喬二偉，趙衛(wèi)華，龍長(zhǎng)興

國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

1 引 言

巖石的地震波性質(zhì)是建立地殼和上地幔物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)［1－8］，在區(qū)域構(gòu)造研究和淺部地震勘探中都有廣泛的應(yīng)用.但由于巖石組構(gòu)、礦物組成、溫度、壓力、流體等因素對(duì)巖石地震波性質(zhì)的影響，地震資料的解釋常常是非唯一的.因此，研究含不同孔隙流體的巖石地震波速隨溫度及壓力變化的規(guī)律，對(duì)于提高地震資料解釋的精度和可靠度具有重要的意義，同時(shí)也為深部地球物理探測(cè)與地質(zhì)解釋之間架起一座橋梁.

目前，在巖石地震波性質(zhì)方面的研究已取得了若干成果.其中Timur、Batzle等、史謌等以及劉斌等中外學(xué)者分別對(duì)來(lái)自不同區(qū)域的巖石、在不同的條件下（如溫度、壓力、孔隙度等）進(jìn)行了地震波速與其影響因素之間關(guān)系的研究［9－26］.從中可知，同一巖性由于其來(lái)源地不同，所得到的結(jié)果也是不同的，也就是說(shuō)沒(méi)有統(tǒng)一的公式適用于任何地區(qū).延長(zhǎng)油田是我國(guó)重要的油氣生產(chǎn)基地之一，但目前并沒(méi)有地震波性質(zhì)方面的報(bào)道，因此，很有必要對(duì)此區(qū)域進(jìn)行這方面的研究，從而可以為該地區(qū)地震資料的解釋及與聲波測(cè)井之間的對(duì)比提供重要的參考依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù).鑒于地震波性質(zhì)受溫度變化的影響較?。?，14－15，24，27－28］，本 文 著 重 從 壓 力 和 孔 隙 流 體 方 面 ，探討其對(duì)砂巖地震波性質(zhì)的影響.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)用的巖樣是三種砂巖Y1、Y2和Y3，均來(lái)自延長(zhǎng)油田，是三口不同深度、不同層位的鉆井取芯.其有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.

實(shí)驗(yàn)前，先將巖芯加工成直徑25mm、高度50 mm的圓柱體，表面拋光，放入溫度為90℃的真空干燥箱中真空干燥48h以上，或者真空下用蒸餾水（或煤油）飽和24h以上.

表1 巖石樣品的礦物組成、顆粒大小、密度和孔隙度Table 1 Composition，grain size，density and porosity of the samples

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)所用儀器為 New England Research（NER）公司生產(chǎn)的 AutoLab系列［29－33］2000多功能巖石物性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng).最大測(cè)試壓力為200MPa，誤差為±0.5%.

波速測(cè)量采用的是超聲波脈沖穿透法［34］.該方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)縱波和兩個(gè)相互正交的S波即SH和SV波［31－32］的輸出結(jié)果.其縱波換能器主頻為700kHz，橫波換能器主頻為250kHz.根據(jù)Hornby的方法［35］，計(jì)算出P波和S波的相對(duì)誤差分別在1.0%和0.77%以下.

巖樣飽水用的是去離子水，其目的是為了去除其它離子的干擾；飽油用的是煤油，則由于巖樣都屬于低滲砂巖，而煤油既可以作為石油的替代物（它是石油的分餾產(chǎn)物），同時(shí)其粘度較低又不易揮發(fā)，更便于飽和巖樣.

在室溫條件下，對(duì)每種砂巖樣品按干燥、飽水和飽油的先后順序分別測(cè)量其在壓力作用下的縱波、橫波速度.一般從5MPa或10MPa開(kāi)始，逐步增加壓力直至180MPa，然后再逐步降低壓力到常壓.在每一壓力值進(jìn)行測(cè)量前至少需等待30min，以保證樣品內(nèi)部的應(yīng)力分布均勻.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖石的地震波性質(zhì)包括縱波速度（Vp）、橫波速度（Vs）、波速各向異性和S波分裂等.本文則主要研究砂巖的縱波、橫波速度.

3.1 Y1砂巖

圖1是Y1砂巖樣品在干燥、飽水及飽油條件下其縱波、橫波速度隨壓力變化的情況.可以看出，三種波速即Vp、Vs1和Vs2均隨壓力增加（或降低）而基本呈對(duì)數(shù)曲線增大（或減?。▓D中列舉了縱波的擬合公式及相關(guān)系數(shù)）.對(duì)于Vp來(lái)說(shuō)，飽油的波速最大，其次是飽水，最小的是干燥，即飽油＞飽水＞干燥，這與施行覺(jué)等［36］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致.而Vs1和Vs2則是：飽油＞干燥＞飽水.這里的Vs1和Vs2其實(shí)就是兩個(gè)相互正交的S波即SH和SV波.由于所用儀器給出的Vs是Vs1和Vs2，為方便起見(jiàn)，本文就采用了這種表示法.

3.2 Y2砂巖

圖1 Y1巖樣在干燥、飽水及飽油情況下Vp、Vs1和Vs2與壓力P的關(guān)系（a）升壓過(guò)程；（b）降壓過(guò)程.Fig.1 P-and S-wave velocity in dry，water and oil saturated conditions changing with pressure for sample Y1（a）Process of increasing the pressure；（b）Process of decreasing the pressure.

圖2 Y2巖樣在干燥、飽水及飽油情況下Vp、Vs1和Vs2與壓力P的關(guān)系（a）升壓過(guò)程；（b）降壓過(guò)程.Fig.2 P-and S-wave velocity in dry，water and oil saturated conditions changing with pressure for sample Y2（a）Process of increasing the pressure；（b）Process of decreasing the pressure.

圖2是Y2砂巖樣品在干燥、飽水及飽油條件下Vp、Vs1和Vs2隨壓力變化的情況.不難看出，它們均隨壓力增加（或降低）而以對(duì)數(shù)曲線增大（或減?。?，這和Y1相似；但在三種波速間的關(guān)系方面，卻有不盡相同的表現(xiàn)形式.對(duì)Vp來(lái)說(shuō)，其表現(xiàn)形式是：飽水＞干燥＞飽油，而Vs1和Vs2則是：干燥＞飽水＞飽油.

3.3 Y3砂巖

圖3是Y3砂巖樣品在干燥、飽水及飽油條件下Vp、Vs1和Vs2隨壓力變化的情況.很明顯，它們均隨壓力增加（或降低）而以對(duì)數(shù)曲線增大（或減?。@點(diǎn)同Y2和Y1相似；但在三種波速的關(guān)系方面則有自己的獨(dú)特之處.對(duì)Vp來(lái)說(shuō)，其表現(xiàn)特征為：飽油≈干燥＞飽水；而Vs1和Vs2則是：干燥＞飽油＞飽水.

3.4 綜合對(duì)比

圖3 Y3巖樣在干燥、飽水及飽油情況下Vp、Vs1和Vs2與壓力P的關(guān)系（a）升壓過(guò)程；（b）降壓過(guò)程.Fig.3 P-and S-wave velocity in dry，water and oil saturated conditions changing with pressure for sample Y3（a）Process of increasing the pressure；（b）Process of decreasing the pressure.

圖4 Y1，Y2及Y3巖樣在干燥條件下Vp、Vs1和Vs2與壓力P的關(guān)系Fig.4 P－and S－wave velocity in dry conditions changing with pressure for samples Y1 ，Y2and Y3

圖5 Y1，Y2及Y3巖樣在飽水條件下Vp、Vs1和Vs2與壓力P的關(guān)系Fig.5 P－and S－wave velocity in water saturated conditions changing with pressure for samples Y1，Y2and Y3

圖6 Y1，Y2及Y3巖樣在飽油條件下Vp、Vs1和Vs2與壓力P的關(guān)系Fig.6 P－and S－wave velocity in oil saturated conditions changing with pressure for samples Y1 ，Y2and Y3

圖4—6是Y1、Y 2和Y 3巖樣分別在干燥、飽水及飽油條件下Vp、Vs1和Vs2隨壓力變化的對(duì)比情況.可以看出，不管在哪種孔隙流體條件下，三種巖樣Vp間的關(guān)系均表現(xiàn)為：Y1≥Y2＞Y3.

4 討 論

上述結(jié)果可根據(jù)彈性波速度公式［37］進(jìn)行解釋.

其中：K─介質(zhì)的體積模量；μ─介質(zhì)的剪切模量；ρ─密度.巖樣中的飽和水或油會(huì)從兩方面影響其中傳播的縱波、橫波速度：一是巖石內(nèi)部孔隙充滿水或油會(huì)增大樣品的有效體積模量和剪切模量，使波速增大；二是孔隙內(nèi)充水或油會(huì)加大樣品的密度值，使波速變小.

對(duì)Y1的Vp來(lái)說(shuō)，低壓下飽和水或油會(huì)使樣品的有效彈性模量增加起主要作用.根據(jù)式（1），此時(shí)的Vp均比干燥狀態(tài)下的大，所對(duì)應(yīng)的波速曲線在干燥之上（圖1）.隨壓力增加，樣品的密度增大效應(yīng)逐漸顯著，同樣由式（1）可知，Vp增大的幅度會(huì)逐漸縮小，與干燥之間的差距也在縮小，三條波速曲線逐漸接近.當(dāng)壓力增加到約130MPa時(shí)，飽水與干燥曲線相交；此后二者基本一致，直至壓力增大到約150MPa后，干燥曲線位于飽水之上.另外，由于油的粘滯系數(shù)比水大，密度比水小，相對(duì)而言，飽和油會(huì)使樣品的有效彈性模量增加更顯著，而密度增大效應(yīng)則較弱，所以飽油條件下的Vp比飽水的大（圖1a）.

Vs的情況相對(duì)復(fù)雜.飽和水使樣品密度增大起主要作用，由式（2）及油水物理性質(zhì)的差異可知，此時(shí)的Vs1和Vs2和飽油及干燥狀態(tài)相比是最小的.而飽油樣品在低壓力下是彈性模量增加效應(yīng)起主要作用，根據(jù)式（2），其Vs1和Vs2均比相對(duì)應(yīng)的干燥的大；隨著壓力上升，密度增大效應(yīng)開(kāi)始逐漸顯著，兩者之間的差距越來(lái)越小，兩種曲線逐漸接近并近似平行.另外，高壓下尤其是100MPa以上，飽水Vs1和Vs2基本沒(méi)有差異，說(shuō)明此時(shí)影響二者的外部因素已趨相同（圖1a）.

以上所說(shuō)的是升壓過(guò)程，降壓過(guò)程的情況基本與此一致.唯一不同的是當(dāng)壓力降到100MPa以下時(shí)，與對(duì)應(yīng)的升壓過(guò)程相比，飽水Vp變化幅度過(guò)快（圖1），這也可以從圖1給出的擬合公式中看出.之所以產(chǎn)生這種差異，是由于巖樣中的水在降壓過(guò)程中出現(xiàn)了部分漏失（圖7）.

圖7是Y1巖樣飽水與飽油升、降壓過(guò)程中Vp曲線的對(duì)比.可以看出，在壓力降到約150MPa時(shí)，飽水樣品第一次漏失，正是這次漏失導(dǎo)致其彈性模量增加的效應(yīng)減弱，Vp下降幅度加大；在100MPa左右時(shí)的再次漏失，更加劇了Vp的下降幅度（圖1b）.另外，從圖1a和1b的對(duì)比也可以看出，Vs1和Vs2均沒(méi)有明顯的變化.說(shuō)明巖樣中含水量的變化對(duì)它們基本沒(méi)有影響，也即巖樣含水飽和度的變化對(duì)Vs1和Vs2基本沒(méi)有影響.這一點(diǎn)與施行覺(jué)等［36，38］的研究結(jié)果一致.

圖7 Y1巖樣在飽水及飽油情況下Vp與壓力P的關(guān)系Fig.7 P－wave velocity in water and oil saturated conditions changing with pressure for sample Y1

另外，從圖1—圖3也可以看出，所有的縱波、橫波在0～50MPa段，波速隨壓力增加較快，明顯呈非線性變化，這是由于裂隙和孔隙的閉合引起的［39－49］.雖然不同類(lèi)型砂巖增加的幅度不盡相同，但這一變化卻是十分顯著的；在壓力超過(guò)50MPa后，由于巖石的裂隙和孔隙基本閉合，波速增加呈斜率不同的線性曲線，且變化非常小，可以代表真實(shí)的巖石地震波特性.由于總體上波速隨壓力呈對(duì)數(shù)曲線變化，為方便說(shuō)明，本文沒(méi)有按壓力進(jìn)行分段擬合.

對(duì)Y2砂巖來(lái)說(shuō)，干燥、飽水和飽油波速間的關(guān)系明顯不同于Y1.其主要原因是：

1）Y2和Y1類(lèi)砂巖的粒度不同.從表1和圖8可以看出，Y2以細(xì)沙為主，區(qū)別于以中砂為主的Y1.較細(xì)顆粒比粗粒所形成的孔隙更狹小，也更容易使充填的油被壓實(shí)，從而促使密度增大的效果更明顯，進(jìn)而導(dǎo)致Y2飽油波速隨壓力增加而上升的幅度低于飽水和干燥.但飽水和干燥波速并不受粒度變化的影響，因此，它們之間的關(guān)系和對(duì)應(yīng)的Y1相比，基本保持不變.

2）含油飽和度可能較低.較低的含油飽和度使樣品有效彈性模量增加的效果不明顯，進(jìn)而影響到其波速的增加.而這一切歸根到底是由Y2的細(xì)粒結(jié)構(gòu)所形成的狹小孔隙引起的，因?yàn)楠M小孔隙不利于粘度相對(duì)較大的油進(jìn)入，因此同樣的巖樣，含油和含水飽和度相比會(huì)較低.

圖8 實(shí)驗(yàn)樣品顯微照片（a）Y1樣品；（b）Y2樣品.標(biāo)有"Qtz、Fsp、Bt和Deb"的礦物顆粒分別是石英、長(zhǎng)石、黑云母和巖屑.Fig.8 Microscopic photographs for sample Y1 （a）and Y2（b）The mineral grains marked with＇Qtz，F(xiàn)sp，Bt and Deb are quartz，feldspar，biotite and debris，respectively.

圖9 Y2巖樣在飽水及飽油情況下Vp與壓力P的關(guān)系Fig.9 P－wave velocity in water and oil saturated changing with pressure for sample Y2

總之，Y2同Y1三種波速間關(guān)系差異的主要原因是由于二者孔隙結(jié)構(gòu)不同，而這一切則是由不同的粒度所引起的.

另外，從圖2a和2b的對(duì)比可以看出，降壓過(guò)程中Vp的變化幅度存在異常.其原因與Y1相似，不同的是除了飽水樣品漏失外，飽油樣品也出現(xiàn)了漏失（圖9），但兩者的漏失對(duì)Vs1和Vs2都沒(méi)有太大的影響.同Y1一樣，說(shuō)明含水或含油飽和度的變化對(duì)Vs1和Vs2沒(méi)有太大的影響.

對(duì)Y3來(lái)說(shuō)，三種波速間的關(guān)系既不同于Y1，也不同于Y2，其內(nèi)在原因可能與Y3具有較大的孔隙度（表1）有關(guān).因?yàn)閹r樣充水或充油后，較大孔隙度會(huì)更容易使其密度增大的效應(yīng)起主導(dǎo)作用.這樣，隨著壓力上升，其波速增加趨勢(shì)也會(huì)大幅減緩.由于水比油密度大，因此它對(duì)波速的影響也會(huì)更突出.所以不管對(duì)Vp或Vs1和Vs2來(lái)說(shuō)，飽水是三種波速中最小的（圖3）.

由于降壓過(guò)程中飽油和飽水樣品都出現(xiàn)了漏失（圖10），導(dǎo)致這兩種Vp的變化幅度均大于相對(duì)應(yīng)的上升過(guò)程（圖3a，b）.另外，同Y1和Y2一樣，飽油及飽水的Vs1和Vs2在升降過(guò)程中沒(méi)太大變化，說(shuō)明含油或含水量的變化對(duì)其沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響，也就說(shuō)含水或含油飽和度的變化對(duì)Vs1和Vs2基本沒(méi)有影響.

圖10 Y3巖樣在飽水及飽油情況下Vp與壓力P的關(guān)系Fig.10 P－wave velocity in water and oil saturated conditions changing with pressure for sample Y3

另外，由以上可知，Y3以其孔隙度較大而區(qū)別于Y1和Y2，而Y2則以較細(xì)粒度而不同于Y1.因此，我們可以推測(cè)出：較大孔隙度是引起Vp下降最主要的因素，其次是較細(xì)粒度.Vs1和Vs2的情況相對(duì)較復(fù)雜.一般來(lái)說(shuō)，較大孔隙度是引起Vs下降的主要因素，其次是較粗粒度（飽水條件）.

5 結(jié) 論

由本實(shí)驗(yàn)可以得出如下認(rèn)識(shí)：

1）三種砂巖樣品Y1、Y2和Y3的Vp、Vs1和Vs2均隨壓力增加（或降低）而基本呈對(duì)數(shù)曲線增大（或減?。蚁嚓P(guān)系數(shù)基本都在90%以上（除Y3的干燥Vp外）.

2）干燥、飽水和飽油三種波速間的關(guān)系因砂巖類(lèi)型不同而不同，這主要取決于巖石的有效彈性模量、孔隙流體性質(zhì)（密度、粘滯系數(shù)）以及巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（粒度、孔隙）等.

3）含不同孔隙流體的同種砂巖，其Vp、Vs1和Vs2隨壓力變化的規(guī)律也不盡相同.基本的影響因素有：有效彈性模量、密度、粘滯系數(shù)等，其中有效彈性模量、密度為主要因素.

4）含同種孔隙流體的不同類(lèi)砂巖，其Vp、Vs1和Vs2隨壓力變化的規(guī)律也不同.主要的影響因素是孔隙度，其次是粒度.其中孔隙度與Vp、Vs分別呈負(fù)相關(guān)性.

5）含水或含油飽和度的變化對(duì)Vs1和Vs2基本沒(méi)有影響.

6）Vp、Vs1和Vs2隨壓力及不同孔隙流體的變化規(guī)律，可以為該地區(qū)地震資料的解釋及與聲波測(cè)井之間的對(duì)比提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考，同時(shí)也為深部地球物理探測(cè)成果的正確解譯提供依據(jù).

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