魯小飛

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碳酸鹽巖孔隙性預(yù)測(cè)方法研究

魯小飛

（中國(guó)地震局地震研究所 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

碳酸鹽巖儲(chǔ)層由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙性多樣，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，常規(guī)巖石物理模型，或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以準(zhǔn)確描述儲(chǔ)層的孔隙性結(jié)構(gòu)和彈性參數(shù)。用Gassmann方程的推廣分析碳酸鹽巖中不同孔隙相礦物組分對(duì)彈性參數(shù)的影響，研究碳酸鹽巖中白云巖孔隙性的對(duì)巖石物性的整體影響，用理論模型分析實(shí)際工區(qū)。研究結(jié)果表明Gassmann的推廣模型具有較高的實(shí)用性，可以為碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙性預(yù)測(cè)提供一種新的思路。

碳酸鹽巖；孔隙性；巖石物理模型；預(yù)測(cè)方法

碳酸鹽巖通常由幾種礦物組分構(gòu)成其巖石基質(zhì)，巖石中存在不同大小、形狀、連通或非連通的孔隙，孔隙中往往充填著不同性質(zhì)的物質(zhì)（如流體或碎屑物），構(gòu)成一種非均質(zhì)性很強(qiáng)的復(fù)合介質(zhì)，儲(chǔ)層孔隙空間及孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜具有較強(qiáng)非均質(zhì)性。儲(chǔ)集空間既有孔隙也有裂縫，其中孔隙包括原生孔隙（如晶間微孔及粒間微孔隙）和次生孔隙（主要包括溶蝕孔、洞），裂縫包括微裂縫、構(gòu)造縫和溶蝕縫等。由于碳酸鹽巖性脆易溶，導(dǎo)致在不同的地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要儲(chǔ)集空間類型差異較大，有的以裂縫型為主、有的以溶孔洞型為主。因此,對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)需建立在對(duì)巖石孔隙系統(tǒng)的充分了解之上。

國(guó)內(nèi)外許多研究已經(jīng)證明碳酸鹽巖中的孔隙系統(tǒng)對(duì)巖石的彈性性質(zhì)影響較大。目前孔隙度預(yù)測(cè)方法太多，但主要分為兩大類,一種是線性方法，主要采用經(jīng)驗(yàn)公式用測(cè)井曲線對(duì)孔隙度進(jìn)行線性或非線性擬合，這種方法適用于簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)條件，許多研究者也提出了一些改進(jìn)的關(guān)系式（如：Raymer等、Hamilton等、Han等、Kahraman等）。另一種是非線性方法，有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1]、數(shù)據(jù)組合處理方法、隨機(jī)模擬[1]等多種方法。這類方法人工干預(yù)較小，不考慮實(shí)際巖石模型中的內(nèi)在因素的影響，比如孔隙度大小，孔隙形狀。因此結(jié)果分析中或多或少存在一定的問題。該研究根據(jù)碳酸鹽巖孔隙性因素對(duì)巖石物理、彈性參數(shù)的影響分析，孔隙介質(zhì)的孔隙相出發(fā)，建立了孔隙介質(zhì)巖石物理模型，并分析了其在實(shí)際工區(qū)的應(yīng)用。

1 理論基礎(chǔ)

當(dāng)孔隙介質(zhì)是由兩個(gè)孔隙相組合而成，每個(gè)孔隙相都可以用常規(guī)Gassman公式[2]單獨(dú)描述時(shí)，推廣的Gassman公式（Berryman和Milton,1999）描述出靜態(tài)或低頻流體填充孔隙介質(zhì)的有效體積模量，這是對(duì)常規(guī)Gassmann公式的改進(jìn)。常規(guī)Gassmann方程假設(shè)孔隙介質(zhì)是由單一的、統(tǒng)計(jì)均勻的孔隙構(gòu)成的，具有單一孔隙空間和單一固體礦物。像Gassmann公式一樣，推廣的Gassmann公式[2]與孔隙空間的幾何形態(tài)無關(guān)。該模型假設(shè)兩孔隙組成部分在接觸點(diǎn)處相連接并且充滿孔隙介質(zhì)的整個(gè)空間，而且他假設(shè)頻率足夠低使得粘性和慣性作用可忽略不計(jì)[2]，而且由應(yīng)力誘發(fā)的孔隙壓力在每個(gè)孔隙組分中是均勻的，盡管孔隙組分之間可能會(huì)不相同，但是當(dāng)巖石的巖性由主要有一種主成分構(gòu)成時(shí)，我們可以把孔隙壓力看作是均勻的。

其中，K是流體體積模量，常量有效固體的體積模量K和有效流體的體積模量K可由兩個(gè)構(gòu)成孔隙介質(zhì)的孔隙相的模量表示。產(chǎn)生這些結(jié)果的關(guān)鍵思想是，每當(dāng)兩個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，例如P和P，可以在只有兩個(gè)組分的線性混合中獨(dú)立地變化時(shí)，存在一個(gè)遞變比的特殊值p/，該值對(duì)應(yīng)于介質(zhì)的總體膨脹或收縮但沒有任何相對(duì)形狀的變化，這就保證存在一套一致的關(guān)系式，使得K和K可以用巖石的骨架模量和組分模量表示。

圖1 白云巖含量與縱橫波速度比關(guān)系圖（三條曲線表示孔隙度不同）

2 理論模型分析

碳酸鹽巖的彈性參數(shù)主要受巖石的礦物組分、孔隙度、流體性質(zhì)、溫度、壓力及其他影響地震波傳播的因數(shù)影響[3]。通常情況下，碳酸鹽巖的礦物組分主要是白云巖、灰?guī)r、泥巖及其過渡成分的組成。在碳酸鹽巖的礦物成分比較簡(jiǎn)單的情況下，地質(zhì)背景并不復(fù)雜的情況下主要受孔隙度和礦物組分的影響。

圖2 孔隙度與縱橫波速度比關(guān)系圖（三條曲線表示不同白云巖和灰?guī)r含量）

圖3 孔隙度與縱橫波速度比關(guān)系圖(表示孔隙縱橫比)

根據(jù)上述模型建立的彈性參數(shù)模型圖，一般情況下，碳酸鹽巖的比較致密，礦物由主要的一種或兩種礦物組成（如：白云巖、灰?guī)r和泥質(zhì)等）[4]，礦物含量表征彈性參數(shù)變化規(guī)律，然后在分析礦物孔隙的特征，進(jìn)而建立孔隙性特征到彈性參數(shù)的變化規(guī)律。由圖1可以看出，隨著白云巖含量的增加，縱橫波速度比減小而縱波阻抗逐漸增大。同一白云巖含量，孔隙度大的縱波阻抗較小，但是縱橫波速度比較大。這是由于橫波速度在巖石骨架中傳播，孔隙度對(duì)橫波速度的影響要比縱波速度的影響小的多，所以隨著孔隙度的增加，縱橫波速度比逐漸增大（圖2），而縱波阻抗之間逐漸減小，這是必然的。而相同孔隙度，白云巖含量較多的巖石縱橫波速度比小，縱波阻抗較大，這和白云巖的性質(zhì)有關(guān)[5]（白云巖的體積模量和剪切模量較大）。在孔隙度較小的情況下，縱橫波速比變化不是很大，在孔隙度下，縱橫波大速度比陡増。

碳酸鹽巖的孔隙系統(tǒng)遠(yuǎn)比碎屑巖的復(fù)雜，碎屑巖中的孔隙主要屬粒間孔隙類型，而碳酸鹽巖卻包含多種類型孔隙[5]，如印?？紫?、孔洞、粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙，且?guī)r石組分也存在差異。因此我們研究碳酸鹽巖的孔隙性要考慮巖石的孔隙結(jié)構(gòu)（孔隙大小，形狀，分布情況等），理論上相同孔隙度和礦物組分的情況下，圓形孔隙的彈性模量要比扁形或裂隙形空隙大（如圖3）。實(shí)際情況中，可分析具體礦物中較易形成的孔隙類型，探求碳酸鹽巖的巖石物理性質(zhì)。

圖4 工區(qū)測(cè)井綜合解釋圖

3 實(shí)例分析

四川盆地龍女寺地區(qū)為典型的碳酸鹽巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層的沉積類型為屬陸表海碳酸鹽臺(tái)地。礦物成分主要以白云巖，灰?guī)r為主，中間夾雜有少量的泥和砂。前期解釋的儲(chǔ)層巖性主要以殘余生屑白云巖、泥晶白云巖為主。巖石組合也比較多樣，孔隙度較低，并且多以巖溶縫洞型孔隙為主。由上述模型的巖石物理量版圖1可知道，白云巖含量大時(shí)彈性參數(shù)縱波阻抗大，縱橫波速比較小。由圖4可以看出，以灰?guī)r為主的地層比以白云巖為主的地層的縱橫波時(shí)差大，從而驗(yàn)證了Vp和Vs和白云巖含量在一定程度上有一定的相關(guān)性。

我們可以遵照理論模型圖，把縱橫波速度比和λ*ρ的交匯作為區(qū)分巖性的參數(shù)，圖5和圖6為研究區(qū)磨溪29井的這兩參數(shù)的交會(huì)圖。我們把礦物含量方解石在75%的作為灰?guī)r，白云石含量在75%以上的作為白云巖，剩下的作為泥巖處理。由圖5，可知白云巖和灰?guī)r用縱橫波速度比和λ*ρ的交匯可以很好的區(qū)分開來，而泥巖的縱橫波速度及λ*ρ都很小，并且泥巖和白云巖有部分重疊。本工區(qū)主要為白云巖儲(chǔ)層，白云巖儲(chǔ)層孔隙度的變化范圍在0~10%左右，如圖6所示，白云巖層孔隙度分布在0~10%之間，而白云巖含量低的地層孔隙度大多都在4%以下。

圖5 磨溪29井λ*ρ與縱橫波速度比交會(huì)圖

圖6 孔隙度與縱橫波速度比交會(huì)圖

由于碳酸鹽巖成巖過程的復(fù)雜性包括白云化、溶蝕、破裂、壓實(shí)作用[7]，還包括膠結(jié)、壓實(shí)和填充等成巖作用，導(dǎo)致碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在相同孔隙度的情況下，巖石的縱橫波速度也相差較大。所以要研究?jī)?chǔ)層的孔隙性，孔隙結(jié)構(gòu)的分析必不可少。碳酸鹽巖地層孔隙中常見的孔隙類型有晶間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、印?？?、溶孔、格狀孔以及裂縫等。其中，晶間孔與粒間孔的孔隙形狀一般不規(guī)則，粒內(nèi)孔常出現(xiàn)在單一顆?；蚱渌_放有機(jī)物骨架中，印模孔常由一些有機(jī)沉積物溶解形成，溶孔則由易溶解物質(zhì)形成，裂縫往往由外力差異（構(gòu)造應(yīng)力變化、孔洞坍塌、異?？紫秹毫ψ兓纫蛩兀┮?。這些孔隙類型中，印模孔、裂縫以及部分溶洞為次生孔隙。粒內(nèi)孔、印?？?、溶洞以及格狀孔受力不易變形，裂縫最容易變形。

圖7 孔隙縱橫比反演圖

我們用DEM模型[2]反演得到研究區(qū)29井的孔隙縱橫比，來表征孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證本模型對(duì)孔隙的實(shí)用性。根據(jù)圖7展示的孔隙縱橫比看出該井的值主要集中在0.2~0.3之間，粒間孔，裂縫比較發(fā)育。結(jié)合測(cè)井解釋圖84 640~4 090m（白云巖地層）的深度段的孔隙縱橫比要比4 600~4 630m（灰?guī)r地層）高，由于白云巖和灰?guī)r的礦物性質(zhì)不同，白云巖的脆性較大，易形成裂縫等孔隙縱橫比小的孔隙。這為我們研究碳酸鹽巖中礦物孔隙提供了一定的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石物理特征綜合分析，我們提出了碳酸鹽巖的彈性參數(shù)計(jì)算模型，本模型的計(jì)算與常規(guī)均勻介質(zhì)等效模型相比，應(yīng)用此模型分析碳酸鹽巖中不同孔隙相礦物組分對(duì)彈性參數(shù)的影響，研究碳酸鹽巖中白云巖孔隙性的對(duì)巖石物性的整體影響。從巖石礦物的角度分析了碳酸鹽巖的孔隙性特征。通過實(shí)際工區(qū)分析，本文方法有一定的實(shí)用性，為以后碳酸鹽巖巖石物理分析提供了新的思路。

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Study of the Method of Porosity Prediction for Carbonate Rock

LU Xiao-fei

(Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Wuhan 430071)

Conventional rock physical model or experimental model is difficult to accurately describe porosity structure and elastic parameters of the carbonate rock reservoir due to complicated texture, various porosity and strong heterogeneity. This paper has a discussion on the influence of different pore phase mineral components on the elastic parameters of carbonate rocks and the influence of the porosity of dolomite on physical property of the reservoir by the use of promotion of the Gassmann equation. The study results indicate that Gassmann's extension model has a high practical value.

carbonate rock; reservoir; porosity; rock physical model; prediction method

2018-05-21

魯小飛（1987-），河南駐馬店人，實(shí)習(xí)研究員，研究方向：地球物理學(xué)

P583

A

1006-0995（2019）01-0011-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.003