基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感性分析*
——以沙南凹陷古近系不同相帶碎屑巖為例

彭 剛 周東紅 張平平 周 星

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感性分析*
——以沙南凹陷古近系不同相帶碎屑巖為例

彭 剛 周東紅 張平平 周 星

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

古近系碎屑巖地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)是渤海油田近年來(lái)面臨的技術(shù)瓶頸，難點(diǎn)之一在于如何有效地區(qū)分儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層。以渤海西部沙南凹陷已鉆9口井16個(gè)井段的20個(gè)巖心樣品為基礎(chǔ)，對(duì)縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量、體積模量、剪切模量、拉梅系數(shù)、泊松比、縱波阻抗、橫波阻抗等10種巖石物理參數(shù)在不同層段和不同沉積亞相環(huán)境下的敏感性進(jìn)行了定量分析，篩選出了能夠區(qū)分優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的敏感參數(shù)組合。結(jié)果表明在大多數(shù)情況下，密度、縱波速度和縱波阻抗等疊后常規(guī)參數(shù)難以有效區(qū)分古近系儲(chǔ)層與圍巖，而表征巖石抗剪切變形能力的剪切模量、拉梅系數(shù)等巖石特征參數(shù)具有相當(dāng)?shù)膮^(qū)分度。研究區(qū)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與巖心數(shù)據(jù)的分析結(jié)果具有較好的一致性，說(shuō)明本文基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感性分析是可行的，這將更好地促進(jìn)疊前地震屬性在渤海油田古近系碎屑巖地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。

巖心樣品；沉積亞相；巖石物理參數(shù)；敏感性；碎屑巖儲(chǔ)層；古近系；沙南凹陷

渤海海域在古近紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為斷陷和坳陷疊置結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造演化具有多幕裂陷、多旋回疊加、多成因機(jī)制復(fù)合的特征，形成了斷隆和斷凹相間的構(gòu)造古地貌格局[1]。在此構(gòu)造特征影響下，該區(qū)古近系具有多物源、近源沉積特點(diǎn)，沉積類型多樣，橫向變化快，埋深普遍較大，經(jīng)歷了較強(qiáng)的成巖作用，導(dǎo)致儲(chǔ)層與圍巖的巖石物理特征參數(shù)差異性小，儲(chǔ)層相對(duì)圍巖的地震響應(yīng)特征不明顯，用于區(qū)分優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的敏感參數(shù)難以確定。因此，古近系碎屑巖地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)一直是渤海油田地震勘探中面臨的一個(gè)技術(shù)瓶頸。

近年來(lái)，疊前地震屬性已逐步應(yīng)用于渤海油田古近系地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)工作，但疊前地震屬性在區(qū)分儲(chǔ)層與圍巖方面依然存在著較大的多解性和不確定性。首先，這與反演算法相關(guān)，由于實(shí)際地震勘探數(shù)據(jù)是不完全的、帶限的，由這種不完整的并存在隨機(jī)噪聲的數(shù)據(jù)求取地下介質(zhì)物性參數(shù)的變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是不適定的病態(tài)方程[2]。另一方面，渤海油田地下巖石組分和地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也導(dǎo)致了地震儲(chǔ)層敏感參數(shù)的不確定性，如東營(yíng)組和沙河街組地層中vp/vs等常用疊前地震屬性依然存在較大程度的疊置，縱向上同一口井不同深度層段的砂、泥巖vp/vs屬性區(qū)分性不明顯，橫向上油田內(nèi)部同一層段的砂、泥巖vp/vs屬性區(qū)分性也不一致，整體呈現(xiàn)出一種雜亂、無(wú)規(guī)律的趨勢(shì)。

宏觀地震響應(yīng)特征受制于巖石微觀物理特性，即巖石物理特征參數(shù)及其差異性[3-5]。針對(duì)渤海油田古近系地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難題，宏觀地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)應(yīng)基于對(duì)微觀巖石物理特征的精細(xì)認(rèn)識(shí)，需要建立從微觀巖石物理特征分析到地震響應(yīng)機(jī)理研究，再到宏觀地震響應(yīng)特征研究的技術(shù)思路和手段。為了從機(jī)理上研究清楚渤海古近系碎屑巖儲(chǔ)層與圍巖在巖石特征參數(shù)上的差異，筆者在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)巖石物理分析的基礎(chǔ)上，在渤海西部沙南凹陷開(kāi)展了巖心參數(shù)試驗(yàn)室測(cè)試，通過(guò)模擬地層溫壓條件獲得最直接的巖石特性參數(shù)，從根本上界定不同巖石類型的區(qū)分性，同時(shí)在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)中引入巖相分類因素，對(duì)沙南凹陷古近系不同層段和不同相帶下的巖石物理特征參數(shù)區(qū)分性進(jìn)行了定量分析。

1 巖心樣品

作為一種直接測(cè)量的結(jié)果，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)會(huì)受到多種因素的干擾，存在一定的不確定性，從而影響巖石物理分析的準(zhǔn)確性和精度。而巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)試則可以通過(guò)模擬地層溫壓條件獲得最直接的巖石物理特征參數(shù)，從根本上界定不同巖石類型的區(qū)分性。傳統(tǒng)的巖心參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試一般是以不同的巖性作為測(cè)試對(duì)比單元，比較典型的是進(jìn)行砂、泥巖的對(duì)比測(cè)試。本次研究中，從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試之前的巖樣篩選到最終的數(shù)據(jù)分析都引入巖相分類因素。

研究區(qū)內(nèi)共有取心井10口，共20個(gè)取心井段，在充分考慮巖相分類的基礎(chǔ)上，對(duì)其中9口井的16個(gè)井段進(jìn)行了20個(gè)巖心取樣(表1)。本次試驗(yàn)主要采用四川大學(xué)的美國(guó)產(chǎn)MTS815 Flex Test GT 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程中巖心樣品2-1發(fā)生了崩解，故實(shí)際測(cè)試及分析的巖心樣品為19塊。取心原則考慮以下3個(gè)方面：①盡可能覆蓋研究區(qū)內(nèi)不同相帶；②兼顧砂巖、泥巖及過(guò)渡巖性；③設(shè)置重復(fù)樣進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

表1 研究區(qū)巖心樣品統(tǒng)計(jì)

注： “巖心編號(hào)”含義：A-B代表第A批取樣的第B塊樣品。樣品1-6與樣品2-7位于同一口井的同一個(gè)取樣深度，用于對(duì)比測(cè)試。

2 巖石物理參數(shù)敏感性分析

在模擬地層溫壓條件下，分干燥、飽水和飽油等3種狀態(tài)對(duì)縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量、體積模量、剪切模量、拉梅系數(shù)、泊松比、縱波阻抗、橫波阻抗等10種屬性[6]進(jìn)行分析。根據(jù)沙南凹陷已鉆井鉆探情況和巖心樣品分布，重點(diǎn)以沙一段、沙二段和沙三段等3個(gè)地層沉積單元為對(duì)比空間，定量分析了同一層段不同沉積相內(nèi)部巖性變化對(duì)測(cè)試參數(shù)的影響及同一層段不同沉積相間測(cè)試參數(shù)的變化趨勢(shì)。

2.1 沙一段

巖心樣品1-2、2-2取自沙一段，分布相帶為濱淺湖相。研究區(qū)沙一段巖心樣品較少，但所處沉積環(huán)境和巖石性質(zhì)均較單一，有利于進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)，得到了研究區(qū)沙一段儲(chǔ)層與圍巖巖石物理特征參數(shù)的差異性規(guī)律(圖1、2)。從圖1、2可以看出，沙一段濱淺湖相砂巖的抗剪切變形能力(主要由橫波速度、橫波阻抗、剪切模量和楊氏模量等4個(gè)參數(shù)反映)明顯低于同一沉積環(huán)境下的泥巖，其中剪切模量差異性最大可達(dá)73%，其余3個(gè)參數(shù)差異性也在50%左右，均具有很好的區(qū)分性；該相帶砂巖相對(duì)于泥巖樣點(diǎn)具有很高的泊松比和拉梅系數(shù)，差異性也在50%左右，同樣具有很好的區(qū)分性；該相帶砂巖與泥巖在縱波速度、密度及縱波阻抗等常用巖石物理參數(shù)方面的區(qū)分性不佳，差異性均小于10%，其中縱波速度差異性只有2%、密度差異性只有6%，幾乎為不可區(qū)分，這也解釋了在實(shí)際工作中為什么用速度、密度及縱波阻抗均無(wú)法有效區(qū)分儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層，即在本區(qū)沙一段濱淺湖相地層用疊后地震屬性及疊前密度反演開(kāi)展儲(chǔ)層預(yù)測(cè)基本無(wú)效。

圖1 研究區(qū)沙一段濱淺湖相地層巖石物理參數(shù)變化規(guī)律

圖2 研究區(qū)沙一段濱淺湖相地層巖石物理參數(shù)差異性分析

2.2 沙二段

巖心樣品1-6、2-5、1-4、2-6、2-11、2-3、2-4取自沙二段，分布相帶主要有扇三角洲、辮狀河三角洲前緣相和濱淺湖相等3種類型。研究區(qū)沙二段巖心樣品所處沉積環(huán)境和巖石性質(zhì)相對(duì)沙一段較為復(fù)雜，分析難度增大。

1) 扇三角洲前緣相。圖3為研究區(qū)沙二段扇三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析結(jié)果，可以看出：沙二段扇三角洲前緣相地層中，砂泥巖的泊松比差異性大幅降低至13%，體積模量和拉梅系數(shù)差異性則顯著增強(qiáng)至70%以上；在沙一段濱淺湖相地層中幾乎沒(méi)有區(qū)分性的縱波速度和縱波阻抗卻在沙二段扇三角洲前緣相地層中展現(xiàn)出了較明顯的差異，其中縱波阻抗的差異性超過(guò)了50%，說(shuō)明在該相帶地層中運(yùn)用疊后波阻抗屬性進(jìn)行地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)仍然具有可行性。另外，經(jīng)常使用的密度參數(shù)在該相帶的區(qū)分度仍然不佳，差異性約為20%。

圖3 研究區(qū)沙二段扇三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析

2) 辮狀河三角洲前緣相。圖4為研究區(qū)沙二段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析結(jié)果，可以看出：沙二段辮狀河三角洲前緣相地層中，砂泥巖的體積模量和拉梅系數(shù)的差異性最大，達(dá)到40%～60%；而反映巖石抗剪切變形能力的橫波速度、橫波阻抗、剪切模量和楊氏模量的差異性則較沙一段濱淺湖相地層明顯降低；縱波阻抗的差異性約為30%，泊松比及密度的差異性均約為20%，可區(qū)分性都較差。

3) 濱淺湖相。圖5為研究區(qū)沙二段濱淺湖相地層巖石物理參數(shù)差異性分析結(jié)果。由于沙二段有1個(gè)巖心樣品來(lái)自濱淺湖混合灘的過(guò)渡相，巖性不純，因此該相帶地層巖石物理參數(shù)差異性規(guī)律與沙一段濱淺湖相存在很大不同。從圖5可以看出：在沙一段濱淺湖相地層中難以區(qū)分的體積模量卻在沙二段濱淺湖相地層中與拉梅系數(shù)一起成為最具區(qū)分性的2個(gè)參數(shù)，差異性均為50%左右；而在沙一段濱淺湖相地層中差異性明顯的泊松比卻在沙二段濱淺湖相地層中僅為8%，幾乎為不可區(qū)分；沙二段濱淺湖相地層中縱波阻抗的差異性強(qiáng)于沙一段濱淺湖相地層，與同一地層單元的辮狀河三角洲前緣相地層相當(dāng)，但弱于扇三角洲相地層，推測(cè)其在地震上的區(qū)分性會(huì)具有較強(qiáng)的不確定性。另外，密度在該相帶的區(qū)分度仍然較差，差異性僅為15%。

圖4 研究區(qū)沙二段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析

圖5 研究區(qū)沙二段濱淺湖相地層巖石物理參數(shù)差異性分析

總體來(lái)看，沙南凹陷沙二段不同相帶儲(chǔ)層與圍巖的巖石參數(shù)差異仍然體現(xiàn)出了一定的宏觀規(guī)律性：①拉梅系數(shù)和體積模量均具有較大的區(qū)分度，差異性穩(wěn)定在50%左右。②泊松比的區(qū)分度均較小，不適宜作為區(qū)分參數(shù)。③疊后地震常用的縱波阻抗展現(xiàn)了相當(dāng)?shù)膮^(qū)分度，但差異性是從靠近物源的扇三角洲相到遠(yuǎn)離物源的濱淺湖相逐漸降低。④3種相帶下密度均表現(xiàn)為低區(qū)分度。

2.3 沙三段

巖心樣品1-1、1-3、2-8、2-9、2-10取自沙三段，分布相帶為辮狀河三角洲前緣相。圖6為研究區(qū)沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析結(jié)果，可以看出：沙三段辮狀河三角洲前緣相地層中橫波速度、橫波阻抗、剪切模量和楊氏模量的差異性趨勢(shì)明顯，從純砂巖到砂泥巖互層存在明顯的變化臺(tái)階，其中剪切模量差異性最大可達(dá)49%，具有很好的區(qū)分性;拉梅系數(shù)和體積模量這2個(gè)參數(shù)延續(xù)了沙二段地層的高區(qū)分度，差異性均接近50%；泊松比的差異性在20%左右，區(qū)分性不理想；縱波阻抗的差異性相對(duì)沙二段地層繼續(xù)降低，但強(qiáng)于沙一段地層，在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)有較大的不確定性；密度則一如既往地表現(xiàn)為低區(qū)分度。

圖6 研究區(qū)沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析

3 與測(cè)井資料對(duì)比

巖心試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)為第一手?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可靠度高，但由于樣點(diǎn)稀少，在規(guī)律性總結(jié)方面仍然存在不確定性。為了彌補(bǔ)這一缺陷，在得到基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感屬性分析結(jié)果之后，對(duì)研究區(qū)的所有30口已鉆井?dāng)?shù)據(jù)，以沙一、沙二、沙三段為目的層，同樣進(jìn)行了巖石物理參數(shù)分析。圖7為根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得到的研究區(qū)沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析結(jié)果，可以看出其總體趨勢(shì)與巖心測(cè)試數(shù)據(jù)(圖6)基本一致，說(shuō)明本文基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感性分析是可行的。

圖7 研究區(qū)沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數(shù)差異性分析(來(lái)自測(cè)井?dāng)?shù)據(jù))

4 結(jié)論

1) 以渤海西部沙南凹陷已鉆9口井16個(gè)井段的20個(gè)巖心樣品為基礎(chǔ)，對(duì)縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量、體積模量、剪切模量、拉梅系數(shù)、泊松比、縱波阻抗、橫波阻抗等10種巖石物理參數(shù)在沙一段、沙二段及沙三段不同相帶環(huán)境下的敏感性進(jìn)行了定量分析，篩選出了能夠區(qū)分優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的敏感參數(shù)組合，即在大多數(shù)情況下，密度、縱波速度和縱波阻抗等疊后常規(guī)參數(shù)難以有效區(qū)分研究區(qū)古近系儲(chǔ)層與圍巖，而表征巖石抗剪切變形能力的剪切模量、拉梅系數(shù)等巖石特征參數(shù)具有相當(dāng)?shù)膮^(qū)分度。

2) 研究區(qū)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與巖心數(shù)據(jù)的分析結(jié)果具有較好的一致性，說(shuō)明本文基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感性分析是可行的，這將更好地促進(jìn)疊前地震屬性在渤海油田古近系碎屑巖地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。

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(編輯：馮 娜)

Rock physical sensitivity analysis based on core sample testing: a case of Paleogene clasolite reservoir under different sedimentary environments in Shanan sag

Peng Gang Zhou Donghong Zhang Pingping Zhou Xing

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

Clasolite reservoir seismic predication in the Paleogene is a technical bottleneck of Bohai oilfields in recent years, and how to distinguish reservoir from non-reservoir is one of the difficulties. Based on 20 core samples from 16 well sections of 9 wells in Shanan sag of western Bohai sea, the sensitivities of 10 rock physical parameters under different formations and sedimentary environments are quantitatively analyzed, including P-wave velocity, S-wave velocity, density, Young’s modulus, bulk modulus, shear modulus, Lame coefficient, Poisson’s ratio, P-wave impedance and S-wave impedance, and the parameter combination which is sensitive to effective reservoir is obtained. The rusults show that in most cases traditional post-stack parameters such as density, P-wave velocity and P-wave impedance can not efficiently distinguish reservoir from non-reservoir, but such parameters as shear modulus and Lame coefficient that represent properties of anti-shear deformation are more sensitive. The analysis results of logging data and core data have good consistency, showing the feasibility of this method. This study will improve the applitcation of pre-stack seismic attribution in Paleogene clasolite reservoir seismic predication in Bohai oilfields.

core sample; sedimentary subfacies; rock physical parameter; sensitivity; clasolite reservoir; Paleogene; Shanan sag

彭剛，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)石油與天然氣地質(zhì)勘查專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事油氣地球物理勘探研究工作。地址：天津市塘沽區(qū)609信箱(郵編：300452)。E-mail:penggang@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0057-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.008

TE135

A

2015-11-20 改回日期：2016-03-03

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“渤海海域中深層油氣田地震勘探技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05023-005-001)”部分研究成果。

彭剛，周東紅，張平平，等.基于巖心測(cè)試的巖石物理參數(shù)敏感性分析——以沙南凹陷古近系不同相帶碎屑巖為例[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(3)：57-61.

Peng Gang，Zhou Donghong，Zhang Pingping,et al.Rock physical sensitivity analysis based on core sample testing: a case of Paleogene clasolite reservoir under different sedimentary environments in Shanan sag[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):57-61.