2. CNPC物探重点实验室, 中国石油大学(北京), 北京 102249;
3. Edinburgh Anisotropy Project, Edinburgh, EH9 3LA, UK;
4. 东方地球物理公司大港分院研究所, 天津 300280
2. CNPC Key Laboratory of Geophysical Exploration, Beijing 102249, China;
3. Edinburgh Anisotropy Project, British Geological Survey, Edinburgh, EH9 3LA, UK;
4. BGP Dagang Branch, CNPC, Tianjin 300280, China
裂缝的存在对油气资源的存储和运移起到非常重要的作用,裂缝较为发育的地层通常具备良好的储层条件.寻找裂缝发育的地层并获取地下裂缝的空间分布和裂缝发育信息,对于裂缝油气藏的储层评价、保障钻井成功率和提高采收率都有着至关重要的影响.从地震资料中可以提取纵横波速度、各向异性、衰减等信息来反应裂缝储层的裂缝发育程度和分布情况,因此研究裂缝介质中裂缝参数在地震波传播过程中对纵横波的速度、衰减以及各向异性特征的影响具有非常大的理论意义和实践意义.在裂缝油气藏的勘探和开发过程中,裂缝密度是最重要的参数之一,裂缝密度的大小直接与该地层的裂缝发育程度和油气储量有着紧密的联系.在地震勘探中,裂缝密度的大小对地震波的速度、衰减和各向异性特征都有着显著的影响,裂缝密度较为发育的储层在地震记录中具有明显的纵横波各向异性的反应.
在岩石物理学中,等效介质理论(Equivalent medium theory)被用于描述裂缝介质的岩石物理学性质,通过某些假设把复杂的岩石物理问题简化为具体的数学物理问题,建立岩石的矿物、孔隙形态、孔隙度、渗透率、裂缝参数等与岩石的弹性性质之间的关系,以进一步研究地震波在岩石中的传播.最近几十年里发展出了若干种描述裂缝介质的等效介质理论.Eshelby(1957)推导了各向同性介质中含有包体的岩石物理模型,背景介质被看做是各向同性的围体,而裂缝被看做是各向同性围体中的一个包体.KT模型考虑到了不同的孔隙形状对岩石弹性性质的影响(Kuster and Toksoz, 1974).O′Connell和Budiansky(1977)推导了孤立、饱和流体的裂缝介质理论.Hudson(1980)基于长波长假设提出了各向同性介质中含有独立裂缝时的表达式,裂缝中包含气体、液体或者其他体积模量和弹性模量比较小的弱介质,且裂缝中的流体被封闭在裂缝内不发生流动,因此被称为高频模型.该模型被推广到了流体部分饱和及等径孔隙背景下的连通孔隙模型(Hudson,1988; Hudson et al., 1996).Thomsen(1995)建立了等径孔隙背景下的裂缝模型,该模型基于局部流体压力平衡的假设,孔隙和裂缝中的流体在流体压力梯度的作用下会发生局部流动,因此该模型被称为低频模型.Berryman和Wang(2000)提出了考虑两种孔隙度和两种渗透率的岩石物理模型,其中岩石中的孔隙具有较大的孔隙度和较低的渗透率,而裂缝则对应了较小的孔隙度和具有较大的渗透率.Chapman(2003)提出了同时考虑颗粒尺度的孔隙、微裂纹和中等尺度的裂缝的多尺度频变模型,其中颗粒尺度的孔隙和微裂纹对应着较小的弛豫时间和较高的特征频率,较大尺度的裂缝则对应着较大的弛豫时间和较低的特征频率,因此在Chapman理论中裂缝介质的弹性性质是随着地震波的频率的变化而变化.Jakobsen和Chapman(2009)推导了考虑两种流体流动机制的统一理论,该理论认为在岩石孔隙均匀的情况下孔隙流体发生全局流产生正频散,在岩石孔隙不均匀或者含有裂缝时流体发生局部喷射流产生负频散.巴晶推导了双孔隙介质的岩石物理性质和地震波传播特征,并进一步推导了非饱和岩石中的纵波频散与衰减(巴晶,2010;巴晶等,2012).Tang(2011)基于Biot理论推导了双孔隙介质统一理论.
以上描述裂缝介质的等效介质理论还需要有岩石物理实验的验证,但是由于天然岩石中裂缝分布和形态比较复杂,裂缝参数(如裂缝密度、裂缝张开度、裂缝长度等)是无法确定的,因此在对裂缝介质的岩石物理实验中通常要借助物理模型来研究裂缝参数对裂缝介质弹性性质的影响.Ass′Ad(1993)用环氧树脂作为基质用硅橡胶片模拟裂缝研究了裂缝密度对于横波各向异性的影响.Rathore(1995)利用环氧树脂胶结石英砂制作了含裂缝的双孔隙模型,实验结果表明Hudson理论对于含水条件下的纵波各向异性计算高于实验测量值,同时证明了孔隙流体流动对地震波的传播有着重要的影响.贺振华等(2001)利用环氧树脂板和黄铜板制作了定向排列裂缝物理模型,研究了裂缝对地震波速度和振幅的影响.魏建新(2002)用环氧树脂做基质,用硅橡胶薄片近似模拟裂缝,制作出了一批具有不同裂缝密度的模型,研究了裂缝密度对于横波速度和各向异性系数的影响.曹均等(2003)利用环氧树脂板和铜箔制作了裂缝物理模型,研究了裂缝密度和裂缝张开度等对地震波传播的影响.魏建新和狄帮让(2008)研究了裂缝张开度对纵横波速度和振幅的影响.尹志恒等(2012)制作了含不同裂缝参数的几组裂缝物理模型,研究了裂缝参数对纵横波振幅和衰减的影响,并得出了衰减各向异性对裂缝参数更敏感的结论.Tillotson等(2011)研究了 含裂缝介质中流体对横波各向异性的影响.Wei等(2013)用不同频率的超声波换能器测试了含不同裂缝张开度的裂缝模型,研究了裂缝张开度对纵波速度、各向异性以及频散的影响.但是在上述研究中使用的裂缝模型具有很大的局限性,用有机玻璃、环氧树脂、硅橡胶等材料模拟裂缝介质与天然岩石有着非常大的差异.同时,在上述很多裂缝模型中并没有真实的孔隙和裂缝的存在,也没有孔隙流体的填充,因此其弹性性质和地震波的传播特征与实际裂缝岩石有较大差异.
本研究利用新方法构建含有可控裂缝的物理模型,与之前的实验样品相比其在矿物成分、孔隙结构、胶结方式等方面与天然岩石更为接近.扫描电镜图片显示其具有真实的孔隙结构和裂缝空间,能更好的研究双孔隙介质的弹性性质和地震波传播特征.本文制作了一组具有不同裂缝密度的裂缝模型,并在含气和含水的条件下利用超声波换能器对每块实验样品在不同方向上的纵横波传播速度进行了测量,并分析了纵横波速度、横波分裂、纵横波各向异性系数受饱和流体和裂缝密度的影响. 2 含可控裂缝的人工岩样 2.1 制作含可控裂缝的新型人工砂岩物理模型
本研究利用一种新方法制作具有真实孔隙可进行不同饱和流体状态下岩石物理实验,以研究裂缝介质中弹性波的传播规律和各向异性特征.该方法成功率高可以制作出稳定可靠的双孔隙人工砂岩物理模型,并用于研究裂缝参数和饱和流体对于地震波传播的影响以及裂缝介质的各向异性特征.
首先从材料学的角度入手,为了寻找适合制作与天然岩石具有类似矿物成分、孔隙结构和胶结方式的人工砂岩物理模型,本研究选择了石英砂、高岭土、长石作为原料.文中涉及到的双孔隙人工砂岩物理模型的制作是基于材料学制作工艺和流程,其制作流程如下:
①实验设计:据实验需要设计出相应的生产工艺和流程;
②原料选择和预制:选择合适的原料,并对原料做预处理;
③ 配料:原料的称量,粉料的均匀化,杂质的筛除;
④成型:填料,压制成型,脱模;
⑤ 烧结:高温烧结,烧结环境选择和烧结制度控制;
⑥后处理: 制成岩样的后续处理,切割打磨,参数测试.
在人工砂岩物理模型的制作过程中,首先按照所需的颗粒目数和配比要求将石英砂、长石、高岭土等(如图 1)进行充分均匀的混合,再在混合粉体中加入辅助粘结剂,搅拌混合均匀之后,得到最终的混合物料;取混合物每次按照一定量放入模具中,在每一层上铺放事先准备好的硬币状高分子材料薄片,使得薄片尽可能随机均匀地分布在每一层上.最后把模具放入压机压实,将胚体脱模放入恒温干燥箱静置,最后将胚体放入高温马弗炉内烘烤若干小时,高分子材料受热分解成为气体,留下的孔隙则是真实的裂缝.可根据要求制备不同形态的高分子材料薄片,以制作不同形态要求的裂缝模型;同时在铺放过程中通过控制薄片的大小和数量可以制作出含不同裂缝密度的裂缝模型.
由于选用的原料(石英、长石和高岭土等)均是砂岩中常见的矿物成分,因此本方法制作的人工砂岩物理模型具有和天然岩石相似的矿物成分;通过SEM扫描电镜图片分析可以看出与传统的利用有机玻璃、环氧树脂胶结等方式不同的是,该方法制作出的人工岩样具有真实的孔隙形状和结构(如图 2);因此本研究中使用的方法制作双孔隙人工砂岩物理模型具有和天然岩石更为接近的矿物成分、孔 隙和胶结方式,并可在不同饱和流体填充的条件下 观测地震波的传播和各向异性特征,可以用于更多的岩石物理测试和提供更加丰富的数据.
利用上述的方法制作出一组含不同裂缝密度的人工砂岩物理模型,用于测试裂缝密度对于纵横波传播和地震各向异性的影响.选用直径为4 mm、厚度为0.06 mm的薄片,为制作不同的 裂缝密度样品,在制作过程中把一个100 mm×100 mm 的模具中每层分为4个区域,并且在每个区域放入0、20、40、60个上述规格的薄片,这4个部分具有不同的裂缝密度但是具有相同的背景介质,因此除了裂缝密度之外其他的岩石物理性质几乎相同.制作完成之后模型被加工成4块八面棱柱的岩样,每个方向上的长度大约为50 mm,以测试不同方向上的纵横波速度(如图 3所示).图 4为SEM图像显示扫描电镜下的孔隙结构和裂缝形态.
利用超声波透射法对含裂缝岩样在不同饱和流体条件下进行测试,样品的含气饱和是通过对样品进行长时间的烘干而得到的,而含水饱和的过程是将样品侵入水中并放在抽真空的密封容器内将水中和样品中的气体抽出而得到的.测试频率为0.5 MHz,图 5所示为裂缝样品内裂缝的分布及测试方位.首 先对不含裂缝的基质岩样进行测试,以检验基质的 稳定性和均匀性.含气和含水条件下纵波的测试波形如图 6所示,分别为0°,45°,90°和145°方向上的纵波透射波形.通过纵波波形初至到达时间可以确定超声波在某个方向上从岩样一侧的激发换能器透射到另一侧的接受换能器的时间,并计算出透射波的速度.含气和含水条件下横波的测试波形如图 7 所示,分别为0°,45°,90°和145°每个方向上快横波和慢横波的透射波形.
不含裂缝的基质岩样和三块含裂缝的岩样的纵波速度测试结果如图 8所示,含水条件下的纵波速度比含气条件下的纵波速度高,这是由于纵波速度是由体积模量和密度决定的,而体积模量对纵波速度的影响比密度大,相比较而言水的体积模量比空气的体积模量高,当岩石被体积模量较高的流体填充时岩石的纵波速度升高.从图 8中可以看出纵波速度随着裂缝密度的增加而迅速降低,平行于裂缝方向上纵波速度降低的趋势较小而垂直于裂缝方向上的纵波速度显著降低.由于在裂缝的长轴方向不易压缩,所以裂缝密度的增加使得平行裂缝上体积模量略微下降,纵波速度下降幅度不大;而在裂缝短轴方向上更容易被压缩,裂缝密度的增加使得垂直裂缝方向上的体积模量大幅降低,纵波速度明显降低.因此裂缝对于平行裂缝方向上的纵波速度影响略弱,而对垂直裂缝方向上的纵波速度影响更为明 显.纵波各向异性是由平行裂缝方向上纵波速度和垂直裂缝方向上纵波速度的差异决定的,垂直裂缝方向上纵波速度随着裂缝密度的增加而迅 速降低也意味着裂缝密度升高会使纵波各向异性增大.
图 9为纵波各向异性系数受裂缝密度变化的影响,随着裂缝密度的增加纵波各向异性系数增加.但是相比较而言,含空气时纵波各向异性系数比含水时纵波各向异性系数更高.由此可见岩石中填充的流体的性质对于裂缝介质的纵波各向异性的影响非常明显,流体的性质主要有流体的体积模量、密度和黏度,而纵波的各向异性主要受到流体的体积模量的影响.当岩石中填充的空气时,空气的体积模量比较小,因此饱和空气的裂缝岩石纵波各向异性系数较大;当岩石中填充水时,水的体积模量比空气大,所以饱和水的裂缝岩石的纵波各向异性系数降低.
岩样在含空气条件下横波速度测试结果如图 10所示,90°方向(平行于裂缝方向上)快横波速度受裂缝密度影响较弱,慢横波随着裂缝密度增加明显降低.而在0°方向(垂直于裂缝方向上)快横波与慢横波的速度都随着裂缝密度的增加显著降低,但是快横波的速度与慢横波的速度差异较小.这也说明了在90°方向(平行于裂缝方向上)横波分裂系数随着裂缝密度的增加而显著增强,而0°方向(垂直于裂缝方向上)横波分裂系数比较小.图 11为饱和水条件下快横波与慢横波速度测试结果,在饱和水条件下的横波速度比饱和空气条件下的横波速度低,这是由于横波速度是由岩石的剪切模量和密度决定的,剪切模量不受岩石中所饱和的流体的影响,但是由于饱和不同流体时岩石整体的密度不同,因此不同饱和条件对岩石的横波速度产生较小的影响.饱和水使得岩石的密度增加,因此含水条件下的横波速度比含空气条件下的横波速度略低.
图 12为4块岩样在饱和空气和饱和水条件下横波分裂系数随着方位角的变化情况,在0°方向(垂直于裂缝方向上)快慢横波速度相差不大因此横波分裂系数较小,在90°方向(平行于裂缝方向上)快慢横波速度差异很大因此横波分裂系数较高.随着裂缝密度的增加,0°方向(垂直于裂缝方向上)横波分裂系数几乎不受影响,而90°方向(平行于裂缝方向上)横波分裂系数显著升高.在4个岩样沿不同方向上的饱和空气和饱和水条件下的横波分裂系数相差不大,说明横波分裂受饱和流体的影响较小.图 13为含空气(a)和含水(b)条件下的横波分裂系数,在0°方向(垂直于裂缝方向上)横波分裂系数受裂缝密度的影响较弱,而在90°方向(平行于裂缝方向上)含水和含气条件下的横波分裂系数都明显的随着裂缝密度的增加而升高,说明横波分裂受流体的影响不明显,但是对裂缝密度的变化更加敏感.
图 14为4块岩样的横波各向异性系数随着裂缝密度的增加而变化,与图 9中纵波各向异性随着裂缝密度的变化相比,纵波各向异性系数和横波各向异性系数都随着裂缝密度的增加而增加,但是相比较而言横波各向异性系数对裂缝密度的变化更为敏感,随着裂缝密度的增加横波各向异性系数升高的幅度更大.含空气条件下的横波各向异性和含水条件下的横波各向异性系数差异不大,说明横波各向异性系数对饱和流体不敏感,而纵波各向异性在含空气和含水条件下差异很大,在饱和空气条件下纵波各向异性系数更高,当岩样饱和水之后纵波各向异性系数降低.
裂缝各向异性理论是岩石物理学中非常重要的一项研究课题,裂缝介质是一个双孔隙多相介质,其中孔隙和裂缝的形态参数和流体的性质都对裂缝介质的弹性性质和地震波传播规律有着重要的影响,因此裂缝介质各向异性理论是个非常复杂的问题.最近几十年来发展出了很多种描述裂缝介质的双孔隙各向异性理论,为了解裂缝介质的弹性性质和弹性波在裂缝介质中的传播特征提供了非常多的思 路.而理论的正确性和精确性则需要有实验数据的 验证,因此在实验室中对含裂缝和流体的岩样进行测试,观测弹性波在岩样中的传播速度、各向异性特征、裂缝和流体的影响等,对认识裂缝介质中弹性波传播规律和检验含裂缝和流体的双孔隙介质理论具有非常重要的意义.
本实验可以得出以下结论:
(1)本次实验使用的新方法可以制作出与天然岩石更为接近的含可控裂缝的人工砂岩,其中裂缝密度、裂缝尺度和裂缝张开度等裂缝参数可以按照实验的需要制作,并且具有真实的孔隙和裂缝空间为研究流体对地震波传播和地震各向异性的影响提供了可能和基础.
(2)通过实验测试结果可以看出,流体的性质尤其是体积模量对于纵波的速度和纵波各向异性强度有着非常明显的影响,当饱和流体的体积模量较高时纵波的速度变大而纵波各向异性系数减小.
(3)相比而言,横波受流体的影响比纵波小.通过实验测试结果可以得出横波速度、横波分裂系数以及横波各向异性系数在饱和不同流体状态下变化并不大,但是对裂缝密度的变化更为敏感.当裂缝密度升高时,横波速度显著降低而横波分裂系数和横波各向异性强度明显升高.
(4)本次实验中使用的制作可控裂缝人工砂岩方法,可以为研究裂缝参数、流体性质、压力等因素对于地震波传播、地震各向异性、地震波频散和衰减的影响提供实验样品.
致谢本研究受国家科技重大专项(2011ZX05019-008)资助.感谢爱丁堡大学Mark Chapman对于本研究的关注和建议,感谢中石化南京物探研究院王丁博士对于本研究内容的讨论和建议.[1] | Ass'ad J M, Tatham R H, McDonald J A, et al. 1993. A physical model study of scattering of waves by aligned cracks:Comparison between experiment and theory. Geophysical Prospecting, 41(3):323-339. |
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