利用縱橫波速度判別火成巖氣、水層的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用

趙輝，司馬立強(qiáng)，戴詩(shī)華，王洪亮，董彥喜

（1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川 成都 610051；2.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500；3.中國(guó)石油西部鉆探工程公司測(cè)井公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

在火成巖氣藏氣、水層判別中常規(guī)電法和非電法方法綜合使用是解決火成巖儲(chǔ)層流體類型判別困難的有效途徑，其中利用縱橫波速度比判別儲(chǔ)層的流體類型是有效方法之一，要合理使用這一方法，務(wù)必搞清楚縱橫波速度、縱橫波速度比與含水飽和度的關(guān)系；火成巖巖性種類多，縱橫波速度比與巖性的關(guān)系如何；孔隙度大小是否對(duì)縱、橫波速度比產(chǎn)生影響。這3個(gè)問(wèn)題是使用縱橫波速度比法識(shí)別氣、水層的基礎(chǔ)。

1 縱、橫波速度及其比值與含水飽和度的關(guān)系

1.1 理論關(guān)系

結(jié)合式（1）至式（7）（其中μsat、kdry通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定）可理論模擬縱橫波速度及其比值在不同含氣飽和度條件下的理論關(guān)系（見(jiàn)圖1）。kf可由 Wood方程求取[1－2]

式（1）至式（7）中，kf為孔隙中充填流體的體積模量；si為孔隙中第i種組分流體的體積含量；kf為孔隙中第i種組分流體的體積模量；k0為巖石固體顆粒（基質(zhì)）的體積模量；kdry為干燥孔隙巖石的體積模量；φ為孔隙度；φc為臨界孔隙度；ρma為巖石基質(zhì)密度；ρf為氣體密度；ρw為液體密度；ρsat為孔隙中充填流體的巖石密度；φf(shuō)為氣體孔隙度；φw為液體孔隙度；ksat為飽和流體體積模量為kf的巖石的體積模量；μsat為飽和流體體積模量為kf的巖石的剪切模量；vpsat為縱波速度；vssat為橫波速度。

圖1 vp、vs及vp／vs與含水飽和度的理論關(guān)系

理論模擬表明（見(jiàn)圖1），含水飽和度在0～1.0間變化時(shí)，縱波速度會(huì)出現(xiàn)最低值[2，5]（這個(gè)最低值由孔隙中流體分布的不均勻性決定[6]，巖石孔隙中的流體常呈斑狀分布，并不是均勻分布的，而孔隙中流體分布的不均勻性是由孔隙結(jié)構(gòu)決定的），縱波速度在含水飽和度小于最低值時(shí)，隨含水飽和度的增加略有降低，當(dāng)含水飽和度大于最低值時(shí)縱波速度隨含水飽和度的增加而逐漸緩慢增大。當(dāng)含氣飽和度大約在0～10%之間時(shí)，vp、vp／vs會(huì)顯著增大，這是由于少量氣體混入液體使整體壓縮率顯著升高而造成的[7－9]。而當(dāng)含氣飽和度高于大約10%時(shí)，vp及vp／vs對(duì)含氣飽和度反映不敏感，隨含氣飽和度的增加變化較小。這表明，純水層中含有少量氣體時(shí)便可使vp及vp／vs顯著減小。

橫波速度始終隨含水飽和度的增加緩慢降低，成反比關(guān)系[5，7]（見(jiàn)圖1），這是因?yàn)楦鶕?jù) Gassmann理論，剪切模量和巖石孔隙的飽和狀況無(wú)關(guān)，由于飽和水時(shí)的密度大于干燥時(shí)的密度，所以造成橫波速度很小的降低。

可見(jiàn)，水層中含有少量氣體時(shí)縱波速度、縱橫波速度比會(huì)顯著減小[10]（見(jiàn)圖1）。

1.2 實(shí)驗(yàn)特征研究

小巖樣在常溫常壓下的縱、橫波速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，縱波對(duì)氣體含量敏感，飽和水的縱波速度顯著大于干燥狀態(tài)（飽和氣）的縱波速度。含氣可使縱波速度顯著減小（見(jiàn)圖2）。全直徑巖心與小柱樣實(shí)驗(yàn)均表明橫波對(duì)氣體含量不敏感，飽和氣和飽和水2種狀態(tài)下的橫波速度差別較小（見(jiàn)圖2和圖3），這與理論認(rèn)識(shí)一致。5MPa下全直徑巖心飽和狀態(tài)下的橫波速度略小于干樣的橫波速度（見(jiàn)圖3），與理論分析的一致。但小巖樣中也有一些巖樣飽和水狀態(tài)下的橫波速度高于干燥時(shí)的速度，這主要是由于壓力較低的緣故。Gregory實(shí)驗(yàn)表明，在壓力較低時(shí)，飽和巖石中的橫波速度可能高于干燥巖石的橫波速度[13]。

巖樣飽和水時(shí)的縱橫波速度比明顯的大于飽和氣時(shí)的縱橫波速度比（見(jiàn)圖2）。

理論模擬及實(shí)驗(yàn)分析表明，縱波對(duì)氣體含量敏感，含有少量氣體時(shí)可使縱波速度、縱橫波速度比顯著減小，橫波對(duì)氣體含量不敏感，油層或水層的vs與氣層的差異小，油層或水層的vp／vs大于氣層，因此，可以利用該規(guī)律識(shí)別氣、水層。

2 縱橫波速度比與孔隙度的關(guān)系

理論模擬及實(shí)驗(yàn)表明，vp／vs對(duì)流體類型敏感，飽和油或水的巖石vp／vs要明顯高于干巖樣值。但這種討論是粗略的，忽略了孔隙度的變化對(duì)vp／vs比值的影響。

楚澤涵[11]（1993年）指出，vp／vs隨孔隙度的變化不大；另有資料表明，在孔隙度φ＝0～20%時(shí)，vp／vs比值可能不變或僅有很小的變化，而在孔隙度數(shù)值較大時(shí)，孔隙度對(duì)縱橫波速度比的影響不能忽略。Wilkens[12]（1984年）、Suan[13]（1992年）、譚廷棟[14]（1990年，1994年）研究也表明孔隙對(duì)縱橫波速度比的影響相對(duì)較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飽和水巖樣孔隙度對(duì)縱橫波速度比的影響相對(duì)較小（見(jiàn)圖4）。vp／vs雖然與孔隙度關(guān)系不大，但并不意味著孔隙對(duì)縱橫波速度比沒(méi)有影響，只是影響相對(duì)較小。以上討論未考慮孔隙中含有氣體時(shí)的情況，因此并不意味著含有氣體的時(shí)候孔隙對(duì)縱橫波速度比的影響也較小。實(shí)際測(cè)井資料表明，孔隙度較高的氣層段，孔隙對(duì)縱橫波速度比的影響較小，與縱橫波速度比關(guān)系不大，但在低孔隙度氣層段測(cè)井縱橫波速度比與孔隙度有一定的聯(lián)系（見(jiàn)圖5），vp／vs隨孔隙度的增大而減小，因此，在低孔隙度段氣層和水層的差異可能變小，導(dǎo)致氣、水層判別困難，因此利用縱橫波速度比判別儲(chǔ)層流體類型時(shí)應(yīng)考慮孔隙對(duì)縱橫波速度比的影響，尤其在低孔隙度段。

圖4 飽和水巖心（vp／vs）—φ關(guān)系圖

3 縱橫波速度比與巖性的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中基性飽和水巖樣的縱橫波速度比主要在1.91左右，酸性巖的縱橫波速度比主要在1.85左右，火山碎屑巖的縱橫波速度比主要在1.75左右。飽和水狀態(tài)下，中基性巖的縱橫波速度比一般大于酸性巖，酸性巖的一般大于火山碎屑巖（見(jiàn)圖4）。

圖5 酸性巖類氣層段（vp／vs）—φ關(guān)系圖

實(shí)際測(cè)井資料表明，試油層段內(nèi)基性巖氣層（氣水同層）與水層的vp／vs分界線在1.83左右，酸性巖的在1.75左右，火山碎屑巖的在1.70左右（見(jiàn)圖6）。中基性巖的縱橫波速度比大于酸性巖，酸性巖的大于火山碎屑巖，實(shí)際測(cè)井資料與實(shí)驗(yàn)分析的規(guī)律一致。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際測(cè)井資料均表明，不同巖性的火成巖的縱橫波速度比存在一定的差別，但差別不是特別明顯，遠(yuǎn)不如砂巖的1.6、白云巖的1.8和石灰?guī)r的1.9之間的差別顯著，砂巖、白云巖與石灰?guī)r之間之所以差別顯著是因?yàn)檫@3種巖性的礦物組分存在顯著的差別，而不同巖性火成巖的礦物組分比較相近，只是含量差別明顯。因此，在利用縱橫波速度比判別流體類型時(shí)也要重視巖性對(duì)vp／vs的影響。

4 實(shí)際應(yīng)用

vp／vs受巖性影響大，因此在火成巖儲(chǔ)層氣、水層判別中需分巖性建立判別圖版。由于Δts主要受巖性和孔隙度影響，基本不受流體類型的影響，因此vp／vs與Δts交會(huì)可消除vp／vs所受巖性和孔隙度的影響，突出其對(duì)流體類型的貢獻(xiàn)。

圖7（a）是基性巖類vp／vs與Δts交會(huì)圖，從數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律看，水層與氣層、氣水層能夠非常明顯地分開(kāi)。圖7（a）中JD7-2井和JD7-1井3個(gè)段數(shù)據(jù)的vp／vs與Δts呈近似的線性關(guān)系，從實(shí)際資料看，采用斜線能將水層與氣層、氣水層非常明顯地區(qū)分開(kāi)。因此，圖7（a）中可使用斜線將水層與氣層、氣水層區(qū)分開(kāi)，這一斜線區(qū)分線是一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。圖7（a）中試油產(chǎn)氣及產(chǎn)氣水層段的縱橫波速度比普遍在圖中斜線的下方，水層的vp／vs值普遍在斜線的上方，具有明顯的氣層及氣水層的縱橫波速度比大于水層的特征，該圖版區(qū)分氣、水層的效果好，但氣層和氣水層不能有效區(qū)分，由前面的理論分析知，這主要是因?yàn)楫?dāng)含氣飽和度大于一定值時(shí)，飽和度對(duì)vp／vs的影響很小（見(jiàn)圖1）。

圖7中（vp／vs）—Δts交會(huì)圖和（vp／vs）—Δtp交會(huì)圖的對(duì)比可以看出，采用（vp／vs）—Δts交會(huì)能明顯將2個(gè)段低孔隙度水層與氣層及氣水層區(qū)別開(kāi)，但（vp／vs）—Δtp交會(huì)圖不能有效區(qū)分開(kāi)，之所以無(wú)法區(qū)別開(kāi)是因?yàn)榈涂紫抖榷蝪p／vs與孔隙度關(guān)系較大，孔隙的影響會(huì)使低孔隙度段氣層與水層的差異變小，使得低孔隙度段氣層與水層不能被有效區(qū)分開(kāi)。vp／vs與Δtp都同時(shí)會(huì)受到巖性、孔隙度和流體類型的影響；利用（vp／vs）—Δtp交會(huì)不能消除巖性、孔隙等因素的影響而突出流體類型的差別；利用（vp／vs）—Δts交會(huì)可以消除vp／vs所受巖性和孔隙度的影響，突出流體類型的影響。因此，利用（vp／vs）—Δts交會(huì)識(shí)別氣、水層的效果要明顯的好于（vp／vs）—Δtp交會(huì)以及單獨(dú)使用vp／vs。

5 結(jié) 論

（1）縱波速度對(duì)氣體含量敏感，含有少量氣體時(shí)縱波速度、縱橫波速度比顯著減小。橫波對(duì)氣體含量不敏感，橫波速度隨含水飽和度的增加略有減小，但差別小。飽和水（油）時(shí)的vp／vs大于飽和氣時(shí)的vp／vs。

（2）巖性對(duì)縱橫波速度比的影響大，因此要分巖性建立火成巖儲(chǔ)層的流體類型判別圖版。

（3）利用vp／vs判別儲(chǔ)層流體類型時(shí)應(yīng)考慮孔隙對(duì)vp／vs的影響，利用（vp／vs）—Δts交會(huì)可消除孔隙度和巖性的影響從而突出流體類型的差別。

（4）利用vp／vs能區(qū)分氣層（氣水層）與水層，但不能有效區(qū)分氣層與氣水層，也不能區(qū)別油層和水層。

[1]李維新，史謌，王紅，等.巖石物理彈性參數(shù)規(guī)律研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（5）：1380-1385.

[2]Whitman W W，Towle G H.The Influence of Elastic and Density Properties on the Behavior of the Gassmann Relation[J].The Log Analyst，1992，33（6）：500-506.

[3]Gary Mavko，Tapan Mukerji.Seismic Pore Space Compressibility and Gassmann’s Relation[J].Geophysics，1995，60（6）：1743-1749.

[4]史謌，楊東全，楊慧珠.巖石的孔隙彈性研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，36（2）：214-219.

[5]Simon M Jones，Timothy Astin，Clive McCann.The Effect of Degree of Saturation on Ultrasonic Velocity and Attenuation in Sandstones[C]∥SEG67th，1997，67：1023-1026.

[6]蔣立新，施行覺(jué).高頻條件下砂巖波速與多孔隙介質(zhì)流體含量關(guān)系的研究[J].石油地球物理勘探，1998，33（3）：355-362.

[7]史謌，沈聯(lián)蒂.灰?guī)r含水飽和度對(duì)縱、橫波速度變化影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油地球物理勘探，1990，25（4）：469-479.

[8]Domenico S N.Effect of Water Saturation on Seismic Reflectivity of Sand Reservoirs Encased in Shale[J].Geophysics，1974，39（6）：759-769.

[9]Gregory A R.Fluid Saturation Effects on Dynamic E-lastic Properties of Sedimentary Rocks[J].Geophysics，1976，41（5）：895-921.

[10]De-hua Han，Michael L Batzle.Gassmann’s Equation and Fluid-saturation Effects on Seismic Velocities[J].Geophysics，2004，69（2）：398-405.

[11]楚澤涵.聲波測(cè)井原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993：153-158，164.

[12]Roy Wilkens，Gene Simmons，Lou Caruso.The Ratio vp／vsas a Discriminant of Composition for Siliceous Limestones[J].Geophysics，1984，49（11）：1850-1860.

[13]Suan L M Miller.Well Log Analysis of vpand vsin Carbonates[R].1992，CREWES Research Report，volume 4.

[14]譚廷棟.縱橫波速比直觀指示氣層的解釋方法[J].石油學(xué)報(bào)，1990，11（3）：41-45.