層理性頁巖地層超聲波透射實驗

陳 喬 劉向君 劉 洪 王 森 王莉莎 范曉文 王其軍 張 明

1．中國科學院重慶綠色智能技術研究院頁巖氣開發技術研究中心 2．西南石油大學石油工程學院3．中國石油集團測井有限公司 4．四川職業技術學院

近年來，頁巖氣勘探開發成為我國能源界的研究熱點，作為儲層的頁巖地層也受到了工程師和學者們的廣泛關注［1－5］。超聲波數據是油氣田開發過程中測井解釋的重要資料，頁巖地層層理發育，研究層理性頁巖結構對超聲波響應的影響，對于利用測井資料［6－7］進行頁巖儲層識別和了解地下層理結構變化情況均具有重大意義。自1981年Jone等研究了美國Williston盆地白堊系頁巖在不排水條件下超聲波速度各向異性問題以來，圍繞頁巖巖石的聲波傳播特性展開了大量研究［8］。

SONG Insun等［9］在靜態壓力達到70MPa的條件下，利用小柱塞縱橫超聲波透射實驗來分析與層理平面垂直和平行兩個方向的彈性各向異性，同時，還通過縱橫波速度估算了層狀巖心的彈性模量。Carl H Sondergeld［10］利用超聲波的透射實驗的手段，分析了不同角度的層理條件下，圍壓對縱、橫波波速的影響。Tutuncu，A．U 等［11］通過滲透率、超聲波和巖石力學實驗的綜合測試確定了頁巖橫向各向異性的存在，該物理測試方法可以用于獲取低滲儲層的滲透率方位。這些理論為利用多參數反演頁巖孔隙結構奠定了基礎。

由于實驗中頁巖制樣的困難，國內學者對作為油氣儲集層蓋層的頁巖地層聲波速度和各向異性的巖石物理數據研究［12－13］較少，他們主要針對一些變質巖和火成巖的聲學性質進行了實驗研究，頁巖地層聲波響應特征研究還不夠成熟。筆者選擇渝東南地區下志留統龍馬溪組層理性頁巖野外露頭，鉆取22塊巖樣，進行不同層理結構的聲場特征研究，以期獲得對層理性頁巖儲層超聲波傳播特性的認識。

1 巖心制備及基礎物性參數

1．1 巖心制備

選取渝東南下志留統龍馬溪組露頭巖樣，通過巖樣軸心逆時針作0°，45°，90°，135°共4條過原點的直線，并延長至徑向，再根據巖樣的長度在軸向做間隔相等的5～10個點（圖1）。接下來，用縱波探頭測量巖樣各點的縱波時差。最后，選擇徑向縱波時差相差不大的大巖樣（可近似為橫向各向同性的模型）作為研究取心對象。

圖1 巖樣描點示意圖

在此基礎上，分別沿平行層理方向（圖2－a）、與對稱軸呈一定角度（30°、60°，如圖2－b，2－c）、垂直于平行層理方向（圖2－d）進行小巖心鉆取，利用鉆機控制層理角度誤差小于5%，為了不影響測試效果，所切制樣品直徑均在1英寸左右（25．4mm），長度介于37．87～51．11mm，兩端面磨平拋光。

1．2 基本物性參數

針對上述取心過程，挑選出22塊巖樣，分別采用游標卡尺、電子天平、致密巖心氣體孔隙度測定儀及根據氣測滲透原理自制的滲透率測試裝置對其基礎物性進行了測試分析，結果見表1。從巖心分析及測試結果可以看出，巖樣巖性以黑色、灰黑色及深灰色頁巖、粉砂質泥巖為主，孔隙度變化范圍為1．5%～2．5%，大部分巖樣的滲透率小于1mD。

圖2 不同層理角度的巖心樣品圖

表1 試驗用巖心的基本物性參數表

2 實驗測試結果與分析

2．1 實驗測試技術

實驗測試是在常溫（20℃），軸壓恒定為0．5MPa環境下，使用西南石油大學“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采用透射法［14］進行測量。采用激發頻率為25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、490kHz的縱波探頭發射出超聲波脈沖，穿過不同層理性頁巖巖心，接收探頭將透射后的聲波信號經過示波器顯示出來，通過其配備的（Ultra Scope）軟件采集接收端探頭的聲波波形，并將聲波信號保存在計算機中，通過提取波形中的首播波速和利用波形對比法計算衰減系數來進行波形數據分析。圖3為超聲波透射實驗的測試流程圖。

2．2 結果與分析

2．2．1 不同層理角度條件下，孔隙度對聲波特性的影響

按層理角度（0°、30°、60°、90°）將巖心分為4組，在探頭頻率為250kHz條件下，測試各組巖心的超聲波數據，用于研究不同層理角度條件下，孔隙度對聲波特性的影響。

圖3 超聲波透射實驗流程圖

從圖4可以看出，盡管頁巖孔隙度及其變化范圍都較小，但是聲波速度隨孔隙度的增加依然有減小的趨勢，且層理角度越大速度越小；聲波衰減系數隨著孔隙度的增加，總體呈現出增大趨勢，且在不同層理間這種增加呈現出喇叭形狀（圖4－b），即在孔隙度較小時，不同角度衰減系數相差不大，隨孔隙度的增加，有差異變大的趨勢。這表明超聲波在頁巖巖石物理性質研究中依然是非常重要的手段。

圖4 不同層理角度條件下，孔隙度與聲波特性的關系圖

圖5 電鏡掃描圖

頁巖的層理發育方向是研究和表征層理最重要的參數之一。對頁巖進行電鏡掃描（圖5）可知，層理面處的膠結物較多，黏土礦物的產狀相對比較混亂，且相對非層理處的微裂縫更加發育，可知層理面的存在減小了波速，增加了衰減。因此，圖4－a中出現了波速在層理為90°時要遠小于層理為0°時的情況。層理角度變大、衰減增加是由于角度越大，聲波穿透的層理數增加所致，孔隙度增加層理面的微裂縫數也會增加，因此出現圖4－b所示的增加規律。利用上述規律，可以綜合利用聲波資料進行儲層評價，對層理角度進行預測。

2．2．2 不同層理角度條件下，測試頻率對聲波特性的影響

在層理不同的4組巖心中分別抽取出孔隙度相等的巖樣（巖心編號為2、6、15、22，孔隙度均為1．8%），接下來，選擇不同縱波探頭頻率的超聲波來完成透射實驗，用于研究不同層理角度條件下，測試頻率對聲波特性的影響。

實驗結果表明，隨著測試頻率增加，聲波波速也增大，并且呈對數正相關性（圖6－a），頻散現象明顯，在不同層理角度條件下的各組巖心統計結果非常吻合，具有很強的規律性。而聲波衰減系數隨著測試頻率的增加總體也呈增大的趨勢（如圖6－b），但是變化幅度規律性不強，同層理角度條件下的各組巖心統計結果相近。該結果對于儲層評價中聲波參數的選擇具有一定的指導意義。

2．2．3 不同測試頻率下，孔隙度對聲波特性的影響

圖6 不同層理角度條件下，測試頻率與聲波特性的關系圖

選取孔隙度數據最完整的一組巖心（層理角度為30°）為研究對象，選用4種頻率（25kHz、50kHz、100 kHz、250kHz）的縱波探頭進行超聲波透射實驗，用于研究不同測試頻率條件下，孔隙度對聲波特性的影響。

圖7為不同頻率下，孔隙度與聲波特性的關系。

圖7 不同測試頻率下，孔隙度與聲波特性的關系圖

從圖7中可以看出，孔隙度分別為1．6%和2．5%的2個點，波速和衰減系數有明顯差異，中間區域聲波參數均有小幅度波動，但趨勢是一樣的，這說明盡管頁巖孔隙較小，但其對聲波傳播在速度和衰減上均有體現的，這個頁巖層理發育和微裂縫發育不無關系。

4 結論

1）在0°～90°范圍內，隨層理角度的增加，波速減小趨勢明顯，衰減系數增加。

2）波速與孔隙度呈現較好的負相關性，隨孔隙度增加，衰減系數增加，且增加程度隨層理角度的變大而加劇。

3）波速與頻率呈對數增加的趨勢，頻散現象明顯，衰減系數隨頻率增加而增大。

［1］鄒才能，董大忠，楊樺，等．中國頁巖氣形成條件及勘探實踐［J］．天然氣工業，2011，31（12）：26－39．ZOU Caineng，DONG Dazhong，YANG Hua，et al．Conditions of shale gas accumulation and exploration practices in China［J］．Natural Gas Industry，2011，31（12）：26－39．

［2］龍鵬宇，張金川，李玉喜，等．重慶及其周緣地區下古生界頁巖氣成藏條件及有利區預測［J］．地學前緣，2012，19（2）：221－233．LONG Pengyu，ZHANG Jinchuan，LI Yuxi，et al．Reservoirforming conditions and strategic select favorable area of shale gas in the Lower Paleozoic of Chongqing and its adjacent areas［J］．Geoscience Frontiers，2012，19（2）：221－233．

［3］何金先，段毅，張曉麗，等．貴州地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖地質特征及其油氣資源意義［J］．西安石油大學學報：自然科學版，2011，26（3）：37－42．HE Jinxian，DUAN Yi，ZHANG Xiaoli，et al．Geologic characteristics and hydrocarbon resource implication of the black shale in Niutitang Formation of the Lower Cambrian，Guizhou Province［J］．Journal of Xi＇an Shiyou University：Natural Science Edition，2011，26（3）：37－42．

［4］陳喬，劉洪，王森，等．重慶地區下志留統龍馬溪組頁巖基礎物性實驗研究［J］．科學技術與工程，2013，13（15）：4148－4152．CHEN Qiao，LIU Hong，WANG Sen，et al．Experimental study of the fundamental physical properties on shale in Longmaxi Formation of Lower Silurian，Chongqing［J］．Science Technology and Engineering，2013，13（15）：4148－4152．

［5］蔣裕強，董大忠，漆麟，等．頁巖氣儲層的基本特征及其評價［J］．天然氣工業，2010，30（10）：7－12．JIANG Yuqiang，DONG Dazhong，QI Lin，et al．Basic fea－tures and evaluation of shale gas reservoirs［J］．Natural Gas Industry，2010，30（10）：7－12．

［6］吳慶紅，李曉波，劉洪林，等．頁巖氣測井解釋和巖心測試技術——以四川盆地頁巖氣勘探開發為例［J］．石油學報，2011，32（3）：484－488．WU Qinghong，LI Xiaobo，LIU Honglin，et al．Log interpretations and the application of core testing technology in the shale gas：Taking the exploration and development of the Sichuan Basin as an example［J］．Acta Petrolei Sinica，2011，32（3）：484－488．

［7］楊小兵，楊爭發，謝冰，等．頁巖氣儲層測井解釋評價技術［J］．天然氣工業，2012，32（9）：33－36．YANG Xiaobing，YANG Zhengfa，XIE Bing，et al．Log interpretation and evaluation of shale gas reservoirs［J］．Natural Gas Industry，2012，32（9）：33－36．

［8］JOHNSTON J E，CHRISTENSEN N I．Seismic anisotropy of shales［J］．Journal of Gevphysical Research：Solid Earth，1995，100（B4）：5991－6003．

［9］SONG I，SUH M，WOO YONGKYUN，et al．Determination of the elastic modulus set of foliated rocks from ultrasonic velocity measurements［J］．Engineering Geology，2004，72（3／4）：293－308．

［10］SONDERGELD C H，RAL C S．Elastic anisotropy of shales［J］．The Leading Edge，2011，30（3）：324－331．

［11］TUTUNCU A N，MESE A I．Relationship between permeability，acoustic，mechanical and strength anisotropies in unconventional reservoirs and seal shales［C］∥45thU．S．Rock Mechanics／Geomechanics Symposium，June 26－29，2011，San Francisco，California，USA．Alexandria，Virginia：American Rock Mechanics Association，2011．

［12］鄧繼新．泥、頁巖及儲層砂巖聲學性質實驗與理論研究［D］．北京：北京大學，2003．DENG Jixin．Experimental and theoretical studies on the acoustic property of mudstones，shales and reservoir sandstones［D］．Beijing：Peking University，2003．

［13］鄧繼新，史謌，劉瑞洵，等．泥巖、頁巖聲速各向異性及其影響因素分析［J］．地球物理學報，2004，47（5）：862－868．DENG Jixin，SHI Ge，LIU Ruixun，et al．Analysis of the velocity anisotropy and its affection factors in shale and mudstone［J］．Chinese Journal of Geophysics，2004，47（5）：862－868．

［14］劉向君，楊超，陳喬，等．孔洞型碳酸鹽巖地層超聲波實驗研究［J］．天然氣工業，2011，31（8）：56－59．LIU Xiangjun，YANG Chao，CHEN Qiao，et al．An experimental study of ultrasonic waves in vuggy carbonate reservoirs［J］．Natural Gas Industry，2011，31（8）：56－59．