致密砂岩岩石物理模型研究

致密砂岩岩石物理模型研究致密砂岩油气作为非常规能源的一种，对世界常规能源的接替起到了至关重要的作用。

其显著的特征是渗透率低（小于或等于0.1×10-3μm2）、岩石压实紧密、微观储渗机理复杂。

多数情况下，致密储层的胶结程度高，塑性大，岩屑含量及粘土含量相对多，常规的解释与评价方法很难揭示岩石的储集与渗流机理，并且现有的岩石物理解释模型也难以精细的表征其微观特征，表征物性特征的参数同样也不仅仅为孔、渗的数值大小，因此对于致密砂岩，基于岩石微观孔隙结构参数的表征是对物性进行描述的重要内容。

但在致密砂岩储层中如何明确裂缝的形成过程并把它表征出来一直是一个难点。

在致密砂岩形成过程中，成岩作用对其影响最大。

在成岩作用过程中，压实作用和胶结作用较大幅度地降低了储层的孔隙度和渗透率，粘土等矿物的充填也是渗透率降低的重要原因。

致密砂岩储层复杂的地质特征使得储层的渗流特征、弹性及物性特征有别于常规砂岩储层，加之极强的非均质性，使得致密砂岩岩石物理分析研究具有很大的挑战性，常规的孔隙度、渗透率以及饱和度等公式适用性差，利用测井手段识别致密砂岩中的气层特别困难、精确评估致密砂岩储层难度大。

对此许多学者进行了岩石物理分析及建模方法、测井评价、储层横向预测，以及在开发过程中利用微地震、时移地震等进行储层动态监测的研究。

有效的对岩石物理模型进行研究，能够合理地对储层含油气性进行预测。

1、致密砂岩储层特征在常规砂岩储层中，有效孔隙度通常只比总孔隙度稍低，然而如图 3-1 所示（蓝色部分为容纳气体的孔隙空间），致密砂岩储层中，强烈的成岩作用导致有效孔隙度值比总孔隙度要小很多。

伴着成岩作用的发生，致密砂岩得原生孔隙结构发生重大改变，平均孔隙直径减小，弯曲度加大，不连通孔隙增多，于是岩石的孔隙类型和孔隙微结构变得十分复杂。

图 1 两组砂岩薄片（引自 G.C.Naik）(a)常规砂岩储层薄片；(b)致密砂岩气藏薄片致密砂岩的储集孔隙由岩石骨架颗粒之间的原生孔隙和包含溶蚀孔隙、晶间微孔、裂隙孔隙的次生孔隙构成。

晶间微孔形成于由胶结物次生加大生成的孤立孔隙，主要与泥质及粘土有关；而裂缝孔隙度则多形成于岩石的微裂隙。

粒间孔隙、溶蚀孔隙与微裂缝构成了致密砂岩储集空间的主要组合类型。

总之，次生溶蚀孔隙是致密砂岩主要的储集空间。

裂缝既是致密砂岩中流体运移的主要通道，也是主要的油气储集空间。

因为油气藏的分布被裂缝控制，所以裂缝是研究致密砂岩油气藏开发方案的关键内容。

按规模可将低渗透砂岩储层中的裂缝分为宏观裂缝和微观裂缝两种类型。

与宏观裂隙相比，开度与孔吼处于同一数量级的微观裂隙的渗流作用虽较之不及，但也极大的改善了致密砂岩储层的孔隙结构，提高了其整体性能。

微观裂隙制约着宏观裂缝的形成与发展，因此研究其分布特征与发育规律对特低渗透致密砂岩储层的储渗具有重要意义。

2、岩石物理模型分析研究岩石是由固体岩石骨架和流动孔隙流体组成的多相介质，其有效弹性性质常用以下４个等效弹性参数来描述：基质模量、干岩石骨架模量、孔隙流体模量和环境因素（包括压力、温度、声波频率等）．岩石物理理论模型旨在建立这些模量之间相互关系，并在一定的假设条件下对实际储层进行简化，以便定量分析不同储层物性参数（孔隙度、饱和度等）与有效弹性性质之间的关系．岩石物理理论模型可以分为有效介质模型理论和波传播理论两大类有效介质模量理论是根据各种几何平均物理模型，在已知组成岩石各相的相对含量、弹性模量以及各相在岩石介质中分布特征条件下，以适当方式定量求取岩石的等效弹性模量，从而进一步求出弹性波的速度和衰减。

对于多孔岩石介质，有效介质模量理论的关键是确定适合介质成分的混合模型，以下是常用的几种有效介质模量理论模型：1）Voigt-Reuss-Hill（V-R-H）模量模型在已知组成岩石介质各相的相对含量以及弹性模量的情况下，分别利用同应变状态、同应力状态估算岩石介质有效弹性模量的Voigt上限、Reuss下限，利用两者的算术平均计算岩石的有效弹性模量。

这种平均并没有任何理论的基础和物理含义。

该模型比较适合于计算矿物成分的有效体积模量及可能的最大上下限；不适于求取岩石的总体积模量、剪切模量和气饱和岩石的情况。

2）Hashin-Shtrikman模量模型在已知岩石矿物和孔隙流体的弹性模量及孔隙度的情况下，Hashin-Shtrikman模型能精确地计算出多孔流体饱和岩石模量的取值范围。

其上、下限的分离程度取决于组成矿物弹性性质的差异（均为固体矿物颗粒时，上下限分离很小；如有流体存在时，则上下限分离较大）。

3）Wood模量模型首先利用Reuss下限计算混合物平均体积模量，再利用其与密度的比值估算速度。

该模型比较适用于计算孔隙混合流体的有效体积模量,或者浅海沉积物的有效体积模量（浅海沉积物基本为悬浮状态）。

4）Kuster-Toksoz模型通过考虑孔隙的形状及分布规律，利用连续介质一阶差分理论来计算多孔介质的等效模量。

该模型是根据孔隙内流体的流动状态对岩石孔隙进行分类考虑，孔隙孤立的存在于介质之中，考虑了孔隙形状但没有考虑孔隙间的相互作用，因此较适合于实验室超声高频条件下流体饱和岩石模量的计算。

其中，纵横比较小的扁平孔隙对速度的影响比较大。

波传播理论则基于波在岩石中传播的理论规律，通过对孔隙形状等参数的某些假定，利用组成岩石的各相态模量来计算多孔岩石介质不同状态下的弹性模量，常用的理论模型包括以下几种：1）Gassmann模型在低频条件下，Gassmann推导出了饱和流体状态条件下岩石体积模量的理论方程。

Gassmann方程是岩石物理研究的最基本方程，用来描述从干岩石状态到饱和流体孔隙状态下的模量变化。

该方程的一个重要的适用条件是低频条件，也即只有在足够低频条件下，该方程是有效的，此时孔隙所受的压力在整个孔隙空间达到平衡（即对于孔隙流体，有足够的时间消除压力梯度，达到平衡）。

应用Gassmann理论时，应注意以下事项：○1干岩石并不等价于气饱和状态下的岩石（干岩石或者干骨架模量是指孔隙压力保持不变而围压变化所导致的体模量的应变，这种耗散状态相当于岩石充满空气时在常温和常压条件下的状态；气饱和状态的模量相当于储层条件下（高孔隙压力），气体具有不可忽略的体积模量）；○2干岩石骨架的弹性模量是指微湿或者潮湿状态条件下的岩石模量；○3对于混合矿物，可以利用平均模量作为总的有效模量；○4对于泥质充填岩石，最合理的做法是把软泥岩当作充满孔隙的一种流体，而不是当作一种矿物骨架，即孔隙流体为泥岩；○5对于部分饱和岩石，在足够低频条件下，孔隙流体的有效模量可以利用等应力条件下流体和气体状态决定。

2）Biot模型Biot采用连续介质力学的方法导出了流体饱和多孔隙介质中的声波方程，建立了多孔介质中声速、衰减与频率和多孔介质参数之间的关系。

该模型反映了流体和岩石骨架中粘性和惯性相互作用机制，既包含了岩石骨架和孔隙流体对混和岩石介质弹性模量的单独作用，也包含了它们之间的耦合作用。

该模型适合于任意频率条件下多孔岩石介质弹性模量的计算，但是由于没有考虑高频条件下孔隙流体的喷射作用，因此该理论方程所预测高频条件下饱和流体岩石的速度并不十分准确。

3）BISQ模型当地震波在多孔介质中传播时，Biot流和喷射流机制同时存在。

Biot流描述的是宏观现象，喷射流机制反映的是局部特征，两种机制通过流体的质量守衡而统一，对地震波的衰减和频散均产生重要影响。

Dvorkin和Nur基于孔隙各向同性一维问题将这两种流体-固体相互作用的力学机制有机地结合起来，提出了统一的Biot-Squirt（BISQ）模型。

BISQ模型反映了两种不同流动形式和流体特性对波速、衰减和频散的影响规律，比Biot理论更能真实地体现波在孔隙各向同性岩石介质中的传播规律。

喷射流特征长度则需要根据速度、频率的测量结果猜测或者根据经验调整。

4）Xu-White模型基于Kuster-Toksoz模型和Gassmann理论，Xu-White提出了砂泥岩混和介质的速度模型。

该模型综合考虑岩石孔隙度和粘土含量来预测声波速度，把粘土成分、压力、胶结等因素对声波的影响归因于泥页岩和砂岩的孔隙几何形状和面孔率的差异。

在该模型中，总的孔隙空间由两部分组成：与砂岩颗粒相关的孔隙；与泥岩颗粒相关的孔隙（包括束缚水）。

不同孔隙形状的孔隙对弹性模量的影响是不同的。

该模型首先利用时间平均方程计算骨架混合矿物的弹性模量，利用Woods 方程计算混合流体的弹性模量；然后针对两相介质，利用Kuster-Toksoz模型估计干岩石骨架的弹性模量；最后利用变换后的Gassmann方程计算流体饱和岩石条件下的弹性模量。

该模型适合于低频率条件下，多孔流体饱和砂泥岩纵横波速度估算，其关键参数是泥岩孔隙和砂岩孔隙的纵横比。

目前，在砂泥岩层中岩石物理模型研究主要选用 Xu-White提出一种砂泥岩混合模型，该模型综合考虑了岩石孔隙度、孔隙几何形状和粘土含量来预测声波速度．然而，致密砂岩储层渗透率低、孔隙度小，与Xu-White的砂泥岩模型有差异（白俊雨等，2012；赵立新等，2012），要建立致密砂岩岩石物理模型就必须重新分析研究骨架参数和Brie等（1995）指数ｅ值的变化规律，其与实际测量的数据的吻合度直接影响岩石参数计算的准确性（姜仁等，2015）3、岩石物理模型在致密砂岩中的应用实例王大兴（2016）根据鄂尔多斯盆地苏里格气田以往实测和新测的共17口井51块岩样超声波实验数据，得到304组不同孔隙度和不同含水饱和度下对应的纵横波速度、泊松比等弹性参数。

重新优选计算体积模量和泊松比与含气饱和度的关系，表明苏里格气田上古生界二叠系石盒子组盒８致密砂岩储层的模型与Brie模型（e=2）相似度最高．由此建立的苏里格气田储层岩石物理模型，更好的表征了致密岩石储层物理参数随含气饱和度变化规律，为该区储层预测提供了理论依据．致密储层岩石物理模型研究成果应用于苏里格气田多波地震资料气水预测中，实际例子表明该模型适用于该区的储层和含气性预测，并取得了较好的效果．叶绮（2013）将联系 DEM 双重孔隙模型、广义 Gassmann 理论、Biot 相恰理论建立的低渗致密砂岩各向同性岩石物理模型和经典 Xu-White 模型均用工区中井的横波速度的估算。

通实际资料处理结果表明，经典 Xu-White 模型的岩石组分、孔隙组成和泥质成分在岩石中的分布形式与致密砂岩储层不相符，该模型预测的横波速度精度较低；而充分考虑致密砂岩组分、孔隙组成和泥质成分在岩石中的分布形式的致密砂岩模型预测的横波速度精度较高。