实验室岩心声学速度测试中的频散现象
任 科 英＊ ① ②
（① 中海石油（中国）有限公司湛江分公司研究院，广东湛江 ５２４０５７；② 中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉 ４３００７４ ）
任科英．实验室岩心声学速度测试中的频散现象．石油地球物理勘探，２０１１，４６（５）：７７９～７８２
摘要 本文主要对实验室岩心测试中由于高频引起的速度频散现象进行研究。 研究中主要采用 Ｇａｓｓｍａｎｎ 方 程计算了干岩样盐水饱和后的纵、横波速度，代替地震勘探频率下的纵、横波速度，并与盐水饱和样品的实测速
度进行对比，由此估计速度频散的大小。 通过对不同地区实例的研究发现：对物性较好的样品，频散现象较小，
此时基于岩心测试数据所作的岩石物理研究可以用来指导地震勘探研究；而对物性较差的样品，频散现象较为 明显，此时要审慎应用测试的数据。
关键词 速度频散现象 岩心声学测试 盐水饱和速度 对比速度 Ｇａｓｓｍａｎｎ方程 中图分类号：Ｐ６３１
文献标识码：Ａ
岩样盐水饱和后的纵、横波速度，然后与实际盐水饱
cancel是什么意思中文和岩样测试速度进行了对比，之后讨论了各岩样测 试速度存在的频散现象及大小，并对气田和油田岩 样测试结果进行了分析。
引言
１ 油气勘探中一项最重要的地球物理工作是利用 地震资料进行储层预测和烃类检测，但敏感地震属 性的选取很大程度上依赖于研究区扎实可靠的岩石
物理研究工作。 通过采集岩心塞、设定合适的实验
条件进行超声测试获取岩石样本的ＶＰ、ＶＳ 数据，从 而进行系统的分析是最重要的岩石物理工作之一。
然而，在实验室中通过超声仪器对岩样测试获 取ＶＰ、ＶＳ 数据过程中，所用中心频率从几万赫兹至 几百万赫兹，而地震勘探的频率在几赫兹至几百赫 兹之间，二者频带存在极大的差异。 由于速度存在 频散现象，因此基于实验室测试总结的岩石物理规 律能否应用 于 地 震 勘 探 研 究 还是一个值得探讨的 问题。
基于实际声学测试资料的频散现象 研究
２ 对比速度和研究流程 ２
．１ 对比速度的确定 ２．１．１ 速度频散是个相对的概念，为了评价实验室岩
心超声测试频散的大小，
必须确定一个速度对比的 标准。为了满足地震勘探的应用，
这个对比速度必 须稳定，而且能近似代替地震勘探频率条件下的地
震速度。 在研究确定频散对比速度过程中，发现由速度 谱资料获得的地震速度受地震资料采集、处理参数
［１］
认为，频散是流体在孔隙空间中的流 Ｓｐ
ｅｎｃｅｒ 动造成的；Ｈａｎ等［２］
观测了几种频散现象，
认为频散 与岩样孔隙度、泥质含量以及受力大小存在一定的关 系。王炳章等［３］、邓继新等［４
］、Ｈｅ等［５］分别讨论了频
散的机制及压力、流体黏度等因素对频散的影响。 本文主要讨论油气勘探中实验室岩心声学测试 与地震勘探 中 由 于 频 段 不 同 所造成的速度差异现 象。首先通过 Ｇａｓｓｍａｎｎ方程理论计算了低频下干 的影响较大，存在不确定性，而且精度较低。 此外，横波地震资料极其稀少。 即使利用测井声波速度，
其精度也受井眼环境和侵入带的影响，而且测井仪
器工作时的发射频率通常为几千赫兹，也高于地震
freezing勘探的频率。实验室岩石声学测试速度条件下，通
常基于 Ｗｉｎｋｌｅｒ［６］假 定，
即 干 岩 样 无 速 度 频 散 而 饱 和流体岩样 的 速 度 频 散 较 为 明 显，而 Ｇａｓｓｍａｎｎ 方 ＊ 广东省湛江市中海石油（中国）有限公司湛江分公司研究院，５２４０５７。Ｅｍａｉｌ：ｒｅｎｋｙ＠ｃｎｏｏｃ．ｃｏｍ．ｃｎ 本文于２０１０年９ 月１４ 日收到，最终修改稿于２０１１年８ 月５ 日收到。 本文研究受国家重大专项（２００８ＺＸ０５０２３－００４
）资助。
eupa
程就是利用干样测试结果和流体参数计算近零频率 下流体饱和样品速度的模型［７
］。 因此，本文 采 用 以 Ｇａｓｓｍａｎｎ方程 计
算 饱 和 流 体 样 的 速 度 为 对 比 速 度，观测饱和流体样本的超声测试速度与对比速度
的差异，以此来评价频散的大小。
２．１．２ Ｇａｓｓｍａｎｎ方程
Ｇａｓｓｍａｎｎ方程在本文研究中起着极其重要的 作用，也是地球物理中非常重要的一个基础方程，有 多种表达形式，其中之一为［７
］ 研究，其 中 以 Ｗａｎｇ 等［７］
的
描 述 相 对 全 面，具 体 如 下：①岩石（基质和骨架）宏观上是均质的；②所有孔
隙都是连通或相通的；③所有孔隙都充满流体；④研
究中的岩石—流体系统是封闭的；⑤ 孔隙流体不对 固体骨架产生软化或硬化的相互作用；⑥ 适用低频 条件，
基本上对应地震勘探所用频段。 研究流程
２．１．３ 确定了对比速度及其求取方法后，即可研究速
度频散，其工作流程如下：
第一步，首 先 对 基 础 数 据 和 参 数 进 行 准 备，包
括：干岩样、盐水饱和样测试和分析数据的搜集、干
岩样一些弹性参数的计算、实验温压和矿化度条件 下盐水流体参数的计算。本次研究中盐水流体参数
计算方法及相关的公式见参考文献［８
秋天的英文
］。 第二步，采用 Ｇａｓｓｍａｎｎ 方程，
计算干岩样盐水 饱和后的纵、横波速度。 第三步，对比理论计算与实际测量的盐水饱和
100首经典英文歌曲
样本的纵、横波速度。
第四步，确定速度频散的大小及其规律。
２ １－ Ｋｄｒｙ
（
Ｋ０ ）
（１） Ｋｓａｔ ＝ Ｋｄｒｙ ＋ Ｋｄｒｙ Φ
＋ １－Φ － Ｋｆ Ｋ０ μｓａｔ ＝μｄｒｙ Ｋ２
０ （２） 式中：Ｋｓａｔ、μ
ｓａｔ分别为饱和流体时的岩石体积模量、 剪切模量；Ｋｄｒｙ、μｄｒｙ 分 别 为 干 样 状态时的岩石体积 模量、剪切模量；Ｋ０ 为岩石基质的体积模量；Ｋｆ 为 流体的体积模量；Φ 为孔隙度。
为了 进 一 步 求 出 岩 石 的 纵、横 波 速 度，式 （１）
、 式（２）通常与密度公式 实例研究 （３） ２．２ ρｓａｔ ＝ρｄｒｙ ＋Φρｆ ２．２．１ 实例１
从南海莺琼盆地 ２００９ 年岩石声学实验［９］
中 选取了７个 典 型 样 品。 通 过 化 验 分 析 及 物 性 测 试，７个样品的情况如表１所示。
一起联合使用，其 中ρｓａｔ、ρｄｒｙ、ρｆ 分别为饱和流体样 的岩石 密 度、干 岩 样 的 密 度 及 孔 隙 中 充 填 流 体 的 密度。
有不少学者对 Ｇａｓｓｍａｎｎ 方程应用条件进行了
表１ 莺琼盆地７ 个岩样基本数据表 地质
层位 深度 ｍ 孔隙度
％ 渗透率
ｍＤ 体积密度
ｇ／ｃｍ３ 泥质含量
％ 井名 编号 岩性 细砂岩 细砂岩 细砂岩 粉砂岩 粗砂岩 细砂岩 细砂岩
Ａ３
Ｂ８ Ｂ２ Ａ１ Ｂ４ Ｃ１ Ｃ２
＃７
＃２２ ＃９ ＃５ ＃１２ ＃２４ ＃２
６ ＨＬ ＹＧＨ ＨＬ ＨＬ ＨＬ ＳＹ ＳＹ
２７１６．００ ３４３８．８０ ２０１２．００ ２５４１．３７ ３４８４．００ ３８３５．３０ ４３１２．３４
２０．４２ ２０．３５ ２４．５１ １３．８４ １０．６１ １２．０２ ５．４６
１．６４０ ３．２７０ ４４．３００ ０．０２１ １．３６０ ０．１７３ ０．０１９
２．１５９ ２．１３６ ２．０２７ ２．３３６ ２．３６３ ２．３５２ ２．５５６
０．００ ０．５０ １．００ ２８．００ ０．００ ８．００ ０．００
图１、图２分别是上述样品一定实验条件下纵、
横波速度与压差 Ｐｄ 的关系图（注：Ｐｄ 代表上覆地层 压力与地层流体压力之差，物理意义为施加到岩石 骨架 部 分 上 的 力）。 每 幅 图 的 上 部 三 条 线 分 别 为 ＶＰｄ、ＶＰｗ （ｍ）、ＶＰｗ （ｃ），分 别 代 表 干 岩 样 测 量 的 纵 波 速度、盐水饱和样测量的纵波速度、由干样及流体参 数计算的盐水饱和后的纵波速度；图的下部三条线 分别为ＶＳｄ、ＶＳｗ （
ｍ）、ＶＳｗ （ｃ），分别 代 表 干 样 测 量 的 横波速度、盐水饱和样测量的横波速度、由干岩样及
流体参数计算的盐 水 饱和 后 的横波速 度。 对 比 图１、图２可以看出：
（１）当样品物性较好时（图１），无论对纵波还是 横波速度，盐水饱和样的实验室测试值与理论计算 值都比较接近，此时根据实验室测试值总结的规律
可以推广到地震勘探应用；
（２）当 样 品 物 性 较 差 时 （图２）
，无 论 对 纵 波 还
是横波速度，实验室测试值与理论计算值都表现出 一定的差异：对纵波速度，测试值都远高于计算值； 对横波 速 度，除 ＃５ 样 品 外，测试值均略高 于 计 算 值。总体上，纵波速度的差异远大于横波速度的差 异。特别是当 Ｐｄ 愈 小 时，盐 水 饱 和 样 实 验 室 测 试 值与理论计算值差异愈大。 为了更好地描述盐水饱和岩样理论计算与实验 室实测 数 据 的 关 系，对 表 １ 中 的 ７ 个 样 品 按 孔 隙 度由小 到 大 的 顺 序 制 作 了 ＶＰｗ （
ｍ）－ＶＰｗ （ｃ）及 ＶＳｗ （ｍ）－ＶＳｗ （ｃ
）随孔隙度变化的关系曲线（图 ３），图中不同系列点代表不同的 Ｐｄ 状态。 从该图可以 更清楚地看到：当孔隙度小于１３％ 时，ＶＰｗ （ｍ）明显 大于ＶＰｗ （ｃ）（ＶＳｗ （ｍ），也明显大于ＶＳｗ （ｃ）），频散现 象明显，而孔隙度大于１３％ 时，二者的差异变小，则 频散现象不明显。
２．２．２ 实例２ 无独有偶，在南海北部湾盆地涠西南凹陷油田friendly的反义词
的岩石样品声学测试与研究中，也发现类似的现象。
图３ ７ 个样品的测试速度与理论计算速度之差与孔隙度交会图
表２是５个样品的基本数据。
图４是引用的速度对比结果，图中绿色、红色线 条分别是实测饱含油与通过理论计算饱含油的纵波
速度，可 以 看 出 Ｗ３－１３、Ｗ３－１、Ｗ３－
１１ 样 品 孔 隙 度 大、渗透率高，岩石的物性好，饱含油时其实测与计
算结果较 为 接 近，而 Ｗ３－７、Ｗ３－
１０ 物 性 相 对 较 差， 实测与计算结果表现出较大的差异。
表２ 涠西南凹陷５ 个样品的孔、渗参数表
样品号
孔隙度／（％） 渗透率／（ｍＤ
） Ｗ３－
１ Ｗ３－７ Ｗ３－１０ Ｗ３－１１
１８．４５
１６．４６ １３．５５ １７．８７ ４４．６２０
３．８７２ ２．４９５ ６３．５５０ Ｗ３－１３ ２３．７３ ４２４．２００
究发现：物性好的样品，其盐水饱和实验室高频段测
试结果更 倾 向 分 布 在 Ｇａｓｓｍａｎｎ 理 论 计 算 结 果 附 近，受频率的影响小；而物性差的样品，其高频段测 试结果明显高于计算结果，频散明显。
实际工作中，由于地震勘探频率通常比较低，考 虑到实验室超高频下测量的一些流体饱和样品可能 存在一定的频散，因此当采用实验室的岩石物理结 果指导储层预测和烃类检测时，建议定性选取一些 物性相对好的样品，通过实验室测试其统计规律确 定敏感的地震属性参数。
图４ ５ 个样品盐水饱和、
油饱和测试纵波速度与 油饱和理论计算结果对比图
油的密度为０．７４９ｇ／ｃｍ３
从两个地区展示的结果来看，速度频散都表现
出相似的规律，即：岩样物性好，速度频散不明显；岩 样物性差，速度频散相对突出。 但由于地质条件的 差异所引起沉积岩石存在的差异，以及岩石所饱含 流体性质的差异，各个地区间也很难确定出统一的 孔、渗参数来区分频散突变的界限。 本文研 究得 到 湛 江 分公司研究院前物探总工程
师陈志宏先 生和 应 用 室 首席工程师陈殿远先生的指
导 和 审 核 ；同 时 ，韩 德 华 先 生 、史 謌 老师等在实验中 为 得 到 精 确 、严 格 的测 量数 据做出了大量的努力 ，在
此 一 并 向 他 们 致 以 衷 心 的 感 谢
！ 参 考 文 献
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频散机理探讨
基于前人的研究成果，影响频散的因素大致有 如下几种：①岩石自身的孔渗结构，尤其是渗透性与 孔隙的微观形态；②岩石中充填流体的性质，如黏度 等；③获取速度资料时测试仪器的频率；④ 实验时，
样品所处的温压条件。 本文研究是在温压条件、测 试仪器发射频率以及样品饱和流体都一致的情况下 进行的，因此岩石自身物性方面的影响就显得特别 突出。 关于频散内在机理方面的研究，许多研究者通过 模拟提出许多模型，其中最重要的有 Ｂｉｏｔ流宏观频散
机制、喷射流微观频散机制、斑块饱和模型，以及 Ｂｉｏｔ 流和喷射流相结合的 ＢＩＳＱ 模型等。 关于这方面的 详细论述参见文献［３～
５］，在此不再重复。 从本质上看，弹性波在岩石中传播会引起孔隙 流体与固体骨架之间的相对运动，二者的相互作用 通常表现为黏性剪切、惯性耦合，以及岩石自身存在 散射、与表面力有关的作用，这些作用的存在引起地
震波的衰减，从而导致频散现象的产生。 ２．３ ［２］ ［３］ ［
４］ ［５］ ［６］ ［７］ ［８］ Ｂａｔｚｌｅ Ｍ ａｎｄ ＷａｎｇＺ．Ｓｅｉｓｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｒｅｆｌｕ－ ｉｄｓ．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，１９９２，５７（１１）：１３９６～１４０８
任科英等．莺琼盆地高温高压地层岩石地球物理特征
和模型正演研 究．广 东 湛 江：中 海 石 油 （中 国）有 限 公 司湛江分公司，内部研究报告，２００９
（本 文 编 辑 ：宜 明 理
） ［９］ 结论和建议
３ 本文通过对南海两个地区岩心测试实例的研
作 者 介 绍
杨萌萌 博士研究生，１９８６年生。２００８ 年本科毕业于中国地质 大 学 张世鑫 博士研究生，１９８５ 年生。２００７ 年本科毕业于中国石油大学 （北京）地球物理学专业，２０１１ 年 ７ 月获该校地球探测与信息技术 专业硕士学位；在硕士研 究 生 学习期间主要从事观测系统分辨率 评价研究。 现在英国帝国理工学院攻读博士学位。
（华东）勘查技术与工程专业；现为中国石油大学（华东）地质资源与
地质工程专业在读博士研究生，研究方向为地震反演、储层预测。 王 霞 高级工程师，１９７１年生。１９９４ 年本科毕业于中国地质 大 学 刘 胜 高级工程师，１９６８年生。１９９２ 年本科毕业于中国地质 大 学 （北京）物探系地质— 地球物理复合专业。 现在东方地球物理公司 研究院地质研究中心从事岩石物理建模、叠前反演、体属性等前沿
解释技术的应用研究工作。
（武汉）应用地球物理专业，２００６ 年在成都理工大学能源学院获石 油地质专业工程硕士 学 位。 一直从事地震数据采集及其新方法、 新技术的试验与研究。 现在中国石化西南石油局第二物探大队从 事多波多分量地震勘探数据采集技术研究工作。
徐天吉 博士研究生，１９７５ 年 生。２０００ 年毕业于中国地质大学 （翻译公司
北 京）地球探测与信息技术专业，获硕士学位。 现在中石化西南油气 分公司勘 探 开 发 研 究 院 德 阳分院从事与石油物探相关的科研
boldness工作。
张广智 副教授，１９７１年生。２００８年获中国科学院地质与地球 物 理 所博士学位。 现在中国石油大学（华东）地球资源与信息学院从事
地震反演、储层预测等方面的研究与教学工作。 陈 刚 高级工程师，１９７１年生。１９９３年本科毕业于江汉石油学院勘 查地球物理专业，２００２年获石油大学（北京）地球探测与信息技术专 业硕士学位。一直从事地震数据采集及其方法研究工作。现在中国 地质大学（北京）能源学院攻读能源地质工程专业博士学位。 张亚南 博士研究生，１９８７年生。２００９年毕业于中国石油大学（华东） 信息与控制工程学院电子信息工程专业。现为该校控制理论与控制 工程专业在读博士。主要从事地震信号处理方面的科研工作。 邹 荃 硕士，１９８５年生。２００８年本科毕业于中国地质大学（
北京） 地球物理与信息技术学院，获理学士学位；２０１１年６
上海电工培训
月毕业于中国 地质大学（北京）地球 物 理 与信息技术学院，获 硕 士 学 位。 目 前 在 中国石油勘探开发研究院非洲研究所从事岩石物理及地震反演方
面的科研工作。
张丽艳 工程师，１９８０年生。２００３年毕业于中国石油大学（
华东）勘 查技术与工程专业，获学士学 位；２００８ 年毕业于中国石油大学 （华 东）地球探测与信息技术专业，获工学博士学位。 现在大庆油田勘 探开发研究院从事多波多分量地震资料处理及各向异性成像等研 究工作。
范宜仁 教授，博士 生 导 师，１９６２ 年 生。１９８２
年本科毕业于华东石 油学院测井专业，１９８８
年获石油 大 学 （华 东）应用地球物理专业硕 士学位，２００２年获中国地质大学矿物学、岩石学、矿床学博士学位。 现在中国石油大学（华东）地球资源与信息学院从事储层评价方面 的教研工作。 魏海涛 硕士研究生，１９８５年生。２００８ 年毕业于北京航空航天 大
学 自动化专业，获学士学位；２００９年至今在清华大学自动化系攻读硕 士学位，研究方向为地震数据处理方法。
匡 斌 高级工程师，１９６６年生。２００６ 年毕业于同济大学地震 波 传 任科英 高级工程师，１９７５年生。１９９７ 年毕业于成都理工学院 应 用 播和成像专业，获得博 士 学 位。 现在胜利油田分公司物探研究院 从事地震资料处理方法研究与软件编程研究工作。 地球物理专业，获学士学 位。 现 在 中 海 石 油 （中 国）有 限 公 司 湛 江
分公司从事地 震资料的综合解释工作，同 时 在 中 国 地 质 大 学 （武
汉）攻读石油与天然气工程专业硕士学位。
马德堂 博士，副教 授，１９６５ 年 生。１９８８ 年毕业于陕西师范大学数 学专业，２００４年毕业于长安大学地测学院地球物理专业。 参 与 完 成了多项国家“８６３ 计划”课题和国家重大专项课题，发表论文十余 篇。 现在长安大学地测学院主要从事地球物理教研工作。 杨勇强 博士研究生，１９８２年生。２００６ 年本科毕业于中国石油 大 学 （华东）资源勘查 工 程 专 业，２００９ 年获该校地质学专业硕士学位。 现在该校攻读地质学专 业 博 士 学 位，研究方向为层序地层学及沉 积学。 叶月明 工程师，１９８２年生。２００４年毕业于中国石油大学（华东）勘 查技术与工程专业，获得学士学位；２００８～２００９年在美国加州大学 圣克鲁兹分校做访问学 者，主 要从事起伏地表情况下的照明补偿 方法研究；２０１０
年毕业于中国石油大学（华东），获得博士学位，研 究方向为起伏地表情况下的保幅叠前深度偏移成
像方法。 目前在 中国石油杭州地质研究院从事波动方程保幅叠前深度偏移成像方 法研究工作。 陈 军 高级工程师，１９６８年生。１９９０ 年本科毕业于江汉石油 学
院 物探系。 现在江苏油田地质科学研究院从事地震资料解释工作。 彭文绪 高级工程师，１９７２年生。 现在渤海油田勘探开发研究院从
事油气勘探研究工作，同时为同济大学在读博士生。
石显新 研究员，１９６７年生。１９９１年获成都理工大学应用地球 物 理专业硕士学位，２００６年获矿产普查与勘探专业博士学位。 一 直 在
中煤科工集团西安研究院从事电磁法勘探方法及数据处理的研究与应用工作。 已发表论文４６ 篇，其中 ５ 篇被 ＳＣＩ收录、１６ 篇 被 ＥＩ
收录。koh i noor
刘振武 教授级高工，享 受 政 府 津 贴 专 家。 毕业于西南石油学院石 油工程专业，曾就读 英 国 Ｈｅｒｉｏｔ－Ｗａｔｔ大 学，
获石油工程专业博士 学位。 主编出版了《二十一世纪初中国油气关键技术》、《油气应用
基础研究展望》、《企业技术创新管理》和《中 国 石 油 “十 五”科 技
进 展丛书》等专著。 现任中国石油天然气集团公司咨询中心副主任。 吕 彬 工程师，１９８１ 年 生。２００３ 年本科毕业于中国石油大学 （华 东）勘查技术与工程专业，２００６年获中国石油大学（华东）地球探测 与信息技术专业硕士学 位；现 在中国石油勘探开发研究院西北分 院从事地 震资料叠前深度 偏移以及速度建模方法的理论研究 工作。 秦 宁 博士研究生，１９８５年生。２００８ 年７ 月毕业于中国石 油 大 学 （华东）勘查技术与工程专业，获得学士学位；２００８年保送中国石油 大学（华东）地球探测与信息技术专业硕士研究生；２０１０ 年 获 得 直
攻博资格，攻读中国石油 大 学 （华 东）地质资源与地质工程专业博
士学位。 主要从事偏移速 度 分 析、层析反演和波形反演方面的研 究。 云美厚 教授，１９６５年生。１９８８年本科毕业于大庆石油学院物 探 专 业，１９９３年获北京石 油 勘 探 开 发 研 究 院 物 探 专 业 硕 士 学 位，２００１
年获中国地 质 大 学 （北 京 ）地球探测与信息技术专业博士学位。
２００５年从胜利油田博士后科研工作站出站。 已发表论文 ６０
余篇。 现在河南理工大学资源与环境学院从事时移地震、岩石物理、地震 属性、高分辨地震勘探及
复杂山地地震采集技术等方面的教研 工作。
赵万金 硕士，１９８０年生。２００３年本科毕业于石油大学（华东）物 探 专业，２００６年获中国石油大学（华 东）地球探测与信息技术专业硕 士学位。 现在中国石油勘探开发研究院西北分院地球物理研究所 从事地震储层预测方法研究工作。
