽和度的關系曲線

圖16 不同溫度下縱橫波速度比與含水飽和度的關系曲線

從圖9～20中可以看出，在不同含水飽和度下，隨著壓力的增加，巖石的縱橫波速度增加；隨著溫度的增加，巖石的縱橫波速度減小，這是因為巖石由固體骨架和孔隙流體組成，孔隙流體主要為碳氫化合物和水，溫度不但對固體骨架有影響，對孔隙中的碳氫化合物和水有著更強烈的影響，故隨著溫度的升高，巖石的聲速降低；隨著含水飽和度的增加，縱波速度有所增加，而橫波速度基本保持不變，橫波受孔隙流體的影響較??；巖石的縱橫波速度比及巖石彈性力學參數(shù)有所增加，但增加的幅度不是很大。

圖17 不同溫度下泊松比與含水飽和度的關系曲線

圖18 不同溫度下楊氏模量與含水飽和度的關系曲線

圖19 不同溫度下剪切模量與含水飽和度的關系曲線

圖20 不同溫度下體積模量與含水飽和度的關系曲線

3 討論及結論

以東濮凹陷鉆井取心樣品為例，研究了不同孔隙飽和度、不同壓力、不同溫度條件下的巖石聲波及巖石彈性力學參數(shù)特征。對于巖石介質來說，巖石骨架的礦物成分、膠結程度、孔隙的尺度大小和分布特征、孔隙流體特性及孔隙流體的分布特征、骨架與孔隙流體的耦合作用、化學反應等，對巖石縱橫波速度和彈性力學參數(shù)都有很大的影響。巖石中微裂隙的變化影響著巖石的力學特性，也改變著巖石介質中彈性波的傳播速度。巖石在受壓過程中，巖石中的裂紋產生閉合，從而影響速度的變化。隨著溫度的升高，巖石內部礦物熱膨脹，巖石流體的彈性模量和剪切模量也發(fā)生改變，從而導致波速降低。此外，隨著溫度升高，巖石顆粒邊緣的裂隙張開，巖石含水礦物脫水、巖石膨脹，從而導致波速降低。

1）不論縱波還是橫波，隨著壓力的增加，其波速升高，巖石的彈性力學參數(shù)也隨之發(fā)生變化。

2）不論縱波還是橫波，隨著溫度的升高，其波速總體趨勢降低，巖石的彈性力學參數(shù)也隨之發(fā)生變化。

3）與干巖樣相比，100%含水巖石的縱波速度增加較多，橫波速度增加不明顯。

4）孔隙流體對縱波影響較大，而對橫波影響較小。

5）通過對比分析可以看出，壓力對縱橫波速度和巖石彈性力學參數(shù)的影響最大，而且規(guī)律性最強，溫度對聲速和巖石彈性力學參數(shù)的影響較小。

6）孔隙流體特性的變化，既影響巖石的彈性模量，又與巖石的密度有關，因此孔隙流體特性的變化對縱橫波速度的影響比較復雜，并不是單一的影響關系。孔隙流體對剪切模量的影響較小，因此，對橫波的影響也較小。

［1］王東，張海瀾，王秀明.部分飽和裂隙巖石中聲波傳播數(shù)值研究 ［J］.地球物理學報，2006，49（2）：524～532.

［2］劉斌，席道瑛，葛寧潔.不同圍壓下巖石中泊松比的各向異性 ［J］.地球物理學報，2002，45（2）：880～890.

［3］Christensen N I.Poission＇s ratio and crustal seismology ［J］.J Geophy Res，1996，101：3139～3156.

［4］Murphy W F，Winkler K W，KleInberg R L.Acoustic relaxation in sediment rocks：Dependence on grain contacts and fluid saturation［J］.Geophysics，1986，51：757～766.

［5］張元中，楚澤涵，李銘，等，巖石聲頻散的試驗研究及聲波速度的外推 ［J］.地球物理學報，2001，44（1）：103～111.

［6］史謌，楊東全.巖石波速和孔隙度、泥質含量之間的關系研究 ［J］.北京大學學報 （自然科學版），2001，37（3）：379～384.

Experimental Study on Acoustic and Elastic Parameter Characteristics of Rock Samples in Dongpu Depression

HAO Jia－liang，QIN Guang－sheng，CAI Qi－xin（Authors'Address：The Geophysical Exploration Research Institute of Zhongyuan Oilfield，SINOPEC，Puyang457001，Henan，China）

By taking the drilling core samples from Dongpu Depression for examples，the acoustic characteristics of dried rock samples and rocks filled with porous fluid were measured at the conditions of simulated well temperature and pressure in the laboratory.Eight acoustic and elastic parameters such as the pressure and shear wave velocity，density，Poission's ratio，Yang's modulus，elastic modulus，shear modulus as well as bulk modulus of the sandstone were measured at the interval of 20%water saturation.The relationship of the pressure with P and S wave velocity，theVp/Vsratio，Poission's ratio as well as the elastic parameter is fitted for No.1sample.The relationship of the P and S wave velocity，theVp/Vsratio，Poission's ratio and elastic parameters of rocks under different conditions of pressure and temperature changing with water saturation are fitted for No.2sample during water－oil displacement.The result provides fundamental data for the pre－stack seismic inversion，lithology identification and fluid detection for Dongpu Depression.The results also provide petrophysical evidence for the future geological and geophysical research in the area.

rock physics；acoustic characteristics；velocity；elastic parameter；Dongpu Depression

TE122.23

A

1000－9752 （2012）02－0057－05

2011－12－08

郝佳良 （1963－），男，1986年華東石油學院畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事地震地質綜合研究工作。

［編輯］ 龍 舟