不同因素作用下致密灰巖聲波特性和孔壓關系研究

第 l 4卷第 2 7期2 0 1 4年9月 1 6 71 — 1 8 1 5( 2 0 1 4) 2 7 — 0 1 4 8 — 0 6 科學技術與工程 S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d En g i n e e r i n g Vo 1 ．1 4 No ． 2 7 S e p．2 01 4 ⑥2 0 1 4 S e i ． T e c h ． E n g r g ． 地球科學 不同因素作用下致密灰巖聲波 特性和孔壓關系研究 孫元偉 常 鑫 陳 沖 楊 佳 ( 中國石油大學 ( 華東 ) 石 油工程學 院 ，青島 2 6 6 5 8 0 ； 華東石油工程公司測井分公司 ，揚州 2 2 5 0 0 2 ) 摘 要 灰巖的成巖作用復雜， 常規的孔隙壓力預測方法不再適用； 可以利用灰巖的聲波性質和孔壓之間的關系來實現孔壓 的預測。為了探究致密灰巖聲波特性和孔壓之間的關系， 對蘇里格氣田馬五組灰巖巖樣進行 了聲波特性試驗， 研究了孔隙 度、 層理、 圍壓和軸壓等不同影響因素作用下， 灰巖縱橫波波速隨孔壓的變化規律及其產生的原因。實驗結果表明， 灰巖的孔 隙度與滲透率沒有特定關系； 縱橫波波速與孔壓的關系呈現規律性變化。當孔壓較小時； 縱橫波波速變化較小， 當孔壓增大 到一定程度后， 縱橫波波速隨孔壓的增大而迅速減小， 這種現象可以通過有效應力來解釋。隨著孔隙度的增加， 縱橫波波速 會呈現非線性減小； 平行層理方向縱橫波波速要大于垂直層理方向， 因為平行層理方 向聲波阻抗小； 不同圍壓和軸壓作用下， 灰巖縱橫波波速隨孔壓的變化規律相似， 并且在孔壓較小時， 縱橫波波速相差不大， 當孔壓增大到一定程度后， 縱橫波波速之 間差距 變大 。 關鍵詞 致密灰巖 孔壓 縱橫波波速 孔隙度 層理 圍壓 軸壓 中圖法分類號P 3 1 3 ． 1 ； 文獻標志碼A 對于一般的砂泥巖地層來說 ， 目前 國內外研 究 的方法比較多 ， 精度和可靠性方面也 比較好 ， 例如等 效深度法和有效應力定理就可 以比較準確地預測砂 泥巖剖面的地層孔隙壓力¨ _ 4 ， 這些方法在現場也 取得 了很好 的應用效果 。碳酸鹽巖中的油氣儲量約 占油氣總儲量的 6 0 ％l 5 J ， 灰巖更是碳酸鹽巖儲集層 極其重要的一種巖性 ， 而對于碳酸鹽巖地層 ， 包括灰 巖 ， 在預NT L 隙壓力方面做的研究卻相對較少 ， 并且 傳統預測孔隙壓力 的方法并不適合于灰巖地層 ， 主 要原因在于灰巖的成巖作用很復雜 ， 不遵循壓實規 律 ， 表現 出明顯 的非均質 性 和各 向異性 。因 此 ， 掌握不同影響因素下灰巖聲波性質隨孔壓 的變 化關系對于精準預NT L 隙壓力具有重要意義 ， 對有 等效深度法 、 有效應力法 和碳酸鹽巖地層壓力預 測模型等預測灰巖地層孔隙壓力的方法進行補充和 修正 。 隨著全球油氣資源 日益緊張， 長慶致密氣 的開 發 日益重要 ， 為了實現蘇里格氣 田灰巖地層孔 隙壓 力的精準預測 ， 特別選取 了馬五組灰巖巖樣進行實 2 0 1 4年 3月 8日收到 國家科技重大專項 ( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 3 7—0 0 4) 、 教育部長江學者 和創新 團隊發展計劃 ( R T 1 0 8 6 ) 資助 第一作者簡介 ： 孫元偉( 1 9 8 8) ， 男 ， 山東東 營人 ， 碩士。研究方 向 ： 石油工程巖石力學。E - ma i l ： s u n y u a n w e i 6 @1 6 3 ． c o rn。 驗研究 ， 分析 了不 同影響因素下灰巖聲波特性 和孔 隙壓力之間的關系， 能夠對灰巖孔 隙壓力 的預測起 到幫助。 1 試驗 1 ． 1 試驗樣品 灰巖樣品取 自蘇里格氣 田埋深超過 3 0 0 0 m的 馬五灰巖地層 ， 對其進行 x射線衍射礦物含量分析 獲得全巖礦物分析結果 ， 按成分灰巖基本可 以分成 四類 ， 見表 1 。為提高實驗結果的準確性 ， 對巖樣進 行精細化處理 ， 高精度拋磨加工 ， 以確保巖樣外形尺 寸的測量精度。巖樣為直徑 2 5 m m、 高 5 0 m m 的圓 柱體 ， 端面經磨光處理 ， 兩端面不平行度最大不超過 0 ． 0 5 m m， 端面不平整度誤差最大不超過 0 ．0 2 m m。 試驗中使用熱縮管將巖樣 和圍壓油彼此隔開， 實現 巖樣密封 ， 然后在兩端裝上探頭。為消除因巖樣個 體差別導致的結果差異 ， 增加測試結果的準確性 ， 選 取表面無缺陷巖石 ， 剔除掉波速值差異較大的巖樣 ， 對巖樣進 行 了全 巖礦 物分 析， 以便 于對結 果進 行 分析 。 1 ． 2試驗 設備 巖石物理測試試驗在 中國石油大學 ( 華東 )巖 石力學實驗室進行 ， 試驗設備主要包括 Q K Y 一1型 孔隙 度 測 試 儀 、 HK _ _ 4 型 滲 透 率 自動 測 定 儀 、 科學技術與工程 l 4卷 有效應 力 ] ]V l P a 圖 3 灰巖聲波波速 隨有效應 力變化曲線 F i g ． 3 C u r v e o f l i me s t o n e v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l wa v e v e l o c i t y c h a n g i n g wi t h e f f e c t i v e s t r e s s 減小 ； 這可以用有效應力 ( 圍壓_ 孑 L 壓 ) 來解 釋， 當有 效應力在 5 MP a內時， 聲波波速隨有效應力的增加 而迅速增加， 當有效應力大于 5 MP a時 ， 聲波波速隨 有效應力的增加而幾乎沒有變化。 2 ． 3 不 同子 L 隙度下孑 L 壓對聲波的影響規律分析 設定軸壓為 3 0 M P a ， 圍壓為 2 0 MP a ， 選用層理 方向相同但孑 L 隙度不 同的巖樣進行測試 ， 確定灰巖 的聲波波速隨孔壓的變化曲線 ， 實驗結果如圖 4所 示。設定孔壓為 1 0 M P a ， 測定 了灰巖聲波波速隨孔 隙度的變化曲線 ， 實驗結果如圖 5所示。 從上面的實驗結果可 以看出 ， 孔壓一定 時， 聲 波波速與孔隙度呈非線性 變化 ， 隨著灰巖巖樣孔隙 度增大， 縱橫波波速遞減斜率變小 ， 并且縱波波速的 減小幅度要大于橫波波速； 不同孑 L 隙度下 ， 隨著孔壓 增大 ， 縱橫波波速的變化規律基本相似 ， 但是孔隙度 越大 ， 縱橫波速的減小幅度越大。 2 ． 4不同層理方向孔壓對聲波的影響規律分析 設定軸壓為 3 0 MP a ， 圍壓為 2 0 MP a ， 選用孔隙 度相同但層理方 向不 同的巖樣進行實驗 ， 測試 了不 同層理方向縱橫波波速隨孔壓 的變化 曲線 ， 實驗結 果如圖 6所示。 從上面 的實驗結果可以看 出， 灰巖巖樣 中加上 孑 L 壓后 ， 平行層理方 向的縱橫波波速大于垂直層理 方向的縱橫波波速 ， 這是 因為垂直層理方 向上聲波 阻抗要大于平行層理方 向， 這與巖樣中不含流體時 的規律是一致的； 平行層理方 向和垂直層理方