地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (12): 4528-4539   PDF    
四川盆地侏罗系致密砂岩弹性特征及岩石物理建模
王斌1, 陈祥忠2, 陈娟1, 姚军1, 谭开俊1     
1. 中国石油勘探开发研究院西北分院, 兰州 730020;
2. 北京桔灯地球物理勘探股份有限公司, 北京 102200
摘要:近年来围绕四川盆地侏罗系陆相致密砂岩已取得了勘探突破,其中川中—川西过渡带具备形成大气田的地质条件,但对该套致密砂岩弹性性质变化规律的研究还较少,致使利用地震方法进行"甜点"储层预测的精度不高.本文利用四川盆地侏罗系沙溪庙组32块样品开展了系统的声学测量,在此基础上,分析了样品弹性性质的变化规律.结合X射线衍射矿物组分分析、扫描电镜、铸体薄片和岩石薄片特征确定了不同成岩作用对岩石储集性能的影响.研究结果表明,研究区致密砂岩储层表现为孔隙型储层,受差异性成岩作用影响,黏土含量、钙质含量和硅质含量的差异以及它们分布特征之间的差异对岩石弹性性质造成了很大的影响.在研究区对岩石物性及弹性性质有明显影响的成岩作用包括早期的钙质胶结作用、压实作用和溶蚀作用,因此针对不同时期的成岩作用对岩石弹性及物性的影响,利用接触-胶结模型、微分等效模量模型和临界孔隙度校正的Hashin-Shtrikman上限模型建立了研究区致密砂岩的岩石物理模型.
关键词: 致密砂岩      四川盆地      差异性成岩作用      岩石物理特征     
Elastic characteristics and petrophysical modeling of the Jurassic tight sandstone in Sichuan Basin
WANG Bin1, CHEN XiangZhong2, CHEN Juan1, YAO Jun1, TAN KaiJun1     
1. Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Lanzhou 730020, China;
2. Beijing Orangelamp Geophysical Exploration Company Limited, Beijing 102200, China
Abstract: In recent years, a breakthrough has been made in the hydrocarbon exploration of the Jurassic continental tight sandstone in Sichuan Basin. It has clarified that the transition zone between central and Western Sichuan has the geological conditions to form large-scale gas fields. However, there are few studies on the elastic properties of this set of tight sandstone, resulting in the low accuracy of "sweet spot" reservoir prediction using seismic methods. To solve this problem, this study uses 32 samples from the Jurassic Shaximiao Formation in the Sichuan Basin to conduct a systematic acoustic measurement, based on which the change pattern of seismic elastic properties of the samples are analyzed. The effects of different diagenesis on rock reservoir performance are determined by integrating X-ray diffraction mineral composition analysis, scanning electron microscopy, and thin section characteristics of castings and rocks. Results show that the tight sandstone reservoirs in the study area behave like a porous type, and is affected by differential diagenesis. The differences in clay, calcium and silica contents as well as their different distribution characteristics have a great impact on the elastic properties of rocks. The early calcitic cementation as well as the compaction and dissolution with intense plastic clastic particles has significant impact on the rock porosities and seismic elastic properties in the study area. Therefore, the petrophysial model of the tight sandstone in the study area is established by using a contact-cementation model, differential equivalent modulus model and the Hashin-Shtrikman upper bounds for critical porosity correction, respectively.
Keywords: Tight sandstone    Sichuan Basin    Differential diagenesis    Rock physical properties    
0 引言

致密砂岩气的勘探已经是国内非常规天然气勘探的重中之重,特别是从中国石油近年来公布的资料来看,致密砂岩气的总储量已经达到了中国天然气总储量的三分之一,因此围绕致密砂岩气的勘探将是今后天然气勘探的最重要和最现实的领域之一(王大兴,2016邓继新等,2018戴金星等,2012田志等,2019李鹭光等,2020蔡勋育等,2020).四川盆地中浅层陆相致密砂岩的勘探历史悠久,针对侏罗系沙溪庙组、三叠系须家河组已发现多个油气藏.但由于这套储层的物性较差,在早期勘探中人们对其重视程度不够,未形成工业开采价值.近年来,随着非常规油气勘探技术的进步,逐步认识到四川盆地致密砂岩气的勘探潜力较大.

沉积物本身的内在特征(碎屑组分和结构)在一定程度上制约着成岩作用的发生和发展,从而引导出不同的成岩作用过程进而影响孔隙的演化进程(French et al., 2012赖锦等,2013林春明等,2011罗静兰等,2014曹晓初等,2019王瑞飞等,2020),后者直接导致岩石物性的不同,并由此影响其储集性能(罗静兰等,2010).前人有关差异性成岩作用对储层储集性能影响的研究主要通过储层孔隙演化过程的恢复,讨论储层在不同成岩环境(酸碱环境、氧化还原环境)中的孔隙变化规律,并定量分析各类成岩作用对储层物性的具体影响(况晏等,2017邢文军等,2018朱宁等,2019周国锋和龚松涛,2020).本文主要通过超声频段的致密砂岩系统声学测量、岩石学特征及对应成岩作用的分析,在总结致密砂岩储层物性的主要影响因素的前提下,总结不同成岩作用对致密砂岩改造后岩石弹性性质的变化规律,并结合成岩过程明确不同成岩作用对矿物组分及胶结特征和孔隙结构的影响,建立了研究区致密砂岩储层的岩石物理模型.

1 四川盆地侏罗系致密砂岩岩石学特征及成岩作用类型 1.1 致密砂岩储层岩石矿物学特征

四川盆地侏罗系沙溪庙组主要的岩性为:长石石英砂岩,长石砂岩及少量岩屑长石砂岩(图 1).砂岩的矿物成分为长石、石英、岩屑及碎屑云母等(唐大海等,2020).碎屑成分中石英含量为50.92%~70.0%,平均为57.88%;长石含量7.17%~20.6%,平均为14.95%;岩屑含量8.23%~16.5%,平均为13.29%,成分有变质岩岩屑、沉积岩岩屑和岩浆岩岩屑.杂基含量为3.24%~40%,平均为8.75%.胶结物含量为1%~28%,平均为5.13%,成分以方解石为主,次为片状伊利石.由于样品中石英的成份含量较高,而长石与岩屑含量较低,因此表明四川盆地致密砂岩的成分成熟度高,也表明岩石的抗压性较差,物性相对较差.样品中填隙物的体积分数变化较小,一般为22.1%~33.2%,平均为27.6%.胶结物占填隙物总量的57.8%,以黏土与方解石为主,含少量石英加大、长石加大及硬石膏.杂基含量占填隙物的42.2%, 主要为泥质,其次为绿泥石和云母.填隙物的种类、含量、赋存状态等对储层的储集性能影响较大.

图 1 四川盆地沙溪庙组致密砂岩样品矿物组分三角图 Fig. 1 Petrological features of the tight sandstones of the Jurassic Shaximiao Formation in the Sichuan Basin
1.2 致密砂岩储层主要的成岩作用类型

影响储集层发育的因素有沉积环境、成岩作用及埋藏史等,其中成岩作用是影响储集层物性的关键因素之一.通过显微薄片、阴极发光、扫描电镜等分析,压实(压溶)、胶结、交代、溶蚀等成岩作用对四川盆地侏罗系致密砂岩储集层有重要影响(谢继容等,2004).

(1) 压实作用

研究区侏罗系砂岩储集层经历了强烈的压实作用,主要表现有:碎屑颗粒间的凹凸接触和缝合接触,云母定向排列及压弯变形(图 2a),石英、长石等脆性颗粒被压裂破碎(图 2b)等.压实作用是侏罗系砂岩致密化的主要因素之一,导致储集层原生孔隙大幅度减小.

图 2 四川盆地致密砂岩的典型成岩作用微观特征 (a)压实作用典型镜下特征(云母定向排列);(b)压实作用典型扫描电镜图像(脆性矿物被压碎破裂);(c)胶结作用典型镜下特征(早期方解石胶结);(d)胶结作用典型扫描电镜图像(早期方解石胶结);(e)胶结作用典型镜下特征(泥质接触式胶结孔隙被充填);(f)胶结作用典型扫描电镜图像(泥质胶结基底式胶结);(g)胶结作用典型扫描电镜图像(泥质接触式胶结孔隙未充填);(h)胶结作用典型扫描电镜图像(硅质胶结);(i)交代作用典型扫描电镜图像(方解石交代碎屑颗粒);(j)交代作用典型镜下特征(方解石交代长石);(k)溶蚀作用典型镜下特征(粒间溶孔);(l)溶蚀作用典型镜下特征(粒内溶孔). Fig. 2 Typical diagenetic processes for the tight sandstones in Sichuan Basin (a) Compaction(directed arrangement of mica); (b) SEM image of compaction(brittle mineral fractured); (c) Cementation(early calcite cementation); (d) SEM image of cementation(early calcite cementation); (e) Cementation(argillaceous cementation pore filled); (f) SEM image of cementation(argillaceous basement cement); (g) SEM image of cementation(argillaceous contact cement and not fill the pores); (h) SEM image of cementation(Siliceous cementation); (i) SEM image of metasomatism(calcite metasomatic detrital particles); (j) Metasomatism(calcite metasomatic feldspar); (k) Dissolution(intergranular pore); (l) Dissolution(intragranular dissolved pore).

(2) 胶结作用

侏罗系砂岩中存在多种胶结物,虽然胶结物在储集层演化过程中总体呈现出充填孔隙、破坏储集层作用,但特定的胶结物也对储集层形成和保存有一定的建设性作用.在研究区的储层中主要的胶结物有早期方解石胶结(图 2cd)、泥质胶结(图 2efg)和石英次生加大产生的硅质胶结(图 2h)等.

(3) 交代作用

研究区侏罗系砂岩储集层交代作用十分普遍.凉高山组为方解石交代石英、长石等;沙一段为浊沸石、方解石交代碎屑颗粒,主要沿碎屑颗粒边缘或解理缝交代,使被交代颗粒的边缘不规则.从交代作用对储集层孔隙的影响看,研究区侏罗系主要为方解石交代石英、方解石交代碎屑颗粒(图 2ij)等,表现为交代矿物体积小于被交代的矿物,孔隙体积增大,但新增孔隙有限,主要贡献在于沿颗粒边缘形成新的不规则喉道.

(4) 溶蚀作用

溶蚀作用是侏罗系砂岩储集层次生孔隙形成的关键.四川盆地侏罗系自流井组大安寨段和凉高山组自身烃源岩发育,早白垩世,烃源岩进入生烃高峰期,与烃类伴生的有机酸进入侏罗系砂岩储集层,对长石、岩屑、方解石胶结物等进行溶蚀改造,形成粒内溶孔、粒间溶孔等次生孔隙(图 2kl),提高了储集层的储集性能.同时,烃类流体进入储集层,可以阻碍自生胶结矿物的形成,有利于孔隙的保存.

2 四川盆地侏罗系致密砂岩储层岩石物理特征 2.1 实验样品制备与测试方法

本次研究所选用的致密砂岩全岩心样品取自四川盆地川中地区侏罗系沙溪庙组,共32块砂岩样品.优选岩芯保存完好,高度大于70 mm的全直径岩芯钻取柱塞样.样品渗透率、孔隙度均采用标准气测法得到.将横截面积为A长度为L的岩石,放入岩心夹持器中,采用氮气作为气源,氮气在差压ΔP(P1-P2)条件下流过岩心,测得流量Q,依据达西定律公式,计算出渗透率值.渗透率测试过程气泡流量试管最小刻度为l mL,测试秒表精确到l ms,测试压力表精确到0.00l MPa.本次工作利用XRD得到岩石样品的矿物组分,并进一步计算得到岩石等效颗粒密度,在测量出岩石干燥密度后,可较为准确地计算出岩石样品的孔隙度(总孔隙度).利用超声波脉冲穿透法测定样品速度,装置配套纵波PZT换能器的主频为800 kHz,横波主频为350 kHz.实验样品参数见表 1.

表 1 致密砂岩样品矿物组分特征与岩石物理测试结果数据表 Table 1 Mineral composition and petrophysical test results of tight sandstone samples
2.2 致密砂岩密度及纵横波速度变化规律

研究区致密砂岩储层密度受胶结物的差异表现出不同的特征.图 3为饱水砂岩样品纵波波速与密度的交会图,从测试结果可知研究区致密砂岩样品的密度在2.45~2.65 g·cm-3之间,纵波速度在4841~5978 m·s-1之间.从图中可以看出,样品数据点在Castagna砂、泥岩之间.且岩石样品中主要矿物组分发生变化后,样品密度与速度的关系是不同的,即随样品中泥质含量的增加数据点逐渐向泥岩线移动.而钙质胶结样品主要在砂岩和灰岩线之间反映样品以石英和钙质含量为主,随着钙质含量的增加逐渐向灰岩线变化.

图 3 研究区致密砂岩纵波速度与密度的交会图 Fig. 3 P-wave velocity versus density for the tight sandstone in the study area

研究区样品在干燥及水饱和条件下的纵、横波速度的交会图如图 4所示,图中数据点均为模拟储层条件下该层样品的超声实验测量值.干燥及水饱和条件下纵、横波速度呈明显的线性关系,干燥下回归直线过原点.所得到的纵横波速度之间的关系与常用的泥岩线公式和李庆忠线均有明显差异,按泥岩线公式所计算得到的纵、横波速度比实际测试得到的纵、横波速度明显偏大;与李庆忠所给出的饱水砂岩经验关系计算的结果相比,实际测试得到的纵波速度略微偏小.

图 4 致密砂岩样品纵波速度与横波速度的交会图 Fig. 4 P-wave velocity versus S-wave velocity for the tight sandstone in the study area
2.3 致密砂岩物性变化规律

对致密砂岩样品的物性测试结果进行统计表明,样品孔隙度最小为0.6%,最高为12.8%,孔隙度值较为分散,渗透率变化较大,最小值0.002 mD,最大值0.868 mD,渗透率主要在0.1 mD以下.

从孔隙度与渗透率的交会图来看,孔隙度与渗透率具有正相关关系,即随着孔隙度的增加渗透率增加,它们之间相关性较好(图 5).砂岩样品孔隙度明显受黏土含量的控制,当黏土含量小于8%时,孔隙度及渗透率均随黏土含量的增大而增大.造成这种变化的主要原因是,样品不含或者含有少量黏土时,岩石的初始渗透率较大,造成含有一定矿物的流体易于在孔隙内流动,使得早期钙质胶结以及后期的硅质胶结易于发生,表现为纯砂岩更易于发生钙质胶结和硅质胶结而使得岩石有效孔隙度迅速降低而致密化,孔隙度降低过程中岩石的渗透率也随之降低.随着黏土含量的逐渐升高,黏土堵塞孔喉使得岩石初始渗透率降低,早期胶结不易于发生而保留较高的孔隙度和渗透率.当黏土含量大于8%时,孔隙度随黏土含量的增加反而减少,这主要是因为黏土含量的增加造成更多的黏土充填于原生孔隙之中,使得孔隙度降低,同时岩石样品的渗透率也逐渐降低(图 6).

图 5 研究区致密砂岩样品孔隙度与渗透率的交会图 Fig. 5 Porosity versus permeability for the tight sandstone in the study area
图 6 研究区致密砂岩样品物性参数与黏土含量的交会图 (a)黏土含量与孔隙度;(b)黏土含量与渗透率. Fig. 6 Porosity and permeability versus clay content for the tight sandstone in the study area (a) Clay content vs. porosity; (b) Clay content vs. permeability.
3 差异性成岩作用对致密砂岩储层弹性性质的影响

通过第2节对致密砂岩样品弹性参数特征与物性特征的分析可以看出,四川盆地侏罗系致密砂岩由于胶结物的差异在弹性性质上(密度、速度和孔隙度)存在明显差异.在主要的造岩矿物种类及含量差异不大的情况下,受差异性成岩作用影响,黏土含量、钙质含量和硅质含量的差异以及它们分布特征之间的差异对岩石弹性性质造成了很大的影响.相同孔隙度钙质胶结样品与泥、硅质胶结样品的速度差异可能大于1000 m·s-1(图 7).

图 7 致密砂岩样品速度与孔隙度的交会图 Fig. 7 Velocity versus porosity for tight sandstone

根据样品对应铸体薄片分析可以看出,低速度泥、硅质胶结样品主要为黏土胶结,黏土颗粒充填于刚性石英颗粒之间,具有典型的泥质接触型胶结和孔隙胶结(图 2e);对于钙质胶结样品,孔隙度极低的样品石英颗粒悬浮于钙质胶结物中,为典型的基底式胶结(图 2c).因此,胶结物差异是造成两个地区岩石速度出现差异的重要原因.这种差异亦反映到拟合公式外推至零孔隙度时的速度差异(即矿物点速度),泥、硅质胶结与钙质胶结样品矿物点速度值分别为5524 m·s-1和6459 m·s-1,而典型砂岩矿物点速度值范围为:5480~5950 m·s-1,碳酸盐岩矿物点速度值范围为:6400~7000 m·s-1,泥、硅质胶结样品的速度接近于砂岩值下限是泥质矿物影响的结果,而受钙质胶结物的影响钙质胶结样品的速度超过了砂岩上限.两种样品孔隙类型及孔隙结构也存在明显的差异,钙质胶结样品溶蚀作用强,孔隙以次生溶蚀孔隙为主,孔隙纵横比较大而使得其刚性较强;泥、硅质胶结样品溶蚀作用较弱,孔隙以原生粒间孔隙为主,孔隙纵横比较小而使得其刚性较弱.

从纯砂岩到泥质砂岩、砂质泥岩最后到纯页岩(泥岩)是一个黏土含量逐渐增加而长英质矿物(如石英、长石等)逐渐减少的过程,它们是四川盆地陆相碎屑岩最主要的一组岩石类型.一些研究结果已经证明黏土是造成砂岩实验结果在速度-孔隙度交会图中出现离散的重要原因,并利用实验结果给出了地震波速度与孔隙度及黏土含量之间的经验关系(Kowallis et al,1984Han et al., 1986).但上述经验关系并没有考虑到黏土在岩石中不同位置对岩石弹性性质的影响.图 8是川中地区砂岩样品纵、横波速度与黏土含量的交会图.从图中可以看出,当黏土含量较小时随着黏土含量的增加纵、横波速度迅速下降,这种变化主要是因为岩石中胶结类型发生变化,即从低黏土含量的钙质胶结变为泥质接触型胶结.随着黏土含量的进一步增大,更多的黏土则充填到孔隙中(图 2efg),造成孔隙度的减小,速度的增大.从实验结果看,作为骨架颗粒的黏土对速度的变化起决定作用,孔隙充填黏土对孔隙的改变虽然较为明显,但对速度的改变较弱.黏土赋存方式的转变造成在黏土含量与速度的交会图中速度随黏土含量的变化表现为“V”字型.

图 8 致密砂岩样品纵、横波速度随黏土含量变化关系 Fig. 8 Velocity varying with clay content for the tight sandstone of the Shaximiao Formation reservoirs

样品的钙质含量和黏土含量对纵、横波速度及速度比都有较大的影响(图 9).从图中可以看出,较为纯净的砂岩表现出最低的纵、横波速度比,随着黏土含量及钙质含量的增加速度比均增大,因此速度比作为划分泥、砂岩的主要指标存在一定的多解性,需要结合阻抗来综合判断岩性.泥质含量对样品速度比的影响更为明显,使速度比从少量泥质含量时的1.5增大至1.8左右.而钙质含量更多的影响速度大小,亦使速度比从1.5增大至1.7左右.当然胶结物对速度的影响并不单一,也存在部分样品在较高钙质含量以及较低的孔隙度与黏土含量时速度反而较低,出现这种现象主要是不同的孔隙结构对岩石弹性性质影响的结果.

图 9 矿物组分对致密砂岩样品纵、横波速度及速度比的影响 (a)不同黏土含量样品VPVP/VS;(b)不同黏土含量样品VSVP/VS;(c)不同钙质含量样品VPVP/VS;(d)不同钙质含量样品VSVP/VS. Fig. 9 Effects of mineral composition on VP and VS and VP/VS of tight sandstone specimens (a) VP and VP/VS of samples with different clay contents; (b) VS VP/VS of samples with different clay contents; (c) VP and VP/VS of samples with different calcareous contents; (d) VS and VP/VS of samples with different calcareous contents.
4 岩石物理建模

为了建立研究区致密砂岩储层的岩石物理模型,我们分析了饱含水条件下样品的速度与孔隙度关系,如图 10所示.从图中可知,实际测试的速度结果落在Ruess-Voigt边界内但与Voigt理论上限差异很大(除孔隙度完全被石英、方解石等胶结物充填的样品以外),由于Voigt理论上限给出的速度范围过宽因此在研究区中并不适用.临界孔隙度校正的Hashin-Shtrikman公式(MHS)上限给出的速度-孔隙度变化结果与图中Ⅰ区钙质胶结样品实验结果的变化趋势一致,从孔隙胶结物的含量看该区内砂岩孔隙度的变化主要是因为孔隙胶结物含量的差异造成的,因此从这个角度说如果成岩作用是造成岩石孔隙度降低的主因,那么其速度-孔隙度关系表现的相对较陡,孔隙度变化对速度的影响可用临界孔隙度校正的Hashin-Shtrikman公式或者Voigt公式定量表征.Ⅱ区内主要为泥质胶结的砂岩样品,在Ⅱ区内样品孔隙度的变化主要是因为样品组成颗粒分选性、泥质含量的差异造成的.由于孔隙胶结物含量差异不大,随分选性的变差以及泥质含量的增加孔隙度逐渐减小,但上述变化对样品的弹性波速度的影响并不十分明显,在图中可以看出Ⅱ区内的样品速度-孔隙度关系相对较平.胶结物、黏土含量、分选性对岩石速度-孔隙度关系有明显的影响,这种影响主要表现为上述关系的斜率差异,这为解释岩石特性提供了一种方法.

图 10 临界孔隙度校正的Hashin-Shtrikman模型与实际测试结果的对比图 Fig. 10 Comparison of between the Hashin-Shtrikman model which used the critical porosity corrected and actual test results

岩石的孔隙度及弹性性质是整个沉积-成岩过程综合作用的结果,但对岩石孔隙度及弹性性质有明显影响的成岩作用主要为早期钙质胶结、塑性碎屑颗粒强烈的压实作用和溶蚀作用.其中,早期钙质胶结使得颗粒集合体初步固结,胶结物起到了"焊接"颗粒的作用,因此会明显增加岩石的刚度.在孔隙度改变较小的情况下,纵、横波速度出现明显的增加.接触-胶结模型(Dvorkin,1996)假定砂岩最初是由相同粒径的石英颗粒紧密堆积而成,此时岩石的孔隙度为临界孔隙度值(Φc≈40%).砂岩孔隙度的持续减小是由于后期胶结物不断附着于石英颗粒表面的结果,砂岩的有效弹性模量也随之增加,尤其是最初的少量胶结物会使岩石的孔隙度在发生很小改变的情况下,速度及模量明显增加.接触-胶结模型为

(1)

式中KeffGeff分别为胶结矿物集合体在干燥条件下的有效体积及剪切模量,McGc为胶结物的体积及剪切模量,SnSτ为与岩石刚度有关的统计弹性参数.由于侏罗系沙溪庙组储层砂岩分选性较差,临界孔隙度值在本次计算中定为φ0≈32%,钙质胶结物含量为5%,其他弹性参数见表 2.

表 2 单矿物弹性参数表 Table 2 Elastic parameters of single mineral

溶蚀作用对储层砂岩孔隙度具有明显的影响,其对弹性波速度的影响主要通过孔隙度及其形状共同起作用,可假定储层砂岩在经过压实和后期化学胶结后孔隙度为零,溶蚀作用又使得岩石达到一定的孔隙度.考虑孔隙形状的影响,可利用微分等效模量模型(DEM)计算岩石从零孔隙度至孔隙度为ϕ的弹性性质变化.DEM模型为

(2)

式中:ϕ为样品孔隙度,K*μ*分别为岩石的等效体积和剪切模量,Ki为孔隙流体体积模量,极化因子T1(α)、T2(α)分别为纵横比α的函数(Mavko et al., 2003).在具体计算时均假设微裂隙在岩石中具有随机分布特征,整个岩石介质表现为各向同性.

储层压实作用主要发生在早期钙质胶结之后,对储层岩石孔隙度及弹性性质均有较为明显的影响.采用临界孔隙度校正的Hashin-Shtrikman弹性上限连接早期钙质胶结作用点与溶蚀孔隙作用点,Hashin-Shtrikman弹性上限表示为

(3)

式中:KSSμSS分别为“软”端元组分的体积模量与剪切模量,即孔隙度为ϕc的等径球状颗粒集合体在一定静水压力下的等效模量;K0μ0为“硬”端元组分的体积模量与剪切模量.综上所述,四川盆地致密砂岩岩石物理表征模型如图 11所示.在孔隙系统互连的情况下,利用Gassmann关系进行流体替换得到不同流体饱和时岩石的弹性参数.

图 11 四川盆地致密砂岩岩石物理模型 Fig. 11 A novel petrophysical model for the tight sandstone of Sichuan Basin

砂岩样品干燥(图 12a)及水饱和(图 12b)条件下的纵、横波速度测试结果与我们建立的致密砂岩岩石物理模型计算结果之间的关系如图 12所示.实验结果所表现出的速度-孔隙度关系与模型计算结果具有一致的变化趋势,在DEM模型中孔隙的纵横比α=0.05能够给出实验结果的下限值,而纵横比α=0.15则可给出实验结果的近似上限值,表明实验样品的孔隙纵横比介于0.05~0.15之间,显示为弹性性质较“硬”的溶蚀类孔隙特征.利用Gassmann方程计算的水饱和条件下速度-孔隙度的结果也能较好解释实验测试结果,如图 13所示.利用所构建的模型计算的纵波阻抗-速度比理论变化关系同样能够较好的解释实验结果.

图 12 四川盆地致密砂岩理论岩石物理模型与实际样品比较 (a)干燥条件样品;(b)饱水条件样品. Fig. 12 Comparison of the Sichuan Basin tight sandstone theoretical petrophysical model and actual samples (a) The sample under dry condition; (b) The sample is saturated with water.
图 13 四川盆地致密砂岩样品纵波阻抗与纵横波速度比的测试结果与理论模型对比 Fig. 13 The impedence versus VP/VS comparison of test results with the Sichuan Basin tight sandstone modeling predictions
5 结论

本文对四川盆地川中地区侏罗系致密砂岩储层开展了系统的高频岩石物理测试,通过对实验结果的变化规律及影响因素的总结,得到的主要结论如下:

(1) 四川盆地致密砂岩孔隙度与渗透率具有相关性较好的正相关关系,表明研究区储层孔隙类型以孔隙型为主.致密砂岩样品的孔隙度受黏土含量的控制,这主要是在成岩过程中黏土的赋存状态及胶结类型的差异造成的.

(2) 从实验结果来看,作为骨架颗粒的黏土对速度的变化起决定作用,而孔隙中充填的黏土对孔隙的改变虽然较为明显,但对速度的改变较弱.这种黏土赋存方式的差异会使得速度随黏土含量的增大表现为“V”字型的变化规律.

(3) 低速度样品主要为黏土胶结,黏土颗粒充填于刚性石英颗粒之间,其胶结类型为典型的泥质接触型胶结和孔隙胶结;而致密砂岩主要为钙质胶结,对于孔隙度极低的样品石英颗粒悬浮于钙质胶结物中,其胶结类型为典型的基底式胶结.

(4) 利用接触-胶结模型、微分等效模量模型和临界孔隙度校正的Hashin-Shtrikman上限等3类岩石物理模型分别对应早期钙质胶结作用、溶蚀作用和压实作用建立了研究区致密砂岩的岩石物理模型.从模型计算与实际测试样品的对应关系来看,研究区致密砂岩样品的孔隙纵横比介于0.05~0.15之间,显示为弹性性质较“硬”的溶蚀类孔隙特征.

致谢  感谢中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院为本次研究中岩心观察和采样提供的便利条件.
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