致密砂巖聲波速度試驗(yàn)研究及其應(yīng)用

曾靜波（油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 武漢 430100）

章駿霄（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

楊帆（中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司油氣評(píng)價(jià)中心，陜西 西安 710077）

蔡德洋，范文同（中石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

由于塔里木盆地致密砂巖氣藏埋藏深，巖性復(fù)雜，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，用常規(guī)電測(cè)井和孔隙度測(cè)井資料識(shí)別氣層的效果不太理想，所以有必要尋求一種新的方法識(shí)別致密砂巖氣層。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都曾探討了利用聲波測(cè)井參數(shù)識(shí)別地層流體性質(zhì)和飽和度的方法［1，2］，但將這些方法運(yùn)用于實(shí)際測(cè)井解釋時(shí)，存在一個(gè)區(qū)域性問(wèn)題。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者針對(duì)塔里木盆地的砂巖巖樣開(kāi)展試驗(yàn)研究，在一定的壓力條件下，對(duì)巖樣進(jìn)行超聲測(cè)試，獲得了在不同含氣飽和度時(shí)的縱波、橫波速度數(shù)據(jù)，分析了聲波速度隨含氣飽和度、孔隙度的變化規(guī)律，為進(jìn)一步利用聲波測(cè)井參數(shù)識(shí)別致密砂巖氣層打下了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)儀器

該次試驗(yàn)所采用的樣品均為砂巖巖心，共計(jì)50塊，其物性關(guān)系如圖1所示。主要儀器設(shè)備有DS1102E型數(shù)字示波器、CTS－8077PR型超聲方波脈沖發(fā)生／接收儀、TST3206動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀及600kHz縱波、橫波換能器各一對(duì)，巖樣夾持器，HR2500－2高速冷凍離心機(jī)，AE200電子天平。試驗(yàn)測(cè)量裝置如圖2所示。

1.2 聲波速度測(cè)量方法

①測(cè)定儀器系統(tǒng)及縱波換能器的聲波零時(shí)間，將發(fā)射換能器與接收換能器直接對(duì)接記錄縱波或橫波的傳播到達(dá)時(shí)間，即為測(cè)量系統(tǒng)及縱波換能器的零時(shí)間。②巖樣聲波速度測(cè)定，將待測(cè)巖樣裝入巖樣夾持器中，單軸加壓8MPa，使巖樣與換能器端面充分耦合，能在示波器上清晰地觀測(cè)到縱波首波，及根據(jù)縱橫波速度關(guān)系估算的橫波首波，讀出聲波通過(guò)巖樣的傳播時(shí)間。③巖樣在單軸壓力下的聲波速度為v＝L／（t－t0）（其中：v為巖樣的聲波速度，m／s；L為巖樣的長(zhǎng)度，m；t為巖樣的縱波或橫波傳播時(shí)間，10－6s；t0為系統(tǒng)及聲波傳播的零時(shí)間，10－6s）。

圖1 試驗(yàn)樣品孔隙度與滲透率關(guān)系圖

圖2 聲波速度試驗(yàn)測(cè)量裝置示意圖

1.3 測(cè)量聲波速度隨含氣飽和度的變化

試驗(yàn)時(shí)先用190000mg／L鹽水（NaCl溶液）飽和巖心，測(cè)量巖樣100%飽和水時(shí)的縱波速度和橫波速度，然后用一定的壓力驅(qū)替巖樣中的水，再測(cè)量巖樣的縱波速度。在飽和水巖樣脫水時(shí)，根據(jù)巖樣幾何尺寸、物性及毛細(xì)管驅(qū)替壓力和離心機(jī)轉(zhuǎn)速換算公式，合理選擇離心機(jī)轉(zhuǎn)速和脫水時(shí)間。當(dāng)驅(qū)替到巖樣達(dá)到束縛水飽和度時(shí)，整個(gè)驅(qū)替和測(cè)量過(guò)程結(jié)束，記錄每次的測(cè)量數(shù)據(jù)，即可得到不同巖樣的縱波／橫波速度隨含氣飽和度的變化關(guān)系。

在試驗(yàn)測(cè)量巖石聲波速度與含氣飽和度的關(guān)系時(shí)，要考慮聲波的影響因素，這里主要考慮溫度、壓力的影響。根據(jù)以往的試驗(yàn)結(jié)果，溫度對(duì)聲波速度的影響不大，平均誤差小于3.5%，而壓力對(duì)聲波速度的影響可達(dá)35%以上［3］。因此，試驗(yàn)時(shí)必須考慮壓力因素，把測(cè)得的聲波速度與實(shí)際測(cè)井值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)壓力在8MPa左右時(shí)能滿足實(shí)際儲(chǔ)層的壓力要求。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 聲波速度與含氣飽和度的關(guān)系

圖3是聲波速度與含氣飽和度的試驗(yàn)關(guān)系圖。從圖3中可以看出，當(dāng)巖石所處的溫度和壓力一定時(shí)，隨著含氣飽和度的增加，縱波速度在含氣飽和度20%～70%范圍內(nèi)明顯減小，而且隨著孔隙度（）、滲透率（K）的變好，縱波速度的變化也越大；而橫波速度幾乎保持為一個(gè)常量或略有減小。因此，在不同的地區(qū)、不同的巖性，縱波速度與含氣飽和度的關(guān)系有所不同，要區(qū)別對(duì)待。

圖3 縱波速度（a）、橫波速度（b）與含氣飽和度關(guān)系圖

2.2 聲波速度比與含氣飽和度的關(guān)系

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，筆者繪制了聲波速度比（含氣時(shí)的速度與完全含水時(shí)的速度之比）與含氣飽和度關(guān)系圖（圖4）。從圖4中可以看出，它們的關(guān)系是呈反比的，但數(shù)據(jù)點(diǎn)較分散，相關(guān)系數(shù)不高，這與復(fù)雜的巖性骨架引起的復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。為此，筆者根據(jù)毛細(xì)管壓力曲線分類重新建立了聲波速度比與含氣飽和度的關(guān)系。

式中：vg／vw為含氣時(shí)的速度與完全含水時(shí)的聲波速度比；Sg為含氣飽和度，%；R為相關(guān)系數(shù)。

圖4 試驗(yàn)聲波速度比與含氣飽和度關(guān)系

圖6是將綜合物性指數(shù)分為兩類后得到的聲波速度比與含氣飽和度的關(guān)系圖版，相關(guān)性明顯提高。

圖6 聲波速度比與含水飽和度關(guān)系圖

2.3 確定完全水飽和的聲波速度

試驗(yàn)分析表明，由于聲波速度受泥質(zhì)含量、孔隙度及砂巖骨架含量等因素的影響，所以筆者選用純水層來(lái)確定完全水飽和的聲波速度。該次研究選取大北S井5866m和大北Y井下部的水層作為建模的數(shù)據(jù)，所擬合的公式為：

式中：Δtp，w、Δts，w分別為水層縱波時(shí)差、橫波時(shí)差，μs／ft。

考慮到Δts，w受含氣飽和度影響小，可與Δts，w結(jié)合得到完全含水時(shí)的縱橫波速度比（或時(shí)差比）Δtp，w／Δts，w：

式中：w（sh）為泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

利用式（4）求得完全含水時(shí)的巖石聲波時(shí)差比，對(duì)實(shí)測(cè)的聲波時(shí)差比進(jìn)行歸一化，再利用聲波速度比與含氣飽和度的關(guān)系式（式（1）、（2）），便可獲得含氣飽和度。需要指出的是所選擇的水層巖性與油氣層巖性要類似，所計(jì)算的泥質(zhì)含量、孔隙度等參數(shù)要具有一定的精度，才能獲得合適的完全含水時(shí)的聲波時(shí)差。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

圖7是A井測(cè)井解釋成果圖，深度段6484～6517m，共劃分了8個(gè)儲(chǔ)層，它們的的平均孔隙度為5.5%，縱波時(shí)差為59.05μs／ft，橫波時(shí)差為98.02μs／ft，含氣飽和度為48.11%。在深度段6484～6502m，縱波時(shí)差在氣層段變大，平均值為59.32μs／ft，而橫波時(shí)差基本保持不變或是略有減小，平均值為97.19μs／ft，縱橫波時(shí)差比指示含氣層段的效果明顯，再結(jié)合陣列感應(yīng)曲線則可以判斷為氣層；在深度段6502～6517m，縱橫波時(shí)差比指示含氣層段的效果比上半部明顯差一些，與由聲波速度比擬合計(jì)算的含氣指數(shù)曲線顯示效果相同，并且陣列感應(yīng)曲線差異明顯減小，綜合判斷為含氣水層。上半部分經(jīng)酸化壓裂后日產(chǎn)氣439363m3，下半部試油見(jiàn)氣，日產(chǎn)水25.2m3，測(cè)井解釋結(jié)論與試油結(jié)論一致。

圖7 A井測(cè)井解釋成果圖

4 結(jié)論

1）當(dāng)巖石所處的溫度和壓力一定時(shí)，隨著含氣飽和度的增大，縱波速度在一定范圍內(nèi)減小明顯，橫波速度幾乎保持為一常量或略有減小。

2）縱波速度受物性的影響較大，在不同的地區(qū)、不同的巖性，縱波速度與含氣飽和度的關(guān)系有所不同，要分類討論。

3）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井相結(jié)合，采用縱橫波速度比的方法能夠有效地識(shí)別氣層，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

4）在低孔低滲、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，用聲波速度法識(shí)別氣層仍然適用，但準(zhǔn)確度會(huì)有所降低。因此要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合其他的測(cè)井方法進(jìn)行綜合判斷，得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

［1］章成廣，江萬(wàn)哲，肖承文，等 .聲波全波資料識(shí)別氣層方法研究 ［J］.測(cè)井技術(shù)，2004，28（5）：397～401.

［2］胡學(xué)紅，李長(zhǎng)文，李新，等 .低孔隙度低滲透率砂巖的聲波特性實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.測(cè)井技術(shù)，2004，28（4）：273～276.

［3］江萬(wàn)哲，章成廣，黃文新，等 .高溫高壓下巖心的聲學(xué)性質(zhì)研究 ［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26（1）：51～53.