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次生储集空间形状对复杂碳酸盐岩储层弹性性质的影响†

时间:2012-06-20  作者:王海洋,孙赞东

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非常发育,几何形状异常复杂。次生储集空间形状对复杂碳酸盐岩储层弹性性质的影响目前还不是很清楚,本文试图在前人研究的基础上,通过对三个基础的经典岩石物理模型(Wyllie平均时间平均公式、Gassmann方程及Kuster-Toksöz模型)的构建原理和实际速度预测效果上的对比分析,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入分析。紧接着,为了说明次生储集空间形状对纵横波速度(VP-VS)关系式的影响,对比分析了基于常规经验关系式(包含Castagna泥岩基线、Greenberg-Castagna的 VP-VS关系式)推算出的横波速度(时差)与基于岩石物理模型预测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。通过这些研究,本文期望通过在纵横波速度预测和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提供更合理的约束条件,进而为实现复杂碳酸盐岩储层和流体预测奠定基础。
论文关键词:碳酸盐岩,次生储集空间,速度预测,孔隙纵横比,VP-VS关系式
 

1 引言

谈到岩石物理的研究最首要的一个方面就是纵横波速度预测,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直接体现,因为在速度预测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提供关键的输入数据。关于岩石物理速度预测理论目前已提出了许许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(也称为Biot-Gassmann方程)以及Kuster和Toks?z(1974)通过引入孔隙纵横比而考虑孔隙形状影响的提出的岩石物理模型。其他的岩石物理速度预测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,如用于预测泥质砂岩储层速度的Xu-White模型(综合了Gassmann方程和Kuster-Toks?z模型)、微分等效介质模型(以微分的形式改进Kuster-Toks?z模型模拟时所加入的孔隙)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方程和Kuster-Toks?z模型。

本文之所以探讨次生储集空间形状对复杂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具体研究实践基础上的。随着我国东部油田逐渐走向高含水的开发后期,蕴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历了后期多期次的构造运动、改造和压实,原生孔隙基本上消失殆尽,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(如图1所示),这些问题使得塔里木盆地的碳酸盐岩储层预测在当今已成为国际上悬而未决的一个科学难题论文网。要解决这类储层的预测问题,走向叠前是必须的,这也是本专辑阐述的核心,但是要走向叠前就需要利用井上的横波信息,然而在如此深埋的复杂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,为此就需要借助岩石物理技术去精细地重构或预测所需的纵横波速度。面对如此复杂的碳酸盐岩储层,对速度预测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状对纵横波速度的影响。已有许多实验和理论研究(如Kuster-Toks?z (1974); Cheng和Toks?z (1979);Xu和White (1995) ;Yan等(2002)等;Kumar和Han(2005))已证实孔隙形状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)曾利用实验测量指出微孔隙、铸模孔、晶间孔和强压实岩石基质的速度随孔隙度变化的规律是存在很大差异的;Han等(2004)也通过实验测量对52个不同碳酸盐岩样本的速度进行了考查,指出洞穴由于具有较大的硬度,基本上不影响速度的变化,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实验和理论研究结果,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状是如何影响着纵横波速度的。

碳酸盐岩

图1几种不同的碳酸盐岩储层次生储集空间类型(据塔里木油田勘探开发研究院)

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研究实例,将这些岩石物理模型分别用于预测纵横波速度,通过预测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状影响的模型。至此,就可以利用该模型详细分析次生储集空间形状对碳酸盐岩储层纵横波速度的影响。在速度预测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提供一个启动项,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(1974)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状对碳酸盐岩储层纵横波速度影响的,因为它们对地层孔隙结构的假设是有很大的区别的。Wyllie平均时间公式是最简单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,根本没有孔隙形状的概念;Gassmann方程是非常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研究,但是在已知干岩石骨架的弹性模量的情况下,也是可以用于速度预测的(Sun等,2004),但是其假设孔隙形状是没有变化的,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复杂的孔隙形状,就难以实现准确的模拟;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常复杂的次生孔隙主导下的储层来说是非常重要的。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论文网。

碳酸盐岩碳酸盐岩

(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方程的具体表达式比较简单地质论文,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)

式中,K*、μ*是待求的饱和流体岩石的体积模量、剪切模量;Km、μm是岩石基质的体积模量、剪切模量;Ki、μi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)的任意孔隙纵横比方式,二是Berryman(1995)的四种特殊三维孔隙(球形洞、针状孔、硬币状缝、碟形孔隙[1])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测中考虑次生储集空间形状影响的重要性。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Gassmann方程、Wyllie平均时间公式进行速度预测比较,预测结果如图3所示(注意,预测过程中所用的岩石基质及孔隙流体的模量和密度如表1所示,这也是本文研究过程中所共同选用的参数)。图中各图的前三栏是测井解释的结果,第四栏(Pre.-AC)代表各模型预测的纵波时差,其中绿色线TKT代表Kuster-Toks?z模型预测的纵波时差、粉色线TGM代表Gassmann方程预测的纵波时差、蓝色线TWL代表Wyllie平均时间公式预测的纵波时差、AC代表标准化处理后实测纵波时差;图中第五栏(Pre.-ACError)代表各模型预测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测,但是Wyllie平均时间、Gassmann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模型预测的效果最好,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复杂碳酸盐岩储层,孔隙形状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状的影响所掩盖(Sun等,2004),因此该模型通过调节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状对复杂碳酸盐岩储层弹性性质的影响地质论文,接下来会分两部分详细讨论。

 

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