基于巖心測試的巖石物理參數敏感性分析*
——以沙南凹陷古近系不同相帶碎屑巖為例

彭 剛 周東紅 張平平 周 星

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

基于巖心測試的巖石物理參數敏感性分析*
——以沙南凹陷古近系不同相帶碎屑巖為例

彭 剛 周東紅 張平平 周 星

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

古近系碎屑巖地震儲層預測是渤海油田近年來面臨的技術瓶頸，難點之一在于如何有效地區分儲層與非儲層。以渤海西部沙南凹陷已鉆9口井16個井段的20個巖心樣品為基礎，對縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量、體積模量、剪切模量、拉梅系數、泊松比、縱波阻抗、橫波阻抗等10種巖石物理參數在不同層段和不同沉積亞相環境下的敏感性進行了定量分析，篩選出了能夠區分優質儲層的敏感參數組合。結果表明在大多數情況下，密度、縱波速度和縱波阻抗等疊后常規參數難以有效區分古近系儲層與圍巖，而表征巖石抗剪切變形能力的剪切模量、拉梅系數等巖石特征參數具有相當的區分度。研究區測井數據與巖心數據的分析結果具有較好的一致性，說明本文基于巖心測試的巖石物理參數敏感性分析是可行的，這將更好地促進疊前地震屬性在渤海油田古近系碎屑巖地震儲層預測中的應用。

巖心樣品；沉積亞相；巖石物理參數；敏感性；碎屑巖儲層；古近系；沙南凹陷

渤海海域在古近紀以來表現為斷陷和坳陷疊置結構，其構造演化具有多幕裂陷、多旋回疊加、多成因機制復合的特征，形成了斷隆和斷凹相間的構造古地貌格局[1]。在此構造特征影響下，該區古近系具有多物源、近源沉積特點，沉積類型多樣，橫向變化快，埋深普遍較大，經歷了較強的成巖作用，導致儲層與圍巖的巖石物理特征參數差異性小，儲層相對圍巖的地震響應特征不明顯，用于區分優質儲層的敏感參數難以確定。因此，古近系碎屑巖地震儲層預測一直是渤海油田地震勘探中面臨的一個技術瓶頸。

近年來，疊前地震屬性已逐步應用于渤海油田古近系地震儲層預測工作，但疊前地震屬性在區分儲層與圍巖方面依然存在著較大的多解性和不確定性。首先，這與反演算法相關，由于實際地震勘探數據是不完全的、帶限的，由這種不完整的并存在隨機噪聲的數據求取地下介質物性參數的變化，其數學表達式是不適定的病態方程[2]。另一方面，渤海油田地下巖石組分和地層結構的復雜性也導致了地震儲層敏感參數的不確定性，如東營組和沙河街組地層中vp/vs等常用疊前地震屬性依然存在較大程度的疊置，縱向上同一口井不同深度層段的砂、泥巖vp/vs屬性區分性不明顯，橫向上油田內部同一層段的砂、泥巖vp/vs屬性區分性也不一致，整體呈現出一種雜亂、無規律的趨勢。

宏觀地震響應特征受制于巖石微觀物理特性，即巖石物理特征參數及其差異性[3-5]。針對渤海油田古近系地震儲層預測難題，宏觀地震儲層預測應基于對微觀巖石物理特征的精細認識，需要建立從微觀巖石物理特征分析到地震響應機理研究，再到宏觀地震響應特征研究的技術思路和手段。為了從機理上研究清楚渤海古近系碎屑巖儲層與圍巖在巖石特征參數上的差異，筆者在測井數據巖石物理分析的基礎上，在渤海西部沙南凹陷開展了巖心參數試驗室測試，通過模擬地層溫壓條件獲得最直接的巖石特性參數，從根本上界定不同巖石類型的區分性，同時在數據分析環節中引入巖相分類因素，對沙南凹陷古近系不同層段和不同相帶下的巖石物理特征參數區分性進行了定量分析。

1 巖心樣品

作為一種直接測量的結果，測井數據會受到多種因素的干擾，存在一定的不確定性，從而影響巖石物理分析的準確性和精度。而巖心實驗室測試則可以通過模擬地層溫壓條件獲得最直接的巖石物理特征參數，從根本上界定不同巖石類型的區分性。傳統的巖心參數實驗室測試一般是以不同的巖性作為測試對比單元，比較典型的是進行砂、泥巖的對比測試。本次研究中，從實驗室測試之前的巖樣篩選到最終的數據分析都引入巖相分類因素。

研究區內共有取心井10口，共20個取心井段，在充分考慮巖相分類的基礎上，對其中9口井的16個井段進行了20個巖心取樣(表1)。本次試驗主要采用四川大學的美國產MTS815 Flex Test GT 巖石力學試驗系統進行，測試過程中巖心樣品2-1發生了崩解，故實際測試及分析的巖心樣品為19塊。取心原則考慮以下3個方面：①盡可能覆蓋研究區內不同相帶；②兼顧砂巖、泥巖及過渡巖性；③設置重復樣進行對比測試。

表1 研究區巖心樣品統計

注： “巖心編號”含義：A-B代表第A批取樣的第B塊樣品。樣品1-6與樣品2-7位于同一口井的同一個取樣深度，用于對比測試。

2 巖石物理參數敏感性分析

在模擬地層溫壓條件下，分干燥、飽水和飽油等3種狀態對縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量、體積模量、剪切模量、拉梅系數、泊松比、縱波阻抗、橫波阻抗等10種屬性[6]進行分析。根據沙南凹陷已鉆井鉆探情況和巖心樣品分布，重點以沙一段、沙二段和沙三段等3個地層沉積單元為對比空間，定量分析了同一層段不同沉積相內部巖性變化對測試參數的影響及同一層段不同沉積相間測試參數的變化趨勢。

2.1 沙一段

巖心樣品1-2、2-2取自沙一段，分布相帶為濱淺湖相。研究區沙一段巖心樣品較少，但所處沉積環境和巖石性質均較單一，有利于進行對比分析。結合測試數據，得到了研究區沙一段儲層與圍巖巖石物理特征參數的差異性規律(圖1、2)。從圖1、2可以看出，沙一段濱淺湖相砂巖的抗剪切變形能力(主要由橫波速度、橫波阻抗、剪切模量和楊氏模量等4個參數反映)明顯低于同一沉積環境下的泥巖，其中剪切模量差異性最大可達73%，其余3個參數差異性也在50%左右，均具有很好的區分性；該相帶砂巖相對于泥巖樣點具有很高的泊松比和拉梅系數，差異性也在50%左右，同樣具有很好的區分性；該相帶砂巖與泥巖在縱波速度、密度及縱波阻抗等常用巖石物理參數方面的區分性不佳，差異性均小于10%，其中縱波速度差異性只有2%、密度差異性只有6%，幾乎為不可區分，這也解釋了在實際工作中為什么用速度、密度及縱波阻抗均無法有效區分儲層與非儲層，即在本區沙一段濱淺湖相地層用疊后地震屬性及疊前密度反演開展儲層預測基本無效。

圖1 研究區沙一段濱淺湖相地層巖石物理參數變化規律

圖2 研究區沙一段濱淺湖相地層巖石物理參數差異性分析

2.2 沙二段

巖心樣品1-6、2-5、1-4、2-6、2-11、2-3、2-4取自沙二段，分布相帶主要有扇三角洲、辮狀河三角洲前緣相和濱淺湖相等3種類型。研究區沙二段巖心樣品所處沉積環境和巖石性質相對沙一段較為復雜，分析難度增大。

1) 扇三角洲前緣相。圖3為研究區沙二段扇三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析結果，可以看出：沙二段扇三角洲前緣相地層中，砂泥巖的泊松比差異性大幅降低至13%，體積模量和拉梅系數差異性則顯著增強至70%以上；在沙一段濱淺湖相地層中幾乎沒有區分性的縱波速度和縱波阻抗卻在沙二段扇三角洲前緣相地層中展現出了較明顯的差異，其中縱波阻抗的差異性超過了50%，說明在該相帶地層中運用疊后波阻抗屬性進行地震儲層預測仍然具有可行性。另外，經常使用的密度參數在該相帶的區分度仍然不佳，差異性約為20%。

圖3 研究區沙二段扇三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析

2) 辮狀河三角洲前緣相。圖4為研究區沙二段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析結果，可以看出：沙二段辮狀河三角洲前緣相地層中，砂泥巖的體積模量和拉梅系數的差異性最大，達到40%～60%；而反映巖石抗剪切變形能力的橫波速度、橫波阻抗、剪切模量和楊氏模量的差異性則較沙一段濱淺湖相地層明顯降低；縱波阻抗的差異性約為30%，泊松比及密度的差異性均約為20%，可區分性都較差。

3) 濱淺湖相。圖5為研究區沙二段濱淺湖相地層巖石物理參數差異性分析結果。由于沙二段有1個巖心樣品來自濱淺湖混合灘的過渡相，巖性不純，因此該相帶地層巖石物理參數差異性規律與沙一段濱淺湖相存在很大不同。從圖5可以看出：在沙一段濱淺湖相地層中難以區分的體積模量卻在沙二段濱淺湖相地層中與拉梅系數一起成為最具區分性的2個參數，差異性均為50%左右；而在沙一段濱淺湖相地層中差異性明顯的泊松比卻在沙二段濱淺湖相地層中僅為8%，幾乎為不可區分；沙二段濱淺湖相地層中縱波阻抗的差異性強于沙一段濱淺湖相地層，與同一地層單元的辮狀河三角洲前緣相地層相當，但弱于扇三角洲相地層，推測其在地震上的區分性會具有較強的不確定性。另外，密度在該相帶的區分度仍然較差，差異性僅為15%。

圖4 研究區沙二段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析

圖5 研究區沙二段濱淺湖相地層巖石物理參數差異性分析

總體來看，沙南凹陷沙二段不同相帶儲層與圍巖的巖石參數差異仍然體現出了一定的宏觀規律性：①拉梅系數和體積模量均具有較大的區分度，差異性穩定在50%左右。②泊松比的區分度均較小，不適宜作為區分參數。③疊后地震常用的縱波阻抗展現了相當的區分度，但差異性是從靠近物源的扇三角洲相到遠離物源的濱淺湖相逐漸降低。④3種相帶下密度均表現為低區分度。

2.3 沙三段

巖心樣品1-1、1-3、2-8、2-9、2-10取自沙三段，分布相帶為辮狀河三角洲前緣相。圖6為研究區沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析結果，可以看出：沙三段辮狀河三角洲前緣相地層中橫波速度、橫波阻抗、剪切模量和楊氏模量的差異性趨勢明顯，從純砂巖到砂泥巖互層存在明顯的變化臺階，其中剪切模量差異性最大可達49%，具有很好的區分性;拉梅系數和體積模量這2個參數延續了沙二段地層的高區分度，差異性均接近50%；泊松比的差異性在20%左右，區分性不理想；縱波阻抗的差異性相對沙二段地層繼續降低，但強于沙一段地層，在實際運用中會有較大的不確定性；密度則一如既往地表現為低區分度。

圖6 研究區沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析

3 與測井資料對比

巖心試驗室測試數據為第一手數據，數據可靠度高，但由于樣點稀少，在規律性總結方面仍然存在不確定性。為了彌補這一缺陷，在得到基于巖心測試的巖石物理參數敏感屬性分析結果之后，對研究區的所有30口已鉆井數據，以沙一、沙二、沙三段為目的層，同樣進行了巖石物理參數分析。圖7為根據測井數據得到的研究區沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析結果，可以看出其總體趨勢與巖心測試數據(圖6)基本一致，說明本文基于巖心測試的巖石物理參數敏感性分析是可行的。

圖7 研究區沙三段辮狀河三角洲前緣相地層巖石物理參數差異性分析(來自測井數據)

4 結論

1) 以渤海西部沙南凹陷已鉆9口井16個井段的20個巖心樣品為基礎，對縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量、體積模量、剪切模量、拉梅系數、泊松比、縱波阻抗、橫波阻抗等10種巖石物理參數在沙一段、沙二段及沙三段不同相帶環境下的敏感性進行了定量分析，篩選出了能夠區分優質儲層的敏感參數組合，即在大多數情況下，密度、縱波速度和縱波阻抗等疊后常規參數難以有效區分研究區古近系儲層與圍巖，而表征巖石抗剪切變形能力的剪切模量、拉梅系數等巖石特征參數具有相當的區分度。

2) 研究區測井數據與巖心數據的分析結果具有較好的一致性，說明本文基于巖心測試的巖石物理參數敏感性分析是可行的，這將更好地促進疊前地震屬性在渤海油田古近系碎屑巖地震儲層預測中的應用。

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(編輯：馮 娜)

Rock physical sensitivity analysis based on core sample testing: a case of Paleogene clasolite reservoir under different sedimentary environments in Shanan sag

Peng Gang Zhou Donghong Zhang Pingping Zhou Xing

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

Clasolite reservoir seismic predication in the Paleogene is a technical bottleneck of Bohai oilfields in recent years, and how to distinguish reservoir from non-reservoir is one of the difficulties. Based on 20 core samples from 16 well sections of 9 wells in Shanan sag of western Bohai sea, the sensitivities of 10 rock physical parameters under different formations and sedimentary environments are quantitatively analyzed, including P-wave velocity, S-wave velocity, density, Young’s modulus, bulk modulus, shear modulus, Lame coefficient, Poisson’s ratio, P-wave impedance and S-wave impedance, and the parameter combination which is sensitive to effective reservoir is obtained. The rusults show that in most cases traditional post-stack parameters such as density, P-wave velocity and P-wave impedance can not efficiently distinguish reservoir from non-reservoir, but such parameters as shear modulus and Lame coefficient that represent properties of anti-shear deformation are more sensitive. The analysis results of logging data and core data have good consistency, showing the feasibility of this method. This study will improve the applitcation of pre-stack seismic attribution in Paleogene clasolite reservoir seismic predication in Bohai oilfields.

core sample; sedimentary subfacies; rock physical parameter; sensitivity; clasolite reservoir; Paleogene; Shanan sag

彭剛，男，高級工程師，1998年畢業于原石油大學(華東)石油與天然氣地質勘查專業，獲學士學位，主要從事油氣地球物理勘探研究工作。地址：天津市塘沽區609信箱(郵編：300452)。E-mail:penggang@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0057-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.008

TE135

A

2015-11-20 改回日期：2016-03-03

*“十二五”國家科技重大專項“渤海海域中深層油氣田地震勘探技術(編號：2011ZX05023-005-001)”部分研究成果。

彭剛，周東紅，張平平，等.基于巖心測試的巖石物理參數敏感性分析——以沙南凹陷古近系不同相帶碎屑巖為例[J].中國海上油氣，2016,28(3)：57-61.

Peng Gang，Zhou Donghong，Zhang Pingping,et al.Rock physical sensitivity analysis based on core sample testing: a case of Paleogene clasolite reservoir under different sedimentary environments in Shanan sag[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):57-61.