2022年次生储集空间形状对复杂碳酸盐岩储层弹性性质的影响#8224;.docx

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1、2022年次生储集空间形状对复杂碳酸盐岩储层弹性性质的影响#8224; 论文导读:：以我国西部塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层为例，该类储层的次生储集空间特别发育，几何形态异样困难。次生储集空间形态对困难碳酸盐岩储层弹性性质的影响目前还不是很清晰，本文试图在前人探讨的基础上，通过对三个基础的经典岩石物理模型的构建原理和实际速度预料效果上的对比分析，优选出最佳的岩石物理模型。然后利用这个优选出的岩石物理模型对实际井资料上储层弹性性质与储集空间几何尺寸的关系进行了多角度深化分析。紧接着，为了说明次生储集空间形态对纵横波速度(VP-VS)关系式的影响，对比分析了基于常规阅历关系式推算出的横波速度与基于岩

2、石物理模型预料出的横波速度的差异，并在此基础上建立了四组不同次生储集空间类型组合下的VP-VS关系式。通过这些探讨，本文期望通过在纵横波速度预料和VP-VS关系式构建中充分考虑次生储集空间的影响，为后续叠前弹性反演工作供应更合理的约束条件，进而为实现困难碳酸盐岩储层和流体预料奠定基础。 1引言 谈到岩石物理的探讨最首要的一个方面就是纵横波速度预料，这是岩石物理中表征岩石本身孔隙度、饱和度、岩性等信息与岩石的弹性性质关系的一个最干脆体现，因为在速度预料的过程中就是利用合适的岩石物理模型将储层的岩性、物性信息转换为储层的弹性信息，而这些弹性信息将会为后续的叠前反演供应关键的输入数据。关于岩石物理速

3、度预料理论目前已提出了许很多多的岩石物理模型，但是基础的经典岩石物理模型还是Wyllie(1956)基于层状的等效平均提出的时间平均公式、由Gassmann(1951)提出后经Biot(1956)重新阐述后的考虑了孔隙内流体影响的Gassmann方程以及Kuster和Toks?z(11014)通过引入孔隙纵横比而考虑孔隙形态影响的提出的岩石物理模型。其他的岩石物理速度预料模型基本都是在此基础上考虑更多的因素后而推广的模型，如用于预料泥质砂岩储层速度的Xu-White模型、微分等效介质模型等，因此本文的重点将着眼于这些基础的经典岩石物理模型的分析，即Wyllie平均时间公式、Gassmann方程

4、和Kuster-Toks?z模型。 本文之所以探讨次生储集空间形态对困难碳酸盐岩储层纵横波速度影响，是建立在对我国塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层近几年的详细探讨实践基础上的。随着我国东部油田渐渐走向高含水的开发后期，隐藏着丰富油气资源的塔里木盆地已成为我国化石能源接替的重要战场，然而这些油气资源却深埋在平均6000米以下的奥陶系碳酸盐岩储层地质论文，而且由于这些储层经验了后期多期次的构造运动、改造和压实，原生孔隙基本上消逝殆尽，主要发育孔隙几何尺寸各种各样的以裂缝、溶孔、溶洞等为主的次生储集空间类型，这些问题使得塔里木盆地的碳酸盐岩储层预料在当今已成为国际上悬而未决的一个科学难题。要解决这类储层

5、的预料问题，走向叠前是必需的，这也是本专辑阐述的核心，但是要走向叠前就须要利用井上的横波信息，然而在如此深埋的困难碳酸盐岩储层中横波的测量往往由于其较高的费用代价和溶洞等对测量数据的影响而受到限制，为此就须要借助岩石物理技术去精细地重构或预料所需的纵横波速度。面对如此困难的碳酸盐岩储层，对速度预料模型提出了很高的要求，并落脚于如何刻画和反映这些千变万化的次生储集空间形态对纵横波速度的影响。已有很多试验和理论探讨已证明孔隙形态对岩石速度的影响是客观存在，只是对于不同的岩石及岩石孔隙类型这种影响的程度有所不同。针对次生储集空间主导的碳酸盐岩，Eberli等(2003)曾利用试验测量指出微孔隙、铸模

6、孔、晶间孔和强压实岩石基质的速度随孔隙度改变的规律是存在很大差异的；Han等(2004)也通过试验测量对52个不同碳酸盐岩样本的速度进行了考查，指出洞窟由于具有较大的硬度，基本上不影响速度的改变，而微孔和裂隙由于比较小的硬度，能造成明显的速度降低。本文将基于前人的这些试验和理论探讨结果，通过对比选取合适的岩石物理模型利用实际井资料从多个角度分析碳酸盐岩储层的次生储集空间形态是如何影响着纵横波速度的。 图1几种不同的碳酸盐岩储层次生储集空间类型 本文将首先简要地介绍三个基础经典岩石物理模型的基本理论和假设条件的差异，然后，以塔里木盆地碳酸盐岩储层为探讨实例，将这些岩石物理模型分别用于预料纵横波速

7、度，通过预料结果和实际结果的对比地质论文，优选出能够较好地考虑孔隙形态影响的模型。至此，就可以利用该模型具体分析次生储集空间形态对碳酸盐岩储层纵横波速度的影响。在速度预料和孔隙几何尺寸分析的基础上，建立了不同主导储集空间主导下的碳酸盐岩VP-VS关系式，这些关系式将为后续的叠前反演供应一个启动项，与各井点处的纵横波速度一起用于约束后续的叠前反演工作。 2岩石物理模型对比及选择 Wyllie(1956)平均时间公式、Gassmann(1956)方程和Kuster-Toks?z(11014)模型是三个基础的经典岩石物理模型，但是这些模型并不是都适合于探讨次生储集空间主导形态对碳酸盐岩储层纵横波速度

8、影响的，因为它们对地层孔隙结构的假设是有很大的区分的。Wyllie平均时间公式是最简洁的一种体积平均模型，将整个岩石等效为岩石骨架、油、气、水等按层状分布的形式，这种等效其实只有对于单一的纯岩石才适用，根本没有孔隙形态的概念；Gassmann方程是特别经典的岩石物理模型，由于其假设孔隙之间是相互连通的，所以常被用作流体替代探讨，但是在已知干岩石骨架的弹性模量的状况下，也是可以用于速度预料的，但是其假设孔隙形态是没有改变的，被假设为一个个相互连通的球形孔隙，因此面对塔里木碳酸盐岩如此困难的孔隙形态，就难以实现精确的模拟；Kuster-Toks?z模型是在长波长理论基础上提出的，它通过将各种各样的

9、孔隙几何尺寸转化为孔隙纵横比进行描述，从而可以很好地表征储层中实际的储集空间类型，尤其对于储集空间异样困难的次生孔隙主导下的储层来说是特别重要的。关于上述三个基础经典模型对地层的等效假设在图2中以示意图的形式直观地表示出来。 (a)Wyllie平均时间公式(b)Gassmann方程(c)Kuster-Toks?z模型 图2三个基础经典岩石物理模型的地层等效示意图 Wyllie平均时间公式和Gassmann方程的详细表达式比较简洁地质论文，请参考原文Wyllie等(1956)、Gassmann等(1951)或Biot(1956)。Kuster-Toks?z模型的核心方程如下： (1) (2) 式

10、中，K*、*是待求的饱和流体岩石的体积模量、剪切模量；Km、m是岩石基质的体积模量、剪切模量；Ki、i是第i种孔隙类型的内含物的体积模量、剪切模量；P、Q为表征孔隙相弹性性质的系数，其取值方式有两种，一是Wu(1966)的随意孔隙纵横比方式，二是Berryman(11015)的四种特别三维孔隙的方式，本文将这两种孔隙假设下的Kuster-Toks?z模型称为该模型的二维形式和三维形式。 下面我们将用实例说明在缝洞型碳酸盐岩储层的速度预料中考虑次生储集空间形态影响的重要性。以塔里木盆地塔中地区A井和轮古地区B井为例，分别利用考虑了孔隙尺寸影响的Kuster-Toks?z模型及未能有效考虑此影响的

11、Gassmann方程、Wyllie平均时间公式进行速度预料比较，预料结果如图3所示。图中各图的前三栏是测井说明的结果，第四栏(Pre.-AC)代表各模型预料的纵波时差，其中绿色线TKT代表Kuster-Toks?z模型预料的纵波时差、粉色线TGM代表Gassmann方程预料的纵波时差、蓝色线TWL代表Wyllie平均时间公式预料的纵波时差、AC代表标准化处理后实测纵波时差；图中第五栏(Pre.-ACError)代表各模型预料的纵波时差相对于实测时差的相应误差(WTKT、WTGM、WTWL)。从图中可以看出，以上三个模型都可以在不同精度上对碳酸盐岩储层进行预料，但是Wyllie平均时间、Gass

12、mann方程明显与实测的纵横波时差存在较大偏差，尤其是Wyllie平均时间公式。Kuster-Toks?z模型预料的效果最好，这是因为对于诸如塔里木盆地这种次生储集空间占主导的困难碳酸盐岩储层，孔隙形态对地震波速度的影响占据了主导地位，虽然Kuster-Toks?z模型具有高频及孔隙稀疏性要求的限制，但是这些因素都会被主导的孔隙形态的影响所掩盖，因此该模型通过调整孔隙纵横比或各种三维孔隙所占的比例是可以很好地模拟出储层各种各样的孔隙几何尺寸的，基于此本文将Kuster-Toks?z模型作为最佳的岩石物理模型以考察次生储集空间形态对困难碳酸盐岩储层弹性性质的影响地质论文，接下来会分两部分具体探讨

13、。 表1本文在探讨过程中所选取的矿物和流体的模量及密度值 MineralsandFluids Density (g/cm3) Bulkmodulus(GPa) Shearmodulus(GPa) References Calcite 2.73 76.80 32.000 Simmons(1965) Dolomite 2.87 94.90 45.000 Nur(1969) Clays 2.55 25.00 9 Han(11016) Brine(3%) 1.03 2.50 / Adams(1931) Oil 0.87 1.58 / Standing(1952) Gas 0.14 0.029 / Th

14、omas(11010) 图3分别利用Wylie平均时间公式(TWL)、Gassmann方程(TGM)和Kuster-Toks?z模型(TKT)预料的声波时差的对比(以探讨区内的A井和B井为例) 3次生储集空间形态对速度预料结果的影响分析 本节将以二维和三维的Kuster-Toks?z模型同时考察次生储集空间形态对碳酸盐岩储层速度预料结果的影响，并以探讨区内的C井为例进行分析。 对于二维KT模型，假设储层所对应的次生储集空间形态为单一的，其所对应的孔隙纵横比从0.05渐渐改变到0.9，并在每种孔隙纵横比假设下计算出相应的纵波时差(TKT)和横波时差(DSKT)，如图4所示。图中第三栏和第四栏是预

15、料的纵波时差(Pre-AC)，符号TKT代表预料的纵波时差，其后的括号内的a代表所用的孔隙纵横比值；途中第五栏和第六栏是预料的横波时差(Pre-DS)，符号DSKT代表预料的纵波时差，其后的括号内的a代表与前面相对应的孔隙纵横比值。从图中可以看出纵横波时差均呈现随着孔隙纵横比的增加而减小的特征，这是因为高孔隙纵横比的球形孔隙比低纵横比的裂缝孔隙呈现更强的刚性，所以波在其中传播的速度要快，也即时差要小。此外，从图中还可以看出，当孔隙纵横比从0.05改变到0.1、0.2时，对应的纵横波时差增大的现象特别猛烈，而当孔隙纵横比从0.2接着增加时，这种增加趋势渐渐减缓，直至当孔隙纵横比增加到0.5及以上

16、时，纵横波时差基本上保持稳定不再增加，这说明该段储层的主导次生储集空间类型应当是大孔隙纵横比的溶蚀孔或溶蚀洞。同时本文将引起时差增加趋势发生转折的孔隙纵横比0.2定义为临界纵横比，它是由岩石固有的几何结构性质确定的。 图4基于二维KT模型模拟得到的孔隙纵横波比从0.05渐渐增加到0.9时对应的纵横波时差的改变特征 对于三维KT模型，假设储层孔隙是有多种次生储集空间类型组成的，只是各自所占的比例不同。为此，此处建立了三组储集空间类型组合，假设它们都是由裂缝、针状孔和球形洞组成，第一组三者的比例是0.8：0.1：0.1，即以裂缝为主导储集空间；其次组三者的比例是0.1：0.8：0.1，即以针状孔为

17、主导储集空间；第三组三者的比例时0.1：0.1：0.8，即以球形洞为主导储集空间。由此三组储集空间类型组合对应的纵横波时差预料结果如图5b所示。图中第三栏和第四栏为三种主导储集空间对应的纵横波时差；第五栏和第六栏是通过与实测结果相比得到的相应纵横波时差的预料误差(WTKT、WDSKT)。从图中可以看出在裂缝为主导储集空间类型假设下预料得到的纵横波时差与实测结果相差特别大，甚至在顶部的高孔隙层段出现了预料奇异值的现象，说明该段地层的主导储集空间确定不是裂缝；球形洞假设下预料得到的纵横波时差与实测结果的差异要小得多，但是仍远没有针状孔假设下预料得到的纵横波时差相对实测结果的吻合度高，结合上文利用二

18、维KT模型预料得出的该段储集空间应为高孔隙纵横比的相识，至此我们可以比较有信念地确定该段地层的主导储集空间类型应当是溶蚀孔，这一点也恰与油田取芯观测到的结果相符。 a)分别以裂缝、溶孔和溶洞假设下的地层的储集空间组合模型 b)预料得到的纵横波时差的对比 图5基于三维KT模型分别以裂缝、针状孔、球形洞为主导储集空间假设下模拟得到的纵横波时差对比 此外，在实际的速度预料时还必需留意到在同一口井不同深度段发育的储集空间类型也往往是不同的，因此在对整口井进行速度预料时往往不是选用一个统一的储集空间尺寸而是须要分段处理的。为了说明这个问题，我们以探讨区一口储集空间比较困难的D井为例利用三维KT模型在分别

19、假设裂缝和孔洞占主导时预料了该井段的纵横波时差，如图6所示。从图中可以看出，在上部绿色圈所指示的层段以裂缝占主导假设下预料的纵横波时差相比以孔洞占主导假设下预料的纵横波时差与实测结果更加吻合；相反，在下部紫色圈所指示的层段以孔洞占主导假设下预料的纵横波时差与实测结果更吻合。分别从图中第六栏和第七栏的预料误差上也可以明显看出上下两个层段在主导储集空间类型上的这种差异。因此，我们可据此能够推断上部层段很可能是以裂缝占主导的储层地质论文，此时在速度预料时就须要利用裂缝的几何尺寸参数模拟主导储集空间形态对纵横波速度的影响；下部层段很可能是以孔洞占主导的储层，此时在速度预料时就须要利用针状孔和球形洞的组

20、合几何尺寸参数模拟主导储集空间形态对纵横波速度的影响。 图6同一口井不同层段的次生储集空间类型差异对速度预料结果的影响 4次生储集空间形态对纵横波VP-VS关系式的影响 在叠前反演过程中，除了各井上的纵横波数据作为约束进行井震标定及提取子波外，由于在叠前反演中我们并没有转换波地震数据而是基于纵波的弹性反演，因此还须要一个约束条件即纵横波速度(VP-VS)关系式作为建立纵波阻抗和横波阻抗间联系的启动项。对于这两个约束，本文推崇利用或建立合适的岩石物理模型在考虑了孔隙度、孔隙形态、流体类型等因素后精细地预料纵横波速度，然后再将得到的全区的纵横波速度进行标准化后进行回来拟合得到适合于本区的VP-VS

21、关系式，由此得到的这两个约束条件既考虑了更多的影响因素又能比较好地代表探讨区本身的弹性特征，从而为保证之后的叠前反演工作的胜利实施奠定了扎实基础。然而，目前许多人尤其是油田现场在对这两个约束条件的处理过程中存在着普遍的不当做法，即由于缺乏实测的横波数据且不能或不愿进行困难的岩石物理分析去精细地预料横波速度，就干脆利用现成的阅历关系式如Castagna泥岩基线、Greenberg-Castagna的VP-VS关系式等作为建立纵波阻抗和横波阻抗间联系的启动项，然后再由该阅历公式依据已有纵波测井数据计算出所需的横波测井数据。这种做法明显是很不合理的，虽然Castagna泥岩基线、Greenberg-

22、Castagna的VP-VS关系式(公式(4)等阅历关系式都特别出名，但是它们终归是在某个或某几个地区的基础上建立起来的，由于不同地区受埋深、压实、岩性、孔隙类型等的影响使其均不能代表其它地区的纵横波弹性特征，尤其是面对诸如塔里木盆地这种有效储集空间异样困难的储层来说，VP-VS关系式更是特别严峻地受着次生储集空间形态的影响，可想而知利用这些阅历关系式及由此推算得到的横波数据作为叠前反演的两个重要约束条件是多么地荒谬。 (3) (4) 式中，纵横波速度VP、VS的单位都是km/s。 为了更直观地说明上述问题，我们首先将利用Kuster-Toks?z模型和以上两个阅历关系式(3)-(4)对同一口

23、井分别进行纵横波速度模拟，如图7所示。图中前三栏代表测井说明的结果；第四栏代表纵波时差地质论文，其中绿色线TKT为Kuster-Toks?z模型预料的纵波时差，黑色线AC代表实测的纵波时差；第五栏代表横波时差，其中绿色线DSKT代表Kuster-Toks?z模型预料的横波时差，紫色线DSC和蓝色线DSGC分别代表由Castagna泥岩基线和Greenberg-Castagna的VP-VS关系式推算得到的横波时差；第六栏与实测横波时差相比上述预料的横波时差分别对应的相对误差(WDSKT、WDSC、WDSGC)。从图中可以很明显地看出由两个阅历关系式得到的横波时差DSC和DSGC均与实测的横波时差

24、有较大偏差，尤其是DSC，因为Castagna泥岩基线是碎屑岩基础上建立起来的DSC比实测时差低如此多的缘由）；相对来说，DSGC吻合性高些，是因为此处所用的Greenberg-Castagna的VP-VS关系式是在饱含水石灰岩的基础上建立起来的，考虑到了岩性的影响，然而它们远都没有Kuster-Toks?z模型的预料精度高，因为该岩石物理模型可以比较充分地考虑次生储集空间形态影响、岩性、物性信息等的影响。 图7利用阅历关系式推算得到的横波时差(DSC、DSGC)与利用Kuster-Toks?z模型预料 必需指出的是，虽然我们并不推崇利用阅历关系式去推算得到横波信息，但并决不是否定阅历关系式的

25、好用价值，只是强调该阅历关系式的获得应是建立在相应探讨区资料基础上的，而不是照搬其他地区的结果。此外对于诸如塔里木盆地这样困难的碳酸盐岩储层，还应将次生储集空间形态的影响考虑进去，因为即使在相同地区的同一地质条件、岩性和物性条件下孔隙形态的差异也会对纵横波速度造成较大的影响。塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层是以次生储集空间占主导的困难碳酸盐岩储层中的代表，是国内外探讨关注的焦点，为此建立起这个地区的VP-VS关系式其实际意义还是特别大的。但是地质论文，我们所提倡的阅历关系式应是能与次生储集空间形态相关联的，因为通过我们实际叠前反演等储层预料应用发觉，次生储集空间形态对碳酸盐岩储层的弹性波速度的影响

26、太重要了，干脆关系着后续储层乃至流体预料效果的好坏。为此，通过我们对塔里木盆地塔中地区和轮古地区近50口井的精细速度预料和次生储集空间类型的确定，建立起了四组储集空间类型下的碳酸盐岩储层二次型的VP-VS关系式，这四组储集空间类型分别是裂缝型、裂缝-孔隙型、裂缝-洞窟性和裂缝-孔隙-洞窟型2。为便利起见，我们将这四组二次型VP-VS关系式统一写为： (5) 式中，纵横波速度VP、VS的单位都是km/s，系数、确定着该VP-VS关系式所属的次生储集空间类型组合，如表1所示。 图8塔里木盆地奥陶系四组次生储集空间类型组合下的碳酸盐岩储层VP-VS关系式 表2储集空间类型组合与二次型VP-VS阅历关

27、系式VS=VP2+VP+各系数间的对应关系表 储集空间类型组合 裂缝型 0.1788 -1.6964 6.8850 裂缝-孔隙型 0.00882 -0.4289 2.6619 裂缝-洞窟型 -0.0849 1.3939 -2.0505 裂缝-孔洞型 -0.0043 0.5917 -0.1192 4结论 (1)Wyllie平均时间公式、Gassmann方程、Kuster-Toks?z模型是三个基础的经典岩石物理模型，通过从模型构建原理和实际应用效果的对比可以得出Kuster-Toks?z模型是其中最好的一个用于探讨次生储集空间形态对碳酸盐岩储层弹性性质影响的岩石物理模型，而且通过该模型二维及三维

28、形式的结合可以对储层的触及空间类型做出推断； (2)次生储集空间形态将会极大地影响着碳酸盐岩储层的纵横波速度，并呈现纵横波速度随着孔隙纵横比增加而增加的特征，且这种改变趋势的猛烈程度是与孔隙纵横比的范围有关的，一般低孔隙纵横比下纵横波速度的改变最猛烈，也即软孔隙相对于硬孔隙对碳酸盐岩储层纵横波速度的影响更加明显； (3)VP-VS关系式作为建立纵波阻抗和横波阻抗间联系的启动项是基于纵波数据的常规叠前弹性反演所须要的约束条件之一，但干脆利用一些简洁的阅历关系式如Castagna的泥岩基线、Greenberg-Castagna的VP-VS关系式等是不当的，再基于这些关系式推算出各井点处的横波数据作

29、为叠前反演另一个约束条件的做法更是不行取得，本文建议对这两个约束条件的获得应当是在精细岩石物理分析基础预料出包含了储集空间形态、岩性、物性等因素影响的纵横波速度，然后再将全探讨区内全部经标准化后的纵横波速度进行二次回来拟合而得到适合于所探讨区地质状况的VP-VS关系式，尤其是面对诸如塔里木盆地以次生储集空间占主导的困难碳酸盐岩储层； (4)在对塔里木盆地塔中地区和轮古地区近50口井的精细速度预料和次生储集空间类型探讨的基础上地质论文，建立了四组储集空间类型下的碳酸盐岩储层的VP-VS关系式，从而将通常简洁的纵横波速度关系式与储层的储集空间形态联系了起来，这为做好次生储集空间主导下的困难碳酸盐岩

30、储层的后续叠前弹性反演等储层预料工作是有特别重要的实际意义的。 但是，不得不指出的是本文利用Kuster-Toks?z模型在探讨次生储集空间形态对碳酸盐岩储层弹性性质影响时还存在着一些限制条件，如该模型是高频的，其预料的速度与低频带的地震波速度间存在速度频散的影响，这将是以后探讨的另一个话题即速度频散校正；该模型要其孔隙是稀疏的，即储层的孔隙度不能太大，因此对于较大的洞窟型储层来说其应用有肯定限制，我们在后期的速度预料模型构建中利用微分等效介质理论对其进行了修正，但这两个问题在本文的探讨中都不会对结果造成明显的影响，因为对于诸如塔里木盆地这样储集空间异样困难的碳酸盐岩储层来说，次生储集空间形态

31、对储层弹性特征的影响才是占据主导地位的。 致谢 参考文献AdamsLH.Equilibriuminbinarysystemsunderpressure:-Anexperimentalandthermodynamicinvestigationofthesystem,NaCl-H2O,at20o.Am.Chem.Soc.J.1931.53(3):2769-3785BerrymanJG.Mixturetheoriesforrockproperties,inAhandbookofPhysicalConstants,T.J.Ahrens,ed.AmericanGeophysicalUnion,WashingtonD.C.11015.205-228 第19页 共19页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页