珠江口盆地东部碳酸盐岩品质因子测试与分析＊

汪瑞良 曾 驿 刘 军 袁立忠 曹 均 周小康

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司研究院; 2.成都理工大学信息工程学院)

岩石的矿物学状态(裂隙、孔隙率、流体含量)、孔隙流体压力与岩石围压等对岩石的地球物理特征有着重要的影响,测定岩石的地球物理特征,有助于对有关的岩性信息进行预测和解释。岩石品质因子(Q值)是重要的岩石地球物理特征之一。珠江口盆地东部中新统(埋藏深度1300～2200 m)发育大规模的碳酸盐岩沉积[1],利用成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的岩石物性参数测试系统(M TS)[2-3],对研究区一批碳酸盐岩样品进行了测试,在此基础上初步分析了研究区碳酸盐岩纵、横波品质因子的变化规律,不仅对研究区油气勘探具有重要意义,也为开展碳酸盐岩储层预测及含油气性检测方法研究提供了实验依据。

1 样品采集与加工

综合考虑研究区碳酸盐岩地质、地球物理特征确定了如下采样原则:①岩样必须具有代表性;②样品要尽量取自研究区不同的沉积相带,既要有礁相、滩相岩样,也要有泻湖相岩样;③为能与井资料进行对比分析,要确保在有横波测井数据的井中取到岩样;④岩样要有一定的孔隙度分布范围;⑤岩样类型要包括研究区不同类型的碳酸盐岩(如藻粘结岩、藻纹层灰岩、有孔虫藻屑灰岩、泥质藻粉屑灰岩、藻砾屑灰岩等)。所采集样品基本情况见表1。按照上述原则共取岩样22个,根据研究需要并考虑到目前实验的可操作性,分别对其中各7个岩样进行了饱水和饱油处理,其余为干样(饱空气)。孔隙水采用实验室蒸馏水样;孔隙油采用真空泵油,其平均密度为0.88 g/cm3,粘度为70 m Pa·s(接近研究区原油平均密度0.93 g/cm3,粘度80 m Pa·s)。

表1 珠江口盆地东部碳酸盐岩品质因子测试岩样基本情况统计表

2 实验室测试原理

已有研究成果表明,岩石物理状态变化引起的地震波的衰减比波速引起的衰减更大,特别是饱和条件和孔隙流体性质对衰减影响较大[4-7]。

2.1 地震波衰减系数及岩石品质因子

通常采用岩石品质因子 Q或倒数Q-1来表征波的衰减,品质因子Q与衰减系数α的关系为

式(1)中: f为频率;v为波速。

2.2 实验测量地震波衰减的方法

地震波衰减的精确测量不仅要利用波的到达时间,而且还要利用波的振幅信息,而地震波的振幅除受内禀阻尼的影响外,还受到波的几何发散、反射以及散射等多种因素的影响。本次实验采用“传播法”测量波在碳酸盐岩中的衰减,并通过“谱比法”求取Q值。

为了消除波的几何扩散的影响,仅测量对平面波振幅的衰减,即用测2个样(参考样和岩样)的方法来消除几何扩散等因素的影响。具体方法是选一个几何形状、直径、长度完全与岩样相同的参考样,测量超声波分别透过参考样和岩样的振幅谱。

参考样的振幅谱由下式表示:

岩样的振幅谱为

式(2)、(3)中:A为振幅;x为波传播的距离,如岩样长度;G(x)为几何扩散因子,包括反射和扩散等;α(f)为与频率有关的衰减系数,即所要测定的参数;其他符号意义同前。

对富氏振幅谱的比值两边取自然对数可得

当2个样品的几何形状、测试标准相同时,G1(x)和 G2(x)是与频率无关的比例因子,可由的最小二乘拟合直线的斜率求得(γ2-γ1)。实验测量选用中心频率为1 M Hz的超声波,参考样为铝样,其Q值大约为150000[8]。对于Q=10～100的岩石,γ1=0时引入的误差不会超过0.1%,可忽略[8],则可由下式计算出岩样的Q值:

式(5)中:k为拟合直线的斜率;v为样品速度;其他符号意义同前。

3 测试结果分析

3.1 品质因子与孔隙度、密度的关系

图1为研究区碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子与孔隙度的交会图,可以看出:岩样纵波品质因子整体上随孔隙度的增大而减小,但减小幅度具分段性,孔隙度小于10%时减小幅度较大,孔隙度增大于10%时减小幅度较小;而岩样横波品质因子随孔隙度的变化不很明显。因此,可利用纵波品质因子较好地识别研究区致密灰岩和孔隙灰岩。

图1 研究区碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子与孔隙度交会图

图2为研究区碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子与密度的交会图,可以看出:岩样纵波品质因子随密度的增大而增大,而岩样横波品质因子与密度的相关性不强。

整体上,由于研究区碳酸盐岩埋藏较浅,与我国塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储集层和川东北下三叠统飞仙关组鲕粒灰岩相比,其纵、横波品质因子偏低[9]。

图2 研究区碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子与密度交会图

3.2 品质因子与温度、压力的关系

图3 研究区部分灰岩岩样纵、横波品质因子与压力交会图

实验测试结果表明,在温度保持不变的情况下,研究区多数碳酸盐岩样品的纵、横波品质因子随压力(本文指有效压力,在实验室为轴压与围压之差)的增大呈增大趋势。图3示出了研究区部分灰岩岩样纵、横波品质因子与压力的关系。分析认为,压力影响颗粒边界的接触方式,当压力很低时,颗粒之间的裂隙较大,波从裂隙一侧传递到另一侧能量损失较大,相应的弹性波衰减较大;而在高压下,大部分微裂隙已经闭合,波从层理面的一侧传递到另一侧能量损失较小,因此弹性波衰减较小。统计本次实验结果表明,在压力从常压(1个大气压)变化到采样点地层压力时,研究区碳酸盐岩岩样有效压力的平均变化为15.14 M Pa,纵、横波品质因子分别增加4.41和 4.73,增加幅度分别为 43%和27%,变化幅度较大,而对应的纵、横波速度的变化幅度在10%以下[10],远小于纵、横波品质因子的变化幅度。

实验测试结果表明,在保持地层压力不变的状态下,研究区多数碳酸盐岩岩样的纵、横波品质因子随着温度的升高而减小。图4示出了地层压力状态下研究区部分灰岩岩样纵、横波品质因子与温度的关系,可以看出,岩样的纵、横波品质因子与温度之间存在着一定的线性关系。分析认为,在高温条件下 ,岩石内部容易发生脱水、熔融和相变,导致弹性波的衰减增大。统计本次实验结果表明,在温度从常温(地表温度)变化到地层温度时,研究区碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子分别减小4.75和7.39,降低幅度分别为22%和20%,变化幅度较大,而对应的纵、横波速度的变化仅为1%～3%[10],远小于纵、横波品质因子的变化幅度。

图4 研究区部分灰岩岩样纵、横波品质因子与温度交会图

对比温度、压力对岩样的纵、横波品质因子的影响,可见压力对Q值的影响是主要的,而温度的影响是次要的。

3.3 含不同流体岩样品质因子初步分析

研究区含不同流体岩样的纵、横波品质因子的测试结果(表2)表明,饱气(空气)、饱油、饱水岩样的平均纵波品质因子(Qp)分别为 5.30、9.29、10.51,说明岩样饱含气、油、水等不同流体时,纵波的衰减强弱表现为饱水＜饱油＜饱气(空气);相对于饱水岩样,饱油岩样的纵波品质因子减小幅度为12%;而饱气(空气)岩样的纵波品质因子减小幅度达到49.5%,研究区饱气(空气)、饱油、饱水岩样的平均横波品质因子(Qs)分别为 16.54、14.61、12.97,整体上看相差不大。

表2 研究区碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子统计表

4 结束语

通过对珠江口盆地碳酸盐岩岩样纵、横波品质因子的测试与分析,首次从实验室获得了研究区碳酸盐岩纵、横波品质因子(Q值)随孔隙度、密度、温度、压力变化的规律,对饱气(空气)、饱油、饱水等3组岩样的纵、横波品质因子统计分析表明:纵波品质因子的变化幅度较横波品质因子大;纵、横波品质因子的变化幅度明显大于纵、横波速度的变化幅度。

需要说明的是,本文数据均由实验室测得,所有数据经过严格的检查及核实。实验室选用的声波中心频率为1 M Hz,与实际地震波的频率有较大差异,其Q值结果会有一定的系统误差,但从测井分析的结果来看,其整体规律没有改变,我们认为其结果反映了研究区碳酸盐岩Q值的变化规律,对研究区碳酸盐岩的勘探开发具有指导意义。目前,在流花油田周边已尝试应用本套数据进行油气检测及储层预测,得到了较好的效果。

致谢:本项目得到成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的大力支持,特此感谢。

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