不同孔隙結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖對聲波時頻特性的影響

張明明，梁利喜，蔣少龍

（西南石油大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，四川 成都 610500）

不同孔隙結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖對聲波時頻特性的影響

張明明，梁利喜，蔣少龍

（西南石油大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，四川 成都 610500）

為研究不同孔隙結(jié)構(gòu)對聲波時頻特性的影響，將不同孔隙結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖巖心切割成邊長60 mm的立方體，利用自主研發(fā)的多頻超聲波測試儀測量巖心軸向縱波首波傳播時間，同時利用Ultrascope軟件采集接收端探頭聲波波形，對不同孔隙結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖中傳播縱波的波速、時域波形及頻譜特征進行研究。結(jié)果表明：聲波時域及頻域波形特征主要與巖心孔洞尺寸及膠結(jié)情況有關，而與孔隙度的大小無關；隨著孔洞尺寸的增大，碳酸鹽巖對聲波中高頻諧波過濾作用逐漸增強；垂直裂縫傳播的聲波時域波形含有大量尾隨信號，頻域波形中高頻信號強度顯著變?nèi)跚易V峰數(shù)量多，振蕩強烈；平行裂縫傳播的聲波時頻特征與垂直裂縫傳播明顯不同。碳酸鹽巖聲波時頻特征研究，拓寬了聲波預測巖心信息的方法，對該類儲層特征預測及評價具有重要的意義。

碳酸鹽巖；聲波；時頻特性；孔隙結(jié)構(gòu)；頻譜分析

0 引言

在將聲波測井技術應用于碳酸鹽巖地層時，某些高孔隙度碳酸鹽儲層也表現(xiàn)出了較高的聲波傳播速度，與人們對孔隙性膠結(jié)砂巖中聲速與孔隙度之間相關性的認識完全相反［1-2］。碳酸鹽巖儲層巖石基質(zhì)致密，孔隙類型多樣且發(fā)育不同尺寸的孔、洞、縫，具有高度非均質(zhì)性，在反演地層物性參數(shù)時，僅使用波速，將極大地影響到對碳酸鹽巖儲層的正確預測［3］。

國內(nèi)外學者對此進行了大量理論與試驗研究。劉向君等［4］研究發(fā)現(xiàn)，縱橫波速度、振幅和品質(zhì)因子均隨孔密度的增大呈下降趨勢。楊超等［5］通過鉆孔、造縫的方式逐漸改變巖心孔隙結(jié)構(gòu)，導致的孔隙度變化范圍為0.5%～20.0%，而高頻和中頻縱波聲波時差始終在誤差范圍內(nèi)波動，沒有表現(xiàn)出任何隨孔隙度變化的趨勢。梁利喜等［6］基于彈性波動理論和有限差分方法，做了超聲波透射數(shù)值模擬實驗。然而，眾學者僅在時域上對碳酸鹽巖中傳播聲波的首波進行了大量研究，忽略了尾波、聲波頻域及小波變換后攜帶的大量信息，且并未發(fā)現(xiàn)對碳酸鹽巖儲層進行孔隙預測的有效辦法。

在進行聲波波速研究的同時，國內(nèi)外還有許多學者對巖石聲波的頻譜特性也進行了研究［7］。Simpson［8］認為，頻譜出現(xiàn)譜峰增多是2個信號間時間延遲的結(jié)果，根據(jù)頻譜中2個極大值點的頻率，可求出2個疊加信號的時間延遲。Gericke等［9-11］利用聲波對內(nèi)部含有缺陷的金屬進行了檢測，并總結(jié)出了透射波的頻譜特征。周治國等［12］基于小波包的概念，利用各頻率成分能量的變化，考察了飽和水對巖樣聲波吸收程度的影響。他利用3層db1小波包，分解研究了飽和水和烘干狀態(tài)巖樣在頻率域的縱波信號所占比例。史謌等［13］發(fā)現(xiàn)，在一個較寬的頻段內(nèi)（0.1～3.0 MHz），譜比與頻率f呈線性關系，并通過擬合譜比圖的直線段斜率求取了波形的品質(zhì)因子。

頻譜分析方法在分析中用到整個信號的形態(tài)、相位，而在時間域的聲波測量是點測量［14］，如振動速度、位移方向、或波群最大振幅。整個波群的譜分析與時間域的點測量相比，前者得到的信息要多得多。本文對取自龍王廟組的碳酸鹽巖巖心進行了聲波透射實驗，對不同頻率的聲波波速與巖心孔隙結(jié)構(gòu)的相關關系進行了研究，并對采集的聲波首波進行快速傅里葉變換，研究了頻域內(nèi)波形特征隨孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

1 實驗樣品

實驗采用9塊不同孔洞發(fā)育程度的碳酸鹽巖巖心，取自四川盆地龍王廟組，孔隙度的變化范圍為2.19%～9.56%，基礎物性資料見表1。

表1 碳酸鹽巖基礎物性資料

由于地層存在各向異性，包括宏觀（層界面、裂縫）和微觀（層理、顆粒定向沉積），在研究和分析地層非均勻性和各向異性時，必須考慮尺度效應。特別是碳酸鹽巖縫洞發(fā)育，結(jié)構(gòu)復雜，為使巖心包含更多的裂縫孔洞信息，樣品尺寸要盡可能大。因此，在全直徑巖心上按軸向切割出邊長為60 mm×60 mm×60 mm的立方體。

2 實驗儀器與結(jié)果

實驗使用西南石油大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室自行研制的承壓型聲波換能器，采用透射法進行測量。采樣間隔為2 μs，采樣個數(shù)為600。聲波透射過巖心，被探頭接收，由示波器采集該聲波信號并傳至計算機。為保證測試結(jié)果的精度，采用相同材質(zhì)、不同長度的不銹鋼圓棒，進行線性回歸，來確定系統(tǒng)的固定延時。不同頻率聲波系統(tǒng)延時測試及擬合結(jié)果見圖1（T為首波延時）。每個測點均進行3次測量，取其平均值作為最后測量結(jié)果，則聲波速度v計算為

式中：L為標塊長度，mm；t為聲波的傳播時間，μs；t0為系統(tǒng)的固定延時，μs。

圖1 不同頻率聲波系統(tǒng)固定延時測試

3 實驗結(jié)果討論

3.1 孔隙度對聲波速度的影響

碳酸鹽巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)類型復雜多樣，而聲波會繞過孔洞或微裂縫結(jié)構(gòu)，沿最佳路徑傳播。大量的研究表明，在碳酸鹽巖儲層中，孔隙度-聲波速度之間的關系離散［15］。圖2為聲波頻率分別為25，50，100 kHz時，不同孔隙度的碳酸鹽巖聲波波速曲線。由圖可以看出：不同孔隙結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖波速隨聲波頻率的增大而增大；在同一聲波頻率情況下，巖樣聲波波速隨孔隙度時而增大，時而減小，但并未出現(xiàn)顯著的變化趨勢。這是因為，聲波在地層中傳播受到巖性、流體、裂縫等多種因素的共同作用，影響因素復雜多樣，波速隨發(fā)射聲波頻率的變化出現(xiàn)復雜的變化規(guī)律。在不同聲波頻率下，巖心縱波波速與孔隙度無明顯相關性。

該結(jié)論與劉向君等［4］的研究一致?，F(xiàn)有的常規(guī)聲波測井資料首波觸發(fā)機制具有很大的局限性，波速參數(shù)并不能很好地反映碳酸鹽巖儲層孔隙度的變化。

圖2 巖樣縱波波速與孔隙度關系

3.2 孔隙度對聲波頻譜特征的影響

巖心J-4孔隙度最小，孔洞不發(fā)育且較小，其聲波時域及頻域波形見圖3。頻域上譜峰較少，說明疊加信號較少，且在50 kHz附近，波形尖銳，反映出疊加信號相應通帶較窄，中心頻率集中在50 kHz。

圖3 巖心聲波時域及頻域波形

另外，不同孔隙及孔洞尺寸的碳酸鹽巖巖心低頻信號的分布范圍大致相同，同樣沒有顯著差別。在孔洞孔隙度增加過程中，頻譜峰間距沒有明顯變化，表明疊加信號延時不明顯。頻域波形的另一相同特征是譜峰都較少，但隨著孔隙度的增加，譜峰數(shù)量逐漸減少，與時域波形的特點相同。聲波在碳酸鹽巖傳播的時域及頻域波形都對其孔隙及孔洞尺寸有較好的反映。

巖心J-6首波時域、頻域波形見圖3。其時域波形譜峰數(shù)量多，峰間間距小，且含有大量尾隨信號，其振幅遠大于其他巖心，說明該巖心對聲波的衰減作用較弱。觀察其頻域波形可知，高頻波峰十分尖銳，帶寬較窄，透射波的主頻與探頭發(fā)射頻率相同，且首波的低頻成分較少，說明該巖心未有效過濾發(fā)射波的高頻部分。

實驗樣品中孔隙度最大的巖心J-6與孔隙度最小的巖心J-4波形十分相似，并未反映出孔隙度特征的不同。究其原因，認為碳酸鹽巖中傳播的聲波時頻特性主要與巖心孔洞的尺寸及膠結(jié)情況有關，而受孔隙度大小的影響很小。巖心J-6雖然孔隙度較大，但基質(zhì)硬度高、膠結(jié)好，且無肉眼可以觀察到的大尺寸孔洞，不會發(fā)生聲波在尺寸較大孔洞中復雜的散射、衍射現(xiàn)象，傳播路徑較短，疊加信號增強且在聲波的傳播過程中信號強度和頻率均不會發(fā)生較大變化。

對比不同孔隙度碳酸鹽巖聲波波形，可以發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙度和孔洞尺寸增大，首波時域波形中疊加到首波的信號越來越小，譜峰數(shù)量逐漸減少，譜峰間距逐漸增大。這說明，首波中隨著孔隙度及孔洞尺寸的增大，由于孔洞的反射、衍射作用，首波中疊加的來自其他路徑的信號的時間延遲逐漸增加，即疊加信號傳播路徑變短［16］。此外，隨著孔隙度、孔洞尺寸的增大，波形中的尾隨信號逐漸增多，且譜峰間距逐漸增大。

3.3 裂縫對聲波頻譜特征的影響

巖心J-5和J-9軸向發(fā)育大量水平裂縫且完全將巖心基質(zhì)切斷，聲波時差測試顯示，平行裂縫方向聲波傳播速度明顯高于垂直裂縫方向，說明聲波時差的各向異性可以用來預測巖體中是否含有裂縫。在此基礎上，本文更進一步研究了聲波在裂縫型巖性中傳播的首波波形及頻譜特征。巖心J-5和J-9平行和垂直裂縫方向的聲波時域與頻域的波形見圖4、圖5。

垂直裂縫方向聲波與平行裂縫方向首波時域波形與頻譜具有顯著差異。與平行裂縫方向傳播聲波相比，垂直裂縫方向首波時域波形尾部疊加信號增強，頻譜低頻幅度增強且高頻信號顯著變?nèi)跚易V峰振蕩增強，表現(xiàn)出較多的譜峰，說明裂縫引起巖心內(nèi)部端角反射、衍射增強，巖心內(nèi)部不連續(xù)性增強，對高頻信號過濾作用較強，并引起首波中疊加信號增多。

平行裂縫方向傳播的聲波首波時域波形尾部疊加信號消失，高頻信號位置振幅明顯升高，與無裂縫巖性波形相比，主頻處譜峰增多且?guī)捲龃?，說明平行裂縫傳播的聲波有一定的影響作用，但作用弱于垂直裂縫的影響。在實際應用中，可以根據(jù)透射聲波時域與頻域的以上特點，觀測巖心內(nèi)部裂紋發(fā)育特征。根據(jù)透射波高頻衰減量或主頻與換能器頻域的差值，可以進一步定量研究裂縫的形態(tài)。

圖4 巖心J-5時域及頻域波形

圖5 巖心J-9時域及頻譜波形

4 結(jié)論

1）聲波在碳酸鹽巖中傳播的時頻特性與孔洞大小及膠結(jié)情況密切相關，與孔隙度的大小相關度較低。

2）聲波隨著孔隙度及孔洞尺寸的增大，波形疊加來自其他路徑的信號的時間延遲逐漸增加，波形中的尾隨信號逐漸增多，且譜峰間距逐漸增大。

3）垂直裂縫方向聲波與平行裂縫方向聲波時域波形與頻譜具有顯著差異，前者時域波形尾部疊加信號增強，頻譜低頻幅度增強且高頻信號顯著變?nèi)跚易V峰振蕩增強。在實際應用中，可以根據(jù)聲波時域與頻域的以上特點，預測巖心內(nèi)部裂紋發(fā)育特征。

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（編輯 高學民）

Influence of different pore structures of carbonate rock on time and frequency characteristics of acoustic wave spread

ZHANG Mingming,LIANG Lixi,JIANG Shaolong
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

To acquire the law of different pore structures′influence on acoustic propagation time and frequency characteristics, carbonate cores of different pore structures were cut into 60 mm cube.Then the self-developed multi-frequency ultrasonic tester was used to measure the longitudinal wave propagation time of core axial.Meanwhile,Ultra Scope software was used to collect acoustic waveform of receiver probe to investigate the longitudinal wave velocity,time domain waveform and spectrum characteristics of carbonate rocks with different pore structures.The results show that acoustic time domain and frequency domain waveform characteristics mainly relate to the core hole size and cementation,which have nothing to do with the size of the porosity;with the increase of hole size,the filtering effect of carbonate rocks on high frequency harmonic increases;time domain waveform of sound waves propagating in the vertical direction of fractures contains lots of following wave signals,and the strength of high frequency harmonic weakens significantly with the increasing quantity of spectrum peaks and strong oscillation;there are distinct differences between the waveforms of acoustic waves propagating in vertical and parallel direction of fractures.The study of acoustic wave time and frequency characteristic broadens the methods of core information prediction,which has important significance for reservoir prediction and evaluation.

carbonate rock;acoustic wave;time and frequency characteristics;pore structure;spectrum analysis

TE344

A

10.6056/dkyqt201606029

2016-04-28；改回日期：2016-08-17。

張明明，男，1991年生，在讀碩士研究生，主要從事巖石斷裂力學、 石油工程測井等方面的研究。 E-mail：zhangmingmingswpu@gmail.com。

張明明，梁利喜，蔣少龍.不同孔隙結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖對聲波時頻特性的影響［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：825-828.

ZHANG Mingming，LIANG Lixi，JIANG Shaolong.Influence of different pore structures of carbonate rock on time and frequency characteristics of acoustic wave spread［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：825-828.