四川盆地龙马溪组页岩各向异性影响因素

周 枫， 刘卫华， 奚 相

(中国石化石油物探技术研究院，江苏南京211103)

四川盆地龙马溪组页岩各向异性影响因素

周 枫， 刘卫华， 奚 相

(中国石化石油物探技术研究院，江苏南京211103)

四川盆地下志留统的龙马溪组黑色页岩是国内页岩气勘探开发的重点区域，但是有关龙马溪页岩各向异性性质的研究还较少。在实验室开展模拟页岩储层压力条件下的超声波速度测试，研究龙马溪组页岩在不同方向的纵、横波速度以及各向异性参数随压力的变化规律。用矿物分析、X射线扫描的方法，分析页岩各向异性的影响因素，指出黏土含量、层理和有机质是引起龙马溪页岩各向异性的主要原因。

页岩；速度；各向异性；龙马溪组；四川盆地

0 引 言

页岩的微观结构比较复杂，复杂的矿物组分、有机质、黏土颗粒的定向排列以及微裂缝等对页岩弹性性质都会产生影响。一般将页岩看作是层状的线性弹性介质、线性的孔隙弹性介质或者是VTI介质进行研究。

大量的研究表明，页岩的各向异性可达70%(Johnston et al., 1995)，因而在页岩储层的地震资料处理以及振幅随偏移距变化(Amplitude Variation with Offset, AVO)技术、三维地震成像技术中必须要考虑到页岩各向异性所造成的影响。

国内外一些学者在不同条件下对页岩弹性性质进行了较为系统的实验研究。Jakobsen等(2012)提出利用等效介质理论来模拟黏土-流体页岩模型的弹性响应特征,影响页岩弹性各向异性的主要因素是矿物颗粒的形状以及排列方式；Sayers(2005)对页岩的弹性各向异性进行了理论模拟，也假设矿物颗粒的形状和排列方式是引起弹性各向异性的主要原因；Johnston等(1995)研究了Willison 盆地白垩系页岩在不排水条件下超声波速度各向异性问题；Vernik等(1992,1996)测试了干燥的Bakken页岩的弹性各向异性；Jones等(1981)测定了白垩系页岩在饱水状态下的超声波速度各向异性；Zhu等(2011)指出有机质丰度会影响页岩的各向异性强弱，可能是由于有机质定向排列的原因；邓继新等(2004)分别测定了干燥和油饱和的非储层页岩在实验室超声波频段的速度和衰减。

对于微裂缝引起的页岩弹性各向异性特征，前人进行了大量的研究(龙鹏宇等,2011；刘树根等,2011；周德华等,2012；邓继新等,2015；Hornby,1998；Vernik et al.,2011)。以上测试都得到一个共同的结论：由于黏土定向和有机质的存在，页岩存在着明显的地震各向异性。

由于实验中制样的困难, 国内对通常作为油气储集层盖层的泥、页岩地震速度和各向异性的岩石物理数据研究仍不充足，而页岩的弹性性质对于页岩气地震勘探、声波测井和微地震监测来说又有着显著的影响。

选择四川盆地东南地区下志留统龙马溪组作为研究对象，通过岩石物理实验、测试，开展页岩弹性性质的研究，采用X射线横断扫描分析页岩层理特征，从而对龙马溪组页岩的各向异性特征进行分析研究，指出黏土含量、层理和有机质是影响龙马溪组页岩各向异性特征的主要因素。

1 样品采集与处理

使用重庆涪陵地区龙马溪组黑色页岩样品，通过X射线衍射全分析获得样品的矿物组分信息，对不同页岩进行研究，绘制矿物组分三元图(图1)。样品主要属于富“砂”型页岩气储层，样品中的黏土矿物主要为伊利石，非黏土矿物有石英、黄铁矿、白云石和方解石，有机质在所有样品中都有分布。

图1 页岩样品三元矿物分布图Fig.1 Ternary mineral distribution of shale samples

所有样品都按照平行层理方向、垂直于层理方向、与对称轴呈45°的3个不同方向进行取芯，所取岩芯为φ50 mm的圆柱体，样品两端进行打磨处理，保证端面平整度为±0.05 mm。

根据振动方向、传播方向和层理的关系可以得到9个速度(图2):平行对称轴(垂直于层理)方向传播的vpv(振动方向平行于对称轴)、vsv1(振动方向在层理面内且垂直于对称轴)、vsv2(振动方向在层理面内，并与vsv1振动方向垂直)；平行层理(垂直对称轴)方向传播的vph(振动方向垂直于对称轴)、vsv(振动方向垂直于层理)、vsh(振动方向在层面内且垂直于传播方向)；与对称轴成一定角度传播的vqpθ(振动方向与传播方向一致)、vsvθ(振动方向水平)、vshθ(振动方向同时垂直于vqpθ与vsvθ)。

图2 样品弹性波速度测量示意图(图中箭头代表弹性波传播方向，白线为层理方向)(a) 垂直层理取芯样品；(b) 平行层理取芯样品；(c) 与层理呈一定角度取芯样品Fig.2 Sketch showing measurement of elastic wave velocity(The arrows represent the propagation direction of elastic wave, and white lines are bedding′s direction)(a) core samples vertical to bedding; (b) core samples parallel with bedding; (c) core samples with a certain angle with the bedding

2 实验方法

页岩超声波速度的测量在MTS815型岩石力学参数测试仪上完成。按照研究区页岩储层的测井压力数据，确定测试最大围压为60 MPa。用超声波脉冲穿透法测定样品速度, 配套纵波PZT 换能器的主频为500 kHz, 横波主频为250 kHz。 实验中, 压力从5 MPa 开始加至60 MPa, 每5 MPa 测量1次。

X射线扫描被用于定量分析页岩中的层理与微裂缝。采用的设备为Phoenix V tomex型3D计算机断层扫描仪(美国通用公司)，其最高采样分辨率可达到1 μm。样品为φ5 cm的圆柱体页岩岩芯，实际扫描分辨率为50 μm。每块样品可获得1 060张980×1 005像素的二维CT切片图。

通过VGStudio软件将这些二维图像进行处理和叠加组合得到样品的三维图像，并对样品的层理特征进行分析。

3 实验结果与分析

3.1 各向异性与压力的关系

图3 页岩样品纵波速度变化曲线Fig.3 Variation curves of P-wave velocity of shale samples

图3给出了龙马溪组页岩垂直层理取芯样品的加压实验结果，样品的横波和纵波都与压力呈正相关关系，速度-压力曲线在低压时有一段类指数增长，而在高压时为线性增长。

对于此现象的一个简单解释为：低压时的指数增长与微裂隙和粒间孔隙的闭合有关，而高压时的线性增长则与硬孔隙在压力下的反应即“晶格压缩”有关，这说明样品内部有着纵横比较小的微裂隙存在。

图4为干燥条件下样品各向异性参数ε、γ随压力的变化图，参数ε和γ分别反映纵波速度和横波速度的各向异性。当样品密度取每组样品的平均密度时，这2个参数可以用以下公式计算得到。

(1)

式(1)中的c11,c33,c44,c66和c13都是表征横向各项同性介质弹性性质的弹性参数。

随着围限压力的增加,页岩各方向的纵、横波速度均增大, 但各向异性参数ε和γ却随压力的增加而减小, 说明页岩的纵、横波各向异性随着压力而减弱，这是由于微裂隙大部分平行于层理且在黏土矿物粒间发育，围压的增大导致微裂隙的逐渐闭合，继而导致各向异性的减小。

图4 页岩样品各向异性参数随压力变化曲线Fig.4 Variation curves of anisotropy parameters with pressure of shale samples

3.2 黏土对各向异性的影响

实验结果图5显示，黏土含量对页岩的纵、横波速度值有很大影响：黏土含量较低的样品纵、横波速度分别达到4 500、2 600 m/s以上；随着黏土含量的增加，样品的纵、横波速度出现较大下降；黏土含量较高的2块样品纵、横波速度分别在3 500、2 000 m/s以下。

图5 各向异性与黏土含量变化规律Fig.5 Variations of anisotropy with clay content

页岩中的黏土矿物具有成层性、一定的定向分布性，黏土含量被认为是影响页岩各向异性的重要因素。图5给出了50 MPa压力下实验样品的黏土含量与各向异性参数的变化关系。各向异性参数ε、γ与黏土含量都呈线性正相关，其拟合关系式分别为：

ε=0.007 1vclay-0.059 9 (R2=0.89)

γ=0.008 6vclay-0.083 (R2=0.86)

(2)

3.3 层理对各向异性的影响

页岩具有强烈的各向异性，普遍认为引起各向异性的原因大致有矿物组分的多样性、黏土矿物颗粒的定向排列、微裂缝等原因。

在龙马溪组页岩中，发现页岩储层中存在大量的层理，可能是由于页岩的沉积环境变化以及成岩作用过程中不同矿物的相互胶结，形成了很多在矿物成分上有明显差异的“薄互层”。选择矿物组分近似的3组龙马溪组页岩样品进行对比分析。图6是3组样品平行层理方向页岩样品的实物照片，可以看到3组样品中层理的发育程度存在比较明显的差异。

图6 不同页岩样品中的层理特征Fig.6 Bedding features of different shale samples

图7 页岩样品X射线CT分析结果Fig.7 X-ray CT analysis results of shale samples

为了对样品的层理特征进行进一步分析，在X射线CT上对3组样品进行三维扫描，然后将得到的图像进行重构，获得样品的三维灰度图像。采用VGStudio软件对样品三维图形进行分析(图7)，能够清晰地看到3组样品的层理特征有比较明显的差别。S1样品中的层理较不明显，灰度值显示没有高密度的矿物分布；S2样品中可以发现若干层理面，在垂直于层理方向的样品中发现多个高密度矿物充填的层理面，在与层理呈45°的样品中，发现1个明显的高密度矿物充填层理面；S3样品中的层理十分明显，能够分辨的层理面多达数十个，并且发现高密度矿物存在于多个层理面中。

以层理最为明显的S3样品为例，在垂直于层和平行于层的方向上分别截取1个切面，采用霍夫变换算法在2幅图像上对层理面进行识别(图8)。图中可辨识的层理面数量为51个，在层理面之间还夹杂了大量的高密度矿物。

图9给出3组样品的各向异性参数随压力的变化曲线。可以发现，层理不明显的2组样品(S1和S2)，各向异性参数均在0.1以下；而层理非常明显的1组样品(S3)各向异性达到20%以上，由此可以说明层理是影响页岩各向异性的重要因素之一。

图8 页岩层理分析结果Fig.8 Analysis results of shale bedding

3.4 有机质对各向异性的影响

有机质含量是影响页岩各向异性的另一个因素，实验数据表明，样品中TOC质量分数在2.2%～5.4%之间，有机质质量分数在5%以上的样品有2块，3.5%以下的样品有6块。各向异性参数ε、γ与TOC的关系显示，有机质含量高的样品，其各向异性参数明显高于有机质含量低的样品，有机质的含量对各向异性有比较明显的影响(图10)。

图9 各向异性参数随压力变化曲线Fig.9 Variation curves of anisotropy parameters with pressure

图10 页岩样品各向异性随TOC质量分数的变化规律Fig.10 Variation of anisotropy with TOC content of shale samples

4 结 论

(1) 龙马溪组页岩表现出强烈的各向异性,随着压力的增高, 各个方向的速度均增加, 但表征样品纵、横波各向异性的参数ε、γ呈减小趋势。

(2) 实验样品中的黏土含量变化较大，对页岩各向异性的影响也最大。

(3) 层理在页岩样品中普遍存在，不同层理发育程度的样品呈现的各向异性特征相差较大。

(4) 样品中的有机质含量较低，但是不同有机质含量的样品也呈现出明显的各向异性差异。

实验结果表明，黏土含量、层理和有机质含量是影响龙马溪组页岩各向异性特征的主要因素。

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Controlling factors on anisotropy of the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin

ZHOU Feng, LIU Weihua, XI Xiang

(Sinopec Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, Jiangsu, China)

The Lower Silurian Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin is an important shale gas reservoir for shale gas exploration in China, but the anisotropy of the Longmaxi Formation shale has been little studied. This study examined the velocity under the reservoir pressure conditions by ultrasonic testing method, and studied the velocity variation patterns of P-wave and S-wave in different directions and those of anisotropy with pressure. Mineral analysis and X-Ray scanning techniques were applied to reveal the controlling factors on the anisotropy. It is inferred that clay content, micro-bedding and organic matter are responsible for the anisotropy.

shale; velocity; anisotropy; Longmaxi Formation; Sichuan Basin

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.583

2015-10-26；

2015-11-18；编辑：陆李萍

国家重大专项(2016ZX05036005-001)，国家重点基础研究发展计划(“973”项目计划)项目(2014CB239201)

周枫(1981— ),男，高级工程师，博士，主要从事非常规油气储层岩石物理研究，E-mail: zhoufeng.swty@sinopec.com

P618.12

A

1674-3636(2016)04-0583-06