層理性頁(yè)巖地層超聲波透射實(shí)驗(yàn)

摘要

摘　要：層理發(fā)育的硬脆性頁(yè)巖的聲波響應(yīng)特征是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中測(cè)井資料應(yīng)用的基礎(chǔ)，為獲得對(duì)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層超聲波傳播特性的認(rèn)識(shí)，選取渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組野外露頭巖塊

摘　要：層理發(fā)育的硬脆性頁(yè)巖的聲波響應(yīng)特征是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中測(cè)井資料應(yīng)用的基礎(chǔ)，為獲得對(duì)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層超聲波傳播特性的認(rèn)識(shí)，選取渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組野外露頭巖塊，通過(guò)波速初步篩選出橫向各向同性的大巖樣，在此基礎(chǔ)上鉆取不同層理方向的小巖柱，進(jìn)行室內(nèi)多頻率超聲波透射實(shí)驗(yàn)，以獲取不同層理下的聲波傳播規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①實(shí)驗(yàn)用巖樣以黑色、灰黑色及深灰色頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，孔隙度變化范圍為l.5％～2.5％，大部分巖樣的滲透率小于lmD；②在0°～90°范圍內(nèi)，隨層理傾角的增加，波速減小趨勢(shì)明顯，衰減系數(shù)增加；③波速與孔隙度呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性，隨孔隙度增加，衰減系數(shù)增加且增加程度隨層理傾角變大而加??；④波速與頻率呈對(duì)數(shù)增加的趨勢(shì)，頻散現(xiàn)象明顯，衰減系數(shù)隨頻率增加而增大。所得到的頁(yè)巖層理與聲波屬性相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中建立準(zhǔn)確的地層巖石強(qiáng)度剖面及井壁穩(wěn)定分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：渝東南地區(qū) 早志留世層理性頁(yè)巖露頭巖塊超聲波透射孔隙度滲透率層理傾角衰減系數(shù) 頻散

An experimental study of ultrasonic penetration through bedding shale reservoirs

Abstract：The acoustic response of bedding hard brittle shales is the foundation of well logging data interpretation during the shale gas development process．To better understand the ultrasonic penetration through bedding shale reservoirs，we first collected the shale outcrops from the Lower Silurian Longmaxi Shale in southeast Chongqin9，and transversely isotropic large rock samples were preliminarily screened with the velocity test method to acquiring comprehensive knowledge on the propagation characteristics of the ultrasonic wave of bedding shale reservoirs．On this basis，cores were drilled from different bedding direction，Hieanwhile multi frequency ultrasonic transmission，experiments were performed in the laboratory，thereby to get the law of acoustic wave propagation in different bedding directions．The following findings were obtained．a．Rock samples used in the experiments are mainly composed of black shale，gray and black shale，dark gray shale and silty mudstone，the porosity of which ranges from l.5％to 2.5％，and the permeability of which is mostly less than lmD．b．With the increase of the bedding angle within the range of 0°-90°．the wave velocity decreases obviously while the attenuation coefficient increases．c．There is a good negative correlation between the wave velocity and porosity．Attenuation coefficient increases with the increase of porosity and its increasing degree becomes greater with the in crease of the bedding angle．d．The wave velocity and the frequency both increase in a logarithm tendency，the dispersion phenomenon is obvious，and the attenuation coefficient increases with the increase of frequency．The above experimental results about thc correlation between rock acoustic properties and bedding formation of shales provide a reliable experimental basis，based on which an accurate formation rock strength profile and wellbore stability analysis can be established in the process of shale gas development．

Key words：outcrop sample，ultrasonic penetration，porosity，permeability，bedding dip，attenuation coefficient,dispersion

近年來(lái)，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)成為我國(guó)能源界的研究熱點(diǎn)，作為儲(chǔ)層的頁(yè)巖地層也受到了工程師和學(xué)者們的廣泛關(guān)注^[1-5]。超聲波數(shù)據(jù)是油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中測(cè)井解釋的重要資料，頁(yè)巖地層層理發(fā)育，研究層理性頁(yè)巖結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波響應(yīng)的影響，對(duì)于利用測(cè)井資料^[6-7]進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層識(shí)別和了解地下層理結(jié)構(gòu)變化情況均具有重大意義。自1981年Jone等研究了美國(guó)Williston盆地白堊系頁(yè)巖在不排水條件下超聲波速度各向異性問(wèn)題以來(lái)，圍繞頁(yè)巖巖石的聲波傳播特性展開(kāi)了大量研究^[8]。

SONG Insun等^[9]在靜態(tài)壓力達(dá)到70MPa的條件下，利用小柱塞縱橫超聲波透射實(shí)驗(yàn)來(lái)分析與層理平面垂直和平行兩個(gè)方向的彈性各向異性，同時(shí)，還通過(guò)縱橫波速度估算了層狀巖心的彈性模量。Carl HSondergeld^[10]利用超聲波的透射實(shí)驗(yàn)的手段，分析了不同角度的層理?xiàng)l件下，圍壓對(duì)縱、橫波波速的影響。Tutuncu，A．U等^[11]通過(guò)滲透率、超聲波和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的綜合測(cè)試確定了頁(yè)巖橫向各向異性的存在，該物理測(cè)試方法可以用于獲取低滲儲(chǔ)層的滲透率方位。這些理論為利用多參數(shù)反演頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

由于實(shí)驗(yàn)中頁(yè)巖制樣的困難，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)作為油氣儲(chǔ)集層蓋層的頁(yè)巖地層聲波速度和各向異性的巖石物理數(shù)據(jù)研究^[12-13]較少，他們主要針對(duì)一些變質(zhì)巖和火成巖的聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，頁(yè)巖地層聲波響應(yīng)特征研究還不夠成熟。筆者選擇渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組層理性頁(yè)巖野外露頭，鉆取22塊巖樣，進(jìn)行不同層理結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)特征研究，以期獲得對(duì)層理性頁(yè)巖儲(chǔ)層超聲波傳播特性的認(rèn)識(shí)。

1　巖心制備及基礎(chǔ)物性參數(shù)

1．1　巖心制備

選取渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組露頭巖樣，通過(guò)巖樣軸心逆時(shí)針作0°，45°，90°，l35°共4條過(guò)原點(diǎn)的直線，并延長(zhǎng)至徑向，再根據(jù)巖樣的長(zhǎng)度在軸向做間隔相等的5～10個(gè)點(diǎn)(圖1)。接下來(lái)，用縱波探頭測(cè)量巖樣各點(diǎn)的縱波時(shí)差。最后，選擇徑向縱波時(shí)差相差不大的大巖樣(可近似為橫向各向同性的模型)作為研究取心對(duì)象。

在此基礎(chǔ)上，分別沿平行層理方向(圖2-a)、與對(duì)稱軸呈一定角度(30°、60°，如圖2-b，2-c)、垂直于平行層理方向(圖2-d)進(jìn)行小巖心鉆取，利用鉆機(jī)控制層理角度誤差小于5％，為了不影響測(cè)試效果，所切制樣品直徑均在1英寸左右(25.4mm)，長(zhǎng)度介于37.87～51.11mm，兩端面磨平拋光。

1．2　基本物性參數(shù)

針對(duì)上述取心過(guò)程，挑選出22塊巖樣，分別采用游標(biāo)卡尺、電子天平、致密巖心氣體孔隙度測(cè)定儀及根據(jù)氣測(cè)滲透原理自制的滲透率測(cè)試裝置對(duì)其基礎(chǔ)物性進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果見(jiàn)表l。從巖心分析及測(cè)試結(jié)果可以看出，巖樣巖性以黑色、灰黑色及深灰色頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，孔隙度變化范圍為l.5％～2.5％，大部分巖樣的滲透率小于lmD。

2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

2．1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在常溫(20℃)，軸壓恒定為0.5MPa環(huán)境下，使用西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的承壓型聲波換能器采用透射法^[14]進(jìn)行測(cè)量。采用激發(fā)頻率為25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、490kHz的縱波探頭發(fā)射出超聲波脈沖，穿過(guò)不同層理性頁(yè)巖巖心，接收探頭將透射后的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)示波器顯示出來(lái)，通過(guò)其配備的(Ultra Scope)軟件采集接收端探頭的聲波波形，并將聲波信號(hào)保存在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)提取波形中的首播波速和利用波形對(duì)比法計(jì)算衰減系數(shù)來(lái)進(jìn)行波形數(shù)據(jù)分析。圖3為超聲波透射實(shí)驗(yàn)的測(cè)流程圖。

2．2　結(jié)果與分析

2．2．1不同層理角度條件下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響

按層理角度(0°、30°、60°、90°)將巖心分為4組，住探頭頻率為250kHz條件下，測(cè)試各組巖心的超聲波數(shù)據(jù)。用于研究不同層理角度條件下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響。

從圖4可以看出，盡管頁(yè)巖孔隙度及其變化范圍都較小，但是聲波速度隨孔隙度的增加依然有減小的趨勢(shì)，且層理角度越大速度越??；聲波衰減系數(shù)隨著孔隙度的增加，總體呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，且在不同層理間這種增加呈現(xiàn)出喇叭形狀(圖4-b)，即在孔隙度較小時(shí)，不同角度哀減系數(shù)相差不大，隨孔隙度的增加，有差異變大的趨勢(shì)。這表明超聲波在頁(yè)巖巖石物理性質(zhì)研究中依然是非常暈要的手段。

頁(yè)巖的層理發(fā)育方向是研究和表征層理最重要的參數(shù)之一。對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行電鏡掃描(圖5)可知，層理面處的膠結(jié)物較多，黏土礦物的產(chǎn)狀相對(duì)比較混亂，且相對(duì)非層理處的微裂縫更加發(fā)育，可知層理面的存存減小了波速，增加了衰減。因此，圖4-a中出現(xiàn)了波速在層理為90°時(shí)要遠(yuǎn)小于層理為0°時(shí)的情況。層理角度變大、衰減增加是由于角度越大，聲波穿透的層理數(shù)增加所致，孔隙度增加層理面的微裂縫數(shù)也會(huì)增加，因此出現(xiàn)圖4-b所示的增加規(guī)律。利用上述規(guī)律，可以綜合利用聲波資料進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，對(duì)層理角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2．2．2不同層理角度條件下，測(cè)試頻率對(duì)聲波特性的影響

在層理不同的4組巖心中分別抽取出孔隙度相等的巖樣(巖心編號(hào)為2、6、15、22，孔隙度均為l.8％)，接下來(lái)，選擇不同縱波探頭頻率的超聲波來(lái)完成透射實(shí)驗(yàn)，用于研究不同層理角度條件下，測(cè)試頻率對(duì)聲波特性的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著測(cè)試頻率增加，聲波波速也增大，并且呈對(duì)數(shù)正相關(guān)性(圖6-a)，頻散現(xiàn)象明顯，在不同層理角度條件下的各組巖心統(tǒng)計(jì)結(jié)果非常吻合，具有很強(qiáng)的規(guī)律性。而聲波衰減系數(shù)隨著測(cè)試頻率的增加總體也呈增大的趨勢(shì)(如圖6-b)，但是變化幅度規(guī)律性不強(qiáng)，同層理角度條件下的各組巖心統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近。該結(jié)果對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中聲波參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

2．2．3不同測(cè)試頻率下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響

選取孔隙度數(shù)據(jù)最完整的一組巖心(層理角度為30°)為研究對(duì)象，選用4種頻率(25kHz、50kHz、100kHz、250kHz)的縱波探頭進(jìn)行超聲波透射實(shí)驗(yàn)，用于研究不同測(cè)試頻率條件下，孔隙度對(duì)聲波特性的影響。

圖7為不同頻率下，孔隙度與聲波特性的關(guān)系。

從圖7中可以看出，孔隙度分別為1.6％和2.5％的2個(gè)點(diǎn)，波速和衰減系數(shù)有明顯差異，中間區(qū)域聲波參數(shù)均有小幅度波動(dòng)，但趨勢(shì)是一樣的，這說(shuō)明盡管頁(yè)巖孔隙較小，但其對(duì)聲波傳播在速度和衰減上均有體現(xiàn)的，這個(gè)頁(yè)巖層理發(fā)育和微裂縫發(fā)育不無(wú)關(guān)系。

4　結(jié)論

1)在0°～90°范圍內(nèi)，隨層理角度的增加，波速減小趨勢(shì)明顯，衰減系數(shù)增加。

2)波速與孔隙度呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性，隨孔隙度增加，衰減系數(shù)增加，且增加程度隨層理角度的變大而加劇。

3)波速與頻率呈對(duì)數(shù)增加的趨勢(shì)，頻散現(xiàn)象明顯，衰減系數(shù)隨頻率增加而增大。

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