白云岩声电各向异性实验测量及分析

doi:10.11720/wtyht.2022.1615

白云岩声电各向异性实验测量及分析

唐军^,¹, 刘沁园^,¹, 赖强², 吴煜宇², 许巍¹

1.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北武汉 430100

2.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院,四川成都 610041

Experimental measurement and analysis of the acoustic-electrical anisotropy of dolomites

TANG Jun^,¹, LIU Qin-Yuan^,¹, LAI Qiang², WU Yu-Yu², XU Wei¹

1. College of Geophysics and Petroleum Resources,Yangtze University,Wuhan 430100,China

2. Exploration and Development Research Institute,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Chengdu 610041,China

通讯作者: 刘沁园(1996-),男,湖北宜昌人,硕士,现为长江大学地质工程专业硕士研究生,主要从事复杂储层测井新技术评价方法研究工作。Email:774965375@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2021-11-25 修回日期: 2022-09-12

基金资助:

中国石油科技创新基金“裂缝渗透率测井计算理论模型及实验研究”(2020D-5007-0306)

Received: 2021-11-25 Revised: 2022-09-12

作者简介 About authors

唐军(1979-),男,汉族,湖北荆门人,博士,副教授,硕士生导师,一直从事地球物理测井教学及研究工作。Email:tangjun@yangtzeu.edu.cn

摘要

四川盆地高石—磨溪地区灯影组白云岩各向异性强,导致该地区水平井与直井测量的声波和电阻率曲线差异大,测井响应规律解释不清,影响水平井技术在实际储层中的应用效果。本文以高石—磨溪地区野外露头白云岩为实验对象,设计并开展高温高压下岩心不同方向电阻率和声波同步测量实验,分析声各向异性系数与电各向异性系数实验关系。实验结果表明在60℃和60MPa下,电各向异性系数与声各向异性系数呈正相关线性关系;随着含水饱和度的上升,纵波速度上升,电阻率下降,声电各向异性系数均上升。该实验结果为声电各向异性的相关性分析和声波、电阻率差异校正提供实验依据。

关键词： 白云岩; 各向异性; 声波; 电阻率; 含水饱和度

Abstract

The dolomites in the Dengying Formation in the Gaoshi-Moxi area,Sichuan Basin have strong anisotropy,causing great differences in acoustic and resistivity curves measured at horizontal and vertical wells and unclear interpretation of logging response rules,thus affecting the application performance of the horizontal well technique in actual reservoirs.With the dolomite outcrops in the Gaoshi-Moxi area as a case study,this study designed and conducted the synchronous measurement experiments of resistivity and acoustic waves of cores in different directions under high-temperature and high-pressure conditions and analyzed the experimental relationship between acoustic and electrical anisotropy coefficients.The experimental results show that there was a positive linear correlation between the two coefficients at 60℃ and 60 MPa.Specifically,with an increase in water saturation,the compressional wave velocity increased,the resistivity decreased,and acoustic and electrical anisotropy coefficients increased.This result provides an experimental basis for the correlation analysis of acoustic-electrical anisotropy and the correction of the differences in the acoustic waves and resistivity.

Keywords： dolomite; anisotropy; acoustic wave; resistivity; water saturation

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本文引用格式

唐军, 刘沁园, 赖强, 吴煜宇, 许巍. 白云岩声电各向异性实验测量及分析[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1492-1499 doi:10.11720/wtyht.2022.1615

TANG Jun, LIU Qin-Yuan, LAI Qiang, WU Yu-Yu, XU Wei. Experimental measurement and analysis of the acoustic-electrical anisotropy of dolomites[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(6): 1492-1499 doi:10.11720/wtyht.2022.1615

0 引言

随着勘探技术的不断进步,中深层碳酸盐岩油气藏的开发为中国油气增储上产做出巨大贡献,其中白云岩储层较多,展现出了较好的开发前景^[1-2]。但是中深层白云岩储层受到高温高压的影响,具有较强的各向异性。这不仅影响了水平井技术在白云岩储层中的应用效果,同时也大大降低了测井解释的正确率^[3]。

声波、电阻率的差异是白云岩各向异性的直观反映,用声波和电阻率表征白云岩储层的各向异性效果较好^[4]。经过广泛调研发现:专家和学者利用大量理论和物理实验研究证明了各向同性模型有较大的局限性后,各向异性模型成为了油气勘探的研究热点。Klein^[5]指出,电各向异性主要出现在不同岩性的薄互层中或在电阻率差异较大的层状地层中;徐亦鸣等^[6]结合理论模型和实际地震资料,提取了纵波各向异性参数;Moran等^[7]提出假设,在均匀的无限厚各向异性地层中,电法测井仪器所测得电阻率值都会受到井斜和地层倾角的干扰;伍文杰^[8]利用声波测量系统对圆球形岩样进行声波测量和各向异性分析,发现该方法比传统测量方法效果好;孙晶波^[9]利用交互式速度分析方法,证明了当介质存在各项异性时,利用非双曲时差速度分析方法,能进一步改善声波波形的信噪比;但是并没有表征声波时差各向异性的大小,也没有讨论声波时差各向异性对速度分析方法影响的强弱;蔡琳等^[10]在储层测井资料评价中,发现碳酸盐岩由于上覆地层压力与围压的不同,导致碳酸盐岩电各向异性较强;但是并没有考虑该储层的声各向异性。综上所述,以往的专家和学者仅从电学或声学方面评价了储层的各向异性,其结果往往是不全面的。

本文以四川盆地高石—磨溪地区野外露头白云岩为实验对象,采用物理实验的方法,主要分析在高温高压下岩心声各向异性系数与电各向异性系数的实验关系和不同含水饱和度下声电各向异性系数的大小变化;通过以上研究以期为白云岩储层声波、电阻率差异校正提供帮助,为白云岩各向异性评价提供更多方法。

1 声电各向异性表征方法的确定

岩心声电各向异性系数可以定量表征出岩心不同方向上声波和电阻率的差异大小,该表征方法是白云岩声电各向异性评价的基础。

1.1 岩心尺寸的选取

以往电各向异性的研究多是分析在不同倾角下,砂岩岩心电阻率差异的问题。其实,岩石电阻率的差异不仅仅与地层倾角有关,与储层温度、压力和方向等因素也密切相关。本次实验为了保证岩心数据与测井资料有较好的可比性,同时为了满足岩心夹持器的尺寸要求,选用了大尺寸方形岩心为实验对象,具体尺寸大小为50 mm×50 mm×50 mm。

1.2 电各向异性表征方法

图1是双侧向电极系在水平井中的测量示意。其中,A₀是主电极,M₁和M₂是监督电极,A₁和A₂是屏蔽电极。如图1所示,设与储层层理平行的方向为x方向,该方向电阻率为R_x,单位为Ω·m;与储层层理垂直的方向为z方向,该方向电阻率为R_z,单位为Ω·m。如图2所示,实验所用岩心较致密且没有裂缝,y方向电阻率与x、z方向电阻率差异不大,所以不考虑y方向电阻率的大小。本实验电各向异性系数λ^[11]的表征方法为:

(1)

λ = \sqrt{\frac{R_{z}}{R_{x}}}

。

图1

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图1 水平井各向异性储层测井示意

Fig.1 Schematic diagram of horizontal well logging for anisotropic reservoirs

图2

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图2 岩心x方向和z方向示意

Fig.2 Schematic diagram of core x direction and z direction

1.3 声各向异性表征方法

声各向异性系数表征方法一般分为两类,第一类是当岩心无裂缝时,通常利用岩心水平方向纵波速度和垂直方向纵波速度的比值表征声各向异性系数;第二类是当岩心存在明显的裂缝和孔洞时,用快慢横波表征岩心的声各向异性系数。本次实验所用岩心较致密且无裂缝孔洞,选用第一类方法表征声各向异性较为合适。如图2所示,设与岩心纹层平行的方向为x方向,该方向纵波波速为V_x,单位为m/s; 与纹层垂直的方向为z方向,该方向纵波波速为V_z,单位为m/s,则声各向异性系数α的表征方法为:

(2)

α = \frac{V_{x}}{V_{z}}

。

2 声电各向异性实验测量方法

本节将介绍实验仪器的实验原理、实验方案设计和误差分析,科学严谨的实验流程将提高实验数据的真实性。

2.1 声波实验测量原理

图3是声波实验测量原理,如图所示,左边的激发探头将高压脉冲信号转换成高频机械振动,机械振动沿水平轴穿过岩心,由接收探头转换为脉冲信号输出,最后由计算机和示波器记录和读取声波波形。实验前选用声波探头对接法测量声波的迟滞时间T₀,这种方法操作简便,也可以测试实验仪器的测量效果。经过测量,本次实验纵波探头T₀值为7.12 μs,横波探头T₀值为22.12 μs。

图3

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图3 声波脉冲透射法测量原理

Fig.3 Schematic diagram of acoustic pulse transmission measurement

2.2 电阻率实验测量原理

实验所用的电阻率测量仪并没有采用古典电桥,而是采用微处理器构成的新式电桥测量电阻。该电桥避免了古典电桥操作复杂、程序步骤多等缺点,程序简便,可自动测量被测元件的电阻值,有效提高电阻率测量仪的测量效率。

如图4所示,正弦波发射器S输出电流I_x流过被测岩心和电阻为r_S的标准电阻,由具有相同增益K的差分放大器分别输出电压e₁和e₂,通过微机自动输出被测元件的电阻值r_x。具体表达式为:

(3)

r_{x} = r_{S} [e_{1} / e_{2}]

。

图4

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图4 电阻率测量仪基本测量原理

Fig.4 Basic measurement principle diagram of resistivity measuring instrument

2.3 方形岩心夹持器

如图5所示,方形岩心夹持器采用三轴加压系统控制夹持器的压力,采用温度控制器控制夹持器的温度。声波探头的测量面制作成和岩心测量面大小一样的方形形状,即方便测量该方向岩心的声波数据也方便装载和卸载岩心;在测量声波的同时电极片测量岩心另一个方向的电阻,实现不同方向的声电同步测量。

图5

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图5 实验仪器连接示意

Fig.5 Schematic diagram of experimental instrument connection

2.4 实验操作过程及误差分析

该实验步骤较多较复杂,操作过程中应尽量减少每个环节的操作误差,保持数据的准确性。

2.4.1 实验操作过程

1)测量前对所有岩心进行洗油、洗盐处理,清理掉岩心中残余的杂质;

2)将所有岩心置于80℃的恒温干燥箱中烘干24 h,测量岩心的干重和尺寸;

3)本次实验配制10 000 ppm的NaCl溶液饱和岩心。测量岩心饱和后的重量并计算孔隙度和密度。由于高温高压下实验极易导致夹持器中胶套破损,影响实验安全,最终确定实验温度和压力分别为60 ℃和60 MPa;

4)将第一块岩心沿x方向放入夹持器中密封,在60 ℃和60 MPa下测量x方向的声波和z方向的电阻;

5)沿z方向将岩心放入夹持器中密封,在60 ℃和60 MPa下测量z方向的声波和x方向电阻;

6) 完成所有岩心声波和电阻率的测量后,根据式(1)、(2)、(4)和(5)计算声电各向异性系数。

声波速度计算公式为:

(4)

V = \frac{L}{T_{1} - T_{0}}

式中L为岩心测量方向的长度,单位为m;T₁为声波时差,单位为s;T₀为声波迟滞时差,单位为s。

电阻率计算公式为:

(5)

R = (r \times S) / L

式中r是测量电阻值,单位为Ω;S是岩心样品测量面的横截面积,单位为m²;L是岩心测量方向上的长度,单位为m;R是电阻率值,单位为Ω·m。

2.4.2 实验误差分析

1)测量误差:岩心的尺寸、干重、湿重等数据测量不准确造成测量误差。

2)岩心制备误差:岩心在切割、打磨以及运送过程中的磕碰导致岩心端面不平整造成制备误差。

3)岩心饱和误差:全直径方形岩心尺寸较大难以达到完全饱和而造成饱和误差。

3 实验测量结果与分析

本节将根据所采集的8块岩心声波波形和电阻率,总结归纳声各向异性系数与电各向异性系数实验关系和含水饱和度对声电各向异性系数的影响规律 ^{[12⇓⇓-15]}。

3.1 岩心物性测量结果

表1是8块岩心测量参数值,8块岩心平均孔隙度为2.724%,平均密度为2.78 g/cm³。其中2号岩心孔隙度较小,密度较大;原因是岩心制备误差和测量误差所导致的。

表1 岩心物性参数测量结果统计

Table 1 Statistics of measurement results of core physical parameters

岩心编号	干重/g	长度/mm	宽度/mm	高度/mm	饱和质量/g	孔隙度/%	密度/(g·cm^-3)
1	358.974	49.94	50.92	50.62	361.011	1.575	2.789
2	335.484	48.68	49.72	49.42	336.666	0.983	2.805
3	336.805	49.42	49.32	49.76	340.945	3.396	2.777
4	329.733	49.18	49.12	49.36	333.876	3.457	2.765
5	332.871	48.98	49.26	49.64	336.142	2.717	2.779
6	335.707	49.44	49.5	49.34	338.946	2.669	2.780
7	348.777	49.01	49.52	49.18	335.363	3.057	2.779
8	331.697	49.85	49.52	49.8	344.434	3.942	2.767

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3.2 声波波形各向异性分析

本节将根据采集的声波波形分析不同方向白云岩岩心声波幅度和声波速度差异^{[16⇓⇓⇓⇓⇓-22]}。

由图6和图7可知2号岩心x方向的纵波波速为7 280.8 m/s,横波波速为4 203.6 m/s;z方向的纵波波速为7 062.1 m/s,横波波速为4077.4 m/s。图8是2号岩心x方向和z方向的声波波形对比,分析该图可知,同一块岩心x方向和z方向声波速度和声波幅度大小都不一样,均表现出各向异性,归纳为以下几个原因:

图6

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图6 2号岩心x方向声波波形

Fig.6 x-direction acoustic waveform diagram of No.2 core

图7

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图7 2号岩心z方向声波波形

Fig.7 z-direction acoustic waveform diagram of No.2 core

图8

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图8 2号岩心声波波形对比

Fig.8 Comparison of acoustic waveform of No.2 core

1)内摩擦消耗

沿z方向穿过岩心的声波与岩石骨架、硅质条带和孔隙流体产生内摩擦消耗了一部分声波的能量;沿x方向穿过岩心的声波,产生的内摩擦较小,减少了声波能量的消耗;所以z方向的声波波形相比于x方向的声波波形幅度小、声波速度慢。

2)散射消耗

声波从z方向穿过岩心时,由于岩石骨架和硅质条带中分子的非均质性,造成z方向的声波一部分由于散射消耗掉了;x方向声波穿过岩心时,散射衰减的声波能量较少。所以,x方向的声波幅度较大,声波速度较快;而z方向的声波幅度较小,声波速度较慢。

表2是8块岩心样品x方向和z方向纵波速度、横波速度以及声各向异性系数统计表。如表所示,8块岩心x方向和z方向的纵波速度和横波速度差异较小,纵波各向异性系数和横波各向异性系数在1~1.05之间。

表2 白云岩岩心声各向异性系数统计

Table 2 Statistical table of anisotropy coefficient of dolomite

岩心编号	长度/mm	宽度/mm	高度/mm	纵波速度/(m·s^-1)		横波速度/(m·s^-1)		纵波各向异性系数	横波各向异性系数
岩心编号	长度/mm	宽度/mm	高度/mm	x	z	x	z	纵波各向异性系数	横波各向异性系数
1	49.94	50.92	50.62	7640	7412.9	4410.5	4279.9	1.03	1.03
2	48.68	49.72	49.42	7280.8	7062.1	4203.6	4077.4	1.03	1.03
3	49.42	49.32	49.76	7374.6	7170.7	4257.8	4140.1	1.036	1.036
4	49.18	49.12	49.36	7143.9	6915	4124.6	3992.5	1.034	1.034
5	48.98	49.26	49.64	7339.6	7119.7	4237.6	4110.6	1.031	1.031
6	49.44	49.5	49.34	7238	7009.8	4465.4	4256.1	1.032	1.032
7	49.01	49.52	49.18	7516.8	7260.1	4339.9	4191.7	1.035	1.035
8	49.85	49.52	49.8	6664.5	6415	3847.9	3703.8	1.038	1.038

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3.3 电阻率各向异性分析

表3是8块岩心x、z方向电阻率以及电各向异性系数统计结果,如表所示,x方向和z方向电阻率差异较大,电各向异性系数在1.2~1.75之间。

表3 白云岩岩心电各向异性系数统计

Table 3 Statistical table of electrical anisotropy coefficient of dolomite core

岩心编号	长度/mm	宽度/mm	高度/mm	电阻/kΩ		电阻率/(Ω·m)		电各向异性系数
岩心编号	长度/mm	宽度/mm	高度/mm	x	z	x	z	电各向异性系数
1	49.94	50.92	50.62	268.14	487.18	13564	24473	1.343
2	48.68	49.72	49.42	280.71	438.88	14169	21494	1.231
3	49.42	49.32	49.76	71.43	211.84	3844.6	10376	1.642
4	49.18	49.12	49.36	87.53	197.94	4368.3	10015	1.514
5	48.98	49.26	49.64	26.801	51.99	1337.9	2526.9	1.374
6	49.44	49.5	49.34	52.55	103.92	2595.9	5154.4	1.409
7	49.01	49.52	49.18	122.35	289.72	6079.8	14297	1.533
8	49.85	49.52	49.8	20.834	61.638	1032.7	3061.5	1.721

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3.4 声电各向异性系数实验关系分析

对8块岩心的声、电各向异性系数进行整理分析,得到了60 ℃、60 MPa下声电各向异性系数实验关系图(图9)和表达式:

(6)y=53.561x-53.871,R²=0.9534,

式中,y为电各向异性系数,无单位;x为声各向异性系数,无单位。

图9

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图9 声各向异性系数与电各向异性系数实验关系

Fig.9 Relationship between acoustic velocity anisotropy coefficient and resistivity anisotropy coefficient

由图可知声、电各向异性系数呈正相关线性关系,且相关系数R²=0.9534,声电各向异性系数拟合关系较好。该关系表明利用声波和电阻率评价各向异性是存在联系的,白云岩声电各向异性系数可以相互转化,实现声电多参数各向异性评价方法。

3.5 不同含水饱和度下岩心声电各向异性系数实验关系分析

研究1号岩心、3号岩心和6号岩心在不同含水饱和度下声、电各向异性系数规律关系。在改变岩心含水饱和度的过程中,因为岩心孔隙度较小,较致密;且实验仪器水平放置,采用氮气驱替改变岩心的含水饱和度效果不理想。采用自然风干法改变岩心的含水饱和度效果较好。风干后重新测量岩心的重量,计算岩心的含水饱和度S,测量岩心不同含水饱和度下的声波波形和电阻,按照式(1)、(2)、(4)、(5)得到不同含水饱和度下岩心声电各向异性系数^{[23⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-31]}。

经过实验多次测量,得到了不同含水饱和度下声波波形和不同含水饱和度下声电各向异性系数,如图10和表4所示。总结得到以下认识:

图10

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图10 1号岩心不同含水饱和度x方向声波波形对比

Fig.10 Comparison chart of x-direction acoustic waveform of No.1 core with different water saturation

表4 3块岩心不同含水饱和度下声、电各向异性系数统计

Table 4 Statistical table of acoustic and electrical anisotropy coefficients of 3 cores with different water saturation

岩心编号	含水饱和度/%	电阻率/Ω·m		纵波速度/(m·s^-1)		声各向异性系数	电各向异性系数
岩心编号	含水饱和度/%	x	z	x	z	声各向异性系数	电各向异性系数
1	0	32586.66	36312.88	7355.3	7302.9	1.007	1.055
	49.11	20391.06	31959.46	7462.2	7314.9	1.020	1.251
	100	13564	24473	7640	7412.9	1.030	1.343
3	0	27639.016	41073.17	7200.5	7150.4	1.007	1.219
	69.97	10086.34	24320.26	7355.3	7166.4	1.026	1.552
	100	3844.6	10376	7374.6	7170.7	1.028	1.642
6	0	13183.413	17429.98	7004	6956.6	1.006	1.159
	28.99	7859.387	9319.927	7200.5	6998.1	1.028	1.263
	100	2595.9	5154.4	7238	7009.8	1.032	1.409

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1)岩心随着含水饱和度的升高,电阻率下降,且x方向和z方向的电阻率差异增大,电各向异性系数增大。随着含水饱和度的上升,孔隙中游离的Na⁺离子和Cl^-离子增多,电流更容易通过岩心,使岩心电阻率下降;z方向的电流垂直经过纹层方向,需要穿过电阻较高的硅质条带,使z方向电阻率高于x方向电阻率,且z方向电阻率与x方向电阻率差异增大,电各向异性系数增大;

2)含水饱和度越高的岩心,声波速度上升,x方向和z方向的声波速度差异增大,声各向异性系数增大。干燥岩心x方向和z方向声波速度较为接近,声各向异性系数较小;随着含水饱和度增加,x方向和z方向声波速度上升,但是z方向声波垂直经过岩石骨架和孔隙流体时摩擦消耗和散射消耗较大,导致z方向声速与x方向声速差异增大,声各向异性系数变大;

3)3块岩心中3号岩心的孔隙度最高,完全饱和水后电各向异性系数最大。说明除去含水饱和度对电各向异性系数的影响外,岩心的孔隙度大小对电各向异性系数也有影响。若要获得更加详细的孔隙度与电各向异性系数的实验关系,则需要更多的岩心和更深入的实验研究来探索。

4 结论

1)通过物理实验测量,得到8块岩心孔隙度、声波波形和电阻率等数据。研究发现,孔隙度最小的2号岩心,声、电各向异性系数最小;孔隙度最大的8号岩心,声、电各向异性系数最大;同时求得8块岩心平均声各向异性系数α=1.033,平均电各向异性系数λ=1.47。

2)通过实验发现,岩心在60 ℃、60 MPa下声、电各向异性系数实验关系为正相关线性关系,关系式为λ=53.561α-53.871,相关程度为0.953,且该关系式在100% 含水饱和度时误差最小。该关系式说明白云岩声各向异性与电各向异性是内在相关的,声、电各向异性强弱程度是一致的。该关系式为水平井和直井声波、电阻率差异建立联系,实现声电多参数各向异性评价方法。

3)对比1号岩心、3号岩心和6号岩心不同含水饱和度下声、电各向异性系数后发现,随着含水饱和度的上升,声各向异性系数变大,电各向异性系数变大。声各向异性系数随含水饱和度平均变化率为0.023,电各向异性系数随含水饱和度平均变化率为0.216。该实验结果说明含水饱和度是声电各向异性评价方法中的重要参数,且电各向异性系数对含水饱和度的变化较为敏感。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

金军斌, 欧彪, 张杜杰, 等.

深部裂缝性碳酸盐岩储层井壁稳定技术研究现状及展望

[J]. 长江大学学报:自然科学版, 2021, 18(6):47-54.