碳酸盐岩孔隙性预测方法研究

鲁小飞



碳酸盐岩孔隙性预测方法研究

鲁小飞

（中国地震局地震研究所 中国地震局地震大地测量重点实验室，武汉 430071）

碳酸盐岩储层由于其结构复杂、孔隙性多样，储层非均质性强，常规岩石物理模型，或经验模型难以准确描述储层的孔隙性结构和弹性参数。用Gassmann方程的推广分析碳酸盐岩中不同孔隙相矿物组分对弹性参数的影响，研究碳酸盐岩中白云岩孔隙性的对岩石物性的整体影响，用理论模型分析实际工区。研究结果表明Gassmann的推广模型具有较高的实用性，可以为碳酸盐岩储层孔隙性预测提供一种新的思路。

碳酸盐岩；孔隙性；岩石物理模型；预测方法

碳酸盐岩通常由几种矿物组分构成其岩石基质，岩石中存在不同大小、形状、连通或非连通的孔隙，孔隙中往往充填着不同性质的物质（如流体或碎屑物），构成一种非均质性很强的复合介质，储层孔隙空间及孔隙结构十分复杂具有较强非均质性。储集空间既有孔隙也有裂缝，其中孔隙包括原生孔隙（如晶间微孔及粒间微孔隙）和次生孔隙（主要包括溶蚀孔、洞），裂缝包括微裂缝、构造缝和溶蚀缝等。由于碳酸盐岩性脆易溶，导致在不同的地区碳酸盐岩储层主要储集空间类型差异较大，有的以裂缝型为主、有的以溶孔洞型为主。因此,对碳酸盐岩储层评价需建立在对岩石孔隙系统的充分了解之上。

国内外许多研究已经证明碳酸盐岩中的孔隙系统对岩石的弹性性质影响较大。目前孔隙度预测方法太多，但主要分为两大类,一种是线性方法，主要采用经验公式用测井曲线对孔隙度进行线性或非线性拟合，这种方法适用于简单的地质条件。对于复杂的地质条件，许多研究者也提出了一些改进的关系式（如：Raymer等、Hamilton等、Han等、Kahraman等）。另一种是非线性方法，有人工神经网络[1]、数据组合处理方法、随机模拟[1]等多种方法。这类方法人工干预较小，不考虑实际岩石模型中的内在因素的影响，比如孔隙度大小，孔隙形状。因此结果分析中或多或少存在一定的问题。该研究根据碳酸盐岩孔隙性因素对岩石物理、弹性参数的影响分析，孔隙介质的孔隙相出发，建立了孔隙介质岩石物理模型，并分析了其在实际工区的应用。

1 理论基础

当孔隙介质是由两个孔隙相组合而成，每个孔隙相都可以用常规Gassman公式[2]单独描述时，推广的Gassman公式（Berryman和Milton,1999）描述出静态或低频流体填充孔隙介质的有效体积模量，这是对常规Gassmann公式的改进。常规Gassmann方程假设孔隙介质是由单一的、统计均匀的孔隙构成的，具有单一孔隙空间和单一固体矿物。像Gassmann公式一样，推广的Gassmann公式[2]与孔隙空间的几何形态无关。该模型假设两孔隙组成部分在接触点处相连接并且充满孔隙介质的整个空间，而且他假设频率足够低使得粘性和惯性作用可忽略不计[2]，而且由应力诱发的孔隙压力在每个孔隙组分中是均匀的，尽管孔隙组分之间可能会不相同，但是当岩石的岩性由主要有一种主成分构成时，我们可以把孔隙压力看作是均匀的。

其中，K是流体体积模量，常量有效固体的体积模量K和有效流体的体积模量K可由两个构成孔隙介质的孔隙相的模量表示。产生这些结果的关键思想是，每当两个标量场，例如P和P，可以在只有两个组分的线性混合中独立地变化时，存在一个递变比的特殊值p/，该值对应于介质的总体膨胀或收缩但没有任何相对形状的变化，这就保证存在一套一致的关系式，使得K和K可以用岩石的骨架模量和组分模量表示。

图1 白云岩含量与纵横波速度比关系图（三条曲线表示孔隙度不同）

2 理论模型分析

碳酸盐岩的弹性参数主要受岩石的矿物组分、孔隙度、流体性质、温度、压力及其他影响地震波传播的因数影响[3]。通常情况下，碳酸盐岩的矿物组分主要是白云岩、灰岩、泥岩及其过渡成分的组成。在碳酸盐岩的矿物成分比较简单的情况下，地质背景并不复杂的情况下主要受孔隙度和矿物组分的影响。

图2 孔隙度与纵横波速度比关系图（三条曲线表示不同白云岩和灰岩含量）

图3 孔隙度与纵横波速度比关系图(表示孔隙纵横比)

根据上述模型建立的弹性参数模型图，一般情况下，碳酸盐岩的比较致密，矿物由主要的一种或两种矿物组成（如：白云岩、灰岩和泥质等）[4]，矿物含量表征弹性参数变化规律，然后在分析矿物孔隙的特征，进而建立孔隙性特征到弹性参数的变化规律。由图1可以看出，随着白云岩含量的增加，纵横波速度比减小而纵波阻抗逐渐增大。同一白云岩含量，孔隙度大的纵波阻抗较小，但是纵横波速度比较大。这是由于横波速度在岩石骨架中传播，孔隙度对横波速度的影响要比纵波速度的影响小的多，所以随着孔隙度的增加，纵横波速度比逐渐增大（图2），而纵波阻抗之间逐渐减小，这是必然的。而相同孔隙度，白云岩含量较多的岩石纵横波速度比小，纵波阻抗较大，这和白云岩的性质有关[5]（白云岩的体积模量和剪切模量较大）。在孔隙度较小的情况下，纵横波速比变化不是很大，在孔隙度下，纵横波大速度比陡増。

碳酸盐岩的孔隙系统远比碎屑岩的复杂，碎屑岩中的孔隙主要属粒间孔隙类型，而碳酸盐岩却包含多种类型孔隙[5]，如印模孔隙、孔洞、粒间孔隙和粒内孔隙，且岩石组分也存在差异。因此我们研究碳酸盐岩的孔隙性要考虑岩石的孔隙结构（孔隙大小，形状，分布情况等），理论上相同孔隙度和矿物组分的情况下，圆形孔隙的弹性模量要比扁形或裂隙形空隙大（如图3）。实际情况中，可分析具体矿物中较易形成的孔隙类型，探求碳酸盐岩的岩石物理性质。

图4 工区测井综合解释图

3 实例分析

四川盆地龙女寺地区为典型的碳酸盐岩储层，储层的沉积类型为属陆表海碳酸盐台地。矿物成分主要以白云岩，灰岩为主，中间夹杂有少量的泥和砂。前期解释的储层岩性主要以残余生屑白云岩、泥晶白云岩为主。岩石组合也比较多样，孔隙度较低，并且多以岩溶缝洞型孔隙为主。由上述模型的岩石物理量版图1可知道，白云岩含量大时弹性参数纵波阻抗大，纵横波速比较小。由图4可以看出，以灰岩为主的地层比以白云岩为主的地层的纵横波时差大，从而验证了Vp和Vs和白云岩含量在一定程度上有一定的相关性。

我们可以遵照理论模型图，把纵横波速度比和λ*ρ的交汇作为区分岩性的参数，图5和图6为研究区磨溪29井的这两参数的交会图。我们把矿物含量方解石在75%的作为灰岩，白云石含量在75%以上的作为白云岩，剩下的作为泥岩处理。由图5，可知白云岩和灰岩用纵横波速度比和λ*ρ的交汇可以很好的区分开来，而泥岩的纵横波速度及λ*ρ都很小，并且泥岩和白云岩有部分重叠。本工区主要为白云岩储层，白云岩储层孔隙度的变化范围在0~10%左右，如图6所示，白云岩层孔隙度分布在0~10%之间，而白云岩含量低的地层孔隙度大多都在4%以下。

图5 磨溪29井λ*ρ与纵横波速度比交会图

图6 孔隙度与纵横波速度比交会图

由于碳酸盐岩成岩过程的复杂性包括白云化、溶蚀、破裂、压实作用[7]，还包括胶结、压实和填充等成岩作用，导致碳酸盐岩孔隙结构复杂，在相同孔隙度的情况下，岩石的纵横波速度也相差较大。所以要研究储层的孔隙性，孔隙结构的分析必不可少。碳酸盐岩地层孔隙中常见的孔隙类型有晶间孔、粒间孔、粒内孔、印模孔、溶孔、格状孔以及裂缝等。其中，晶间孔与粒间孔的孔隙形状一般不规则，粒内孔常出现在单一颗粒或其他开放有机物骨架中，印模孔常由一些有机沉积物溶解形成，溶孔则由易溶解物质形成，裂缝往往由外力差异（构造应力变化、孔洞坍塌、异常孔隙压力变化等因素）引起。这些孔隙类型中，印模孔、裂缝以及部分溶洞为次生孔隙。粒内孔、印模孔、溶洞以及格状孔受力不易变形，裂缝最容易变形。

图7 孔隙纵横比反演图

我们用DEM模型[2]反演得到研究区29井的孔隙纵横比，来表征孔隙结构，进一步验证本模型对孔隙的实用性。根据图7展示的孔隙纵横比看出该井的值主要集中在0.2~0.3之间，粒间孔，裂缝比较发育。结合测井解释图84 640~4 090m（白云岩地层）的深度段的孔隙纵横比要比4 600~4 630m（灰岩地层）高，由于白云岩和灰岩的矿物性质不同，白云岩的脆性较大，易形成裂缝等孔隙纵横比小的孔隙。这为我们研究碳酸盐岩中矿物孔隙提供了一定的现实依据。

4 结论与认识

通过对碳酸盐岩储层岩石物理特征综合分析，我们提出了碳酸盐岩的弹性参数计算模型，本模型的计算与常规均匀介质等效模型相比，应用此模型分析碳酸盐岩中不同孔隙相矿物组分对弹性参数的影响，研究碳酸盐岩中白云岩孔隙性的对岩石物性的整体影响。从岩石矿物的角度分析了碳酸盐岩的孔隙性特征。通过实际工区分析，本文方法有一定的实用性，为以后碳酸盐岩岩石物理分析提供了新的思路。

[1] 陈继华, 肖亮, 毛志强. 溶孔洞型含气碳酸盐岩储层孔隙度评价方法研究[J]. 石油天然气学报, 2011, 33(6): 92-97.

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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

鲁小飞（1987-），河南驻马店人，实习研究员，研究方向：地球物理学

P583

A

1006-0995（2019）01-0011-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.003