超深层碳酸盐岩储层地震岩石物理特征和模型表征

赵峦啸， 麻纪强， 李珂瑊， 朱津琬， 高志前，何治亮， 耿建华*

1 同济大学海洋地质国家重点实验室， 上海 200092 2 同济大学海洋与地球科学学院， 上海 200092 3 中国地质大学(北京)能源学院， 北京 100083 4 中国石油化工股份有限公司， 北京 100728

0 引言

地震岩石物理主要通过理解岩石和流体的弹性性质来搭建地质特征和地球物理数据之间的桥梁.刻画深层碳酸盐岩储层的地震岩石物理特征可以为面向深储层的地震成像、速度建模、定量地震解释、优质储层预测和流体识别提供重要的物理机理认识和约束(Wang，2001；Zhao et al.，2014).因而，揭示深层碳酸盐岩储层的地震岩石物理响应机理对当前国家能源安全战略中的深层-超深层油气资源勘探开发具有重要的应用价值, 例如为我国四川盆地和塔里木盆地深层碳酸盐岩储层的地震预测提供技术支撑(何治亮等，2021；马永生等，2022)；也对当前 “向地球深部进军”相关前沿地球科学难题具有重要启示意义，例如深层CO2封存地震监测(郝艳军和杨顶辉，2012；李琦等，2013)、地热能源勘探开发(曾昭发等，2012；陈昌昕等，2020)、深层储气库选址等问题都需要理解和刻画深储层地震岩石物理特征(丁国生等，2015; Zhang et al., 2019).

碳酸盐岩储层约占了全世界常规储层的一半以上，因而过去几十年间，很多学者对碳酸盐岩储层的弹性性质及其主控因素做了较为系统的研究(Rafavich et al.，1984；Anselmetti and Eberli, 1999; Kenter et al.，2002；Baechle et al.，2005；Verwer et al.，2008；Weger et al.，2009；Fournier et al.，2018).但这些碳酸盐岩储层主要集中在浅层-中浅层(一般小于4000 m)，一般孔隙度较高.这些多孔碳酸盐岩的弹性波速度一般认为主要与孔隙度(Rafavich et al.，1984；Assefa et al.，2003)、复杂的孔隙结构(Baechle et al.，2007；Zhao et al.，2013；Teill et al.，2021)、胶结成岩程度(Eberli et al.，2003)、泥晶质含量(El Husseiny and Vanorio,2015)、流体类别(Adam et al.，2006)等密切相关.

相对来说，关于深层-超深层(大于6000 m)碳酸盐岩储层地震岩石物理性质的研究则很少.一般来说，深层古老碳酸盐岩储层经过了漫长的地质年代和复杂的地质过程，原生孔隙在强烈的压实和胶结作用下大量丧失，成岩作用主导了岩石的物理性质.深层碳酸盐岩储层也呈现多因素联合控制、多阶段联合成因的特点(焦方正，2018；马永生等，2022).此外，由于深储层的埋深很深，大多数面临着高温高压、应力场复杂、异常孔隙压力的物理环境(马永生等，2022).在这些特殊的地质和物理环境下，碳酸盐岩的岩石骨架、孔隙结构、流体属性等都将发生系统的变化，其地震岩石物理响应也将呈现不一样的特征.

Pan等(2015)对塔中碳酸盐岩储层样品的弹性特征与反映孔隙结构的孔隙比表面、孔隙纵横比、孔隙圆度等参数的映射关系进行了研究，并指出相对高速样品具有低孔隙比表面和高孔隙纵横比的特征.王向荣等(2020)对塔里木盆地古城与哈拉哈塘地区碳酸盐岩储层样品进行了超声波与地震频段的速度测量，并分析其与孔隙结构和物性参数的关系.李闯等(2020)和龙腾等(2020)对致密碳酸盐岩的频散和衰减性质开展跨频段测量和分析，并对其波致流体流动的频散机理以及与复杂孔隙结构的关系进行了探讨.这些样品大多数都是7000 m以下获取的岩心，而针对超过7000 m以上超深层深度岩心样品的岩石物理测试和研究仍然不够系统.此外，深储层地震各向异性特征及其响应机理对于深储层的速度建模、地震成像、裂缝探测都具有重要意义，而目前大部分深储层岩石物理试验测试主要聚焦于不同频段的弹性波速度，缺乏对其各向异性特征的刻画，影响地震各向异性特征的物理机理和地质因素仍然有待厘清.

另外一个对深层碳酸盐岩储层地震岩石物理特征影响较大但鲜有深入研究的是深层流体的弹性性质，一方面深层油气在高温高压环境下的弹性响应与浅层有较大差异(Han and Batzle, 2006)；另外一方面，对于塔里木盆地的断控储集体来说，各个储集体的孔隙压力差异很大，且各油藏的气油比(GOR)差别很大(窦莲等，2015；马永生等，2022)，因此明确地震弹性响应特征与深层油气藏的孔隙压力和气油比的关系，对于储量评估和勘探开发方案优选都具有重要意义.本文通过细究深层油气在不同孔隙压力、含有不同气油比条件下的弹性响应特征，探讨其对深储层地震岩石物理特征的影响，为深储层的流体识别、储层压力预测等提供物理基础.

碳酸盐岩储层的岩石物理模型大多数是利用基于包体的等效介质理论(如微分等效介质模型)来刻画复杂孔隙结构对弹性特征的影响(Kumar and Han，2005；Xu and Payne, 2009; Zhao et al.，2013；Fournier et al.，2018；李宏兵等，2019).该模型的基本假设是溶蚀孔洞、铸模孔等具有较高的纵横比；粒间孔隙、晶间孔隙等一般可以看成是背景基质孔隙，具有中等的纵横比；而微裂隙等一般具有很低的纵横比.该模型一般适用于描述较高和中等孔隙度的碳酸盐岩储层弹性响应.而关于深层致密碳酸盐岩储层的岩石物理建模应该充分考虑深储层的地质特征，并依据实验数据揭示的地震岩石物理响应机理和主控因素来展开.

本文针对塔里木盆地深层-超深层碳酸盐岩储层的钻井样品(绝大多数超过7000 m)较为系统的开展了岩石物理实验，对其弹性波速度和各向异性进行了测量，旨在厘清深层-超深层碳酸盐岩储层地震岩石物理特征的主控因素，标定深层油气流体在不同孔隙压力和气油比条件下的弹性响应特征，建立深层碳酸盐岩储层地震岩石物理模型，为深层碳酸盐岩储层的地球物理表征、储层预测奠定基础.

1 样品特征和测试方法

1.1 深储层样品基本物理特征

本文用于岩石物理实验的36块样品主要来自塔里木盆地中位于顺托果勒低隆、塔东隆起的跃进、顺南、顺北的深井，其中80%样品的深度超过7000 m.研究区深层碳酸盐岩储层主要为奥陶系中、下统的一间房组和鹰山组，储层发育主要受“断溶”控制，因而破碎带既是深储层油气储集场所，又是油气运移通道(焦方正，2018；李海英等，2020).

图1展示了基于XRD(X射线衍射)分析得到的部分深层碳酸盐岩样本平均矿物组分饼状图，可以看到这一批碳酸盐岩样品的碳酸钙含量达到了97%，其他的少数类矿物包括白云石、石英和黏土.图2展示了部分深层碳酸盐岩储层的样品照片和铸体薄片图.可以清楚的看到，岩石整体非常致密，原生孔隙在强烈的压实和胶结作用下基本消失，主要孔隙空间为微裂隙.这些微裂隙的形成主要与构造活动、压溶作用有关，对深层流体的疏导也起到了重要作用.图3展示了深层碳酸盐岩孔隙度与渗透率交会图，绝大部分样本渗透率都小于10-16m2且孔隙度都小于3%，由此可见低孔低渗是该区深层碳酸盐岩储层的主要特征.部分渗透率高于10-16m2的样品可能主要与微裂缝的发育有关系.

图1 基于XRD分析得到的深层碳酸盐岩样品的平均矿物组分图

图2 深层碳酸盐岩储层岩心照片(a)和样品的铸体薄片图(d—e)

图3 深层碳酸盐岩测试样品的孔隙度与渗透率交会图

1.2 实验测试系统和方法

图4 高温高压条件下岩石弹性波速度和各向异性测量系统示意图

(1)

(2)

(3)

(4)

-C44)]0.5-C44,

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，ρ代表岩石密度，C11，C33，C44，C66，C13为TI介质的5个独立弹性刚度系数，ε，γ，δ为描述TI介质的Thomsen各向异性参数(Thomsen, 1986).其中ε代表纵波各向异性强度，γ代表横波各向异性强度，δ代表P和SV波耦合并与地震数据处理密切相关的各向异性参数.

样品在测试之前首先经过了70 ℃ 72小时的烘干，然后分别测试其在干燥与水饱和条件下的弹性波速度.需要指出的是，由于深层碳酸盐岩储层样品非常致密，因此很难在测试过程中注入流体并维持很高的孔压.因此我们先使用加压饱和仪对样品进行水饱和，然后在测试样品弹性波速度时维持大约5 MPa左右的孔压以控制其水饱和状态与样品的闭合边界条件.

2 弹性各向异性测量结果和分析

2.1 弹性波速度随压力变化关系

图5显示的是来自研究工区一块典型深层碳酸盐岩样品三个方向(水平、垂直、45°)纵波速度和两个方向横波速度随压力从10.3 MPa增加到 82.8 MPa的变化关系.可以清晰的看到，速度随压力呈系统性的显著增高.对这块样品来说，三个纵波速度和两个横波速度在高压时的速度比低压均高出超过10%，这反映了深层碳酸盐岩储层中发育较多的裂隙，这些裂隙有较高的压缩系数，因此对压力变化比较敏感.需要指出的是，在实际地层中，这些裂隙由于较高的孔隙压力和流体充注大多处于张开状态(焦方正，2018；李海英等，2020)，而在我们的高围压测试中这些裂隙已经处于闭合状态(实验测试条件下高孔压无法充注进致密地层)，与地下实际情况并不符合.因而，在后续的很多分析中，我们用低围压条件下的岩石物理实验测试结果代表地下裂隙张开状态的弹性响应特征.显然，这种类比分析与深储层的原位测试条件并不完全一致，但我们认为仍然可以最大程度上揭示深层含裂隙碳酸盐岩储层的地震岩石物理响应机理.同时，为了更好的反映裂隙闭合状态下的深层碳酸盐岩储层地震岩石物理特征，我们也提供了高压条件下的数据和分析(附表1).

图5 研究工区某深层碳酸盐岩储层样品在干燥情况下的： (a) 平行于层理(Vp90)、垂直于层理(Vp0)、45°入射方向(Vp45)的纵波速度随围压变化关系； (b) 偏振方向平行于层理(Vsh)和垂直于层理横波速度(Vsv)随围压变化关系

图6显示了在干岩石和水饱和情况下岩石纵波速度对压力的敏感度，纵轴代表岩石纵波速度在高围压(82.8 MPa)和低围压(10.3 MPa)条件下的差值与低压纵波速度比值，我们在这里也定义为速度的压力效应参数；横轴代表低压岩石纵波速度.从图中可以看出，干岩石纵波速度的压力效应参数与低围压条件下的纵波速度有较好的线性对应关系.一般来说，弹性波速度对压力敏感度主要取决于岩石内部含有的微裂隙和软孔隙数量，而这里二者呈现线性关系，也说明了在深储层中，微裂隙是控制岩石弹性速度的主控因素.这主要是因为在低围压时，微裂隙相对来说保持张开的状态，因而较大程度上控制着干岩石的纵波速度. 而在水饱和条件下岩石的低围压纵波速度与压力效应的相关性明显较低(图6的红色散点)，这主要是由于在水饱和条件下微裂隙的可压缩性大大降低.因而，在这种状态下，岩石的弹性性质主要不是由裂隙发育这单一因素控制，水饱和也很大程度上影响了岩石的纵波速度.所有36块样品在干燥和水饱和条件下的垂直纵横波速度和各向异性数据见附表1.

图6 深层碳酸盐岩储层样本的压力效应参数和低围压条件下岩石纵波速度的交会图，这里的压力效应参数指代表岩石在高围压(82.8 MPa)和低围压(10.3 MPa)条件下的速度之差与低压纵波速度比值

2.2 流体效应对弹性特征的影响

图7a展示了深层碳酸盐岩储层样本在干燥以及水饱和情况下的纵波速度与孔隙度交会图(压力为10.3 MPa)，从图中我们可以看到纵波速度几乎不受孔隙度影响.虽然岩石的孔隙度很低，但由于微裂隙的发育，纵波速度水饱和效应(水饱和与干岩石速度差值与相对应干岩石速度比值)仍然可以高达10%(图8a)， 这是因为含有水裂隙的刚度系数显著高于干裂隙的刚度系数(O′Connell and Budiansky，1974；Zhao et al.，2020).图7b的水饱和横波速度比干岩石的横波速度稍稍高一些，一般来说，由于密度效应水饱和的横波速度会低于干岩石的横波速度.但这里很可能是由于裂隙的存在引起了较强的横波频散效应(Mavko and Jizba,1991; Mukerji and Mavko, 1994; Zhao et al., 2020)，而这些频散效应对横波速度的增强超过了密度效应对横波速度的降低.

图7 低围压(10.3 MPa)条件下，深层碳酸盐岩储层样本在干燥以及水饱和情况下的(a)纵波速度与(b)横波速度孔隙度交会图

图8a显示了岩石在低围压时(10.3 MPa)的水饱和效应与岩石在低围压下(裂隙保持张开状态)的速度呈现良好的相关性：即低围压时致密岩石的速度越低(裂隙越发育)，则其水饱和响应越强.这也指示了在裂隙发育条件下，弹性特征可以用于深层碳酸盐岩储层的流体识别；而在高围压条件下(图8b)，由于微裂隙的闭合，岩石的水饱和效应明显下降，且和纵波速度没有呈现明显的相关性.这也进一步验证了深层碳酸盐岩储层弹性特征和流体效应受裂隙控制的物理机理.

图8 深层碳酸盐岩储层样本在低围压(10.3 MPa)和高围压(82.8 MPa)情况下水饱和效应参数(水饱和与干岩石速度差值和相对应干岩石速度比值)与干岩石速度的交会图

2.3 弹性各向异性特征刻画

图9显示的是研究工区某块深层碳酸盐岩储层样品的Thomsen各向异性参数随着围压的变化关系.这些样品整体呈现的是VTI(垂直横向各向同性)各向异性特征，即垂直于样品层理方向的纵横波速度要低于平行于样品层理方向的纵横波速度，这也说明研究工区深层碳酸盐岩储层水平方向的裂隙更为发育(如图2a).纵波和横波各向异性强度都随着围压的增高呈现下降的趋势，也说明了随着压力的增加，裂隙逐渐闭合的趋势.整体来说，深层碳酸盐岩样品的各向异性参数强度较低(图10)，这反映了在微观尺度，裂隙虽然较为发育，但并没有呈现明显的定向排列.

图9 深层碳酸盐岩储层样品在干燥条件下的地震各向异性参数ε, γ, δ随着围压增加的变化关系

图10 深层碳酸盐岩储层样品在干岩石和水饱和条件下(a)纵波各向异性参数ε和横波各向异性参数γ交会图, (b)纵波各向异性参数ε和纵横波耦合各向异性参数δ交会图

图10显示的是深层碳酸盐岩储层样本在低围压条件(10.3 MPa)下干岩石和水饱和各向异性参数ε和γ、δ的交会图(详细数据见附表1).从图10a中可以发现，纵波各向异性参数ε和横波各向异性参数γ呈现一定的相关性,但整体相关度不是很强；纵波各向异性参数ε和纵横波耦合各向异性参数δ呈现较强的耦合约束关系(图10b).此外，可以发现水饱和样品的各向异性强度较干岩石有明显的降低.

附表1 深层碳酸盐岩储层在低围压和高围压条件下的纵横波速度和各向异性实验数据

2.4 弹性响应机理分析

这里对深层碳酸盐岩储层岩石物理响应机理的探讨我们主要利用的是低围压条件下(10.3 MPa)的数据，模拟的是裂隙张开状态下对岩石弹性特征的影响.大量的研究都表明，深层-超深层裂缝大多数是处于张开的状态，并且对油气的储集和疏导起至关重要的作用(杨宁等，2006).裂缝维持张开的状态一方面与深层油气的孔隙压力较高有关，另外一方面与多期构造活动密切相关(焦方正，2018).而对于获取的样品，很难在实验室向岩石充注流体保持裂缝的张开状态，所以我们选择低围压的状态去模拟深层岩石含有张开裂隙的物理状态.地震岩石物理的研究本质上并不是去完全“重现”原位温压条件下的弹性参数测试，而是尽可能针对要研究的问题去选择合适的物理状态进行弹性特征的刻画.

图11显示的是在低围压(10.3 MPa)和高围压(82.8 MPa)条件下，表征地震响应特征的两个常用弹性属性纵横波速度比与纵波阻抗在不同流体状态下的交会图.在定量地震解释中，一般纵波阻抗用于指示垂直反射强度(振幅随偏移距变化AVO的截距)，纵横波速度比一般用来指示反射振幅随角度变化的梯度(AVO梯度).图11b,d中的色条显示的是压力效应参数，一般可以用于指示岩石在低压条件下的裂隙发育程度.由图11a,b不难看出, 在裂隙张开状态下，裂隙的发育程度和流体是影响地震弹性特征的两个主控因素，并且这两者也呈现较强的耦合效应，即正是因为在深储层中裂隙的广泛发育才使得流体识别变得有可能.裂隙在深储层中就像一个“放大器”一样，增强了不同流体地震弹性特征的差别：裂隙越发育的储层，其纵横波速度比和纵波阻抗越低，且与对应水饱和的弹性特征差别越大.但在裂隙闭合状态下(图11c, d), 干岩石与水饱和的弹性响应特征变得难以区分，而且整体的数据分布在一个较窄的范围，纵波阻抗和纵横波速度比对流体的敏感性显著降低.

图11 (a)、(b)代表深层碳酸盐岩储层在低围压(10.3 MPa)条件下干岩石、水饱和状态下纵横波速度比与纵波阻抗的交会图,而(c)、(d)代表相应高围压(82.8 MPa)条件下的交会图.压力效应参数代表岩石纵波速度在高围压(82.8 MPa)和低围压(10.3 MPa)条件下的差值与低压纵波速度比值

3 深层碳酸盐岩储层地震岩石物理模型表征

图11的实验数据清晰的揭示了控制深层碳酸盐岩储层地震弹性特征的二元控制作用：储层的裂隙发育程度和流体类别.接下来，我们将以这两个主控因素为基础，对超深层碳酸盐岩储层的弹性特征进行模型表征，并构建相应的岩石物理模板.图12展示了超深层断溶储层岩石物理表征的概念模型，其中一个是中大尺度的裂缝-溶洞模型(米级别及其以上)，另外一个是小尺度的裂隙-溶蚀孔模型(微米到厘米).需要指出的是，只要储层非均质体的尺寸比波长小(Guéguen and Kachanov, 2011)，那么理论模型仍然在等效介质理论框架下，这里提出的地震岩石物理模型对两种尺度的裂缝(裂隙)-溶洞(溶蚀孔)模型均适用.

图12 用于地震岩石物理建模的超深层碳酸盐岩储层含裂缝(裂隙)-溶洞(溶蚀孔)的概念模型

具体的建模步骤如下：

(1)将岩石中出现的不同体积分数的矿物(如碳酸钙、白云石、黏土)按Reuss-Voigt-Hill平均模型混合(Mavko et al.，2009)，得到岩石基质矿物的体积模量K0和剪切模量μ0.

(2)通过给定双孔系统中的溶洞孔隙度和裂隙所对应的孔隙度，使用各向同性微分等效介质(DEM)理论(Berryman, 1992; Mavko et al.，2009)计算出没有流体饱和的干岩石骨架有效弹性模量Kdry和μdry.一般来说，相比于其他等效介质理论，DEM理论的实现过程能够更好的反映碳酸盐岩储层次生孔隙的形成，并模拟含有不同孔隙类型的碳酸盐岩储层等效弹性性质(Ruiz, 2009; Zhao et al.，2013).含有裂缝和溶蚀孔洞的等效体积和剪切模量Kdry和μdry的耦合微分方程组分别是：

(9)

(10)

初始条件是Kdry(0)=K0和μdry(0)=μ0，代表矿物基质的体积模量和剪切模量；K2，μ2为包体(干裂隙和孔洞)的体积模量和剪切模量，这里可以设为零来模拟.P和Q代表裂隙和孔洞的几何因子，与给定的裂隙和孔洞的纵横比有关，这里孔洞和裂隙的纵横比分别设置为0.4(基质孔隙和溶蚀洞的等效纵横比)和0.01，主要是为了刻画这两种孔隙结构的等效刚度系数(Zhao et al., 2014; Fournier et al., 2018).这里利用DEM理论模拟了裂隙和孔洞两种孔隙类型对等效弹性性质的影响，因而φ代表裂隙和孔洞的总孔隙度.我们采取了先加孔洞孔隙度，再加裂隙孔隙度的形式.对构建的岩石物理模型来说，由于岩石的基质很致密(孔洞孔隙度设置很小),所以在DEM实现过程中裂隙和孔洞的添加顺序对等效弹性性质的影响很小.在添加的过程中，由于岩石的基质(孔洞)孔隙度很低可以设置为固定的数值 (1%～2%)，因而裂隙孔隙度增加的同时，总孔隙度也同时增加.由于基质孔隙度很低，岩石的整体弹性性质是由裂隙密度控制的.可以用公式(11)将裂隙孔隙度φc、裂隙纵横比αc转换为裂隙密度Cr(Hudson,1981)：

(11)

(3)对于深层碳酸盐岩储层来说，由于较低的岩石基质渗透率，很难保证其孔隙压力在地震波频段内能够充分均衡，当然这也与裂缝的连通性能有关.实验室样品的裂隙整体连通性能较差，也可以从图3的渗透率测试数据中看出.因此这里将岩石孔隙中出现的流体按照斑状饱和流体模型混合(Mavko et al.，2009)，模拟流体压力无法均衡条件下的混合流体弹性特征.混合流体等效弹性模量Kfl及密度ρfl参数可以表达如下：

Kfl=Sw×Kw+(1-Sw)×Kgas,

(12)

ρfl=Sw×ρw+(1-Sw)×ρgas,

(13)

Kw，Kgas，Sw分别代表盐水体积模量、气的体积模量和含水饱和度.需要指出的是，在实际中大尺度的裂缝发育储层中，岩石的渗透率和流体输运能力往往比微观尺度要高很多，孔隙压力在地震波通过时有可能平衡，因而可以考虑使用Wood理论方程来计算混合流体的弹性模量(Mavko et al.，2009).

(4)最后可以利用Gassmann方程模拟含部分饱和流体的深层碳酸盐岩储层等效弹性模量Ksat和μsat：

(14)

μsat=μdry.

(15)

得到弹性模量后可以进一步计算流体饱和的弹性波速度.这里虽然使用了Gassmann方程，但前面混合流体的弹性模量考虑了斑状饱和分布模型，因而整体模拟的仍然是孔隙压力无法平衡条件下的饱和岩石弹性速度(Mavko et al.，2009；Zhao et al.，2014).

图13为基于“裂隙-溶蚀孔”地质模型得到的深层碳酸盐岩储层地震岩石物理模板.可以清楚的看到建立的岩石物理模板可以较好的刻画裂隙发育程度和流体的二元控制作用对弹性特征的影响：纵波阻抗和纵横波速度比随着裂隙密度的增加和含水饱和度的降低都有显著的降低，并且与实验数据整体有较好的吻合关系.总的来说，纵横波速度比对流体的变化更加敏感，而纵波阻抗对裂隙密度变化更加敏感，这也在图11a,b的实验数据中有明确体现.流体和裂隙的耦合作用也能够在建模中体现，即干岩石(气饱和)与水饱和的纵波阻抗和纵横波速度比差异随着裂缝密度的增加而显著的增大，这也再次证明深层含裂隙深储层中流体识别不仅受流体本身物理性质的影响，也受裂隙发育的影响.一般对深层碳酸盐岩储层来说，裂缝越发育的地方油气也越富集，所以此模板对深层碳酸盐岩储层的甜点预测有直接的指导作用，可以利用地震反演结果对裂隙发育程度和流体指示因子进行表征.

理论上，根据图13的模板，联合纵波阻抗和纵横波速度比这两个参数可以唯一确定裂隙密度和含水饱和度.但需要指出的是，该地震岩石物理模板虽然能够较好的区分水饱和与干岩石(含气)，但定量饱和度的解释仍然有相当的不确定性.有不少干岩石的数据点落在了30%～40%的含水饱和度点，有些误差高达50%.这也间接说明了仅仅利用叠前地震反演结果的纵波阻抗和纵横波速度比可以较为可靠的进行流体识别和裂缝高发育区的探测，但进行含气饱和度和裂隙密度的定量地震解释仍然有相当的不确定性.

图13 基于“裂隙-溶蚀孔”储层模型构建的超深层碳酸盐岩储层地震岩石物理模板，控制岩石纵波阻抗和纵横波速度比的两个物理参数分别为裂缝密度和含水饱和度

此外，图13中地震岩石物理模板与岩石物理实验数据仍然有一些差别，数据也呈现一定的发散趋势，这与各向异性、岩石骨架的矿物含量、孔隙结构、弹性波速度频散都有一定的关系.在图10中，实际的岩石物理实验数据显示微裂隙的发育引起了弱VTI各向异性的特征(整体小于4%)，但在本文的建模中忽略了各向异性的影响，这可能也会对弹性数据的定量解释带来一定的误差.利用该模板去解释近垂直入射的较低纵波速度时，有可能把各向异性的影响归咎于裂缝密度或含气饱和度的影响，从而引起含气饱和度和裂缝密度的估计的不确定性.不难看出，纵波各向异性强度比横波各向异性强度稍稍大一些(图10)，这也说明裂隙引起的各向异性会影响岩石物理模板中的纵横波速度比.碳酸盐岩中的黏土含量虽然很少，但部分样品中少量的黏土含量及其在岩石骨架中的位置仍然有可能对整体弹性波速度有相当的影响.在模型构建中，我们突出了裂隙作为孔隙结构主控因素的影响，但一些由于次生作用产生的溶蚀孔洞等也仍会对弹性性质有影响.值得一提的是，有部分数据点在100%含水线之上，这可能与深层含裂隙储层中的弹性波频散效应有关，因而纵波阻抗和纵横波速度比可能比模型中估算的要稍高.

4 深储层流体弹性特征表征

前面的地震岩石物理实验和模型表征主要是针对干岩石和水饱和数据，没有利用实际的油气作为饱和流体.油气等地质流体的弹性性质受所处的物理环境(温度和压力)影响较大(Batzle and Wang, 1992; Han and Batzle, 2006)，也会影响深层碳酸盐岩储层的地震岩石物理响应特征.这一部分利用美国休斯顿大学研发的FLAG地质流体软件细究在高温条件下，气油比和孔隙压力对深层油气弹性特征的影响.该软件主要基于大量高温高压条件下油气等地质流体速度、密度的测量数据研发而成.

图14展示了在温度为130 ℃、150 ℃、170 ℃的高温条件下，不同孔隙压力和气油比对油的密度和体积模量的影响.当气油比(GOR)越高的时候，油的性质也越接近天然气的性质.不难看出，深层油气的体积模量和密度随着温度的升高而降低，随着孔隙压力的增加而增加.相较孔隙压力和温度，GOR的大小对体积模量和密度的影响更加显著，如图14c、d所示，在温度为150 ℃、孔隙压力为90 MPa，GOR从0增加到600 L·L-1的条件下，体积模量从1.5 GPa 降低到0.5 GPa左右，密度从0.78 g·cm-3降低到0.53 g·cm-3左右.

我们将上述油气的弹性性质表征带入到上文的岩石物理建模中，图15展示了不同类别的流体和孔隙压力对深层含油气储层纵波阻抗和纵横波速度比的影响.整体看来，随着孔隙压力的增加，纵波阻抗和纵横波速度比呈现稍稍增加的趋势.但GOR对深层含油气储层的弹性特征有重要影响，随着GOR的升高，纵波阻抗和纵横波速度比有明显下降的趋势.图15也展示了深层含裂隙储层在水、油、气三种相态下的弹性特征演化规律.

图15 利用提出的岩石物理建模方法表征不同类别的流体、气油比和孔隙压力对超深层碳酸盐岩储层弹性特征(纵波阻抗和纵横波速度比)的影响

5 讨论

国内外不少学者都对碳酸盐岩储层地震岩石物理响应机理做过细致的探讨，虽然复杂孔隙结构对碳酸盐岩的速度-孔隙度关系有显著影响，但孔隙度一般仍然被认为是一阶主控因素 (Rafavich et al.，1984；Assefa et al.，2003).但对于深层致密碳酸盐岩储层来说，如图7a所示，孔隙度不再是控制弹性波速度的一阶主控因素.有不少学者也指出孔隙结构(溶蚀孔、裂隙等)对深层碳酸盐岩储层的弹性特征有重要的控制作用(Pan et al.，2015；张尔华等，2019；王向荣等，2020)，一些反映孔隙结构的参数(如比表面、平均孔喉半径、平均纵横比)可以解释速度-孔隙度的散乱关系.本文在揭示深层碳酸盐岩储层地震岩石物理响应机理方面，重在突出弹性特征的主控因素，而不是追求面面俱到.因为相比较于其他孔隙结构来说，裂隙由于其特殊的力学响应特征，主导了深层碳酸盐岩储层岩石骨架的弹性特征(图6和图8).而裂隙的发育程度跟流体的识别能力也是耦合的，裂隙越发育，越有可能区分储层的流体类型，这是因为含有不同流体裂隙的刚度系数差别非常大(Bakulin et al.，2000).所以，正如前文所述的，裂缝就像流体识别的“放大器”，裂缝的发育程度与流体的识别能力是正相关的.此外，我们突出裂缝与流体的二元主控因素，也是因为这二者对深层碳酸盐岩储层的评价至关重要：储层的破碎程度、裂缝的发育和分布对超深层储层储集空间的形成(如缝洞体)、油气的疏导都至关重要；而油气的富集程度对于储量评估、储层质量也非常重要.

很显然，本文实验数据所探讨的裂隙大多数都是微观或者样品尺度的(微米和厘米尺度的)， 与对勘探和生产有直接指导意义的中大裂缝(往往是米级以上的)仍然有相当大的尺度差别.但实验室岩心样品的地震岩石物理测试对中大尺度裂缝的地震探测仍然有相当的启示意义，这主要体现在两个方面：第一，利用弹性波进行非均质体的探测的物理本质在于波长与所关心非均质体尺寸的比值 (Mehta, 1983; Berryman, 1992).在对超深层碳酸盐岩样品的岩石物理实验过程中，超声波的波长(6 mm左右)与微观尺度的裂隙的尺寸(主导尺寸大概是几十到几百微米)的比值大约在10～100左右，这与超深层储层地震波勘探的波长(约200 m)与中大尺度裂缝(约2～20 m)的比值也大约在10～100左右一致,所以仍然有一定的可比性和借鉴意义.第二，大量的研究都表明，小尺度的裂隙发育与中观、宏观尺度的裂缝发育有密切关系，不同尺度的裂隙常常满足分形规律(Hardebol et al.，2015).因而，通过研究小尺度裂隙的弹性响应表征仍然可以对中观、宏观尺度的裂缝地震表征形成有效支撑.

但一般来说，这些小尺度裂隙倾向于随机分布，没有定向排列，且主要与微观尺度的岩石破裂有关系；而中大尺度裂缝一般呈现定向排列的规律，发育一套或两套定向缝，且与断裂发育、地应力和构造活动密切相关.因此本文中所论述的地震各向异性主要反映的是微观尺度裂隙的分布，对测井数据的解释有一定的借鉴意义，但不能直接反映中大尺度裂缝的地震各向异性特征.

研究区域(如跃进和顺北)的很多规模储层主要是断控储集体，很多优质储层都是放空漏失区域，因而也很难取到岩心，对这一部分储层也很难开展实验室的地震岩石物理研究，因而本文测试所用的样品无法代表这一类别的深层碳酸盐岩储层.为了较为系统的研究放空漏失型储层的地震岩石物理响应特征，可以考虑通过数字岩心构建相应的模型，并采取波长与非均质体尺寸比值相似性的思路开展数字岩心模拟研究(朱伟等，2021；赵建国等，2021)，细究断溶储层物理特征与地震弹性、各向异性响应的映射关系.

本文在模型表征中采用的是Gassmann方程与斑状饱和流体相结合的思路，事实上模拟的是孔隙压力没有充分平衡条件下的等效弹性特征(Mavko et al.，2009；Zhao et al.，2020).显然，这里没有采用更复杂的一些多孔介质理论模型来表征岩石骨架和流体非均质所引起的频散和衰减效应，现有的建模思路仍然是突出对深层碳酸盐岩储层“流体”和“裂缝发育”两个主控因素的地震弹性响应表征.多孔岩石中裂缝的发育被认为是弹性波速度频散和衰减的主要诱因之一.因为深层碳酸盐岩储层的基质孔隙较少，因而裂缝与基质孔之间缺乏有效的孔隙压力弛豫(Gurevich et al., 2009).但复杂的裂缝网络之间(如交叉缝)可以诱发较强的波致流体流动 (Rubino et al.，2014；Guo et al., 2022)，从而引起弹性波频散和衰减效应.另外一个引起深层断溶储层频散和衰减的重要因素是裂缝和溶洞的散射效应(Guo et al., 2020), 这也往往与充填流体类型和尺寸密切相关.对地震波来说，一般非均质体尺寸与地震波波长越接近时，其引起的散射和衰减效应越显著.除了裂隙以外，不同流体之间(如气与水)也会引发较强的波致孔隙压力弛豫和频散效应 (White, 1975; Zhao et al., 2021)，特别是与裂缝和骨架非均质耦合在一起的时候.这些针对深储层复杂非均质及其频散效应的理论模型工作仍然有待进一步展开.

6 结论

深层碳酸盐岩储层样品弹性性质的实验测量结果显示孔隙度并不是控制深储层弹性特征的主控因素，裂隙的发育主导了岩石纵波速度的水饱和效应与压力效应.岩石的孔隙度虽然非常低，但在裂隙张开的物理状态下干岩石和水饱和的纵波速度差别仍然显著，可以高达10%.通过实验数据的分析，揭示了深层碳酸盐岩储层地震弹性性质的二元主控因素：裂隙发育和流体类型.这两个主控因素也呈现明显的耦合关系：裂隙越发育的储层，越有利于利用弹性特征识别流体；而裂隙不发育的区域，不同流体的弹性特征差别很小.虽然裂隙较为发育，但在微观尺度上，深层致密碳酸盐岩的各向异性强度整体较弱，且呈现弱VTI各向异性特征，这反映了裂隙缺乏定向排列，同时水平裂隙整体上相较于垂直裂隙可能更为发育.各向异性参数ε和δ也呈现较好的线性耦合关系.

深层油气流体在高温条件下受气油比和孔隙压力影响较大：气油比越高流体弹性模量越小，孔隙压力越高流体弹性模量越大.根据超深层断溶储层地质特征的抽象和实验数据揭示的地震岩石物理响应机理，建立了表征深层碳酸盐岩储层二元主控因素的地震岩石物理模型，该模型可以有效刻画裂隙密度与流体类型对深层碳酸盐岩储层地震弹性特征的影响：裂隙越发育，含油气饱和度越高，GOR越高，则其相应的纵波阻抗和纵横波速度比越低.

致谢感谢北京大学能源研究院金之钧院士对本项研究工作的指导.

续附表1