碳酸鹽巖含氣飽和度對超聲波衰減特性影響的研究

2024年3月12日發(作者：是不厭呀)

碳酸鹽巖含氣飽和度對超聲波衰減特性影響的研究

劉向君;王森;劉洪;朱洪林;陳喬;龍瀛

【摘 要】對四川盆地碳酸鹽巖地層28塊巖樣不同含氣飽和度下衰減特性的超聲波

測試表明：①縱波衰減隨含氣飽和度的增加呈先增大后減小的趨勢，當含氣飽和度

處于0．4～0．6范圍時衰減出現一個峰值；橫波衰減則隨含氣飽和度增加呈線性

減小，變化幅度相對縱波較小。②含氣飽和度對縱波衰減的影響程度隨頻率增加而

變大。③對縱波而言，含氣飽和度對衰減的影響程度隨孔隙度的增加而變大；對橫

波而言，含氣飽和度高于0．6時受孔隙度的影響不明顯，含氣飽和度低干0．3

時，隨孔隙度的增加而增大。

【期刊名稱】《石油地球物理勘探》

【年(卷),期】2012(047)006

【總頁數】5頁(P926-930)

【關鍵詞】碳酸鹽巖;含氣飽和度;超聲波;品質因數;頻率;孔隙度

【作 者】劉向君;王森;劉洪;朱洪林;陳喬;龍瀛

【作者單位】西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,四川I成都

610500;西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,四川I成都610500;

西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,四川I成都610500;西南石

油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,四川I成都610500;西南石油大學

油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,四川I成都610500;西南石油大學油氣藏

地質及開發工程國家重點實驗室,四川I成都610500

【正文語種】中 文

【中圖分類】P631

1 引言

非均勻、多尺度、不連續分布的縫洞是海相碳酸鹽巖儲層的主要儲氣空間和滲流通

道。前人研究表明碳酸鹽巖地層縱波衰減特性較速度屬性更加敏感，因此研究碳酸

鹽巖縫洞中流體含量的變化對聲波衰減特性的影響，對于利用反射地震資料進行碳

酸鹽巖儲層識別和利用聲波測井資料了解地下油、氣、水界面變化情況均具有重大

意義。自Biot提出飽和多孔介質彈性波傳播理論以來，圍繞巖石內部流體變化對

聲波傳播特性的影響做了大量研究[1]。

施行覺[2]對大慶油田砂巖在不同含水飽和度下波速和衰減的實驗研究表明：巖石

含水飽和度對橫波速度不產生影響；含水飽和度對縱波速度和Q值的影響具有分

段特征，含水飽和度低時影響較弱，含水飽和度高于某值時速度增加較快，Q值

變化較小。席道瑛[3]的研究也得到了類似的結果。王大興[4]模擬地層溫壓條件測

試了蘇里格氣田砂巖，實驗表明流體含量對縱波速度和衰減的影響均大于橫波；含

氣飽和度大于60%時縱波Q值變化明顯。劉斌等[5]、Gordn等[6]和 Mavko等

[7]對不同圍壓下含水飽和度對聲波影響的研究發現，當圍壓增加時，含水飽和度

對聲波衰減的影響減??；干燥巖心的縱波Q值略小于橫波，含水巖心的縱波Q值

大于橫波。尹陳等[8]基于波動方程正演理論，從巖石內摩擦性和黏滯性出發，模

擬地震波穿過含流體地層時的頻率能量變化特征，解釋了由于含流體地層的吸收衰

減而導致的低頻陰影現象。White[9]在研究中提出“氣包”模型，發現巖石的聲

波速度與氣包的大?。柡投龋?、中心頻率、滲透率和孔隙度等因素有關系，認為

水和“氣包”之間的相互作用是聲波速度頻散和衰減的主要因素。Winkler[10]對

不同頻率含水巖心速度頻散現象的研究發現，頻散程度是含水飽和度的函數。王東

等[11]、Carcione[12，13]基于Biot理論數值模擬含二種和三種流體成分的多孔

介質中的彈性波，獲得不同中心頻率條件下縱波速度、衰減與飽和度的關系，結果

表明多種孔隙成分隨機分布的部分飽和條件下縱波速度比較復雜，復雜的水—油

—氣界面的非均勻分布對波場有重要影響。

前人的物理實驗和數值模擬研究主要以常規均質孔隙性砂巖地層為研究對象，目前

我國西部氣田主要為碳酸鹽巖地層，孔隙結構與砂巖完全不同，導致其內部氣、水

的分布也不同，其聲波響應特征研究還處于初級階段。本文選擇四川盆地海相碳酸

鹽巖地層28塊巖樣進行不同含氣飽和度的波場特征研究，以期獲得碳酸鹽巖儲層

對超聲波衰減特性的認識。

2 實驗用巖樣的物性參數

本文研究使用的28塊巖心取自四川盆地龍崗地區飛仙關組和長興組的海相碳酸鹽

巖儲層，鉆井取心深度范圍為4697.36～6125.69m，巖性以溶孔云巖、溶孔細晶

云巖、礫石灰巖和亮晶鮞?；規r為主，孔隙度變化范圍為2.3%～24.3%，大部分

巖樣的滲透率小于1mD。實驗用精度為0.01mm的游標卡尺、精度為0.0001g

的電子天平和HKGP－3型致密巖心氣體滲透率孔隙度測定儀對巖心基本物性參數

進行測量，結果見表1。

表1 試驗用巖心的基本物性參數巖心編號 巖 性 孔隙度%滲透率mD長度mm直

徑mm密度g/cm3巖心編號 巖 性 孔隙度%滲透率mD長度mm直徑mm密度

g/cm 3 1 鮞粒溶孔云巖 3.3 0.0476 38.38 25.09 2.6768 2 鮞?；規r 3.0 0.0088

38.41 25.10 2.7036 3 鮞?；規r 3.0 0.0134 38.65 25.05 2.7244 4 鮞?；規r 2.8

0.0073 38.83 25.02 2.7393 5 鮞?；規r 2.8 0.0039 38.78 25.10 2.6680 6 鮞粒

灰巖 3.7 0.0258 38.69 24.99 2.6958 7 鮞?；規r 3.4 0.0541 38.83 25.00

2.6872 8 鮞?；規r 3.7 － 39.12 25.10 2.6317 9 鮞?；規r 3.4 0.1470 38.39

25.02 2.6840 10 鮞?；規r 3.3 0.0148 38.39 25.02 2.6840 11 豆?；規r 2.3

0.0049 38.19 25.20 2.6602 12 鮞?；規r 2.9 0.0012 38.5 25.27 2.6323 13 鮞粒

灰巖 3.2 0.0209 38.91 25.03 2.6617 14 灰巖 2.9 0.0057 38.43 25.28 2.6571

15 鮞?；規r16 灰巖 3.0 0.0902 38.46 25.08 2.6800 17 灰巖 3.5 0.0131 38.27

25.11 2.6753 18 鮞?；規r 3.1 0.0029 38.67 25.05 2.6758 19 鮞?；規r 5.0 －

38.23 25.02 2.6759 20 鮞?；規r 3.2 0.0024 38.44 25.37 2.6848 21 鮞粒灰巖

3.5 0.0672 38.57 25.37 2.6663 22 鮞粒灰巖 4.3 0.1381 38.27 25.02 2.6586 23

鮞粒灰巖 3.4 0.0571 38.11 25.10 2.6684 24 鮞粒溶孔云 巖 8.8 0.1823 38.84

25.09 2.6872 25 鮞粒溶孔云 巖 17.3 2.5147 38.51 25.17 2.4653 26 鮞粒溶孔云

巖 24.3 5.0247 38.23 25.13 2.3669 2.7 0.0026 38.51 25.41 2.6823 27 鮞粒溶

孔云 巖 20.6 1.3234 38.45 25.07 2.4214 28 鮞?；規r8.9 0.0963 37.3 25.32

2.6156

3 超聲波測試

3.1 超聲波測試儀與測量方法

利用油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室自行研制的承壓型超聲波測量儀進行測

量，該裝置由脈沖發生器、縱橫波探頭、數字示波器、微機及相應處理軟件組成，

采樣頻率為500MHz，波形峰值誤差為0.0039。采用透射法測量不同含氣飽和度

下巖心的超聲波響應。實驗所用縱、橫波換能器頻率為50kHz、250kHz、1MHz。

通過示波器記錄透射波波形，再利用自主開發的分析軟件對數據進行處理，獲得表

征衰減大小的品質因子。測量裝置如圖1所示。

3.2 含氣飽和度的建立

圖1 超聲波測量裝置示意圖①500V的激勵階躍脈沖；②巖心中傳播的超聲波；③

透射波轉換的電信號

采取抽真空飽和地層水的辦法，建立碳酸鹽巖巖心100%含水飽和點；通過風干法

建立巖心不同含氣飽和度。首先，將已在50℃下烘干48h且干重已測的巖心置入

密閉干燥玻璃器皿中（容器中含干燥劑），抽真空3h（壓力達到－0.2MPa）；

然后向器皿中注入地層水，讓巖心在此環境中完全靜止浸泡24h，當看不到巖心

中有任何氣泡進入溶液時認為巖心已完全水飽和（Sw＝100%）。用小塑料袋包

裹完全飽和的巖心，放入恒溫器皿中，讓水分在巖心內均勻分布、慢慢揮發。在此

期間用電子天平不斷測量巖心質量變化，直至達到實驗設置含氣飽和度點對應的巖

心質量為止。實驗設置的含氣飽和度點為0，0.1，0.3，0.5，0.6，0.8，1.0。含

水飽和度Sw 和含氣飽和度Sg計算公式為

3.3 超聲波衰減計算方法

彈性波在巖石內傳播時將引起巖石內部發生內摩擦，導致能量衰減。品質因子Q

是反映彈性波在巖石中傳播衰減程度的重要參數。Q值可在頻率域內和時域內計

算，其計算方法主要有頻譜振幅比法、波形反演法、能量法。

頻譜振幅比法要求樣品中傳播的是平面波，且樣品必須很大。根據國際巖石力學學

會對實驗室的建議（國際巖石力學學會，1981），試件的最小橫向尺寸D（垂直

于波的傳播方向）應不小于波長L的10倍。波形反演法要求樣品直徑足夠細可視

為桿，具體要求波長與直徑的比值大于5，長度與直徑的比值大于3。嚴格來說，

只有當樣品直徑大于80mm時，才可采用頻譜振幅比法；只有當樣品直徑小于

1.6mm時，才能將樣品視為桿。對石油行業而言，實驗室待測樣品巖心柱長度范

圍為40～60mm，波速約為4000m/s，換能器主頻約為100kHz以上，波長為

8mm左右。因此針對小巖樣，本文采用能量法計算Q值，能量法能很好地表征

小巖樣的衰減性質。任意測試距離Q值的計算公式為

其中：E0和Ex分別為探頭對接和探頭之間加巖樣時波的能量；x為巖樣長度；λ

為主頻波長。

4 實驗結果與分析

4.1 不同縱橫波頻率下含氣飽和度對聲波衰減的影響

選取三個孔隙度相近（3.0%左右），實驗編號分別為1（鮞粒溶孔云巖）、10

（鮞粒灰巖）、18（鮞狀灰巖）的三個巖樣，用于研究不同頻率下含氣飽和度對

碳酸鹽巖衰減的影響。從圖2～圖4可以看出，隨著含氣飽和度的增加，衰減在縱

波與橫波曲線上呈現出不同的變化規律。對于縱波，隨含氣飽和度的增加，衰減呈

先增加后減小的趨勢，且Sg在0.4～0.6的范圍內存在一個峰值；對于橫波，隨

含氣飽和度增加，衰減呈緩慢減小趨勢。利用上述規律，可以綜合利用縱橫波資料

進行儲層評價，預測氣層飽和度。當含氣飽和度較高時縱、橫波衰減較小。對于縱

波在相同含氣飽和度下，隨測試頻率的變大，衰減增加，而橫波則與縱波相反。在

上述分析的基礎上進一步篩選出20塊孔隙度均在3.0%左右的巖樣，對三個具有

代表性的飽和度點0.1，0.5，0.8進行縱波衰減統計分析，結果見圖5～圖7，統

計結果和前面單塊巖樣的變化趨勢非常吻合。此外，還對縱波衰減與飽和度進行了

分段統計分析（見表2），統計結果對于實際勘探開發具有一定指導意義。

圖4 不同頻率下18＃巖心含氣飽和度對衰減的影響（a）縱波；（b）橫波

4.2 不同孔隙度下含氣飽和度對衰減的影響

選取實驗編號為1，25，28，孔隙度分別為3.3%、17.3%、8.7%具有代表性的巖

樣，用于研究不同孔隙度下含氣飽和度對聲波衰減的影響，實驗頻率為250kHz。

從圖8a可以看出，含氣飽和度對縱波衰減的影響隨孔隙度的增加而增加；對于橫

波，如圖8b所示，當含氣飽和度大于0.6時，受孔隙度影響較?。欢旓柡投刃?/p>

于0.3時，孔隙度增加，衰減亦增大；利用此現象可以對孔隙度進行預測。

圖7 頻率為1MHz時不同含氣飽和度下縱波衰減統計分布

表2 不同頻率時含氣飽和度與縱波衰減的分段統計含氣飽和度Q－1值分布范圍

0.062 50kHz 250kHz 1MHz 0.0～0.3 0.025～0.028 0.029～0.033 0.049～

0.057 0.3～0.6 0.027～0.032 0.032～0.036 0.052～0.064 0.6～1.0 0.025～

0.031 0.029～0.035 0.050～

對縱波而言，影響衰減的主要因素是流體的壓縮膨脹，孔隙度越大，流體量越大，

膨脹空間也越大，所以衰減呈現出圖8a的規律。對于橫波而言，衰減主要是縫洞

表面黏滯性的改變所致，而其響應本身比較微弱。因此，在含氣飽和度較高時反映

的規律性不強；隨含氣飽和度減小，縫洞表面逐漸被液相潤濕，而當流體積累到一

定程度時，孔隙度較大的孔隙內液相含量越大，不同孔隙度情況下的潤濕面積差增

大，出現孔隙度越大，衰減越大的現象。

縫洞型碳酸鹽巖在不同含氣飽和度下的超聲波實驗結果表明，地層對超聲波的吸收

與巖石內部流體性質及含量密切相關，縱波衰減對巖石含氣飽和度的變化較橫波衰

減敏感，縱、橫波表現出不同規律，隨測試頻率和孔隙度的變化也呈現出各自不同

的規律。這些規律為利用地震資料和聲波測井資料對我國深層海相碳酸鹽巖地層的

天然氣勘探、儲層評價及油水界面的確定等提供了必要的實驗依據。

圖8 不同孔隙度下含氣飽和度對縱橫波衰減的影響（a）縱波；（b）橫波

5 結論

（1）縱波衰減隨含氣飽和度增加呈先增大后減小的趨勢，當含氣飽和度處于

0.4～0.6范圍時衰減出現一個峰值；橫波則隨含氣飽和度增加呈線性規律減小，

變化幅度相對縱波較小；

（2）含氣飽和度對縱波衰減的影響程度隨頻率增加而變大；

（3）對縱波而言，含氣飽和度對衰減的影響程度隨孔隙度的增加而變大；對橫波

而言，含氣飽和度高于0.6時受孔隙度的影響不明顯，含氣飽和度低于0.3時，隨

孔隙度的增加而增大。

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