Xue Xiao, Zhenfeng Yang, Chunfeng Yang, Pengfei Wang, Feng Li
Research Institute of Exploration and Development, Henan Oilfield Company, SINOPEC, Zhengzhou Henan
Abstract
Keywords
近年來,隨著油氣勘探的不斷深入和開發(fā)的難度加大,地震技術(shù)從構(gòu)造研究逐漸深入到巖性識別和烴類檢測。利用疊前彈性反演能夠直接給出縱、橫波速度與密度信息,在其基礎(chǔ)上可進(jìn)一步計(jì)算泊松比、拉梅常數(shù)等其他彈性參數(shù)或組合彈性參數(shù)。然而,由于影響地下巖石彈性特征的因素眾多,造成參數(shù)反演具有多解性,需要利用先驗(yàn)信息建立巖石物理模型,從而進(jìn)行定量或者定性解釋,以達(dá)到儲層巖性識別和烴類預(yù)測的目的[1][2][3]。
巖石物理模型的構(gòu)建有助于計(jì)算地下儲層巖石的彈性參數(shù),提高巖石物性參數(shù)的反演精度,進(jìn)而更好地了解地下含油氣儲層特征及流體分布規(guī)律,在儲層巖性、物性分析以及流體識別分析中發(fā)揮著重要的作用[4][5][6]。巖石骨架在干燥條件下的地震彈性特征可以通過等效介質(zhì)模型或者已有的巖石物理經(jīng)驗(yàn)關(guān)系獲得[7][8]。但由于儲層巖石地震彈性性質(zhì)的區(qū)域性造成等效介質(zhì)模型以及經(jīng)驗(yàn)關(guān)系并不完全適用,需要在模擬儲層條件下對目標(biāo)儲層巖心樣品進(jìn)行系統(tǒng)的地震巖石物理試驗(yàn)來確定關(guān)鍵參數(shù)或者對已有模型的標(biāo)定[7][8]。對于兩相(氣/水、油)或多相流體飽和(氣/水/油)巖石,地震勘探中一般用Gassmann方程和有效流體模型來定量表征流體替換過程中地震彈性性質(zhì)的變化[9][10]。Gassmann方程計(jì)算結(jié)果代表嚴(yán)格低頻條件,由于儲層巖石孔隙結(jié)構(gòu)的不均勻性造成流體流動相關(guān)頻散作用,對巖石地震彈性性質(zhì)有明顯影響,如儲層巖石微觀孔隙尺度不均勻所形成的“噴射”流作用,其特征頻率可位于測井頻段;同時,已有研究結(jié)果表明,在考慮孔隙分布的情況下速度頻散曲線并無明顯的低頻段,即地震頻段(<100 Hz)或者測井頻段(10~20 kHz)并不完全等同于低頻條件,造成在構(gòu)建巖石物理模型時僅用Gassmann方程表征孔隙流體影響從而定量解釋地震或者測井結(jié)果,會出現(xiàn)明顯預(yù)測誤差[11][12][13][14][15]。
近幾年,新疆車排子地區(qū)春光油田在沙灣組、古近系、白堊系等多層系不同砂巖體系中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)和開采了一批大小不等、與巖性有關(guān)的油藏,展示了巨大的勘探潛力。沙灣組中-高孔隙度砂巖為研究區(qū)主要勘探層位,但砂體規(guī)模通常較小,油層薄且單一,儲層橫向物性變化快,是典型的復(fù)雜巖性油藏。有學(xué)者通過儲層巖性物理特征分析,利用地震正演分析技術(shù),驗(yàn)證油砂體的類亮點(diǎn)地震反射特征,總結(jié)出了一套以“亮點(diǎn)”技術(shù)為主的儲層預(yù)測方法;應(yīng)用實(shí)際測井資料進(jìn)行地震正演、流體替換和AVO模擬,發(fā)現(xiàn)沙灣組砂巖在不同含油飽和度時具有不同的AVO響應(yīng)特征[11][12][13][14][15]。但由于對春光油田沙灣組儲層砂巖巖石物理特征缺乏系統(tǒng)性、規(guī)律性認(rèn)識,影響到振幅分析、波阻抗反演等儲層預(yù)測方法的適用性和應(yīng)用效果,使得儲層及油層的分布情況難以進(jìn)行更為準(zhǔn)確的地震預(yù)測。
筆者以春光油田沙灣組砂巖巖心樣品測試結(jié)果為基礎(chǔ),利用 Mori-Tanaka非接觸模型,從微細(xì)觀力學(xué)角度綜合考慮儲層砂巖孔隙度、孔隙形狀及微裂隙(在相同有效壓力下容易被壓縮,主要表現(xiàn)為顆?;A(chǔ)邊界和微裂隙)含量對干燥巖石骨架彈性性質(zhì)的影響;結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,進(jìn)而建立表征目標(biāo)儲層巖石骨架地震彈性性質(zhì)的巖石物理模型。在該基礎(chǔ)上,再利用孔隙尺度噴射流作用模型替代傳統(tǒng)Gassmann方程進(jìn)行流體替換,從而構(gòu)建與頻率相關(guān)的流體飽和巖石介質(zhì)的定量巖石物理模型,以反映具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)特征的儲層巖石,及其孔隙流體與固體骨架間的耦合作用對巖石地震彈性特征的影響,從而為不同頻率測量數(shù)據(jù)的儲層和流體解釋提供一種方便的工具。
試驗(yàn)使用的15塊儲層砂巖巖心樣品均來自于新疆準(zhǔn)噶爾盆地車排子地區(qū)春光油田的沙灣組。沙灣組主要為辮狀河三角洲及濱海淺湖相沉積環(huán)境,以發(fā)育塊狀砂體為特征,具多個較大規(guī)模的低水位三角洲,總體屬高孔、高滲儲層。為使地震巖石物理研究有代表性,對目標(biāo)儲層(沙灣組2砂組)進(jìn)行取樣,取樣井包括C2-5井、P201井等10口井,取樣原則為確保樣品能夠覆蓋目標(biāo)層可能的孔隙度變化。根據(jù)樣品的薄片和X射線衍射全巖心分析結(jié)果,樣品以石英細(xì)砂巖為主,分選性較好;巖石成分以長英質(zhì)為主,體積分?jǐn)?shù)60%以上,膠結(jié)物主要表現(xiàn)為泥質(zhì)、碳酸鹽和石英膠結(jié),體積分?jǐn)?shù)小于30%;孔隙類型主要為原生孔隙和部分溶蝕孔隙,其中原生孔隙約占總孔隙的65%以上。從高孔隙到低孔隙,從點(diǎn)接觸變?yōu)橥拱冀佑|,反映壓實(shí)作用增強(qiáng)(圖1)。在樣品對應(yīng)的微米CT掃描圖片中,高孔隙巖石樣品(圖1(b),H1砂巖樣品,孔隙度φ= 28.6%)在孔隙形態(tài)上表現(xiàn)為彈性性質(zhì)較“軟”的復(fù)雜多邊形粒間孔隙,同時存在大量由接觸邊界或剛性顆粒壓實(shí)破碎面所構(gòu)成的彈性性質(zhì)更“軟”的孔隙;隨著孔隙度的逐漸下降,孔隙形態(tài)也逐漸從多邊形的軟孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)榻迫切蔚摹坝病笨紫?圖1(d),H2砂巖樣品,φ= 13.9%),同時以顆粒接觸邊界為代表的軟孔隙含量也明顯減少。
Figure 1.The characteristics of micro-pore structures of reservoir sandstone samples圖1.儲層砂巖樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征圖
由于試驗(yàn)樣品取自10口井的不同深度,因此具有不同的壓差(上覆地層壓力與孔隙流體壓力之差)。樣品被制成符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體(直徑約25 mm,長40~50 mm),在洗鹽、洗油和烘干等準(zhǔn)備工作之后,采用CMS-300儀器測量模擬地層壓差條件下的有效孔隙度。試驗(yàn)測試的干燥條件均指實(shí)驗(yàn)室干燥,即將烘干后的樣品在潮濕空氣條件下的露天放置 24 h以上,得到約含有 2%~3%水分的“干燥”樣品,以消除黏土礦物脫水對巖石骨架彈性性質(zhì)的影響。而水飽和樣品則均采用抽空加壓飽和的方法,飽和時間超過48 h,樣品已達(dá)到完全水飽和狀態(tài)。利用超聲波脈沖穿透法測定樣品速度,使用設(shè)備為成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS儲層巖石彈性參數(shù)測量系統(tǒng),裝置配套縱波PZT換能器的主頻為800 kHz,橫波主頻為350 kHz。試驗(yàn)中,壓力從2 MPa加至60 MPa,在10 MPa前每隔2 MPa測量一次,隨后每隔5 MPa測量一次,壓力點(diǎn)測量間隔15 min,以保證圍壓在樣品中的平衡。水飽和條件下速度測量時孔隙壓力始終保持在1 MPa的非排水狀態(tài),圍壓與孔壓的壓力偏差均小于0.3%。圍壓與孔隙壓力分別通過兩臺ISCO高壓無脈沖計(jì)量泵控制,圍壓通過連接壓力釜體的ISCO高壓泵控制,而孔隙壓力則通過ISCO高壓泵直接作用于樣品表面,ISCO高壓泵控制輸入、輸出流量,使液體壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值,并通過壓力傳感器進(jìn)行計(jì)量。所用示波器時間測試誤差 ≤ 0.01 μs,則測試系統(tǒng)速度測量相對誤差的量級縱波約為1%,橫波約為2%。
圖2(a)給出了研究區(qū)砂巖樣品縱波速度隨圍壓的變化,從變化形態(tài)上可以看出2種不同的速度變化趨勢:第1種變化趨勢以H10樣品為代表,縱波速度隨壓力的增加呈近似線性的增加而無明顯的非線性段,同時整個壓力變化范圍內(nèi)縱波速度變化均小于5%;第2種變化趨勢以H1~H9樣品為代表,縱波速度均在壓力較小(小于30~40 MPa)時迅速增加,在超過該壓力時縱波速度變化較小并與壓力呈近似線性關(guān)系,根據(jù)該類樣品可大致認(rèn)為研究區(qū)巖石中微裂隙閉合的有效壓力應(yīng)在30~40 MPa以上。第1種變化趨勢表明巖石樣品中主要以縱橫比較大的剛性孔隙為主,反映巖石樣品的“單一孔隙”結(jié)構(gòu)類型。第2種變化趨勢表明巖石中含有一定量的微裂隙,在壓力作用下逐漸閉合,使縱、橫波速度明顯增加,反映巖石樣品的“雙孔隙”結(jié)構(gòu)特征。Walsh [16]討論了圍壓與微裂隙縱橫比的關(guān)系:
Figure 2.The variation of vp with confining pressure under dry condition of sample (a)and relationship between P-wave fitting Factor and vp (b)圖2.樣品干燥條件下縱波速度隨圍壓變化(a)及縱波擬合因子與vp關(guān)系(b)
式中:pclose為裂縫閉合壓力,MPa;Es為巖石基質(zhì)的彈性模量,GPa;υs為巖石基質(zhì)的泊松比,1;α為微裂隙縱橫比,1。
對于砂巖樣品,巖石基質(zhì)的彈性模量為72.5 GPa,可粗略估計(jì)α平均約為0.001。
圖 2(a)中亦反映出研究樣品速度隨壓力的變化率與其零壓力速度關(guān)系明顯,初始零壓力速度越小,則速度隨壓力的變化率也越大;如H1、H3樣品初始零壓力速度分別為2423 m/s與3587 m/s,在干燥時整個壓力范圍內(nèi)縱波的變化率分別為14.3、5.35 m/(s·MPa)。圖2(a)僅給出樣品干燥縱波的變化特征,干燥橫波及水飽和縱、橫波表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律。
通常,巖石的速度與壓力的相關(guān)性可通過計(jì)算公式擬合:
式中:vpd、vsd分別為有效壓力下干燥樣品的縱、橫波速度,m/s;pe為有效壓力,MPa;vp0、vs0分別為干燥條件下初始有效壓力時的縱、橫波速度,m/s;Cp、Bp為縱波擬合因子,1;Cs、Bs為橫波擬合因子,1;d= 0.02 + 0.003×pe為試驗(yàn)擬合參數(shù)[17],1。
從擬合結(jié)果看,公式(2)對縱、橫波速度與壓力的擬合誤差非常小,相關(guān)系數(shù)均接近于 1。從圖 2(b)給出的Bp、Cp隨vp0的變化關(guān)系可以看出:Bp與vp0呈明顯的指數(shù)關(guān)系(Bp= 1.12),在物理意義上Bp代表速度與壓力變化關(guān)系線性段的梯度,vp0越大則其線性段的梯度越小,即速度隨壓力的變化較為緩慢;Cp與vp0也呈一定的指數(shù)關(guān)系(Cp= 7.2),Cp反映低壓力下非線性段的變化,正比于巖石樣品中的微裂隙含量,vp0越大則固結(jié)與膠結(jié)程度越高,同時微裂隙含量也越低,Cp也越小,非線性段的變化也越不明顯。
4.1.1.模型建立
砂巖的孔隙體系如果依據(jù)其孔隙結(jié)構(gòu)的差異總能理想化為不同形狀的硬孔隙與軟孔隙(微裂隙)組合。基質(zhì)中任意類型孔隙的加入都會改變巖石介質(zhì)的等效剛度或者等效柔度。從靜力學(xué)角度看,孔隙的加入形成附加應(yīng)變,從而改變巖石的等效柔度,其物理意義更為明確。因此,在表征孔隙度及孔隙形狀對巖石彈性性質(zhì)影響時,采用等效柔度表示方法相較于等效剛度表示方法更為準(zhǔn)確,尤其是在孔隙或裂隙等軟孔隙含量較高的情況下。假定巖石基質(zhì)的柔度為S0,硬孔隙與軟孔隙的加入所產(chǎn)生的附加柔度分別為ΔSstiff、ΔScrack,則巖石等效柔度S可表示為:
由于附加柔度的線性疊加性,具有雙孔結(jié)構(gòu)特征的砂巖其基質(zhì)中孔隙的添加可以分成2個階段:
第1階段,將硬孔隙加入基質(zhì)中,如果考慮孔隙間的相互作用,則巖石介質(zhì)的等效彈性模量按其柔度形式可用Mori-Tannaka公式計(jì)算[18]:
式中:Kstiff、Gstiff分別為巖石介質(zhì)的等效體積模量和剪切模量,MPa;K0、G0分別為巖石基質(zhì)組成顆粒的體積模量和剪切模量,MPa;φt為總孔隙度,1;φs為硬孔隙的孔隙度,1;p、q為硬孔隙形狀因子,是基質(zhì)彈性模量與α的函數(shù),1。
對于球形孔隙等規(guī)則孔隙,p、q可得到解析解;對于不規(guī)則孔隙,p、q可通過對彈性模量或速度的測量結(jié)果進(jìn)行擬合得到。
第2階段,加入軟孔隙,巖石介質(zhì)的等效彈性模量按其柔度形式仍可用Mori-Tannaka公式計(jì)算[18]:式中:Kd、Gd分別為加入微裂隙后的巖石介質(zhì)等效體積模量和剪切模量,MPa;φc為軟孔隙的孔隙度,1;P、Q為軟孔隙形狀因子,1。
如果將軟孔隙看作微裂隙,在α小于0.1~0.2的情況下,裂隙自身的柔度與α無關(guān),而是更多的取決于裂隙密度(ε),因此在考慮軟孔隙影響時,可利用ε代替其孔隙度,兩者關(guān)系為:
巖石中裂隙的形狀極為復(fù)雜,而形狀又對其柔度有明顯影響,為使后續(xù)計(jì)算簡化,采用簡單類球體模型代替軟孔隙形狀,P、Q可給出解析表達(dá)式。同時,由于巖石中微裂隙的φc很小,公式(5)可表示為:
式中:υstiff為僅含硬孔隙時的巖石介質(zhì)泊松比,1。
由于硬孔隙隨壓力變化較小,僅含該類孔隙的巖石介質(zhì),其等效彈性模量與高有效壓力下的體積模量和剪切模量(Kh、Gh)近似。綜合公式(5)、(7),可計(jì)算巖石樣品的等效彈性模型。
4.1.2.模型試驗(yàn)
公式(4)中,p、q分別代表硬孔隙的形狀因子,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可給出p、q與春光油田沙灣組砂巖巖心樣品φt的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。假定樣品在80 MPa下的彈性模量代表巖石樣品中僅含剛性孔隙時的彈性模量(即微裂隙全部閉合),利用公式(4)則可求出p、q,其結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,p、q在1:1線附近,表明p、q近于相等,p、q與φ亦具有較為明顯的線性關(guān)系(p≈q= 1 5.3φ+ 3.61),利用該關(guān)系式可計(jì)算一定孔隙度下的p、q。
Figure 3.The relationship of pore shape factor of sandstone samples in Shawan Formation of Chunguang oilfield圖3.春光油田沙灣組砂巖巖心樣品孔隙形狀因子關(guān)系圖
圖4(a)給出了H2樣品總孔隙(φt)隨pc的變化關(guān)系,通過該變化曲線可求取不同pc下的φt,φt隨pc的變化是硬孔隙與微裂隙共同逐漸閉合的結(jié)果(φt=φc+φs)。在高圍壓下,樣品φt的變化主要受硬孔隙的逐漸閉合影響,此時φt隨pc變化亦表現(xiàn)為線性趨勢,將該線性趨勢外推至低壓力范圍,從而得到不同壓力下的φs(如圖4(a)中的紅色虛線所示),不同壓力下實(shí)測孔隙度減去對應(yīng)φs即可得到對應(yīng)φc。從試驗(yàn)結(jié)果看,樣品的φc(零壓力條件下)與φt(零壓力條件下)呈明顯的指數(shù)關(guān)系(φc= 0.151φt2.2897),表明對于所研究的中、高孔隙度砂巖,其孔隙度越高,所含的微裂隙也越多(圖 4(b))。據(jù)公式(6)可計(jì)算樣品零壓力的微裂隙密度(ε0),該值與φt呈明顯的線性關(guān)系(ε0= 1.8φt+ 0.4)(圖4(c))。
Figure 4.The feature of pc Change with φt and the relationship between φt, φc and ε0圖 4.H2 樣品φt隨 pc變化特征及φt與φc、ε0關(guān)系
微裂隙密度隨有效壓力的變化可表示為[17]:
式中:ε(pe)為有效壓力下的微裂隙密度,1;此處的pe在干燥條件下等價于pc。取碎屑砂巖的υstiff= 0.146 [17],公式(7)可簡化為:
圖5(a)、圖5(b)分別給出干燥試驗(yàn)樣品在20 MPa與50 MPa壓力條件下縱、橫波速度隨孔隙度的變化規(guī)律,同時給出按公式(9)所計(jì)算出的理論模型值,可以看出,在2個試驗(yàn)壓力下,理論模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果符合率均較高。當(dāng)試驗(yàn)壓力高于50 MPa時,縱、橫波速度隨壓力的變化較弱,使得50 MPa時的理論模型計(jì)算結(jié)果,與高于該圍壓的實(shí)際測量結(jié)果有較好的一致性。
Figure 5.The comparison of measured vp, vs and theoretically calculated results under different pressures圖5.不同壓力條件下縱、橫波速度測量結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果對比
在微觀孔隙尺度下,流體流動作用對巖石介質(zhì)彈性性質(zhì)的影響可用噴射流理論描述。對具有雙孔隙結(jié)構(gòu)的巖石,彈性波的頻散和衰減主要是由巖石中的微裂隙決定。在眾多噴射流作用理論表述中,唐曉明給出了巖石介質(zhì)中微裂隙與孔隙并存的彈性波同一理論,并將噴射流作用與巖石中ε與α兩個重要孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了聯(lián)系。利用相同的孔隙結(jié)構(gòu)模型,Gurevich將噴射流作用與巖石中φc與α聯(lián)系起來[5]。在Gurevich的方法中,延續(xù)了Murphy與Dvorkin的思想,考慮了微裂隙中流體弛豫作用對其柔度的影響。如果將Kh(該模量為巖石中不含微裂隙的干燥體積模量)加入微裂隙,并考慮其與硬孔隙中流體噴射流作用影響時,介質(zhì)等效模量Kmf、Gmf可通過下式計(jì)算[15][19]:
式中:Kd(pe)、Gd(pe)分別為一定有效壓力下巖石介質(zhì)的干燥體積模量與剪切模量,MPa;ω為圓頻率,rad/s;η為孔隙流體動態(tài)黏度,mPa·s;αc為微裂隙特征縱橫比,1。
公式(10)等號右端第二項(xiàng)也可理解為加入特定縱橫比微裂隙并在考慮噴射作用下對Kh的改變。在考慮微裂隙作用后,剩余硬孔隙因其不可壓縮性,在流體飽和后仍滿足Gassmann方程,此時硬孔隙完全飽和時的體積模量Ksat與剪切模量Gsat可用下式計(jì)算[15][19]:
式中:Kf為混合流體體積模量,MPa;K0是巖石基質(zhì)組成顆粒的體積模量,MPa。
總體建模思路見圖6:第一步,在得到主要組成礦物含量的條件下,通過Voigt-Reuss-Hill巖石物理模型計(jì)算平均等效顆粒模量K0、G0;第二步,利用孔隙與壓力變化試驗(yàn)關(guān)系,并結(jié)合公式(8)計(jì)算樣品中的軟、硬孔隙的孔隙度;第三步,依據(jù)非接觸模型(公式(9))計(jì)算干燥巖石彈性模量;最后,依據(jù)Gurevich噴射流模型進(jìn)行流體替換計(jì)算(公式(11)),得到考慮噴射流作用的速度頻散模型。
Figure 6.The procedures of seismic rock physics modeling based on porosity and pore shape圖6.基于孔隙度與孔隙形狀的地震巖石物理建模流程
為了驗(yàn)證上述速度頻散模型的適用性,將H1與H5砂巖樣品在700 kHz頻率下測量的飽和巖石速度與模型計(jì)算的理論飽和速度進(jìn)行了對比(圖7)。圖7中“干燥”表示巖石干燥速度測量值,“飽水”表示水飽和速度測量值。不難看出,巖石速度頻散模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果符合度更高,而 Gassmann方程計(jì)算結(jié)果在整個壓力范圍內(nèi)均與測量結(jié)果存在明顯差異。
地震巖石物理模型是建立儲層特征與地震特征的橋梁,也是進(jìn)行巖性和烴類預(yù)測的依據(jù),而巖石物理模型的準(zhǔn)確性取決于對巖石骨架地震彈性性質(zhì)以及流固耦合作用的準(zhǔn)確表征,因此,符合特定目標(biāo)儲層特征的巖石物理模型至關(guān)重要。
Figure 7.The interpretation of ultrasonic experimental results圖7.超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋
該次研究以新疆車排子地區(qū)春光油田沙灣組儲層砂巖巖心樣品實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果為基礎(chǔ),利用Mori-Tanaka非接觸模型,提出了綜合考慮儲層砂巖孔隙度、孔隙形狀以及微裂隙孔隙度對干燥巖石骨架彈性性質(zhì)影響的地震巖石物理模型;模型中的參數(shù)均通過試驗(yàn)進(jìn)行求取和標(biāo)定,大大降低了建立儲層巖石骨架彈性性質(zhì)模型的復(fù)雜性和不確定性。
利用孔隙尺度噴射流作用模型替代傳統(tǒng)Gassmann方程進(jìn)行流體替換,既可以用于實(shí)驗(yàn)室?guī)r石超聲波測量數(shù)據(jù)的模擬和解釋,也可用于地震測量數(shù)據(jù)的模擬和解釋,從而為不同頻率測量數(shù)據(jù)的儲層和流體解釋提供了一種方便的工具。