地震物理模拟技术主要是通过构建合适的物理模型，运用超声波模拟地震波，研究地震波在不同地质体模型中传播的运动学和动力学特征，是一种有效地正演方法，对地震勘探的方法研究以及波场分析等起到了一定的指导作，随着地震物理模拟技术的发展，常规构造的物理模拟技术发展的较为成熟，模型材料主要以环氧树脂和硅橡胶为主，把两种材料和其他助剂按照一定比例配制所需要的复合材料(魏建新和狄帮让，2006；李智宏等，2009)，所得复合材料在复杂构造及复杂地表的物理模拟中起到了重要作用.随着勘探技术的发展，针对油、气储集区目的层的研究成为了热点，数学模拟在正演模拟方面具有一定的灵活性，但对储层流体地质体的数学建模比较困难，而物理模拟技术更加直观，更接近野外实际勘探，如何构建含有储层流体性质的物理模型是物理模拟技术的关键，因此，选择或调配出能与实际储层流体地质性质相似的模型材料并制作出逼真的储层模型是地震物理模拟技术成功的关键问题之一(郝守玲和赵群，2002；牟永光和裴正林，2005).

地震物理模拟储层流体材料不仅要具有一定的孔隙特性，还要具备饱含流体的功能，制作方法和制作工艺都比较复杂.李芳芳等(2013)采用石英砂和环氧树脂等材料制作了大尺寸人造岩心，从渗透率、孔隙结构、润湿性控制、黏土矿物添加等方面研究了其制作工艺，成功的运用于油藏物理模拟实验；司文朋等(2013)使用压制法制作了人造砂岩，用于研究人造砂岩含气、含水状态下的声学特性；目前储层材料应用最广泛的是利用环氧树脂胶结石英砂制作人造砂岩的方法(林琪等，2001；梁万林，2008；皮彦夫，2010；韩学辉等，2013)，也有利用在空心洞或空心管中填充不同介质或流体来模拟碳酸盐岩溶洞储层的研究(魏建新等，2008；赵群等，2010；徐超等，2014)，目前关于储层材料的研究主要以无机材料为主，使用高分子吸水材料模拟储层流体的研究尚未发现.

本论文以环氧树脂材料为基材，探索通过添加聚丙烯酸钠盐作为吸水材料，同时添加辅助材料如：稀释剂、固化剂、消泡剂、水等优化配方，按照一定的工艺配方制作出含有流体特性的储层流体材料，通过控制吸水材料的吸水量来模拟流体含量不同的储层地质体，用于储层流体的地震物理模拟研究.

1 储层流体材料样品的制作

采用环氧树脂、固化剂、稀释剂、吸水树脂、水、消泡剂按照配方表 1，制作六组试验小样进行测试分析，小样尺寸为10 cm×5 cm×5 cm.材料的含水量均以环氧树脂重量为基准计算.

表 1(Table 1)

表 1 试验小样配方 Table 1 The formula of test samples 样品编号 环氧树脂(g) 固化剂(g) 稀释剂(g) 吸水树脂(g) 水(g) 消泡剂(g) 1 200 50 40 1 2 200 50 40 2 5 1 3 200 50 40 2 10 1 4 200 50 40 2 15 1 5 200 50 40 2 20 1 6 200 50 40 2 25 1

表 1 试验小样配方 Table 1 The formula of test samples

制作过程分两步，第一步制作环氧树脂基材，根据配方用量称取一定的环氧树脂和固化剂，把环氧树脂和固化剂进行混合，充分搅拌并进行真空脱泡处理；第二步配制吸水材料，根据配方称取一定量的稀释剂、吸水材料和水，首先把吸水树脂分散到稀释剂中，然后加入水，搅拌混合均匀后加入到第一步配制好的基材中，混合均匀后进行真空脱泡处理，最后把配制好的复合材料注入10 cm×5 cm×5 cm的模具中，固化反应24小时后脱模.

2 储层流体材料的基本特征 2.1 储层流体材料的微观结构

为了研究吸水材料吸水前后在环氧树脂基材中的微观变化，采用爱国者数码观测王GE5电子显微镜，选用180倍镜头对不同吸水量的储层样品进行了分析发现，吸水材料在自然状态下为多孔球形颗粒，吸水后，材料由外到内渐渐膨胀舒展，在搅拌作用下，吸水后的材料部分形态遭到破坏，部分球形结构变成团雾状，结果如图 1所示，图 1a为吸水树脂在不吸附水时的状态，以独立的球形分散于环氧树脂基材中；图 1b为吸附水含量为5%时的状态，吸水材料吸附少量水后稍微舒展膨胀，但吸水材料中心含有大量气体；图 1c为吸附水含量为10%时的状态，吸水材料吸附大量水后舒展膨胀，部分吸水材料中心含有少量气体；图 1d为吸附水含量为12.5%时的状态，吸水材料完全饱水后舒展膨胀，吸水材料中心不含气体.由此，可以通过控制添加水的含量来控制储层模型中流体的含量，通过真空脱泡的方式来控制含气量，使储层流体材料不仅具有含流体特性，也具有一定的含气特性.

图 1

Fig. 1

图 1 储层材料微观结构(放大倍数 180倍) (a)含水量0%；(b)含水量5%(c)含水量10%；(d)含水量12.5%.Fig. 1 Reservoir microstructure(magnification of 180 times) (a)water content 0%；(b)water content 5%；(c)water content 10%；(d)water content 10%.

实验采用泰克牌脉冲发生器和170 kHz超声波纵波换能器，采用透射法对六组样品进行了纵波传播时间测试，由Vp=L/t(Vp：纵波速度，L：样品长度，t：纵波传播时间)计算得到六组样品的纵波速度依次为：2550 m/s、2502 m/s、2480 m/s、2455 m/s、2425 m/s、2376 m/s.

图 2为六组样品的纵波速度随着储层材料含水量的增加呈下降趋势图，符合实际储层地质体中，岩层纵波速度随着孔隙度和储层流体含量的增加呈下降趋势(肖昆等，2010；张永浩等，2013)的规律.

图 2

Fig. 2

图 2 材料纵波速度与含水量的关系Fig. 2 The relationship between P-wave velocity and water content of materials

根据物理模拟技术的相似模拟准则，比例尺为110000，即换能器为170 kHz时，按照110000比例尺转换后为17 Hz.通过频谱分析发现，纯环氧树脂材料的主频为15.63 Hz，如图 3a，频谱图为单峰，而随着吸水材料的加入和含水量的提高，储层材料的主频逐渐降低，并且频谱图会出现双峰现象，如图 3b为含水量为5%的3号样，其主频为11.72，频谱出现弱的双峰；图 3c为含水量为10%的5号样，其主频为9.77，频谱出现较强的双峰，图 3d为材料主频与储层材料含水量的关系趋势图，随着储层材料中含水量的增加，储层材料主频呈下降趋势，与实际储层地质的频谱特性比较相似.(蔡瑞，2003；于豪等，2013).

图 3

Fig. 3

图 3 材料的频谱 (a)纯环氧树脂;(b)含水5%;(c)含水10%;(d)材料主频与含水量的关系. Fig. 3 The spectrum of materials (a)Pure epoxy resin;(b)Water content 5%;(c)Water content 5%;(d)The relationship between frequency and water content of materials.

为了进一步探索储层流体材料的应用效果，构建了60 cm×40 cm×6 cm的物理模型(如图 4)，模型底层为纯环氧树脂材料，顶层为纯硅橡胶材料，吸水材料在两层中间，分四个区域，1区为对照区，不含吸水材料，2区含有吸水材料，但不吸附水，3区含5%的水和较多的气，4区含10%的水和少量的气.采用物理模拟系统进行数据采集，观测系统为自激自收的方式，偏移距为2 cm，采集面为40 cm×30 cm.

图 4

Fig. 4

图 4 物理模型Fig. 4 Physical model

对采集数据进行偏移处理后，分别对三层层位做了振幅能量切片，如图 5，图 5a为第一层纯硅胶的振幅能量切片，图 5b为第三层纯环氧树脂的振幅能量切片，图 5c、图 5d为第二层储集层的的振幅能量切片，从振幅能量切片来看，由于第一层和第三层为均匀介质层，振幅能量切片没有变化，而储集层的各个区域都有很明显的振幅能量差异，对照区1区不含气和储层流体，能量变化较小；2区含有气，不含流体，具有强烈的能量响应，表现为亮点；3区含有5%的流体，又含有较多气体，能量响应比2区弱，并且有部分暗点；4区含有10%的流体，含气量少，能量响应主要以暗点为主，局部出现部分亮点，这与实际储层地质中含气层出现亮点类似.(牛聪和刘志斌，2008).

图 5

Fig. 5

图 5 每层振幅能量切片 (a)第一层;(b)第三层;(c)储集层;(d)储集层. Fig. 5 Each layer of amplitude energy slices (a)The first layer;(b)Third layer;(c)Reservoir;(d)Reservoir.