層理性頁(yè)巖地層超聲波透射實(shí)驗(yàn)

陳 喬 劉向君 劉 洪 王 森 王莉莎 范曉文 王其軍 張 明

1．中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心 2．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院3．中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 4．四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院

近年來(lái)，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)成為我國(guó)能源界的研究熱點(diǎn)，作為儲(chǔ)層的頁(yè)巖地層也受到了工程師和學(xué)者們的廣泛關(guān)注［1－5］。超聲波數(shù)據(jù)是油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中測(cè)井解釋的重要資料，頁(yè)巖地層層理發(fā)育，研究層理性頁(yè)巖結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波響應(yīng)的影響，對(duì)于利用測(cè)井資料［6－7］進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層識(shí)別和了解地下層理結(jié)構(gòu)變化情況均具有重大意義。自1981年Jone等研究了美國(guó)Williston盆地白堊系頁(yè)巖在不排水條件下超聲波速度各向異性問(wèn)題以來(lái)，圍繞頁(yè)巖巖石的聲波傳播特性展開(kāi)了大量研究［8］。

SONG Insun等［9］在靜態(tài)壓力達(dá)到70MPa的條件下，利用小柱塞縱橫超聲波透射實(shí)驗(yàn)來(lái)分析與層理平面垂直和平行兩個(gè)方向的彈性各向異性，同時(shí)，還通過(guò)縱橫波速度估算了層狀巖心的彈性模量。Carl H Sondergeld［10］利用超聲波的透射實(shí)驗(yàn)的手段，分析了不同角度的層理?xiàng)l件下，圍壓對(duì)縱、橫波波速的影響。Tutuncu，A．U 等［11］通過(guò)滲透率、超聲波和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的綜合測(cè)試確定了頁(yè)巖橫向各向異性的存在，該物理測(cè)試方法可以用于獲取低滲儲(chǔ)層的滲透率方位。這些理論為利用多參數(shù)反演頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

由于實(shí)驗(yàn)中頁(yè)巖制樣的困難，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)作為油氣儲(chǔ)集層蓋層的頁(yè)巖地層聲波速度和各向異性的巖石物理數(shù)據(jù)研究［12－13］較少，他們主要針對(duì)一些變質(zhì)巖和火成巖的聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，頁(yè)巖地層聲波響應(yīng)特征研究還不夠成熟。筆者選擇渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組層理性頁(yè)巖野外露頭，鉆取22塊巖樣，進(jìn)行不同層理結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)特征研究，以期獲得對(duì)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層超聲波傳播特性的認(rèn)識(shí)。

1 巖心制備及基礎(chǔ)物性參數(shù)

1．1 巖心制備

選取渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組露頭巖樣，通過(guò)巖樣軸心逆時(shí)針作0°，45°，90°，135°共4條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，并延長(zhǎng)至徑向，再根據(jù)巖樣的長(zhǎng)度在軸向做間隔相等的5～10個(gè)點(diǎn)（圖1）。接下來(lái)，用縱波探頭測(cè)量巖樣各點(diǎn)的縱波時(shí)差。最后，選擇徑向縱波時(shí)差相差不大的大巖樣（可近似為橫向各向同性的模型）作為研究取心對(duì)象。

圖1 巖樣描點(diǎn)示意圖

在此基礎(chǔ)上，分別沿平行層理方向（圖2－a）、與對(duì)稱(chēng)軸呈一定角度（30°、60°，如圖2－b，2－c）、垂直于平行層理方向（圖2－d）進(jìn)行小巖心鉆取，利用鉆機(jī)控制層理角度誤差小于5%，為了不影響測(cè)試效果，所切制樣品直徑均在1英寸左右（25．4mm），長(zhǎng)度介于37．87～51．11mm，兩端面磨平拋光。

1．2 基本物性參數(shù)

針對(duì)上述取心過(guò)程，挑選出22塊巖樣，分別采用游標(biāo)卡尺、電子天平、致密巖心氣體孔隙度測(cè)定儀及根據(jù)氣測(cè)滲透原理自制的滲透率測(cè)試裝置對(duì)其基礎(chǔ)物性進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從巖心分析及測(cè)試結(jié)果可以看出，巖樣巖性以黑色、灰黑色及深灰色頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，孔隙度變化范圍為1．5%～2．5%，大部分巖樣的滲透率小于1mD。

圖2 不同層理角度的巖心樣品圖

表1 試驗(yàn)用巖心的基本物性參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

2．1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在常溫（20℃），軸壓恒定為0．5MPa環(huán)境下，使用西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的承壓型聲波換能器采用透射法［14］進(jìn)行測(cè)量。采用激發(fā)頻率為25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、490kHz的縱波探頭發(fā)射出超聲波脈沖，穿過(guò)不同層理性頁(yè)巖巖心，接收探頭將透射后的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)示波器顯示出來(lái)，通過(guò)其配備的（Ultra Scope）軟件采集接收端探頭的聲波波形，并將聲波信號(hào)保存在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)提取波形中的首播波速和利用波形對(duì)比法計(jì)算衰減系數(shù)來(lái)進(jìn)行波形數(shù)據(jù)分析。圖3為超聲波透射實(shí)驗(yàn)的測(cè)試流程圖。

2．2 結(jié)果與分析

2．2．1 不同層理角度條件下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響

按層理角度（0°、30°、60°、90°）將巖心分為4組，在探頭頻率為250kHz條件下，測(cè)試各組巖心的超聲波數(shù)據(jù)，用于研究不同層理角度條件下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響。

圖3 超聲波透射實(shí)驗(yàn)流程圖

從圖4可以看出，盡管頁(yè)巖孔隙度及其變化范圍都較小，但是聲波速度隨孔隙度的增加依然有減小的趨勢(shì)，且層理角度越大速度越??；聲波衰減系數(shù)隨著孔隙度的增加，總體呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，且在不同層理間這種增加呈現(xiàn)出喇叭形狀（圖4－b），即在孔隙度較小時(shí)，不同角度衰減系數(shù)相差不大，隨孔隙度的增加，有差異變大的趨勢(shì)。這表明超聲波在頁(yè)巖巖石物理性質(zhì)研究中依然是非常重要的手段。

圖4 不同層理角度條件下，孔隙度與聲波特性的關(guān)系圖

圖5 電鏡掃描圖

頁(yè)巖的層理發(fā)育方向是研究和表征層理最重要的參數(shù)之一。對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行電鏡掃描（圖5）可知，層理面處的膠結(jié)物較多，黏土礦物的產(chǎn)狀相對(duì)比較混亂，且相對(duì)非層理處的微裂縫更加發(fā)育，可知層理面的存在減小了波速，增加了衰減。因此，圖4－a中出現(xiàn)了波速在層理為90°時(shí)要遠(yuǎn)小于層理為0°時(shí)的情況。層理角度變大、衰減增加是由于角度越大，聲波穿透的層理數(shù)增加所致，孔隙度增加層理面的微裂縫數(shù)也會(huì)增加，因此出現(xiàn)圖4－b所示的增加規(guī)律。利用上述規(guī)律，可以綜合利用聲波資料進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，對(duì)層理角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2．2．2 不同層理角度條件下，測(cè)試頻率對(duì)聲波特性的影響

在層理不同的4組巖心中分別抽取出孔隙度相等的巖樣（巖心編號(hào)為2、6、15、22，孔隙度均為1．8%），接下來(lái)，選擇不同縱波探頭頻率的超聲波來(lái)完成透射實(shí)驗(yàn)，用于研究不同層理角度條件下，測(cè)試頻率對(duì)聲波特性的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著測(cè)試頻率增加，聲波波速也增大，并且呈對(duì)數(shù)正相關(guān)性（圖6－a），頻散現(xiàn)象明顯，在不同層理角度條件下的各組巖心統(tǒng)計(jì)結(jié)果非常吻合，具有很強(qiáng)的規(guī)律性。而聲波衰減系數(shù)隨著測(cè)試頻率的增加總體也呈增大的趨勢(shì)（如圖6－b），但是變化幅度規(guī)律性不強(qiáng)，同層理角度條件下的各組巖心統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近。該結(jié)果對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中聲波參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

2．2．3 不同測(cè)試頻率下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響

圖6 不同層理角度條件下，測(cè)試頻率與聲波特性的關(guān)系圖

選取孔隙度數(shù)據(jù)最完整的一組巖心（層理角度為30°）為研究對(duì)象，選用4種頻率（25kHz、50kHz、100 kHz、250kHz）的縱波探頭進(jìn)行超聲波透射實(shí)驗(yàn)，用于研究不同測(cè)試頻率條件下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響。

圖7為不同頻率下，孔隙度與聲波特性的關(guān)系。

圖7 不同測(cè)試頻率下，孔隙度與聲波特性的關(guān)系圖

從圖7中可以看出，孔隙度分別為1．6%和2．5%的2個(gè)點(diǎn)，波速和衰減系數(shù)有明顯差異，中間區(qū)域聲波參數(shù)均有小幅度波動(dòng)，但趨勢(shì)是一樣的，這說(shuō)明盡管頁(yè)巖孔隙較小，但其對(duì)聲波傳播在速度和衰減上均有體現(xiàn)的，這個(gè)頁(yè)巖層理發(fā)育和微裂縫發(fā)育不無(wú)關(guān)系。

4 結(jié)論

1）在0°～90°范圍內(nèi)，隨層理角度的增加，波速減小趨勢(shì)明顯，衰減系數(shù)增加。

2）波速與孔隙度呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性，隨孔隙度增加，衰減系數(shù)增加，且增加程度隨層理角度的變大而加劇。

3）波速與頻率呈對(duì)數(shù)增加的趨勢(shì)，頻散現(xiàn)象明顯，衰減系數(shù)隨頻率增加而增大。

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