碳酸盐岩不同含水饱和度对声波传播特性影响

张明明,梁利喜,刘向君

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

0 引 言

声波在储层中的传播特性是预测地层流体分布、储层孔隙结构特征的有效手段,研究储层孔隙中流体类型及含量变换对声波特性的影响,对认识油气勘探中储层、分析测井资料以及了解油气开采过程中地下岩石物性的变化都具有重要意义[1]。因此,围绕声波与地层含流体特性的关系,国内外学者[2-9]进行了大量的研究工作。刘斌等[10]综合分析了不同孔隙度干燥和水饱和样品纵横波速度及衰减的差别,刘向君等[11]研究了碳酸盐岩孔洞特征对地震波参数的影响,随着孔隙度密度的增加,纵横波速度、振幅和品质因子均成下降趋势,振幅和品质因子比速度对孔密度的变化更为敏感;王森等[12]研究了碳酸盐岩含气饱和度对超声波衰减特性的影响,但未考虑围压的影响。施行觉等[13]对纵横波速和衰减Q值随饱和度的变化进行了理论分析,发现含水饱和度较小时纵波波速基本保持不变,含水饱和度大于60%后,纵波速度显著增加;而当饱和度低于某值时,Q值明显下降,随后Q值基本不变或略有上升。谭廷栋等[14]提出了纵横波速比直观指示砂岩气藏的解释方法,并采用中子与密度孔隙度以及冲洗带和原状地层含水孔隙度作验证,提高了直观指示气层的可靠性,但该方法能否用于裂缝性碳酸盐岩气藏有待进一步研究。王东[15]、梁利喜[16]等利用数值方法研究了岩石孔隙及流体对声波传播规律的影响。周志国[17]对岩样纵波3层db1小波包分解表明,饱水岩样最低频率范围内纵波信号能量所占比例大于其烘干状态下的比例,高频段信号能量比例逐渐趋于一致。朱洪林等[18]对碳酸盐岩声波传播特性研究认为利用纵横波速比识别储层时还需结合其他相关参数才能做出更加准确的评价,但是作者未能进一步探讨振幅及频谱特性与饱和度的关系。

本文测试了碳酸盐岩纵横波速度随含水饱和度及围压的变化规律,研究了波速、纵横波速比及声波的衰减特性随含水饱和度的变化,解释了声波传播特性随含水饱和度变化的内在机理,并对比分析了声波波速与衰减特性对含水饱和度的敏感性。研究结果可以更好地反映地层条件下声波的响应特点,为预测孔洞、裂缝发育的复杂碳酸盐岩储层含流体情况提供理论基础。

1 实验设备与方法

1.1 实验样品

选取某地区具有代表性的不同孔洞发育程度的9块碳酸盐岩加工成Φ100 mm×105 mm的圆柱形全直径岩样,在40 ℃温度下,烘干岩样72 h,然后放入干燥皿中冷却。测量岩样长度、直径、干重等参数,利用SCAR-Ⅱ型高温高压全直径测量仪对岩样孔隙度和渗透率进行测量(见表1),同时测得原岩不同围压下的纵横波速度,视为含水饱和度为0时的声波速度。

表1 岩样基本参数

*非法定计量单位,1 mD=0.987×10-3μm2,下同

根据实验目的和原始地层水性质,在实验室中配制相应地层的模拟地层水。为使岩心充分饱和地层水,将岩样抽真空后饱和地层水,并静置24 h,使岩样充分饱和,建立岩样100%地层水饱和点。然后采用自然风干法分别获得100%、60%、50%、20%及0%的含水饱和度。含水饱和度的计算公式为

(1)

式中,Sw为含水饱和度;m烘干为岩心烘干后质量;m饱和为岩样浸泡24 h后的质量;m为岩心自然风干过程中的质量。

1.2 测试方法

实验在常温下采用西南石油大学国家重点实验室研制的SCAR-Ⅱ新型全自动岩心测量系统,对具有不同含水饱和度的岩样进行不同围压作用下的纵横波速度测量。激发频率为50 kHz的探头发射超声波脉冲,接收探头将透射后的声波信号经过示波器显示,并通过Ultra Scope软件采集接收端探头声波波形,采样间隔为2 μs,采样个数为600个。测试原理如图1所示。

为了解地层条件下声波传播规律,进行不同围压下实验岩心的纵波和横波速度的检测实验,分别测量0、10、20、40、50 MPa及60 MPa围压下的纵横波速度。

图1 超声波测试流程图

2 实验结果

2.1 不同含水饱和度对波速的影响

波的走时为波在样品和仪器系统中传播的时间总和。系统基时通过用标准金属不锈钢标块进行标定确定。根据样品的长度和超声波通过样品的时间,样品的波速按式(2)计算

岩石波速=岩样长度/(声波到时-系统基时)

(2)

图2 S-3岩心在不同含水饱和度条件下的声波速度

本文选取具有代表性的不同孔隙度岩样纵横波速度随饱和度的变化曲线(见图2至图4)。从图2(a)至图4(a)中可以看出,纵波速度均随含水饱和度的增大逐渐增大。对比图2(a)至图4(a)可以发现,无论压力条件如何,岩石的速度与饱和度均呈线性关系,孔隙度越大对饱和度变化的灵敏度越高。对不同饱和度下的纵波速度线性回归可以发现,岩心L-2的纵波波速随饱和度增大曲线的最大斜率为1.438 9,而岩心S-3最大斜率仅为0.275。从图2(b)至图4(b)可以看出,横波速度随饱和度的增大略有减小或基本不变,横波速度不能作为识别含水饱和度的方法。除此之外,实验结果还表明,纵横波速度均随围压的增大迅速升高。因此,在利用声波测井资料解释储层含水饱和度时要考虑储层的上覆岩层压力及孔隙压力的影响。在不同围压下,纵横波波速随含水饱和度的变化均较小,且受到多种因素的共同作用,因此,采用首波触发机制的常规声波波速信息,并不能很好地识别出气层或水层。

当孔隙介质含气时,纵横波速比将随之减小,即使含少量气体,也会造成比值明显下降,可以将Sw=100%时的纵横波速比作为背景值判断储层含流体变化情况。岩样在不同含水饱和度下的纵横波速比如图5所示。随着含水饱和度的增加,纵横波速比呈增大的趋势。这是因为饱含气储层含水后,纵波速度将随之增加,而横波速度不受流体影响,因而纵横波速比也随之增加。同一岩样、同一饱和度状态下,在不同围压下纵横波速比没有明显的变化规律。但是围压越高、孔隙度越小,纵横波速比随含水饱和度的变化越不明显。此外,纵横波速比不仅与储集层所含流体的性质有关,而且还受岩性、孔隙度、岩石所承受的有效应力、裂缝等因素的影响。

2.2 不同含水饱和度对声波衰减影响研究

在低孔隙度高压储层中波速及纵横波随含水饱和度的变化很小,难以有效地识别水层或气层,需要对声波的传播特性随含水饱和度的变化作进一步的探索。研究表明振动振幅随距离的增加[12],呈指数规律变化,衰减系数的计算公式可以表示为

α=(lnA0-lnA)/L

(3)

式中,A0为发射探头波形的最大幅度,V;A为声波透射过岩心后最大首波振幅,V;α为声波衰减系数,dB/m;L为岩心长度,m。

如图6所示,含水饱和度增加,衰减系数在纵波与横波曲线上呈现出不同的变化规律。纵波衰减系数随含水饱和度增加,呈现先增加后减小的趋势,且在Sw=40%～70%的范围内达到最大;而横波衰减系数随含水饱和度的增加呈不断增大趋势。利用上述规律,可以综合利用纵横波资料进行储层评价,对储层含水饱和度进行预测。当含气饱和度较高时纵、横波的衰减较小;当含水饱和度较高时纵波衰减小而横波衰减较大。

图3 M-1岩心在不同含水饱和度下的声波速度

图4 L-2岩心在不同含水饱和度下的声波速度

图5 岩心纵横波速比柱状图

图6 围压60 MPa时岩心纵横波衰减系数

3 变化机理分析

根据弹性波速度公式

(4)

式中,k为介质的体积模量;μ为介质的剪切模量;ρ为密度。

对于纵波,水会从2个方面影响岩心中波速的传播:①水进入岩心孔隙及裂缝中增大样品的体积模量,使得纵波速度增大;②岩心含水后会引起密度的增大,降低波速。在实验围压范围内,体积模量变化的影响作用高于密度对波速的影响;当压力更高时,纵波波速的变化还有待验证。

对于横波,它是一种剪切波,在传播时不会引起介质和孔隙体积的变化,也不会引起饱和度的变化,且流体本身不具有抗剪能力,横波不能在气体或液体中传播,因此,S波速度不受含水饱和度变化的影响,基本保持不变或略有减小;部分测试点略有减小的原因认为水分子浸入岩心后由于表面张力吸附在岩石颗粒表面,由于水的润滑作用,减弱了横波引起的颗粒间的摩擦作用,但该作用影响微弱;实验中还发现个别测试点S波波速略有上升,认为其原因可能是在围压作用下水本身具有的黏滞性增强,使岩心裂缝或孔洞中的流体具有一定传播S波的能力,另外根据式(2)可以发现岩心含水后密度增大,也会引起S波速度的衰减。因此,S波随饱和度的变化会出现略有减小或升高的现象。

超声波在岩石中的衰减主要由波前扩展、散射及介质的黏滞性和热传导引起[9]。纵波在介质中传播是由于介质体积的变化(压缩和膨胀)而产生的。当含水饱和度较低时,由于表面张力作用,水分子吸附在岩石颗粒或裂缝表面,对衰减的影响较小,表现为岩石对弹性波的黏滞性吸收增大,衰减亦增大;当含水饱和度增大以后,水集中在岩石孔隙中,波传播时又引起了液体与固体的接触表面能的变化,进而引发了能力的耗散,此时衰减与振动引起的固液接触表面积成正比;另一方面,水振动以后会产生激励压力,同样会吸收声波能量,完全饱水后,振动引起的固液接触面积减小,振动引起的水的波动空间减小,同时,饱水岩样介质的不均匀性较干燥情况下有很大改善,声波散射损失大大减小。因此,当含水饱和度为50%及60%时衰减较大。另外,横波主要是由于介质的切向扰动而传播的,随着含水饱和度的增加,缝洞表面液相润湿面积逐渐增大,岩石颗粒间切向摩擦的降低使横波传播更加困难,横波衰减逐渐加剧。因此,饱水后纵横波的衰减表现出截然相反的趋势。

4 结 论

(1) 常压下,饱和水岩样纵波速率比烘干时增大5.24%～15.05%;在围压60 MPa环境下,饱和水岩样纵波速率比烘干时仅增大2.94%～8.92%;在高压低孔隙度碳酸盐储层中,仅利用纵波波速不易识别出水层或是气层。

(2) 常压下,饱和水岩样比烘干时纵横波速比值增大7.67%～42.82%;在围压60 MPa时,饱和水情况下比烘干时增大5.63%～23.38%。相比于波速,纵横波速比对含水饱和度的变化更加敏感,能更好地识别气层及水层。

(3) 对声波衰减特性随含水饱和度变化情况的研究发现,即使在高压状态下,随含水饱和度的变化纵波衰减系数变化率为37.74%～103.08%,平均为81.59%;横波衰减系数变化率为61.02%～196.78%,平均为112.3%。即同波速及纵横波速比相比,衰减系数随岩石饱和度的变化敏感性更高。但岩样饱和水时纵波衰减系数与烘干时相比,未出现一定规律,应结合横波衰减系数或波速信息综合确定气层或是水层。

(4) 本文研究结果对于正确利用声波全波资料评价碳酸盐岩储集层具有一定的指导作用和应用价值,对现有研究起到一定的补充作用。

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