岩石物性检测论文

朱培民1 曾凡平1 海洋1 焦养泉2

1.中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430074；2.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074

摘要 为了对沉积体系中各种沉积环境地层的物性进行精细研究，对塔里木盆地柯坪-巴楚露头区碳酸盐台地边缘沉积体系和碎屑滨岸带沉积体系进行了系统取样。在常温常压下对岩样进行了超声波纵、横波速度测量和密度测量，主要获得以下结论：①岩样超声波速度与岩样所处的沉积环境关系密切，在生物礁滩剖面上，从礁基、礁核、到礁盖（相当于台地边缘浅海沉积）速度递增；在三角洲沉积剖面上，从水下分流河道、河口坝到前缘泥速度递增；②在生物礁滩剖面上，生物碎屑的含量是影响速度的主要因素。生物碎屑含量越高，速度越低；③生物礁内生物的大小与生长方向是控制岩样速度各向异性的主要因素之一。

关键词 超声波 速度 生物礁 潮坪 三角洲 塔里木盆地 下古生界

1 引言

地震勘探的物理基础是物性参数的差异，也是地质学家和地球物理学家从地震数据体上辨识地震相和沉积相的重要参考，其中速度是地震数据中最关键的物性参数。较直接的研究岩石的物性方法是测井或岩石的物性测量技术。本章采用室内物性测量方法，测量了塔里木盆地柯坪-巴楚露头区碳酸盐台地边缘沉积体系和碎屑滨岸带沉积体系中岩石的物性，为寻找各沉积相的声波速度和密度的变化规律，为地下该类储层的识别和预测提供岩性基础和科学线索。

岩石超声波测试结果被广泛用于工程地质勘探和石油勘探领域。研究表明，通过密度、纵横波速比或泊松比可以判断岩石岩性（孟庆山和汪稔，2005），也有人直接研究过沉积岩本身的声波衰减特性（安勇、牟永光和方朝亮，2006）。超声波测量已成为岩石物性研究不可或缺的方法，但在以往的研究中，很少有人对沉积环境（沉积相）与沉积岩物性之间的关系进行过深入系统的研究。

露头剖面记录了丰富的沉积学信息，对露头沉积体系作精细的超声研究，总结和比较具备构成潜在储层的沉积体系中与各种环境对应岩石的声速特征，可以准确地指导沉积体系的地质建模、地球物理正演，并作为地球物理反演的约束，有利于提高地震有利储集相带解释精度和预测准确度。

奥陶系和志留系都是塔里木盆地重要的油气勘探开发目的层（皮学军、刘楚和陈颖等，2007；张俊、庞雄奇和刘洛夫等，2003）。塔里木盆地奥陶系储层岩性以台地滩相灰岩及礁（丘）相灰岩为主（罗平、张兴阳和顾家裕等，2003）。近十几年来，在塔里木盆地先后发现和确认了巴楚、哈什西克儿、柯坪和轮南等4个地区的生物礁（李相明和杨申谷，2006；陆亚秋和龚一鸣，2007）。塔里木盆地志留系储层在柯坪地区、塔北地区以滨岸-浅海相碎屑岩沉积为主，在塔中地区以河口湾-潮坪沉积为主，而在塔东地区以陆相河流-辫状河三角洲粗碎屑沉积为主（王成林、张惠良和李玉文等，2007）。本次研究对塔里木盆地柯坪-巴楚地区代表碳酸盐台地边缘沉积体系和碎屑滨岸带沉积体系的典型剖面进行了系统的取样，并在室内进行了岩石超声波速度的测量，探索了各个沉积体系中岩石的速度变化特征。

2 岩样采集与说明

2.1 剖面位置

测试所用岩样分别来自塔里木盆地的4个典型剖面（图1）。第一、第二两个剖面位于巴楚一间房地区的勒牙依里塔格山，属奥陶系一间房组（O2y），为台地边缘礁滩共生相。岩样分别取自礁体的礁基、礁核和礁盖（相当于台地边缘浅海沉积）处。第三个剖面位于柯坪地区大湾沟，属志留系塔塔尔塔格组（S1t），为三角洲前缘沉积。岩样分别取自河口坝、水下分流河道、前缘泥等成因相。第四个剖面位于柯坪地区四十厂，属志留系柯坪塔格组（S1k）的中上部，为潮坪沉积。具体的野外工作路线如图1所示。

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2.2 岩样说明

4个剖面中共选取25块岩样用于超声波测试，将岩样切割成长方体，待测面用砂纸打磨平整（图2）。由于部分岩样取样的原始形状极不规则，切割时仅保证了岩样一个短轴和一个长轴满足测量要求。短轴（a）长度均为0.05m，长轴（b）长度值从0.06m到0.12m不等（表1）。

图2 取自大湾沟志留系塔塔尔塔格组（S1t）的第25号岩样（5cm×5cm×9.7cm）照片

3 实验方法

3.1 实验设备

声波速度测试所使用仪器是由中国科学院武汉岩土力学研究所研制生产的RSM-SY5智能声波检测仪，仪器时间分辨率可达0.1μs。使用了两种超声换能器，其一是纵波换能器，由江汉测井研究所研制生产，接收频率为50kHz；其二是横波换能器，由武汉理工大学研制生产，接收频率为（90±10）kHz。

超声波速测量基本原理：岩样声速测量系统如图3所示。测量时，超声仪发出的电信号，通过探头A（发射换能器）转换为声波，穿过岩样至探头B（接收换能器），再转换为电信号至声波仪。然后从计算机上读出波在岩石中的传播时间t ’（波形初至时间，如图4所示），除去声波通过探头、耦合材料（探头与岩样之间的耦合剂）、仪器线路等附加延迟时间——校零t0，声波在岩石中传播的时间为t=t ’-t0。若岩样长度为L，可计算出波速V=L/t。整个测量过程是在常温常压下进行的。

表1 岩样超声波速度测试结果

图3 RSM-SY5超声测量分析系统

3.2 波形检测方法

据文献（王让甲，1997），在纵波波速测试中使用液体或乳状物做耦合剂都可以达到很好的耦合效果。而横波是剪切振动，只有能够承受剪切力的材料才能作为横波波速测试的耦合剂。本次实验中，纵波波速测量使用的耦合剂是糊精，横波波速测量使用的耦合剂是水杨酸苯酯。纵波横波速度存在差异，横波滞后于纵波其初至拾取存在一定的难度（魏建新和王椿镛，2003），但横波有一定的偏振性，旋转发射换能器与接收换能器对应的角度，接收到的横波振幅会呈现规律性的变化，利用这一特性可以识别出横波并确定出初至时间。图4中横波（a）为横波换能器测试第25号岩样接收到的波形，横波（b）为将接收换能器旋转180°接收到波形，横波首波振幅翻转，图4中可以清楚地识别出横波初至时间。

图4 第25号岩样测试时显示的声波波形箭头指向纵、横波的初至时间

4 实验结果及分析方法

岩样声波测试的结果列在表1中。速度测量分别沿图2中所示岩样的短轴（a）方向和长轴（b）方向。VP（a）和VS（a）分别表示沿短轴（a）方向测量的纵、横波速度；VP（b）和VS（b）分别表示沿长轴（b）方向测量的纵、横波速度。为了对岩样速度各向异性的程度进行估计，引入了纵波速度各向异性程度指数KP和横波速度各向异性程度指数KS，定义如下：

碳酸盐台地边缘带沉积体系露头研究及储层建模

碳酸盐台地边缘带沉积体系露头研究及储层建模

5 测量结果讨论

5.1 生物礁滩剖面岩样的速度特征

生物礁滩剖面①、②（图1）中，单个礁体规模较小，但礁体众多，大多连成一片。礁体层位分布稳定，横向延伸方向均可追寻到相应层位的其他礁体，纵向上礁体相互叠置。礁体一般由礁核、礁基和礁盖部分组成（胡明毅、朱忠德和贺萍等，2002）。生物礁滩剖面用于超声波测试的岩样共15块，根据岩样在礁体中分布的位置不同，绘制了岩样位置与其纵、横波波速及平均速度关系图（图5，图6）。

图5 生物礁滩剖面岩样纵波速度与岩样在礁体中的位置关系

图6 生物礁滩剖面岩样横波速度与岩样在礁体中的位置关系

从图5和图6可以看出，无论纵波速度还是横波速度，从礁基、礁核到礁盖其平均值都逐渐增大。纵波速度增加幅度大于横波。礁盖岩样速度测量值变化不大，而礁基和礁核两个部位的岩样两个轴向的速度值差异明显。图7是用前面定义的速度各向异性程度指数KS和KP所做的交会图。图7中可以看出礁盖岩样速度各向异性程度指数基本集中在0%～10%范围内，而礁基和礁核两个部位的岩样大多分布在20%～40%。礁基和礁核速度各向异性程度明显高于礁盖。

图7 生物礁滩剖面横波速度各向异性程度指数KS和纵波速度各向异性程度指数KP的交会图

观察生物礁滩剖面①、②，礁基多为灰色粗粒亮晶棘屑灰岩，颗粒含量很高，约占80%以上，颗粒大小约1～4m m，以破碎的海百合茎干为主，如图8b。礁核主要是由瓶筐石（Calathium）（胡明毅、朱忠德和贺萍等，2002；李相明和杨申谷，2006；焦养泉、荣辉和王瑞等，2011）组成的灰白色块状障积岩，造礁生物瓶筐石密集，占化石总量的80%以上，瓶筐石长度可达10c m，如图8a。礁盖多为成层性良好的中层生屑泥晶灰岩，其间常有小型礁灰岩块夹杂其中，结构致密。礁基的岩样，海百合茎和其他生物碎屑杂乱排列，生物颗粒疏松；礁核的岩样，瓶筐石的体腔被方解石充填或被溶蚀，部分岩样沿生物体裂开形成较大的裂缝。这些生物化石的形状、大小、生长方向以及裂缝都影响声波在岩样中的传播速度。

图8 礁核的主要造礁生物瓶筐石（a）和礁基生物碎屑的主要组成物海百合茎（b）

5.2 潮坪沉积剖面和三角洲前缘沉积剖面岩样的速度特征

柯坪-巴楚地区志留系自下而上分别为柯坪塔格组、塔塔尔塔格组和依木干他乌组（王成林、张惠良和李玉文等，2007）。剖面④中用于超声测试的4块岩样均取自柯坪塔格组沥青砂岩段（吴立群、焦养泉和荣辉，2011），属于潮坪体系（表1）。剖面③用于超声测试的6块岩样取自塔塔埃尔塔格组S1t，分别属于三角洲前缘泥、河口坝、水下分流河道等成因相（表1）。两个组的岩样在时间上有一定的先后关系，沉积上也存在一定程度的联系。把这10块岩样放在一起，根据其沉积环境不同，绘制了不同沉积体系与其纵、横波波速关系图（图9，图10）。

图9 潮坪体系和三角洲前缘体系中各岩样纵波速度变化关系

图10 潮坪体系和三角洲前缘体系中各岩样横波速度变化关系

从图9和图10中可以看出，潮坪体系的4块砂岩纵波速度和横波速度相对稳定，分别在4000m/s，2500m/s左右，而取自三角洲前缘各种成因相的6块岩样速度差别明显，以水下分流河道中的砂岩岩样速度最低，第29号泥岩因裂开不考虑在内。两种不同沉积环境下的速度各向异性程度如图11（KS和KP交会图）所示。图11中，潮坪体系的4块岩样各向异性程度指数基本集中在0～10%范围内，在10%边缘的两块岩样是第20号和第21号。三角洲前缘体系各向异性程度指数超过10%的岩样都属于水下分流河道。

图11 潮坪体系和三角洲前缘体系中横波速度各向异性程度指数KS和纵波速度各向异性程度指数KP的交会图

从岩样的照片（图12）观察，潮坪体系的4块岩样均被油浸。其中第20号岩样见油浸痕迹，但颗粒间孔隙未见沥青充填，第21号岩样含大量生物碎屑，第22号和第23号颗粒间孔隙几乎完全被沥青充填，岩体呈黑色。三角洲前缘的6块岩样中，水下分流河道相中的岩样砂体颗粒粗、孔隙结构发育，而接近前缘泥的岩样，颗粒细小致密。结合沉积的特点，三角洲前缘由岸向湖的方向沉积物的粒度逐渐变细，即由水下分流河道、河口坝到前缘泥的变化中，沉积物粒度逐渐变细（表1），而影响声波传播的孔隙越来越小，声速逐渐增高。

6 结论与讨论

通过对上述几个露头沉积体系中岩样的超声波速测试实验，可以得出下面几点认识：

1）岩样超声波速度与岩样所处的沉积环境（沉积体系或成因相）密切相关，呈现一定变化规律。在生物礁滩剖面上，从礁基、礁核、到礁盖速度递增；在三角洲前缘沉积剖面中，从水下分流河道、河口坝到前缘泥速度递增。利用岩石声波速度测量结果与沉积环境的关系，以及变化规律指导沉积体系的建模是可行的。

图12 潮坪相剖面和三角洲剖面岩样切后新鲜面照片

20～23号属于潮坪相剖面，24～29号属于三角洲前缘沉积剖面

2）在生物礁滩剖面上，生物碎屑的含量是影响声波速度的主要因素。生物碎屑含量越高，速度越低；在砂岩剖面上，孔隙是影响测量的主要因素，孔隙越小或充填程度越高，速度就越高。

3）在生物礁滩剖面上，生物的大小与生长方向是控制岩样速度各向异性的主要因素之一，而砂岩剖面，我们初步认为与孔隙关系密切。礁灰岩速度的各向异性程度大于砂岩。

致谢 作者在野外岩样采集过程中，受到中国地质大学（武汉）王瑞、王世虎、荣辉等同学的帮助。另外，武汉理工大学蔡兰老师也曾在横波测量方面给予指导，作者在此一并表示衷心感谢。

参考文献

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