川东南地区龙马溪组页岩声波特性研究

吴　涛，刘向君，袁　雯，冉　伟

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500）

川东南地区龙马溪组页岩声波特性研究

吴涛*，刘向君，袁雯，冉伟

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500）

为了探究龙马溪组页岩声波传播特性的规律，选取川东南地区下志留统龙马溪组页岩野外露头岩块，采取沿平行层理和垂直层理方向钻取岩芯，采用多频率超声波透射法系统地分析了龙马溪组页岩不同层理方向的岩石纵横波速度和密度的关系。研究结果表明，川东南地区龙马溪组页岩的纵横波速度呈显著的线性正相关，且其相关性不受层理方向影响；沿平行层理方向的纵横波速度明显大于垂直层理方向的纵横波速度；页岩纵、横波速度均与岩芯密度具有明显线性正相关；沿平行层理方向页岩纵、横波速度与层理密度呈线性正相关，而沿垂直层理方向页岩纵、横波速度与层理密度呈线性负相关。

页岩；声波；层理；密度；龙马溪组

1　概述

随着非常规页岩油气在美国的大规模商业开发，页岩油气已成为全球非常规能源勘探开发的热点，多国加入到页岩油气勘探开发热潮中。据多方发布的页岩气资源量数据来看，中国页岩气资源储量巨大，具有非常好的勘探开发前景。在页岩的相关研究中，岩石物理特性是国内外研究学者的研究热点，研究工作主要围绕页岩地球化学特征、理化性能及力学性质、矿物学特征、孔隙微观特征、含气性等方面开展［1-4］，而关于页岩地层的声波特性的研究报道较少［5］，特别是研究岩石的声波特性对于利用测井资料进行储层识别、评价及预测岩石物理参数有重要的意义。王大兴等［6］研究了不同含水饱和度下砂岩的纵、横波速度和衰减的变化；李维新等［7］研究了砂岩的纵、横波速度与岩石弹性参数变化规律及其关系；马中高［8］等讨论了岩石纵、横波速度与密度之间关系。因此，本文从前人总结的岩石声波普遍规律出发，考虑到页岩层理发育、非均质性强，对川东南地区龙马溪组野外露头页岩分别进行平行层理和垂直层理方向钻取岩芯，采用透射法进行声波速度测试，研究页岩声波特性，为页岩储层声波特性认识提供实验基础。

2　岩芯制备和实验设备

川东南地区（四川盆地东南部）的下志留系龙马溪组下段黑色页岩段有机质丰富，埋藏深度适中，有机质演化程度高，是四川盆地乃至整个上扬子地区页岩气勘探的重要层位之一。本文研究页岩样品采自重庆市下志留系龙马溪组露头页岩岩样，龙马溪组属海相沉积环境，该组下部为黑色页岩，上部为灰色、黄绿色泥质或粉砂质页岩，富含笔石。利用液氮取芯机分别沿垂直层理方向（图1-a）和平行层理方向（图1-b）进行岩芯（Ø25mm）钻取，总共取芯块数为106块，岩芯直径约为25mm左右，长度介于30.7～51.5mm，保证岩芯两端面不平整度误差不超过0.05mm，沿岩芯高度直径的误差不超过0.3mm，端面垂直于岩芯轴线最大偏差不超过0.25°。

测试仪器为西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室自行研制的承压型声波换能器，测试条件为常温（20℃左右），轴压恒定在0.5MPa，采用超声波透射法进行实验。应用不同激发频率（纵波25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、260kHz和 横 波260kHz）的探头发射出超声波脉冲，接收探头将透射后的声波信号经过示波器显示出来，通过Ultra Scope软件采集接收端探头声波波形。最后通过提取波形中的首播波速来进行波形数据分析。

图1　沿垂直和平行层理方向钻取的岩芯

3　试验结果分析

3.1纵、横波速度关系

对川东南地区龙马溪组页岩的纵、横波速度数据进行统计分析，为了使统计分析的结果可靠，为此剔除一些异常数据，包括每个层组的最大值或最小值及数据明显不合理的。不同层理方向的纵波、横波速度比关系分布见图2，从图2中可以看出，页岩岩石横波速度与纵波速度呈显著的线性正相关，线性相关系数为0.9617，说明页岩岩石的纵、横波速度间关系类似于砂岩、泥岩、火成岩等的纵、横波速度间的关系，同时也说明页岩的纵波、横波速度关系不随层理方向变化而变化，受层理方向的影响很小。其中平行层理方向的纵横波速度远大于垂直层理方向的纵横波速度，这是由于层理垂直层理方向层理对声波的传播起到了一个隔档的作用，绿圈内有几个垂直层理方向的高值点，经进一步分析发现，其岩芯密度为2.66～2.80g/cm3，而该批岩样的平均岩芯密度为2.43g/cm3，这几个异常高值点的出现表明，在岩芯密度较大的情况下，岩芯越致密，其声波速度受层理方向影响程度越弱。

不同层理方向条件下纵波速度关系、横波速度关系分布见图3，从图3中可以看出不同层理方向条件下页岩岩样纵波速度关系、横波速度关系均呈二项式正相关，其中纵波的相关系数为0.8304，横波的相关系数为0.6764。如图3所示，不同层理方向的声波速度关系存在明显的拐点，纵波速度关系的拐点位于3500m/s（平行层理）左右，当平行层理方向的纵波速度小于3500m/s的区间，垂直层理方向的纵波速度随平行层理方向的纵波速度变化的波动幅度小；当平行层理方向的纵波速度高于3500m/s的区间，垂直层理方向的纵波速度随平行层理方向的纵波速度增大而迅速增大；横波速度也有类似的变化规律，以2000m/s（平行层理）左右为拐点。也就是说不同层理方向对其纵波速度关系和横波速度关系的影响存在一个拐点。

图2　不同层理方向的纵波、横波速度关系

图3　不同层理方向的声波速度关系

3.2岩芯密度与声波速度关系

平行、垂直层理方向条件下纵波速度与岩芯密度关系分布见图4-a，平行、垂直层理方向条件下横波速度与岩芯密度关系分布见图4-b，从图中可以看出，页岩纵、横波速度与岩芯密度呈显著的线性正相关，相关系数为0.70左右。页岩岩芯密度变化范围为2.13～2.80g/cm3，平均密度为2.43g/cm3，在同一密度条件下，平行层理方向的声波速度大于垂直层理方向的声波速度，且随着密度的增加这种差异性呈喇叭状，既密度较小值时二者声波速度相差较小，密度较大时，二者声波速度相差较大。同时拟合了不同超声波频率下纵波与岩芯密度的关系，结果见表1，不同超声波频率下纵波与岩芯密度的相关性均较好。这也充分表明了页岩岩石层理的发育对页岩的纵、横波波速造成较大的影响。

图4　平行、垂直层理方向纵波和横波波速与密度的关系

表1　不同超声波频率下纵波速度与岩芯密度的关系

图5　不同层理方向纵波、横波速度与层理密度的关系

3.3层理密度与声波速度关系

平行层理方向条件下纵波、横波速度与岩芯层理密度关系分布见图5-a，垂直层理方向条件下纵波、横波速度与岩芯层理密度关系分布见图5-b。从图5-a中可以看出，页岩岩石纵、横波速度与层理密度呈显著的线性正相关，相关系数为0.6左右，平行层理方向的纵、横波速度随着层理密度的增大而增大，且随着层理密度的增加这种差异性呈喇叭状，既层理密度较小时二者声波速度相差较小，密度较大时，二者声波速度相差较大。从图5-b中可以看出，页岩岩石纵、横波速度与层理密度呈显著的线性负相关，相关系数为0.6左右，垂直层理方向的纵、横波速度随着层理密度的增大而减小，且随着层理密度的增大这种差异性呈倒喇叭状，既层理密度较小时二者声波速度相差较大，密度较大时，二者声波速度相差较小。同时拟合了不同超声波频率下纵波与层理密度的关系，结果见表2，由表2可见，不同超声波频率下纵波与层理密度的相关性均较好。这也充分表明了页岩岩石的层理发育对页岩的纵、横波波速造成较大的影响。

表2　不同超声波频率下纵波速度与层理密度的关系

4　结论

（1）川东南地区龙马溪组页岩岩石纵波速度与横波速度间呈显著的线性正相关，且其纵横波速度关系受层理方向的影响较小。

（2）沿平行层理方向的纵横波速度明显大于垂直层理方向的纵横波速度，沿不同层理方向页岩纵、横波速度均与岩芯密度具有明显线性正相关。

（3）沿平行层理方向页岩纵、横波速度与层理密度呈线性正相关，而沿垂直层理方向页岩纵、横波速度与层理密度呈线性负相关。

［1］王玉满，董大忠，李建忠，等.川南下志留统龙马溪组页岩气储层特征［J］.石油学报，2012，33（4）：551-561.

［2］熊伟，郭为，刘洪林，等.页岩的储层特征以及等温吸附特征［J］.天然气工业，2012，32（1）：113-116.

［3］杨峰，宁正福，胡昌蓬，等.页岩储层微观孔隙结构特征［J］.石油学报，2013，33（2）：301-311.

［4］Josh M.，Esteban L.，Piane C.D.，et al.Laboratory Characterization of Shale Properties［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2012，88-89：107-124.

［5］陈乔，刘向君，刘洪，等.层理性页岩地层超声波透射实验［J］.天然气工业，2013，33（8）：140-144.

［6］王大兴，辛可锋，李幼铭，等.地层条件下砂岩含水饱和度对波速及衰减影响的实验研究［J］.地球物理学报，2006，49（3）：908-914.

［7］李维新，史謌，王红，等.岩石物理弹性参数规律研究［J］.地球物理学进展，2007，22（5）：1380-1385.

［8］马中高，解吉高.岩石的纵、横波速度与密度的规律研究［J］.地球物理学进展，2005，20（4）：905-910.

P631

A

1004-5716（2016）02-0072-04

2015-03-03

2015-03-04

国家自然科学基金石化联合基金重点项目（U1262209）资助。

吴涛（1989-），男（汉族），湖南安化人，西南石油大学石油与天然气工程学院油气田开发工程专业在读硕士研究生，研究方向：岩石力学、非常规油气开发。