不同岩性岩石的物理性质实验研究

裴浩辰，熊 健，丁怀硕，戎成干，廖文海

（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）

油气勘探是油气开发过程中一个重要环节，其是油气田开发的基础，其目的是寻找和查明油气资源，想要达到这一目的，除了先进的勘探技术，需要研究不同岩性岩石的物理性质及其差异。

国内外学者对多种不同岩性岩石的密度、声波、孔隙度和渗透率等物理性质进行了系统研究，并取得了大量的认识。杨晓松等[1]指明岩石物理性质研究的重要性在于它为地表地球物理观测结果的解释提供科学的约束条件，标度地球物理参数；黄裕萌等[2]以四川盆地须家河致密砂岩为研究对象，研究了含水饱和度对致密砂岩声学特性的影响，以及致密砂岩的各向异性；朱水英等[3]对莺-琼盆地的泥岩、砂岩、灰岩及含气砂岩的纵横波速度比进行研究，在此基础上讨论了纵、横波时差和纵横波速度比与密度、孔隙度、流体类型的关系；刘洪文[4]针对济阳坳陷的实验室岩石物理测试数据，研究了岩性、孔隙度和渗透率等因素对密度与速度关系的影响；王建伟等[5]按华北陆块、大别造山带、扬子陆块三大构造域，系统整理统计了安徽省区域地层岩石密度、磁性参数，以及各类侵入岩和部分岩矿石的物性参数；王世广等[6]通过测量超声波在岩石样品中的传播速度，研究了岩石的结构构造、密度、孔隙度和弹性模量等物理特性对超声波传播的影响；李昊远[7]讨论了各个结构参数与物性的相关性和影响因素，研究结果表明较少的大孔发育可能是导致致密砂岩渗流能力较弱的原因；黄开桦等[8]研究了致密砂岩岩样声波速度、弹性各向异性的影响因素及特点；Nguyen 等[9]基于力学理论提出一种多孔岩石的有效渗透率模型，验证了应力诱导渗透率变化规律；Kushnir 等[10]研究了上莱茵地堑以西四个地区局部延伸过古生界-二叠系-三叠系界线的岩石的孔隙度、纵波速度、渗透率、单轴抗压强度和热物性等物理性质的变化。这些研究结果说明国内外研究学者对不同岩性岩石的物理性质进行了研究，并取得了大量的认识，这将有助于人们认识岩石的物理性质参数，然而针对不同岩性的岩石物理性质差异的研究结果相关报道较少。

本文以四川盆地和新疆塔里木盆地不同层组的地层岩心为研究对象，岩性包括粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、碳酸盐岩、白云岩、灰岩、泥岩、龙马溪页岩和五峰组页岩等，利用实验室仪器测量并计算出岩样的密度、波速、孔隙度和渗透率等物理性质参数，研究不同岩性岩石的物理性质，在此基础上，讨论不同岩性岩石物理性质的差异和各物理性质之间的联系。

1 实验方法与样品

本次研究中实验样品包括九种岩性，岩样主要采集四川盆地和新疆塔里木盆地不同层组的地层岩心，其中塔里木盆地包括白垩系巴什基奇克组的粗砂岩、第三系吉迪克组的粉砂岩、古近系苏维依组的泥岩，四川盆地包括三叠系须家河组的细砂岩、三叠系飞仙关组的碳酸盐岩、三叠系雷口坡组的白云岩、三叠系雷口坡组灰岩、志留系龙马溪组的页岩、奥陶系五峰组的页岩。每种岩性岩石钻取4 块标准岩心，总共有36 块岩心实验样品，用于基础物性测试，包括岩石密度、声波、渗透率以及孔隙度等物理性质测试。采用致密岩心气体孔渗测定仪对岩样的孔隙度和渗透率进行测试，该仪器以氦气为测试介质，模拟地层温度及压力条件，分别基于波义尔定律、达西定律实现致密岩心孔隙度和渗透率的测定。采用多频超声波测试仪测量并计算得到岩石的声波速度。该仪器由声波激发器、两个超声波探头、轴压夹持器、示波器、计算机及配套软件组成，其能够对声波波形进行精确的记录（见表1）。

2 实验结果与分析

2.1 岩石矿物组成

不同岩性样品的矿物组成测试结果（见图1）。从图1 中可看出，不同岩性岩样的矿物组成和矿物含量存在较明显的差异，但不同岩性的主要的矿物组成基本一致，包括石英、黏土矿物、长石和碳酸盐。其中粗砂岩样品中主要矿物为黏土矿物和石英，黏土矿物含量为33.68 %～36.89 %（平均34.16 %），石英矿物含量为30.82 %～34.56 %（平均32.98 %），还含有正长石（平均18.51 %）和方解石（平均14.36 %）；细砂岩样品中主要矿物为石英和黏土矿物，石英含量为51 %～57.1 %（平均54.98 %），黏土矿物含量为12.2 %～21.4 %（平均15.35 %），还含有正长石（平均7.6 %）、斜长石（平均7.83 %）、方解石（平均6.7 %）、白云石（平均7.55 %）；粉砂岩样品中主要矿物为石英和方解石，石英矿物含量为31.1 %～39.6 %（平均34.11 %），方解石含量为23.3 %～36.6 %（平均30.25 %），还含有黏土矿物（平均18.19 %）、正长石（平均11.27 %）、白云石（平均6.17 %）；碳酸盐岩样品中主要矿物为黏土矿物和石英，黏土矿物含量为22.09 %～28.03 %（平均24.67 %），石英矿物含量为25.68 %～35.3 %（平均29.46 %），还含有斜长石（平均19.62 %）、方解石（平均10.4 %）、白云石（平均15.85 %）；白云岩样品中主要矿物为白云石，其含量为89.62 %～97.06 %（平均93.67 %），还含有方解石（平均5.52 %），含少量石英和斜长石；灰岩样品中主要矿物为方解石，其含量为88.22 %～95.44 %（平均92.66 %），还含有白云石（平均6.42 %），含少量石英；泥岩样品中主要矿物为黏土矿物和石英，黏土矿物含量为25.58 %～39.98 %（平均34.07 %），石英矿物含量为26.68 %～37.72 %（平均30.46 %），还含有斜长石（平均19.62 %）、方解石（平均15.85 %）；龙马溪页岩样品中主要矿物为石英和方解石，石英矿物含量为40.46 %～44.41 %（平均42.87 %），方解石含量为21.05 %～22.18 %（平均21.87 %），还含有黏土矿物（平均15.72 %）、斜长石（平均6.51 %）、白云石（平均11.12 %），含少量黄铁矿；五峰组页岩样品中主要矿物为黏土矿物和石英，黏土矿物含量为29.31 %～39.2 %（平均35.77 %），石英矿物含量为23.24 %～31.01 %（平均25.29 %），还含有正长石（平均1.86 %）、斜长石（平均2.8 %）、方解石（平均16.59 %）、白云石（平均12.87 %），含少量黄铁矿。这说明了本次研究的不同岩性岩石的矿物组成和矿物含量存在差异，这些差异将造成岩石的其他物理性质间存在差异。

表1 实验样品基础物性Tab.1 Basic physical properties of experimental samples

图1 岩石矿物组成Fig.1 Rock mineral composition

图2 不同岩性岩石密度变化Fig.2 Density change of rocks with different lithology

2.2 岩石的密度

由测量出的基础数据长度、直径、质量（表1）计算出岩石密度（见图2）。从图2 中可看出，不同岩性岩石的密度存在较明显的差异，其中细砂岩、白云岩和灰岩密度较大，粗砂岩密度最小。结合图1（岩石的矿物组成）可看出，岩石中重矿物含量较高时，其密度相对较大。同时，从密度与孔隙度关系图（见图3）中可看出，岩石的密度与孔隙度具有较好的负线性相关性，即孔隙度越大，岩石密度越小。这说明了不同岩性的密度存在差异，且与岩石的矿物组成与孔隙度有关。

图3 不同岩性岩石密度与孔隙度的关系Fig.3 The relationship between density and porosity of rocks with different lithology

2.3 岩石的孔隙度、渗透率

图4 不同岩性岩石孔隙度变化Fig.4 Porosity change of rocks with different lithology

图5 不同岩性岩石渗透率变化Fig.5 Permeability change of rocks with different lithology

岩石的孔隙度测试结果（见图4）。从图4 中可看出，不同岩性岩石的孔隙度存在差异，其中粗砂岩的孔隙度最大，其次是碳酸盐岩，且白云岩的孔隙度最小。砂岩中，粗砂岩的孔隙度大于粉砂岩的孔隙度，且粉砂岩的孔隙度又大于细砂岩的孔隙度，这可能是因为砂岩孔隙度与其颗粒的粒级大小有关。岩石的渗透率测试结果（见图5）。从图5 中可看出不同岩性岩石的渗透率存在差异，其中粗砂岩的渗透率远大于其他岩石的渗透率，这是由于粗砂岩较疏松，颗粒较大造成的，其他几种岩性岩石的渗透率相对较小，这可能与岩石致密程度有关。同时，从图5 中还可以看出泥岩、细砂岩的同组岩心渗透率差异较大，这可能与岩石自身非均质性有关。

图6 不同岩性岩石孔隙度与渗透率的关系Fig.6 The relationship between porosity and permeability of rocks with different lithology

为了更为直观的对比孔隙度与渗透率之间的关系，绘制关系图（见图6）。从图6 中可看出岩石的孔隙度与岩石的渗透率之间具有良好的正相关性，即岩石的孔隙度增大时，渗透率也随之增加。这是因为岩石的孔隙度越大，其内部孔隙空间越大，越有利于气体渗透穿过岩石，造成渗透率越大。

2.4 岩石的波速

图7 不同岩性岩石在25 kHz 下的纵波波速Fig.7 P-wave velocity of rocks with different lithology at 25 kHz

图8 不同岩性岩石密度与波速的关系Fig.8 The relationship between rock density and wave velocity in different lithology

图9 不同岩性岩石孔隙度与波速的关系Fig.9 Relationship between porosity and wave velocity of rocks with different lithology

不同岩石的纵波速度测量结果（见图7）。从图7中可看出，不同岩性岩石的纵波速度存在一定差异，其中粗砂岩的纵波速度较小，其次泥岩的纵波速度相对较小，细砂岩、白云岩、灰岩和五峰组页岩的纵波速度较大。从岩石的密度和波速间的关系图（见图8）中可看出，不同岩性岩石的密度与纵波速度呈线性正相关，即岩石密度越大，岩石波速越大。同时，从岩石的孔隙度与波速间关系图（见图9）中可看出，不同岩性岩石的孔隙度与波速呈线性负相关，即岩石的孔隙度越大，波速越小。

3 总结

（1）不同岩性岩石的矿物组成和矿物组成含量存在较明显的差异。

（2）岩石的密度差异与岩石中的矿物组成和孔隙度有关。重矿物含量增大，岩石密度增大，而岩石的孔隙度增大，其岩石密度将减小。

（3）岩石的波速与密度呈线性正相关，而岩石的波速与孔隙度呈线性负相关。岩石的孔隙度与渗透率间存在良好的线性正相关性。