地球物理学报  2016, Vol. 59 Issue (10): 3891-3900   PDF    
涪陵地区井下页岩岩芯裂缝体密度与声学性质关系实验研究
伍宇明1,3 , 兰恒星1 , 高星1 , 王伟1 , 陈俊辉1,3 , 郝召兵2     
1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 本研究对涪陵地区井下产气的龙马溪组页岩岩芯,采用三轴压机压裂制造裂缝,用工业CT扫描压裂前后岩芯,应用图像识别技术统计出裂缝体密度,又用超声脉冲透射法测定样品破裂前后裂缝方向上的纵波、单偏振方向与裂缝不同夹角的横波,来研究裂缝对页岩岩芯声学性质的影响.实验结果表明:压裂后样品的纵波速度略微降低,只有含较多内部裂隙的150#样品纵波速度减小幅度明显.压裂前后样品的纵波波形差别不大,纵波主频随裂缝体密度呈下降趋势,即压裂后纵波频谱主频向低频端移动.压裂前横波速度随自身与裂隙方位角变化而变化,与0°和180°相比,在45°和135°时略微减小,在90°时速度降低幅度最为明显并且发生相位反转.典型样品的横波主频随偏振方向与裂缝夹角的增大而逐渐向低频移动;压裂后,横波频谱杂乱,出现多处局部峰值,速度和主频较压裂前更低,平均横波波速随裂缝体密度呈明显减小趋势.平均纵横波速比随裂缝密度呈近线性增加,表明其与裂缝体密度有较强相关性.
关键词: 页岩      声波      裂缝体密度      CT扫描     
The relationship between the volume density of cracks and acoustic properties of the shale core samples from Fulin
WU Yu-Ming1,3, LAN Heng-Xing1, GAO Xing1, WANG Wei1, CHEN Jun-Hui1,3, HAO Zhao-Bing2     
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: This article discusses the elastic wave velocity and frequency spectrum of the Longmaxi Shale from Fulin, Chongqing, China. The TAW-2000 Rock Tri-axial Testing System was applied on the core samples to produce fractures with different distributions. The distributions of fractures before and after the cracking test were obtained by X-CT. The volume density of cracks was obtained by computer pattern recognition. Accordingly, the relationship between the compression wave and the single-polarization shear wave in different angles with the crack and different distributions of cracks was investigated in a lab environment. The experimental results show that, the velocity of compression wave in fractured samples is slightly lower than that of original samples, except for the 150# sample. The waveforms of compression wave before and after the compression are similar, but the dominant frequency of the waveform of compression wave becomes lower after fracturing. The wave velocity of the shear wave varies with the azimuthal angle between the vibration direction and the fracture direction. The velocity reaches the highest and lowest values when the S-wave polarization is parallel and perpendicular to the strike direction of fracture, respectively. The velocity is moderate in diagonal directions. If the vibration direction is perpendicular to the fracture plane, the shear wave is opposite to the original direction. Specifically, before the compression, the dominant frequency of shear wave for typical samples decreases with the azimuthal angle, while after the compression, in contrast, the dominant frequency is crashed and many local peaks arise in the spectrum, especially at lower frequency band. The average velocity of shear wave decreases as the volume of density of cracks increases. In addition, the average wave velocity ratio between shear wave and compressional wave has a strong relationship with the volume density of cracks. Therefore, our experiments show that the shear wave is more sensitive to the fractures compared with the compressional wave, and indicate that shear wave exploration is more effective for detecting targets that have many fractures..
Key words: Shales      Ultrasonic wave      Volume density of cracks      CT scan     
1 引言

中国页岩气丰富,资源总量约为(30-166)×1012m3,可采资源量约为(7-45)×1012m3(董大忠等, 2012).四川省涪陵地区上奥陶统五峰组(O3w)-下志留统龙马溪组(S1l)为我国开发的重点区域(邹才能等, 2015),也是我国页岩气的高产区域之一(郭彤楼和张汉荣, 2014).在页岩气的勘探开发中,天然裂缝的发育程度决定着页岩气的开采效益、品质和产量,页岩裂缝越发育,总含气量和游离气量的含量就越高(丁文龙等, 2012).换句话说,因为裂缝是油气藏中重要的渗流通道(周新桂等, 2003),所以天然裂缝发育程度影响着页岩气的开采效益(李新景等, 2007).对于页岩气的开采而言,微裂缝在某种程度上提高了水力压裂的效果(龙鹏宇等, 2011).因此,在勘探过程中,深入研究页岩裂缝发育程度是十分重要的.由于裂隙在页岩气开发中的重要性,导致人们对页岩中的裂隙问题产生浓厚的兴趣.从页岩气勘探和开发角度看,研究裂隙对页岩的力学和声学性质的影响具有重要意义.页岩是一种具有薄层页理的岩石,它表现出显著的层状各向异性性质,并可影响压裂过程中裂缝的开裂方向及破坏形态(姚光华等,2015).

页岩中的裂缝和页理的各向异性特性必然对页岩岩石力学和声学性质有重要的影响(陈乔等, 2014; 杨建等, 2012),但迄今为止,公开发表的有关裂隙对页岩的力学和声学性质影响的实验数据并不是太多(李庆辉等, 2012; 刁海燕. 2013),除了少量的真实岩芯测试数据外,也有一些人造样品测试结果,如利用环氧树脂制作出具有不同密度的裂缝模型,研究裂缝的各向异性参数(魏建新, 2002)和研究裂隙数量、张开度和分布对声波影响(魏建新和狄帮让, 2008);利用人造砂岩研究裂缝对纵横波的影响(丁拼搏等, 2015)等.为了更好满足页岩气勘探开发对基础数据的需求,本研究在实验室环境下以页岩气产区井下岩芯为研究对象,通过观察样品压裂前后声波的变化特征和规律,研究声波与裂缝发育程度的关系.

2 实验样品

4个样品来自于涪陵地区志留系海相页岩气田深层储气区岩样,采样深度范围为2237~2393 m,处于龙马溪组优质页岩层段.该岩层的脆性矿物多为石英,次为长石,且该层含有大量的硅化笔石、放射虫生物化石(郭彤楼和张汉荣, 2014).从样品表面上看,颜色为黑色,具有页理发育,致密,性脆的特征.岩芯294#表面可见有明显通裂,其他岩芯表面均无明显裂缝(图 1).从外表观察上看,页岩的层理大致平行于主轴,与0°角是平行的.

图 1 实验样品特征 Fig. 1 Characteristic of experimental samples
3 实验测试

为了探索裂缝与纵横波之间的关系,本研究在中国科学院地质与地球物理研究所地质工程实验室的TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机对样品进行压裂.样品在5~25 MPa的围压下,采用2×10-4s-1恒定应变速率进行压缩变形,样品的强度范围在91~150 MPa,通过这种方式制备含裂缝的样品.

3.1 CT扫描结果

CT探测对于岩石内部裂缝的发育探索是一种很好的手段.CT中每个像元形成一一对应的关系.密度越大,CT数越高;密度越低,CT数越低.由于裂缝存在处的CT数较低,页岩内部裂隙情况可以利用CT扫描获取(李磊, 2014).此外,CT可以不破坏岩石就观察岩石内部的构造,使用CT技术来探索岩石内部状态的研究越来越多(贾利春等, 2013; 刘学锋, 2010; 石秉忠等, 2012).本研究的样品CT扫描是在中国科学院高能物理研究所450KV通用型CT上进行的.该设备主要功能有断层扫描、DR透视、局部扫描成像和裂纹检测.压裂前后的岩样CT扫描结果见图 2图 3.

图 2 页岩样品CT扫描纵切面((a)为压裂前的样品,(b)为压裂后的样品) Fig. 2 Result of CT scan (fig a are the core samples before fracturing and fig b are fractured core samples)
图 3 页岩样品CT扫描横切面((a)为压裂前的样品,(b)为压裂后的样品) Fig. 3 Result of CT scan of cross section (Fig a are the core samples before fracturing and Fig b are fractured core samples)

图 2图 3的CT扫描看出:压裂前,4个岩芯内部均有不同程度裂缝存在,裂缝走向与圆柱岩芯轴向大体一致.294#岩芯中间有一条明显的贯穿样品的通裂;139#岩芯内部有4条细小裂缝、大致均匀分布;150#岩芯在边部有1处裂缝,且中部略微存在较短的裂缝;245#岩芯有2处非通裂,大致位于中部,压裂前的岩样大致顺着层理方向出现.从密度上看,294#岩芯的密度较低,为2.44 g·cm-3,而其他岩芯的密度在2.65 g·cm-3左右(表 1).根据图像测量,压裂前裂缝宽度均在0.2 mm以内.压裂后,所有岩样中裂缝明显增多,裂缝在岩石中部较为密集,大部分裂缝为竖直的裂缝,还有一些裂缝为剪切裂缝.裂缝宽度大都在0.5 mm左右,裂缝发育较压裂前明显,裂缝的张合度也呈现出变大的趋势.

表 1 岩芯的基本信息 Table 1 The basic information of the samples

为了量化描述裂缝特征,本研究引入裂缝体密度概念.裂缝体密度(ρ)定义为单位体积内含有的裂缝表面积总和.即:

(1)

其中,S为裂缝表面积总和,V为圆柱体积.实际操作中,对每个样品按间隔0.16 mm形成系列CT层切片,应用图像处理技术中canny算子提取每一层切片的裂缝长度(图 4),从而确定层切片裂缝体密度,最后把所有层切片裂隙体密度加权求和,即得到样品的裂隙体密度.裂隙体密度统计公式为

(2)

图 4 计算机识别CT中的裂缝 Fig. 4 Process of crack identification in X-CT

式中,Li为第i个截面内裂缝的长度,d为圆盘直径,n为截面总数,h为圆柱高度.

表 2为压裂前后裂缝体密度变化表.压裂前样品的裂缝体密度在0.03~0.09 mm2·mm-3之间,压裂后在0.14~0.3 mm2·mm-3之间,压裂后样品的裂缝体密度比压裂前高一个数量级.

表 2 压裂前后裂缝单位体积裂缝截面积变化表 Table 2 The volume density of crack before and after fracturing
3.2 声学测试

岩石声学测试是在中国科学院地质与地球物理研究所岩石物性实验室岩石弹性参数测试仪上完成.声学测量系统包括纵、横波超声换能器、脉冲发生接收器、数字储存示波器和计算机.脉冲发生接收器为泛美公司型号5077PR产品,用于产生电脉冲,激发一个超声换能器产生超声波,同时接收另一个超声换能器传来的接收信号,并把它放大,最后送给数值储存示波器显示和储存.数值存储示波器为Tektronix公司产品,型号为TDS210,其最快的采集率为1 G·s-1,AD为8bit,实际采用的数据采集速率为50 M·s-1,采集数据的时间分辨率为0.02 μs.

在常温常压下完成4块岩样的声学测试.超声换能器分别置于圆柱样品的两个端面,且纵波测量使用一对纵波换能器,横波测量使用一对剪切横波换能器.针对剪切横波测量,把一个岩块按径向角度划分为0°、45°、90°、135°和180°,0°代表该震源的横波震动方向与CT扫描图像中主要裂缝面平行.实验开始前,先用游标卡尺测量岩石长度,再将换能器直接对接,确定系统基时,然后再对样品进行声学测量.计算波速的公式为

(3)

4 样品压裂前后岩石声学特征 4.1 样品纵波波速和频谱的变化

压裂前后纵波速度和主频的变化列于表 3.压裂前,样品的纵波速度大致在5000~5400 m·s-1,压裂后,除150#样品有明显变化外,其他样品的纵波速度仅略微降低.总体来说,裂缝的增加对纵波速度影响不大.说明当纵波传播方向和裂缝方向大致相同时,有限的裂缝对波速的影响不是很大.150#样品速度降低较多的原因可能与裂缝增加较多致使岩样内部较破碎有关(表 3).

表 3 纵波速度和主频变化 Table 3 The change of compression waves and dominant frequency

从波形上看(图 5),样品压裂前后岩石纵波波形差别不是很大,只有样品150#的波形明显变宽.取纵波1.5周期的波形进行频谱分析(图 5),可见样品的纵波频谱曲线为单峰结构;压裂前样品主频在562~732 kHz范围,压裂后主频位置在244~610 kHz,即压裂后主频向低频移动.这种现象可以理解为裂缝滤掉了部分高频成分,且150#样品的频率最低是由于岩样破碎程度较为严重所致.

图 5 样品纵波波形和频谱特征 Fig. 5 Waveforms and spectrum characteristics of compression waves

显然,裂缝对纵波的主频影响明显,纵波的主频与裂缝体密度交会分析结果见图 6.图中可见随着裂缝体密度的增加,主频呈下降的趋势,当裂缝体密度达到0.30时,其主频降到最低为244 kHz.这说明当纵波经过裂缝时,对高频分量的衰减较为严重,因此表现为向低频移动.

图 6 纵波主频和裂缝体密度关系 Fig. 6 Relationship between the main frequency of compressional waves and the volume density of cracks
4.2 样品横波波速和频谱的变化

样品压裂前后不同偏振方向的横波波形存在明显的变化(图 7图 8).压裂前横波波形比较光滑,速度除垂直于裂缝方向外,几乎没有太大变化.从不同偏振方向横波速度变化看(图 7),横波在偏振方向0°和180°时的波速是差不多的,在偏振方向45°和135°时略微减小,速度最大偏差不到50 m·s-1( < 2%),在偏振方向90°时,前面的横波受到了严重的压制,速度最小,并且发生相位反转.这种现象在魏建新模型试验中也观察到了.根据该文的解释,这可能是与波的衍射现象有关(魏建新,2002).

图 7 横波压裂前波形图 Fig. 7 Shear waves before fracturing
图 8 横波压裂后波形图 Fig. 8 Shear waves after fracturing

压裂后的横波波形变得极为复杂,可能的原因有如下两种:一是横波通过裂缝时可能产生反射横波、反射纵波、透射横波和透射纵波等衍射,比较压裂前后波形,当横波来临之前,观察到有部分信息早于压裂前横波,但振幅较小,这些波可能由于纵横波不停转换造成的.除此之外,波通过裂缝可能发生了分裂,这也可以造成横波的混乱.二是横波通过裂缝时能量衰减比较严重,降低了信噪比,因此当缝网密度较多时,波的衰减较为严重,起跳位置也变得较难确定.从波速上看,横波速度随角度变化的规律显得杂乱,这可能是由于缝网分布不均造成的.在读取压裂后横波波速时,采用正向起跳位置作为读数点.比较压裂前后样品横波速度,压裂后的横波速度总体上要慢于压裂前的横波速度(图 9).但294#样品的横波波速较压裂前快,这可能由于波形复杂,导致起跳位置被其他的折射波干扰.

图 9 压裂后的横波波速变化 Fig. 9 Velocities of shear waves before and after fracturing

图 10采用平均横波波速与裂缝体密度进行了交会分析,可见随着裂缝体密度增加,平均横波波速呈现出明显的减小趋势.这主要是因为横波通过裂缝会出现一定的降低,且裂缝的走向大致与传播方向相同,横波速度比纵波速度降低地更为严重.

图 10 横波波速和裂缝体密度关系 Fig. 10 Relationship between the velocity of shear wave and the volume density of cracks

横波的频谱特征分析采用一段横波波形(大致3~4周期)进行.图 11给出了245#样品的典型频谱曲线.当横波偏振方向与裂缝平行时,主频在928~1025 kHz之间,随着角度的旋转,主频渐渐转移至低频,在横波偏振方向与裂缝方向垂直时,主频变到415 kHz.压裂后的横波频谱特征表现为相对杂乱,有多个次级峰的结构;并且不同角度的主频都出现了不同程度的下降(表 4).

图 11 245#样品横波波频谱 Fig. 11 Spectrum of sample 245# shear wave
表 4 压裂前后245#试样的横波主频变化 Table 4 The dominant frequency shear wave of 245 rock sample before and after fracturing

在前人的研究中,常采用纵横波波速比来指示裂缝的存在(尹帅,2015).笔者采用平均的波速比与裂缝体密度进行交会(图 12),可见当裂缝体密度增加时,波速比随之近线性增加,表明波速比与裂缝体密度有较强相关性,统计关系式为:

图 12 波速比和裂缝体密度关系图 Fig. 12 Relationship between vP/vS and volume density of cracks

(4)

波速比和裂缝体密度关系表明裂缝的发育对横波的影响明显大于对纵波的影响.综上所述,当传播方向与裂缝走向大致平行时,横波可能比纵波的影响效果要大.从这个角度说,横波勘探对于裂缝型对象(如页岩,碳酸岩)可能更有意义.

5 结论

页岩层探测中,裂缝的形态和数量很难确定.本项实验研究引入了裂缝体密度概念,分析了裂缝体密度对纵横波的声学特征影响.主要认识和结论有:

(1) 在裂缝方向上的纵波测量结果显示,压裂前后样品的纵波速度多略微降低,只有含较多内部裂隙的150#样品纵波速度明显减小.破裂前后样品的纵波波形差别不是很大,频谱曲线为单峰结构;压裂前样品主频在562~732 kHz范围,压裂后主频在244~610 kHz范围,即压裂后主频向低频移动;纵波主频随裂缝体密度呈下降趋势.

(2) 横波速度随裂隙偏振方向而变化,在偏振方向0°和180°时的波速是基本相当的,在45°和135°略微减小,在90°时横波速度变得最小.在90°时接收到的横波发生相位反转.压裂后的横波速度要慢于压裂前的横波速度,平均横波波速随裂缝体密度增加呈明显的减小趋势.

(3) 横波波形压裂前比较光滑,压裂后略显杂乱.典型样品的压裂前横波频谱曲线显示,当横波偏振方向与裂缝不垂直时,245#样品的主频在928~1025 kHz之间,与裂缝方向垂直时为415 kHz.压裂后的横波频谱特征略显杂乱,主频均在500 kHz以下,有多个次级峰的结构,但主频小于压裂前的主频.

(4) 波速比与裂缝体密度有较强相关性,当裂缝体密度增加时,波速比随之增加.横波相对于纵波来说,对于裂缝的变化更加敏感,横波勘探对于裂缝型对象可能更有意义.

致谢

感谢中国石油天然气集团公司提供相关的研究样品,感谢中国科学院地质与地球物理研究所和中国科学院高能物理所提供相关的实验设备,感谢魏建新教授对本文提出了很好的建议和意见.

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