湘西桑頁1井頁巖彈性波速實驗研究

李阿偉, 趙衛華, 李浩涵, 孟凡洋, 孫東生*

1)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081; 2)中國地質調查局油氣資源調查中心, 北京 100029; 3)國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室, 北京 100081

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湘西桑頁1井頁巖彈性波速實驗研究

李阿偉1, 3), 趙衛華1, 3), 李浩涵2), 孟凡洋2), 孫東生1, 3)*

1)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081; 2)中國地質調查局油氣資源調查中心, 北京 100029; 3)國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室, 北京 100081

摘 要:隨著頁巖氣勘探開發工作的不斷深入, 地震相關勘探技術在頁巖氣鉆井部署和頁巖氣富集帶或“甜點”區評價中發揮重要作用。不同應力環境下巖石的彈性波速及其各向異性實驗數據是地震資料疊前反演的重要約束性基礎資料, 對深部頁巖氣地球物理探測、儲層評價及甜點預測具有重要意義。本文以湘西桑頁1井龍馬溪組頁巖、五峰組頁巖及底板泥灰巖鉆孔巖芯為研究對象, 實驗測量了不同應力條件下巖芯的彈性波速特征, 計算了應力環境下的波速差異, 并對比了頁巖與泥灰巖的波速各向異性。結果表明, 在5～100 MPa應力環境下, 粉砂質、硅質和含粉砂頁巖的縱波速度分別為4.8～5.1 km/s、5.1～5.3 km/s和5.2～5.5 km/s, 泥灰巖的縱波速度在5.9～6.4 km/s之間; 原位應力環境下, 頁巖與泥灰巖的縱波速度差異介于14.9%～21.7%之間; 受微裂縫和層理面的影響, 頁巖垂直層理方向縱波速度明顯低于平行層理方向, 而泥灰巖的縱波速度為平行層理方向明顯高于垂直層理方向。

關鍵詞:龍馬溪組頁巖； 彈性波速； 各向異性； 實驗

本文由中國地質調查局地質調查項目(編號: 12120115007401)和國家自然科學基金項目(編號: 41404080)聯合資助。

隨著勘探開發技術的發展, 作為非常規天然氣資源的頁巖氣是近年國內外研究的熱點(Kuila et al., 2011; 宗兆云等, 2012; 楊瑞召等, 2012; 費紅彩和張玉華, 2013; 關小旭等, 2014; 胡起等, 2014; 劉偉等, 2014; 巫錫勇等, 2014; Sun et al., 2015; Zhao et al., 2015)。從北美頁巖氣勘探的發展來看, 地震技術從最初用于避開斷層, 逐步發展成為獲取巖性、物性、工程力學等參數信息的主要手段, 并已取得豐碩成果, 地震技術將在頁巖儲層分布、甜點區預測及工程中水平井布置和壓裂設計等方面具有廣泛的應用前景(楊瑞召等, 2012)。

頁巖儲層及頂底板的彈性波速特征是進行地震疊前反演及地震資料處理的重要基礎數據。頁巖彈性波速及其各向異性隨不同應力環境的變化規律對深部頁巖的鑒別及甜點區預測起到關鍵作用(Vernik and Nur, 1992)。以美國為代表, 伴隨著頁巖氣勘探開發技術的不斷完善, 開展了不同實驗條件下頁巖彈性波速及其各向異性的系統研究(Jones and Wang, 1981; Thomsen, 1986; Vernik and Nur, 1992; Niandou, 1997; Kuila et al., 2011)。我國尚處于頁巖氣勘探開發的初級階段, 雖在焦石壩和長寧威遠區塊取得了點上突破, 且國內學者也開展了探索性工作(鄧繼新等, 2004; 王小瓊等, 2013; 鄧繼新等, 2015), 取得了頁巖衰減各向異性和頁巖各向異性物理模型等創新性成果, 但由于我國地質背景復雜,且頁巖儲層地震資料解譯等方面的基礎資料有限,針對頁巖儲層的地震資料解譯水平相對較低, 需大量的基礎性研究工作及現場實踐才能不斷完善和提高。

本文針對復雜構造改造區頁巖儲層精細識別和解譯中存在的問題, 利用我國在湘西實施的頁巖氣勘探鉆孔巖芯, 開展了不同應力環境下志留系龍馬溪組頁巖、奧陶系五峰組頁巖及其下伏泥灰巖地層的彈性參數實測, 獲取了湘西龍馬溪組硅質頁巖、五峰組粉砂質頁巖和含粉砂頁巖以及底板泥灰巖的彈性參數特征, 為湘西地區開展頁巖儲層地震資料解譯及頁巖氣的勘探開發提供了基礎數據。

1 試驗樣品及礦物成分

湘西桑頁1井為頁巖氣參數兼預探井, 位于湖南省桑植縣上溪河鄉(X: 3259699, Y: 19385073), 由中國地質調查局油氣資源調查中心組織實施, 目的為獲取湘西北地區志留系龍馬溪組—奧陶系五峰組黑色頁巖厚度及巖石礦物學、物性等參數, 為區域頁巖氣評價提供基礎資料, 具體位置及取芯段巖芯柱狀圖見圖1。桑頁1井在目的層段依此取得志留系龍馬溪組硅質頁巖、奧陶系五峰組粉砂質頁巖和含粉砂頁巖以及奧陶系寶塔組泥灰巖。

采用偏光顯微鏡、全巖X-衍射等方法, 對巖石的結構和礦物成分進行了分析, 巖石薄片分析見圖2。

龍馬溪組硅質頁巖(圖2a), 巖石具明顯的水平紋層, 碎屑顆粒與黏土具韻律互層, 順層分布。巖石中石英顆粒呈次棱角狀, 約占41%; 長石約占3%;不透明的黏土礦物主要為伊利石, 約占55%; 自生的黃鐵礦約占1%。

五峰組粉砂質頁巖(圖2b), 可見水平層理, 粉砂顆粒的亮色紋層與黏土礦物的暗色紋層交互沉積,表現為季節性韻律特征。亮色紋層為粉砂結構, 暗色紋層為泥狀結構。巖石薄片分析表明, 石英約占40%, 長石約占3%, 白云母約占8%; 不透明黏土礦物約占47%, 主要為伊利石; 自生黃鐵礦約占2%。

五峰組含粉砂頁巖(圖2c), 巖石以伊利石黏土礦物為主, 約占75%, 局部可見絹云母化; 石英顆粒約占21%, 粒度小于0.03 mm; 自生黃鐵礦約占4%。

圖1　湘西桑頁1井位置及巖芯柱狀圖Fig. 1 Location and histogram of Sangye 1 well in Western Hunan Province

圖2　巖石樣品顯微分析(正交偏光)Fig. 2 Microstructure of rock samples

表1　巖石樣品基本參數Table 1 Basic parameters of rock samples

寶塔組泥灰巖(圖2d), 可見方解石約占89%,晶粒大小以1～4 μm為主, 含少量生物介殼碎片, 黏土礦物約占9%, 自生黃鐵礦約占2%, 為低能環境成因的含生物碎屑泥灰巖。局部見后期成因的方解石脈體。

2 彈性波速實驗

本文開展不同應力環境下巖芯彈性波速測量所用儀器為中國地質科學院地質力學研究所從美國New England Research Inc(NER)公司引進的Autolab2000巖石物性測試系統(李阿偉等, 2014)。實驗通過改變圍壓來模擬巖石彈性波速度隨埋藏深度(原位應力環境)的變化規律。實驗中將圍壓(靜水應力)從5 MPa逐漸增加至100 MPa, 之后逆著加壓路徑降至5 MPa, 每隔5 MPa測量一次。每次測量可得到一組波速數據, 分別為Vp、Vs1和Vs2。由于所測頁巖屬水敏性巖石, 遇水膨脹甚至破裂, 測試中采用干測法, 即測試前未對樣品進行水飽和。為探討頁巖儲層的波速各向異性特征, 本文對3個深度的巖芯樣品(SY1585、SY1594、SY1599)分別沿相互垂直的3個方向(垂向Sv和水平方向Sh1和Sh2)鉆取巖芯樣品, 探討巖芯波速的各向異性。所取樣品皆為圓柱狀, 上下兩端面磨平拋光。因為巖芯數量有限且制樣過程中易損壞(頁理發育), 因此不同深度的樣品數量有所不同, 1 579 m處(SY1579)僅獲取一個巖樣。波速測試巖石樣品基本參數如表1。

3 實驗結果與分析

巖石彈性波速隨圍壓的升高而增加, 隨圍壓的降低而變小。降壓過程曲線總是位于升壓曲線之上, 且降壓過程中巖石處于更穩定的顯微構造狀態, 一般僅用降壓時測量的縱橫波速度進行分析(Ji and Salisbury, 1993)。本文巖石樣品的彈性波速均為降壓時的測量結果(表2, 3), 其中橫波速度為Vs1和Vs2測量結果的平均值, 由于篇幅有限, 僅給出部分測量數據。

3.1巖性與彈性波速

頁巖氣開發中, 頁巖儲層的頂底板界面是勘探開發一體化中控制水平井軌跡的重要參數, 因此不同巖性間的波速差異, 可更好服務于地震勘探中巖性界面的劃分。本文通過實驗獲取了桑頁1井龍馬溪組、五峰組頁巖和寶塔組泥灰巖在不同圍壓(應力)環境下的彈性波速數據, 實驗結果如圖3所示。由圖可見, 樣品的波速皆隨圍壓增加而增大; 同一圍壓下, 粉砂質頁巖波速最低, 硅質頁巖次之, 含粉砂頁巖的波速略高于硅質頁巖, 而泥灰巖的波速最高。速度壓力曲線在圍壓較小時呈非線性增長, 與樣品中的微裂隙閉合和粒間孔隙變小有關; 在圍壓較高時表現為近線性增長, 則與巖石顆粒壓縮有關。在圍壓5～100 MPa之間,粉砂質頁巖的縱波速度為4.8～5.1 km/s, 硅質頁巖的縱波速度為5.1～5.3 km/s, 含粉砂頁巖的縱波速度為5.2～5.5 km/s, 泥灰巖的縱波速度為5.9～6.4 km/s。

圖3　不同巖性縱波速度隨圍壓變化Fig. 3 Compressional wave velocity of different rocks with confining pressure

3.2波速各向異性特征

圖4　不同方向縱波速度隨圍壓變化Fig. 4 Compressional wave velocity of different directions with confining pressure

表2　巖石樣品縱波速度測量結果Table 2 Compressional wave velocity measurements of rock samples

圖5　不同方向橫波速度隨圍壓變化Fig. 5 Shear wave velocity of different directions with confining pressure

為探討巖石的波速各向異性特征, 本文對同一巖石樣品進行了相互垂直的3個方向取樣, 分別為垂直層理分向Sv、平行于層理分向Sh1和分向Sh2, 測量得到3方向縱波速度隨有效應力變化曲線如圖4, 橫波速度隨有效應力變化曲線如圖5所示。圖4a中,五峰組粉砂質頁巖(SY1585), 水平方向(Sh1和Sh2)的縱波速度高于垂直方向(Sv)的縱波速度。圖4b中,五峰組含粉砂頁巖(SY1594), 水平方向(Sh1和Sh2)的縱波速度高于垂直方向(Sv)的縱波速度, 且水平方向的波速在高壓時趨于相同。圖4c中, 寶塔組泥灰巖(SY1599), 垂向(Sv)縱波速度高于水平方向(Sh1和Sh2)的縱波速度, 且水平方向的波速在高壓時趨于相同。頁巖表現為垂直層面傳播的縱波速度小于水平傳播的縱波速度, 與鄧繼新等(2015)的研究結果相一致, 是由頁巖樣品中黏土等組成礦物及微裂隙的定向排列引起的。泥灰巖則表現為垂直方向的縱波速度最大, 在縱波各向異性方面, 泥灰巖與頁巖表現出了明顯的差異。圖5a和圖5b中, 五峰組粉砂質頁巖(SY1585)和五峰組含粉砂頁巖(SY1594), 水平方向(Sh1和Sh2)的橫波速度高于垂直方向(Sv)的橫波速度, 且水平方向橫波速度幾乎相等。圖5c中, 寶塔組泥灰巖(SY1599), 垂向(Sv)橫波速度在高壓下介于水平方向(Sh1和Sh2)的橫波速度之間, 且水平方向的波速差異明顯。頁巖的縱橫波速度低于相應泥灰巖的縱橫波速度。

為比較原位應力環境下, 不同巖性之間的波速差異, 本文根據桑頁1井取樣深度地應力測試結果,水平最大主應力為40.7 MPa, 估算了40.7 MPa應力環境下不同巖石的縱波差異, 如表4所示。頁巖之間波速差異性小, 最大值為粉砂質頁巖與含粉砂頁巖的6.8%; 頁巖與泥灰巖間的波速差異性大, 最小值為含粉砂頁巖的14.9%, 最大值為粉砂質頁巖的21.7%。波速差異便于進行巖性識別, 為精細的頁巖氣勘探開發提供基礎數據。

4 討論

巖芯彈性波速隨平均有效應力的增加而增加,通常歸因于孔隙度的減少、顆粒接觸的硬化以及微裂紋的閉合。低應力下隨應力增加, 彈性波速非線性增加通常與裂紋閉合有關。沉積巖等在沉積和壓實過程中, 各種本構礦物質層狀分布, 導致平行于層理存在弱面, 當巖芯從地下取出時, 應力釋放誘發沿著層理面的微裂紋, 頁巖即為典型代表, 隨著實驗過程中圍壓從5 MPa增加到100 MPa, 頁巖彈性波速非線性增加, 表明頁巖中微裂紋隨著圍壓的增加而逐漸閉合(鄧繼新等, 2015)。

表3　巖石樣品橫波速度測量結果Table 3 Shear wave velocity measurements of rock samples

表4　不同樣品波速差異對比Table 4 The difference of seismic velocity of rock samples

鄧繼新等(2004)給出的頁巖平均密度為2.62 g/cm3, 而本實驗中頁巖樣品平均密度為2.68 g/cm3, 除巖石成分略有差異外, 與本實驗中頁巖取自井下1 579 m、1 585 m與1 594 m處有關, 密度稍高。

對比粉砂質頁巖與含粉砂頁巖的波速可見, 相同圍壓下粉砂質頁巖的波速明顯低于含粉砂頁巖的波速, 主要原因是在于結構差異, 粉砂質頁巖紋層明顯, 微觀上的排列差異會對整體波速產生一定的影響。對比頁巖(硅質頁巖、粉砂質頁巖和含粉砂頁巖)的波速與密度可見, 頁巖彈性波速隨密度的增加而增加, 表明頁巖彈性波速與密度呈正相關關系。對比頁巖與泥灰巖的彈性波速可見, 二者差異較大, 可能主要受不同類型巖石礦物成分差異而產生的體積模量及密度差異所致(丁拼搏等, 2015)。對比頁巖(粉砂質頁巖和含粉砂頁巖)的橫波速度可見,水平方向(Sh1和Sh2)的橫波速度幾乎相等, 這與頁巖橫向各向同性相一致。對比不同巖性之間的速度差異可見, 泥灰巖的縱橫波速度高于相應頁巖的縱橫波速度, 代表了巖性差異對波速的影響。

頁巖中的波速各向異性有多重原因, 這包含黏土、有機質和組成礦物的優選排列以及孔隙度、裂紋的大小及分布等。Vernik和Liu(1997)認為, 巖石的各向異性取決于黏土礦物以及微裂隙排布方向的優選程度。頁巖平行于層理面的彈性波速明顯高于垂向, 是由微裂縫和層理面的影響。泥灰巖是一種由黏土和碳酸鹽巖微粒組成的介于黏土巖與碳酸鹽巖之間的過渡型沉積巖, 本身裂縫不發育, 但在構造應力的作用下, 常發育一些構造微裂縫(邢福松等, 2013)。由于泥灰巖上覆載荷的壓實作用, 水平或低角度裂縫幾乎消失, 而垂直裂縫和高角度裂縫容易得到保存(王孟華等, 2007), 這些裂縫的存在是導致泥灰巖垂直層理分向縱波速度高的主要原因。

5 結論

不同應力條件下的頁巖彈性波速是頁巖氣勘探開發的重要基礎資料。本文通過開展湘西桑頁1井龍馬溪—五峰組頁巖的彈性波速試驗, 獲取了南方盆地外復雜構造改造區頁巖的彈性波速特征, 認識如下:

(1)湘西桑頁1井龍馬溪組硅質頁巖的縱波速度為5.1～5.3 km/s, 五峰組粉砂質和含粉砂頁巖的縱波速度分布為4.8～5.1 km/s和5.2～5.5 km/s, 寶塔組泥灰巖的縱波速度為5.9～6.4 km/s, 實驗結果為周邊鄰區頁巖氣勘探開發, 特別是地震資料處理提供了基礎資料。

(2)原位應力環境下的實驗結果表明, 粉砂質頁巖與含粉砂頁巖的最大縱波速度差異為6.8%, 頁巖與泥灰巖間的縱波速度差異介于14.9%～21.7%之間。

(3)受微裂縫和層理面的影響, 在5～100 MPa壓力范圍內, 頁巖與泥灰巖表現出了不同的各向異性特征, 頁巖平行層理方向縱波速度明顯高于垂直層理方向, 而泥灰巖的縱波速度為垂直層理方向明顯高于平行層理方向。

致謝： 感謝中國地質科學院地質力學研究所王連捷研究員在本文成文過程中給予的指導和幫助; 感謝中國地質調查局油氣資源調查中心陳科博士、遼寧工程技術大學禚喜準博士和湖南省地質調查院熊雄工程師提供了相關基礎資料。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 12120115007401), and National Natural Science Foundation of China (No. 41404080).

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A Study of Elastic Properties of Shales from Sangye 1 Well in Western Hunan Province

LI A-wei1, 3), ZHAO Wei-hua1, 3), LI Hao-han2), MENG Fan-yang2), SUN Dong-sheng1, 3)*
1) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081; 2) Oil & Gas Resource Survey Center of China Geological Survey, Beijing 100029; 3) Key Laboratory of Neotectonic Movement & Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081

Abstract:With the development of exploration and production of the shale gas, the elastic properties of shale play an important role in the “sweet spot” discrimination. Seismic velocities and anisotropies with different confining pressures are important for geophysical exploration and reservoir assessment of the shale. Taking the core from SangYe 1 well of western Hunan as the study object, the authors measured the seismic velocity with different confining pressures. The result shows that the seismic velocities of siltstone, siliceous shale, silty shale and marlstone are 4.8～5.1 km/s, 5.1～5.3 km/s, 5.2～5.5 km/s and 5.9～6.4 km/s, respectively, with the confining pressures being 5～100 MPa. Under the condition of in situ stress state, the difference of compressional wave velocity between shale and marlstone is between 14.9% and 21.7%. For the microfracture and bedding, the perpendicular velocity of shale is lower than the horizontal velocity of shale, while the horizontal velocity of marlstone is lower than the perpendicular velocity of marlstone.

Key words:Longmaxi Formation shale; elastic velocity; anisotropy; experiment

中圖分類號:P588.22; P315.3; P534.43

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.10

收稿日期:2015-10-23; 改回日期: 2016-02-20。責任編輯: 魏樂軍。

第一作者簡介:李阿偉, 男, 1983年生。助理研究員。從事巖石物性及數值模擬等研究。E-mail: 164379284@qq.com。

*通訊作者:孫東生, 男, 1980年生。高級工程師。從事地應力及巖石物性實驗研究。E-mail: 43051312@qq.com。