不同巖性巖石的物理性質實驗研究

裴浩辰，熊 健，丁懷碩，戎成干，廖文海

（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）

油氣勘探是油氣開發過程中一個重要環節，其是油氣田開發的基礎，其目的是尋找和查明油氣資源，想要達到這一目的，除了先進的勘探技術，需要研究不同巖性巖石的物理性質及其差異。

國內外學者對多種不同巖性巖石的密度、聲波、孔隙度和滲透率等物理性質進行了系統研究，并取得了大量的認識。楊曉松等[1]指明巖石物理性質研究的重要性在于它為地表地球物理觀測結果的解釋提供科學的約束條件，標度地球物理參數；黃裕萌等[2]以四川盆地須家河致密砂巖為研究對象，研究了含水飽和度對致密砂巖聲學特性的影響，以及致密砂巖的各向異性；朱水英等[3]對鶯-瓊盆地的泥巖、砂巖、灰巖及含氣砂巖的縱橫波速度比進行研究，在此基礎上討論了縱、橫波時差和縱橫波速度比與密度、孔隙度、流體類型的關系；劉洪文[4]針對濟陽坳陷的實驗室巖石物理測試數據，研究了巖性、孔隙度和滲透率等因素對密度與速度關系的影響；王建偉等[5]按華北陸塊、大別造山帶、揚子陸塊三大構造域，系統整理統計了安徽省區域地層巖石密度、磁性參數，以及各類侵入巖和部分巖礦石的物性參數；王世廣等[6]通過測量超聲波在巖石樣品中的傳播速度，研究了巖石的結構構造、密度、孔隙度和彈性模量等物理特性對超聲波傳播的影響；李昊遠[7]討論了各個結構參數與物性的相關性和影響因素，研究結果表明較少的大孔發育可能是導致致密砂巖滲流能力較弱的原因；黃開樺等[8]研究了致密砂巖巖樣聲波速度、彈性各向異性的影響因素及特點；Nguyen 等[9]基于力學理論提出一種多孔巖石的有效滲透率模型，驗證了應力誘導滲透率變化規律；Kushnir 等[10]研究了上萊茵地塹以西四個地區局部延伸過古生界-二疊系-三疊系界線的巖石的孔隙度、縱波速度、滲透率、單軸抗壓強度和熱物性等物理性質的變化。這些研究結果說明國內外研究學者對不同巖性巖石的物理性質進行了研究，并取得了大量的認識，這將有助于人們認識巖石的物理性質參數，然而針對不同巖性的巖石物理性質差異的研究結果相關報道較少。

本文以四川盆地和新疆塔里木盆地不同層組的地層巖心為研究對象，巖性包括粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、碳酸鹽巖、白云巖、灰巖、泥巖、龍馬溪頁巖和五峰組頁巖等，利用實驗室儀器測量并計算出巖樣的密度、波速、孔隙度和滲透率等物理性質參數，研究不同巖性巖石的物理性質，在此基礎上，討論不同巖性巖石物理性質的差異和各物理性質之間的聯系。

1 實驗方法與樣品

本次研究中實驗樣品包括九種巖性，巖樣主要采集四川盆地和新疆塔里木盆地不同層組的地層巖心，其中塔里木盆地包括白堊系巴什基奇克組的粗砂巖、第三系吉迪克組的粉砂巖、古近系蘇維依組的泥巖，四川盆地包括三疊系須家河組的細砂巖、三疊系飛仙關組的碳酸鹽巖、三疊系雷口坡組的白云巖、三疊系雷口坡組灰巖、志留系龍馬溪組的頁巖、奧陶系五峰組的頁巖。每種巖性巖石鉆取4 塊標準巖心，總共有36 塊巖心實驗樣品，用于基礎物性測試，包括巖石密度、聲波、滲透率以及孔隙度等物理性質測試。采用致密巖心氣體孔滲測定儀對巖樣的孔隙度和滲透率進行測試，該儀器以氦氣為測試介質，模擬地層溫度及壓力條件，分別基于波義爾定律、達西定律實現致密巖心孔隙度和滲透率的測定。采用多頻超聲波測試儀測量并計算得到巖石的聲波速度。該儀器由聲波激發器、兩個超聲波探頭、軸壓夾持器、示波器、計算機及配套軟件組成，其能夠對聲波波形進行精確的記錄（見表1）。

2 實驗結果與分析

2.1 巖石礦物組成

不同巖性樣品的礦物組成測試結果（見圖1）。從圖1 中可看出，不同巖性巖樣的礦物組成和礦物含量存在較明顯的差異，但不同巖性的主要的礦物組成基本一致，包括石英、黏土礦物、長石和碳酸鹽。其中粗砂巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為33.68 %～36.89 %（平均34.16 %），石英礦物含量為30.82 %～34.56 %（平均32.98 %），還含有正長石（平均18.51 %）和方解石（平均14.36 %）；細砂巖樣品中主要礦物為石英和黏土礦物，石英含量為51 %～57.1 %（平均54.98 %），黏土礦物含量為12.2 %～21.4 %（平均15.35 %），還含有正長石（平均7.6 %）、斜長石（平均7.83 %）、方解石（平均6.7 %）、白云石（平均7.55 %）；粉砂巖樣品中主要礦物為石英和方解石，石英礦物含量為31.1 %～39.6 %（平均34.11 %），方解石含量為23.3 %～36.6 %（平均30.25 %），還含有黏土礦物（平均18.19 %）、正長石（平均11.27 %）、白云石（平均6.17 %）；碳酸鹽巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為22.09 %～28.03 %（平均24.67 %），石英礦物含量為25.68 %～35.3 %（平均29.46 %），還含有斜長石（平均19.62 %）、方解石（平均10.4 %）、白云石（平均15.85 %）；白云巖樣品中主要礦物為白云石，其含量為89.62 %～97.06 %（平均93.67 %），還含有方解石（平均5.52 %），含少量石英和斜長石；灰巖樣品中主要礦物為方解石，其含量為88.22 %～95.44 %（平均92.66 %），還含有白云石（平均6.42 %），含少量石英；泥巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為25.58 %～39.98 %（平均34.07 %），石英礦物含量為26.68 %～37.72 %（平均30.46 %），還含有斜長石（平均19.62 %）、方解石（平均15.85 %）；龍馬溪頁巖樣品中主要礦物為石英和方解石，石英礦物含量為40.46 %～44.41 %（平均42.87 %），方解石含量為21.05 %～22.18 %（平均21.87 %），還含有黏土礦物（平均15.72 %）、斜長石（平均6.51 %）、白云石（平均11.12 %），含少量黃鐵礦；五峰組頁巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為29.31 %～39.2 %（平均35.77 %），石英礦物含量為23.24 %～31.01 %（平均25.29 %），還含有正長石（平均1.86 %）、斜長石（平均2.8 %）、方解石（平均16.59 %）、白云石（平均12.87 %），含少量黃鐵礦。這說明了本次研究的不同巖性巖石的礦物組成和礦物含量存在差異，這些差異將造成巖石的其他物理性質間存在差異。

表1 實驗樣品基礎物性Tab.1 Basic physical properties of experimental samples

圖1 巖石礦物組成Fig.1 Rock mineral composition

圖2 不同巖性巖石密度變化Fig.2 Density change of rocks with different lithology

2.2 巖石的密度

由測量出的基礎數據長度、直徑、質量（表1）計算出巖石密度（見圖2）。從圖2 中可看出，不同巖性巖石的密度存在較明顯的差異，其中細砂巖、白云巖和灰巖密度較大，粗砂巖密度最小。結合圖1（巖石的礦物組成）可看出，巖石中重礦物含量較高時，其密度相對較大。同時，從密度與孔隙度關系圖（見圖3）中可看出，巖石的密度與孔隙度具有較好的負線性相關性，即孔隙度越大，巖石密度越小。這說明了不同巖性的密度存在差異，且與巖石的礦物組成與孔隙度有關。

圖3 不同巖性巖石密度與孔隙度的關系Fig.3 The relationship between density and porosity of rocks with different lithology

2.3 巖石的孔隙度、滲透率

圖4 不同巖性巖石孔隙度變化Fig.4 Porosity change of rocks with different lithology

圖5 不同巖性巖石滲透率變化Fig.5 Permeability change of rocks with different lithology

巖石的孔隙度測試結果（見圖4）。從圖4 中可看出，不同巖性巖石的孔隙度存在差異，其中粗砂巖的孔隙度最大，其次是碳酸鹽巖，且白云巖的孔隙度最小。砂巖中，粗砂巖的孔隙度大于粉砂巖的孔隙度，且粉砂巖的孔隙度又大于細砂巖的孔隙度，這可能是因為砂巖孔隙度與其顆粒的粒級大小有關。巖石的滲透率測試結果（見圖5）。從圖5 中可看出不同巖性巖石的滲透率存在差異，其中粗砂巖的滲透率遠大于其他巖石的滲透率，這是由于粗砂巖較疏松，顆粒較大造成的，其他幾種巖性巖石的滲透率相對較小，這可能與巖石致密程度有關。同時，從圖5 中還可以看出泥巖、細砂巖的同組巖心滲透率差異較大，這可能與巖石自身非均質性有關。

圖6 不同巖性巖石孔隙度與滲透率的關系Fig.6 The relationship between porosity and permeability of rocks with different lithology

為了更為直觀的對比孔隙度與滲透率之間的關系，繪制關系圖（見圖6）。從圖6 中可看出巖石的孔隙度與巖石的滲透率之間具有良好的正相關性，即巖石的孔隙度增大時，滲透率也隨之增加。這是因為巖石的孔隙度越大，其內部孔隙空間越大，越有利于氣體滲透穿過巖石，造成滲透率越大。

2.4 巖石的波速

圖7 不同巖性巖石在25 kHz 下的縱波波速Fig.7 P-wave velocity of rocks with different lithology at 25 kHz

圖8 不同巖性巖石密度與波速的關系Fig.8 The relationship between rock density and wave velocity in different lithology

圖9 不同巖性巖石孔隙度與波速的關系Fig.9 Relationship between porosity and wave velocity of rocks with different lithology

不同巖石的縱波速度測量結果（見圖7）。從圖7中可看出，不同巖性巖石的縱波速度存在一定差異，其中粗砂巖的縱波速度較小，其次泥巖的縱波速度相對較小，細砂巖、白云巖、灰巖和五峰組頁巖的縱波速度較大。從巖石的密度和波速間的關系圖（見圖8）中可看出，不同巖性巖石的密度與縱波速度呈線性正相關，即巖石密度越大，巖石波速越大。同時，從巖石的孔隙度與波速間關系圖（見圖9）中可看出，不同巖性巖石的孔隙度與波速呈線性負相關，即巖石的孔隙度越大，波速越小。

3 總結

（1）不同巖性巖石的礦物組成和礦物組成含量存在較明顯的差異。

（2）巖石的密度差異與巖石中的礦物組成和孔隙度有關。重礦物含量增大，巖石密度增大，而巖石的孔隙度增大，其巖石密度將減小。

（3）巖石的波速與密度呈線性正相關，而巖石的波速與孔隙度呈線性負相關。巖石的孔隙度與滲透率間存在良好的線性正相關性。