顺9井区志留系柯坪塔格组下段低孔、特低渗储层岩石物理研究

Petrophysical Research of Low-porosity and Ultra-low-permeability Reservoirs in the Lower Member of Silurian Kepingtage Formation in Wellblock Shun 9

摘要: 顺9井区志留系柯坪塔格组下段埋深大，为低孔、特低渗储层。由于测井曲线受井眼影响大，波阻抗对储层和流体不敏感，为此通过岩石物理试验来研究志留系的储层岩石物理特征和储层、流体的敏感参数。压力对砂岩纵、横波速度的影响比泥岩大，砂岩和泥岩的纵、横波速度均随着温度的变大而减小；纵、横波速度与波阻抗结合能够较好地区分砂、泥岩；当入射角较大时，利用弹性阻抗可以比较好地区分砂、泥岩；纵横波速度比对储层的识别效果较好。通过对试验参数和定义的参数排序，指出了研究区最佳的流体敏感参数。

Abstract: The reservoir of lower member of Silurian Kepingtage Formation in Wellblock Shun 9 was deeply buried and it was a low-porosity and low-permeability reservoir. Wave impedance was insensitive to the reservoir and fluid because the well logging curve was seriously affected by borehole. Therefore, the petrophysical characteristics of Silurian reservoir and the sensitive parameters of reservoir and fluid are studied by rock physics test. The influence of pressure on the longitudinal and shear wave velocities of sandstone was greater than that of mudstone. The longitudinal and shear wave velocities of sandstone and mudstone decreased with the increase of temperature. The combination of longitudinal, shear wave velocity with wave impedance could distinguish sand and mudstone well. When the incident angle was large, the sand and mudstone could be separated better by using elastic impedance, and the velocity ratio of P-S wave was better for reservoir identification. By sorting the tested and defined parameters, the optimal fluid sensitive parameters in the study area are pointed out.

1. 引言

顺9井区位于塔里木盆地顺托果勒低隆起，南部紧邻塔中隆起与古城隆起，北邻塔北隆起，东毗邻满加尔凹陷，西侧紧邻阿瓦提凹陷。2011年3月完钻的顺9井在柯坪塔格组下段加砂压裂获得了低产油流，实现了塔中北坡古生界碎屑岩领域的勘探突破。

顺9井区志留系柯坪塔格组埋深大，均在5000 m以下，且储层物性差，孔隙度主要分布在5%~6%之间，渗透率主要分布在0.05~0.5 mD之间，为典型的低孔、特低渗储层。在该地质背景下，储层与非储层的波阻抗差异较小，利用波阻抗无法识别预测储层。然而，储层预测是研究区勘探面临的核心问题之一，因此需要寻找波阻抗以外的其他储层敏感岩石物理参数来预测，而开展岩石物理研究是解决该问题的有效方法。虽然储层岩石物理特征可以通过测井曲线来研究，但研究区多数井的井眼状况不好，导致测井曲线严重失真，因此利用测井曲线来识别目的层岩石物理特征比较困难。同时，在埋深大、储层物性差的条件下，储层弹性参数如何随温度、压力、地层岩性、物性的变化还不十分清楚 [1] [2] [3] 。鉴于上述问题，需要对研究区目的层开展岩石物理试验研究来寻找储层敏感弹性参数，确定研究区目的层段岩石弹性参数(如阻抗、速度比等)与储层参数(岩性、孔隙度、流体等)之间的响应规律，为储层预测奠定物理基础。

2. 岩石物理参数测试及规律分析

2.1. 压力、温度及流体效应

砂岩和泥岩的纵波速度(v_p)、横波速度(v_s)均随着压力(p_c)的变大而增大，加压初始阶段变化相对较快，后期相对较慢(图1)。砂岩和泥岩的v_p、v_s均随着温度(t)的变大而减小，到70℃左右变化缓慢，而后速度变化相对加快(图2)。

Figure 1. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of confining pressure

图1. 砂岩v_p (a)、v_s (b)随p_c的变化规律

Figure 2. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of temperature

图2. 砂岩v_p (a)、v_s (b)随t的变化规律

从图3中可以看出，砂岩的v_p随含气体饱和度(S_g)呈非线性变化，岩石含有少量气体时，能产生较大的v_p变化；当含气量增大后，岩石v_p对S_g的变化不敏感；砂岩的v_s不随S_g的变化而改变，说明横波对S_g、含水饱和度(S_w)变化不太敏感。

Figure 3. The sandstone P-wave velocity and S-wave velocity with the change of gas saturation

图3. 砂岩v_p (a)、v_s (b)随S_g的变化规律

2.2. 岩石物理参数与孔隙度关系

通过统计岩心样品的密度(ρ)与孔隙度(f)的关系(图4)可以看出，砂岩和泥岩的ρ都随f的增大而减小，且泥岩平均ρ比砂岩大。从图5中可以看出，砂岩和泥岩的v_p、v_s均随f的增大而减小，泥岩平均f比砂岩小。

Figure 4. The density of sandstone and mudstone with the change of porosity

图4. 砂岩和泥岩的ρ随f变化

Figure 5. P-wave and S-wave velocity of sandstone and mudstone with the change of porosity

图5. 砂岩和泥岩的v_p (a)、v_s (b)随f的变化

3. 储层敏感岩石物理参数分析

由于研究区目的层储层与非储层的波阻抗差异小，储层的敏感岩石物理弹性参数不明确，为此开展了储层敏感岩石物理参数分析。图6和图7表明，砂、泥岩的v_p与纵波阻抗(Z_p)差异不大，v_s与横波阻抗(Z_s)虽然有差异，但仅使用v_s和波阻抗(Z)也无法区分砂、泥岩，只有将v_p、v_s与Z结合起来才能较好地区分砂、泥岩。

Figure 6. The intersection diagram of P-wave velocity and S-wave velocity

图6. v_p-v_s交会图

Figure 7. The intersection diagram of S-wave impedance with P-wave impedance

图7. Z_s-Z_p交会图

Connolly提出的弹性阻抗(I_E)公式中同时包含了纵、横波参数，因此可以试验I_E的储层敏感性。从图8可以看出，当入射角(θ)较小时，单纯利用I_E无法将砂、泥岩区分开；θ增加到16˚，I_E可以比较好地区分砂、泥岩；当θ进一步增大为26˚时，I_E区分砂、泥岩的能力也进一步增强；当θ达到40˚时，I_E可以清晰地把砂、泥岩区分开。

Figure 8. The intersection diagram of elastic impedance and P-wave impedance at different incidence angles

图8. 不同入射角I_E-Z_p的交会图

如图9所示，泥岩的纵横波速度比(v_p/v_s)整体上大于砂岩，其对砂、泥岩的区分效果也比较好。

Figure 9. The intersection diagram of velocity ratio of P-wave and S-wave with P-wave impedance

图9. v_p/v_s-Z_p交会图

4. 岩石物理参数流体敏感性分析

4.1. 岩石物理参数分类

饱水砂岩和饱气砂岩的v_p、v_s均随f的变大而减小(图10)，从趋势线可以看出，饱水砂岩v_p比饱气砂岩大，v_s比饱气砂岩小，但总体数据很难区分，说明在v_p、v_s与f交会图上很难识别流体。因此需要利用新的参数进行流体识别。

Figure 10. The P-wave velocity and S-wave velocity of sandstone with the change of porosity

图10. 砂岩v_p (a)、v_s (b)随f的变化

根据岩石物理原理，影响岩石弹性参数的本质因素是固体介质及其结构、流体的耦合，不同的弹性参数对流体和变形的响应不同 [4] [5] 。从进行流体检测和岩性识别的角度，特别提出了3类参数的概念。

1) S型参数：该类参数对流体不敏感。由于流体不传递剪应力，岩石的剪切模量(G)对孔隙中流体不敏感，与G有关的一类弹性参数，如v_s、参数μ、Z_s等对岩石孔隙中流体的存在以及含量变化都不敏感。从变形的角度看，上述参数主要响应于畸变。不同岩石的剪性参数是不同的，因此S型参数有助于区分岩性。

2) P型参数：如体积模量(K)，v_p、Z_p，拉梅系数(λ)。在物理本质上，它们同时反映了固体介质及其结构、流体的耦合。从变形的角度，对岩石的压缩性比较敏感，该类参数称为体性参数。

3) C型组合参数：用上述弹性参数组合构造出的参数。组合参数应该是多种多样，该次研究特别指由剪性参数与体性参数构造的组合，如v_p/v_s，泊松比(ν)， $Z_{\text{p}}^2-c\cdot Z_{\text{s}}^2$ ， $\lambda -c\cdot \mu$ (c为常数)。

不同岩石物理参数对孔隙流体的敏感程度是不同的，为了量化指标，引进了岩石物理参数流体敏感性的概念。对于两种流体组成的系统，以含水样品为标尺，定义其流体敏感性参数(F_S)：

$F_{\text{S}}=\frac{A_{\text{w}}-A_i}{A_{\text{w}}}$

式中：A为某岩石物理参数；下标w表示水；下标i表示一种流体状态。

F_S一般在0~1之间。F_S越大，则表明参数A对流体就越敏感。

根据样品试验数据，对上述参数的流体敏感性进行计算，统计出流体敏感性序列(图11)。研究区岩石物理参数的F_S按大小依次排序为：

Figure 11. The fluid sensitivity sequence diagram of main parameters in the study area

图11. 研究区主要参数流体敏感性序列图

$\left(Z_{\text{p}}^2-\text{2}.\text{15}{Z}_{\text{s}}^2\right)>\left(\lambda -0.\text{15}\mu \right)>\lambda >\lambda /\mu >\nu >Z_{\text{p}}>\rho >v_{\text{p}}/v_{\text{s}}>v_{\text{p}}>\mu >v_{\text{s}}$

上述3类岩石物理参数的特征对流体的响应说明了组合参数在流体检测上有特别的意义。下面针对3类岩石物理参数交会对砂岩样品流体识别进行分析。

4.2. P型参数与P型参数关系分析

对研究区v_p、ρ、Z_p、K、λ等P型参数进行交会分析，发现饱水砂岩和饱气砂岩数据重叠多(图12)，因此砂岩在ρ-v_p交会图及Z_p-v_p交会图上均不能进行流体识别。饱水砂岩K和饱气砂岩K在v_p小的区域可以区分，在v_p大的区域重叠多，不能区分；饱水砂岩λ比饱气砂岩λ大，数据重叠少，基本可以区分开(图13)。

Figure 12. The intersection diagram of sandstone density and P-wave impedance with P-wave velocity

图12. 砂岩ρ(a)、Z_p (b)与v_p交会图

Figure 13. The intersection diagram of sandstone bulk modulus and lame constant with P-wave velocity

图13. 砂岩K (a)、λ(b)与v_p交会图

4.3. P型参数与S型参数关系分析

从图14、图15、图16上可以看出，饱气砂岩的v_s比饱水砂岩v_s大，数据有重叠，但大部分可以分开；饱气砂岩的Z_s比饱水砂岩Z_s大，数据有部分重叠，但总体上可以分开；饱气砂岩的G主要分布在饱水砂岩G的左边，数据很少重叠，大致可以区分开。

Figure 14. The intersection diagram of sandstone S-wave velocity with P-wave velocity

图14. 砂岩v_s-v_p交会图

Figure 15. The intersection diagram of sandstone S-wave impedance with P-wave impedance

图15. 砂岩Z_s-Z_p交会图

Figure 16. The intersection diagram of sandstone shear modulus and lame constant

图16. 砂岩G-λ交会图

4.4. P型参数与C型组合参数关系分析

饱水砂岩的v_p/v_s比饱气砂岩大，数据重叠少，说明研究区砂岩在饱含气、水时，利用v_p/v_s-v_p交会图及v_p/v_s-Z_p交会图可以大致将两者区分开(图17)。ν本质上与v_p/v_s相同，从图18上可以看出，饱水砂岩ν比饱气砂岩ν大，数据重叠少，利用ν-v_p交会图及ν-Z_p交会图可以将饱气砂岩与饱水砂岩区分开。构建的组合参数 $\lambda -0.\text{15}\mu$ 和 $Z_{\text{p}}{}^2-\text{2}.\text{15}{Z}_{\text{s}}^2$ ，饱水砂岩比饱气砂岩大，数据重叠少，可以将饱气砂岩和饱水砂岩区分开(图19)。

Figure 17. The intersection diagram of P-wave velocity and impedance with velocity ratio of P-wave and S-wave

图17. 砂岩v_p (a)、Z_p (b)与v_p/v_s交会图

Figure 18. The intersection diagram of P-wave velocity and impedance with poisson ratio

图18. 砂岩v_p (a)、Z_p (b)与v交会图

Figure 19. The intersection diagram of sandstone parameters with poisson ratio

图19. 砂岩λ—0.15μ (a)、Z_p²—2.15Z_s² (b)与Z_p交会图

5. 结论

1) 压力对砂岩的v_p、v_s影响大，并且与砂岩的f成正比；压力对泥岩的v_p、v_s影响小，与泥岩ρ高、压实程度大有关；砂岩和泥岩的v_p、v_s均随t的变大而减小；砂岩v_p随S_g呈非线性变化，饱水岩石含有少量气体时就能产生较大的v_p变化。

2) 研究区目的层砂、泥岩的v_p和Z_p差异不大，将v_p、v_s和Z结合起来才能较好地区分砂、泥岩；随着θ从6˚增大到40˚，I_E区分储层的能力也越来越强，当θ较大时，利用I_E可以比较好地区分砂泥岩；v_p/v_s区分储层的效果也比较明显。

3) P型参数基本上不能识别流体，S型参数和P型参数结合起来可以在一定程度上区分饱气砂岩和饱水砂岩，C型组合参数识别流体的效果比较好。利用定义的F_S，计算出研究区岩石物理参数的F_S按大小依次排序为： $\left(Z_{\text{p}}^2-\text{2}.\text{15}{Z}_{\text{s}}^2\right)>\left(\lambda -0.\text{15}\mu \right)>\lambda >\lambda /\mu >\nu >Z_{\text{p}}>\rho >v_{\text{p}}/v_{\text{s}}>v_{\text{p}}>\mu >v_{\text{s}}$ 。