哈密地區砂巖地震波速的實驗研究

王懷民， 王紅才， 殷昌吉， 張翔宇， 李阿偉， 杜 威

(1．中國石油大學(北京)，地球科學學院，北京 102249；2．中國地質科學院 地質力學研究所，北京 100081；3．中石化新星湖北新能源開發有限公司，武漢 430000)

哈密地區砂巖地震波速的實驗研究

王懷民1,2， 王紅才2， 殷昌吉3， 張翔宇1， 李阿偉2， 杜 威1,2

(1．中國石油大學(北京)，地球科學學院，北京 102249；2．中國地質科學院 地質力學研究所，北京 100081；3．中石化新星湖北新能源開發有限公司，武漢 430000)

巖石的地震波速是區域構造研究和淺部地震勘探的基礎。哈密地區是我國重要的產油區域之一，但目前仍缺少地震波速方面的基礎資料。這是在實驗室條件下模擬了深層環境，分析了四組哈密地區砂巖樣品的波速與壓力之間的關系。結果表明：隨著壓力增加，砂巖樣品的縱橫波速度以對數關系增加；砂巖的孔隙度影響波速的變化速率；砂巖地震波速的滯后效應主要表現為：在相同壓力下，降壓過程中的波速大于升壓過程中的波速；高壓下的波速接近于用空間平均模型計算的理論波速。實驗所得的波速數據與哈密地區的測井數據解釋相吻合，其可以作為判斷油層、水層和干層的輔助條件。

哈密地區； 砂巖； 壓力； 地震波速； 測井

0 引言

巖石的地震波速是地震勘探的基礎，地震波速受到溫度、壓力、巖石的內部結構及礦物成分等各方面因素的影響，其中壓力對地震波速的影響起到了至關重要的作用[1]。因此，研究不同壓力下巖石地震波速的變化規律，不僅可以增加地震反演的約束條件，還能提高測井解釋的精度。同時，壓力環境是對地球深部空間的模擬，在實驗室環境下得到地殼深部樣品的波速數據，對于研究地球內部環境也有借鑒作用。

國內、外對巖石地震波速的研究已經取得了豐碩的成果，Birch[2-3]在高壓條件下首次測量得到了巖石縱波速度，通過對250塊特征巖石樣品縱波速度的測量，分析了巖石樣品波速的各向異性，在研究的基礎上，提出了著名的Birch定律；史謌等[4]研究了巖石地震波速和泥質含量、孔隙度之間的關系，在不同圍壓及不同飽和狀態(樣品孔隙氣飽和與水飽和)下測試了巖石樣品的縱橫波速度，發現波速與泥質含量、孔隙度呈線性相關，但用各種波速--孔隙度經驗公式來擬合聲波時差數據的效果不是很好[4]；吳宗絮、謝鴻森等也先后研究了巖石波速在不同壓力下的變化情況[5-6]；喬二偉等更是詳細分析了延長油田砂巖波速與壓力和孔隙流體的關系，探討了不同壓力與不同流體飽和狀態下波速的變化規律[7-8]；李阿偉等也在不同飽和流體下分析了延長組致密砂巖的各向異性及其彈性參數[9]。但是，地震波速的差異性會在不同地區和不同巖性上體現出來，所以目前沒有能廣泛應用的統一規律。

哈密地區是我國重要的產油區域之一，但目前該地區缺乏地震波速的實驗研究。因此，研究哈密地區砂巖地震波速隨壓力的變化規律，可以對地震與測井的數據分析提供參考和基礎。將實驗的波速數據與哈密地區的測井曲線相結合，發現該方法可以作為判斷油層、水層和干層的輔助條件。

1 實驗樣品與分析

1.1 實驗樣品

共有四組砂巖樣品，均取自于新疆哈密地區的中二疊統塔爾朗組地層的地表露頭，其為湖相沉積類型。將樣品加工成直徑為25 mm，長度為50 mm的國際標準圓柱，并將樣品兩端的表面拋光，確保其上下表面平整度±0.02 mm，這樣在實驗過程中可以排除尺寸差異的干擾。

1.2 鏡下分析

將樣品制成薄片，鏡下觀察結果如圖1所示。可以看出，M1樣品以粗砂為主，顆粒較大(1 mm～2 mm:20%;0.5 mm～1 mm:40%)，分選差，而其它三組樣品都以中砂為主，分選稍好，四組樣品的基本參數見表1。

圖1 四組樣品的顯微鏡下照片Fig.1 Photoes of samples under the microscope表1 實驗樣品基本信息Tab.1 The basic information of samples

樣品編號密度/g·(cm3)-1狀態礦物組成/%石英長石其他孔隙度/%M12.344自然15404513.52M22.648自然2545303.71M32.604自然5525202.66M42.629自然5525204.61

1.3 化學成分、礦物和粘土含量分析

鏡下薄片觀察只能大概認識樣品的礦物含量，為了得到更精確的數據，筆者進一步分析了樣品的化學成分、礦物和粘土含量。

表2是四組實驗樣品的9種化學物質。其中LOI為燒失量。在進行耐火材料的分析時，除主成分氧化物和副成分的含量外，通常還要測定其燒失量。

從表2可以看出，四組樣品的化學成分中，含量最高的是SiO2，M2、M3和M4的SiO2含量都在60%以上，M1除了SiO2含量高外，CaO的含量也高達29.3%。從表1和圖1的分析中可以看出，M1與其他三組樣品有較大差異，其密度較小，顆粒和孔隙度較大，雜基含量最高，從側面驗證了上面數據的可靠性。

表3是樣品常見的非黏土礦物含量，可以看出，主要非黏土礦物是石英和長石，但M1樣品的方解石含量也很高，達到了42%，其他三組樣品基本不含方解石或者只含少量方解石礦物。表4是黏土礦物的相對含量，四組樣品的主要黏土礦物都是伊利石和綠泥石，M1的伊蒙混層含量最高，達到了50%，M2的伊蒙混層也占有13%的比例。

表2 實驗樣品主要化學組成成分Tab.2 The main chemical composition of samples

表3 實驗樣品常見的非黏土礦物含量Tab.3 The content of common non-clay minerals for experimental samples

表4 實驗樣品黏土礦物相對含量Tab.4 The relative content of clay minerals of experimental samples

S為蒙脫石，It為伊利石，Kao為高嶺石，C為綠泥石，I/S為伊蒙混層，C/S為綠蒙混層。

2 實驗過程及結果分析

2.1 試驗方法及儀器

實驗主要在New England Research(NER)公司生產的多功能巖石物性自動測試系統Autolab2000C[10-12]上測試完成。最大測試圍壓可以達到200 MPa，從而可以模擬地殼內部的壓力環境，測量誤差為±0.5%。波速測量的方法是聲波脈沖穿透法[13]，該儀器可以同時測量縱波和兩個相互正交的橫波[10-12]的數據結果，取兩組橫波的平均值作為樣品橫波速度，其縱波換能器主頻為700 kHz，橫波換能器主頻為250 kHz。根據Hornby的方法[14]，計算出縱波和橫波的相對誤差分別在1.0%和0.77%以下。

從5 MPa開始測量第一組數據，后面升壓到10 MPa，最高測量圍壓為180 MPa，每間隔10 MPa測量一組波速數據，在每個圍壓下保持足夠長的時間(至少30 min)，以保證樣品內部的應力分布均勻。由于巖石的地震波速可能有一定的滯后性，所以一個測試循環包括升壓測試(5 MPa～180 MPa)和降壓測試(180 MPa～5 MPa)兩個部分。

2.2 實驗結果及分析

圖2是四組樣品波速隨壓力變化的關系圖。從圖中可以看出，隨著壓力增加，四組樣品的縱橫波速度都以對數關系顯著增加，其相關系數都在0.96以上。在低壓條件下增加快，而高壓下呈現出平緩的線性增加趨勢。但四組樣品的波速數據也不盡相同，表現為M1的波速增加速度和增加量都明顯大于其他三組樣品。

圖2 四組樣品波速與壓力的關系圖Fig.2 The relationship between velocity and pressure of four samples

表5為四組樣品波速與壓力關系的擬合公式表。擬合公式中的ln(p)前面的系數反映的是波速隨壓力變化的速率，可以發現M1的縱橫波系數分別為260.5和133.2，遠大于M2、M3和M4的縱橫波系數。這是因為M1的孔隙度遠大于其他三組樣品，所以M1對壓力變化更為敏感，隨著壓力增加，M1更容易被壓實，波速變化更大。

圖3為四組樣品的波速增加量與壓力的關系圖，橫軸是壓力，縱軸是相對于5 MPa下波速的增加量。從圖3中可以看出，波速增加量隨壓力增加而增加，增加趨勢也呈對數關系。但四組樣品的增加量互不相同：M1樣品在180 MPa下的縱波速度相對于5 MPa增加了約0.9 km/s，而其他三組樣品的增量大約是0.3 km/s；M1樣品在180 MPa下的橫波速度相對于5 MPa增加了0.45 km/s，而其他三組樣品的增量在0.15 km/s～0.28 km/s之間。綜合四組樣品來看，波速的變化量是M1>M4>M2>M3，這與樣品孔隙度的關系是一致的:孔隙度也是M1(13.52%)>M4(4.61%)>M2(3.71%)>M3(2.66%)。由于M1孔隙度遠高于其他三組樣品，所以其縱橫波速度的增加量也遠大于其他樣品。

表5 四組樣品波速與壓力關系的擬合公式表Tab.5 The fitting formulas between wave velocity and pressure of four samples

圖3 樣品縱橫波速隨壓力增加的關系圖Fig.3 The relationship between velocity and increased pressure of four samples

圖4 四組樣品的波速在升壓與降壓中的對比圖Fig.4 The comparison of wave velocity under process of increasing pressure and decreasing pressure for four samples

這一現象產生的原因是：隨著壓力增加，樣品內部孔隙會被壓實，而孔隙度大的樣品更容易被壓實，所以孔隙度越高，波速隨壓力變化越快。

考慮到巖石地震波速具有滯后效應，所以實驗包含升壓與降壓兩個過程。圖4是四組樣品在升壓和降壓過程中波速變化的對比圖。可以看出，巖石地震波速具有滯后效應，即在相同壓力下，降壓過程中波速大于升壓過程中的波速。此外，還能看出高壓下滯后效應弱，低壓下滯后效應明顯。滯后效應產生的原因為：在升壓過程中，砂巖的孔隙會在圍壓作用下緩慢閉合，而這種閉合在壓力下降的過程中沒有完全張開，所以導致在同一個壓力下(特別是在低壓環境下)波速不一致。

2.3 樣品的理論地震波速計算

根據樣品礦物和黏土含量的數據(表3-表4)，分別采用Voigt平均[15]、Reuss平均、Hill平均[16]、和幾何平均[17]四個不同的空間平均模型來計算樣品的理論波速，計算結果見表6。

與理論值對比的是180 MPa下的實驗數據。采用高壓下的數據是因為理論預測不能完全考慮到孔隙結構，所以高壓下的實驗值應該更接近預測結果。從表6可以看出：用四種理論方法得到的縱橫波速度基本都略高于實驗數值。用Voigt平均、Reuss平均、Hill平均和幾何平均來預測四組樣品的波速，發現縱波的平均誤差分別為3.76%、0.37%、2.14%和2.33%，橫波預測結果的平均誤差分別為8.08%、3.49%、5.82%和5.36%，所以縱波預測結果好于橫波。

表6 波速理論計算值和實測值對比Tab.6 The comparison between theoretical value and actual value

3 應用實例分析

以上砂巖地震波速的研究能較好地指示測井工作。利用實驗研究取得的波速經驗公式，可以大致判斷測井曲線中的干層、油層和水層等，這對提高測井解釋的精度提供了基礎。

圖5和圖6是哈密地區A井測井解釋的成果圖，深度段分別為1 500 m～1 660 m與2 620 m～2 845 m，截取這兩個深度段的原因是：A井的鉆井資料顯示1 500 m～1 660 m的地層壓力在40 MPa左右，2 620 m～2 845 m的地層壓力在70 MPa左右，這樣可以與前面的40 MPa和70 MPa的分析對應起來。利用圖2中四個樣品的縱波速度擬合公式，可以計算40 MPa和70 MPa下四組樣品的縱波速度，然后將其轉換為聲波時差，具體數值見表7。

根據測井數據，以及前文所述波速、壓力與孔隙度的規律性，綜合解釋圖5中有3個水層、1個油層與1個干層，其對應的壓力在40 MPa左右；圖6中有4個干層，2個水層和1個油層，其對應的壓力在70 MPa左右。詳述如下：針對這12個層，在出圖軟件ResForm中可以讀取每個層的聲波時差和孔隙度的平均值，其數值見表8。

表7 40 MPa和70 MPa下樣品的理論聲波時差值Tab.7 The theoretical acoustic under 40 MPa and 70 MPa

圖5 哈密地區A井1 500～1 660m測井解釋成果圖Fig.5 The well log graph from 1 500 to 1 660 meters of A well in Hami

圖6 哈密地區A井2 620～2 845 m測井解釋成果圖Fig.6 The well log graph from 2 620 to 2 845 meters of A well in Hami表8 12個層位的測井解釋數據Tab.8 The log information of 12 layers

層號孔隙度/%聲波時差/us·m-1解釋結論壓力/MPa①14.3220.72水層40②21.3289.87水層40③14.2225.24水層40④14.2214.98油層40⑤15.6229.54干層40⑥15.5230.69干層70⑦11.4201.34油層70⑧4.2177.89干層70⑨10.8205.46水層70⑩13.5218.73水層70X9.3206.63干層70Y3.5176.59干層70

第一種情況：解釋為干層比較合理。⑧層和Y層的孔隙度較小，分別為4.2%和3.5%，其對應的聲波時差分別為177.89 us/m和176.59 us/m，這與表7中70 MPa下孔隙度較小的聲波時差很相近。在70 MPa下，樣品孔隙度為3.71%時，其對應的聲波時差為178.74 us/m，這與Y層的聲波時差(176.59 us/m)差不多；樣品孔隙度為4.2%時，其對應的聲波時差為179.13 us/m，這與⑧層的聲波時差(177.89 us/m)也相近。

⑤層、⑥層和X三個層的孔隙度較大，其分別為15.6%、15.5%和9.3%，其對應的聲波時差分別為229.54 us/m、230.69 us/m和206.63 us/m。其中⑤層的聲波時差與表7中40 MPa下大孔隙度的聲波時差接近。在40 MPa下，當樣品孔隙度為13.52%時，其對應的聲波時差為233.85 us/m，⑤層的聲波時差(229.54 us/m)比其大4.3 us/m，這是因為孔隙度越大，縱波速度越小，導致聲波時差越大。⑥層聲波時差與表7中70 MPa下的大孔隙度的聲波時差很接近，在70 MPa下，樣品孔隙度為13.52%時，其對應的聲波時差為224.28 us/m，⑥層聲波時差(230.69 us/m)比其大6.2 us/m，這應該是⑥層的孔隙度稍微大于實驗樣品的孔隙度所導致的。對于X層，其孔隙度為9.3%，聲波時差為206.63 us/m，比224.28 us/m要小約18 us/m，分析其原因，認為主要也是孔隙度的差距導致的。

第二種情況：解釋為水層比較合理。對于①層、②層、③層、⑨層和⑩五個水層，在40MPa下分析①層、②層和③層的情況，在70MPa下分析⑨層和⑩層的情況。①層、②層和③層的孔隙度分別為14.3%、21.3%和14.2%，其對應的聲波時差為220.72 us/m、289.87 us/m和225.24 us/m。將①層、②層和③水層的聲波時差與表7中40 MPa下孔隙度為13.52%的干層聲波時差(224.28 us/m)相比，發現其數值差分別為3.56 us/m、65.59 us/m和0.96 us/m。可以看出，①層和③層的聲波時差與實驗值很接近，這兩個層的孔隙度比13.52%約大0.8%，其會導致①層和③層的聲波時差比實驗值大一些，但①層和③層是水層，由于在同樣孔隙度下，水層的縱波速度要稍大于干層[7,18]，所以水層的聲波時差要稍小于干層。孔隙度增大效應和水層減小效應相互中和抵消，最后導致實驗值與測井值比較接近。對于②層，由于其孔隙度遠大于13.52%，所以導致了其聲波時差比實驗值大65.59 us/m。對于⑨層、⑩層，其測井的聲波時差值與實驗結果也是相吻合的，其原因同①、②和③層。

第三種情況：解釋為油層比較合理。④層相對于③層，孔隙度是一樣的，而且都在40 MPa下，但其聲波時差減小約10 us/m，應解釋為油層。這是因為在相同孔隙度下，油層的縱波速度比水層的大[7,17]，所以其聲波時差比水層的小。

因此，在具體分析中，可將實驗的壓力與實際地層的深度相對應，再利用孔隙度作為約束條件，就可以在某一深度范圍內利用實驗所得的聲波時差值來尋找砂巖層段，再根據測井曲線的聲波時差、孔隙度與實驗的聲波時差、孔隙度之間的關系，來判斷油層、水層和干層。這種方法能夠提高測井解釋精度。顯然，這具有鮮明的地區性特征，因此需要建立在熟悉油區地質背景的基礎上。

4 結論

1)隨著圍壓增加，四組砂巖樣品的縱橫波速度都呈對數關系增加，即低壓下波速增加快，高壓下波速變化變緩。

2)當壓力增大時，波速的增量取決于砂巖的孔隙度大小，即孔隙度越大，其變化率越大。這是因為在高壓下，孔隙度較大的樣品，孔隙空間更易于被壓縮，相對于小孔隙度的樣品，其縱波增量比較大。對橫波，也類似。

3)地震波速有一定的滯后效應，在相同壓力下，降壓過程的速度明顯大于升壓過程的速度。這是因為樣品在高壓下，內部孔隙會被部分壓實，而在降壓過程中沒有完全張開，這種滯后效應與樣品的內部結構相關。

4)利用空間平均模型計算出來的理論波速，可以作為高壓條件下的波速值參考，但在低壓條件下使用時需要做較大修正。

5)實驗所得的波速與壓力的經驗公式，可以作為判別哈密地區油層、水層和干層的輔助條件，其可以提高測井解釋的精度。

致謝

感謝中國地質科學院地質力學研究所在實驗中提供的幫助！

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The experiments on seismic velocity of sandstones in Hami

WANG Huaimin1,2, WANG Hongcai2, YIN Changji3, ZHANG Xiangyu1, LI Awei2, DU Wei1,2

(1.College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2.Institute of Geomechanics, Chinese Academey of Geological Sciences, Beijing 100081,China;3.Hubei Xinxing New Energy Development Company of Sinopec, Wuhan 430000, China)

Seismic velocity of rocks have a wide range of applications in regional tectonic research and shallow seismic exploration. Hami region is one of the important production bases for oil and gas in China, but there is no data of seismic velocity. Deep environment is simulated in laboratory and the change rule of P-and S-wave velocity which come from four groups of sandstones in Hami is studied in this paper. The result shows that the P-wave and S-wave velocity increase (or decrease) with the pressure at the logarithmic rule. The porosity of sandstone affect the rate and size of increased wave velocity. The lag effect of sandstone's wave velocity mainly in the procession that wave velocity of decompression is greater than boost when they are under the same pressure. The wave velocity with high pressure is closed to the theoretical wave velocity of space averaging models. Wave velocity data measured by experiment is consistent with the log data in Hami. Therefore it can be used as the auxiliary condition to define oil layer, water layer and dry layer.

Hami region; sandstone; pressure; seismic velocity; well logging

2016-07-29 改回日期：2017-01-01

中國地質調查局項目(DD20160060)

王懷民(1992-)，男，碩士，主要從事石油地質、巖石物性的研究，E-mail：wanghuaimin1016@163.com。

王紅才(1964-)，男，研究員，博士導師，主要從事巖石物性、巖石力學實驗與應用及應力場模擬研究，E-mail:13911082285@139.com。

1001-1749(2017)04-0533-10

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.14