利用纵横波速度判别火成岩气、水层的理论基础及应用

赵辉，司马立强，戴诗华，王洪亮，董彦喜

（1.中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院，四川 成都 610051；2.西南石油大学资源与环境学院，四川 成都 610500；3.中国石油西部钻探工程公司测井公司，新疆 克拉玛依 834000）

0 引 言

在火成岩气藏气、水层判别中常规电法和非电法方法综合使用是解决火成岩储层流体类型判别困难的有效途径，其中利用纵横波速度比判别储层的流体类型是有效方法之一，要合理使用这一方法，务必搞清楚纵横波速度、纵横波速度比与含水饱和度的关系；火成岩岩性种类多，纵横波速度比与岩性的关系如何；孔隙度大小是否对纵、横波速度比产生影响。这3个问题是使用纵横波速度比法识别气、水层的基础。

1 纵、横波速度及其比值与含水饱和度的关系

1.1 理论关系

结合式（1）至式（7）（其中μsat、kdry通过实验确定）可理论模拟纵横波速度及其比值在不同含气饱和度条件下的理论关系（见图1）。kf可由 Wood方程求取[1－2]

式（1）至式（7）中，kf为孔隙中充填流体的体积模量；si为孔隙中第i种组分流体的体积含量；kf为孔隙中第i种组分流体的体积模量；k0为岩石固体颗粒（基质）的体积模量；kdry为干燥孔隙岩石的体积模量；φ为孔隙度；φc为临界孔隙度；ρma为岩石基质密度；ρf为气体密度；ρw为液体密度；ρsat为孔隙中充填流体的岩石密度；φf为气体孔隙度；φw为液体孔隙度；ksat为饱和流体体积模量为kf的岩石的体积模量；μsat为饱和流体体积模量为kf的岩石的剪切模量；vpsat为纵波速度；vssat为横波速度。

图1 vp、vs及vp／vs与含水饱和度的理论关系

理论模拟表明（见图1），含水饱和度在0～1.0间变化时，纵波速度会出现最低值[2，5]（这个最低值由孔隙中流体分布的不均匀性决定[6]，岩石孔隙中的流体常呈斑状分布，并不是均匀分布的，而孔隙中流体分布的不均匀性是由孔隙结构决定的），纵波速度在含水饱和度小于最低值时，随含水饱和度的增加略有降低，当含水饱和度大于最低值时纵波速度随含水饱和度的增加而逐渐缓慢增大。当含气饱和度大约在0～10%之间时，vp、vp／vs会显著增大，这是由于少量气体混入液体使整体压缩率显著升高而造成的[7－9]。而当含气饱和度高于大约10%时，vp及vp／vs对含气饱和度反映不敏感，随含气饱和度的增加变化较小。这表明，纯水层中含有少量气体时便可使vp及vp／vs显著减小。

横波速度始终随含水饱和度的增加缓慢降低，成反比关系[5，7]（见图1），这是因为根据 Gassmann理论，剪切模量和岩石孔隙的饱和状况无关，由于饱和水时的密度大于干燥时的密度，所以造成横波速度很小的降低。

可见，水层中含有少量气体时纵波速度、纵横波速度比会显著减小[10]（见图1）。

1.2 实验特征研究

小岩样在常温常压下的纵、横波速度测量实验表明，纵波对气体含量敏感，饱和水的纵波速度显著大于干燥状态（饱和气）的纵波速度。含气可使纵波速度显著减小（见图2）。全直径岩心与小柱样实验均表明横波对气体含量不敏感，饱和气和饱和水2种状态下的横波速度差别较小（见图2和图3），这与理论认识一致。5MPa下全直径岩心饱和状态下的横波速度略小于干样的横波速度（见图3），与理论分析的一致。但小岩样中也有一些岩样饱和水状态下的横波速度高于干燥时的速度，这主要是由于压力较低的缘故。Gregory实验表明，在压力较低时，饱和岩石中的横波速度可能高于干燥岩石的横波速度[13]。

岩样饱和水时的纵横波速度比明显的大于饱和气时的纵横波速度比（见图2）。

理论模拟及实验分析表明，纵波对气体含量敏感，含有少量气体时可使纵波速度、纵横波速度比显著减小，横波对气体含量不敏感，油层或水层的vs与气层的差异小，油层或水层的vp／vs大于气层，因此，可以利用该规律识别气、水层。

2 纵横波速度比与孔隙度的关系

理论模拟及实验表明，vp／vs对流体类型敏感，饱和油或水的岩石vp／vs要明显高于干岩样值。但这种讨论是粗略的，忽略了孔隙度的变化对vp／vs比值的影响。

楚泽涵[11]（1993年）指出，vp／vs随孔隙度的变化不大；另有资料表明，在孔隙度φ＝0～20%时，vp／vs比值可能不变或仅有很小的变化，而在孔隙度数值较大时，孔隙度对纵横波速度比的影响不能忽略。Wilkens[12]（1984年）、Suan[13]（1992年）、谭廷栋[14]（1990年，1994年）研究也表明孔隙对纵横波速度比的影响相对较小。实验结果表明，饱和水岩样孔隙度对纵横波速度比的影响相对较小（见图4）。vp／vs虽然与孔隙度关系不大，但并不意味着孔隙对纵横波速度比没有影响，只是影响相对较小。以上讨论未考虑孔隙中含有气体时的情况，因此并不意味着含有气体的时候孔隙对纵横波速度比的影响也较小。实际测井资料表明，孔隙度较高的气层段，孔隙对纵横波速度比的影响较小，与纵横波速度比关系不大，但在低孔隙度气层段测井纵横波速度比与孔隙度有一定的联系（见图5），vp／vs随孔隙度的增大而减小，因此，在低孔隙度段气层和水层的差异可能变小，导致气、水层判别困难，因此利用纵横波速度比判别储层流体类型时应考虑孔隙对纵横波速度比的影响，尤其在低孔隙度段。

图4 饱和水岩心（vp／vs）—φ关系图

3 纵横波速度比与岩性的关系

实验结果显示，中基性饱和水岩样的纵横波速度比主要在1.91左右，酸性岩的纵横波速度比主要在1.85左右，火山碎屑岩的纵横波速度比主要在1.75左右。饱和水状态下，中基性岩的纵横波速度比一般大于酸性岩，酸性岩的一般大于火山碎屑岩（见图4）。

图5 酸性岩类气层段（vp／vs）—φ关系图

实际测井资料表明，试油层段内基性岩气层（气水同层）与水层的vp／vs分界线在1.83左右，酸性岩的在1.75左右，火山碎屑岩的在1.70左右（见图6）。中基性岩的纵横波速度比大于酸性岩，酸性岩的大于火山碎屑岩，实际测井资料与实验分析的规律一致。

实验结果及实际测井资料均表明，不同岩性的火成岩的纵横波速度比存在一定的差别，但差别不是特别明显，远不如砂岩的1.6、白云岩的1.8和石灰岩的1.9之间的差别显著，砂岩、白云岩与石灰岩之间之所以差别显著是因为这3种岩性的矿物组分存在显著的差别，而不同岩性火成岩的矿物组分比较相近，只是含量差别明显。因此，在利用纵横波速度比判别流体类型时也要重视岩性对vp／vs的影响。

4 实际应用

vp／vs受岩性影响大，因此在火成岩储层气、水层判别中需分岩性建立判别图版。由于Δts主要受岩性和孔隙度影响，基本不受流体类型的影响，因此vp／vs与Δts交会可消除vp／vs所受岩性和孔隙度的影响，突出其对流体类型的贡献。

图7（a）是基性岩类vp／vs与Δts交会图，从数据点的分布规律看，水层与气层、气水层能够非常明显地分开。图7（a）中JD7-2井和JD7-1井3个段数据的vp／vs与Δts呈近似的线性关系，从实际资料看，采用斜线能将水层与气层、气水层非常明显地区分开。因此，图7（a）中可使用斜线将水层与气层、气水层区分开，这一斜线区分线是一经验关系。图7（a）中试油产气及产气水层段的纵横波速度比普遍在图中斜线的下方，水层的vp／vs值普遍在斜线的上方，具有明显的气层及气水层的纵横波速度比大于水层的特征，该图版区分气、水层的效果好，但气层和气水层不能有效区分，由前面的理论分析知，这主要是因为当含气饱和度大于一定值时，饱和度对vp／vs的影响很小（见图1）。

图7中（vp／vs）—Δts交会图和（vp／vs）—Δtp交会图的对比可以看出，采用（vp／vs）—Δts交会能明显将2个段低孔隙度水层与气层及气水层区别开，但（vp／vs）—Δtp交会图不能有效区分开，之所以无法区别开是因为低孔隙度段vp／vs与孔隙度关系较大，孔隙的影响会使低孔隙度段气层与水层的差异变小，使得低孔隙度段气层与水层不能被有效区分开。vp／vs与Δtp都同时会受到岩性、孔隙度和流体类型的影响；利用（vp／vs）—Δtp交会不能消除岩性、孔隙等因素的影响而突出流体类型的差别；利用（vp／vs）—Δts交会可以消除vp／vs所受岩性和孔隙度的影响，突出流体类型的影响。因此，利用（vp／vs）—Δts交会识别气、水层的效果要明显的好于（vp／vs）—Δtp交会以及单独使用vp／vs。

5 结 论

（1）纵波速度对气体含量敏感，含有少量气体时纵波速度、纵横波速度比显著减小。横波对气体含量不敏感，横波速度随含水饱和度的增加略有减小，但差别小。饱和水（油）时的vp／vs大于饱和气时的vp／vs。

（2）岩性对纵横波速度比的影响大，因此要分岩性建立火成岩储层的流体类型判别图版。

（3）利用vp／vs判别储层流体类型时应考虑孔隙对vp／vs的影响，利用（vp／vs）—Δts交会可消除孔隙度和岩性的影响从而突出流体类型的差别。

（4）利用vp／vs能区分气层（气水层）与水层，但不能有效区分气层与气水层，也不能区别油层和水层。

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