顺9井区志留系柯坪塔格组下段低孔、特低渗储层岩石物理研究

林东升，冯兴强，黄为清

1中石化石油勘探开发研究院，北京

2中国科学院地质与地球物理研究所，北京

1. 引言

顺9井区位于塔里木盆地顺托果勒低隆起，南部紧邻塔中隆起与古城隆起，北邻塔北隆起，东毗邻满加尔凹陷，西侧紧邻阿瓦提凹陷。2011年3月完钻的顺9井在柯坪塔格组下段加砂压裂获得了低产油流，实现了塔中北坡古生界碎屑岩领域的勘探突破。

顺9井区志留系柯坪塔格组埋深大，均在5000 m以下，且储层物性差，孔隙度主要分布在5%～6%之间，渗透率主要分布在0.05～0.5 mD之间，为典型的低孔、特低渗储层。在该地质背景下，储层与非储层的波阻抗差异较小，利用波阻抗无法识别预测储层。然而，储层预测是研究区勘探面临的核心问题之一，因此需要寻找波阻抗以外的其他储层敏感岩石物理参数来预测，而开展岩石物理研究是解决该问题的有效方法。虽然储层岩石物理特征可以通过测井曲线来研究，但研究区多数井的井眼状况不好，导致测井曲线严重失真，因此利用测井曲线来识别目的层岩石物理特征比较困难。同时，在埋深大、储层物性差的条件下，储层弹性参数如何随温度、压力、地层岩性、物性的变化还不十分清楚[1] [2] [3]。鉴于上述问题，需要对研究区目的层开展岩石物理试验研究来寻找储层敏感弹性参数，确定研究区目的层段岩石弹性参数(如阻抗、速度比等)与储层参数(岩性、孔隙度、流体等)之间的响应规律，为储层预测奠定物理基础。

2. 岩石物理参数测试及规律分析

2.1. 压力、温度及流体效应

砂岩和泥岩的纵波速度(vp)、横波速度(vs)均随着压力(pc)的变大而增大，加压初始阶段变化相对较快，后期相对较慢(图1)。砂岩和泥岩的vp、vs均随着温度(t)的变大而减小，到70℃左右变化缓慢，而后速度变化相对加快(图2)。

Figure 1. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of confining pressure图1. 砂岩vp (a)、vs (b)随pc的变化规律

Figure 2. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of temperature图2. 砂岩vp (a)、vs (b)随t的变化规律

从图3中可以看出，砂岩的vp随含气体饱和度(Sg)呈非线性变化，岩石含有少量气体时，能产生较大的vp变化；当含气量增大后，岩石vp对Sg的变化不敏感；砂岩的vs不随Sg的变化而改变，说明横波对Sg、含水饱和度(Sw)变化不太敏感。

Figure 3. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of gas saturation图3. 砂岩vp (a)、vs (b)随Sg的变化规律

2.2. 岩石物理参数与孔隙度关系

通过统计岩心样品的密度(ρ)与孔隙度(φ)的关系(图 4)可以看出，砂岩和泥岩的ρ都随φ的增大而减小，且泥岩平均ρ比砂岩大。从图5中可以看出，砂岩和泥岩的vp、vs均随φ的增大而减小，泥岩平均φ比砂岩小。

Figure 4. The density of sandstone and mudstone with the change of porosity图4. 砂岩和泥岩的ρ随φ变化

Figure 5. P-wave and S-wave velocity of sandstone and mudstone with the change of porosity图5. 砂岩和泥岩的vp (a)、vs (b)随φ的变化

3. 储层敏感岩石物理参数分析

由于研究区目的层储层与非储层的波阻抗差异小，储层的敏感岩石物理弹性参数不明确，为此开展了储层敏感岩石物理参数分析。图6和图7表明，砂、泥岩的vp与纵波阻抗(Zp)差异不大，vs与横波阻抗(Zs)虽然有差异，但仅使用vs和波阻抗(Z)也无法区分砂、泥岩，只有将vp、vs与Z结合起来才能较好地区分砂、泥岩。

Figure 6. The intersection diagram of P-wave velocity and S-wave velocity图6. vp-vs交会图

Figure 7. The intersection diagram of S-wave impedance with P-wave impedance图7. Zs-Zp交会图

Connolly提出的弹性阻抗(IE)公式中同时包含了纵、横波参数，因此可以试验IE的储层敏感性。从图8可以看出，当入射角(θ)较小时，单纯利用IE无法将砂、泥岩区分开；θ增加到16˚，IE可以比较好地区分砂、泥岩；当θ进一步增大为26˚时，IE区分砂、泥岩的能力也进一步增强；当θ达到40˚时，IE可以清晰地把砂、泥岩区分开。

Figure 8. The intersection diagram of elastic impedance and P-wave impedance at different incidence angles图8. 不同入射角IE-Zp的交会图

如图9所示，泥岩的纵横波速度比(vp/vs)整体上大于砂岩，其对砂、泥岩的区分效果也比较好。

Figure 9. The intersection diagram of velocity ratio of P-wave and S-wave with P-wave impedance图9. vp/vs-Zp交会图

4. 岩石物理参数流体敏感性分析

4.1. 岩石物理参数分类

饱水砂岩和饱气砂岩的vp、vs均随φ的变大而减小(图10)，从趋势线可以看出，饱水砂岩vp比饱气砂岩大，vs比饱气砂岩小，但总体数据很难区分，说明在vp、vs与φ交会图上很难识别流体。因此需要利用新的参数进行流体识别。

Figure 10. The P-wave velocity and S-wave velocity of sandstone with the change of porosity图10. 砂岩vp (a)、vs (b)随φ的变化

根据岩石物理原理，影响岩石弹性参数的本质因素是固体介质及其结构、流体的耦合，不同的弹性参数对流体和变形的响应不同[4] [5]。从进行流体检测和岩性识别的角度，特别提出了3类参数的概念。

1) S型参数：该类参数对流体不敏感。由于流体不传递剪应力，岩石的剪切模量(G)对孔隙中流体不敏感，与G有关的一类弹性参数，如vs、参数μ、Zs等对岩石孔隙中流体的存在以及含量变化都不敏感。从变形的角度看，上述参数主要响应于畸变。不同岩石的剪性参数是不同的，因此S型参数有助于区分岩性。

2) P型参数：如体积模量(K)，vp、Zp，拉梅系数(λ)。在物理本质上，它们同时反映了固体介质及其结构、流体的耦合。从变形的角度，对岩石的压缩性比较敏感，该类参数称为体性参数。

3) C型组合参数：用上述弹性参数组合构造出的参数。组合参数应该是多种多样，该次研究特别指由剪性参数与体性参数构造的组合，如vp/vs，泊松比(ν)，Z2p−c⋅Z2s，λ−c⋅µ(c为常数)。

不同岩石物理参数对孔隙流体的敏感程度是不同的，为了量化指标，引进了岩石物理参数流体敏感性的概念。对于两种流体组成的系统，以含水样品为标尺，定义其流体敏感性参数(FS)：

式中：A为某岩石物理参数；下标w表示水；下标i表示一种流体状态。

FS一般在0～1之间。FS越大，则表明参数A对流体就越敏感。

根据样品试验数据，对上述参数的流体敏感性进行计算，统计出流体敏感性序列(图 11)。研究区岩石物理参数的FS按大小依次排序为：

Figure 11. The fluid sensitivity sequence diagram of main parameters in the study area图11. 研究区主要参数流体敏感性序列图

上述3类岩石物理参数的特征对流体的响应说明了组合参数在流体检测上有特别的意义。下面针对3类岩石物理参数交会对砂岩样品流体识别进行分析。

4.2. P型参数与P型参数关系分析

对研究区vp、ρ、Zp、K、λ等P型参数进行交会分析，发现饱水砂岩和饱气砂岩数据重叠多(图12)，因此砂岩在ρ-vp交会图及Zp-vp交会图上均不能进行流体识别。饱水砂岩K和饱气砂岩K在vp小的区域可以区分，在vp大的区域重叠多，不能区分；饱水砂岩λ比饱气砂岩λ大，数据重叠少，基本可以区分开(图 13)。

Figure 12. The intersection diagram of sandstone density and P-wave impedance with P-wave velocity图12. 砂岩ρ(a)、Zp (b)与vp交会图

Figure 13. The intersection diagram of sandstone bulk modulus and lame constant with P-wave velocity图 13. 砂岩 K (a)、λ(b)与 vp交会图

4.3. P型参数与S型参数关系分析

从图14、图15、图16上可以看出，饱气砂岩的vs比饱水砂岩vs大，数据有重叠，但大部分可以分开；饱气砂岩的Zs比饱水砂岩Zs大，数据有部分重叠，但总体上可以分开；饱气砂岩的G主要分布在饱水砂岩G的左边，数据很少重叠，大致可以区分开。

Figure 14. The intersection diagram of sandstone S-wave velocity with P-wave velocity图14. 砂岩vs-vp交会图

Figure 15. The intersection diagram of sandstone S-wave impedance with P-wave impedance图15. 砂岩Zs-Zp交会图

Figure 16. The intersection diagram of sandstone shear modulus and lame constant图16. 砂岩G-λ交会图

4.4. P型参数与C型组合参数关系分析

饱水砂岩的vp/vs比饱气砂岩大，数据重叠少，说明研究区砂岩在饱含气、水时，利用vp/vs-vp交会图及vp/vs-Zp交会图可以大致将两者区分开(图17)。ν本质上与vp/vs相同，从图18上可以看出，饱水砂岩ν比饱气砂岩ν大，数据重叠少，利用ν-vp交会图及ν-Zp交会图可以将饱气砂岩与饱水砂岩区分开。构建的组合参数λ-0.15µ和，饱水砂岩比饱气砂岩大，数据重叠少，可以将饱气砂岩和饱水砂岩区分开(图19)。

Figure 17. The intersection diagram of P-wave velocity and impedance with velocity ratio of P-wave and S-wave图17. 砂岩vp (a)、Zp (b)与vp/vs交会图

Figure 18. The intersection diagram of P-wave velocity and impedance with poisson ratio图18. 砂岩vp (a)、Zp (b)与v交会图

Figure 19. The intersection diagram of sandstone parameters with poisson ratio图 19. 砂岩 λ—0.15μ (a)、Zp2—2.15Zs2 (b)与 Zp交会图

5. 结论

1) 压力对砂岩的vp、vs影响大，并且与砂岩的φ成正比；压力对泥岩的vp、vs影响小，与泥岩ρ高、压实程度大有关；砂岩和泥岩的vp、vs均随t的变大而减小；砂岩vp随Sg呈非线性变化，饱水岩石含有少量气体时就能产生较大的vp变化。

2) 研究区目的层砂、泥岩的vp和Zp差异不大，将vp、vs和Z结合起来才能较好地区分砂、泥岩；随着θ从6˚增大到40˚，IE区分储层的能力也越来越强，当θ较大时，利用IE可以比较好地区分砂泥岩；vp/vs区分储层的效果也比较明显。

3) P型参数基本上不能识别流体，S型参数和P型参数结合起来可以在一定程度上区分饱气砂岩和饱水砂岩，C型组合参数识别流体的效果比较好。利用定义的FS，计算出研究区岩石物理参数的FS按大小依次排序为：

[1] Dehua, H., Nur, A. and Morgan, D. (1986) Effects of Porosity and Clay Content on Wave Velocities in Sandstones.Geophysics, 51, 2093-2107. https://doi.org/10.1190/1.1442062

[2] Jizba, D. (1991) Mechanical and Acoustical Properties of Sandstones and Shales. Ph.D. Thesis, Stanford University,Stanford, California.

[3] Mavko, G., Mukerji, T. and Dvorkin, J. (1998) The Rock Physics Handbook. Cambridge University Press, Cambridge.

[4] 施行觉, 夏从俊, 吴永刚. 储层条件下波速的变化规律及其影响因素的实验研究[J]. 地球物理学报, 1998, 41(2):234～240.

[5] 马中高, 解吉高. 岩石的纵、横波速度与密度的规律研究[J]. 地球物理学进展, 2005, 20(4): 905-910.