致密砂巖巖石彈性各向異性實驗研究

黃開樺，熊 健，王萬彬，黃裕萌，王 佳

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（西南石油大學），四川成都 610500；2.中國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、常規(guī)油氣資源開采量的下降，具有較大儲量、分布廣的非常規(guī)油氣開采獲得了越來越多國家的關注。非常規(guī)油氣的開采難度、極低的產能，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致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)具有重要的意義。

國內外學者對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，對碳酸鹽巖的聲波波形、傳播速度和主頻率等頻譜特性進行了研究，對比得出巖樣的各向異性變化規(guī)律；周治國等[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、不同圍壓對巖石聲波特性的影響；Wang 等[6]通過對巖樣進行切割實驗獲得剪切應力-應變曲線，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，通過巖石介質中P 波、S 波阻抗、密度進一步研究介質的各向異性特征；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；Johnston 等[10]用X 衍射和掃描電鏡技術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識，但對于四川盆地須家河組致密砂巖的各向異性特點還缺少較為系統(tǒng)的研究。

本文以四川盆地須家河組致密砂巖為研究對象，在干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對巖樣進行聲波測試，獲取巖樣的聲波參數(shù)，進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 實驗樣品與實驗方法

實驗選取的巖樣來自四川盆地須家河組致密砂巖，在對巖樣的處理中，選取邊長的立方體巖樣上獲得巖心，先在該巖樣上沿相鄰的三個面測量巖樣的縱波波速，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 個方向（xx、yy、zz 三個方向）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、結構示意圖

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，利用游標卡尺、電子天平等儀器測量巖石樣品的長度、直徑、質量等基本物理參數(shù)，對巖樣孔隙率、滲透率進行測量、記錄；利用超聲波透射法處理巖石樣品，測量巖石的聲波特性，實驗裝置包括：人機交互Ultra scope 軟件，超聲波激發(fā)、接收裝置，巖心夾持器，個人計算機等（見圖3），依據所得的聲波波形、巖心長度L，讀取橫、縱首波到時ts、tp以及儀器給定的系統(tǒng)延時t0（聲波透射夾持器所需時間），計算縱、橫波波速Vp、Vs的計算公式分別為：

實驗中，將巖心置于干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對巖樣進行聲波測試，測試過程中對巖心施加從5 MPa 到70 MPa 的圍壓，每隔10 MPa 測量、記錄一次巖樣的聲波參數(shù)，由于測量空間密閉性較好，不考慮含水飽和度的變化，依次對三個方向的巖心做同樣的實驗處理。

表1 巖樣基本參數(shù)測量結果

實驗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，對巖樣進行24 h 抽真空飽和水處理，并置于原飽和液中12 h，將此時的巖樣視為100 %飽和水狀態(tài)。在巖樣自然風干的過程中，持續(xù)測量巖樣的聲波速度、實時質量，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)進行對比。含水飽和度的計算公式為：

式中：Sw-含水飽和度；m烘干-巖心烘干后質量；m飽和-巖樣在飽和液中靜置12 h 后的質量，視為地層水的100 %飽和；m-巖心自然風干過程中的實時質量。

在各向異性參數(shù)分析方面，國內外學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，在弱各向異性介質條件下，提出了三個與彈性常量相關的物理量δ、γ、ε，并得到了三者與橫向各向同性介質彈性系數(shù)間的關系式，各參數(shù)的計算式如下：

剛性系數(shù)與巖樣密度、聲波波速間的關系：

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

2 實驗結果

圖4 巖樣縱橫波速度隨圍壓的變化規(guī)律

實驗測得在干燥、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增大，圍壓較小狀態(tài)波速增加較快，相反，當圍壓大于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。

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，當含水飽和度較小時，波速增加較快，當含水飽和度大于80 %后，波速增加變緩慢，說明流體的加入改變了巖石的性質，進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，而縱波變異參數(shù)δ 隨圍壓變化呈波動性變化。干燥條件下，巖樣縱橫波各向異性參數(shù)（ε、γ）隨圍壓的增大而減小；飽和水狀態(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)時一致，不過參數(shù)的范圍發(fā)生了變化，表明流體的加入對巖樣彈性各向異性產生了較大的影響。

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，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，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。