不同孔隙结构碳酸盐岩对声波时频特性的影响

张明明，梁利喜，蒋少龙

（西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川 成都 610500）

不同孔隙结构碳酸盐岩对声波时频特性的影响

张明明，梁利喜，蒋少龙

（西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川 成都 610500）

为研究不同孔隙结构对声波时频特性的影响，将不同孔隙结构的碳酸盐岩岩心切割成边长60 mm的立方体，利用自主研发的多频超声波测试仪测量岩心轴向纵波首波传播时间，同时利用Ultrascope软件采集接收端探头声波波形，对不同孔隙结构碳酸盐岩中传播纵波的波速、时域波形及频谱特征进行研究。结果表明：声波时域及频域波形特征主要与岩心孔洞尺寸及胶结情况有关，而与孔隙度的大小无关；随着孔洞尺寸的增大，碳酸盐岩对声波中高频谐波过滤作用逐渐增强；垂直裂缝传播的声波时域波形含有大量尾随信号，频域波形中高频信号强度显著变弱且谱峰数量多，振荡强烈；平行裂缝传播的声波时频特征与垂直裂缝传播明显不同。碳酸盐岩声波时频特征研究，拓宽了声波预测岩心信息的方法，对该类储层特征预测及评价具有重要的意义。

碳酸盐岩；声波；时频特性；孔隙结构；频谱分析

0 引言

在将声波测井技术应用于碳酸盐岩地层时，某些高孔隙度碳酸盐储层也表现出了较高的声波传播速度，与人们对孔隙性胶结砂岩中声速与孔隙度之间相关性的认识完全相反［1-2］。碳酸盐岩储层岩石基质致密，孔隙类型多样且发育不同尺寸的孔、洞、缝，具有高度非均质性，在反演地层物性参数时，仅使用波速，将极大地影响到对碳酸盐岩储层的正确预测［3］。

国内外学者对此进行了大量理论与试验研究。刘向君等［4］研究发现，纵横波速度、振幅和品质因子均随孔密度的增大呈下降趋势。杨超等［5］通过钻孔、造缝的方式逐渐改变岩心孔隙结构，导致的孔隙度变化范围为0.5%～20.0%，而高频和中频纵波声波时差始终在误差范围内波动，没有表现出任何随孔隙度变化的趋势。梁利喜等［6］基于弹性波动理论和有限差分方法，做了超声波透射数值模拟实验。然而，众学者仅在时域上对碳酸盐岩中传播声波的首波进行了大量研究，忽略了尾波、声波频域及小波变换后携带的大量信息，且并未发现对碳酸盐岩储层进行孔隙预测的有效办法。

在进行声波波速研究的同时，国内外还有许多学者对岩石声波的频谱特性也进行了研究［7］。Simpson［8］认为，频谱出现谱峰增多是2个信号间时间延迟的结果，根据频谱中2个极大值点的频率，可求出2个叠加信号的时间延迟。Gericke等［9-11］利用声波对内部含有缺陷的金属进行了检测，并总结出了透射波的频谱特征。周治国等［12］基于小波包的概念，利用各频率成分能量的变化，考察了饱和水对岩样声波吸收程度的影响。他利用3层db1小波包，分解研究了饱和水和烘干状态岩样在频率域的纵波信号所占比例。史謌等［13］发现，在一个较宽的频段内（0.1～3.0 MHz），谱比与频率f呈线性关系，并通过拟合谱比图的直线段斜率求取了波形的品质因子。

频谱分析方法在分析中用到整个信号的形态、相位，而在时间域的声波测量是点测量［14］，如振动速度、位移方向、或波群最大振幅。整个波群的谱分析与时间域的点测量相比，前者得到的信息要多得多。本文对取自龙王庙组的碳酸盐岩岩心进行了声波透射实验，对不同频率的声波波速与岩心孔隙结构的相关关系进行了研究，并对采集的声波首波进行快速傅里叶变换，研究了频域内波形特征随孔隙结构的变化规律。

1 实验样品

实验采用9块不同孔洞发育程度的碳酸盐岩岩心，取自四川盆地龙王庙组，孔隙度的变化范围为2.19%～9.56%，基础物性资料见表1。

表1 碳酸盐岩基础物性资料

由于地层存在各向异性，包括宏观（层界面、裂缝）和微观（层理、颗粒定向沉积），在研究和分析地层非均匀性和各向异性时，必须考虑尺度效应。特别是碳酸盐岩缝洞发育，结构复杂，为使岩心包含更多的裂缝孔洞信息，样品尺寸要尽可能大。因此，在全直径岩心上按轴向切割出边长为60 mm×60 mm×60 mm的立方体。

2 实验仪器与结果

实验使用西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室自行研制的承压型声波换能器，采用透射法进行测量。采样间隔为2 μs，采样个数为600。声波透射过岩心，被探头接收，由示波器采集该声波信号并传至计算机。为保证测试结果的精度，采用相同材质、不同长度的不锈钢圆棒，进行线性回归，来确定系统的固定延时。不同频率声波系统延时测试及拟合结果见图1（T为首波延时）。每个测点均进行3次测量，取其平均值作为最后测量结果，则声波速度v计算为

式中：L为标块长度，mm；t为声波的传播时间，μs；t0为系统的固定延时，μs。

图1 不同频率声波系统固定延时测试

3 实验结果讨论

3.1 孔隙度对声波速度的影响

碳酸盐岩储层孔隙结构类型复杂多样，而声波会绕过孔洞或微裂缝结构，沿最佳路径传播。大量的研究表明，在碳酸盐岩储层中，孔隙度-声波速度之间的关系离散［15］。图2为声波频率分别为25，50，100 kHz时，不同孔隙度的碳酸盐岩声波波速曲线。由图可以看出：不同孔隙结构的碳酸盐岩波速随声波频率的增大而增大；在同一声波频率情况下，岩样声波波速随孔隙度时而增大，时而减小，但并未出现显著的变化趋势。这是因为，声波在地层中传播受到岩性、流体、裂缝等多种因素的共同作用，影响因素复杂多样，波速随发射声波频率的变化出现复杂的变化规律。在不同声波频率下，岩心纵波波速与孔隙度无明显相关性。

该结论与刘向君等［4］的研究一致。现有的常规声波测井资料首波触发机制具有很大的局限性，波速参数并不能很好地反映碳酸盐岩储层孔隙度的变化。

图2 岩样纵波波速与孔隙度关系

3.2 孔隙度对声波频谱特征的影响

岩心J-4孔隙度最小，孔洞不发育且较小，其声波时域及频域波形见图3。频域上谱峰较少，说明叠加信号较少，且在50 kHz附近，波形尖锐，反映出叠加信号相应通带较窄，中心频率集中在50 kHz。

图3 岩心声波时域及频域波形

另外，不同孔隙及孔洞尺寸的碳酸盐岩岩心低频信号的分布范围大致相同，同样没有显著差别。在孔洞孔隙度增加过程中，频谱峰间距没有明显变化，表明叠加信号延时不明显。频域波形的另一相同特征是谱峰都较少，但随着孔隙度的增加，谱峰数量逐渐减少，与时域波形的特点相同。声波在碳酸盐岩传播的时域及频域波形都对其孔隙及孔洞尺寸有较好的反映。

岩心J-6首波时域、频域波形见图3。其时域波形谱峰数量多，峰间间距小，且含有大量尾随信号，其振幅远大于其他岩心，说明该岩心对声波的衰减作用较弱。观察其频域波形可知，高频波峰十分尖锐，带宽较窄，透射波的主频与探头发射频率相同，且首波的低频成分较少，说明该岩心未有效过滤发射波的高频部分。

实验样品中孔隙度最大的岩心J-6与孔隙度最小的岩心J-4波形十分相似，并未反映出孔隙度特征的不同。究其原因，认为碳酸盐岩中传播的声波时频特性主要与岩心孔洞的尺寸及胶结情况有关，而受孔隙度大小的影响很小。岩心J-6虽然孔隙度较大，但基质硬度高、胶结好，且无肉眼可以观察到的大尺寸孔洞，不会发生声波在尺寸较大孔洞中复杂的散射、衍射现象，传播路径较短，叠加信号增强且在声波的传播过程中信号强度和频率均不会发生较大变化。

对比不同孔隙度碳酸盐岩声波波形，可以发现，随着孔隙度和孔洞尺寸增大，首波时域波形中叠加到首波的信号越来越小，谱峰数量逐渐减少，谱峰间距逐渐增大。这说明，首波中随着孔隙度及孔洞尺寸的增大，由于孔洞的反射、衍射作用，首波中叠加的来自其他路径的信号的时间延迟逐渐增加，即叠加信号传播路径变短［16］。此外，随着孔隙度、孔洞尺寸的增大，波形中的尾随信号逐渐增多，且谱峰间距逐渐增大。

3.3 裂缝对声波频谱特征的影响

岩心J-5和J-9轴向发育大量水平裂缝且完全将岩心基质切断，声波时差测试显示，平行裂缝方向声波传播速度明显高于垂直裂缝方向，说明声波时差的各向异性可以用来预测岩体中是否含有裂缝。在此基础上，本文更进一步研究了声波在裂缝型岩性中传播的首波波形及频谱特征。岩心J-5和J-9平行和垂直裂缝方向的声波时域与频域的波形见图4、图5。

垂直裂缝方向声波与平行裂缝方向首波时域波形与频谱具有显著差异。与平行裂缝方向传播声波相比，垂直裂缝方向首波时域波形尾部叠加信号增强，频谱低频幅度增强且高频信号显著变弱且谱峰振荡增强，表现出较多的谱峰，说明裂缝引起岩心内部端角反射、衍射增强，岩心内部不连续性增强，对高频信号过滤作用较强，并引起首波中叠加信号增多。

平行裂缝方向传播的声波首波时域波形尾部叠加信号消失，高频信号位置振幅明显升高，与无裂缝岩性波形相比，主频处谱峰增多且带宽增大，说明平行裂缝传播的声波有一定的影响作用，但作用弱于垂直裂缝的影响。在实际应用中，可以根据透射声波时域与频域的以上特点，观测岩心内部裂纹发育特征。根据透射波高频衰减量或主频与换能器频域的差值，可以进一步定量研究裂缝的形态。

图4 岩心J-5时域及频域波形

图5 岩心J-9时域及频谱波形

4 结论

1）声波在碳酸盐岩中传播的时频特性与孔洞大小及胶结情况密切相关，与孔隙度的大小相关度较低。

2）声波随着孔隙度及孔洞尺寸的增大，波形叠加来自其他路径的信号的时间延迟逐渐增加，波形中的尾随信号逐渐增多，且谱峰间距逐渐增大。

3）垂直裂缝方向声波与平行裂缝方向声波时域波形与频谱具有显著差异，前者时域波形尾部叠加信号增强，频谱低频幅度增强且高频信号显著变弱且谱峰振荡增强。在实际应用中，可以根据声波时域与频域的以上特点，预测岩心内部裂纹发育特征。

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（编辑 高学民）

Influence of different pore structures of carbonate rock on time and frequency characteristics of acoustic wave spread

ZHANG Mingming,LIANG Lixi,JIANG Shaolong
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

To acquire the law of different pore structures′influence on acoustic propagation time and frequency characteristics, carbonate cores of different pore structures were cut into 60 mm cube.Then the self-developed multi-frequency ultrasonic tester was used to measure the longitudinal wave propagation time of core axial.Meanwhile,Ultra Scope software was used to collect acoustic waveform of receiver probe to investigate the longitudinal wave velocity,time domain waveform and spectrum characteristics of carbonate rocks with different pore structures.The results show that acoustic time domain and frequency domain waveform characteristics mainly relate to the core hole size and cementation,which have nothing to do with the size of the porosity;with the increase of hole size,the filtering effect of carbonate rocks on high frequency harmonic increases;time domain waveform of sound waves propagating in the vertical direction of fractures contains lots of following wave signals,and the strength of high frequency harmonic weakens significantly with the increasing quantity of spectrum peaks and strong oscillation;there are distinct differences between the waveforms of acoustic waves propagating in vertical and parallel direction of fractures.The study of acoustic wave time and frequency characteristic broadens the methods of core information prediction,which has important significance for reservoir prediction and evaluation.

carbonate rock;acoustic wave;time and frequency characteristics;pore structure;spectrum analysis

TE344

A

10.6056/dkyqt201606029

2016-04-28；改回日期：2016-08-17。

张明明，男，1991年生，在读硕士研究生，主要从事岩石断裂力学、 石油工程测井等方面的研究。 E-mail：zhangmingmingswpu@gmail.com。

张明明，梁利喜，蒋少龙.不同孔隙结构碳酸盐岩对声波时频特性的影响［J］.断块油气田，2016，23（6）：825-828.

ZHANG Mingming，LIANG Lixi，JIANG Shaolong.Influence of different pore structures of carbonate rock on time and frequency characteristics of acoustic wave spread［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：825-828.