多階段成巖作用對深層碳酸鹽巖巖石物理性質的影響
——以四川盆地震旦系燈影組四段為例

鐘擁,鞠林波,劉忠華,許玲,王佳慶,鄧繼新2,*

1 大慶油田有限責任公司勘探開發研究院,大慶 163712 2 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059 3 中石油勘探開發研究院測井研究所,北京 100083 4 成都理工大學地球物理學院地球物理系,成都 610059

0 引言

國內海相深層-超深層碳酸鹽巖油氣儲層勘探潛力巨大(趙文智等,2012;李劍等,2019;馬永生等,2019,2020;楊海軍等,2020).近年來,先后發現并探明開發了安岳、塔中、龍崗、順北等一批深層碳酸鹽巖油氣田(金之鈞和蔡立國,2006;馬新華等,2019),海相深層碳酸鹽巖儲層已成為我國油氣勘探開發探開發的“主戰場”之一,也是實現中國能源接替的現實領域.

通過地震預測方法獲取巖性、物性以及含氣性等儲層特征參數一直以來都是深層-超深層碳酸鹽巖油氣藏勘探目標評價的重要內容與依據.但隨深度的增大,巖石致密程度增加,儲層特征變化造成的地震響應差異減弱,加之深層地震資料品質的降低,致使深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預測方法面臨著重大挑戰(馬永生等,2020;何治亮,2021).對于深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震預測的難點問題,國內外學者進行了針對性研究,并取得諸多重要進展.如利用裂隙-孔隙雙相介質理論模型或針對性碳酸鹽巖樣品的多頻段巖石物理實驗,分析孔隙結構及孔隙流體特征對彈性波速度、彈性模量、各向異性以及頻散與衰減特征的影響,并以此為基礎形成利用彈性參數與頻變衰減屬性的儲層地震預測方法(宗兆云等,2012;印興耀等,2015;Zhao et al.,2014;鄧繼新等,2015a,b;Fournier et al.,2018;李闖等,2020;李洋等,2020;Teillet et al.,2021;方鑫鑫等,2022;劉航等,2023).通過裂隙-孔隙巖石介質地震正演數值模擬方法,分析碳酸鹽巖巖石骨架、所含裂隙特征以及孔隙流體特征變化的地震響應規律(Ba et al.,2011,2017;Zhao,2013;孔麗云等,2013;胡自多等,2016;Borgomano et al.,2017;趙雪然等,2020),建立波場信息與儲層參數之間的映射關系,從而在地震波場響應機理上為碳酸鹽巖儲層的巖性、孔隙結構及孔隙流體的地震預測方法提供依據.

深層-超深層碳酸鹽巖勘探開發的高成本因素對儲集層特征的地震精準預測提出了更高的要求,而儲層巖石地震巖石物理性質是搭建儲層參數與地震響應特征的重要橋梁.因此,對深層-超深層碳酸鹽巖儲層地震巖石物理特征和變化規律的準確把握以及建立儲層參數與地震彈性和非彈性參數之間的量化關系則是實現儲層參數精準地震預測的關鍵環節.國內深層-超深層碳酸鹽巖儲層普遍經歷多階段、多期次的成巖作用改造,沉積類型多樣,巖石與孔隙結構類型復雜,非均質性極強(馬永生等,2020;何治亮等,2021),使得脫離地質背景的巖石物理分析方法很難準確把握儲層巖石的整體巖石物理變化規律,也不能給出巖石物理特征變化的地質意義.因此,對于深層-超深層碳酸鹽巖儲層不但需要高溫壓實驗測試基礎上的地震巖石物理規律分析與總結,更需對儲層巖石在“沉積環境-成巖過程-巖石特征”這一多階段動態演化關系框架上分析控制巖石物理性質變化的地質因素,從而更客觀和準確地搭建地震參數與儲層地質參數(沉積相、巖性、孔隙結構、孔隙流體和物性)之間的聯系,使之具有明確的地質含義.基于上述目標,本次工作以四川盆地合川—潼南地區震旦系燈影組四段深層白云巖儲層為研究示例,在系統巖石學、孔隙結構特征、物性以及地震彈性性質測量的分析測試基礎上,結合沉積環境與成巖過程中儲層巖石特征變化的厘定,在目標儲層巖石物理變化規律的基礎上,分析儲層巖石多階段成巖作用過程對巖石物理特征的影響與控制作用,并以期通過對特定深層碳酸鹽巖儲層的研究作為示例形成針對化學沉積類的地震巖石物理研究新方法,為深層-超深層碳酸鹽巖儲層有效地震評價提供科學依據.

1 地質背景與巖石學特征

1.1 地質背景

合川—潼南地區位于四川盆地中西部緊鄰安岳氣田的高石梯—磨溪區塊,區域構造位置屬川中古隆平緩構造區與川東南高陡構造區的結合地帶(王文之等,2016;陳婭娜等,2017).震旦系燈影組在研究區內廣泛分布,與下伏震旦系陡山沱組呈整合接觸,而與上伏寒武系筇竹寺組泥、頁巖地層呈不整合接觸.依據巖性組合、電性特征燈影組自下而上可劃分為燈一、燈二、燈三與燈四段四個巖性段(圖1).燈一段主要為臺內灘和灘間海沉積環境的淺灰-深灰色塊狀泥晶白云巖;燈二段為一套瀉湖及潮坪沉積環境的富含藻類化石的淺灰-灰白色塊狀微生物白云巖;燈三段為一套深水、淺水混積陸棚沉積環境的藍灰-灰黑色泥頁巖夾石英巖;燈四段為臺內灘、灘間海沉積環境的塊狀微生物白云巖、泥晶白云巖、含硅質條帶白云巖以及硅質巖.燈四段中部在區域上發育一套高伽馬值的富泥質硅質條帶白云巖或硅質巖,以此為界限可將燈四段細分為上、下兩個亞段,燈四上亞段為研究區燈影組天然氣主力產層.

圖1 研究區位置圖及震旦系地層特征

燈影組沉積末期,桐灣Ⅱ期差異抬升作用導致研究地區發生了較大幅度的抬升(楊躍明等,2021),在大規模表生巖溶作用下燈影組四段普遍遭受大氣淡水的淋濾溶蝕作用,選擇性溶蝕孔洞發育,對儲層物性改善明顯.在此之后,研究區又先后經歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期及喜馬拉雅期構造運動,造成白云巖儲層不均勻發育多期次裂隙,溝通早期溶蝕孔洞而進一步改善儲層物性,也為后期熱液活動提供通道.

1.2 儲層巖石學特征

研究區內燈四段巖心、薄片觀察表明,儲集體巖性主要包括臺內丘亞相的藻紋層云巖、疊層石云巖、藻黏連云巖及凝塊石云巖,臺內灘亞相的藻砂屑云巖、鮞粒云巖及粗晶顆粒云巖,灘間海亞相的泥晶云巖、含泥云巖、含膏泥晶云巖、硅質泥晶云巖和云質灰巖(灰質云巖).儲層巖石礦物組分以白云石為主,其次為石英、黏土及方解石,少量黃鐵礦和螢石等熱液礦物.藻紋層白云巖呈灰色層狀,藻紋層較為平直,橫向連續性差,鏡下白云石呈晶粒結構或殘余顆粒結構,顆粒由粉細晶白云石(部分達到中晶)構成,半自形-它形鑲嵌結構(圖2a).疊層石云巖呈灰色中層狀,較為連續的富藻暗紋層與貧藻亮紋層相間排列且起伏一致,鏡下白云石晶體顆粒主要呈晶粒結構,顆粒由細晶、中晶白云石構成,自形-半自形鑲嵌結構(圖2b).藻黏連云巖呈淺灰色-灰色塊狀,由藻黏連的碎屑顆粒形成的凝塊呈極不規則狀分布,可見富藻泥晶在擠壓作用下變形并滲入碎屑顆粒形成的凝塊(圖2c、d).凝塊石云巖與藻砂屑云巖均屬顆粒云巖,受強烈重結晶作用的影響,鏡下均表現顆粒白云石特征,白云石晶體大小具有雙眾數分布,晶面污染,具半自形-它形鑲嵌結構(圖2e、f).泥晶云巖呈淺灰色塊狀,主要由粉細晶白云石構成,它形鑲嵌結構,可含沉積成因的黏土和石英,亦可形成硅質條帶白云巖(圖2g).云質灰巖(灰質云巖)呈暗灰色塊狀,可見暗色斑狀白云石沿縫合線分布(圖2h),粉細晶白云石顆粒呈自形-半自形產出,常與基質泥粉晶灰巖以縫合線為界限,亦可見具有霧心亮邊的白云石晶體呈斑狀分布于基質灰巖中.

圖2 四川盆地燈四段臺內微生物丘灘復合體巖性和儲集空間特征

根據巖心觀察并結合測井曲線特征,研究區燈四段按巖性組合可劃分為兩個短期丘灘復合體旋回,每個短期旋回在巖性組合上具有相似性.一個完整沉積旋回的巖性由下至上依次為:瀉湖沉積環境的致密的泥晶白云巖/硅質泥晶白云巖/泥質白云巖組合、臺內丘環境的疊層石/藻黏連/凝塊石白云巖/與生物相關的藻格架白云巖組合、臺內顆粒灘環境的砂屑云巖/粗晶白云巖/與微生物相關的顆粒白云巖組合.受海平面變化差異的影響,并不是所有沉積旋回均完整發育上述三套巖性組合,同時表現出“大灘小丘”的特征.

1.3 孔隙結構特征

燈四段儲集層的孔隙類型可分為沉積過程中形成的結構選擇性孔隙與成巖過程中形成的非結構選擇性孔隙兩種主要類型(Choquette and Pray,1970).結構選擇性孔隙主要表現為沉積期形成的原生孔隙,如富藻沉積物中的藻格架孔、體腔孔(圖2a),顆粒沉積物中的粒間孔隙,該類孔隙易被早期膠結物膠結,但剩余孔隙是準同生期溶蝕作用進行基礎.成巖過程中形成的孔隙包括白云化過程中離子半徑較小的Mg2+替換離子半徑較大的Ca2+而形成的晶間孔隙(圖2b、f),以及準同生、表生和埋藏溶蝕作用形成的粒間、粒內溶蝕孔隙(圖2b、d).準同生溶蝕作用表現為大氣降水或混合水在原生孔隙基礎上對低有序度的低溫白云石、文石及灰質等易溶物質的選擇性溶蝕,原生孔在溶蝕基礎上進一步擴大形成晶間溶孔、粒間溶孔;準同生溶蝕作用受控于海洋頻繁升降,巖心則表現出1～10 mm的溶蝕孔洞孔順層密集發育(圖2i),并集中于與暴露面有關的向上變淺旋回的頂部,以及與暴露蒸發有關的膏巖鑄?？紫兜某霈F,均表明準同生溶蝕作用是研究區儲集層白云巖最重要的建設性成孔作用.表生巖溶作用是指儲集層白云巖抬升地表后在大氣降水作用發生下發生的溶蝕作用,此時白云巖礦物都已高度穩定化,加之地層暴露時間較短,溶蝕作用對孔隙的貢獻弱于準同生溶蝕作用.埋藏溶蝕作用是通過有機酸、TSR(硫酸鹽還原反應)的溶蝕作用形成孔隙(張水昌等,2011),在鏡下可發現白云石膠結物被溶蝕成孤島狀的熱液溶蝕作用證據(圖2d、f),但更多的是溶蝕孔隙被石英、鞍狀白云石、螢石、黃鐵礦等熱液礦物充填,表明埋藏-熱液溶蝕作用對儲層孔隙既有建設性的溶蝕作用貢獻,也有因熱液沉淀而對早期孔隙封堵的破環性作用,尤其是大量熱液成因的它形石英晶體孔隙充填及交代作用對儲集空間的破壞性非常顯著.由于溶蝕作用的發生對原生孔隙存在依賴性,造成富藻的丘灘環境白云巖儲集層溶蝕孔隙較為發育,而淺海瀉湖環境泥晶白云巖缺乏格架孔等原生孔隙,后期溶蝕作用不發育,儲集空間以多階段白云巖化的晶間孔或粒間孔為主,巖石致密.裂隙在研究區燈四段普遍發育,以微裂縫為主(圖2b、c),沿裂隙可見溶蝕孔隙發育或早期溶蝕孔隙的再溶蝕擴徑;裂隙在縱、橫向分布極不均勻,不同井相同層位以及相同井不同層位的裂縫密度有較大差異.

依據燈四段不同巖性碳酸鹽巖儲集空間發育特征的差異可將儲層孔隙類型組合劃分為裂隙-溶蝕孔洞、溶蝕孔洞、裂隙-孔隙以及孔隙型四種主要類型.裂隙-溶蝕孔洞與溶蝕孔洞型儲層主要發育于丘灘相的藻白云巖與顆粒白云巖中,在CT圖像切片中主要可見孔徑在2 mm以上的中、大溶蝕孔洞以及小于1 mm的微孔,不同尺度的平直或彎曲型微裂隙溝通溶蝕孔洞(圖3c);呈花狀組合的孔隙喉道交錯疊加并周圍發散、延伸,亦有利于溝通不同尺度的溶蝕孔洞(圖3c).裂隙-孔隙與孔隙型儲層主要發育于瀉湖環境白云巖中,在CT圖像切片中溶蝕孔洞不發育,儲集空間主要由孔徑介于0.01～1 mm之間的微孔構成,裂隙發育規模小且不連續(圖4c);相互獨立存的孔隙吼道僅在局部有重疊且延伸較短,對孔隙的溝通能力相對較差(圖4d).

圖4 燈四段孔隙型白云巖樣品多尺度孔隙結構特征

1.4 成巖作用類型與巖石結構

研究區震旦期古沉積環境整體位于局限臺地內(杜金虎等,2015),僅存在于水下局部出現微地貌的高部位,這些高部位在沉積期優先沉積微生物相關的碳酸鹽巖建造,海侵期海平面的上升使得高部位微生物丘快速加積生長而建隆,形成洼隆相間的沉積體,并在低洼灘間海部位沉積含有泥質、硅質等陸源碎屑的細粒碳酸鹽巖.波浪作用下,高部位微生物碳酸鹽巖被擊碎并被水流攜帶至低洼部位沉積形成凝塊石等顆粒碳酸鹽巖.周期性海平面的升降使得微生物丘灘沉積體普遍發育,并在縱向上多期疊置.

研究區儲集層白云巖并非單一成因,多期次白云巖化作用的疊加與改造,大大增加了巖石特征的復雜程度.微生物白云巖主要認為是由在沉積建隆過程形成的同生或準同生期低溫沉淀成因的原白云石構成(Warthmann et al.,2005;趙文智等,2018),微生物巖中的藻云巖類(藻紋層、疊層石與藻黏連白云巖)初步形成由泥晶白云石晶體構成的微生物巖巖石骨架,微生物巖具有原巖結構保留完好以及原生格架孔和粒間發育的特征(圖2a).在微生物相關的低溫原白云石沉淀的同時,滲透回流、毛細管濃縮等低溫白云石化模式亦可形成早期葉片狀亮晶白云石膠結物,充填于藻云巖原生格架孔或凝塊石、砂屑白云巖原生粒間孔(圖2e、f),亦可出現同生期或成巖早期的富含硅質酸性水沿原生孔的硅化膠結作用.在經歷上述早成巖作用后,臺內丘灘環境沉積的藻云巖類與顆粒云巖巖石骨架已經基本固化.準同生溶蝕作用在大氣淡水的參與下,在原生孔系的基礎上對未完全固結和白云石化的沉積物進一步溶蝕,使得原生孔隙溶蝕擴大,并表現出順層發育的明顯組構選擇性溶蝕的特征.隨后的埋深白云化作用使得泥晶白云石晶體重結晶和次生加大,形成部分殘留藻紋層和藻顆粒等原巖結構的粉細晶顆粒云巖,受多期次交代和重結晶作用的影響,也可出現不殘留原巖結構的細-中晶顆粒云巖及過渡類型,而凝塊石、砂屑云巖則易于形成不殘留原巖結構的細-中晶顆粒白云巖.除早期葉片狀白云石膠結物外,孔隙亦存在鞍狀白云石、螢石、黃鐵礦、石英等熱液礦物膠結,顯示構造-熱液白云巖化作用的存在(圖5b、c).受多期次白云巖化作用的影響,粉細晶顆粒云巖、細-中晶顆粒云巖及中粗晶顆粒云巖的碳(δC13)-氧(δO18)穩定同位素均明顯偏負,更多表現出埋深白云化作用的δC13低正值和δO18高負值的特征而非微生物白云化作用的δC13低正值和δO18低正-低負值特征(趙文智等,2018),并隨白云石晶體的增大δC13和δO18均向高負值偏移(圖5a).綜上所述,對于臺內丘灘環境的微生物白云巖儲集體多階段成巖演化模式為:臺地內高部位微生物建隆→同生期微生物白云巖化、早期葉片狀亮晶白云石膠結→準同生期選擇性溶蝕作用→埋深白云巖化→斷裂-熱液白云巖化、埋藏熱液溶蝕及熱液礦物孔隙膠結,形成殘留或不殘留原巖結構的自形-半自形粉細晶溶蝕孔隙白云巖、原巖結構不殘留的細-中晶半自形-它形溶蝕孔隙白云巖以及中-粗晶它形溶蝕孔洞白云巖,多階段白云巖化形成的白云石晶體呈緊密鑲嵌接觸構成巖石骨架,而石英、黃鐵礦、鞍狀白云石等熱液礦物則主要表現為孔隙充填物.儲集體巖石疊加后期構造作用的微裂隙,可形成對應的裂隙-溶蝕孔隙型儲層巖石類型.

圖5 燈四段白云巖樣品地化特征與成巖特征

含有泥質、硅質等陸源碎屑的細粒碳酸鹽巖顆粒集合體主要沉積于臺內灘間海低能靜水環境.石膏結核及相應鑄?？變H在少量樣品中存在,并無區域性的含膏白云巖或膏巖層,表明毛細管濃縮白云化作用范圍較為局限.由于相對較深的海水環境,沉積物暴露地表頻率與機率均較低,不易形成較強的同生或準同生溶蝕作用.因此,對于低能量的細粒沉積物來說,未遭受近地表成巖環境的改造,直接進入了淺埋藏成巖環境.由于早期白云化作用較弱,巖石骨架仍處于低剛度的疏松狀態,不能有效抵抗埋深過程中的機械壓實作用,機械壓實作用減孔明顯,反映強壓實的縫合線構造也較為發育(圖5d).疊加埋深白云巖作用,晶核在交代與重結晶過程中沒有足夠的孔隙空間生長,最終形成以原生晶間孔為主的它形粉細晶白云巖,白云石晶體呈緊密的鑲嵌結果,巖石整體致密化.巖石在埋深成巖過程中的致密化也造成熱液流體不能有效流動,致使斷裂-熱液白云巖化作用的影響較小,與之相關的溶蝕及沉淀作用均難以發生.碳-氧穩定同位素也表現出埋深白云化作用的δC13低正值和δO18高負值的特征(趙文智等,2018).臺內灘間海環境的低能細粒沉積物成巖演化模式為:含泥質、硅質的細粒碳酸鹽巖顆粒沉積→弱毛細管濃縮白云巖化作用→強機械壓實致密化→埋深白云巖化作用,形成巖石組構較單一的孔隙型它形粉細晶白云巖,亦可疊加后期構造微裂隙形成裂隙-孔隙型白云巖.由于缺乏早成巖期的白云巖化作用,使得黏土、石英等陸源顆粒在壓實過程不但充填原生孔隙,易于分布在細粒碳酸鹽顆粒之間而形成穩定結構,并在后期白云巖化作用下與白云石晶體一起構成巖石骨架.沉積時,若黏土或石英含量較高則形成黏土、石英與白云石的互層,黏土與石英的巖石骨架支撐作用則表現的更為明顯.

2 巖石物理特征

2.1 儲層巖石物性特征

研究區燈四段巖樣品氦氣孔隙度主要分布于3%～13.5%之間,平均7.6%,孔隙度大于4%的樣品占比20%;滲透率在(0.016～14.5)×10-15m2之間,平均3.96×10-15m2,孔隙度大于4%的樣品平均滲透率為6×10-15m2,相同孔隙度下滲透率可出現2～6個量級的變化.儲層孔隙度和滲透率散點圖表明,儲層的孔-滲關系較差,僅表現較弱的整體正相關性(圖6a).如前所述,燈四段深層白云巖孔隙主要來自對原生孔隙的繼承與同生、準同生溶蝕作用,造成丘灘環境的藻云巖與顆粒云巖孔隙度明顯高于灘間海環境的泥質云巖、硅質云巖與灰質云巖,而滲透率存在明顯的重疊;白云石晶體形態受成核結晶時孔隙空間大小的影響,致使白云巖樣品孔隙度會隨晶體形態由自形晶結構至它形晶結構表現出降低趨勢.裂隙-溶蝕孔洞型與溶蝕孔洞型樣品孔隙度變化范圍在3.5%～7.2%之間,滲透率變化范圍在(0.016～191.2)×10-15m2之間,裂隙-溶蝕孔洞樣品孔隙度-滲透率正相關性略優于溶蝕孔洞型樣品,兩者在相同孔隙度下滲透率存在2～3個量級的變化.裂隙-孔隙型與孔隙型樣品孔隙度變化范圍在0.1%～3.5%之間,滲透率變化范圍在(0.0003～95.2)×10-15m2之間,兩種孔隙類型樣品具有一致的孔隙度-滲透率正相關性,但在相同孔隙度下滲透率存在3～6個量級的明顯變化.由于溶蝕孔洞型與裂隙-溶蝕孔洞型樣品中孔喉密集發育且延伸較長、孔徑以0.5～3 μm大喉道為主(圖3d),依靠孔喉高匹配度提高對溶蝕孔洞的溝通作用,表現為裂隙與孔喉共同作為流體滲流通道,微裂隙發育能有效提高滲透率但非唯一因素.孔隙型與裂隙-孔隙型樣品中孔喉發育及延伸較差,孔徑以0～0.06 μm小喉道為主(圖4d),孔喉匹配程度低,對孔隙溝通作用不足,表現為裂隙作為主要的流體滲流通道,造成孔隙度-滲透率關系表現出裂隙線性滲流關系,同時也使得樣品發育與不發育微裂隙時滲透率差異明顯.

圖6 燈四段白云巖樣品滲透率隨孔隙度變化關系與孔隙類型顯微照片

2.2 地震巖石物性特征

圖7中給出干燥與水飽和條件下四種典型孔隙結構組合類型樣品速度隨壓力變化關系,不同壓力條件下白云巖樣品的速度通過超聲波脈沖穿透法測定(鄧繼新等,2015a,b).樣品縱、橫波速度隨有效壓力增大表現出兩種增加趨勢,孔隙型白云巖在整個壓力段呈近似線性的緩慢增大,該類樣品孔隙類型單一,主要由力學性質均一的殘余晶間、粒間孔隙構成,并在壓力作用下向剛度更高的孔隙形狀漸次變形,從而使得巖石介質等效彈性模量增幅度近于相等.裂隙-溶蝕孔洞、溶蝕孔洞和裂隙-孔隙型白云巖表現出低壓力下的非線性快速增大與高壓力下的線性緩慢增大兩種特征,以上三類樣品均具有“雙孔隙”結構特征,由剛性較小的微裂隙與剛性較大的溶蝕孔隙或孔隙構成,隨有效壓力增大巖石樣品中的微裂隙依據剛性由小至大漸次閉合,而剛性較小的微裂隙閉合對巖石介質等效彈性模量增加的幅度高于剛性較大的微裂隙,造成速度在低壓力下表現出非線性快速增大的趨勢.壓力達到一定值后,微裂隙完全閉合,巖石介質可看作由剛性較高的溶蝕孔洞或孔隙構成,壓力繼續增大主要使孔隙漸次形變而增加剛度,使得速度隨壓力變化呈現出線性變化的趨勢.溶蝕孔洞樣品不發育微裂隙,其低壓力下的速度線非線性增大與樣品中存在剛性較小的孔喉或晶間孔縫有關,因其含量相對較低,相較于其他兩類典型的“雙孔隙”白云巖,速度隨壓力的變化量小,可看作裂隙-溶蝕孔洞和裂隙-孔隙型白云巖與孔隙型白云巖在速度-壓力變化關系上的過渡類型.樣品孔隙類型差異對速度的影響也會表現在不同孔隙流體飽和后速度的變化上,干燥樣品在水飽和后縱波速度均有不同程度的增大,而具有“雙孔隙”特征的裂隙-溶蝕孔洞型樣品與裂隙-孔隙型樣品速度增加更為明顯,同時實驗結果在低有效壓力下也明顯高于Gassmann方程(Mavko et al.,2003)理論計算值,反映孔隙尺度流體相關頻散作用對超聲頻率下速度測量結果的影響,而這種頻散作用的強弱依賴于巖石介質中孔隙剛度的差異.對于孔隙類型較為單一的孔隙型樣品,因孔隙彈性性質較為均一,造成孔隙尺度流體相關頻散作用較弱,實驗結果與Gassmann方程計算結果也較為接近,同時干燥橫波速度也略高于水飽和橫波速度.溶蝕孔洞樣品由于剛性較小的孔喉與晶間孔縫的存在,也可在低壓力下與剛性較大的溶蝕孔洞形成彈性性質差異,表現為實驗結果與Gassmann方程計算結果也存在一定差異.圍壓增大過程中微裂隙逐漸閉合而使孔隙剛度趨于均勻,彈性波誘發的孔隙尺度流體流動缺乏作用基礎,造成具有“雙孔隙”結構特征的樣品縱波速度測量結果與Gassmann方程計算結果之間的差異逐漸減小.

圖7 燈四段不同孔隙類型白云巖樣品(a)縱波速度和(b)橫波速度隨有效壓力變化關系

燈四段白云巖在經歷多階段白云化成巖作用改造后,白云石晶體普遍具有晶粒結構特征,彈性波的震動通過白云石晶粒及晶粒間接觸邊界在整個巖石介質中傳播,晶粒邊界作為力學性質的“弱面”對震動的響應強于剛性的白云石晶粒,造成晶粒邊界力學性質對巖石介質的宏觀彈性性質具有決定性影響.依據巖石樣品沉積、成巖過程與巖石微觀結構特征,可劃分五類晶粒接觸接觸類型(圖8):①白云石晶粒間致密“焊接”接觸,主要發育于致密它形白云巖與溶蝕孔洞發育的半自形-它形白云巖,邊界力學性質與白云石晶體近于相等;②石英膠結作為白云石晶粒邊界(石英型晶粒邊界),發育于致密它形硅質白云巖,邊界力學性質受石英顆粒彈性性質影響,石英與白云石顆粒共同作為巖石受力骨架;③黏土作為白云石晶粒的邊界(黏土型晶粒邊界),發育于致密它形泥質白云巖,邊界力學性質受黏土顆粒彈性性質影響,黏土與白云石顆粒共同作為巖石受力骨架;④方解石顆粒作為白云石晶粒邊界(方解石型晶粒邊界),發育于致密灰質白云巖,邊界力學性質受方解石顆粒彈性性質影響,方解石與白云石顆粒共同作為巖石受力骨架.同一樣品中可發育多種接觸類型,如致密泥質白云巖可存在白云石晶粒邊界黏土與白云石晶粒間致密“焊接”接觸兩種邊界類型.

圖9a中給出燈四段白云巖樣品縱、橫波速度關系,圖中數據點均為模擬儲層條件下樣品的超聲實驗測量值,作為對比將反映碎屑砂巖縱-橫波速度關系的泥巖線、碳酸鹽巖縱-橫波速度關系的灰巖線(VP=1.9VS)和白云巖線(VP=1.82VS)模型計算結果繪于圖中(Mavko et al.,2003).可以看出,白云巖樣品數據點均位于李慶忠線和灰巖線之間,整體上不具有統計關系.樣品縱、橫波速度關系表現出明顯的礦物組分依賴性,泥質云巖、硅質云巖、灰質云巖以及組分相對單一的裂隙-溶蝕孔洞和溶蝕孔隙白云巖樣品均分別表現出較好的縱、橫波速度線性關系,反映樣品組成顆粒邊界力學性質的控制作用.灰巖線與白云巖線分別為方解石晶體與白云石晶體縱、橫波速度關系,同樣砂巖碎屑巖線為石英骨架所表現出的縱、橫波速度關系,泥質云巖、灰質云巖樣品縱、橫波速度線性關系隨黏土、方解石含量增大逐漸接近灰巖線,反映樣品中黏土型晶粒邊界和方解石型晶粒邊界逐漸增多;而硅質云巖則隨硅質含量(成巖早期硅化膠結或沉積成因的石英)增大向碎屑巖線逐漸接近,反映石英膠結型顆粒邊界的增多.裂隙-溶蝕孔洞和溶蝕孔隙白云巖樣品則主要為緊密接觸與致密“焊接”型晶粒邊界類型,其速度關系與白云石晶體速度關系較接近,但會隨樣品中微裂隙、晶間縫或孔喉等軟孔隙含量的增加而逐漸偏離白云巖線.微裂隙等軟孔隙在水飽時其剛度會明顯增大,加之噴射流相關的頻散作用,縱波速度增加幅度遠高于橫波速度,造成裂隙-溶蝕孔洞樣品會隨軟孔隙含量的增多向灰巖線偏離;干燥(飽氣)條件下,微裂隙等軟孔隙含量的增加使縱波速度下降的更為明顯,造成縱、橫波速度關系向碎屑巖線偏離.溶蝕孔洞因其自身的剛度較大,流體變化不會明顯地改變孔隙剛度,同時其含量對縱、橫波速度影響一致,造成組分單一的溶蝕孔洞樣品縱、橫波速度關系在孔隙飽和流體變化以及含量變化時仍與白云巖線接近.

圖9 燈四段白云巖樣品(a)縱波速度-橫波速度變化關系與(b)縱波速度-速度比變化關系

樣品晶粒邊界力學性質同樣控制了速度比(泊松比)與縱波速度的協同變化.隨晶粒邊界特征從白云石晶粒邊界硅質膠結接觸→緊密白云石接觸→致密白云石接觸→黏土、方解石型晶粒邊界轉變,干燥(飽氣)樣品縱、橫波速度比呈逐漸增大的總趨勢;由于石英、黏土以及方解石顆粒的縱波速度均小于白云石晶體的縱波速度,對應類型的晶粒接觸邊界彈性特征也小于致密型白云巖接觸邊界,造成石英、黏土以及方解石含量增大時縱波速度逐漸減小,使得硅質云巖樣品中速度比隨縱波速度的增大而逐漸增大,而泥質、灰質云巖樣品則具有相反的變化趨勢,致使縱波速度-速度比變化關系整體呈開口向左的“V”型(圖9b).微裂隙在干燥(飽氣)與水飽和時對縱、橫波速度影響的差異,造成干燥樣品縱波與速度比隨微裂隙的增多而逐漸降低,而水飽和樣品縱波隨微裂隙的增多逐漸降低的同時速度比呈增大的趨勢,高微裂隙含量的干燥樣品其縱波速度及速度比甚至低于硅質云巖.晶間縫與軟孔喉力學性質與微裂隙近似,含量變化對縱波速度及速度比的影響與微裂隙相同.溶蝕孔洞和孔隙因其自生剛度較大,孔隙流體變化對孔隙剛度的改變較小,加之樣品整體孔隙度較低,造成以溶蝕孔洞型和孔隙型樣品速度在干燥與水飽和條件下的差異不大,縱波速度-速度比變化關系也不存在明顯的變化.從儲層地震預測的角度看,在排除硅質云巖影響的前提下,可利用速度比(泊松比)區分含氣的裂隙-溶蝕型和溶蝕孔洞型白云巖.

圖10中給出儲層條件下水飽和白云巖樣品縱、橫波速度隨孔隙度的變化關系.可以看出,白云巖樣品速度與孔隙度在整體上具有負相性,但速度-孔隙度變化關系不能用單一的統計模型定量表征.速度受礦物組分影響明顯,樣品中石英、方解石、黏土含量的增加均使縱、橫波速度有明顯的降低,其主要原因仍然是隨石英、黏土與方解石含量的增大巖石晶粒骨架中對應彈性性質較弱的顆粒邊界逐漸增多.對于組分單一的樣品(不考慮顆粒接觸邊界力學性質的影響),在相同孔隙度下縱、橫波速度最大差異為分別為1000 m·s-1和500 m·s-1,反映孔隙結構對速度的控制作用.為對比孔隙結構對速度的影響,利用微分等效模量模型計算出不同孔隙縱橫比時的速度-孔隙度變化關系并繪制于圖中.假定巖石介質中所含孔隙的形狀近似為理想橢球體,其縱橫比為α,則巖石的等效體積模量K*與剪切μ*可如下公式計算(Mavko et al.,2003):

圖10 燈四段白云巖樣品縱波速度-孔隙度變化關系(a)與橫波速度-孔隙度變化關系(b)

(1)

式中φ為樣品孔隙度,Ki為孔隙流體體積模量,幾何因子T1(α)、T2(α)分別為縱橫比α的函數(Mavko et al.,2003).依據數據點與模型線的相對位置,溶蝕孔隙型樣品主要位于α=0.1模型線以上.裂隙-孔隙型樣品則主要分布于α=0.1模型線以下,并隨樣品中微裂隙含量的增大逐漸接近α=0.01模型線.

3 結論

研究區震旦系燈影組四段白云巖成巖過程受沉積環境控制,丘灘相高能環境微生物白云巖分別經歷同生期微生物白云巖化與滲透回流白云巖化作用、準同生期選擇性溶蝕作用、埋生白云巖化作用以及斷裂-熱液白云巖化,多階段白云巖化形成的晶粒白云巖存在致密“焊接”型與緊密型兩種主要的白云石晶體接觸邊界.孔隙主要是對原生孔隙的繼承和準同生生溶蝕作用,依靠孔喉高匹配度與微裂隙提高對溶蝕孔洞的溝通作用,表現為裂隙與孔喉共同作為流體滲流通道.

灘間海低能硅質、泥質與灰質云巖主要經歷弱毛細管濃縮白云巖化作用、強機械壓實致密化與埋深白云巖化作用,形成巖石組構較單一的致密它形粉細晶白云巖,多階段白云巖化形成的晶粒白云巖存在致密“焊接”型、黏土型、石英膠結型與方解石型晶體接觸邊界.孔隙以殘余原生粒間或晶間孔為主,以微裂隙作為主要的流體滲流通道,孔隙度-滲透率關系表現為裂隙線性滲流關系.

埋生白云巖化作用與斷裂-熱液白云巖化作用形成穩定的白云巖晶體結構以及緊密 “焊接”型為主的晶粒間接觸方式,晶粒邊界力學性質與孔隙結構特征共同控制樣品的縱波速度-速度比、孔隙度-速度等地震彈性性質的變化規律,隨硅質膠結晶粒邊界的增多,縱、橫波速度線性關系由白云巖線向碎屑巖線偏離,縱波速度與速度比降低;隨黏土、方解石晶粒邊界的增多,縱、橫波速度線性關系由白云巖線向灰巖線偏離,縱波速度減小而速度比增加.干燥條件下樣品速度以及速度比會隨微裂隙等軟孔隙的增加而逐漸減小,而水飽和條件下則表現為速度的減小以及速度比的增大.不考慮顆粒接觸邊界力學性質的影響,白云巖樣品的孔隙度-速度變化關系受控于孔隙結構,其次為孔隙度.