徐家圍子斷陷營城組火山巖巖性、儲層巖石物理彈性參數(shù)特征分析

戴 世 立

(中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

1 概況

徐家圍子斷陷下白堊統(tǒng)營城組是重要的目的層，已有近百口探井獲工業(yè)氣流或氣顯示，展示該地區(qū)火山巖地層具有良好的天然氣儲集性能[1-3]?；鹕綆r儲層及油氣藏的識別是火山巖油氣勘探的首要任務(wù)，主要方法是井震結(jié)合進(jìn)行疊前和疊后地震預(yù)測[4]，而巖石物理分析是實現(xiàn)巖性、儲層地震預(yù)測的理論依據(jù)。長期以來關(guān)于沉積巖巖石物理的研究成果較多、較為成熟，而對火山巖氣藏的研究比較薄弱，特別是在火山巖巖石物理方面。本文通過火山巖巖石樣品的測試分析，研究不同巖性樣品在干、飽含氣和飽含水狀態(tài)下vP和vS等彈性參數(shù)的關(guān)系，為橫波預(yù)測提供理論依據(jù)； 研究不同巖性含不同流體時彈性參數(shù)的變化規(guī)律，以此指導(dǎo)測井巖石物理分析，優(yōu)選出巖性、儲層及氣層的敏感彈性參數(shù)。

徐家圍子斷陷營城組火山巖巖石類型多樣，巖性較為齊全。按照“國際地科聯(lián)火成巖分類學(xué)分委會”推薦的火山巖巖性分類方法[5]，徐家圍子地區(qū)火山巖的巖性可劃分為47種之多[6，7]，而從火山巖的地球物理參數(shù)分析來看，有些巖性，如玻屑凝灰?guī)r和晶屑凝灰?guī)r之間并沒有明顯的聲學(xué)特征差異，從火山機構(gòu)的地球物理數(shù)字化來看，可以把相態(tài)類似、特征相近的巖性進(jìn)行合并歸類。對徐家圍子斷陷營城組138口井鉆遇火山巖的862個井段和72個取心段的巖性，進(jìn)行了統(tǒng)計分析，將巖性歸總為15類[8，9](圖1)，建立深層不同火山巖的聲波(密度)測井響應(yīng)數(shù)值變化動態(tài)范圍，并統(tǒng)計同一巖性出現(xiàn)的概率。本次研究主要針對出現(xiàn)概率較大的巖性，包括：流紋巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、粗面巖、玄武巖、英安巖、安山巖以及沉積巖夾層等，并對其進(jìn)行巖石物理分析研究。

圖1 徐家圍子斷陷營城組火山巖類別劃分及出現(xiàn)概率

2 火山巖實驗室?guī)r石物理參數(shù)測試

選取徐家圍子斷陷38口典型井的取心資料進(jìn)行測試分析，巖石樣品包含酸性巖、中基性巖和基性巖等主要火山巖類型，每種類型按照試氣結(jié)果分為干層、差氣層、氣層和水層四種類型儲層，完成了105塊、共664組數(shù)據(jù)的測量與計算，確保巖石物理分析結(jié)果具有普遍規(guī)律和代表性。

樣品規(guī)格為2.5cm(直徑)×3cm(長度)，首先測定圓柱形樣品的直徑和高度，計算其體積，測定干巖樣的質(zhì)量，然后計算得到巖樣的密度。密度測量相對誤差為質(zhì)量測量相對誤差與體積測量相對誤差之和。質(zhì)量測量理論精度為0.001g，本次樣品質(zhì)量一般大于10g(多在20g以上)，則質(zhì)量測量誤差遠(yuǎn)小于0.1%；樣品長度的理論測量精度為0.01mm，對于長度為30mm的樣品，其長度測量的相對誤差小于0.04%，體積測量誤差約為長度測量誤差的3倍，則體積測量相對誤差小于0.12%。因此，密度測量相對誤差小于0.22%。

采用超聲脈沖透射法進(jìn)行巖石縱、橫波速度測定，該系統(tǒng)具有溫度、壓力、孔隙流體壓力、流體飽和度獨立控制功能。最高溫度可達(dá)150℃，溫度加熱采用高壓容器內(nèi)加熱方式，盡可能使高壓容器內(nèi)溫度場比較均勻，溫度控制精度為1℃；最大壓力可達(dá)150MPa，最大孔隙壓力可達(dá)40MPa(氣體壓力最大為30MPa)，壓力測定使用高精度壓力傳感，傳感器使用前用0.4級的精密壓力表標(biāo)定，分辨率為0.1MPa。按照誤差傳遞理論，波速測量相對誤差為長度測量相對誤差、到時測量相對誤差和系統(tǒng)基時測量相對誤差的總和。本系統(tǒng)測量的波速相對誤差小于0.54%。

通過測量火山巖巖石樣品在干、飽含氣和飽含水狀態(tài)下的縱波速度、橫波速度、密度及衰減因子等數(shù)據(jù)，計算各種彈性參數(shù)，總結(jié)不同狀態(tài)下巖石的敏感參數(shù)差異，為巖石物理解釋量板的建立提供依據(jù)。對比來自兩口井(SHS10井和XS10井)的測試數(shù)據(jù)(vP、vS和ρ)與測井?dāng)?shù)據(jù)(圖2、圖3)，結(jié)果較吻合。

圖2 SHS10井巖心測試和測井?dāng)?shù)據(jù)

圖3 XS10井巖心測試和測井?dāng)?shù)據(jù) 藍(lán)色圓點為樣品飽水測試數(shù)據(jù)，紅色圓點為樣品飽氣測試數(shù)據(jù)

縱、橫波速度是連接巖石物理性質(zhì)與地震波勘探的橋梁,通過縱、橫波速度的研究,可以對儲層的流體性質(zhì)進(jìn)行分析識別。以安山巖為例(圖4)，隨著含氣飽和度的增加(這里含氣飽和度與含水飽和度之和是100%)，巖石的vP非線性減小，在接近飽和氣段，變化相對緩慢，而在接近飽和水段(低含氣飽和度)時，vP變化相對更快；從圖5可以看出，隨著含氣飽和度增加，vS緩慢增加，但總體上變化不大，即vS對含氣飽和度變化不敏感。這主要是由于巖石的vS對流體不敏感，圖5中隨著含氣飽和度的增加，vS總的變化幅值僅為23m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，對比多井不同孔隙度時縱、橫波速度的變化，認(rèn)為vS對流體的變化不敏感，而vP對流體性質(zhì)的變化較敏感。本文基于實驗室測試的vP和vS數(shù)據(jù)，擬合不同火山巖巖性的vP-vS關(guān)系，為vS曲線預(yù)測巖性奠定基礎(chǔ)。

圖4 安山巖不同含氣飽和度時vP測試結(jié)果

圖5 安山巖不同含氣飽和度時vS測試結(jié)果

3 火山巖vS曲線預(yù)測

隨著油田勘探開發(fā)的深入,復(fù)雜火山巖巖性儲層的描述、識別成為目前地震勘探的主要任務(wù),在儲層巖性及孔隙介質(zhì)識別過程中,通過增加橫波速度和彈性參數(shù),可以有效地提高儲層的識別精度。由于橫波測井?dāng)?shù)據(jù)較少，橫波曲線預(yù)測工作顯得尤為重要，其結(jié)果會直接影響巖石物理分析和疊前地震預(yù)測結(jié)果的可靠性。沉積巖地層橫波預(yù)測方法比較成熟，常用的Xu-White模型結(jié)合Gassmann方程和Kuster -Toks?z模型及差分等效介質(zhì)理論(DEM)[11-13],這是一種利用孔隙度和泥質(zhì)含量估算泥質(zhì)砂巖縱波和橫波速度的方法。Xu-White模型假設(shè)巖石骨架礦物主要由砂和泥組成,并采用橢圓形縱—橫直徑比(扁度)來描述孔隙形狀。火山巖巖性種類較多，非均質(zhì)性很強，因此無法直接借鑒已有的沉積巖經(jīng)驗公式；火山巖孔隙結(jié)構(gòu)模型設(shè)計較為困難，對于不同火山機構(gòu)，即使巖性相同，其孔隙結(jié)構(gòu)模型也可能不盡相同，致使火山巖地層橫波預(yù)測難度大。對比火山巖不同巖性時的vP-vS擬合關(guān)系式與沉積巖經(jīng)驗公式(Han公式和Castagna公式)，發(fā)現(xiàn)它們之間的擬合曲線斜率差別較大，且火山巖不同巖性時vP-vS擬合關(guān)系式差別也很大。

利用不同巖性巖石樣品在干、飽含氣和飽含水狀態(tài)下vP、vS、密度及衰減因子等測試數(shù)據(jù)，擬合在三種狀態(tài)下vP-vS關(guān)系式，逐井按照不同巖性、不同流體逐層段進(jìn)行關(guān)系式擬合(圖6、圖7)，保證了橫波預(yù)測的可靠性。以XS141井為例，該井主要含玄武巖和凝灰?guī)r，圖8a為基于玄武巖和凝灰?guī)r共同擬合vP-vS關(guān)系式的結(jié)果，可見vP與vS的線性關(guān)系較差，圖8b為單獨針對凝灰?guī)r的擬合結(jié)果，圖8c為單獨針對玄武巖的擬合結(jié)果，可見分巖性時擬合的vP-vS關(guān)系式線性關(guān)系明顯提高，這有利于更好地開展測井巖石物理分析。

圖6 火山熔巖類vP-vS關(guān)系擬合圖

圖7 火山碎屑巖類vP-vS關(guān)系擬合圖

圖8 XS141井vP-vS關(guān)系擬合結(jié)果 (a)玄武巖和凝灰?guī)r; (b)凝灰?guī)r; (c)玄武巖

4 火山巖巖性識別

目前利用地震反射特性的差異性可以識別火山機構(gòu)體，但要區(qū)分不同的火山巖巖性還有很大的困難和不確定性，且火山巖地層常常發(fā)育沉積巖夾層，這都給火山巖巖性預(yù)測和儲層預(yù)測增加了難度。戴世立等[14]利用常規(guī)測井資料從速度、放射性、導(dǎo)電性等方面對火山巖的性質(zhì)(酸性、中性、基性)進(jìn)行判別； 黃薇等[15]、 李明等[16]和綦敦科等[17]研究認(rèn)為火山巖的巖性變化趨勢具有一定規(guī)律性：巖性由基性過渡到酸性，放射性逐漸增強，自然伽馬值逐漸增高； 王玲等[18]認(rèn)為火山巖從基性到酸性,自然伽馬值逐漸增大而電阻率值逐漸減小,因此利用自然伽馬和電阻率測井曲線的交會,可以定性地區(qū)分基性、中性和酸性火山巖。一般利用一種或兩種測井資料難以區(qū)分火山巖的巖性,特別是礦物組分相同的火山巖，對于成分相同而結(jié)構(gòu)不同的酸性火山巖,只能借助于FMI成像測井判別火山巖的巖石類型。

通過系統(tǒng)的巖石物理分析，13種彈性參數(shù)兩兩交會分析，逐步篩選出不同巖性所敏感的彈性參數(shù)，直到不能區(qū)分為止，把具有相同彈性參數(shù)特征的作為一個巖性組，實現(xiàn)對火山巖復(fù)雜巖性的有效分組。研究表明，泥巖具有明顯的低vS特征(圖9)，利用vS可以識別泥巖；剩下的巖性中玄武巖具有高密度的特征，利用密度可以識別玄武巖(圖10)；利用拉梅系數(shù)把剩下的巖性分為兩組(圖11)，即安山巖組(安山巖、粗面巖)和流紋巖組(流紋巖、凝灰?guī)r、砂礫巖、火山角礫巖)。該方法現(xiàn)實了對復(fù)雜火山巖巖性的區(qū)分，為不同巖性的儲層預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

圖9 基于vS區(qū)分泥巖結(jié)果

圖10 基于密度區(qū)分玄武巖結(jié)果

圖11 基于拉梅系數(shù)區(qū)分安山巖組和流紋巖組結(jié)果

5 火山巖不同巖性儲層的識別

火山巖儲層地震預(yù)測結(jié)果取決于它們所表現(xiàn)出的彈性參數(shù)特性差異的大小，只有當(dāng)相互間存在明顯的差異，這種檢測才具有可行性。儲層測井參數(shù)識別必須從已知井出發(fā),根據(jù)已鉆遇井的測井地球物理響應(yīng)特征結(jié)合試氣結(jié)果確定門檻值,建立儲層的判別標(biāo)準(zhǔn)。不同巖性的火山巖儲層判別標(biāo)準(zhǔn)不同，對于儲層敏感參數(shù)選取和參數(shù)下限值的確定尤為重要，這也是儲層預(yù)測的關(guān)鍵所在。鄭亞斌等[19]認(rèn)為密度對火山巖儲層最為敏感，一般情況下儲層密度值大于2.10g/cm3且小于2.53g/cm3；綦敦科等[20]認(rèn)為徐家圍子地區(qū)深層火山巖儲層集中于流紋巖、安山巖兩類熔巖中，前者在有效厚度內(nèi)的密度值小于2.47g/cm3、后者在有效厚度內(nèi)的密度值小于2.63g/cm3。

基于彈性參數(shù)把復(fù)雜火山巖巖性分為四個巖性組：泥巖組、玄武巖、流紋巖組及安山巖組，對不同巖性組分別進(jìn)行儲層和干層有效彈性參數(shù)的優(yōu)選，通過多種彈性參數(shù)交會分析認(rèn)為，同一巖性組內(nèi)不同巖性的火山巖儲層具有相同的儲層敏感參數(shù)，儲層都表現(xiàn)出低密度的特征，且不同巖性組具有不同的門檻值。玄武巖儲層的密度小于2.74g/cm3，流紋巖組儲層的密度小于2.57g/cm3，安山巖組儲層的密度小于2.55g/cm3，因此即使不能區(qū)分同一組內(nèi)的每種巖性，卻仍能較好地識別儲層(圖12)。

火山巖油氣識別是火山巖油氣勘探的最終目標(biāo)，在不同巖性組儲層區(qū)分的基礎(chǔ)上，優(yōu)選氣層和水層所敏感的彈性參數(shù)。研究認(rèn)為泊松比對氣層和水層最敏感，氣層表現(xiàn)出低泊松比特征(圖13)，其中，玄武巖氣層泊松比小于0.29，流紋巖組氣層的泊松比小于0.23，安山巖組氣層的泊松比小于0.25。

圖12 火山巖不同巖性有效儲層識別結(jié)果 (a)玄武巖； (b)流紋巖組； (c)安山巖組；圖中藍(lán)色虛線為儲層門檻值

圖13 火山巖不同巖性氣層識別結(jié)果 (a)玄武巖; (b)安山巖組; (c)流紋巖組 圖中藍(lán)色虛線為含氣層的門檻值

6 結(jié)論

(1)本文采用超聲脈沖透射測量系統(tǒng)，模擬地層溫度和壓力條件，對松遼盆地北部四個斷陷105塊巖性樣品進(jìn)行測試，共獲得664組數(shù)據(jù)。通過誤差分析，波速測量誤差小于0.67%，密度測量誤差小于0.22%，確?；趯嶒灁?shù)據(jù)的擬合關(guān)系式可以準(zhǔn)確地預(yù)測橫波速度曲線。

(2)基于橫波速度、密度、拉梅系數(shù)三個參數(shù)把營城組地層巖性劃分為四個巖性組：泥巖、玄武巖組(玄武巖、玄武安山巖)、安山巖組(安山巖、粗面巖)和流紋巖組(流紋巖、凝灰?guī)r、砂礫巖、火山角礫巖)。

(3)同一巖性組內(nèi)不同巖性的火山巖儲層和氣層具有相同的敏感參數(shù)，儲層具有低密度的特征，應(yīng)用密度能較好地識別儲層；氣層相對水層顯示出低泊松比的特征，因此可以利用泊松比辨別氣層與水層。

[1] 邱春光,王璞珺.試論盆地內(nèi)火山巖地層發(fā)育的層序位置——以松遼盆地徐家圍子斷陷為例.新疆石油天然氣,2006,2(1):13-18. Qiu Chunguang,Wang Pujun.Preliminary study on sequence’s location of volcanic stratigraphy in sedimentary basin — an example from Xujiaweizi depression of Songliao basin.Xinjiang Oil & Gas,2006,2(1):13-18.

[2] 馮志強.松遼盆地慶深大型氣田的勘探前景.天然氣工業(yè),2006,26(6):1-5. Feng Zhiqiang.Exploration potential of large Qing-shen gas field in the Songliao basin.Natural Gas Industry,2006,26(6):1-5.

[3] 姜傳金,陳樹民,初麗蘭等.徐家圍子斷陷營城組火山巖分布特征及火山噴發(fā)機制的新認(rèn)識.巖石學(xué)報,2010,26(1):63-72. Jiang Chuanjin，Chen Shumin，Chu Lilan et al.A new understanding about the volcanic distribution characteristics and eruption mechanism of Yingchen formation in Xujiaweizi fault depression.Acta Petrologica Sinica,2010,26(1):63-72.

[4] 李軍,張軍華,韓雙等.火成巖儲層勘探現(xiàn)狀、基本特征及預(yù)測技術(shù)綜述.石油地球物理勘探,2015,50(2):382-392. Li Jun,Zhang Junhua,Han Shang et al.A review: exploration status,basic characteristics and prediction approaches of igneous rock reservoir.OGP,2015,50(2):382-392.

[5] Murphy W F.Effects of Microstructure and Pore Fluids on the Acoustic Properties of Granular Sedimentary Materials[D].Stanford University,1982.

[6] 邱家驤.國際地科聯(lián)火成巖分類學(xué)分委會推薦的火山巖分類簡介.現(xiàn)代地質(zhì),1991,5(4):457-468.

[7] 王璞珺,鄭常青,舒萍等.松遼盆地深層火山巖巖性分類方案.大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2007,26(4):17-22. Wang Pujun,Zheng Changqing,Shu Ping et al.Clas-sification of deep volcanic rocks in Songliao Basin.Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2007,26(4):17-22.

[8] Mavko G,Jizba D.Estimating grain scale fluid defects on velocity dispersion in rocks.Geophysics,1991,56(7):1940-1949.

[9] 陳樹民，張元高，姜傳金.徐家圍子斷陷火山機構(gòu)疊置關(guān)系解析及其數(shù)字化模型參數(shù)建立.地球物理學(xué)報，2011,54(2)：500-507. Chen Shumin,Zhang Yuangao,Jiang Chuanjin.The analysis of volcanic edifice superimposition and its di-gital model parameters establishment.Chinese Journal of Geophysics,2011,54(2)：500-507.

[10] 姜傳金,戴世立,吳杰等.松遼盆地北部營城組火山巖巖石彈性參數(shù)測試及特征分析.石油地球物理勘探,2014,49(5):916-924. Jiang Chuanjin,Dai Shili,Wu Jie et al.Elastic parameter tests and characteristics analysis of volcanic rocks in Yingcheng formation,Northern Songliao Basin.OGP，2014,49(5):916-924.

[11] 張楊.利用Xu-White模型估算地震波速度.成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,32(2):188-195. Zhang Yang.Xu-White model for seismic wave velocity prediction.Journal of Chengdu University of Technology (Natural Science Edition),2005,32(2):188-195.

[12] 劉雅杰,李生杰,王永剛等.橫波預(yù)測技術(shù)在蘇里格氣田儲層預(yù)測中的應(yīng)用.石油地球物理勘探,2016,51(1):165-172. Liu Yajie,Li Shengjie,Wang Yonggang et al.Reservoir prediction based on shear wave in Sulige Gas Field.OGP,2016,51(1):165-172.

[13] 唐杰,王浩,姚振岸等.基于巖石物理診斷的橫波速度估算方法.石油地球物理勘探,2016,51(3):537-543. Tang Jie,Wang Hao,Yao Zhen’an et al.Shear wave velocity estimation based on rock physics diagnosis.OGP,2016,51(3):537-543.

[14] 戴世立,姜傳金,張元高等.徐家圍子斷陷安達(dá)地區(qū)火山巖有效儲層預(yù)測方法研究.地質(zhì)科技情報,2012,31(2):67-71. Dai Shili，Jiang Chuanjin，Zhang Yuangao et al.Me-thodologies for predicting effective reservoir of volcanic in Anda area of Xujiaweizi depression.Geological Science and Technology Information，2012，31(2)：67-71.

[15] 黃薇,印長海,劉曉等.徐深氣田芳深9區(qū)塊火山巖儲層預(yù)測方法.天然氣工業(yè),2006,26(6):14-17. Huang Wei，Yin Changhai，Liu Xiao et al.Prediction of volcanic rock reservoir in blocks Fangshen 9 in Xushen Gas Field.Natural Gas Industry，2006，26(6)：14-17.

[16] 李明,鄒才能,劉曉等.松遼盆地北部深層火山巖氣藏識別與預(yù)測技術(shù).石油地球物理勘探,2002,37(5):477-484. Li Ming，Zou Caineng，Liu Xiao et al.Volcanic gas reservoir identification and forecasting techniques of Northern Songliao Basin.OGP，2002，37(5)：477-484.

[17] 綦敦科,吳海波,陳立英等.徐家圍子火山巖氣藏儲層測井響應(yīng)特征.測井技術(shù),2002,26(1):52-63. Qi Dunke，Wu Haibo，Chen Liying et al.Volcanic gas reservoirs logging response characteristics of Xujiaweizi depression.Well Logging Technology，2002，26(1):52-63.

[18] 王玲,張研,戴曉峰等.徐深氣田徐深9井區(qū)火山巖氣藏有效儲層識別方法.石油地球物理勘探,2010,45(5):741-767. Wang Ling，Zhang Yan，Dai Xiaofeng et al.Identification of effective volcanic gas reservoir in the block of Xushen-9 well,Xushen gas field.OGP,2010,45(5):741-767.

[19] 鄭亞斌,王延斌,冉啟全等.棗35斷塊火山巖儲層特征研究.石油學(xué)報,2006,27(4):54-58. Zheng Yabin,Wang Yanbin,Ran Qiquan et al.Investigation on characteristics of volcanic reservoir in Zao 35 Block .Acta Petrolei Sinica,2006,27(4):54-58.

[20] 綦敦科,齊景順,王革等.徐家圍子地區(qū)火山巖儲層特征研究.特種油氣藏,2002,9(4):30-33. Qi Dunke,Qi Jingshun,Wang Ge et al.Study on volcanic reservoir characteristics in Xujiaweizi area.Special Oil & Gas Reservoirs,2002,9(4):30-33.