涪陵地區(qū)井下頁巖巖芯裂縫體密度與聲學(xué)性質(zhì)關(guān)系實驗研究

伍宇明， 蘭恒星， 高星， 王偉*， 陳俊輝,3， 郝召兵

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京　100101 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京　100029 3 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049

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涪陵地區(qū)井下頁巖巖芯裂縫體密度與聲學(xué)性質(zhì)關(guān)系實驗研究

伍宇明1, 3， 蘭恒星1， 高星1， 王偉1*， 陳俊輝1,3， 郝召兵2

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京100101 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京100029 3 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100049

本研究對涪陵地區(qū)井下產(chǎn)氣的龍馬溪組頁巖巖芯，采用三軸壓機壓裂制造裂縫，用工業(yè)CT掃描壓裂前后巖芯，應(yīng)用圖像識別技術(shù)統(tǒng)計出裂縫體密度，又用超聲脈沖透射法測定樣品破裂前后裂縫方向上的縱波、單偏振方向與裂縫不同夾角的橫波，來研究裂縫對頁巖巖芯聲學(xué)性質(zhì)的影響.實驗結(jié)果表明：壓裂后樣品的縱波速度略微降低，只有含較多內(nèi)部裂隙的150#樣品縱波速度減小幅度明顯.壓裂前后樣品的縱波波形差別不大，縱波主頻隨裂縫體密度呈下降趨勢，即壓裂后縱波頻譜主頻向低頻端移動.壓裂前橫波速度隨自身與裂隙方位角變化而變化，與0°和180°相比，在45°和135°時略微減小，在90°時速度降低幅度最為明顯并且發(fā)生相位反轉(zhuǎn).典型樣品的橫波主頻隨偏振方向與裂縫夾角的增大而逐漸向低頻移動；壓裂后，橫波頻譜雜亂，出現(xiàn)多處局部峰值，速度和主頻較壓裂前更低，平均橫波波速隨裂縫體密度呈明顯減小趨勢.平均縱橫波速比隨裂縫密度呈近線性增加，表明其與裂縫體密度有較強相關(guān)性.

頁巖； 聲波； 裂縫體密度； CT掃描

1　引言

中國頁巖氣豐富，資源總量約為(30-166)×1012m3，可采資源量約為(7-45)×1012m3(董大忠等, 2012).四川省涪陵地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)-下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)為我國開發(fā)的重點區(qū)域(鄒才能等, 2015)，也是我國頁巖氣的高產(chǎn)區(qū)域之一(郭彤樓和張漢榮, 2014).在頁巖氣的勘探開發(fā)中，天然裂縫的發(fā)育程度決定著頁巖氣的開采效益、品質(zhì)和產(chǎn)量，頁巖裂縫越發(fā)育，總含氣量和游離氣量的含量就越高(丁文龍等, 2012).換句話說，因為裂縫是油氣藏中重要的滲流通道(周新桂等, 2003)，所以天然裂縫發(fā)育程度影響著頁巖氣的開采效益(李新景等, 2007).對于頁巖氣的開采而言，微裂縫在某種程度上提高了水力壓裂的效果(龍鵬宇等, 2011).因此，在勘探過程中，深入研究頁巖裂縫發(fā)育程度是十分重要的.由于裂隙在頁巖氣開發(fā)中的重要性，導(dǎo)致人們對頁巖中的裂隙問題產(chǎn)生濃厚的興趣.從頁巖氣勘探和開發(fā)角度看，研究裂隙對頁巖的力學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)的影響具有重要意義.頁巖是一種具有薄層頁理的巖石，它表現(xiàn)出顯著的層狀各向異性性質(zhì)，并可影響壓裂過程中裂縫的開裂方向及破壞形態(tài)(姚光華等，2015).

頁巖中的裂縫和頁理的各向異性特性必然對頁巖巖石力學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)有重要的影響(陳喬等, 2014; 楊建等, 2012)，但迄今為止，公開發(fā)表的有關(guān)裂隙對頁巖的力學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)影響的實驗數(shù)據(jù)并不是太多(李慶輝等,2012; 刁海燕. 2013)，除了少量的真實巖芯測試數(shù)據(jù)外，也有一些人造樣品測試結(jié)果，如利用環(huán)氧樹脂制作出具有不同密度的裂縫模型，研究裂縫的各向異性參數(shù)(魏建新, 2002)和研究裂隙數(shù)量、張開度和分布對聲波影響(魏建新和狄?guī)妥? 2008)；利用人造砂巖研究裂縫對縱橫波的影響(丁拼搏等, 2015)等.為了更好滿足頁巖氣勘探開發(fā)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求，本研究在實驗室環(huán)境下以頁巖氣產(chǎn)區(qū)井下巖芯為研究對象，通過觀察樣品壓裂前后聲波的變化特征和規(guī)律，研究聲波與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系.

2　實驗樣品

4個樣品來自于涪陵地區(qū)志留系海相頁巖氣田深層儲氣區(qū)巖樣，采樣深度范圍為2237～2393 m，處于龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段.該巖層的脆性礦物多為石英，次為長石，且該層含有大量的硅化筆石、放射蟲生物化石(郭彤樓和張漢榮, 2014).從樣品表面上看，顏色為黑色，具有頁理發(fā)育，致密，性脆的特征.巖芯294#表面可見有明顯通裂，其他巖芯表面均無明顯裂縫(圖1).從外表觀察上看，頁巖的層理大致平行于主軸，與0°角是平行的.

表1　巖芯的基本信息Table 1　The basic information of the samples

圖1　實驗樣品特征Fig.1　Characteristic of experimental samples

3　實驗測試

為了探索裂縫與縱橫波之間的關(guān)系，本研究在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地質(zhì)工程實驗室的TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機對樣品進(jìn)行壓裂.樣品在5～25 MPa的圍壓下，采用2×10-4s-1恒定應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形，樣品的強度范圍在91～150 MPa，通過這種方式制備含裂縫的樣品.

3.1CT掃描結(jié)果

CT探測對于巖石內(nèi)部裂縫的發(fā)育探索是一種很好的手段.CT中每個像元形成一一對應(yīng)的關(guān)系.密度越大，CT數(shù)越高；密度越低，CT數(shù)越低.由于裂縫存在處的CT數(shù)較低，頁巖內(nèi)部裂隙情況可以利用CT掃描獲取(李磊, 2014).此外，CT可以不破壞巖石就觀察巖石內(nèi)部的構(gòu)造，使用CT技術(shù)來探索巖石內(nèi)部狀態(tài)的研究越來越多(賈利春等, 2013; 劉學(xué)鋒, 2010; 石秉忠等, 2012).本研究的樣品CT掃描是在中國科學(xué)院高能物理研究所450KV通用型CT上進(jìn)行的.該設(shè)備主要功能有斷層掃描、DR透視、局部掃描成像和裂紋檢測.壓裂前后的巖樣CT掃描結(jié)果見圖2和圖3.

從圖2和圖3的CT掃描看出：壓裂前，4個巖芯內(nèi)部均有不同程度裂縫存在，裂縫走向與圓柱巖芯軸向大體一致.294#巖芯中間有一條明顯的貫穿樣品的通裂；139#巖芯內(nèi)部有4條細(xì)小裂縫、大致均勻分布；150#巖芯在邊部有1處裂縫，且中部略微存在較短的裂縫；245#巖芯有2處非通裂，大致位于中部，壓裂前的巖樣大致順著層理方向出現(xiàn).從密度上看，294#巖芯的密度較低，為2.44 g·cm-3，而其他巖芯的密度在2.65 g·cm-3左右(表1).根據(jù)圖像測量，壓裂前裂縫寬度均在0.2 mm以內(nèi).壓裂后，所有巖樣中裂縫明顯增多，裂縫在巖石中部較為密集，大部分裂縫為豎直的裂縫，還有一些裂縫為剪切裂縫.裂縫寬度大都在0.5 mm左右，裂縫發(fā)育較壓裂前明顯，裂縫的張合度也呈現(xiàn)出變大的趨勢.

為了量化描述裂縫特征，本研究引入裂縫體密度概念.裂縫體密度(ρ)定義為單位體積內(nèi)含有的裂縫表面積總和.即：

(1)

其中，S為裂縫表面積總和，V為圓柱體積.實際操作中，對每個樣品按間隔0.16 mm形成系列CT層切片，應(yīng)用圖像處理技術(shù)中canny算子提取每一層切片的裂縫長度(圖4)，從而確定層切片裂縫體密度，最后把所有層切片裂隙體密度加權(quán)求和，即得到樣品的裂隙體密度.裂隙體密度統(tǒng)計公式為

(2)

式中，Li為第i個截面內(nèi)裂縫的長度，d為圓盤直徑，n為截面總數(shù)，h為圓柱高度.

表2為壓裂前后裂縫體密度變化表.壓裂前樣品的裂縫體密度在0.03～0.09 mm2·mm-3之間，壓裂后在0.14～0.3 mm2·mm-3之間，壓裂后樣品的裂縫體密度比壓裂前高一個數(shù)量級.

3.2聲學(xué)測試

巖石聲學(xué)測試是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石物性實驗室?guī)r石彈性參數(shù)測試儀上完成.聲學(xué)測量系統(tǒng)包括縱、橫波超聲換能器、脈沖發(fā)生接收器、數(shù)字儲存示波器和計算機.脈沖發(fā)生接收器為泛美公司型號5077PR產(chǎn)品，用于產(chǎn)生電脈沖，激發(fā)一個超聲換能器產(chǎn)生超聲波，同時接收另一個超聲換能器傳來的接收信號，并把它放大，最后送給數(shù)值儲存示波器顯示和儲存.數(shù)值存儲示波器為Tektronix 公司產(chǎn)品，型號為TDS210，其最快的采集率為1 G·s-1，AD為8bit，實際采用的數(shù)據(jù)采集速率為50 M·s-1，采集數(shù)據(jù)的時間分辨率為0.02 μs.

圖2　頁巖樣品CT掃描縱切面((a)為壓裂前的樣品，(b)為壓裂后的樣品)Fig.2　Result of CT scan (fig a are the core samples before fracturing and fig b are fractured core samples)

圖3　頁巖樣品CT掃描橫切面((a)為壓裂前的樣品，(b)為壓裂后的樣品)Fig.3　Result of CT scan of cross section (Fig a are the core samples before fracturing and Fig b are fractured core samples)

圖4　計算機識別CT中的裂縫Fig.4　Process of crack identification in X-CT

樣品編號壓裂前裂縫體密度/(mm2·mm-3)壓裂后裂縫體密度/(mm2·mm-3)1390.090.241500.030.302450.040.252940.070.14

在常溫常壓下完成4塊巖樣的聲學(xué)測試.超聲換能器分別置于圓柱樣品的兩個端面，且縱波測量使用一對縱波換能器，橫波測量使用一對剪切橫波換能器.針對剪切橫波測量，把一個巖塊按徑向角度劃分為0°、45°、90°、135°和180°，0°代表該震源的橫波震動方向與CT掃描圖像中主要裂縫面平行.實驗開始前，先用游標(biāo)卡尺測量巖石長度，再將換能器直接對接，確定系統(tǒng)基時，然后再對樣品進(jìn)行聲學(xué)測量.計算波速的公式為

(3)

4　樣品壓裂前后巖石聲學(xué)特征

4.1樣品縱波波速和頻譜的變化

壓裂前后縱波速度和主頻的變化列于表3.壓裂前，樣品的縱波速度大致在5000～5400 m·s-1，壓裂后，除150#樣品有明顯變化外，其他樣品的縱波速度僅略微降低.總體來說，裂縫的增加對縱波速度影響不大.說明當(dāng)縱波傳播方向和裂縫方向大致相同時，有限的裂縫對波速的影響不是很大.150#樣品速度降低較多的原因可能與裂縫增加較多致使巖樣內(nèi)部較破碎有關(guān)(表3).

從波形上看(圖5)，樣品壓裂前后巖石縱波波形差別不是很大，只有樣品150#的波形明顯變寬.取縱波1.5周期的波形進(jìn)行頻譜分析(圖5)，可見樣品的縱波頻譜曲線為單峰結(jié)構(gòu)；壓裂前樣品主頻在562～732 kHz范圍，壓裂后主頻位置在244～610 kHz，即壓裂后主頻向低頻移動.這種現(xiàn)象可以理解為裂縫濾掉了部分高頻成分，且150#樣品的頻率最低是由于巖樣破碎程度較為嚴(yán)重所致.

表3　縱波速度和主頻變化Table 3　The change of compression waves and dominant frequency

顯然，裂縫對縱波的主頻影響明顯，縱波的主頻與裂縫體密度交會分析結(jié)果見圖6.圖中可見隨著裂縫體密度的增加，主頻呈下降的趨勢，當(dāng)裂縫體密度達(dá)到0.30時，其主頻降到最低為244 kHz.這說明當(dāng)縱波經(jīng)過裂縫時，對高頻分量的衰減較為嚴(yán)重，因此表現(xiàn)為向低頻移動.

4.2樣品橫波波速和頻譜的變化

樣品壓裂前后不同偏振方向的橫波波形存在明顯的變化(圖7、圖8).壓裂前橫波波形比較光滑，速度除垂直于裂縫方向外，幾乎沒有太大變化.從不同偏振方向橫波速度變化看(圖7)，橫波在偏振方向0°和180°時的波速是差不多的，在偏振方向45°和135°時略微減小，速度最大偏差不到50 m·s-1(<2%)，在偏振方向90°時，前面的橫波受到了嚴(yán)重的壓制，速度最小，并且發(fā)生相位反轉(zhuǎn).這種現(xiàn)象在魏建新模型試驗中也觀察到了.根據(jù)該文的解釋，這可能是與波的衍射現(xiàn)象有關(guān)(魏建新，2002).

壓裂后的橫波波形變得極為復(fù)雜，可能的原因有如下兩種：一是橫波通過裂縫時可能產(chǎn)生反射橫波、反射縱波、透射橫波和透射縱波等衍射，比較壓裂前后波形，當(dāng)橫波來臨之前，觀察到有部分信息早于壓裂前橫波，但振幅較小，這些波可能由于縱橫波不停轉(zhuǎn)換造成的.除此之外，波通過裂縫可能發(fā)生了分裂，這也可以造成橫波的混亂.二是橫波通過裂縫時能量衰減比較嚴(yán)重，降低了信噪比，因此當(dāng)縫網(wǎng)密度較多時，波的衰減較為嚴(yán)重，起跳位置也變得較難確定.從波速上看，橫波速度隨角度變化的規(guī)律顯得雜亂，這可能是由于縫網(wǎng)分布不均造成的.在讀取壓裂后橫波波速時，采用正向起跳位置作為讀數(shù)點.比較壓裂前后樣品橫波速度，壓裂后的橫波速度總體上要慢于壓裂前的橫波速度(圖9).但294#樣品的橫波波速較壓裂前快，這可能由于波形復(fù)雜，導(dǎo)致起跳位置被其他的折射波干擾.

圖5　樣品縱波波形和頻譜特征Fig.5　Waveforms and spectrum characteristics of compression waves

圖6　縱波主頻和裂縫體密度關(guān)系Fig.6　Relationship between the main frequency of compressional waves and the volume density of cracks

圖7　橫波壓裂前波形圖Fig.7　Shear waves before fracturing

圖8　橫波壓裂后波形圖Fig.8　Shear waves after fracturing

圖9　壓裂后的橫波波速變化Fig.9　Velocities of shear waves before and after fracturing

圖10　橫波波速和裂縫體密度關(guān)系Fig.10　Relationship between the velocity of shear wave and the volume density of cracks

圖10采用平均橫波波速與裂縫體密度進(jìn)行了交會分析，可見隨著裂縫體密度增加，平均橫波波速呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢.這主要是因為橫波通過裂縫會出現(xiàn)一定的降低，且裂縫的走向大致與傳播方向相同，橫波速度比縱波速度降低地更為嚴(yán)重.

橫波的頻譜特征分析采用一段橫波波形(大致3～4周期)進(jìn)行.圖11給出了245#樣品的典型頻譜曲線.當(dāng)橫波偏振方向與裂縫平行時，主頻在928～1025 kHz之間，隨著角度的旋轉(zhuǎn)，主頻漸漸轉(zhuǎn)移至低頻，在橫波偏振方向與裂縫方向垂直時，主頻變到415 kHz.壓裂后的橫波頻譜特征表現(xiàn)為相對雜亂，有多個次級峰的結(jié)構(gòu)；并且不同角度的主頻都出現(xiàn)了不同程度的下降(表4).

在前人的研究中，常采用縱橫波波速比來指示裂縫的存在(尹帥，2015).筆者采用平均的波速比與裂縫體密度進(jìn)行交會(圖12)，可見當(dāng)裂縫體密度增波速比和裂縫體密度關(guān)系表明裂縫的發(fā)育對橫波的影響明顯大于對縱波的影響.綜上所述，當(dāng)傳播方向與裂縫走向大致平行時，橫波可能比縱波的影響效果要大.從這個角度說，橫波勘探對于裂縫型對象(如頁巖，碳酸巖)可能更有意義.

表4　壓裂前后245#試樣的橫波主頻變化Table 4　The dominant frequency shear wave of 245 rock sample before and after fracturing

加時，波速比隨之近線性增加，表明波速比與裂縫體密度有較強相關(guān)性，統(tǒng)計關(guān)系式為：

vP/vS=1.04ρ+1.634,

(4)

圖11　245#樣品橫波波頻譜Fig.11　Spectrum of sample 245# shear wave

圖12　波速比和裂縫體密度關(guān)系圖Fig.12　Relationship between vP/vSand volume density of cracks

5　結(jié)論

頁巖層探測中，裂縫的形態(tài)和數(shù)量很難確定.本項實驗研究引入了裂縫體密度概念，分析了裂縫體密度對縱橫波的聲學(xué)特征影響.主要認(rèn)識和結(jié)論有：

(1) 在裂縫方向上的縱波測量結(jié)果顯示，壓裂前后樣品的縱波速度多略微降低，只有含較多內(nèi)部裂隙的150#樣品縱波速度明顯減小.破裂前后樣品的縱波波形差別不是很大，頻譜曲線為單峰結(jié)構(gòu)；壓裂前樣品主頻在562～732 kHz范圍，壓裂后主頻在244～610 kHz范圍，即壓裂后主頻向低頻移動；縱波主頻隨裂縫體密度呈下降趨勢.

(2) 橫波速度隨裂隙偏振方向而變化，在偏振方向0°和180°時的波速是基本相當(dāng)?shù)?，?5°和135°略微減小，在90°時橫波速度變得最小.在90°時接收到的橫波發(fā)生相位反轉(zhuǎn).壓裂后的橫波速度要慢于壓裂前的橫波速度，平均橫波波速隨裂縫體密度增加呈明顯的減小趨勢.

(3) 橫波波形壓裂前比較光滑，壓裂后略顯雜亂.典型樣品的壓裂前橫波頻譜曲線顯示，當(dāng)橫波偏振方向與裂縫不垂直時，245#樣品的主頻在928～1025 kHz之間，與裂縫方向垂直時為415 kHz.壓裂后的橫波頻譜特征略顯雜亂，主頻均在500 kHz以下，有多個次級峰的結(jié)構(gòu)，但主頻小于壓裂前的主頻.

(4) 波速比與裂縫體密度有較強相關(guān)性，當(dāng)裂縫體密度增加時，波速比隨之增加.橫波相對于縱波來說，對于裂縫的變化更加敏感，橫波勘探對于裂縫型對象可能更有意義.

致謝感謝中國石油天然氣集團(tuán)公司提供相關(guān)的研究樣品，感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和中國科學(xué)院高能物理所提供相關(guān)的實驗設(shè)備，感謝魏建新教授對本文提出了很好的建議和意見.

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(本文編輯汪海英)

The relationship between the volume density of cracks and acoustic properties of the shale core samples from Fulin

WU Yu-Ming1,3, LAN Heng-Xing1, GAO Xing1, WANG Wei1*, CHEN Jun-Hui1,3, HAO Zhao-Bing2

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

This article discusses the elastic wave velocity and frequency spectrum of the Longmaxi Shale from Fulin, Chongqing, China. The TAW-2000 Rock Tri-axial Testing System was applied on the core samples to produce fractures with different distributions. The distributions of fractures before and after the cracking test were obtained by X-CT. The volume density of cracks was obtained by computer pattern recognition. Accordingly, the relationship between the compression wave and the single-polarization shear wave in different angles with the crack and different distributions of cracks was investigated in a lab environment. The experimental results show that, the velocity of compression wave in fractured samples is slightly lower than that of original samples, except for the 150# sample. The waveforms of compression wave before and after the compression are similar, but the dominant frequency of the waveform of compression wave becomes lower after fracturing. The wave velocity of the shear wave varies with the azimuthal angle between the vibration direction and the fracture direction. The velocity reaches the highest and lowest values when the S-wave polarization is parallel and perpendicular to the strike direction of fracture, respectively. The velocity is moderate in diagonal directions. If the vibration direction is perpendicular to the fracture plane, the shear wave is opposite to the original direction. Specifically, before the compression, the dominant frequency of shear wave for typical samples decreases with the azimuthal angle, while after the compression, in contrast, the dominant frequency is crashed and many local peaks arise in the spectrum, especially at lower frequency band. The average velocity of shear wave decreases as the volume of density of cracks increases. In addition, the average wave velocity ratio between shear wave and compressional wave has a strong relationship with the volume density of cracks. Therefore, our experiments show that the shear wave is more sensitive to the fractures compared with the compressional wave, and indicate that shear wave exploration is more effective for detecting targets that have many fractures.

Shales; Ultrasonic wave; Volume density of cracks; CT scan

10.6038/cjg20161032.

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)(XDB10030300)，國家自然科學(xué)基金(41525010、41204096和41374061)資助.

伍宇明，男，1989年生，在讀博士，從事頁巖氣和災(zāi)害方面研究.E-mail:wuym@lreis.ac.cn

王偉，男，1972年生，助理研究員，從事地球物理方面研究.E-mail:wang_wei@lreis.ac.cn

10.6038/cjg20161032

P631

2016-01-04，2016-09-08收修定稿

伍宇明， 蘭恒星， 高星等. 2016. 涪陵地區(qū)井下頁巖巖芯裂縫體密度與聲學(xué)性質(zhì)關(guān)系實驗研究. 地球物理學(xué)報，59(10):3891-3900,

Wu Y M, Lan H X, Gao X, et al. 2016. The relationship between the volume density of cracks and acoustic properties of the shale core samples from Fulin.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3891-3900,doi:10.6038/cjg20161032.