徐家围子断陷营城组火山岩岩性、储层岩石物理弹性参数特征分析

戴 世 立

(中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712)

1 概况

徐家围子断陷下白垩统营城组是重要的目的层，已有近百口探井获工业气流或气显示，展示该地区火山岩地层具有良好的天然气储集性能[1-3]。火山岩储层及油气藏的识别是火山岩油气勘探的首要任务，主要方法是井震结合进行叠前和叠后地震预测[4]，而岩石物理分析是实现岩性、储层地震预测的理论依据。长期以来关于沉积岩岩石物理的研究成果较多、较为成熟，而对火山岩气藏的研究比较薄弱，特别是在火山岩岩石物理方面。本文通过火山岩岩石样品的测试分析，研究不同岩性样品在干、饱含气和饱含水状态下vP和vS等弹性参数的关系，为横波预测提供理论依据； 研究不同岩性含不同流体时弹性参数的变化规律，以此指导测井岩石物理分析，优选出岩性、储层及气层的敏感弹性参数。

徐家围子断陷营城组火山岩岩石类型多样，岩性较为齐全。按照“国际地科联火成岩分类学分委会”推荐的火山岩岩性分类方法[5]，徐家围子地区火山岩的岩性可划分为47种之多[6，7]，而从火山岩的地球物理参数分析来看，有些岩性，如玻屑凝灰岩和晶屑凝灰岩之间并没有明显的声学特征差异，从火山机构的地球物理数字化来看，可以把相态类似、特征相近的岩性进行合并归类。对徐家围子断陷营城组138口井钻遇火山岩的862个井段和72个取心段的岩性，进行了统计分析，将岩性归总为15类[8，9](图1)，建立深层不同火山岩的声波(密度)测井响应数值变化动态范围，并统计同一岩性出现的概率。本次研究主要针对出现概率较大的岩性，包括：流纹岩、凝灰岩、火山角砾岩、粗面岩、玄武岩、英安岩、安山岩以及沉积岩夹层等，并对其进行岩石物理分析研究。

图1 徐家围子断陷营城组火山岩类别划分及出现概率

2 火山岩实验室岩石物理参数测试

选取徐家围子断陷38口典型井的取心资料进行测试分析，岩石样品包含酸性岩、中基性岩和基性岩等主要火山岩类型，每种类型按照试气结果分为干层、差气层、气层和水层四种类型储层，完成了105块、共664组数据的测量与计算，确保岩石物理分析结果具有普遍规律和代表性。

样品规格为2.5cm(直径)×3cm(长度)，首先测定圆柱形样品的直径和高度，计算其体积，测定干岩样的质量，然后计算得到岩样的密度。密度测量相对误差为质量测量相对误差与体积测量相对误差之和。质量测量理论精度为0.001g，本次样品质量一般大于10g(多在20g以上)，则质量测量误差远小于0.1%；样品长度的理论测量精度为0.01mm，对于长度为30mm的样品，其长度测量的相对误差小于0.04%，体积测量误差约为长度测量误差的3倍，则体积测量相对误差小于0.12%。因此，密度测量相对误差小于0.22%。

采用超声脉冲透射法进行岩石纵、横波速度测定，该系统具有温度、压力、孔隙流体压力、流体饱和度独立控制功能。最高温度可达150℃，温度加热采用高压容器内加热方式，尽可能使高压容器内温度场比较均匀，温度控制精度为1℃；最大压力可达150MPa，最大孔隙压力可达40MPa(气体压力最大为30MPa)，压力测定使用高精度压力传感，传感器使用前用0.4级的精密压力表标定，分辨率为0.1MPa。按照误差传递理论，波速测量相对误差为长度测量相对误差、到时测量相对误差和系统基时测量相对误差的总和。本系统测量的波速相对误差小于0.54%。

通过测量火山岩岩石样品在干、饱含气和饱含水状态下的纵波速度、横波速度、密度及衰减因子等数据，计算各种弹性参数，总结不同状态下岩石的敏感参数差异，为岩石物理解释量板的建立提供依据。对比来自两口井(SHS10井和XS10井)的测试数据(vP、vS和ρ)与测井数据(图2、图3)，结果较吻合。

图2 SHS10井岩心测试和测井数据

图3 XS10井岩心测试和测井数据 蓝色圆点为样品饱水测试数据，红色圆点为样品饱气测试数据

纵、横波速度是连接岩石物理性质与地震波勘探的桥梁,通过纵、横波速度的研究,可以对储层的流体性质进行分析识别。以安山岩为例(图4)，随着含气饱和度的增加(这里含气饱和度与含水饱和度之和是100%)，岩石的vP非线性减小，在接近饱和气段，变化相对缓慢，而在接近饱和水段(低含气饱和度)时，vP变化相对更快；从图5可以看出，随着含气饱和度增加，vS缓慢增加，但总体上变化不大，即vS对含气饱和度变化不敏感。这主要是由于岩石的vS对流体不敏感，图5中随着含气饱和度的增加，vS总的变化幅值仅为23m/s。根据文献[10]，对比多井不同孔隙度时纵、横波速度的变化，认为vS对流体的变化不敏感，而vP对流体性质的变化较敏感。本文基于实验室测试的vP和vS数据，拟合不同火山岩岩性的vP-vS关系，为vS曲线预测岩性奠定基础。

图4 安山岩不同含气饱和度时vP测试结果

图5 安山岩不同含气饱和度时vS测试结果

3 火山岩vS曲线预测

随着油田勘探开发的深入,复杂火山岩岩性储层的描述、识别成为目前地震勘探的主要任务,在储层岩性及孔隙介质识别过程中,通过增加横波速度和弹性参数,可以有效地提高储层的识别精度。由于横波测井数据较少，横波曲线预测工作显得尤为重要，其结果会直接影响岩石物理分析和叠前地震预测结果的可靠性。沉积岩地层横波预测方法比较成熟，常用的Xu-White模型结合Gassmann方程和Kuster -Toksöz模型及差分等效介质理论(DEM)[11-13],这是一种利用孔隙度和泥质含量估算泥质砂岩纵波和横波速度的方法。Xu-White模型假设岩石骨架矿物主要由砂和泥组成,并采用椭圆形纵—横直径比(扁度)来描述孔隙形状。火山岩岩性种类较多，非均质性很强，因此无法直接借鉴已有的沉积岩经验公式；火山岩孔隙结构模型设计较为困难，对于不同火山机构，即使岩性相同，其孔隙结构模型也可能不尽相同，致使火山岩地层横波预测难度大。对比火山岩不同岩性时的vP-vS拟合关系式与沉积岩经验公式(Han公式和Castagna公式)，发现它们之间的拟合曲线斜率差别较大，且火山岩不同岩性时vP-vS拟合关系式差别也很大。

利用不同岩性岩石样品在干、饱含气和饱含水状态下vP、vS、密度及衰减因子等测试数据，拟合在三种状态下vP-vS关系式，逐井按照不同岩性、不同流体逐层段进行关系式拟合(图6、图7)，保证了横波预测的可靠性。以XS141井为例，该井主要含玄武岩和凝灰岩，图8a为基于玄武岩和凝灰岩共同拟合vP-vS关系式的结果，可见vP与vS的线性关系较差，图8b为单独针对凝灰岩的拟合结果，图8c为单独针对玄武岩的拟合结果，可见分岩性时拟合的vP-vS关系式线性关系明显提高，这有利于更好地开展测井岩石物理分析。

图6 火山熔岩类vP-vS关系拟合图

图7 火山碎屑岩类vP-vS关系拟合图

图8 XS141井vP-vS关系拟合结果 (a)玄武岩和凝灰岩; (b)凝灰岩; (c)玄武岩

4 火山岩岩性识别

目前利用地震反射特性的差异性可以识别火山机构体，但要区分不同的火山岩岩性还有很大的困难和不确定性，且火山岩地层常常发育沉积岩夹层，这都给火山岩岩性预测和储层预测增加了难度。戴世立等[14]利用常规测井资料从速度、放射性、导电性等方面对火山岩的性质(酸性、中性、基性)进行判别； 黄薇等[15]、 李明等[16]和綦敦科等[17]研究认为火山岩的岩性变化趋势具有一定规律性：岩性由基性过渡到酸性，放射性逐渐增强，自然伽马值逐渐增高； 王玲等[18]认为火山岩从基性到酸性,自然伽马值逐渐增大而电阻率值逐渐减小,因此利用自然伽马和电阻率测井曲线的交会,可以定性地区分基性、中性和酸性火山岩。一般利用一种或两种测井资料难以区分火山岩的岩性,特别是矿物组分相同的火山岩，对于成分相同而结构不同的酸性火山岩,只能借助于FMI成像测井判别火山岩的岩石类型。

通过系统的岩石物理分析，13种弹性参数两两交会分析，逐步筛选出不同岩性所敏感的弹性参数，直到不能区分为止，把具有相同弹性参数特征的作为一个岩性组，实现对火山岩复杂岩性的有效分组。研究表明，泥岩具有明显的低vS特征(图9)，利用vS可以识别泥岩；剩下的岩性中玄武岩具有高密度的特征，利用密度可以识别玄武岩(图10)；利用拉梅系数把剩下的岩性分为两组(图11)，即安山岩组(安山岩、粗面岩)和流纹岩组(流纹岩、凝灰岩、砂砾岩、火山角砾岩)。该方法现实了对复杂火山岩岩性的区分，为不同岩性的储层预测奠定了基础。

图9 基于vS区分泥岩结果

图10 基于密度区分玄武岩结果

图11 基于拉梅系数区分安山岩组和流纹岩组结果

5 火山岩不同岩性储层的识别

火山岩储层地震预测结果取决于它们所表现出的弹性参数特性差异的大小，只有当相互间存在明显的差异，这种检测才具有可行性。储层测井参数识别必须从已知井出发,根据已钻遇井的测井地球物理响应特征结合试气结果确定门槛值,建立储层的判别标准。不同岩性的火山岩储层判别标准不同，对于储层敏感参数选取和参数下限值的确定尤为重要，这也是储层预测的关键所在。郑亚斌等[19]认为密度对火山岩储层最为敏感，一般情况下储层密度值大于2.10g/cm3且小于2.53g/cm3；綦敦科等[20]认为徐家围子地区深层火山岩储层集中于流纹岩、安山岩两类熔岩中，前者在有效厚度内的密度值小于2.47g/cm3、后者在有效厚度内的密度值小于2.63g/cm3。

基于弹性参数把复杂火山岩岩性分为四个岩性组：泥岩组、玄武岩、流纹岩组及安山岩组，对不同岩性组分别进行储层和干层有效弹性参数的优选，通过多种弹性参数交会分析认为，同一岩性组内不同岩性的火山岩储层具有相同的储层敏感参数，储层都表现出低密度的特征，且不同岩性组具有不同的门槛值。玄武岩储层的密度小于2.74g/cm3，流纹岩组储层的密度小于2.57g/cm3，安山岩组储层的密度小于2.55g/cm3，因此即使不能区分同一组内的每种岩性，却仍能较好地识别储层(图12)。

火山岩油气识别是火山岩油气勘探的最终目标，在不同岩性组储层区分的基础上，优选气层和水层所敏感的弹性参数。研究认为泊松比对气层和水层最敏感，气层表现出低泊松比特征(图13)，其中，玄武岩气层泊松比小于0.29，流纹岩组气层的泊松比小于0.23，安山岩组气层的泊松比小于0.25。

图12 火山岩不同岩性有效储层识别结果 (a)玄武岩； (b)流纹岩组； (c)安山岩组；图中蓝色虚线为储层门槛值

图13 火山岩不同岩性气层识别结果 (a)玄武岩; (b)安山岩组; (c)流纹岩组 图中蓝色虚线为含气层的门槛值

6 结论

(1)本文采用超声脉冲透射测量系统，模拟地层温度和压力条件，对松辽盆地北部四个断陷105块岩性样品进行测试，共获得664组数据。通过误差分析，波速测量误差小于0.67%，密度测量误差小于0.22%，确保基于实验数据的拟合关系式可以准确地预测横波速度曲线。

(2)基于横波速度、密度、拉梅系数三个参数把营城组地层岩性划分为四个岩性组：泥岩、玄武岩组(玄武岩、玄武安山岩)、安山岩组(安山岩、粗面岩)和流纹岩组(流纹岩、凝灰岩、砂砾岩、火山角砾岩)。

(3)同一岩性组内不同岩性的火山岩储层和气层具有相同的敏感参数，储层具有低密度的特征，应用密度能较好地识别储层；气层相对水层显示出低泊松比的特征，因此可以利用泊松比辨别气层与水层。

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