頁(yè)巖三軸壓縮條件下的縱橫波速特征

程禮軍，潘林華，張燁，鄧智，陸朝暉

（1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶頁(yè)巖氣研究中心，重慶 400042；2.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶 400042）

頁(yè)巖三軸壓縮條件下的縱橫波速特征

程禮軍1，2，潘林華1，2，張燁1，2，鄧智1，2，陸朝暉1，2

（1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶頁(yè)巖氣研究中心，重慶 400042；2.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶 400042）

針對(duì)頁(yè)巖層理發(fā)育和各向異性強(qiáng)的特點(diǎn)，利用鉆井取心進(jìn)行了一系列三軸壓縮條件下的超聲波速度測(cè)試，獲得了不同層理傾角、軸向載荷條件下的縱橫波速度變化特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）層理傾角增大，頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈U型變化趨勢(shì)，彈性模量逐步增加，泊松比呈先增后減的趨勢(shì)；2）層理傾角增大，頁(yè)巖的初始縱橫波速度增大；3）隨著軸向載荷對(duì)頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，三軸壓縮條件的縱橫波速度呈先增后降的趨勢(shì)；4）頁(yè)巖水化能增加縱橫波速度，大幅度降低頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度；5）頁(yè)巖動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比的比值與靜態(tài)彈性模量和泊松比的比值比較接近，相關(guān)性較好；6）在圍壓條件下，頁(yè)巖彈性模量與泊松比的各向異性系數(shù)差別較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)和了解頁(yè)巖的力學(xué)、超聲波特性，以及聲波測(cè)井的校正，具有一定指導(dǎo)意義。

頁(yè)巖；水平層理；巖石力學(xué)；三軸壓縮實(shí)驗(yàn)；軸向應(yīng)力；縱橫波速度

0　引言

頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)需要對(duì)儲(chǔ)層物性、力學(xué)參數(shù)等方面有準(zhǔn)確可靠的認(rèn)識(shí)。我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)還處于初級(jí)發(fā)展階段，對(duì)于頁(yè)巖的物性、孔滲及力學(xué)參數(shù)方面的研究和分析相對(duì)較少。頁(yè)巖超聲波特性是測(cè)井解釋、力學(xué)性能分析的重要資料［1-2］，頁(yè)巖層理和天然微裂隙發(fā)育，對(duì)頁(yè)巖的超聲波特性和非均質(zhì)性［3］有重要的影響，特別是加載條件下，頁(yè)巖的超聲波特性更加復(fù)雜。

國(guó)外基于有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、干酪根含量、礦物成分等對(duì)頁(yè)巖超聲波速度及波速各向異性方面進(jìn)行了大量的研究和探索。Sondergeld等［4］研究了不同圍壓和水平層理角度條件下的縱橫波速度特性，并分析了圍壓對(duì)波速各向異性的影響；Tutuncu等［5］通過(guò)滲透率、超聲波和巖石力學(xué)參數(shù)的綜合測(cè)試確定了頁(yè)巖橫向各向異性的存在；Yan等［6］利用油頁(yè)巖進(jìn)行了單軸壓縮條件下的波速各向異性及波速敏感性分析；Sch?n［7］利用超聲波研究了頁(yè)巖的各向異性特性并建立了相應(yīng)的表征模型；Olivia［8］研究了應(yīng)力變化對(duì)頁(yè)巖超聲波速度各向異性的影響。

國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖的超聲波特性研究相對(duì)較少，目前主要集中在常規(guī)層狀巖石層理傾角、載荷等對(duì)巖石超聲波速度的影響方面。陳喬等［9］利用渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組層理性頁(yè)巖野外露頭，獲得了層理性頁(yè)巖的超聲波傳播特性；陳天宇等［10］研究了不同層理傾角條件下的初始縱波波速變化特性及力學(xué)參數(shù)變化特征。

本文利用重慶渝東南地區(qū)某頁(yè)巖氣井的鉆井巖心進(jìn)行了三軸壓縮條件下的縱橫波速度測(cè)試，獲得了不同軸向壓力條件下的縱橫波參數(shù)，并進(jìn)行了深入分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為頁(yè)巖氣測(cè)井、開(kāi)發(fā)等提供建議和參考。

1　巖心礦物組分分析及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1巖心礦物組分分析

本文的實(shí)驗(yàn)試件為取自重慶渝東南地區(qū)的頁(yè)巖氣井的鉆井巖心，層系為上奧陶統(tǒng)五峰—龍馬溪組，儲(chǔ)層深度在720～800 m。巖石礦物成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖1所示。礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、黏土，次要成分為碳酸鹽，局部含少量黃鐵礦。其中，非黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值為1.877。鉆井取心層位的孔隙壓力約為9.0 MPa，孔隙度約為1.4%。鉆井取心層理發(fā)育，天然裂縫較少，以鉆井誘導(dǎo)裂縫為主。

1.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究層理傾角對(duì)超聲波速度的影響，實(shí)驗(yàn)試件（尺寸φ25.0 mm×50.0 mm）從3個(gè)方向鉆?。?）垂直于層理方向，層理傾角為0°，層理與軸向應(yīng)力的加載方向?yàn)?0°（見(jiàn)圖2a）；2）垂直層理45°鉆取，層理傾角為45°，層理與軸向應(yīng)力的加載方向?yàn)?5°（見(jiàn)圖2b）；3）平行于層理方向，層理傾角為90°，層理與軸向應(yīng)力的加載方向?yàn)?°（見(jiàn)圖2c）。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有說(shuō)服力，本文共進(jìn)行了8組巖心（總計(jì)24塊）實(shí)驗(yàn)。其中：6組18塊巖心（層理傾角為0，45，90°，編號(hào)為1#—6#）用于研究層理傾角對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性能的影響；2組6塊巖心（層理傾角為0°，編號(hào)為7#—8#）用于研究頁(yè)巖浸泡水化對(duì)超聲波速度的影響。根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層的深度和地應(yīng)力分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)的圍壓設(shè)定為15.0 MPa。

本文實(shí)驗(yàn)采用GCTS公司生產(chǎn)的RTR-1500實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其軸壓、圍壓和孔壓均為獨(dú)立的加載系統(tǒng)，相互之間不會(huì)發(fā)生干擾，試件壓頭上裝有超聲波的發(fā)射器和接收器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軸向應(yīng)力的加載根據(jù)試件的軸向變形量進(jìn)行自動(dòng)控制，圍壓通過(guò)液壓控制方式加載，加載速率為1.0 MPa/s。進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行縱波和橫波波速測(cè)試（見(jiàn)圖3），縱橫波發(fā)射器和接收器分別安裝在上下壓頭上。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

層理分布對(duì)頁(yè)巖動(dòng)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)、縱橫波速度都有影響，是導(dǎo)致頁(yè)巖各向異性強(qiáng)的主要影響因素之一。三軸壓縮過(guò)程中，隨著軸向應(yīng)力的增大，頁(yè)巖經(jīng)歷了微裂縫壓實(shí)、線彈性變形、微裂縫擴(kuò)展、微裂縫擴(kuò)展聯(lián)合、巖石失穩(wěn)等階段，各個(gè)階段都會(huì)對(duì)頁(yè)巖的縱橫波參數(shù)造成影響。本文主要研究了層理傾角對(duì)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)、初始縱橫波速度的影響，分析了不同層理傾角條件下縱橫波速度與軸向應(yīng)力的變化關(guān)系，探索了頁(yè)巖浸泡水化作用對(duì)頁(yè)巖縱橫波速度的影響。

2.1層理傾角對(duì)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)的影響

不同層理傾角條件下抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的結(jié)果如圖4所示。層理傾角增大，實(shí)驗(yàn)獲得的頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈U型變化趨勢(shì)，90°層理傾角的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度最大，0°層理傾角次之，45°層理傾角的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度最低。其中，抗壓強(qiáng)度與層理傾角的分布規(guī)律與文獻(xiàn)［5］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本類似。

頁(yè)巖彈性模量、泊松比與層理傾角的關(guān)系見(jiàn)圖5。

實(shí)驗(yàn)獲得的彈性模量隨層理傾角的增大呈上升趨勢(shì)，層理傾角90°頁(yè)巖彈性模量最大。層理傾角增大，泊松比呈先增后減的趨勢(shì)。45°傾角的泊松比大于其他2種傾角，因?yàn)榇朔N情況下試件沿層理面破壞，剪切滑移位移量大，導(dǎo)致試件徑向變形和泊松比增大。

2.2初始波速分析

圍壓15.0 MPa、軸向壓力為0時(shí)，不同層理傾角頁(yè)巖初始縱波速度見(jiàn)圖6?？梢园l(fā)現(xiàn)：層理傾角0°的頁(yè)巖縱波速度最小，90°的最大；不同巖樣的縱波速度變化幅度基本無(wú)規(guī)律，而與頁(yè)巖內(nèi)部構(gòu)造、天然裂縫分布及層理發(fā)育情況有關(guān)。橫波速度的變化規(guī)律與之基本類似。

層理傾角為0°時(shí)，試件軸向的層理數(shù)量最多，頁(yè)巖層理一般為空氣或其他弱膠結(jié)物質(zhì)填充，縱橫波在這些介質(zhì)中的傳播速度低于巖石基質(zhì)的傳播速度，導(dǎo)致縱橫波速度降低幅度最大；45°傾角的軸向的層理數(shù)量次之；90°層理傾角方向的層理數(shù)量最少，對(duì)超聲波速度的影響也最小。

2.3三軸壓縮條件下的縱橫波速度變化特性

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在軸向壓力條件下，頁(yè)巖的縱橫波速度呈先增后減的趨勢(shì)。1#試件不同層理傾角巖石的縱波、橫波速度的變化如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：軸向壓力加載初期，軸向應(yīng)力增大，巖石縱橫波速度增大，增大幅度與巖石類型有關(guān)；當(dāng)軸向壓力增大到某一程度時(shí)，縱橫波的速度開(kāi)始小幅度降低；軸向壓力超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，縱橫波速度急劇降低。不同層理傾角的縱橫波波速都呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

頁(yè)巖超聲波速度隨軸向應(yīng)力的增加呈先增后減的趨勢(shì)，這主要與三軸壓縮過(guò)程中軸向應(yīng)力對(duì)頁(yè)巖內(nèi)部層理和微裂隙的影響有關(guān)。實(shí)驗(yàn)初期，軸向應(yīng)力的增大，導(dǎo)致試件的微裂隙和層理閉合，降低了微裂隙的體積，從而導(dǎo)致超聲波速度增大；當(dāng)軸向應(yīng)力增大到某一程度時(shí)，頁(yè)巖的微裂隙開(kāi)始擴(kuò)展并延伸，微裂隙的體積增大，超聲波的速度開(kāi)始降低；試件的微裂隙和層理的擴(kuò)展導(dǎo)致試件失穩(wěn)，試件發(fā)生大面積破壞，試件的裂縫體積達(dá)到頂峰，導(dǎo)致超聲波速度急劇降低。

2.4頁(yè)巖水化對(duì)波速的影響

頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度低，屬于致密巖石，但黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，吸水性強(qiáng)，遇水易發(fā)生膨脹。頁(yè)巖吸水后對(duì)天然裂縫和水平層理產(chǎn)生影響，充實(shí)天然裂縫和水平層理，從而影響縱橫波速度；同時(shí)，頁(yè)巖水化膨脹會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖的強(qiáng)度降低。

本文進(jìn)行了0°層理傾角的頁(yè)巖干燥、浸泡24 h和浸泡48 h條件下的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。從2塊鉆井巖心上分別取出6小塊0°層理傾角的試件。其中：2小塊試件干燥不含水，2小塊試件在壓力10.0 MPa的壓力釜中浸泡24 h，2小塊試件在壓力10.0 MPa的壓力釜中浸泡48 h。然后分別進(jìn)行三軸壓縮和超聲波速度實(shí)驗(yàn)。

其中7#頁(yè)巖試件的縱波隨軸向應(yīng)力的變化如圖8所示。和干燥的頁(yè)巖相比，浸泡后的頁(yè)巖縱波波速增大；浸泡時(shí)間愈長(zhǎng)，頁(yè)巖的縱波速度增加幅度愈大；軸向應(yīng)力增大，浸泡作用對(duì)縱波速度的影響逐漸降低。

相同頁(yè)巖的橫波速度變化曲線如圖9所示。

頁(yè)巖壓實(shí)階段，頁(yè)巖浸泡對(duì)于橫波速度有影響；橫波速度隨軸向壓力的變化趨勢(shì)基本與縱波速度相同。

2.5頁(yè)巖動(dòng)靜態(tài)參數(shù)關(guān)系及各向異性分析

利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的不同傾角條件下的縱橫波速度結(jié)果，采用ANNIE假設(shè)，可以得到各向異性地層的剛度矩陣［11］：

式中：C11，C12，C13，C33，C44，C55，C66均為表征橫向各向同性介質(zhì)彈性性質(zhì)的剛度常數(shù)（由頁(yè)巖垂向和水平方向的超聲波速度獲得）。

利用式（1）中的剛度矩陣，可以計(jì)算出頁(yè)巖垂直方向和水平方向的動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比，計(jì)算公式為

式中：Ev為垂向動(dòng)態(tài)彈性模量，Pa；Eh為水平向動(dòng)態(tài)彈性模量，Pa；νv為垂向動(dòng)態(tài)泊松比；νh為水平向動(dòng)態(tài)泊松比。

用式（2）計(jì)算的彈性模量是動(dòng)態(tài)的，與巖石的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)之間有一定的差距，需要用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)將動(dòng)態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換成靜態(tài)參數(shù)。

本文獲得的頁(yè)巖垂向彈性模量的動(dòng)靜態(tài)關(guān)系如圖10所示。

動(dòng)態(tài)垂向彈性模量與靜態(tài)垂向彈性模量的相關(guān)性較好，動(dòng)態(tài)垂向彈性模量與靜態(tài)垂向彈性模量之比為1.43。動(dòng)態(tài)水平彈性模量和靜態(tài)水平彈性模量之比為1.34，與二者的動(dòng)態(tài)垂向相關(guān)系數(shù)相差不大。

頁(yè)巖垂直方向取心的動(dòng)靜態(tài)泊松比關(guān)系如圖11所示。由圖可見(jiàn)，垂向動(dòng)靜態(tài)泊松比的相關(guān)系數(shù)與動(dòng)靜態(tài)彈性模量的相關(guān)系數(shù)比較接近，為1.35。水平方向的動(dòng)靜態(tài)泊松比的相關(guān)系數(shù)為1.14。

衡量巖石各向異性的指標(biāo)為各向異性度，其計(jì)算公式為［12］

式中：Rc為各向異性度；X90，X0分別為水平和垂直鉆取巖心獲得的參數(shù)。

本文實(shí)驗(yàn)獲得的頁(yè)巖彈性模量和泊松比的各向異性程度如圖12所示。6組巖心靜態(tài)參數(shù)的各向異性系數(shù)總體差別不大，靜態(tài)彈性模量的各向異性系數(shù)平均值為1.40，靜態(tài)泊松比的各向異性系數(shù)平均值為1.20。動(dòng)態(tài)彈性模量的各向異性系數(shù)為1.35，動(dòng)態(tài)泊松比的各向異性系數(shù)平均值為1.28。本次實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)泊松比的各向異性系數(shù)比較分散，各個(gè)試件的差值較大。

由于本文的實(shí)驗(yàn)試件是在圍壓15.0MPa條件下測(cè)定的，根據(jù)文獻(xiàn)［10］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，圍壓能降低強(qiáng)度各向異性的系數(shù)的差值，本文的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比也有類似的規(guī)律。

3　結(jié)論

1）利用三軸壓縮條件下的縱橫波速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得了頁(yè)巖在軸向載荷條件下的縱橫波速度變化規(guī)律。層理傾角增大，頁(yè)巖軸向方向的初始縱橫波速度增大，三軸壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，縱橫波速度呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)；頁(yè)巖浸泡水化能增加縱橫波速度，會(huì)大幅度降低抗壓強(qiáng)度。

2）層理傾角增大，抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈U型變化趨勢(shì)，層理傾角90°的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度最大，層理傾角0°次之，層理傾角45°最低；頁(yè)巖彈性模量隨層理傾角的增大呈上升趨勢(shì)；泊松比隨層理傾角的增大呈先增后減趨勢(shì)，45°傾角的泊松比大于其他2種傾角。

3）頁(yè)巖動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比與靜態(tài)彈性模量和泊松比的相關(guān)系數(shù)比較接近，相關(guān)性較好；在圍壓條件下，頁(yè)巖彈性模量與泊松比的各向異性度差別較小。

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（編輯李宗華）

Velocity characteristics of P-wave and S-wave for shale reservoir under tri-axial compression experiments

CHENG Lijun1，2，PAN Linhua1，2，ZHANG Ye1，2，DENG Zhi1，2，LU Zhaohui1，2
（1.Research Center of Chongqing Shale Gas，State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，Chongqing 400042，China；2.Chongqing Engineering Research Center for Shale Gas Resource&Exploration，Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China）

In view of the characteristics of developed bedding and strong anisotropy，a series of ultrasonic velocity experiments were conducted under the tri-axial compression with drilling cores.The variation characteristics of P-wave and S-wave were obtained at different dip angle and axial load.The experimental results show that:when the bedding dip angle increases，the compressive strength and residual strength appear to be U type change tendency with gradually increasing modulus of elasticity while the Poisson′s ratio increases first and then drops；the initial P-wave and S-wave velocities of shale increase with the increase of the bedding dip angle；with the effect of axial load on the internal structure of shale，the velocities of P-wave and S-wave increase first and then decrease；the velocities of P-wave and S-wave increase when the shale hydration occurs；the correlation coefficient of dynamic elastic modulus to static elastic modulus is close to the ratio of dynamic Poisson′s ratio to static Poisson′s ratio，the correlation coefficient are well related；under confining pressure，there are less differences within the anisotropy coefficients of elastic modulus and the Poisson′s ratio of the shale.The experimental results in the article have guiding significance to the understanding and interpretation of mechanical properties，ultrasonic characteristics and acoustic logging.

shale；horizontal bedding；rock mechanics；tri-axial compression experiment；axial load；P-wave and S-wave velocities

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低頻脈沖水力壓裂增滲機(jī)理研究”（51304258）；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)研究”（cstc2013jjB90005）

TE132.2

A

10.6056/dkyqt201604013

2015-10-23；改回日期：2016-05-12。

程禮軍，男，1978年生，高級(jí)工程師，碩士，2002年畢業(yè)于成都理工大學(xué)礦產(chǎn)勘查專業(yè)，主要從事頁(yè)巖氣地質(zhì)和工程一體化方面的研究工作。E-mail：clj316_78@163.com。

引用格式：程禮軍，潘林華，張燁，等.頁(yè)巖三軸壓縮條件下的縱橫波速特征［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：465-469.

CHENG Lijun，PAN Linhua，ZHANG Ye，et al.Velocity characteristic of P-wave and S-wave for shale reservoir under tri-axial compression experiments［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：465-469.