基于岩心测试的岩石物理参数敏感性分析*——以沙南凹陷古近系不同相带碎屑岩为例

彭 刚 周东红 张平平 周 星

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

基于岩心测试的岩石物理参数敏感性分析*
——以沙南凹陷古近系不同相带碎屑岩为例

彭 刚 周东红 张平平 周 星

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

古近系碎屑岩地震储层预测是渤海油田近年来面临的技术瓶颈，难点之一在于如何有效地区分储层与非储层。以渤海西部沙南凹陷已钻9口井16个井段的20个岩心样品为基础，对纵波速度、横波速度、密度、杨氏模量、体积模量、剪切模量、拉梅系数、泊松比、纵波阻抗、横波阻抗等10种岩石物理参数在不同层段和不同沉积亚相环境下的敏感性进行了定量分析，筛选出了能够区分优质储层的敏感参数组合。结果表明在大多数情况下，密度、纵波速度和纵波阻抗等叠后常规参数难以有效区分古近系储层与围岩，而表征岩石抗剪切变形能力的剪切模量、拉梅系数等岩石特征参数具有相当的区分度。研究区测井数据与岩心数据的分析结果具有较好的一致性，说明本文基于岩心测试的岩石物理参数敏感性分析是可行的，这将更好地促进叠前地震属性在渤海油田古近系碎屑岩地震储层预测中的应用。

岩心样品；沉积亚相；岩石物理参数；敏感性；碎屑岩储层；古近系；沙南凹陷

渤海海域在古近纪以来表现为断陷和坳陷叠置结构，其构造演化具有多幕裂陷、多旋回叠加、多成因机制复合的特征，形成了断隆和断凹相间的构造古地貌格局[1]。在此构造特征影响下，该区古近系具有多物源、近源沉积特点，沉积类型多样，横向变化快，埋深普遍较大，经历了较强的成岩作用，导致储层与围岩的岩石物理特征参数差异性小，储层相对围岩的地震响应特征不明显，用于区分优质储层的敏感参数难以确定。因此，古近系碎屑岩地震储层预测一直是渤海油田地震勘探中面临的一个技术瓶颈。

近年来，叠前地震属性已逐步应用于渤海油田古近系地震储层预测工作，但叠前地震属性在区分储层与围岩方面依然存在着较大的多解性和不确定性。首先，这与反演算法相关，由于实际地震勘探数据是不完全的、带限的，由这种不完整的并存在随机噪声的数据求取地下介质物性参数的变化，其数学表达式是不适定的病态方程[2]。另一方面，渤海油田地下岩石组分和地层结构的复杂性也导致了地震储层敏感参数的不确定性，如东营组和沙河街组地层中vp/vs等常用叠前地震属性依然存在较大程度的叠置，纵向上同一口井不同深度层段的砂、泥岩vp/vs属性区分性不明显，横向上油田内部同一层段的砂、泥岩vp/vs属性区分性也不一致，整体呈现出一种杂乱、无规律的趋势。

宏观地震响应特征受制于岩石微观物理特性，即岩石物理特征参数及其差异性[3-5]。针对渤海油田古近系地震储层预测难题，宏观地震储层预测应基于对微观岩石物理特征的精细认识，需要建立从微观岩石物理特征分析到地震响应机理研究，再到宏观地震响应特征研究的技术思路和手段。为了从机理上研究清楚渤海古近系碎屑岩储层与围岩在岩石特征参数上的差异，笔者在测井数据岩石物理分析的基础上，在渤海西部沙南凹陷开展了岩心参数试验室测试，通过模拟地层温压条件获得最直接的岩石特性参数，从根本上界定不同岩石类型的区分性，同时在数据分析环节中引入岩相分类因素，对沙南凹陷古近系不同层段和不同相带下的岩石物理特征参数区分性进行了定量分析。

1 岩心样品

作为一种直接测量的结果，测井数据会受到多种因素的干扰，存在一定的不确定性，从而影响岩石物理分析的准确性和精度。而岩心实验室测试则可以通过模拟地层温压条件获得最直接的岩石物理特征参数，从根本上界定不同岩石类型的区分性。传统的岩心参数实验室测试一般是以不同的岩性作为测试对比单元，比较典型的是进行砂、泥岩的对比测试。本次研究中，从实验室测试之前的岩样筛选到最终的数据分析都引入岩相分类因素。

研究区内共有取心井10口，共20个取心井段，在充分考虑岩相分类的基础上，对其中9口井的16个井段进行了20个岩心取样(表1)。本次试验主要采用四川大学的美国产MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统进行，测试过程中岩心样品2-1发生了崩解，故实际测试及分析的岩心样品为19块。取心原则考虑以下3个方面：①尽可能覆盖研究区内不同相带；②兼顾砂岩、泥岩及过渡岩性；③设置重复样进行对比测试。

表1 研究区岩心样品统计

注： “岩心编号”含义：A-B代表第A批取样的第B块样品。样品1-6与样品2-7位于同一口井的同一个取样深度，用于对比测试。

2 岩石物理参数敏感性分析

在模拟地层温压条件下，分干燥、饱水和饱油等3种状态对纵波速度、横波速度、密度、杨氏模量、体积模量、剪切模量、拉梅系数、泊松比、纵波阻抗、横波阻抗等10种属性[6]进行分析。根据沙南凹陷已钻井钻探情况和岩心样品分布，重点以沙一段、沙二段和沙三段等3个地层沉积单元为对比空间，定量分析了同一层段不同沉积相内部岩性变化对测试参数的影响及同一层段不同沉积相间测试参数的变化趋势。

2.1 沙一段

岩心样品1-2、2-2取自沙一段，分布相带为滨浅湖相。研究区沙一段岩心样品较少，但所处沉积环境和岩石性质均较单一，有利于进行对比分析。结合测试数据，得到了研究区沙一段储层与围岩岩石物理特征参数的差异性规律(图1、2)。从图1、2可以看出，沙一段滨浅湖相砂岩的抗剪切变形能力(主要由横波速度、横波阻抗、剪切模量和杨氏模量等4个参数反映)明显低于同一沉积环境下的泥岩，其中剪切模量差异性最大可达73%，其余3个参数差异性也在50%左右，均具有很好的区分性；该相带砂岩相对于泥岩样点具有很高的泊松比和拉梅系数，差异性也在50%左右，同样具有很好的区分性；该相带砂岩与泥岩在纵波速度、密度及纵波阻抗等常用岩石物理参数方面的区分性不佳，差异性均小于10%，其中纵波速度差异性只有2%、密度差异性只有6%，几乎为不可区分，这也解释了在实际工作中为什么用速度、密度及纵波阻抗均无法有效区分储层与非储层，即在本区沙一段滨浅湖相地层用叠后地震属性及叠前密度反演开展储层预测基本无效。

图1 研究区沙一段滨浅湖相地层岩石物理参数变化规律

图2 研究区沙一段滨浅湖相地层岩石物理参数差异性分析

2.2 沙二段

岩心样品1-6、2-5、1-4、2-6、2-11、2-3、2-4取自沙二段，分布相带主要有扇三角洲、辫状河三角洲前缘相和滨浅湖相等3种类型。研究区沙二段岩心样品所处沉积环境和岩石性质相对沙一段较为复杂，分析难度增大。

1) 扇三角洲前缘相。图3为研究区沙二段扇三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析结果，可以看出：沙二段扇三角洲前缘相地层中，砂泥岩的泊松比差异性大幅降低至13%，体积模量和拉梅系数差异性则显著增强至70%以上；在沙一段滨浅湖相地层中几乎没有区分性的纵波速度和纵波阻抗却在沙二段扇三角洲前缘相地层中展现出了较明显的差异，其中纵波阻抗的差异性超过了50%，说明在该相带地层中运用叠后波阻抗属性进行地震储层预测仍然具有可行性。另外，经常使用的密度参数在该相带的区分度仍然不佳，差异性约为20%。

图3 研究区沙二段扇三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析

2) 辫状河三角洲前缘相。图4为研究区沙二段辫状河三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析结果，可以看出：沙二段辫状河三角洲前缘相地层中，砂泥岩的体积模量和拉梅系数的差异性最大，达到40%～60%；而反映岩石抗剪切变形能力的横波速度、横波阻抗、剪切模量和杨氏模量的差异性则较沙一段滨浅湖相地层明显降低；纵波阻抗的差异性约为30%，泊松比及密度的差异性均约为20%，可区分性都较差。

3) 滨浅湖相。图5为研究区沙二段滨浅湖相地层岩石物理参数差异性分析结果。由于沙二段有1个岩心样品来自滨浅湖混合滩的过渡相，岩性不纯，因此该相带地层岩石物理参数差异性规律与沙一段滨浅湖相存在很大不同。从图5可以看出：在沙一段滨浅湖相地层中难以区分的体积模量却在沙二段滨浅湖相地层中与拉梅系数一起成为最具区分性的2个参数，差异性均为50%左右；而在沙一段滨浅湖相地层中差异性明显的泊松比却在沙二段滨浅湖相地层中仅为8%，几乎为不可区分；沙二段滨浅湖相地层中纵波阻抗的差异性强于沙一段滨浅湖相地层，与同一地层单元的辫状河三角洲前缘相地层相当，但弱于扇三角洲相地层，推测其在地震上的区分性会具有较强的不确定性。另外，密度在该相带的区分度仍然较差，差异性仅为15%。

图4 研究区沙二段辫状河三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析

图5 研究区沙二段滨浅湖相地层岩石物理参数差异性分析

总体来看，沙南凹陷沙二段不同相带储层与围岩的岩石参数差异仍然体现出了一定的宏观规律性：①拉梅系数和体积模量均具有较大的区分度，差异性稳定在50%左右。②泊松比的区分度均较小，不适宜作为区分参数。③叠后地震常用的纵波阻抗展现了相当的区分度，但差异性是从靠近物源的扇三角洲相到远离物源的滨浅湖相逐渐降低。④3种相带下密度均表现为低区分度。

2.3 沙三段

岩心样品1-1、1-3、2-8、2-9、2-10取自沙三段，分布相带为辫状河三角洲前缘相。图6为研究区沙三段辫状河三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析结果，可以看出：沙三段辫状河三角洲前缘相地层中横波速度、横波阻抗、剪切模量和杨氏模量的差异性趋势明显，从纯砂岩到砂泥岩互层存在明显的变化台阶，其中剪切模量差异性最大可达49%，具有很好的区分性;拉梅系数和体积模量这2个参数延续了沙二段地层的高区分度，差异性均接近50%；泊松比的差异性在20%左右，区分性不理想；纵波阻抗的差异性相对沙二段地层继续降低，但强于沙一段地层，在实际运用中会有较大的不确定性；密度则一如既往地表现为低区分度。

图6 研究区沙三段辫状河三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析

3 与测井资料对比

岩心试验室测试数据为第一手数据，数据可靠度高，但由于样点稀少，在规律性总结方面仍然存在不确定性。为了弥补这一缺陷，在得到基于岩心测试的岩石物理参数敏感属性分析结果之后，对研究区的所有30口已钻井数据，以沙一、沙二、沙三段为目的层，同样进行了岩石物理参数分析。图7为根据测井数据得到的研究区沙三段辫状河三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析结果，可以看出其总体趋势与岩心测试数据(图6)基本一致，说明本文基于岩心测试的岩石物理参数敏感性分析是可行的。

图7 研究区沙三段辫状河三角洲前缘相地层岩石物理参数差异性分析(来自测井数据)

4 结论

1) 以渤海西部沙南凹陷已钻9口井16个井段的20个岩心样品为基础，对纵波速度、横波速度、密度、杨氏模量、体积模量、剪切模量、拉梅系数、泊松比、纵波阻抗、横波阻抗等10种岩石物理参数在沙一段、沙二段及沙三段不同相带环境下的敏感性进行了定量分析，筛选出了能够区分优质储层的敏感参数组合，即在大多数情况下，密度、纵波速度和纵波阻抗等叠后常规参数难以有效区分研究区古近系储层与围岩，而表征岩石抗剪切变形能力的剪切模量、拉梅系数等岩石特征参数具有相当的区分度。

2) 研究区测井数据与岩心数据的分析结果具有较好的一致性，说明本文基于岩心测试的岩石物理参数敏感性分析是可行的，这将更好地促进叠前地震属性在渤海油田古近系碎屑岩地震储层预测中的应用。

[1] 李建平,周心怀,吕丁友．渤海海域古近系三角洲沉积体系分布与演化规律[J]．中国海上油气，2011,23(5)：293-298．

Li Jianping,Zhou Xinhuai,Lü Dingyou.Distribution and evolution of Paleogene delta systems in Bohai Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2011,23(5):293-298.

[2] 撒利明,杨午阳,姚逢昌,等．地震反演技术回顾与展望[J]．石油地球物理勘探，2015,50(1)：184-202．

Sa Liming,Yang Wuyang,Yao Fengchang,et al.Past,present,and future of geophysical inversion[J].Oil Geophysical Prospecting,2015,50(1):184-202.

[3] MAVKO G,MUKERJI T,DVORKIN J.The rock physics handbook:tools for seismic analysis in porous media[M].Cambridge:Cambridge University Press,1998.

[4] CASTAGNA J P,BATZLE M L,KAN T K.Rock physics:The link between rock properties and AVO response[R].SEG Technical Program Expanded Abstracts,1993,12:135-171.

[5] NUR A,MAVKO G,DVORKIN J,et al.Critical porosity:the key to relating physical properties to porosity in rocks[R].SEG Technical Program Expanded Abstracts,1995,14:878-881.

[6] LEE M W.A simple method of predicting S-wave velocity[J].Geophysics,2006,71(6):161-164.

(编辑：冯 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

彭刚，男，高级工程师，1998年毕业于原石油大学(华东)石油与天然气地质勘查专业，获学士学位，主要从事油气地球物理勘探研究工作。地址：天津市塘沽区609信箱(邮编：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”国家科技重大专项“渤海海域中深层油气田地震勘探技术(编号：2011ZX05023-005-001)”部分研究成果。

彭刚，周东红，张平平，等.基于岩心测试的岩石物理参数敏感性分析——以沙南凹陷古近系不同相带碎屑岩为例[J].中国海上油气，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.