四川盆地龍馬溪組頁巖聲波特性 與斷裂韌性實驗研究

石長有，劉向君，張 茜，熊 健，梁利喜，魏曉琛

（1.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；2.東方地球物理公司物探技術研究中心成都分中心，四川成都 610500）

近年來，隨著我國的能源結構不斷進行調整，各種環境問題凸顯出來，天然氣作為一種清潔的非常規油氣資源受到越來越多的重視[1-5]。在北美地區，頁巖氣的迅速發展使得人們逐漸認識到頁巖氣資源重要的戰略地位[6]。在我國，作為地質資源的頁巖氣，其儲量為134×1012m3，其中技術可采儲量為25×1012m3，表明其具有巨大的開發潛力[7-8]。國內外的學者針對不同巖石的聲波影響因素和力學特性進行了研究，陳治喜等[9]對巖石斷裂韌性與聲波速度的相 關性進行了研究，孟召平等[10]對煤系巖石聲波速度 及其影響因素進行了分析研究，孟慶山等[11]對碳酸鹽巖的聲波特性進行了分析研究。頁巖作為頁巖氣 的儲層，其聲波特性是評價巖體質量的重要指標，在這一方面的研究和報道卻較少[12-15]。斷裂韌性作 為判別材料穩定的一項重要指標，可以表征材料抵抗裂紋擴展的性能[16-20]。在壓裂的過程中，斷裂韌性對裂縫的起裂及延伸都會產生影響，只有當裂縫尖端的應力強度因子大于斷裂韌性時，裂縫才會擴展。水平井和分段壓裂等是保證頁巖氣能夠被高效開發利用的技術，對于頁巖儲層的可壓性評價，斷裂韌性是一項重要的評價參數。目前國內外對于頁巖力學性質的研究主要集中在抗張強度和抗壓強度等方面，對頁巖斷裂韌性的研究報道卻不多見[21-26]。

本文在前人研究成果的基礎上，對四川盆地龍馬溪組頁巖的聲波特性進行研究，建立物理參數與聲波特性的關系，采用人字形切槽巴西圓盤試樣，測試頁巖的Ⅰ型斷裂韌性值KIC，研究該巖樣的斷裂力學特性，并建立其與聲波特性的關系，為進一步認識頁巖儲層的聲波特性和斷裂韌性提供實驗基礎。

1 樣品與實驗方法

研究中所采用頁巖樣品為古生界下志留統龍馬溪組，采樣地區位于四川盆地東南部。聲波測試所采用的方法為透射法，使用儀器為西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室的承壓型聲波換能器。在常溫（20 ℃）、軸壓恒定為0.3 MPa 的條件下進行測試，所采用的激發頻率分別為25，50，100，260 kHz 的縱波探頭以及260 kHz 的橫波探頭。

對于所采巖樣，根據有關標準及ISRM（國際巖石力學學會）推薦測試斷裂韌性的方法——人字形切槽巴西圓盤法，按照垂直層理的方向鉆取直徑為74 mm，厚度為30 mm 的巴西圓盤試樣9 塊。試樣的加載方式為沿平行人字形切槽方向在兩端施加集中荷載，采用恒定位移控制對試樣進行加載。根據ISRM 建議測試方法，CCNBD（人字形切槽巴西圓盤）試樣斷裂韌性計算公式為：

式中：KIC為I 型斷裂韌性值，MPa·m0.5；Pmax為最大破壞載荷值，kN；D 為試樣直徑，cm；B 為試樣厚度，cm；Y*min為無量綱臨界應力強度因子，僅由巖樣的幾何參數α0、α1和αB決定。

實驗測試及計算得到的圓盤巖樣基礎物性和斷裂韌性見表1。由表可知，所測試的斷裂韌性值為0.474 4～0.875 2 MPa·m0.5，平均值為0.698 1 MPa·m0.5。

表1 基礎物性及斷裂韌性測試結果

2 結果與分析

2.1 載荷-位移曲線

實驗時，在試樣的兩端沿平行切槽的方向進行加載，加載過程中，軸向的壓縮變形會引起橫向上產生相應的拉伸變形，最終使得彈性應變能在韌帶區不斷積聚，并轉化為橫向拉張應力作用。裂紋在人字形裂紋端部的拉張應力達到巖石最大抗拉強度時開始起裂，彈性應變能在裂縫起裂后迅速釋放并導致裂紋面的急劇擴展，最后巖石破裂。利用巴西圓盤的方法進行測試所得到的部分載荷-位移曲線 如圖1 所示。對圖1 中曲線觀察可知，整個過程可大致分成三個階段，在初始加載階段，由于頁巖不 斷地被壓實，其曲線呈現非線性變形；第二階段加載過程中，巖樣發生彈性變形，此時曲線基本上表現為線性發展，反映出巖樣在加載過程中其微裂隙 進行穩定的擴展并逐漸發展成核；第三階段的曲線是非線性的，在該過程中，所施加載荷在達到峰值后急劇下降，巖樣中主裂紋急劇擴展貫通直至破裂，并伴隨有大的破碎聲響，同時部分巖樣碎塊崩裂，這一階段的曲線反映出巖樣主裂紋的貫通失穩過程。整個曲線顯示出巖心被破壞前呈彈性變形，達到載荷最大值后急劇降低的脆性特征[19]。

圖1 部分巖樣載荷-位移關系曲線

2.2 縱波與橫波速度的關系

近年來，很多學者在巖石的縱橫波速度測量與分析上進行了大量實驗研究，獲取了不同巖性的縱橫波速度關系。張守偉等對砂巖、泥巖以及白云巖的縱橫波速度關系進行了研究，得出其關系均呈正相關，相關系數均在0.720 以上；曾葫等對煤巖的縱橫波速度關系進行研究，得出其關系呈正相關，相關系數為0.940；馬中高等對砂巖、泥巖、生物灰巖和火成巖的縱橫波速度關系進行研究，得出其關系均呈正相關，相關系數分別為0.955，0.960，0.971，0.970。本文對四川盆地龍馬溪組頁巖樣品的縱波與橫波進行數據統計與分析。龍馬溪組頁巖樣品縱波與橫波速度呈正相關關系（圖2），其縱波與橫波之間的關系與煤巖、火成巖、砂巖和泥巖等是類似的，然而對于頁巖來說，由于其非均質性強且層理發育，因此，其相關系數相對其它巖石而言較低。

圖2 縱波與橫波速度的關系

2.3 頁巖密度對聲波速度的影響

在巖石物理學中，對影響密度的因素進行研究，建立密度和速度等巖石參數間的關系是研究的重點。由于巖石物理性質具有復雜性的特點，密度和速度之間的關系在不同地區具有差異性，因此，直接將前人研究所得到的經驗關系應用到其他地區是不合適的。為了能更好地指導四川盆地地區頁巖氣的開發，研究龍馬溪組頁巖的密度和聲波速度之間的關系是十分重要的。研究表明，隨著密度的增大，頁巖聲波速度總體的變化趨勢也隨著增大，這說明頁巖發育的密實程度與縱波波速有一定的關系，即所測得的聲波速度越大，巖石的密實程度越高。

2.4 頻率與聲波特性的關系

針對所選取的頁巖樣品，選用縱波頻率分別為25，50，100，260 kHz，橫波頻率為260 kHz 的探頭進行超聲波的透射實驗，以研究頻率與聲波特性的關系。部分試樣聲波速度與頻率的關系見圖3，從圖中可知，隨著聲波頻率的增大，聲波速度總體上的趨勢也是增大的，且相關性較好，頻散現象明顯；聲波的衰減系數與測試頻率也呈正相關。在儲層評價中，該結果對聲波參數的選擇具有一定的指導意義。

圖3 聲波速度與頻率的關系

2.5 斷裂韌性與聲波屬性的關系

斷裂韌性與聲波速度的關系見圖4，由圖可知，斷裂韌性與聲波速度具有顯著的正相關性。波阻抗反映的是聲波在地質體中的傳播速度與地質體密度的信息，可對地質體進行物性描述，通過對所采巖樣斷裂韌性與波阻抗的關系進行分析，可得其關系為正相關。斷裂韌性與衰減系數的關系見圖5，由圖可知，斷裂韌性與衰減系數呈負相關。通過對實驗數據進行分析，當波速增大時，可判斷樣品的壓實程度高且微裂隙不發育，這就導致了在相同的載荷條件下，樣品斷裂韌性值的增加；同時，斷裂韌性增加即巖樣的密實程度變大，相同頻率的聲波通過巖樣時衰減就會減少。該實驗結果在斷裂韌性的預測方面具有一定的意義，在油氣藏的勘探和開發中具有一定的參考價值。

圖4 斷裂韌性與聲波速度的關系

圖5 斷裂韌性與衰減系數的關系

3 結論

用透射法對四川盆地東南部下志留統龍馬溪組頁巖進行聲波速度測定，采用人字形切槽巴西圓盤法測試其斷裂韌性，測得斷裂韌性為0.474 4～0.875 2 MPa·m0.5，說明其具有顯著的各向異性；頁巖縱橫波速度之間呈正相關性，聲波速度與密度、測試頻率以及衰減系數均呈正相關性；斷裂韌性與聲波速度和波阻抗呈正相關性，與衰減系數呈負相關性。