基于超聲測(cè)試的頁巖巖石物理特征分析

馬霄一 李呈呈 白 俊 馬中高

(中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京 211103)

0 引言

大部分沉積巖表現(xiàn)出一定程度的各向異性特征，而具有層狀結(jié)構(gòu)的頁巖各向異性特征更明顯。頁巖的強(qiáng)各向異性特征導(dǎo)致頁巖脆性和有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)精度難以保證。因此，建立有機(jī)質(zhì)含量、脆性等儲(chǔ)層物性參數(shù)與彈性參數(shù)的巖石物理關(guān)系，是應(yīng)用頁巖甜點(diǎn)地震預(yù)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

美國(guó)和加拿大等國(guó)的頁巖氣已進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)階段，有關(guān)頁巖的研究，主要集中在頁巖內(nèi)部成分、應(yīng)力等對(duì)頁巖各向異性的影響。中國(guó)的頁巖氣開發(fā)還處于初級(jí)階段，對(duì)于頁巖各向異性的研究相對(duì)較少。雖然頁巖一般表現(xiàn)為強(qiáng)各向異性，但業(yè)界通常還是采用Thomsen參數(shù)表征頁巖的各向異性特征[1]。相關(guān)研究表明，沉積巖的縱橫波各向異性參數(shù)間存在一定程度的線性相關(guān)性，通過線性回歸得到的ε和γ間的經(jīng)驗(yàn)公式具有實(shí)際意義[1]。總有機(jī)碳含量(TOC)是表征頁巖儲(chǔ)層特征的重要指標(biāo)，它能夠有效地評(píng)價(jià)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度。隨著頁巖TOC的增加，不僅能增大頁巖的儲(chǔ)集空間，而且在一定程度上也有利于頁巖游離氣的吸附。因此，TOC預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

Wang[1]將不同沉積巖(包括頁巖、砂巖和碳酸鹽巖)的縱橫波各向異性參數(shù)ε和γ無差別地交會(huì)于同一坐標(biāo)系下，獲得了最佳擬合曲線表達(dá)式，認(rèn)為沉積巖的縱橫波各向異性參數(shù)可以通過該表達(dá)式相互預(yù)測(cè)，且這種預(yù)測(cè)獨(dú)立于圍壓、孔隙流體以及巖性等因素。Vernik等[2-3]研究頁巖的聲波速度各向異性，分析和探討在干燥、鹽水飽和以及不同圍壓條件下ε和γ間的相關(guān)性；Sierra等[4]通過實(shí)驗(yàn)研究頁巖的彈性波速度各向異性，發(fā)現(xiàn)頁巖定向排列的黏土礦物成分與各向異性具有較好的相關(guān)性；Prasad等[5]認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量減少會(huì)增強(qiáng)頁巖骨架堅(jiān)硬程度；金吉能等[6]、尹俊等[7]利用地震多屬性反演技術(shù)預(yù)測(cè)TOC的平面分布，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合程度較高，但多解性較強(qiáng)。

伍宇明等[8]以龍馬溪頁巖為例，建立了頁巖彈性各向異性參數(shù)與礦物分布之間關(guān)系，通過引入變異系數(shù)描述礦物或孔裂隙在不同方向的差異性，并通過兩個(gè)正交方向的變異系數(shù)建立微觀異質(zhì)性指標(biāo)，用于表征微觀尺度上礦物或孔裂隙在不同方向的差異程度。宏觀波速與礦物的微觀變異系數(shù)明顯相關(guān)，暗示巖石彈性各向異性與礦物分布直接相關(guān)。王鑫朋等[9]研究了川東龍馬溪組頁巖滲透率各向異性和應(yīng)力敏感性，發(fā)現(xiàn)巖心滲透率隨著與層理面夾角增大明顯降低，不同巖樣的滲透率隨著有效應(yīng)力增大呈指數(shù)遞減，平行層理的頁巖滲透率應(yīng)力敏感性相對(duì)更強(qiáng)。袁和義等[10]基于橫觀各向同性介質(zhì)模型，通過測(cè)量巖樣不同方向的縱波波速和快、慢橫波速度，計(jì)算了長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪組巖樣的剛度系數(shù)和彈性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)頁巖的縱波波速和快、慢橫波速度均表現(xiàn)出各向異性，并且隨圍壓升高，波速升高速率變緩。

中國(guó)東北松遼盆地南部嫩江組是重要的烴源巖層系，近年鉆遇嫩江組的探井部分具有較好的油氣顯示。因此，研究該層系的頁巖巖石物理特征，對(duì)認(rèn)識(shí)研究區(qū)頁巖油分布規(guī)律和指導(dǎo)未來頁巖油的勘探和開發(fā)具有重要的意義。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文選取通化盆地幾組嫩江組巖心，測(cè)試不同圍壓條件下的縱、橫波速度，分析ε和γ間的相關(guān)性，探討TOC與頁巖縱橫波速度比的相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)巖樣(圖1)取自中國(guó)東北通化盆地，巖性主要為黑色泥頁巖、灰黑色泥巖。巖心層理發(fā)育，天然裂縫較少，以鉆井誘導(dǎo)裂縫為主。根據(jù)已知資料(表1)，巖樣6/90和8/91有機(jī)碳含量分別為3.18%、3.62%，黏土礦物含量分別為35%、37%，脆性礦物含量均在50%以上，為有利儲(chǔ)層。

為了分析頁巖彈性參數(shù)在不同方向的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)巖樣從兩個(gè)方向鉆取：①垂直于層理方向，層理與軸向應(yīng)力的加載方向呈90°；②平行于層理方向，層理與軸向應(yīng)力的加載方向呈0°。實(shí)驗(yàn)巖樣的直徑為25mm，高度為50mm。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠，分別取得8組、共16塊不同井位的巖心巖樣，每塊巖樣編號(hào)前面數(shù)字表示不同井段，后面的數(shù)字“0”或“90”，表示垂直于層理或平行于層理(圖1a和表1)。

表1 巖樣巖石物理參數(shù)

圖1 巖心樣本(a)及其層理(b)

本文實(shí)驗(yàn)使用美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司生產(chǎn)的MTS-815三軸應(yīng)力測(cè)試儀器，巖樣受力方式如圖2所示。實(shí)驗(yàn)全過程巖樣處于干燥狀態(tài)，軸向應(yīng)力通過位移方式加載，圍壓通過液壓控制方式加載?？v、橫波換能器的頻率為500kHz，發(fā)射和接收探頭與試件直接接觸，采用垂直透射法，測(cè)試精度控制在1%左右。

圖2 實(shí)驗(yàn)加載示意圖

2 頁巖各向異性參數(shù)表征

頁巖是一種強(qiáng)各向異性介質(zhì)，通常可以描述為具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的VTI介質(zhì)[11]。Thomsen[12]給出了表征VTI介質(zhì)的彈性參數(shù)，可以直觀表示巖石縱、橫波各向異性，即

(1)

(2)

式中：vP為縱波速度；vS為橫波速度；0°表示波沿對(duì)稱軸方向傳播，90°表示波垂直于對(duì)稱軸傳播。Thomsen理論雖然是建立在弱各向異性的假設(shè)基礎(chǔ)上，而頁巖通常表現(xiàn)為強(qiáng)各向異性特征，但Thomsen參數(shù)對(duì)頁巖各向異性的表征仍然具有較強(qiáng)的適用性。

3 不同壓力縱橫波速度測(cè)試

在干燥環(huán)境下，分別在0、5、15、25、35、45、55MPa壓力下對(duì)16塊巖樣進(jìn)行超聲縱、橫波速度測(cè)試(測(cè)試過程中保持圍壓與軸壓一致)，結(jié)果分別如圖3和圖4所示。由圖可以看出，縱、橫波速度隨著壓力增加均增大，且在低圍壓下速度增大更為突出；縱、橫波速度在平行于層理方向大于垂直于層理方向。起始?jí)毫?0MPa)條件下，在垂直于層理方向縱波速度為2694.84～4791.95m/s，橫波速度為1750.51～2817.18m/s；在平行于層理方向，縱波速度為4002.59～5486.42m/s，橫波速度為2427.51～2990.74m/s。在其他壓力條件下，速度測(cè)試也有類似結(jié)果。波的傳播速度與傳播方向有直接關(guān)系，垂直于層理時(shí)，遇到的層理面最多，測(cè)試結(jié)果反映所有層理對(duì)傳播的影響，速度較小；平行于層理傳播時(shí)，波傳播只會(huì)從其中某層通過(最快路徑)，速度較大。根據(jù)圖3、圖4的測(cè)試結(jié)果，計(jì)算8組巖樣不同壓力環(huán)境下兩個(gè)方向縱、橫波速度差(圖5)，發(fā)現(xiàn)有利儲(chǔ)層巖樣6/90、8/91的速度差異最大，這為判別有利儲(chǔ)層提供了新的依據(jù)。

圖3 16塊巖樣縱波速度隨壓力的變化曲線

圖4 16塊巖樣橫波速度隨壓力的變化曲線

圖5 8組巖樣不同壓力環(huán)境下兩個(gè)方向縱(a)、橫(b)波速度差統(tǒng)計(jì)直方圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 各向異性參數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖3、圖4的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，應(yīng)用式(1)、式(2)計(jì)算不同壓力環(huán)境下8組巖樣的ε和γ，其交會(huì)分析結(jié)果如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，所有的頁巖巖樣一般ε略大于γ；同一巖樣，隨壓力增大，ε和γ參數(shù)都有減小的趨勢(shì)；有利儲(chǔ)層的ε和γ要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非有利儲(chǔ)層，這是否是該地區(qū)頁巖的必然規(guī)律，還需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)周楓等[13]的研究結(jié)果，頁巖各向異性參數(shù)與黏土礦物含量、有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。本文選取的巖樣中有利儲(chǔ)層具有明顯的高TOC特征，所以可以認(rèn)為TOC是影響巖石各向異性強(qiáng)度的重要因素之一。

圖6 不同壓力環(huán)境下8組頁巖巖樣的ε -γ交會(huì)圖

4.2 壓力對(duì)ε與γ間關(guān)系的影響

Vernik等[3]對(duì)Bazhenov、Bakken、Monterey、Niobrara和North Sea五個(gè)地區(qū)頁巖巖樣建立了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，選取干燥條件下測(cè)試的所有縱、橫波參數(shù)ε與γ進(jìn)行交會(huì)分析。圖7是圍壓為70MPa時(shí)頁巖的ε與γ交會(huì)分析結(jié)果，可見二者存在較好的線性相關(guān)性，且通過線性回歸可以得到該條件下的線性回歸方程。該線性擬合為多地區(qū)擬合，故相關(guān)系數(shù)(R)不高。Johnston等[14]對(duì)Devonian-Mississippian黑色頁巖，測(cè)量了三個(gè)不同圍壓(10、50、100MPa)環(huán)境下的縱、橫波速度，計(jì)算各向異性參數(shù)，其ε與γ交會(huì)分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 五個(gè)地區(qū)頁巖巖樣ε與γ的交會(huì)分析結(jié)果[3]

應(yīng)用本文實(shí)驗(yàn)7個(gè)壓力環(huán)境下得到的全部縱橫波各向異性參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行ε與γ線性回歸分析，結(jié)果如圖9所示。與圖8對(duì)比可知，本文實(shí)驗(yàn)的回歸方程與文獻(xiàn)[14]的結(jié)果較一致。從圖9可以看出，在單個(gè)壓力環(huán)境下，ε和γ在一定程度上具有線性相關(guān)性?？v波各向異性參數(shù)始終大于橫波各向異性參數(shù)，且在壓力較小時(shí)，這一現(xiàn)象更明顯。隨著壓力增大，縱、橫波各向異性參數(shù)間的差異逐漸減小。綜合分析不同壓力下線性回歸表達(dá)式，可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的增大，斜率增大，從零壓力下的0.8638上升到55MPa壓力下的1.135；截距大致相同，約-0.041～-0.022，反映了這些巖樣來自于同一地區(qū)，具有相似的本征特征。隨壓力增大，縱橫波各向異性值均減小，但ε減小的幅度大于γ，這一規(guī)律已被Sondergeld等[15]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析證實(shí)。

圖8 Devonian-Mississippian黑色頁巖不同壓力環(huán)境下的ε與γ交會(huì)分析結(jié)果[14]

圖9 本文頁巖巖樣不同壓力環(huán)境下ε與γ的線性回歸分析

綜上所述，頁巖的ε與γ具有線性相關(guān)性。實(shí)際測(cè)量中，可利用這些關(guān)系式，在已知一個(gè)參量的情況下預(yù)測(cè)另一個(gè)參量，或者為另一個(gè)參量的測(cè)量提供參考。

4.3 壓力對(duì)縱橫波速度比的影響

目前，國(guó)內(nèi)各大油氣田在地震屬性預(yù)測(cè)儲(chǔ)層方面都有較廣泛的應(yīng)用[16-17]。建立縱橫波速度比與非儲(chǔ)層、氣層、水層、氣水同層之間的關(guān)系，采用交會(huì)分析技術(shù)，建立儲(chǔ)層物性與縱橫波速度比的關(guān)系，提取有利儲(chǔ)層的平面分布，刻畫優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的空間展布特征，而縱橫波速度比經(jīng)常作為儲(chǔ)層敏感參數(shù)的重要指示。根據(jù)上述測(cè)試及分析結(jié)果，選取1組有利儲(chǔ)層(6/90)和3組非有利儲(chǔ)層(6/45、5/62、5/68)進(jìn)行不同壓力下的縱橫波速度比分析。

圖10為本文選取的頁巖巖樣在不同壓力環(huán)境下的縱橫波速度比變化，可以看出，所有縱橫波速度比值隨著壓力增加而變大。由圖3和圖4可知，壓力增大，縱、橫波速度均增大，相同條件下，縱波速度的增加幅度明顯大于橫波速度，因此縱橫波速度比隨著壓力增加而增大，范圍為1.50～1.85；平行于層理方向的縱橫波速度比均大于垂直于層理方向，體現(xiàn)了縱橫波速度比也有明顯的各向異性。

圖10 不同壓力環(huán)境下4組頁巖巖樣兩個(gè)方向的縱橫波速度比變化

仔細(xì)觀察圖10可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)紅色標(biāo)記的有利儲(chǔ)層6/90巖樣，縱橫波速度比隨壓力變化最大。其余巖樣壓力變化導(dǎo)致的縱橫波速度比變化基本都在2.7%以下，而6/90巖樣縱橫波速度比變化在平行于層理方向?yàn)?.3%，在垂直于層理方向可達(dá)8.7%，且有利儲(chǔ)層6/90巖樣具有較低的縱橫波速度比。

有利儲(chǔ)層具備較低縱橫波速度比，且對(duì)壓力敏感(隨壓力變化較大)，這可能與其TOC較高有關(guān)?？v橫波速度比表現(xiàn)出的各向異性特征對(duì)判斷TOC高低、確定是否為有利儲(chǔ)層有很大幫助。

4.4 TOC與vP/vS的關(guān)系

Vernik等[11]指出，TOC和密度間存在較好的相關(guān)性。相對(duì)黏土和方解石(密度高達(dá)2.7g/cm3)，有機(jī)質(zhì)具有相對(duì)低的密度。此外，幾乎所有頁巖巖樣孔隙度均在1%～5%范圍內(nèi)，TOC會(huì)在很大程度上影響頁巖的密度。一般來說，密度越小，TOC越高，因此可以尋找一個(gè)動(dòng)態(tài)參量，通過密度建立與頁巖TOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系[18]。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)已經(jīng)證實(shí)可以利用縱橫波速度比區(qū)分并識(shí)別巖性。由本文實(shí)驗(yàn)分析可知，vP/vS對(duì)頁巖TOC具有一定指示作用。

根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)層環(huán)境選擇45MPa作為儲(chǔ)層壓力，將該壓力下實(shí)驗(yàn)獲得的vP/vS數(shù)據(jù)與零壓下的密度做交會(huì)分析，結(jié)果如圖11所示。可見vP/vS隨密度的增大而增大，因此vP/vS與TOC呈負(fù)相關(guān)。有利儲(chǔ)層6/90、8/91巖樣屬高有機(jī)質(zhì)含量頁巖(表1)，其兩個(gè)方向的vP/vS都小于1.7，這與Vernik等[11]和Yan等[19]把vP/vS<1.6作為高TOC指標(biāo)大致相符。

圖11 縱橫波速度比與密度的交會(huì)分析結(jié)果

4.5 彈性模量的影響因素

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的兩個(gè)方向的縱、橫波速度和孔隙度等數(shù)據(jù)，計(jì)算頁巖巖樣的楊氏模量和泊松比，如圖12所示。其中平行于層理方向巖樣位于右上方(高彈性模量)紅色橢圓內(nèi)；垂直于層理方向巖樣位于左下方(低彈性模量)藍(lán)色橢圓內(nèi)。平行于層理方向巖樣孔隙度隨彈性模量(楊氏模量、泊松比)增大而增高(紅色箭頭所示)，垂直于層理方向巖樣孔隙度隨彈性模量(楊氏模量、泊松比)增大而降低(藍(lán)色箭頭所示)。

圖12 不同方向巖樣的彈性模量與孔隙度交會(huì)圖

總的來說，頁巖彈性模量與測(cè)量方向、孔隙度都有關(guān)系，且表現(xiàn)出一定的規(guī)律，可為后續(xù)的頁巖脆性和甜點(diǎn)預(yù)測(cè)提供地震定量解釋依據(jù)[20-21]。

5 結(jié)論

根據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和超聲波測(cè)試，獲得了頁巖巖樣垂直于層理方向和平行于層理方向的縱、橫波速度，分析結(jié)果表明：

(1)有利儲(chǔ)層各向異性參數(shù)值更大，證明了有機(jī)質(zhì)含量顯著影響頁巖的各向異性程度；

(2)應(yīng)用線性回歸方法獲得了ε和γ的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，從而為頁巖縱、橫波各向異性參數(shù)的相互預(yù)測(cè)提供一種簡(jiǎn)捷而實(shí)用的方法；

(3)有機(jī)質(zhì)含量與vP/vS存在負(fù)相關(guān)性，有利儲(chǔ)層vP/vS<1.7，可為有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供依據(jù)；

(4)不同方向的彈性模量隨孔隙度變化呈不同的變化趨勢(shì)，平行于層理方向的彈性模量隨孔隙度增高變大，垂直于層理方向的彈性模量隨孔隙度增高變小，可為儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)和壓裂等提供指導(dǎo)。