周 楓， 劉衛(wèi)華， 奚 相

(中國石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103)

四川盆地龍馬溪組頁巖各向異性影響因素

周 楓， 劉衛(wèi)華， 奚 相

(中國石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103)

四川盆地下志留統(tǒng)的龍馬溪組黑色頁巖是國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的重點區(qū)域，但是有關(guān)龍馬溪頁巖各向異性性質(zhì)的研究還較少。在實驗室開展模擬頁巖儲層壓力條件下的超聲波速度測試，研究龍馬溪組頁巖在不同方向的縱、橫波速度以及各向異性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。用礦物分析、X射線掃描的方法，分析頁巖各向異性的影響因素，指出黏土含量、層理和有機質(zhì)是引起龍馬溪頁巖各向異性的主要原因。

頁巖；速度；各向異性；龍馬溪組；四川盆地

0 引 言

頁巖的微觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，復(fù)雜的礦物組分、有機質(zhì)、黏土顆粒的定向排列以及微裂縫等對頁巖彈性性質(zhì)都會產(chǎn)生影響。一般將頁巖看作是層狀的線性彈性介質(zhì)、線性的孔隙彈性介質(zhì)或者是VTI介質(zhì)進(jìn)行研究。

大量的研究表明，頁巖的各向異性可達(dá)70%(Johnston et al., 1995)，因而在頁巖儲層的地震資料處理以及振幅隨偏移距變化(Amplitude Variation with Offset, AVO)技術(shù)、三維地震成像技術(shù)中必須要考慮到頁巖各向異性所造成的影響。

國內(nèi)外一些學(xué)者在不同條件下對頁巖彈性性質(zhì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實驗研究。Jakobsen等(2012)提出利用等效介質(zhì)理論來模擬黏土-流體頁巖模型的彈性響應(yīng)特征,影響頁巖彈性各向異性的主要因素是礦物顆粒的形狀以及排列方式；Sayers(2005)對頁巖的彈性各向異性進(jìn)行了理論模擬，也假設(shè)礦物顆粒的形狀和排列方式是引起彈性各向異性的主要原因；Johnston等(1995)研究了Willison 盆地白堊系頁巖在不排水條件下超聲波速度各向異性問題；Vernik等(1992,1996)測試了干燥的Bakken頁巖的彈性各向異性；Jones等(1981)測定了白堊系頁巖在飽水狀態(tài)下的超聲波速度各向異性；Zhu等(2011)指出有機質(zhì)豐度會影響頁巖的各向異性強弱，可能是由于有機質(zhì)定向排列的原因；鄧?yán)^新等(2004)分別測定了干燥和油飽和的非儲層頁巖在實驗室超聲波頻段的速度和衰減。

對于微裂縫引起的頁巖彈性各向異性特征，前人進(jìn)行了大量的研究(龍鵬宇等,2011；劉樹根等,2011；周德華等,2012；鄧?yán)^新等,2015；Hornby,1998；Vernik et al.,2011)。以上測試都得到一個共同的結(jié)論：由于黏土定向和有機質(zhì)的存在，頁巖存在著明顯的地震各向異性。

由于實驗中制樣的困難, 國內(nèi)對通常作為油氣儲集層蓋層的泥、頁巖地震速度和各向異性的巖石物理數(shù)據(jù)研究仍不充足，而頁巖的彈性性質(zhì)對于頁巖氣地震勘探、聲波測井和微地震監(jiān)測來說又有著顯著的影響。

選擇四川盆地東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組作為研究對象，通過巖石物理實驗、測試，開展頁巖彈性性質(zhì)的研究，采用X射線橫斷掃描分析頁巖層理特征，從而對龍馬溪組頁巖的各向異性特征進(jìn)行分析研究，指出黏土含量、層理和有機質(zhì)是影響龍馬溪組頁巖各向異性特征的主要因素。

1 樣品采集與處理

使用重慶涪陵地區(qū)龍馬溪組黑色頁巖樣品，通過X射線衍射全分析獲得樣品的礦物組分信息，對不同頁巖進(jìn)行研究，繪制礦物組分三元圖(圖1)。樣品主要屬于富“砂”型頁巖氣儲層，樣品中的黏土礦物主要為伊利石，非黏土礦物有石英、黃鐵礦、白云石和方解石，有機質(zhì)在所有樣品中都有分布。

圖1 頁巖樣品三元礦物分布圖Fig.1 Ternary mineral distribution of shale samples

所有樣品都按照平行層理方向、垂直于層理方向、與對稱軸呈45°的3個不同方向進(jìn)行取芯，所取巖芯為φ50 mm的圓柱體，樣品兩端進(jìn)行打磨處理，保證端面平整度為±0.05 mm。

根據(jù)振動方向、傳播方向和層理的關(guān)系可以得到9個速度(圖2):平行對稱軸(垂直于層理)方向傳播的vpv(振動方向平行于對稱軸)、vsv1(振動方向在層理面內(nèi)且垂直于對稱軸)、vsv2(振動方向在層理面內(nèi)，并與vsv1振動方向垂直)；平行層理(垂直對稱軸)方向傳播的vph(振動方向垂直于對稱軸)、vsv(振動方向垂直于層理)、vsh(振動方向在層面內(nèi)且垂直于傳播方向)；與對稱軸成一定角度傳播的vqpθ(振動方向與傳播方向一致)、vsvθ(振動方向水平)、vshθ(振動方向同時垂直于vqpθ與vsvθ)。

圖2 樣品彈性波速度測量示意圖(圖中箭頭代表彈性波傳播方向，白線為層理方向)(a) 垂直層理取芯樣品；(b) 平行層理取芯樣品；(c) 與層理呈一定角度取芯樣品Fig.2 Sketch showing measurement of elastic wave velocity(The arrows represent the propagation direction of elastic wave, and white lines are bedding′s direction)(a) core samples vertical to bedding; (b) core samples parallel with bedding; (c) core samples with a certain angle with the bedding

2 實驗方法

頁巖超聲波速度的測量在MTS815型巖石力學(xué)參數(shù)測試儀上完成。按照研究區(qū)頁巖儲層的測井壓力數(shù)據(jù)，確定測試最大圍壓為60 MPa。用超聲波脈沖穿透法測定樣品速度, 配套縱波PZT 換能器的主頻為500 kHz, 橫波主頻為250 kHz。 實驗中, 壓力從5 MPa 開始加至60 MPa, 每5 MPa 測量1次。

X射線掃描被用于定量分析頁巖中的層理與微裂縫。采用的設(shè)備為Phoenix V tomex型3D計算機斷層掃描儀(美國通用公司)，其最高采樣分辨率可達(dá)到1 μm。樣品為φ5 cm的圓柱體頁巖巖芯，實際掃描分辨率為50 μm。每塊樣品可獲得1 060張980×1 005像素的二維CT切片圖。

通過VGStudio軟件將這些二維圖像進(jìn)行處理和疊加組合得到樣品的三維圖像，并對樣品的層理特征進(jìn)行分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 各向異性與壓力的關(guān)系

圖3 頁巖樣品縱波速度變化曲線Fig.3 Variation curves of P-wave velocity of shale samples

圖3給出了龍馬溪組頁巖垂直層理取芯樣品的加壓實驗結(jié)果，樣品的橫波和縱波都與壓力呈正相關(guān)關(guān)系，速度-壓力曲線在低壓時有一段類指數(shù)增長，而在高壓時為線性增長。

對于此現(xiàn)象的一個簡單解釋為：低壓時的指數(shù)增長與微裂隙和粒間孔隙的閉合有關(guān)，而高壓時的線性增長則與硬孔隙在壓力下的反應(yīng)即“晶格壓縮”有關(guān)，這說明樣品內(nèi)部有著縱橫比較小的微裂隙存在。

圖4為干燥條件下樣品各向異性參數(shù)ε、γ隨壓力的變化圖，參數(shù)ε和γ分別反映縱波速度和橫波速度的各向異性。當(dāng)樣品密度取每組樣品的平均密度時，這2個參數(shù)可以用以下公式計算得到。

(1)

式(1)中的c11,c33,c44,c66和c13都是表征橫向各項同性介質(zhì)彈性性質(zhì)的彈性參數(shù)。

隨著圍限壓力的增加,頁巖各方向的縱、橫波速度均增大, 但各向異性參數(shù)ε和γ卻隨壓力的增加而減小, 說明頁巖的縱、橫波各向異性隨著壓力而減弱，這是由于微裂隙大部分平行于層理且在黏土礦物粒間發(fā)育，圍壓的增大導(dǎo)致微裂隙的逐漸閉合，繼而導(dǎo)致各向異性的減小。

圖4 頁巖樣品各向異性參數(shù)隨壓力變化曲線Fig.4 Variation curves of anisotropy parameters with pressure of shale samples

3.2 黏土對各向異性的影響

實驗結(jié)果圖5顯示，黏土含量對頁巖的縱、橫波速度值有很大影響：黏土含量較低的樣品縱、橫波速度分別達(dá)到4 500、2 600 m/s以上；隨著黏土含量的增加，樣品的縱、橫波速度出現(xiàn)較大下降；黏土含量較高的2塊樣品縱、橫波速度分別在3 500、2 000 m/s以下。

圖5 各向異性與黏土含量變化規(guī)律Fig.5 Variations of anisotropy with clay content

頁巖中的黏土礦物具有成層性、一定的定向分布性，黏土含量被認(rèn)為是影響頁巖各向異性的重要因素。圖5給出了50 MPa壓力下實驗樣品的黏土含量與各向異性參數(shù)的變化關(guān)系。各向異性參數(shù)ε、γ與黏土含量都呈線性正相關(guān)，其擬合關(guān)系式分別為：

ε=0.007 1vclay-0.059 9 (R2=0.89)

γ=0.008 6vclay-0.083 (R2=0.86)

(2)

3.3 層理對各向異性的影響

頁巖具有強烈的各向異性，普遍認(rèn)為引起各向異性的原因大致有礦物組分的多樣性、黏土礦物顆粒的定向排列、微裂縫等原因。

在龍馬溪組頁巖中，發(fā)現(xiàn)頁巖儲層中存在大量的層理，可能是由于頁巖的沉積環(huán)境變化以及成巖作用過程中不同礦物的相互膠結(jié)，形成了很多在礦物成分上有明顯差異的“薄互層”。選擇礦物組分近似的3組龍馬溪組頁巖樣品進(jìn)行對比分析。圖6是3組樣品平行層理方向頁巖樣品的實物照片，可以看到3組樣品中層理的發(fā)育程度存在比較明顯的差異。

圖6 不同頁巖樣品中的層理特征Fig.6 Bedding features of different shale samples

圖7 頁巖樣品X射線CT分析結(jié)果Fig.7 X-ray CT analysis results of shale samples

為了對樣品的層理特征進(jìn)行進(jìn)一步分析，在X射線CT上對3組樣品進(jìn)行三維掃描，然后將得到的圖像進(jìn)行重構(gòu)，獲得樣品的三維灰度圖像。采用VGStudio軟件對樣品三維圖形進(jìn)行分析(圖7)，能夠清晰地看到3組樣品的層理特征有比較明顯的差別。S1樣品中的層理較不明顯，灰度值顯示沒有高密度的礦物分布；S2樣品中可以發(fā)現(xiàn)若干層理面，在垂直于層理方向的樣品中發(fā)現(xiàn)多個高密度礦物充填的層理面，在與層理呈45°的樣品中，發(fā)現(xiàn)1個明顯的高密度礦物充填層理面；S3樣品中的層理十分明顯，能夠分辨的層理面多達(dá)數(shù)十個，并且發(fā)現(xiàn)高密度礦物存在于多個層理面中。

以層理最為明顯的S3樣品為例，在垂直于層和平行于層的方向上分別截取1個切面，采用霍夫變換算法在2幅圖像上對層理面進(jìn)行識別(圖8)。圖中可辨識的層理面數(shù)量為51個，在層理面之間還夾雜了大量的高密度礦物。

圖9給出3組樣品的各向異性參數(shù)隨壓力的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，層理不明顯的2組樣品(S1和S2)，各向異性參數(shù)均在0.1以下；而層理非常明顯的1組樣品(S3)各向異性達(dá)到20%以上，由此可以說明層理是影響頁巖各向異性的重要因素之一。

圖8 頁巖層理分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of shale bedding

3.4 有機質(zhì)對各向異性的影響

有機質(zhì)含量是影響頁巖各向異性的另一個因素，實驗數(shù)據(jù)表明，樣品中TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.2%～5.4%之間，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%以上的樣品有2塊，3.5%以下的樣品有6塊。各向異性參數(shù)ε、γ與TOC的關(guān)系顯示，有機質(zhì)含量高的樣品，其各向異性參數(shù)明顯高于有機質(zhì)含量低的樣品，有機質(zhì)的含量對各向異性有比較明顯的影響(圖10)。

圖9 各向異性參數(shù)隨壓力變化曲線Fig.9 Variation curves of anisotropy parameters with pressure

圖10 頁巖樣品各向異性隨TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律Fig.10 Variation of anisotropy with TOC content of shale samples

4 結(jié) 論

(1) 龍馬溪組頁巖表現(xiàn)出強烈的各向異性,隨著壓力的增高, 各個方向的速度均增加, 但表征樣品縱、橫波各向異性的參數(shù)ε、γ呈減小趨勢。

(2) 實驗樣品中的黏土含量變化較大，對頁巖各向異性的影響也最大。

(3) 層理在頁巖樣品中普遍存在，不同層理發(fā)育程度的樣品呈現(xiàn)的各向異性特征相差較大。

(4) 樣品中的有機質(zhì)含量較低，但是不同有機質(zhì)含量的樣品也呈現(xiàn)出明顯的各向異性差異。

實驗結(jié)果表明，黏土含量、層理和有機質(zhì)含量是影響龍馬溪組頁巖各向異性特征的主要因素。

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Controlling factors on anisotropy of the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin

ZHOU Feng, LIU Weihua, XI Xiang

(Sinopec Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, Jiangsu, China)

The Lower Silurian Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin is an important shale gas reservoir for shale gas exploration in China, but the anisotropy of the Longmaxi Formation shale has been little studied. This study examined the velocity under the reservoir pressure conditions by ultrasonic testing method, and studied the velocity variation patterns of P-wave and S-wave in different directions and those of anisotropy with pressure. Mineral analysis and X-Ray scanning techniques were applied to reveal the controlling factors on the anisotropy. It is inferred that clay content, micro-bedding and organic matter are responsible for the anisotropy.

shale; velocity; anisotropy; Longmaxi Formation; Sichuan Basin

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.583

2015-10-26；

2015-11-18；編輯：陸李萍

國家重大專項(2016ZX05036005-001)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”項目計劃)項目(2014CB239201)

周楓(1981— ),男，高級工程師，博士，主要從事非常規(guī)油氣儲層巖石物理研究，E-mail: zhoufeng.swty@sinopec.com

P618.12

A

1674-3636(2016)04-0583-06