东濮凹陷岩石声学和弹性力学参数特性试验研究

郝加良，秦广胜，蔡启新 （中石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮阳457001）

东濮凹陷岩石声学和弹性力学参数特性试验研究

郝加良，秦广胜，蔡启新 （中石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮阳457001）

以东濮凹陷钻井取心岩样为例，在实验室模拟井下温压条件，研究了干岩样和孔隙充填流体岩石的声学特征，以含水饱和度20%为间隔，分别测量了纵波速度、横波速度、密度、泊松比、杨氏模量、弹性模量、切变模量、体积模量等8个岩石声学和岩石弹性力学参数，拟合了东濮凹陷1号样品在干岩样和100%含水时的压力与纵横波速度、纵横波速度比、泊松比及岩石弹性力学参数之间的关系，以及2号样品在油驱水过程中纵横波速度、波速比、泊松比及岩石弹性力学参数在不同压力和温度下随含水饱和度的变化规律，该拟合结果为东濮凹陷叠前弹性反演、岩性识别和流体检测等提供了可靠的基础数据。研究结果亦可为今后该地区的地质和地球物理特征研究提供岩石物理参考。

岩石物理；声学特征；速度；弹性参数；东濮凹陷

近年来岩石物理研究在国际上日益受到重视，通过实验室测量得到更多的岩石声学参数可以为地球物理反演提供最直接的约束。由于地下孔隙结构和充填物性质的差异，直接利用地震和声波测井资料研究复杂储层的声学特征越来越困难［1］。在地震波叠前反演中，加入泊松比等参数可以比单纯利用纵波或横波波速提供更强的约束［2］。Christensen［3］也发现在使用地震波数据反演岩石层结构时，单纯使用纵波速度与岩石矿物组成的关系来确定地下物质结构有很大的局限性，所以利用实验室测定的更多的弹性数据作为精确反演的约束显得十分重要。近年来国内外不少学者通过不同的岩石物理试验，得到了一些有意义的结论。Murphy等［4］研究了不同流体饱和度对岩石声学特性的影响；王东等［1］使用基于Biot空隙弹性理论的高阶交错网格有限差分法，对部分饱和孔隙岩石中声波传播特性进行过数值模拟；张元中等［5］对岩石样品进行了声频散的试验研究；刘斌等［2］研究了不同围压下岩石中泊松比的各向异性；史謌等［6］对部分岩石样品在不同压力及气、水状态下测试了岩石的纵、横波速度，利用回归分析法得出了纵、横波速度与孔隙度、泥质含量的线性相关性。地震和声波测井资料的结果都显示，由于不同地区的地质状况的不同，岩石声速、孔隙度、渗透率等参数没有统一的公式可以适用。因此通过实验室获取不同地区的岩石弹性波参数，对于该地区的地震反演、岩性识别和流体检测的研究显得更加重要。

1 试验研究样品概况

东濮凹陷是我国东部主要的生油和产油凹陷之一。关于东濮凹陷岩石声学和弹性力学参数特征的深入研究尚未见论文发表。为了研究东濮凹陷岩石纵横波速度、泊松比、弹性模量等参数随围压和温度的变化关系，该次研究选取了东濮凹陷2200～4400m层段产油层范围内岩石样品，在不同饱和度及不同温压条件下对岩石纵横波速度和各种岩石弹性力学参数进行了详细的实验室测试和分析，该研究成果为东濮凹陷油气田地震勘探、岩性识别、流体识别和地层划分提供了重要的岩石物性依据。限于篇幅，该次研究只给出了2块有代表性的细粉砂岩岩样 （1号样品和2号样品，见表1）的测试结果。

该次实验室测量的岩心取自于2220～4415m深度范围的产油层段，岩性主要为砂岩和细粉砂岩，部分样品情况见表1。

表1 部分岩心参数表

2 部分岩样试验结果

2.1 干岩样与完全饱和水岩样的岩石声学及岩石弹性力学参数特征

图1～4和图5～8分别给出了1号样品在干岩样和100%含水时的压力与纵横波速度、纵横波速度比、泊松比及岩石弹性力学参数之间的关系。测量中围压分别取0.3、5、10、15、20MPa。

图1 干岩样时纵横波速度与压力的关系曲线

图2 干岩样时纵横波速度比与压力的关系曲线

图3 干岩样时泊松比与压力的关系曲线

图4 干岩样时岩石弹性力学参数与压力的关系曲线

从图1～4可以看出，对于1号样品干岩样，纵横波速度、杨氏模量、剪切模量和体积模量随着压力的增大而增大。这是由于岩石样品中存在着不同类型和不同数量的孔隙，随着有效压力的增大，岩石中的微裂隙闭合，从而增加了岩石的速度和刚性即增加了弹性模量。纵横波速度比、泊松比则随着压力的增大，先增大然后减小。从图5～8可以看出，1号样品100%含水时，随着压力的增大，纵横波速度增加；纵横波速度比和泊松比均先增大然后减小；杨氏模量、剪切模量随着压力的增大而增大，体积模量随着压力的增大，先增大然后减小。干岩样与100%含水时相比，岩石声学特征变化基本相似，但是数值不同；对岩石弹性力学参数来说，干岩样的杨氏模量远大于剪切模量和体积模量，100%含水时杨氏模量和体积模量接近。

图5 100%含水时纵横波速度与压力的关系曲线

图6 100%含水时纵横波速度比与压力的关系曲线

图7 100%含水时泊松比与压力的关系曲线

图8 100%含水时岩石弹性力学参数与压力的关系曲线

2.2 油驱水过程中不同饱和度下的岩石声学及岩石弹性力学参数特征

图9 ～20详细给出了2号样品在油驱水过程中纵横波速度、波速比、泊松比及岩石弹性力学参数在不同压力和温度下随含水饱和度的变化规律。测量中围压分别取0.3、5、10、15、20MPa，温度分别取30、45、60、75、90℃。

图9 不同围压下纵横波速度与含水饱和度的关系曲线

图10 不同围压下纵横波速度比与含水饱和度的关系曲线

图11 不同围压下泊松比与含水饱和度的关系曲线

图12 不同围压下杨氏模量与含水饱和度的关系曲线

图13 不同围压下剪切模量与含水饱和度的关系曲线

图14 不同围压下体积模量与含水饱和度的关系曲线

图15 不同温度下纵横波速度与含水饱和度的关系曲线

图16 不同温度下纵横波速度比与含水饱和度的关系曲线

从图9～20中可以看出，在不同含水饱和度下，随着压力的增加，岩石的纵横波速度增加；随着温度的增加，岩石的纵横波速度减小，这是因为岩石由固体骨架和孔隙流体组成，孔隙流体主要为碳氢化合物和水，温度不但对固体骨架有影响，对孔隙中的碳氢化合物和水有着更强烈的影响，故随着温度的升高，岩石的声速降低；随着含水饱和度的增加，纵波速度有所增加，而横波速度基本保持不变，横波受孔隙流体的影响较小；岩石的纵横波速度比及岩石弹性力学参数有所增加，但增加的幅度不是很大。

图17 不同温度下泊松比与含水饱和度的关系曲线

图18 不同温度下杨氏模量与含水饱和度的关系曲线

图19 不同温度下剪切模量与含水饱和度的关系曲线

图20 不同温度下体积模量与含水饱和度的关系曲线

3 讨论及结论

以东濮凹陷钻井取心样品为例，研究了不同孔隙饱和度、不同压力、不同温度条件下的岩石声波及岩石弹性力学参数特征。对于岩石介质来说，岩石骨架的矿物成分、胶结程度、孔隙的尺度大小和分布特征、孔隙流体特性及孔隙流体的分布特征、骨架与孔隙流体的耦合作用、化学反应等，对岩石纵横波速度和弹性力学参数都有很大的影响。岩石中微裂隙的变化影响着岩石的力学特性，也改变着岩石介质中弹性波的传播速度。岩石在受压过程中，岩石中的裂纹产生闭合，从而影响速度的变化。随着温度的升高，岩石内部矿物热膨胀，岩石流体的弹性模量和剪切模量也发生改变，从而导致波速降低。此外，随着温度升高，岩石颗粒边缘的裂隙张开，岩石含水矿物脱水、岩石膨胀，从而导致波速降低。

1）不论纵波还是横波，随着压力的增加，其波速升高，岩石的弹性力学参数也随之发生变化。

2）不论纵波还是横波，随着温度的升高，其波速总体趋势降低，岩石的弹性力学参数也随之发生变化。

3）与干岩样相比，100%含水岩石的纵波速度增加较多，横波速度增加不明显。

4）孔隙流体对纵波影响较大，而对横波影响较小。

5）通过对比分析可以看出，压力对纵横波速度和岩石弹性力学参数的影响最大，而且规律性最强，温度对声速和岩石弹性力学参数的影响较小。

6）孔隙流体特性的变化，既影响岩石的弹性模量，又与岩石的密度有关，因此孔隙流体特性的变化对纵横波速度的影响比较复杂，并不是单一的影响关系。孔隙流体对剪切模量的影响较小，因此，对横波的影响也较小。

［1］王东，张海澜，王秀明.部分饱和裂隙岩石中声波传播数值研究 ［J］.地球物理学报，2006，49（2）：524～532.

［2］刘斌，席道瑛，葛宁洁.不同围压下岩石中泊松比的各向异性 ［J］.地球物理学报，2002，45（2）：880～890.

［3］Christensen N I.Poission＇s ratio and crustal seismology ［J］.J Geophy Res，1996，101：3139～3156.

［4］Murphy W F，Winkler K W，KleInberg R L.Acoustic relaxation in sediment rocks：Dependence on grain contacts and fluid saturation［J］.Geophysics，1986，51：757～766.

［5］张元中，楚泽涵，李铭，等，岩石声频散的试验研究及声波速度的外推 ［J］.地球物理学报，2001，44（1）：103～111.

［6］史謌，杨东全.岩石波速和孔隙度、泥质含量之间的关系研究 ［J］.北京大学学报 （自然科学版），2001，37（3）：379～384.

Experimental Study on Acoustic and Elastic Parameter Characteristics of Rock Samples in Dongpu Depression

HAO Jia－liang，QIN Guang－sheng，CAI Qi－xin（Authors'Address：The Geophysical Exploration Research Institute of Zhongyuan Oilfield，SINOPEC，Puyang457001，Henan，China）

By taking the drilling core samples from Dongpu Depression for examples，the acoustic characteristics of dried rock samples and rocks filled with porous fluid were measured at the conditions of simulated well temperature and pressure in the laboratory.Eight acoustic and elastic parameters such as the pressure and shear wave velocity，density，Poission's ratio，Yang's modulus，elastic modulus，shear modulus as well as bulk modulus of the sandstone were measured at the interval of 20%water saturation.The relationship of the pressure with P and S wave velocity，theVp/Vsratio，Poission's ratio as well as the elastic parameter is fitted for No.1sample.The relationship of the P and S wave velocity，theVp/Vsratio，Poission's ratio and elastic parameters of rocks under different conditions of pressure and temperature changing with water saturation are fitted for No.2sample during water－oil displacement.The result provides fundamental data for the pre－stack seismic inversion，lithology identification and fluid detection for Dongpu Depression.The results also provide petrophysical evidence for the future geological and geophysical research in the area.

rock physics；acoustic characteristics；velocity；elastic parameter；Dongpu Depression

TE122.23

A

1000－9752 （2012）02－0057－05

2011－12－08

郝佳良 （1963－），男，1986年华东石油学院毕业，高级工程师，现主要从事地震地质综合研究工作。

［编辑］ 龙 舟