川東南地區龍馬溪組頁巖聲波特性研究

吳　濤，劉向君，袁　雯，冉　偉

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

川東南地區龍馬溪組頁巖聲波特性研究

吳濤*，劉向君，袁雯，冉偉

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

為了探究龍馬溪組頁巖聲波傳播特性的規律，選取川東南地區下志留統龍馬溪組頁巖野外露頭巖塊，采取沿平行層理和垂直層理方向鉆取巖芯，采用多頻率超聲波透射法系統地分析了龍馬溪組頁巖不同層理方向的巖石縱橫波速度和密度的關系。研究結果表明，川東南地區龍馬溪組頁巖的縱橫波速度呈顯著的線性正相關，且其相關性不受層理方向影響；沿平行層理方向的縱橫波速度明顯大于垂直層理方向的縱橫波速度；頁巖縱、橫波速度均與巖芯密度具有明顯線性正相關；沿平行層理方向頁巖縱、橫波速度與層理密度呈線性正相關，而沿垂直層理方向頁巖縱、橫波速度與層理密度呈線性負相關。

頁巖；聲波；層理；密度；龍馬溪組

1　概述

隨著非常規頁巖油氣在美國的大規模商業開發，頁巖油氣已成為全球非常規能源勘探開發的熱點，多國加入到頁巖油氣勘探開發熱潮中。據多方發布的頁巖氣資源量數據來看，中國頁巖氣資源儲量巨大，具有非常好的勘探開發前景。在頁巖的相關研究中，巖石物理特性是國內外研究學者的研究熱點，研究工作主要圍繞頁巖地球化學特征、理化性能及力學性質、礦物學特征、孔隙微觀特征、含氣性等方面開展［1-4］，而關于頁巖地層的聲波特性的研究報道較少［5］，特別是研究巖石的聲波特性對于利用測井資料進行儲層識別、評價及預測巖石物理參數有重要的意義。王大興等［6］研究了不同含水飽和度下砂巖的縱、橫波速度和衰減的變化；李維新等［7］研究了砂巖的縱、橫波速度與巖石彈性參數變化規律及其關系；馬中高［8］等討論了巖石縱、橫波速度與密度之間關系。因此，本文從前人總結的巖石聲波普遍規律出發，考慮到頁巖層理發育、非均質性強，對川東南地區龍馬溪組野外露頭頁巖分別進行平行層理和垂直層理方向鉆取巖芯，采用透射法進行聲波速度測試，研究頁巖聲波特性，為頁巖儲層聲波特性認識提供實驗基礎。

2　巖芯制備和實驗設備

川東南地區（四川盆地東南部）的下志留系龍馬溪組下段黑色頁巖段有機質豐富，埋藏深度適中，有機質演化程度高，是四川盆地乃至整個上揚子地區頁巖氣勘探的重要層位之一。本文研究頁巖樣品采自重慶市下志留系龍馬溪組露頭頁巖巖樣，龍馬溪組屬海相沉積環境，該組下部為黑色頁巖，上部為灰色、黃綠色泥質或粉砂質頁巖，富含筆石。利用液氮取芯機分別沿垂直層理方向（圖1-a）和平行層理方向（圖1-b）進行巖芯（?25mm）鉆取，總共取芯塊數為106塊，巖芯直徑約為25mm左右，長度介于30.7～51.5mm，保證巖芯兩端面不平整度誤差不超過0.05mm，沿巖芯高度直徑的誤差不超過0.3mm，端面垂直于巖芯軸線最大偏差不超過0.25°。

測試儀器為西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室自行研制的承壓型聲波換能器，測試條件為常溫（20℃左右），軸壓恒定在0.5MPa，采用超聲波透射法進行實驗。應用不同激發頻率（縱波25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、260kHz和 橫 波260kHz）的探頭發射出超聲波脈沖，接收探頭將透射后的聲波信號經過示波器顯示出來，通過Ultra Scope軟件采集接收端探頭聲波波形。最后通過提取波形中的首播波速來進行波形數據分析。

圖1　沿垂直和平行層理方向鉆取的巖芯

3　試驗結果分析

3.1縱、橫波速度關系

對川東南地區龍馬溪組頁巖的縱、橫波速度數據進行統計分析，為了使統計分析的結果可靠，為此剔除一些異常數據，包括每個層組的最大值或最小值及數據明顯不合理的。不同層理方向的縱波、橫波速度比關系分布見圖2，從圖2中可以看出，頁巖巖石橫波速度與縱波速度呈顯著的線性正相關，線性相關系數為0.9617，說明頁巖巖石的縱、橫波速度間關系類似于砂巖、泥巖、火成巖等的縱、橫波速度間的關系，同時也說明頁巖的縱波、橫波速度關系不隨層理方向變化而變化，受層理方向的影響很小。其中平行層理方向的縱橫波速度遠大于垂直層理方向的縱橫波速度，這是由于層理垂直層理方向層理對聲波的傳播起到了一個隔檔的作用，綠圈內有幾個垂直層理方向的高值點，經進一步分析發現，其巖芯密度為2.66～2.80g/cm3，而該批巖樣的平均巖芯密度為2.43g/cm3，這幾個異常高值點的出現表明，在巖芯密度較大的情況下，巖芯越致密，其聲波速度受層理方向影響程度越弱。

不同層理方向條件下縱波速度關系、橫波速度關系分布見圖3，從圖3中可以看出不同層理方向條件下頁巖巖樣縱波速度關系、橫波速度關系均呈二項式正相關，其中縱波的相關系數為0.8304，橫波的相關系數為0.6764。如圖3所示，不同層理方向的聲波速度關系存在明顯的拐點，縱波速度關系的拐點位于3500m/s（平行層理）左右，當平行層理方向的縱波速度小于3500m/s的區間，垂直層理方向的縱波速度隨平行層理方向的縱波速度變化的波動幅度小；當平行層理方向的縱波速度高于3500m/s的區間，垂直層理方向的縱波速度隨平行層理方向的縱波速度增大而迅速增大；橫波速度也有類似的變化規律，以2000m/s（平行層理）左右為拐點。也就是說不同層理方向對其縱波速度關系和橫波速度關系的影響存在一個拐點。

圖2　不同層理方向的縱波、橫波速度關系

圖3　不同層理方向的聲波速度關系

3.2巖芯密度與聲波速度關系

平行、垂直層理方向條件下縱波速度與巖芯密度關系分布見圖4-a，平行、垂直層理方向條件下橫波速度與巖芯密度關系分布見圖4-b，從圖中可以看出，頁巖縱、橫波速度與巖芯密度呈顯著的線性正相關，相關系數為0.70左右。頁巖巖芯密度變化范圍為2.13～2.80g/cm3，平均密度為2.43g/cm3，在同一密度條件下，平行層理方向的聲波速度大于垂直層理方向的聲波速度，且隨著密度的增加這種差異性呈喇叭狀，既密度較小值時二者聲波速度相差較小，密度較大時，二者聲波速度相差較大。同時擬合了不同超聲波頻率下縱波與巖芯密度的關系，結果見表1，不同超聲波頻率下縱波與巖芯密度的相關性均較好。這也充分表明了頁巖巖石層理的發育對頁巖的縱、橫波波速造成較大的影響。

圖4　平行、垂直層理方向縱波和橫波波速與密度的關系

表1　不同超聲波頻率下縱波速度與巖芯密度的關系

圖5　不同層理方向縱波、橫波速度與層理密度的關系

3.3層理密度與聲波速度關系

平行層理方向條件下縱波、橫波速度與巖芯層理密度關系分布見圖5-a，垂直層理方向條件下縱波、橫波速度與巖芯層理密度關系分布見圖5-b。從圖5-a中可以看出，頁巖巖石縱、橫波速度與層理密度呈顯著的線性正相關，相關系數為0.6左右，平行層理方向的縱、橫波速度隨著層理密度的增大而增大，且隨著層理密度的增加這種差異性呈喇叭狀，既層理密度較小時二者聲波速度相差較小，密度較大時，二者聲波速度相差較大。從圖5-b中可以看出，頁巖巖石縱、橫波速度與層理密度呈顯著的線性負相關，相關系數為0.6左右，垂直層理方向的縱、橫波速度隨著層理密度的增大而減小，且隨著層理密度的增大這種差異性呈倒喇叭狀，既層理密度較小時二者聲波速度相差較大，密度較大時，二者聲波速度相差較小。同時擬合了不同超聲波頻率下縱波與層理密度的關系，結果見表2，由表2可見，不同超聲波頻率下縱波與層理密度的相關性均較好。這也充分表明了頁巖巖石的層理發育對頁巖的縱、橫波波速造成較大的影響。

表2　不同超聲波頻率下縱波速度與層理密度的關系

4　結論

（1）川東南地區龍馬溪組頁巖巖石縱波速度與橫波速度間呈顯著的線性正相關，且其縱橫波速度關系受層理方向的影響較小。

（2）沿平行層理方向的縱橫波速度明顯大于垂直層理方向的縱橫波速度，沿不同層理方向頁巖縱、橫波速度均與巖芯密度具有明顯線性正相關。

（3）沿平行層理方向頁巖縱、橫波速度與層理密度呈線性正相關，而沿垂直層理方向頁巖縱、橫波速度與層理密度呈線性負相關。

［1］王玉滿，董大忠，李建忠，等.川南下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層特征［J］.石油學報，2012，33（4）：551-561.

［2］熊偉，郭為，劉洪林，等.頁巖的儲層特征以及等溫吸附特征［J］.天然氣工業，2012，32（1）：113-116.

［3］楊峰，寧正福，胡昌蓬，等.頁巖儲層微觀孔隙結構特征［J］.石油學報，2013，33（2）：301-311.

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［5］陳喬，劉向君，劉洪，等.層理性頁巖地層超聲波透射實驗［J］.天然氣工業，2013，33（8）：140-144.

［6］王大興，辛可鋒，李幼銘，等.地層條件下砂巖含水飽和度對波速及衰減影響的實驗研究［J］.地球物理學報，2006，49（3）：908-914.

［7］李維新，史謌，王紅，等.巖石物理彈性參數規律研究［J］.地球物理學進展，2007，22（5）：1380-1385.

［8］馬中高，解吉高.巖石的縱、橫波速度與密度的規律研究［J］.地球物理學進展，2005，20（4）：905-910.

P631

A

1004-5716（2016）02-0072-04

2015-03-03

2015-03-04

國家自然科學基金石化聯合基金重點項目（U1262209）資助。

吳濤（1989-），男（漢族），湖南安化人，西南石油大學石油與天然氣工程學院油氣田開發工程專業在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學、非常規油氣開發。