黃開樺，熊 健，王萬彬，黃裕萌，王 佳

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500；2.中國(guó)石油新疆油田公司勘探事業(yè)部，新疆克拉瑪依 834000）

伴隨著世界油氣資源需求量的增長(zhǎng)、常規(guī)油氣資源開采量的下降，具有較大儲(chǔ)量、分布廣的非常規(guī)油氣開采獲得了越來越多國(guó)家的關(guān)注。非常規(guī)油氣的開采難度、極低的產(chǎn)能，由于致密砂巖孔隙度極低、滲透率小，其開采難度大。因此致密砂巖的各向異性、聲波特性等方面的研究對(duì)致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種巖樣在不同條件下的彈性各向異性、聲波特性做了較系統(tǒng)的研究。宋連騰等[1]研究了飽和水與干燥條件下，不同圍壓對(duì)致密砂巖彈性各向異性的影響，缺少了控制巖石在不同含水飽和度的情況；趙宇等[2]通過研究煤巖不同吸水率來探討對(duì)巖石聲波速度各向異性的影響；張蕾等[3]利用“Brown-Korringa各向異性流體替換理論”來研究巖石Thomsen 參數(shù)的變化；易定紅等[4]利用頻譜分析原理，對(duì)碳酸鹽巖的聲波波形、傳播速度和主頻率等頻譜特性進(jìn)行了研究，對(duì)比得出巖樣的各向異性變化規(guī)律；周治國(guó)等[5]研究飽和水條件下巖石的聲波傳播規(guī)律，缺少不同飽和水條件、不同圍壓對(duì)巖石聲波特性的影響；Wang 等[6]通過對(duì)巖樣進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)獲得剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析巖石的彈性模量、泊松比、剪切模量來研究巖石的各向異性特征；Yin 等[7]基于地震散射理論，通過巖石介質(zhì)中P 波、S 波阻抗、密度進(jìn)一步研究介質(zhì)的各向異性特征；Domnesteanu 等[8]研究了不同條件下頁巖波速的變化并討論了壓力對(duì)頁巖波速各向異性的影響；Vernik 等[9]研究了頁巖彈性各向異性，并討論了干燥條件下其特點(diǎn)；Johnston 等[10]用X 衍射和掃描電鏡技術(shù)研究了頁巖存在各向異性的原因。以上研究成果在碳酸鹽巖、頁巖、砂巖等巖性巖石在干燥、飽和水條件的各向異性研究取得一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于四川盆地須家河組致密砂巖的各向異性特點(diǎn)還缺少較為系統(tǒng)的研究。

本文以四川盆地須家河組致密砂巖為研究對(duì)象，在干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對(duì)巖樣進(jìn)行聲波測(cè)試，獲取巖樣的聲波參數(shù)，進(jìn)而研究巖樣在不同含水飽和度、不同圍壓條件下，致密砂巖縱橫波波速、彈性各向異性隨圍壓和飽和度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取的巖樣來自四川盆地須家河組致密砂巖，在對(duì)巖樣的處理中，選取邊長(zhǎng)的立方體巖樣上獲得巖心，先在該巖樣上沿相鄰的三個(gè)面測(cè)量巖樣的縱波波速，獲得最大波速和最小波速的角度，以此鉆取兩組巖心（分別記為xx、yy 方向），并在兩個(gè)方向呈45°夾角方向上鉆取第三組巖心，即總共在立方體的3 個(gè)方向（xx、yy、zz 三個(gè)方向）鉆取巖心（見圖1），將兩端打磨拋光、加工成的全直徑圓柱形巖樣（見圖2）。致密砂巖巖樣的基本參數(shù)（見表1）。

圖1 致密砂巖取樣方向、結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 致密砂巖巖心

將鉆取的砂巖樣品置于恒定100 ℃下處理24 h，然后放入干燥皿中冷卻至室溫，利用游標(biāo)卡尺、電子天平等儀器測(cè)量巖石樣品的長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量等基本物理參數(shù)，對(duì)巖樣孔隙率、滲透率進(jìn)行測(cè)量、記錄；利用超聲波透射法處理巖石樣品，測(cè)量巖石的聲波特性，實(shí)驗(yàn)裝置包括：人機(jī)交互Ultra scope 軟件，超聲波激發(fā)、接收裝置，巖心夾持器，個(gè)人計(jì)算機(jī)等（見圖3），依據(jù)所得的聲波波形、巖心長(zhǎng)度L，讀取橫、縱首波到時(shí)ts、tp以及儀器給定的系統(tǒng)延時(shí)t0（聲波透射夾持器所需時(shí)間），計(jì)算縱、橫波波速Vp、Vs的計(jì)算公式分別為：

實(shí)驗(yàn)中，將巖心置于干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對(duì)巖樣進(jìn)行聲波測(cè)試，測(cè)試過程中對(duì)巖心施加從5 MPa 到70 MPa 的圍壓，每隔10 MPa 測(cè)量、記錄一次巖樣的聲波參數(shù)，由于測(cè)量空間密閉性較好，不考慮含水飽和度的變化，依次對(duì)三個(gè)方向的巖心做同樣的實(shí)驗(yàn)處理。

表1 巖樣基本參數(shù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中的致密砂巖滲透率、孔隙度極小，為使巖樣完全飽和所配制的溶液，對(duì)巖樣進(jìn)行24 h 抽真空飽和水處理，并置于原飽和液中12 h，將此時(shí)的巖樣視為100 %飽和水狀態(tài)。在巖樣自然風(fēng)干的過程中，持續(xù)測(cè)量巖樣的聲波速度、實(shí)時(shí)質(zhì)量，最終獲得含水飽和度為80 %、含水飽和度為60 %以及束縛水狀態(tài)下的巖樣，并與干燥巖樣的聲波參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。含水飽和度的計(jì)算公式為：

式中：Sw-含水飽和度；m烘干-巖心烘干后質(zhì)量；m飽和-巖樣在飽和液中靜置12 h 后的質(zhì)量，視為地層水的100 %飽和；m-巖心自然風(fēng)干過程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量。

在各向異性參數(shù)分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提供了許多研究方法。其中，Thomsen[11，12]為便于描述巖石彈性各向異性特征，在弱各向異性介質(zhì)條件下，提出了三個(gè)與彈性常量相關(guān)的物理量δ、γ、ε，并得到了三者與橫向各向同性介質(zhì)彈性系數(shù)間的關(guān)系式，各參數(shù)的計(jì)算式如下：

剛性系數(shù)與巖樣密度、聲波波速間的關(guān)系：

式中：Cij-描述介質(zhì)物理特征的剛性系數(shù)；ρ-巖樣密度；V-聲波速度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 巖樣縱橫波速度隨圍壓的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)測(cè)得在干燥、不同含水飽和度的條件下，施加5 MPa 到70 MPa 的圍壓（5 MPa 為間隔），致密砂巖巖樣縱橫波速度隨圍壓的變化規(guī)律（見圖4）。從圖4 中可以看出，縱橫波速度隨著圍壓的增大而單調(diào)增大，圍壓較小狀態(tài)波速增加較快，相反，當(dāng)圍壓大于40 MPa后，縱橫波波速的增加變緩慢，且致密砂巖的縱波速度隨圍壓增加的變化幅度較大，而橫波波速隨圍壓的總體變化趨勢(shì)顯得平緩。這說明了不同方向的巖樣的縱橫波速度存在差異，說明縱橫波在致密砂巖中傳播存在各向異性特點(diǎn)。

巖樣縱橫波波速隨含水飽和度的變化（見圖5），縱橫波波速隨含水飽和度的增大而增大，當(dāng)含水飽和度較小時(shí)，波速增加較快，當(dāng)含水飽和度大于80 %后，波速增加變緩慢，說明流體的加入改變了巖石的性質(zhì)，進(jìn)而影響了巖樣波速的變化。

圖5 巖樣縱橫波波速隨含水飽和度的變化

巖樣彈性各向異性參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律（見圖6），從圖6 中可看出彈性各向異性值比較小，說明致密砂巖表現(xiàn)為弱各向異性，且彈性各向異性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律不同，其中巖樣縱橫波各向異性參數(shù)（ε、γ）隨圍壓增加而總體上呈下降趨勢(shì)，而縱波變異參數(shù)δ 隨圍壓變化呈波動(dòng)性變化。干燥條件下，巖樣縱橫波各向異性參數(shù)（ε、γ）隨圍壓的增大而減?。伙柡退疇顟B(tài)下，巖樣彈性各向異性參數(shù)變化規(guī)律與巖樣在干燥狀態(tài)時(shí)一致，不過參數(shù)的范圍發(fā)生了變化，表明流體的加入對(duì)巖樣彈性各向異性產(chǎn)生了較大的影響。

圖6 巖樣彈性各向異性參數(shù)隨圍壓的變化

3 結(jié)論

（1）不同方向巖樣的縱橫波速度存在差異，說明了縱橫波波速在巖石中存在各向異性，且?guī)r樣的縱橫波聲波速度隨圍壓的增大而增大。

（2）巖樣的縱橫波速度隨含水飽和度增加而增大，其中含水飽和度較低時(shí)，波速增加較快，而含水飽和度大于80%后波速增加變緩慢。

（3）致密砂巖樣品屬于弱各向異性介質(zhì)，致密砂巖巖樣彈性各向異性參數(shù)（ε、γ）隨圍壓的增大而減小，而縱波變異參數(shù)δ 隨圍壓變化而呈現(xiàn)無規(guī)律性的變化。