基于跨頻段實(shí)驗(yàn)的頁巖油藏有利巖相彈性特征分析
——以陳沱口凹陷新溝嘴組下段Ⅱ油組為例

肖增佳,趙建國,鐘慶良,閆博鴻,李 智,王榮峰,歐陽芳

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京102249;3.中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院,湖北武漢434124;4.中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京100036)

頁巖油已成為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一,更是我國新興的重要石油接替資源。隨著頁巖油資源評(píng)價(jià)和勘探的深入,目前已開發(fā)的頁巖油儲(chǔ)層以陸相湖盆泥頁巖為主,主要分布在古近系、白堊系、侏羅系、三疊系和二疊系等層系中[1-3]。江漢盆地古近系兩套主要的生油巖分別來自潛江組和新溝嘴組,二者主力烴源巖均由泥質(zhì)白云巖、云質(zhì)泥巖和膏巖互層組成,構(gòu)成了盆地獨(dú)有的兩大非常規(guī)頁巖層系[4-5]。近年來,中國石油化工股份有限公司(簡稱“中石化”)在江漢盆地潛江組的潛三段至潛四下段和新溝嘴組下段的Ⅱ油組等層系均獲得頁巖油勘探的突破性進(jìn)展,推動(dòng)了頁巖油的商業(yè)化開采[6-7]。

然而長期以來,對(duì)新溝嘴組下段Ⅱ油組的頁巖油儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)研究較為薄弱,Ⅱ油組沉積了一套鹽湖相復(fù)雜的巖性地層,特殊的巖性和地層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致地震和測(cè)井資料識(shí)別有利儲(chǔ)層難度增大。鑒于該區(qū)域的勘探開發(fā)處于初級(jí)階段,大量地球物理技術(shù)如測(cè)井解釋、地震反演、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等受限于對(duì)頁巖油儲(chǔ)集層物性、彈性各向異性、脆性以及地應(yīng)力特征的認(rèn)識(shí)不足[8-9]。因此,亟需通過系統(tǒng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)和地震巖石物理分析建立復(fù)雜頁巖油儲(chǔ)層物性與地震彈性屬性的關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)利用地震屬性對(duì)頁巖油藏地質(zhì)和工程“甜點(diǎn)”的定量表征[10-11]。國外學(xué)者最早開展了大量針對(duì)頁巖油氣藏巖石物理方面的研究。VERNIK等[9]對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖的巖石物理特征進(jìn)行了超聲實(shí)驗(yàn)研究,探討了干酪根含量和成熟度、黏土礦物排列、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、層理方向等對(duì)頁巖速度各向異性的影響;HORNBY[12]通過超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試排水狀態(tài)飽和頁巖各向異性隨圍壓變化規(guī)律,構(gòu)建了富黏土頁巖的各向異性模型并證實(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好;DEWHURST等[13]通過多級(jí)三軸實(shí)驗(yàn),分析了挪威海相頁巖受應(yīng)力變形過程中的地質(zhì)力學(xué)和動(dòng)態(tài)彈性變化特征,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力取向是控制頁巖動(dòng)態(tài)彈性性質(zhì)各向異性的主要原因;RAMOS等[14]對(duì)不同層理方向的曼柯斯頁巖進(jìn)行三軸應(yīng)力和超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得靜動(dòng)態(tài)彈性性質(zhì),并對(duì)剛度各向異性和非線性進(jìn)行了模擬,觀察巖石應(yīng)力變形和破壞特征。我國針對(duì)頁巖油氣藏地震巖石物理研究雖起步較晚,但近年來眾多學(xué)者從不同應(yīng)用角度開展了大量針對(duì)頁巖的巖石物理實(shí)驗(yàn)、理論建模和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究。鄧?yán)^新等[15]結(jié)合地質(zhì)與巖石物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地分析龍馬溪組頁巖氣藏成巖作用與地震彈性響應(yīng)特征的變化規(guī)律。針對(duì)國內(nèi)頁巖氣藏,ZHAO等[16]提出不同成熟度富有機(jī)質(zhì)頁巖的建模方法,并建立了表征頁巖彈性性質(zhì)的巖石物理解釋量版;此后在廣泛的實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測(cè)量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,提出了富有機(jī)質(zhì)頁巖油氣藏地震表征的有效儲(chǔ)層參數(shù)[17];另外創(chuàng)新性的將巖石物理分析與沉積歷史結(jié)合,系統(tǒng)地分析了沉積環(huán)境對(duì)頁巖彈性特征的影響,并提出指示沉積相演化的地震反演屬性[18]。在巖石物理模型應(yīng)用上,GUO等[19]針對(duì)潛江凹陷鹽間頁巖油藏建立了符合巖石物理特征的理論模型,并利用井中反演建立儲(chǔ)層物性參數(shù)與彈性各向異性參數(shù)之間的非線性關(guān)系;QIN等[20]基于超聲速度實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)一步建立各向異性頁巖儲(chǔ)層垂直和水平方向上縱橫波速度之間的線性模型,成功預(yù)測(cè)非常規(guī)頁巖儲(chǔ)層的橫波速度。此外也有眾多學(xué)者開展了不同地區(qū)頁巖的微觀結(jié)構(gòu)分析、地震彈性性質(zhì)和巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)以及理論建模工作[21-23]。隨著頻散理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,LI等[24]分析了富有機(jī)質(zhì)頁巖的地震頻散和衰減特征,對(duì)于利用頻散屬性識(shí)別頁巖油氣藏甜點(diǎn)具有重要意義。

上述針對(duì)頁巖的實(shí)驗(yàn)以及巖石物理模型研究對(duì)頁巖油氣藏甜點(diǎn)地震預(yù)測(cè)提供了重要支撐,但由于大多數(shù)頁巖油藏勘探處于初期階段,受機(jī)理認(rèn)識(shí)和技術(shù)等制約,目前僅在儲(chǔ)集性能較好且較易開采的頁巖油藏(烴源巖層系)取得良好效果,而對(duì)于不同沉積時(shí)期和區(qū)塊的頁巖油層系其礦物組成、孔隙空間結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)賦存、應(yīng)力場以及彈性響應(yīng)規(guī)律等地震巖石物理特征不能以一概全?？珙l段巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展彌補(bǔ)了僅考慮單一頻率的不足,可以更好地為巖心、測(cè)井、地震數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。本次研究通過對(duì)位于江漢盆地陳沱口凹陷新溝嘴組下段Ⅱ油組的新探井取芯樣品進(jìn)行跨頻段動(dòng)態(tài)彈性實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)合物性特征分析了有利巖相的地震巖石物理特征并提出可識(shí)別的有效彈性參數(shù),以期為新地區(qū)頁巖油儲(chǔ)層的測(cè)井解釋和地震“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 陳沱口凹陷新溝嘴組下段頁巖油藏地質(zhì)特征

江漢盆地為白堊紀(jì)—第四紀(jì)內(nèi)陸斷陷沉積盆地,受北東—南西向和北西—南東向斷裂控制,發(fā)育潛江等11個(gè)凹陷和丫腳—新溝低凸起等4個(gè)凸起帶,共15個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元[25]。而陳沱口凹陷位于江漢盆地南部,北接潛江凹陷、沔陽凹陷,南鄰江南隆起,西部與江陵凹陷相鄰,東部與通山咸寧斷褶帶相鄰(圖1)。

圖1 江漢盆地陳沱口凹陷地理位置[25]

陳沱口凹陷鉆井顯示自下而上發(fā)育有漁洋組、沙市組、新溝嘴組、荊沙組、潛江組、荊河鎮(zhèn)組、廣華寺組及平原組地層。新溝嘴組下段是主要的含油層系,自下而上分為Ⅲ油組、泥隔層、Ⅱ油組、Ⅰ油組和大膏層。其中新溝嘴組下段Ⅱ油組(簡稱Ex下Ⅱ)為本研究區(qū)主要目的層,其間主要發(fā)育灰-深色泥巖,泥質(zhì)白云巖,夾砂巖,含膏泥巖、膏鹽巖,地層厚度為150～300m,為江漢盆地主要的頁巖油藏(泥質(zhì)白云巖油藏)發(fā)育層位之一。其成藏控制因素與緊鄰烴源巖生烴能力和自身的儲(chǔ)集條件密切相關(guān)。有油氣顯示的儲(chǔ)集層其烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)高于1%,可動(dòng)烴指數(shù)S1高于1mg/l,泥質(zhì)白云巖的含油氣性與有機(jī)質(zhì)豐度的分布相關(guān)[4,26]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),Ex下Ⅱ泥質(zhì)白云巖孔隙度在2.6%～27.3%,滲透率在0.01×10-3～0.25×10-3μm2,整體屬于特低孔超低滲儲(chǔ)層[7]。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示儲(chǔ)集空間孔隙類型以白云石晶間孔和陸源碎屑礦物粒間孔為主,含少量長石和碳酸鹽巖礦物之間的溶蝕孔及少量微裂縫。此外,膠結(jié)和溶蝕等成巖作用可能導(dǎo)致儲(chǔ)層物性降低[5]。

2 新溝嘴組下段Ⅱ油組頁巖油藏地震巖石物理特征

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備和測(cè)試方法

本次研究所測(cè)量頁巖樣品來自陳沱口凹陷某探井A,取芯層位為新溝嘴組下段Ⅱ油組的5個(gè)小層,取芯深度為2630～2750m,厚度約120m。主要巖性為泥質(zhì)白云巖、云質(zhì)泥巖、泥膏巖、泥巖等,共取芯33塊,其中包括垂直層理(0°樣品)和平行層理(90°樣品)方向取芯樣品10組。圖2顯示了新溝嘴組下段Ⅱ油組部分典型樣品特征,具有紋層狀、層狀以及塊狀構(gòu)造特征,且發(fā)育一定層間裂縫。實(shí)驗(yàn)鉆取直徑為25mm的巖心柱塞并采用線切割的方式切制成高度為40～60mm,端面斜度小于0.05mm的巖樣。將制作柱塞樣切下的部分用于微觀結(jié)構(gòu)分析(電鏡成像SEM)和X射線衍射全巖礦物分析(多晶X射線衍射儀)。在對(duì)完整樣品進(jìn)行洗油處理后,首先,對(duì)干燥樣品進(jìn)行密度、孔隙度和滲透率測(cè)試?？紫抖群蜐B透率采用AP-608HDQK-覆壓氦氣孔隙度滲透率儀進(jìn)行測(cè)試,可測(cè)孔隙度和滲透率范圍分別為0.1%～40.0%和0.001～10000.000mD(1mD≈0.987×10-3μm2)。接著,利用超聲脈沖穿透法對(duì)干燥、飽水和飽油樣品分別進(jìn)行縱橫波速度的變圍壓測(cè)量,測(cè)試圍壓范圍為5～60MPa。裝置配套縱、橫波PZT換能器主頻分別為1.0MHz和0.5MHz,縱、橫波速度測(cè)試誤差分別為±1.25%和±2.00%。最后,利用低頻應(yīng)力-應(yīng)變技術(shù)對(duì)典型巖心樣品進(jìn)行寬頻彈性參數(shù)(楊氏模量和泊松比)測(cè)試,測(cè)試頻率范圍為1～3000Hz,圍壓范圍為0～30MPa,樣品飽和條件為完全飽和油。

圖2 新溝嘴組下段Ⅱ油組典型樣品特征(紋層狀、層狀、塊狀構(gòu)造發(fā)育)

2.2 巖石基本物性特征

2.2.1 巖石礦物學(xué)特征

研究區(qū)主要以機(jī)械沉積的陸源碎屑巖和化學(xué)沉積的碳酸鹽巖、硫酸鹽巖兩種方式共同作用形成了國內(nèi)特有的細(xì)?；旆e巖。新溝嘴組下段Ⅱ油組頁巖油地層主要巖性以泥質(zhì)白云巖、云質(zhì)泥巖為主,其中存在以碎屑礦物為主的粉砂質(zhì)泥巖和以硬石膏/鈣芒硝為主的膏巖,它們分別被視作泥隔層和蓋夾層。鑒于該儲(chǔ)層巖性與其它頁巖油氣藏地層巖性成份的差異性,我們利用三端元圖的展示方法直觀顯示Ex下Ⅱ油組中5個(gè)小層不同巖性組成礦物的分布特征(圖3)。該三端元圖以碎屑(石英、長石和黏土等)礦物、碳酸鹽巖(白云石)礦物、膏鹽(硬石膏和鈣芒硝)礦物作為三端元的單元組分,以此體現(xiàn)該頁巖油地層巖石的混積特征。將所有巖心依據(jù)三大類礦物百分含量(25%、50%、75%)的原則命名,可分為如下幾種類型：白云巖、泥質(zhì)白云巖類;云質(zhì)泥巖、泥巖類;硬石膏巖、泥/云質(zhì)鈣芒硝類。需要說明的是,云質(zhì)泥巖和泥巖的泥質(zhì)部分是由黏土和硅質(zhì)礦物構(gòu)成,泥巖的主要成分為黏土質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥,因?yàn)榫鶠榧?xì)粒沉積所以均歸為泥質(zhì)成分。泥質(zhì)白云巖中石英和長石礦物平均含量15.85%,黏土含量平均為19.2%,白云石礦物平均含量66.9%;白云質(zhì)泥巖中石英和長石礦物平均含量33.6%,黏土平均含量為22.96%,白云石礦物平均含量29.04%。此外,二者均夾雜少量膏巖,可見該地層巖石礦物組成復(fù)雜且非均質(zhì)性較強(qiáng)。

圖3 新溝嘴組下段Ⅱ油組A井巖心樣品礦物組成三端元圖

根據(jù)研究區(qū)的油氣富集機(jī)理,泥質(zhì)白云巖和云/硅質(zhì)泥巖通常為主要含油巖相,這些巖石的測(cè)井結(jié)果顯示具有較高的TOC含量和相對(duì)較高的S1/TOC指數(shù),取芯樣品多有油斑顯示。其中白云巖更傾向于儲(chǔ)集巖相,其內(nèi)部游離烴可能來自烴源巖生烴增壓導(dǎo)致的油氣短距離運(yùn)移,而云質(zhì)泥巖可能代表主要的烴源巖,其內(nèi)部主要為自生自儲(chǔ)的游離烴和滯留烴。二者構(gòu)成了研究區(qū)頁巖油藏的主要有利巖相,而泥質(zhì)白云巖相因脆性礦物含量高更易于壓裂開采。膏鹽巖如硬石膏和泥質(zhì)鈣芒硝主要作為蓋層和不利層得以使油氣封存,其主要由60%以上硬石膏或鈣芒硝構(gòu)成。此外,我們發(fā)現(xiàn)多種巖性存在紋層狀、塊狀構(gòu)造并發(fā)育少量層間微裂縫,其中紋層狀泥質(zhì)白云巖和云質(zhì)泥巖多為含油的有利巖相(圖2)?？v向巖心觀察發(fā)現(xiàn),該層系巖性縱向變化快,通常表現(xiàn)為灰色泥質(zhì)白云巖和灰-黑色云質(zhì)泥頁巖互層,且其間夾有泥膏巖、泥巖(泥質(zhì)粉砂巖)等薄層,由此造成測(cè)井響應(yīng)難以區(qū)分非儲(chǔ)層和儲(chǔ)層的代表性巖相。

2.2.2 巖石微觀孔隙特征

新溝嘴組下段頁巖油儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型多種多樣,其中原生孔隙包括白云石晶間孔和陸源碎屑礦物(黏土礦物、石英和長石等)粒間孔。發(fā)育少量次生孔隙如白云巖溶蝕孔和長石溶蝕孔。此外,在脆性礦物含量較多的儲(chǔ)層基質(zhì)中發(fā)育微裂縫,寬度在幾微米級(jí)以上。圖4展示了取芯樣品的微觀掃描電子顯微鏡分析結(jié)果。由圖4可見,多數(shù)泥質(zhì)白云巖中以泥晶白云石為主,陸屑顆粒次之,黏土礦物少量,泥晶白云石間結(jié)合緊密,且陸屑顆粒和片狀黏土分布其中,僅存在少量晶間孔,并在個(gè)別巖心中發(fā)現(xiàn)晶間孔中充填自生石英并且存在一定量的溶孔,此外少量微裂隙存在泥晶白云石基質(zhì)中。在泥巖(黏土質(zhì)粉砂巖)和云質(zhì)泥巖中觀察到紋層構(gòu)造,巖石中碎屑顆粒分選較好,顆粒間被黏土、碳酸鹽巖等礦物充填,存在少量粒間孔和晶間孔,黏土礦物多呈片狀結(jié)構(gòu)且具有定向分布特征。在硬石膏和鈣芒硝中發(fā)現(xiàn)板塊狀硬石膏晶體和針狀幾何體分布的鈣芒硝晶體。巖石結(jié)構(gòu)致密,硬石膏中幾乎不存在孔隙,泥質(zhì)鈣芒硝中因分布少量陸屑顆粒以及片狀黏土等導(dǎo)致少量晶間孔隙發(fā)育。以上孔隙類型為典型巖心樣品的觀察結(jié)果,然而實(shí)際儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的好壞同時(shí)受礦物組成和成巖作用(溶蝕、膠結(jié)、壓實(shí))的共同影響。

2.2.3 巖石物性變化規(guī)律特征

按照上述巖性劃分結(jié)果,我們對(duì)不同巖性進(jìn)行密度-孔隙度、孔隙度-滲透率交會(huì)分析,以此觀察該頁巖油層儲(chǔ)集特征。從孔隙度和密度交會(huì)圖(圖5a)中可見,孔隙度和密度相關(guān)性較好,孔隙度隨密度增加總體呈線性降低。其中多數(shù)泥質(zhì)白云巖呈現(xiàn)最低孔隙度和中高密度,孔隙度小于1%,密度為2.65～2.75g/cm3。膏鹽類整體表現(xiàn)為中低孔隙度和高密度,少數(shù)因裂縫發(fā)育而導(dǎo)致高孔特征。主體孔隙度為0.2%～2.0%,密度大部分高于2.75g/cm3。而泥巖類(云質(zhì)泥巖和泥巖)呈現(xiàn)相對(duì)較高孔隙度和低密度,部分孔隙度為2%～4%,密度整體小于2.68g/cm3。對(duì)于泥巖孔隙度高而泥質(zhì)白云巖低,此研究結(jié)果與常規(guī)儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)相反,但仔細(xì)觀察巖心電鏡分析結(jié)果并結(jié)合成巖作用則可說明此問題的原因。首先,圖4中白云石晶間孔隙中伴有石英礦物,說明后期成巖作用產(chǎn)生的自生石英可能會(huì)抑制白云石晶間孔的發(fā)育。其次,從成巖的角度,該區(qū)域因有機(jī)酸含量較低而未發(fā)生碳酸鹽巖溶蝕作用導(dǎo)致的儲(chǔ)集性提高,然而自生黏土礦物和部分碳酸鹽巖礦物的膠結(jié)作用卻使得部分孔隙或裂縫被充填,使儲(chǔ)層的孔隙度降低。對(duì)于云質(zhì)泥巖,其外觀多為紋層狀,并且該處泥巖多是云質(zhì)泥巖或黏土質(zhì)粉砂巖。云質(zhì)泥巖層是重要的生烴層,因此可能存在油氣的貯存空間。此外,紋層結(jié)構(gòu)可能引起層間微裂隙的形成,而石英長石顆粒等可能導(dǎo)致粒間孔的形成,這些都可能是泥巖存在一定孔隙度的原因。圖5b為孔隙度與滲透率交會(huì)分析結(jié)果。由圖5b可見,滲透率與孔隙度之間沒有明顯相關(guān)性,多數(shù)泥質(zhì)白云巖和云質(zhì)泥巖滲透率處于1mD以下,平行地層方向取芯樣品顯示高滲透率(>1mD),說明紋層狀結(jié)構(gòu)和微裂縫發(fā)育的頁巖其滲透率具有方向性,而對(duì)于非紋層狀巖石(水平裂隙不發(fā)育)其滲透率的方向性差異不明顯。

圖5 不同巖性密度和孔隙度(a)、孔隙度和滲透率(b)交會(huì)分析結(jié)果

為探究巖石物性與礦物組分之間的關(guān)系,圖6給出了密度分別隨黏土、碎屑巖(石英+長石)、碳酸鹽巖(白云石+方解石)和黃鐵礦等含量的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)密度隨黏土和碎屑巖含量增加而減小,隨碳酸鹽巖含量增加而增大,而隨黃鐵礦含量增加逐漸降低,這是由于黃鐵礦生長在黏土礦物和長英質(zhì)礦物之間形成了粒間孔隙,另外黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)伴生,有機(jī)質(zhì)增多也會(huì)降低巖石密度。以上分析結(jié)果表明,泥質(zhì)白云巖和膏鹽同為高密度,二者難以區(qū)分。泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖與密度相關(guān)性較好,其密度大小主要與黏土等碎屑礦物含量和云質(zhì)含量的相對(duì)高低以及孔隙度相關(guān)。圖7 給出了孔隙度隨碳酸鹽巖和碎屑巖礦物含量的變化關(guān)系。從圖7可以看出,孔隙度隨碳酸鹽巖礦物含量增加先增大后減小,多數(shù)白云巖孔隙度小于1%,而白云質(zhì)泥巖分布在孔隙度頂峰。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要是研究區(qū)泥質(zhì)白云巖晶間孔隙和溶蝕孔隙發(fā)育較少,而白云質(zhì)泥巖中大量黏土礦物定向排列形成黏土層間孔、晶間孔,同時(shí)陸源碎屑石英、長石等抗壓實(shí)礦物與黏土礦物之間形成粒間孔,因此呈現(xiàn)高孔隙度。泥質(zhì)白云巖的特低孔隙度特征與該區(qū)白云石原生孔隙欠發(fā)育有關(guān),并且少量自生石英/長石等礦物使部分白云石晶間孔隙被填充(圖4)。個(gè)別泥質(zhì)白云巖因存在層間裂縫而產(chǎn)生高孔隙度現(xiàn)象。

圖6 巖心密度與礦物含量關(guān)系a 密度隨黏土含量變化; b 密度隨碎屑巖含量變化; c 密度隨碳酸鹽巖含量變化; d 密度隨黃鐵礦含量變化

圖7 巖心孔隙度與礦物含量關(guān)系a 孔隙度隨碳酸鹽巖含量變化; b 孔隙度隨碎屑巖含量變化

2.3 儲(chǔ)層物性與地震彈性參數(shù)的巖石物理規(guī)律分析

巖石物理作用是建立物性特征與地震彈性性質(zhì)之間聯(lián)系的橋梁。目前常規(guī)方式是基于超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果建立物性與速度、阻抗、縱橫波速度比等地震巖石物理參數(shù)之間的關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析和理論模擬將此關(guān)系應(yīng)用于測(cè)井解釋和地震反演中,進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)層甜點(diǎn)進(jìn)行有效表征。因此,基于巖石物理實(shí)驗(yàn)的巖石物理參數(shù)分析對(duì)明確儲(chǔ)層彈性響應(yīng)特征尤為重要。巖石聲波速度主要受巖石礦物組分、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)以及流體等因素影響。圖8給出了縱橫波速度與孔隙度和密度的關(guān)系。由圖8可見,泥質(zhì)白云巖與膏巖、鈣芒硝巖速度重疊,而云質(zhì)泥巖普遍具有低速度特征,縱橫波速度整體隨孔隙度增加而降低。其中泥質(zhì)白云巖在孔隙度相近時(shí)縱橫波速度存在差異,說明礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)可能是影響泥質(zhì)白云巖速度變化的主要原因;云質(zhì)泥巖因黏土含量高以及層間裂縫的存在而表現(xiàn)為低速度。縱橫波速度與巖石密度具有明顯的正相關(guān)性,這間接說明礦物組分對(duì)地層巖石速度的影響較為突出。硬石膏的縱橫波速度線性關(guān)系異于泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖,據(jù)此可識(shí)別膏巖層。

圖8 不同巖性巖心樣品縱橫波速度與孔隙度和密度之間的變化關(guān)系a 縱波速度與孔隙度的變化關(guān)系; b 橫波速度與孔隙度的變化關(guān)系; c 縱波速度與密度的變化關(guān)系; d 橫波速度與密度的變化關(guān)系

我們對(duì)巖心縱波速度與4種礦物含量的關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步分析,結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明,黏土含量與縱波速度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì),黏土含量增加使得巖石骨架變軟,純泥巖縱波速度最低;縱波速度與碳酸鹽巖含量呈現(xiàn)先降低后增大趨勢(shì),純白云巖具有最高縱波速度,泥質(zhì)白云巖次之;縱波速度與黃鐵礦含量關(guān)系可指示有機(jī)質(zhì)的影響;當(dāng)碳酸鹽巖含量小于20%時(shí),巖石可能是硬石膏或含云質(zhì)泥巖,此時(shí)是黏土含量增加階段,黏土對(duì)降低速度的作用強(qiáng)于白云巖含量增加的影響;當(dāng)白云巖含量高于20%時(shí),白云巖對(duì)骨架的影響進(jìn)一步增大。此后,骨架主要由白云石作為主要構(gòu)成成分。

圖9 不同巖性巖心樣品縱波速度與礦物含量之間的變化關(guān)系a 縱波速度與黏土含量的關(guān)系; b 縱波速度與碎屑巖含量的關(guān)系; c 縱波速度與碳酸鹽巖含量的關(guān)系; d 縱波速度與黃鐵礦含量的關(guān)系

2.4 超聲測(cè)試不同巖性地震彈性特征

圖10展示了根據(jù)飽和油巖心25MPa圍壓下超聲測(cè)試速度所計(jì)算的不同巖性、孔隙度、密度的縱波阻抗與縱橫波速度比的交會(huì)分析結(jié)果。從圖10可以看出,白云巖具有最高阻抗和低縱橫波速度比,泥質(zhì)白云巖與膏巖類(膏巖和泥/云質(zhì)鈣芒硝)的縱波阻抗較高,二者雖重疊嚴(yán)重,但膏巖類具有相對(duì)更高的縱橫波速度比,而云質(zhì)泥巖普遍顯示低縱波阻抗和低縱橫波速度比,通過縱波阻抗可識(shí)別云質(zhì)泥巖和泥巖(黏土質(zhì)粉砂巖)。云質(zhì)泥巖中高含量的石英(低縱橫波速度比)和相對(duì)高含量的黏土層間、粒間孔隙是其具有低縱橫波速度比的主要原因。

圖10 不同巖性(a)、孔隙度(b)和密度(c)的縱波阻抗與縱橫波速度比交會(huì)分析結(jié)果

泥質(zhì)白云巖與膏巖類的高縱波阻抗與其主要組成礦物(白云石、硬石膏)的高速度和高密度相關(guān),而縱橫波速度比除了與主要組成礦物相關(guān)外,黏土含量的增加會(huì)增加泥質(zhì)白云巖的縱橫波速度比,此外研究區(qū)白云巖的低黏土含量和極低孔隙度可能是其具有低縱橫波速度比的原因,鈣芒硝的高縱橫波速度比與其層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖10中不同孔隙度和密度的彈性屬性表明,高孔隙度對(duì)應(yīng)低縱波阻抗和相對(duì)低縱橫波速度比,高密度對(duì)應(yīng)高縱波阻抗和高縱橫波速度比。

圖11給出了不同巖性、孔隙度和密度的楊氏模量與泊松比交會(huì)分析結(jié)果。由圖11可見,不同巖性楊氏模量與泊松比的分布與圖10中縱波阻抗和縱橫波速度比類似。從圖11中可看出楊氏模量和泊松比組合可區(qū)分出不同巖性,其中相對(duì)縱橫波速度比而言,泊松比對(duì)泥質(zhì)白云巖和膏鹽巖的區(qū)分度更高。泥質(zhì)白云巖的泊松比在0.280～0.302,膏鹽的泊松比普遍高于0.302。而云質(zhì)泥巖具有相對(duì)低的泊松比,部分與泥質(zhì)白云巖重疊,但楊氏模量幾乎可將其與泥質(zhì)白云巖區(qū)分。高孔隙度和低密度均表現(xiàn)為低楊氏模量和低泊松比。另外,泥質(zhì)白云巖具有相對(duì)高楊氏模量和中低泊松比,表明其可能具有相對(duì)高的脆性,更易于壓裂施工,而云質(zhì)泥巖的脆性相對(duì)更低,不利于有效開采。以上結(jié)果均代表超聲頻段的彈性特征。由于頻散等影響,是否能夠代表測(cè)井和地震頻段的彈性特征仍需進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)和理論研究加以證明,我們?cè)谖恼碌牡?部分進(jìn)行了進(jìn)一步討論。

圖11 不同巖性(a)、孔隙度(b)和密度(c)的楊氏模量與泊松比交會(huì)分析結(jié)果

2.5 儲(chǔ)層聲波各向異性特征及影響因素分析

2.5.1 各向異性測(cè)試原理

頁巖通常被視為具有垂直對(duì)稱軸的橫向各向同性(transversely lsotropic,TI)彈性介質(zhì),使用Voigt表示法,該介質(zhì)可用5個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù)表示成如下彈性剛度張量矩陣C[27]：

其中,c66=(c11-c12)/2,針對(duì)如上介質(zhì),THOMSEN[28]提出了一種表示弱橫向各向同性彈性介質(zhì)的彈性參數(shù)表達(dá)式,即

式中：vP(90°)和vP(0°)分別代表在垂直和平行對(duì)稱軸方向的準(zhǔn)縱波波前速度;vSH(90°)和vSH(0°)分別代表純橫波在垂直和平行對(duì)稱軸方向傳播的波前速度,其粒子振動(dòng)方向與層理面平行;vSV(90°)代表準(zhǔn)橫波在垂直對(duì)稱軸方向傳播的波前速度,其粒子振動(dòng)方向與層理面垂直;a,β分別代表沿對(duì)稱軸方向傳播的縱、橫波速度;ε,γ,δ均為與介質(zhì)各向異性有關(guān)的Thomsen系數(shù),其中,ε描述了縱波速度在垂直和水平方向的相對(duì)差異;γ描述了SH波速度在垂直和水平方向的相對(duì)差異。

本次各向異性測(cè)試樣品僅包括垂直地層和平行地層方向取芯的0°和90°柱塞樣品,共計(jì)10組,其中包含紋層狀或塊狀泥質(zhì)白云巖、紋層狀云質(zhì)泥巖和部分紋層狀鈣芒硝巖等。通過測(cè)量0°和90°頁巖樣品不同方向的縱橫波速度(圖12),我們可通過(4)式和(5)式計(jì)算THOMSEN提出的各向異性三參數(shù)中的ε和γ。

圖12 超聲實(shí)驗(yàn)各向異性測(cè)試原理示意

2.5.2 各向異性影響分析

前文所述彈性性質(zhì)與不同巖性巖石的礦物組分相關(guān)性明顯,為研究該區(qū)各向異性參數(shù)的影響因素,我們將各向異性參數(shù)與不同類型礦物含量進(jìn)行了交會(huì)分析(圖13)。圖13表明,縱、橫波各向異性參數(shù)隨泥質(zhì)含量(石英/長石和黏土礦物)增多明顯增大,隨碳酸鹽巖含量增多先升高后降低,此外,飽和流體降低了巖石各向異性。此現(xiàn)象說明各向異性大小與礦物組分及含量高低有關(guān),決定了不同巖性的各向異性差異。碎屑巖礦物(泥質(zhì)成分)含量主控巖石的各向異性,一方面黏土礦物定向排列和黏土層間的微裂隙增強(qiáng)了各向異性;另一方面受沉積作用影響,碎屑巖礦物含量高的巖石易形成碳酸鹽巖和粉砂質(zhì)泥巖的互層結(jié)構(gòu),巖心多見紋層并伴有層間裂縫(圖2),這些因素使得各向異性增強(qiáng)。而膏巖和泥質(zhì)白云巖的主要組成礦物(硬石膏/鈣芒硝、白云石)均不具有各向異性,此外前者幾乎不發(fā)育孔隙和裂隙,后者僅發(fā)育少量白云石晶間圓孔,因此這兩種巖性地層各向異性較低。當(dāng)碳酸鹽巖含量小于20%時(shí),多為膏巖(或鈣芒硝),顯示低各向異性;當(dāng)碳酸鹽巖含量繼續(xù)升高時(shí)(20%～40%),此時(shí)鈣芒硝含量降低,而黏土、石英等碎屑巖含量增加,受黏土礦物的定向排列和細(xì)粒碎屑成層等因素的影響,各向異性增大,指示白云質(zhì)泥巖或泥巖(黏土質(zhì)粉砂巖);隨著碳酸鹽巖含量繼續(xù)升高(>50%),主要為泥質(zhì)白云巖,其低碎屑含量和弱紋層構(gòu)造使各向異性降低。綜上所述,圖13中強(qiáng)各向異性(ε為0.10～0.15)多對(duì)應(yīng)紋層狀云質(zhì)泥巖,伴有層間裂縫。而層狀和塊狀結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)白云巖和膏巖的各向異性參數(shù)通常較低(ε<0.1)。利用各向異性參數(shù)的變化規(guī)律可識(shí)別紋層狀云質(zhì)頁巖儲(chǔ)層。

圖13 縱橫波各向異性參數(shù)與不同礦物含量之間的變化規(guī)律a 各向異性參數(shù)ε與泥質(zhì)含量的變化規(guī)律; b 各向異性參數(shù)γ與泥質(zhì)含量的變化規(guī)律; c 各向異性參數(shù)ε與碳酸鹽巖含量的變化規(guī)律; d 各向異性參數(shù)γ與碳酸鹽巖含量的變化規(guī)律

3 有利巖相彈性參數(shù)的跨頻段量化研究

地震波在地下含流體多孔巖石介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起速度頻散和衰減,因此基于超聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的地震巖石物理特征并不完全能夠等同于測(cè)井和地震數(shù)據(jù),明確地震彈性性質(zhì)的跨頻特征對(duì)基于超聲(MHz)、測(cè)井(kHz)、地震(幾十Hz)數(shù)據(jù)的地震定量預(yù)測(cè)十分重要。我們期望通過實(shí)驗(yàn)室跨頻段巖石物理測(cè)試技術(shù)以及頻散理論模型建立極低頻至極高頻的全頻段巖石彈性特征,由此得到分頻段的地震巖石物理彈性屬性特征,為提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。然而,測(cè)量每個(gè)巖心點(diǎn)的跨頻彈性性質(zhì)是困難的。如圖14所示,給出了如何僅利用少量巖心樣品的跨頻測(cè)試結(jié)果獲取全部巖心樣品的跨頻速度的解決方法。首先,通過典型巖心的跨頻段實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取不同巖性巖石的低頻和超聲頻段數(shù)據(jù);然后,基于物性測(cè)試數(shù)據(jù)(礦物含量、孔隙度)和干巖石超聲速度數(shù)據(jù)(不同壓力)估算該巖石的速度頻散。我們采用的是考慮多重軟孔隙分布的噴射流模型[29],因?yàn)樵撃Ｐ椭饕脕砻枋鑫⒂^孔隙中流體流動(dòng)引起的速度頻散,與實(shí)際頁巖地層多重孔隙結(jié)構(gòu)特征相匹配,若該模型能夠解釋實(shí)測(cè)速度頻散,那么可通過該模型估算其它所有巖心的速度頻散。

圖14 獲取全巖心數(shù)據(jù)跨頻段速度方法

圖15展示了飽和油狀態(tài)下泥質(zhì)白云巖樣品跨頻段實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論模型匹配結(jié)果。由于研究區(qū)泥質(zhì)白云巖孔隙度普遍較低(3%以下),飽和油條件下縱、橫波速度雖存在一定頻散,但高低頻的實(shí)際速度頻散量很小,約為100～200m/s,且具有垂直層理樣品的速度頻散和具有平行層理樣品的頻散量相接近,因此頻散的各向異性并不明顯。另外我們發(fā)現(xiàn)圍壓改變,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的頻散幾乎不變,這可能與其內(nèi)部孔隙的壓力敏感性較小有關(guān)。考慮不同類型孔隙分布的噴射流模型所描述的頻散(圖15中虛線)能夠與實(shí)測(cè)跨頻段數(shù)據(jù)相匹配,并且吻合較好,因此認(rèn)為,該模型可用來估算研究區(qū)巖石速度頻散。

圖15 飽和油狀態(tài)下泥質(zhì)白云巖樣品跨頻段實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論模型匹配結(jié)果a 垂直層理頻率與縱波速度關(guān)系; b 垂直層理頻率與橫波速度關(guān)系; c 平行層理頻率與縱波速度關(guān)系; d 平行層理頻率與橫波速度關(guān)系

最后,基于實(shí)測(cè)巖心的礦物含量、孔隙度和干燥巖石的縱橫波速度,通過此模型計(jì)算所有巖心樣品飽和流體時(shí)的速度頻散,并獲取全頻段的彈性屬性特征。我們選取25MPa壓力下不同頻率(2.2,24.5,1.0×104,1.0×106Hz)的彈性參數(shù)分別進(jìn)行交會(huì)分析。圖16給出了不同頻率下區(qū)分有利巖相的彈性參數(shù)組合—縱波阻抗和縱橫波速度比的交會(huì)分析結(jié)果。由圖16可見,縱橫波速度比可有效劃分不利巖相—膏鹽類(石膏和鈣芒硝)與有利巖相(泥質(zhì)白云巖和云質(zhì)泥巖)。另外縱波阻抗可有效劃分低阻抗的云質(zhì)泥巖(次有利巖相)與高阻抗特征的泥質(zhì)白云巖(有利儲(chǔ)集巖相)。因此,縱波阻抗與縱橫波速度比可聯(lián)合應(yīng)用劃分有利儲(chǔ)集層巖相(泥質(zhì)白云巖)和自生自儲(chǔ)的次有利巖相(云質(zhì)泥巖)。跨頻結(jié)果顯示,指示泥質(zhì)白云巖和膏巖的兩個(gè)彈性參數(shù)在不同頻段數(shù)值差異變化幾乎可忽略(表1),造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椋孩龠x取的壓力點(diǎn)為25MPa(接近地層壓力)的結(jié)果,速度頻散在高壓力時(shí)通常會(huì)降低;②該儲(chǔ)層泥質(zhì)白云巖和膏巖的孔隙度和滲透率極低,由此引發(fā)的速度頻散較弱。然而,云質(zhì)泥巖因?yàn)閷永砹芽p存在可能引發(fā)相對(duì)更強(qiáng)的頻散,我們發(fā)現(xiàn)部分樣品在地震頻段和超聲頻段彈性參數(shù)的變化差異較為明顯,因此,對(duì)于云質(zhì)泥巖的彈性屬性識(shí)別時(shí)需要考慮頻率的影響。跨頻段預(yù)測(cè)結(jié)果初步證明了地層壓力條件下,研究區(qū)跨頻段彈性屬性特征相接近,并給出了劃分有利巖相的地震彈性屬性閾值,有利儲(chǔ)集巖相(泥質(zhì)白云巖)：縱波阻抗>14.00(單位：g/cm3·km/s,后同),1.80<縱橫波速度比<1.87;次有利巖相(云質(zhì)泥巖)：縱波阻抗<13.31,縱橫波速度比<1.84;不利巖相(膏鹽巖)：縱波阻抗>14.28,縱橫波速度比>1.88。

表1 不同頻率下縱波阻抗和縱橫波速度比組合參數(shù)閾值

此外,我們也展示了一組同樣具有區(qū)分能力的彈性參數(shù)組合(圖17,同為25MPa壓力下結(jié)果)。彈性參數(shù)拉梅系數(shù)和密度的乘積與泊松比的組合同樣可劃分有利巖相(表2),同時(shí)與縱波阻抗和縱橫波速度比相似,不同頻散的結(jié)果差異較小。有利儲(chǔ)集巖相(泥質(zhì)白云巖)：拉梅系數(shù)×密度>80.89(單位：GPa·g/cm3,后同),0.280<泊松比<0.303;次有利巖相(云質(zhì)泥巖)：拉梅系數(shù)×密度<67.12,泊松比為0.252～0.289;不利巖相(膏巖)：拉梅系數(shù)×密度>87.37,泊松比>0.302。

表2 不同頻率下拉梅系數(shù)與密度乘積和泊松比組合參數(shù)閾值

圖17 不同巖性在不同頻率拉梅系數(shù)和密度乘積與泊松比交會(huì)分析結(jié)果a 頻率為2.2Hz; b 頻率為24.5Hz; c 頻率為1.0×104Hz; d 頻率為1.0×106Hz

跨頻段預(yù)測(cè)結(jié)果表明,研究區(qū)泥質(zhì)白云巖和膏巖的彈性性質(zhì)受頻率影響較小,造成此現(xiàn)象的重要原因與該巖相的超低孔隙度和極低滲透率有關(guān),而對(duì)于具有相對(duì)更高孔隙度以及微裂隙較多的云質(zhì)泥巖,其地震頻段與測(cè)井或超聲頻段的彈性屬性對(duì)比需要考慮頻散校正,關(guān)于頻散校正的應(yīng)用研究仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和理論模擬。

4 結(jié)論

通過對(duì)陳沱口凹陷新溝嘴組下段Ⅱ油組某頁巖井A的取芯樣品進(jìn)行跨頻段巖石物理測(cè)試并結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)分析,明確陳沱口凹陷新溝嘴組下段Ⅱ油組不同巖相的物性和地震彈性參數(shù)變化規(guī)律,以提供可以區(qū)分有利巖相的跨頻段彈性屬性。綜合得出以下結(jié)論。

1) 新溝嘴組下段Ⅱ油組復(fù)雜成巖過程導(dǎo)致多種類型礦物混積,其中自生長英質(zhì)礦物可能導(dǎo)致泥質(zhì)白云巖晶間孔被填充。此外沉積環(huán)境導(dǎo)致的長石、黏土和白云石等礦物膠結(jié)作用亦可能是導(dǎo)致該區(qū)泥質(zhì)白云巖具有極低孔隙度(<1%)和超低滲透率(10-4～10-2mD)的原因。云質(zhì)泥巖中陸源碎屑如石英等抗壓實(shí)礦物含量增多可能使粒間孔隙增多,并且黏土礦物定向排列可能導(dǎo)致微裂隙的形成?？傊?結(jié)合成巖作用等地質(zhì)因素的巖石物理分析對(duì)明確儲(chǔ)層物性變化規(guī)律具有重要意義。

2) 研究區(qū)巖石彈性性質(zhì)與巖石礦物組分具有明顯的相關(guān)性,黏土礦物對(duì)縱波速度具有抑制作用,白云石礦物含量增多速度明顯提高,石英等碎屑礦物含量增加時(shí)速度具有先降低后增加的明顯特征。此外,孔隙結(jié)構(gòu)可能是相同巖性存在速度差異的主要原因,因此巖石物理建模時(shí)可重點(diǎn)考慮礦物組分和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)彈性性質(zhì)的影響。

3) 研究區(qū)地層各向異性特征主要由巖石礦物紋層構(gòu)造、局部片狀黏土發(fā)育和極少量水平裂縫引起,分別造成縱、橫波速度各向異性參數(shù)ε為0.07～0.17,γ為0.05～0.14。對(duì)于紋層和黏土發(fā)育地區(qū)應(yīng)注意彈性各向異性的影響。

4) 基于寬頻測(cè)試數(shù)據(jù)和頻散理論模型模擬,擬提供不同頻段(2.2,24.0,1.0×104,1.0×106Hz)有利巖相識(shí)別的地震彈性參數(shù)組合分別為：縱波阻抗和縱橫波速度比、拉梅系數(shù)×密度和泊松比。我們的方法可以獲取全巖心的速度頻散并證明了研究區(qū)泥質(zhì)白云巖和膏巖的彈性性質(zhì)受速度頻散影響較小,而云質(zhì)泥巖因微裂隙和相對(duì)高孔隙度的原因其地震彈性性質(zhì)與超聲頻段存在一定差異。

綜上所述,本文的巖石物理分析結(jié)果和量化彈性性質(zhì)頻散的研究方法可為以巖石物理實(shí)驗(yàn)和理論建模為基礎(chǔ)的跨頻段(地震、測(cè)井和實(shí)驗(yàn)室超聲)數(shù)據(jù)應(yīng)用以及地震定量預(yù)測(cè)研究提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。