碳酸盐岩含气饱和度对超声波衰减特性影响的研究

2024年3月12日发(作者：是不厌呀)

碳酸盐岩含气饱和度对超声波衰减特性影响的研究

刘向君;王森;刘洪;朱洪林;陈乔;龙瀛

【摘 要】对四川盆地碳酸盐岩地层28块岩样不同含气饱和度下衰减特性的超声波

测试表明：①纵波衰减随含气饱和度的增加呈先增大后减小的趋势，当含气饱和度

处于0．4～0．6范围时衰减出现一个峰值；横波衰减则随含气饱和度增加呈线性

减小，变化幅度相对纵波较小。②含气饱和度对纵波衰减的影响程度随频率增加而

变大。③对纵波而言，含气饱和度对衰减的影响程度随孔隙度的增加而变大；对横

波而言，含气饱和度高于0．6时受孔隙度的影响不明显，含气饱和度低干0．3

时，随孔隙度的增加而增大。

【期刊名称】《石油地球物理勘探》

【年(卷),期】2012(047)006

【总页数】5页(P926-930)

【关键词】碳酸盐岩;含气饱和度;超声波;品质因数;频率;孔隙度

【作 者】刘向君;王森;刘洪;朱洪林;陈乔;龙瀛

【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川I成都

610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川I成都610500;

西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川I成都610500;西南石

油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川I成都610500;西南石油大学

油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川I成都610500;西南石油大学油气藏

地质及开发工程国家重点实验室,四川I成都610500

【正文语种】中 文

【中图分类】P631

1 引言

非均匀、多尺度、不连续分布的缝洞是海相碳酸盐岩储层的主要储气空间和渗流通

道。前人研究表明碳酸盐岩地层纵波衰减特性较速度属性更加敏感，因此研究碳酸

盐岩缝洞中流体含量的变化对声波衰减特性的影响，对于利用反射地震资料进行碳

酸盐岩储层识别和利用声波测井资料了解地下油、气、水界面变化情况均具有重大

意义。自Biot提出饱和多孔介质弹性波传播理论以来，围绕岩石内部流体变化对

声波传播特性的影响做了大量研究[1]。

施行觉[2]对大庆油田砂岩在不同含水饱和度下波速和衰减的实验研究表明：岩石

含水饱和度对横波速度不产生影响；含水饱和度对纵波速度和Q值的影响具有分

段特征，含水饱和度低时影响较弱，含水饱和度高于某值时速度增加较快，Q值

变化较小。席道瑛[3]的研究也得到了类似的结果。王大兴[4]模拟地层温压条件测

试了苏里格气田砂岩，实验表明流体含量对纵波速度和衰减的影响均大于横波；含

气饱和度大于60%时纵波Q值变化明显。刘斌等[5]、Gordn等[6]和 Mavko等

[7]对不同围压下含水饱和度对声波影响的研究发现，当围压增加时，含水饱和度

对声波衰减的影响减小；干燥岩心的纵波Q值略小于横波，含水岩心的纵波Q值

大于横波。尹陈等[8]基于波动方程正演理论，从岩石内摩擦性和黏滞性出发，模

拟地震波穿过含流体地层时的频率能量变化特征，解释了由于含流体地层的吸收衰

减而导致的低频阴影现象。White[9]在研究中提出“气包”模型，发现岩石的声

波速度与气包的大小（饱和度）、中心频率、渗透率和孔隙度等因素有关系，认为

水和“气包”之间的相互作用是声波速度频散和衰减的主要因素。Winkler[10]对

不同频率含水岩心速度频散现象的研究发现，频散程度是含水饱和度的函数。王东

等[11]、Carcione[12，13]基于Biot理论数值模拟含二种和三种流体成分的多孔

介质中的弹性波，获得不同中心频率条件下纵波速度、衰减与饱和度的关系，结果

表明多种孔隙成分随机分布的部分饱和条件下纵波速度比较复杂，复杂的水—油

—气界面的非均匀分布对波场有重要影响。

前人的物理实验和数值模拟研究主要以常规均质孔隙性砂岩地层为研究对象，目前

我国西部气田主要为碳酸盐岩地层，孔隙结构与砂岩完全不同，导致其内部气、水

的分布也不同，其声波响应特征研究还处于初级阶段。本文选择四川盆地海相碳酸

盐岩地层28块岩样进行不同含气饱和度的波场特征研究，以期获得碳酸盐岩储层

对超声波衰减特性的认识。

2 实验用岩样的物性参数

本文研究使用的28块岩心取自四川盆地龙岗地区飞仙关组和长兴组的海相碳酸盐

岩储层，钻井取心深度范围为4697.36～6125.69m，岩性以溶孔云岩、溶孔细晶

云岩、砾石灰岩和亮晶鲕粒灰岩为主，孔隙度变化范围为2.3%～24.3%，大部分

岩样的渗透率小于1mD。实验用精度为0.01mm的游标卡尺、精度为0.0001g

的电子天平和HKGP－3型致密岩心气体渗透率孔隙度测定仪对岩心基本物性参数

进行测量，结果见表1。

表1 试验用岩心的基本物性参数岩心编号 岩 性 孔隙度%渗透率mD长度mm直

径mm密度g/cm3岩心编号 岩 性 孔隙度%渗透率mD长度mm直径mm密度

g/cm 3 1 鲕粒溶孔云岩 3.3 0.0476 38.38 25.09 2.6768 2 鲕粒灰岩 3.0 0.0088

38.41 25.10 2.7036 3 鲕粒灰岩 3.0 0.0134 38.65 25.05 2.7244 4 鲕粒灰岩 2.8

0.0073 38.83 25.02 2.7393 5 鲕粒灰岩 2.8 0.0039 38.78 25.10 2.6680 6 鲕粒

灰岩 3.7 0.0258 38.69 24.99 2.6958 7 鲕粒灰岩 3.4 0.0541 38.83 25.00

2.6872 8 鲕粒灰岩 3.7 － 39.12 25.10 2.6317 9 鲕粒灰岩 3.4 0.1470 38.39

25.02 2.6840 10 鲕粒灰岩 3.3 0.0148 38.39 25.02 2.6840 11 豆粒灰岩 2.3

0.0049 38.19 25.20 2.6602 12 鲕粒灰岩 2.9 0.0012 38.5 25.27 2.6323 13 鲕粒

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

15 鲕粒灰岩16 灰岩 3.0 0.0902 38.46 25.08 2.6800 17 灰岩 3.5 0.0131 38.27

25.11 2.6753 18 鲕粒灰岩 3.1 0.0029 38.67 25.05 2.6758 19 鲕粒灰岩 5.0 －

38.23 25.02 2.6759 20 鲕粒灰岩 3.2 0.0024 38.44 25.37 2.6848 21 鲕粒灰岩

3.5 0.0672 38.57 25.37 2.6663 22 鲕粒灰岩 4.3 0.1381 38.27 25.02 2.6586 23

鲕粒灰岩 3.4 0.0571 38.11 25.10 2.6684 24 鲕粒溶孔云 岩 8.8 0.1823 38.84

25.09 2.6872 25 鲕粒溶孔云 岩 17.3 2.5147 38.51 25.17 2.4653 26 鲕粒溶孔云

岩 24.3 5.0247 38.23 25.13 2.3669 2.7 0.0026 38.51 25.41 2.6823 27 鲕粒溶

孔云 岩 20.6 1.3234 38.45 25.07 2.4214 28 鲕粒灰岩8.9 0.0963 37.3 25.32

2.6156

3 超声波测试

3.1 超声波测试仪与测量方法

利用油气藏地质及开发工程国家重点实验室自行研制的承压型超声波测量仪进行测

量，该装置由脉冲发生器、纵横波探头、数字示波器、微机及相应处理软件组成，

采样频率为500MHz，波形峰值误差为0.0039。采用透射法测量不同含气饱和度

下岩心的超声波响应。实验所用纵、横波换能器频率为50kHz、250kHz、1MHz。

通过示波器记录透射波波形，再利用自主开发的分析软件对数据进行处理，获得表

征衰减大小的品质因子。测量装置如图1所示。

3.2 含气饱和度的建立

图1 超声波测量装置示意图①500V的激励阶跃脉冲；②岩心中传播的超声波；③

透射波转换的电信号

采取抽真空饱和地层水的办法，建立碳酸盐岩岩心100%含水饱和点；通过风干法

建立岩心不同含气饱和度。首先，将已在50℃下烘干48h且干重已测的岩心置入

密闭干燥玻璃器皿中（容器中含干燥剂），抽真空3h（压力达到－0.2MPa）；

然后向器皿中注入地层水，让岩心在此环境中完全静止浸泡24h，当看不到岩心

中有任何气泡进入溶液时认为岩心已完全水饱和（Sw＝100%）。用小塑料袋包

裹完全饱和的岩心，放入恒温器皿中，让水分在岩心内均匀分布、慢慢挥发。在此

期间用电子天平不断测量岩心质量变化，直至达到实验设置含气饱和度点对应的岩

心质量为止。实验设置的含气饱和度点为0，0.1，0.3，0.5，0.6，0.8，1.0。含

水饱和度Sw 和含气饱和度Sg计算公式为

3.3 超声波衰减计算方法

弹性波在岩石内传播时将引起岩石内部发生内摩擦，导致能量衰减。品质因子Q

是反映弹性波在岩石中传播衰减程度的重要参数。Q值可在频率域内和时域内计

算，其计算方法主要有频谱振幅比法、波形反演法、能量法。

频谱振幅比法要求样品中传播的是平面波，且样品必须很大。根据国际岩石力学学

会对实验室的建议（国际岩石力学学会，1981），试件的最小横向尺寸D（垂直

于波的传播方向）应不小于波长L的10倍。波形反演法要求样品直径足够细可视

为杆，具体要求波长与直径的比值大于5，长度与直径的比值大于3。严格来说，

只有当样品直径大于80mm时，才可采用频谱振幅比法；只有当样品直径小于

1.6mm时，才能将样品视为杆。对石油行业而言，实验室待测样品岩心柱长度范

围为40～60mm，波速约为4000m/s，换能器主频约为100kHz以上，波长为

8mm左右。因此针对小岩样，本文采用能量法计算Q值，能量法能很好地表征

小岩样的衰减性质。任意测试距离Q值的计算公式为

其中：E0和Ex分别为探头对接和探头之间加岩样时波的能量；x为岩样长度；λ

为主频波长。

4 实验结果与分析

4.1 不同纵横波频率下含气饱和度对声波衰减的影响

选取三个孔隙度相近（3.0%左右），实验编号分别为1（鲕粒溶孔云岩）、10

（鲕粒灰岩）、18（鲕状灰岩）的三个岩样，用于研究不同频率下含气饱和度对

碳酸盐岩衰减的影响。从图2～图4可以看出，随着含气饱和度的增加，衰减在纵

波与横波曲线上呈现出不同的变化规律。对于纵波，随含气饱和度的增加，衰减呈

先增加后减小的趋势，且Sg在0.4～0.6的范围内存在一个峰值；对于横波，随

含气饱和度增加，衰减呈缓慢减小趋势。利用上述规律，可以综合利用纵横波资料

进行储层评价，预测气层饱和度。当含气饱和度较高时纵、横波衰减较小。对于纵

波在相同含气饱和度下，随测试频率的变大，衰减增加，而横波则与纵波相反。在

上述分析的基础上进一步筛选出20块孔隙度均在3.0%左右的岩样，对三个具有

代表性的饱和度点0.1，0.5，0.8进行纵波衰减统计分析，结果见图5～图7，统

计结果和前面单块岩样的变化趋势非常吻合。此外，还对纵波衰减与饱和度进行了

分段统计分析（见表2），统计结果对于实际勘探开发具有一定指导意义。

图4 不同频率下18＃岩心含气饱和度对衰减的影响（a）纵波；（b）横波

4.2 不同孔隙度下含气饱和度对衰减的影响

选取实验编号为1，25，28，孔隙度分别为3.3%、17.3%、8.7%具有代表性的岩

样，用于研究不同孔隙度下含气饱和度对声波衰减的影响，实验频率为250kHz。

从图8a可以看出，含气饱和度对纵波衰减的影响随孔隙度的增加而增加；对于横

波，如图8b所示，当含气饱和度大于0.6时，受孔隙度影响较小；而当饱和度小

于0.3时，孔隙度增加，衰减亦增大；利用此现象可以对孔隙度进行预测。

图7 频率为1MHz时不同含气饱和度下纵波衰减统计分布

表2 不同频率时含气饱和度与纵波衰减的分段统计含气饱和度Q－1值分布范围

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～

对纵波而言，影响衰减的主要因素是流体的压缩膨胀，孔隙度越大，流体量越大，

膨胀空间也越大，所以衰减呈现出图8a的规律。对于横波而言，衰减主要是缝洞

表面黏滞性的改变所致，而其响应本身比较微弱。因此，在含气饱和度较高时反映

的规律性不强；随含气饱和度减小，缝洞表面逐渐被液相润湿，而当流体积累到一

定程度时，孔隙度较大的孔隙内液相含量越大，不同孔隙度情况下的润湿面积差增

大，出现孔隙度越大，衰减越大的现象。

缝洞型碳酸盐岩在不同含气饱和度下的超声波实验结果表明，地层对超声波的吸收

与岩石内部流体性质及含量密切相关，纵波衰减对岩石含气饱和度的变化较横波衰

减敏感，纵、横波表现出不同规律，随测试频率和孔隙度的变化也呈现出各自不同

的规律。这些规律为利用地震资料和声波测井资料对我国深层海相碳酸盐岩地层的

天然气勘探、储层评价及油水界面的确定等提供了必要的实验依据。

图8 不同孔隙度下含气饱和度对纵横波衰减的影响（a）纵波；（b）横波

5 结论

（1）纵波衰减随含气饱和度增加呈先增大后减小的趋势，当含气饱和度处于

0.4～0.6范围时衰减出现一个峰值；横波则随含气饱和度增加呈线性规律减小，

变化幅度相对纵波较小；

（2）含气饱和度对纵波衰减的影响程度随频率增加而变大；

（3）对纵波而言，含气饱和度对衰减的影响程度随孔隙度的增加而变大；对横波

而言，含气饱和度高于0.6时受孔隙度的影响不明显，含气饱和度低于0.3时，随

孔隙度的增加而增大。

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