四川盆地龙马溪组页岩声波特性 与断裂韧性实验研究

石长有，刘向君，张 茜，熊 健，梁利喜，魏晓琛

（1.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；2.东方地球物理公司物探技术研究中心成都分中心，四川成都 610500）

近年来，随着我国的能源结构不断进行调整，各种环境问题凸显出来，天然气作为一种清洁的非常规油气资源受到越来越多的重视[1-5]。在北美地区，页岩气的迅速发展使得人们逐渐认识到页岩气资源重要的战略地位[6]。在我国，作为地质资源的页岩气，其储量为134×1012m3，其中技术可采储量为25×1012m3，表明其具有巨大的开发潜力[7-8]。国内外的学者针对不同岩石的声波影响因素和力学特性进行了研究，陈治喜等[9]对岩石断裂韧性与声波速度的相 关性进行了研究，孟召平等[10]对煤系岩石声波速度 及其影响因素进行了分析研究，孟庆山等[11]对碳酸盐岩的声波特性进行了分析研究。页岩作为页岩气 的储层，其声波特性是评价岩体质量的重要指标，在这一方面的研究和报道却较少[12-15]。断裂韧性作 为判别材料稳定的一项重要指标，可以表征材料抵抗裂纹扩展的性能[16-20]。在压裂的过程中，断裂韧性对裂缝的起裂及延伸都会产生影响，只有当裂缝尖端的应力强度因子大于断裂韧性时，裂缝才会扩展。水平井和分段压裂等是保证页岩气能够被高效开发利用的技术，对于页岩储层的可压性评价，断裂韧性是一项重要的评价参数。目前国内外对于页岩力学性质的研究主要集中在抗张强度和抗压强度等方面，对页岩断裂韧性的研究报道却不多见[21-26]。

本文在前人研究成果的基础上，对四川盆地龙马溪组页岩的声波特性进行研究，建立物理参数与声波特性的关系，采用人字形切槽巴西圆盘试样，测试页岩的Ⅰ型断裂韧性值KIC，研究该岩样的断裂力学特性，并建立其与声波特性的关系，为进一步认识页岩储层的声波特性和断裂韧性提供实验基础。

1 样品与实验方法

研究中所采用页岩样品为古生界下志留统龙马溪组，采样地区位于四川盆地东南部。声波测试所采用的方法为透射法，使用仪器为西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室的承压型声波换能器。在常温（20 ℃）、轴压恒定为0.3 MPa 的条件下进行测试，所采用的激发频率分别为25，50，100，260 kHz 的纵波探头以及260 kHz 的横波探头。

对于所采岩样，根据有关标准及ISRM（国际岩石力学学会）推荐测试断裂韧性的方法——人字形切槽巴西圆盘法，按照垂直层理的方向钻取直径为74 mm，厚度为30 mm 的巴西圆盘试样9 块。试样的加载方式为沿平行人字形切槽方向在两端施加集中荷载，采用恒定位移控制对试样进行加载。根据ISRM 建议测试方法，CCNBD（人字形切槽巴西圆盘）试样断裂韧性计算公式为：

式中：KIC为I 型断裂韧性值，MPa·m0.5；Pmax为最大破坏载荷值，kN；D 为试样直径，cm；B 为试样厚度，cm；Y*min为无量纲临界应力强度因子，仅由岩样的几何参数α0、α1和αB决定。

实验测试及计算得到的圆盘岩样基础物性和断裂韧性见表1。由表可知，所测试的断裂韧性值为0.474 4～0.875 2 MPa·m0.5，平均值为0.698 1 MPa·m0.5。

表1 基础物性及断裂韧性测试结果

2 结果与分析

2.1 载荷-位移曲线

实验时，在试样的两端沿平行切槽的方向进行加载，加载过程中，轴向的压缩变形会引起横向上产生相应的拉伸变形，最终使得弹性应变能在韧带区不断积聚，并转化为横向拉张应力作用。裂纹在人字形裂纹端部的拉张应力达到岩石最大抗拉强度时开始起裂，弹性应变能在裂缝起裂后迅速释放并导致裂纹面的急剧扩展，最后岩石破裂。利用巴西圆盘的方法进行测试所得到的部分载荷-位移曲线 如图1 所示。对图1 中曲线观察可知，整个过程可大致分成三个阶段，在初始加载阶段，由于页岩不 断地被压实，其曲线呈现非线性变形；第二阶段加载过程中，岩样发生弹性变形，此时曲线基本上表现为线性发展，反映出岩样在加载过程中其微裂隙 进行稳定的扩展并逐渐发展成核；第三阶段的曲线是非线性的，在该过程中，所施加载荷在达到峰值后急剧下降，岩样中主裂纹急剧扩展贯通直至破裂，并伴随有大的破碎声响，同时部分岩样碎块崩裂，这一阶段的曲线反映出岩样主裂纹的贯通失稳过程。整个曲线显示出岩心被破坏前呈弹性变形，达到载荷最大值后急剧降低的脆性特征[19]。

图1 部分岩样载荷-位移关系曲线

2.2 纵波与横波速度的关系

近年来，很多学者在岩石的纵横波速度测量与分析上进行了大量实验研究，获取了不同岩性的纵横波速度关系。张守伟等对砂岩、泥岩以及白云岩的纵横波速度关系进行了研究，得出其关系均呈正相关，相关系数均在0.720 以上；曾葫等对煤岩的纵横波速度关系进行研究，得出其关系呈正相关，相关系数为0.940；马中高等对砂岩、泥岩、生物灰岩和火成岩的纵横波速度关系进行研究，得出其关系均呈正相关，相关系数分别为0.955，0.960，0.971，0.970。本文对四川盆地龙马溪组页岩样品的纵波与横波进行数据统计与分析。龙马溪组页岩样品纵波与横波速度呈正相关关系（图2），其纵波与横波之间的关系与煤岩、火成岩、砂岩和泥岩等是类似的，然而对于页岩来说，由于其非均质性强且层理发育，因此，其相关系数相对其它岩石而言较低。

图2 纵波与横波速度的关系

2.3 页岩密度对声波速度的影响

在岩石物理学中，对影响密度的因素进行研究，建立密度和速度等岩石参数间的关系是研究的重点。由于岩石物理性质具有复杂性的特点，密度和速度之间的关系在不同地区具有差异性，因此，直接将前人研究所得到的经验关系应用到其他地区是不合适的。为了能更好地指导四川盆地地区页岩气的开发，研究龙马溪组页岩的密度和声波速度之间的关系是十分重要的。研究表明，随着密度的增大，页岩声波速度总体的变化趋势也随着增大，这说明页岩发育的密实程度与纵波波速有一定的关系，即所测得的声波速度越大，岩石的密实程度越高。

2.4 频率与声波特性的关系

针对所选取的页岩样品，选用纵波频率分别为25，50，100，260 kHz，横波频率为260 kHz 的探头进行超声波的透射实验，以研究频率与声波特性的关系。部分试样声波速度与频率的关系见图3，从图中可知，随着声波频率的增大，声波速度总体上的趋势也是增大的，且相关性较好，频散现象明显；声波的衰减系数与测试频率也呈正相关。在储层评价中，该结果对声波参数的选择具有一定的指导意义。

图3 声波速度与频率的关系

2.5 断裂韧性与声波属性的关系

断裂韧性与声波速度的关系见图4，由图可知，断裂韧性与声波速度具有显著的正相关性。波阻抗反映的是声波在地质体中的传播速度与地质体密度的信息，可对地质体进行物性描述，通过对所采岩样断裂韧性与波阻抗的关系进行分析，可得其关系为正相关。断裂韧性与衰减系数的关系见图5，由图可知，断裂韧性与衰减系数呈负相关。通过对实验数据进行分析，当波速增大时，可判断样品的压实程度高且微裂隙不发育，这就导致了在相同的载荷条件下，样品断裂韧性值的增加；同时，断裂韧性增加即岩样的密实程度变大，相同频率的声波通过岩样时衰减就会减少。该实验结果在断裂韧性的预测方面具有一定的意义，在油气藏的勘探和开发中具有一定的参考价值。

图4 断裂韧性与声波速度的关系

图5 断裂韧性与衰减系数的关系

3 结论

用透射法对四川盆地东南部下志留统龙马溪组页岩进行声波速度测定，采用人字形切槽巴西圆盘法测试其断裂韧性，测得断裂韧性为0.474 4～0.875 2 MPa·m0.5，说明其具有显著的各向异性；页岩纵横波速度之间呈正相关性，声波速度与密度、测试频率以及衰减系数均呈正相关性；断裂韧性与声波速度和波阻抗呈正相关性，与衰减系数呈负相关性。