随着能源需求的急剧增加, 页岩气作为一种非常规含气系统在我国逐步受到关注.从全国页岩气资源分布看, 四川盆地及其周缘为最有利的地区之一, 尤其是盆地内下奥陶系和上志留系的五峰—龙马溪组黑色页岩因为其本身的富有机质、埋藏深度适中和有机质演化程度高，逐渐成为了国内勘探突破的首选区域.中石油在四川威远—长宁区块、中石化在涪陵礁石坝地区均在该层位取得页岩气勘探、开发的突破(贾承造等, 2012; 马永生等, 2012; 金之钧等, 2016).

在页岩气勘探中, 以地震技术为主体的气藏描述技术是页岩气储层识别与评价的核心(刘振武等, 2011).如在勘探阶段利用地震资料确定页岩储层形态(埋深、厚度以及构造形态), 进而利用反演技术确定储层有利区(有机质含量、孔隙度等); 在开发阶段利用地震技术确定储层各向异性特征、地震弹性特征、脆性特征等为水平井的部署、井身设计以及压裂改造提供依据.而页岩的地震岩石物理特征正是利用地震属性求取页岩储层物性特征(有机质含量、孔隙度等)以及力学特征(脆性)的直接桥梁.国外在页岩气勘探方面起步较早, 对主要页岩储层的岩石物理特征研究也较为系统.其中页岩实验与理论建模方面代表性工作有, Vernik和Nur(1992), Vernik和Liu(1997)利用实验测量结果给出了干燥条件下Bakken页岩的弹性各向异性特点, 分析了有机质含量、成熟度对岩石速度特征与各向异性特征的影响, 并指出页岩的各向异性决定于矿物的优选方向及平行于层理的裂缝.Sondergeld和Rai(2000, 2011)对Kimmeridge页岩的声学性质进行了实验研究, 认为页岩各向异性随着有机质含量的增加而变大, 有机质含量的增加会导致密度的减小进而产生与压实作用相反的效应, 并指出弱各向异性的假设不能用于页岩的地震模拟中.邓继新等(2009)在实验室超声波频率下对层理发育的页岩和泥岩的各向异性进行了研究，给出了在干燥和油饱和条件下，样品不同方向上纵、横波速度以及各向异性参数随压力的变化规律及探讨了围压和孔隙流体对泥岩、页岩各向异性的影响.李向阳等(2013)在自洽模型和微分等效介质模型的基础上, 给出富有机质页岩的地震岩石物理模型, 并藉此讨论孔隙形状、矿物组分变化对页岩弹性性质的影响.谢剑勇等(2015)利用实验数据分析了不同围压、不同饱和条件下页岩各向异性参数间的相关关系.张广智等(2015)基于页岩岩石物理等效模型, 实现了最小水平地应力的有效预测.邓继新等(2015)基于系统的微观结构观察(扫描电镜和CT成像技术)和岩石物理实验来分析龙马溪页岩样品地震弹性性质的变化规律, 并依据微观结构特征建立相应的地震岩石物理表征模型.不难看出，现有针对国内五峰—龙马溪组页岩的地震岩石物理研究更多的关注岩石动态弹性特征的变化规律及其影响因素, 并未系统分析成岩过程与岩石地震弹性特征之间的因果关系, 使得对五峰—龙马溪组页岩地震岩石物理性质的规律性认识缺乏地质意义.

页岩的地震弹性性质受岩石自身结构特征的影响(包括主要组成矿物空间分布和岩石骨架的关系、有机质空间分布特征、孔隙结构特征等), 而岩石结构特征则是不同成岩过程的结果, 致使其地震弹性响应上也留有特定成岩作用的痕迹.本文主要通过对五峰—龙马溪组页岩的系统声学测量、岩石学特征及对应成岩过程分析, 在系统总结其基本地震岩石物理特征基础上, 分析沉积与成岩过程对地震岩石物理特征影响, 从成岩过程的角度理解地震岩石物理特征表现出差异的地质原因.

研究工作以昭通区块A井等五口井中168块样品地化分析测试数据为依据, 对五峰—龙马溪组黑色页岩岩石学特征进行分析(其中进行了动态弹性特征测试的58个页岩样品X射线衍射全岩分析结果见表 1).页岩总有机碳(TOC)含量利用Leco碳硫测定仪通过燃烧后红外检测方法测量.通过硅质矿物-碳酸盐矿物-黏土矿物三端元图解对研究区页岩进行分类(Hichey and Bo, 2007; Abouelresh and Slatt, 2012), 大部分样品分布在混合硅质页岩相(S-2)、含黏土硅质页岩相(S-3)和含黏土/硅混合质页岩相(M-2)三个区域(图 1), 仅2个岩样落在混合页岩相(M)与含黏土/灰混合质页岩相(M-3)(图 1).混合硅质页岩相(S-2)与含黏土硅质页岩相(S-3)主要分布于五峰组顶部以及龙马溪页岩下部的主力含气段(图 2a); 其中硅质矿物含量平均为56.1%, 黏土矿物含量平均为14.8%, 碳酸盐矿物含量平均为8.6%, 有机质(TOC)平均值为3.01%.含黏土/硅混合质页岩相(M-2)主要发育于龙马溪页岩中、上部(图 2a); 其中黏土矿物含量平均为36.5%, 硅质矿物含量平均为33.2%, 碳酸盐矿物含量平均为12.7%, TOC平均值为1.59%.同时, 与国外典型页岩气区岩相分布特征对比, 本次研究区页岩矿物组成与国外主要产气盆地相当, 具有一定的相似性, 五峰—龙马溪下段优质页岩投影点大多落于硅质含量较高的区域; 不同之处在于, 国内混合灰质页岩相所占的比例较小, 而在部分国外典型实例中该岩相占一定的比例(王志峰等, 2014).

表 1 Table 1

表 1 五峰—龙马溪组页岩样品矿物组分特征与岩石物理特征 Table 1 Database of mineral content and rock physical properties of sales sample at 30MPa confining pressure 样号 体密度 (g·cm-3) 总孔隙度 (%) 主要矿物组分(%) TOC% VP-0° VSV-0° VP-90° VSH-90° 深度 (m) 沉积环境 石英 黏土 碳酸钙 (m·s-1) 1 2.69 0.5 18.1 32.3 29.2 0.74 5194 3090 6233 3604 2394.4 浅水 2 2.62 2.3 33.1 38.4 14.3 2.1 4293 2498 4895 2826 2361 浅水 3 2.63 1.6 35.1 39.8 9.6 2.2 4040 2360 4746 2793 2358.7 浅水 4 2.61 2 41.7 39.3 9.2 1.9 4350 2532 5073 2931 2369.6 浅水 5 2.66 0.7 31.2 33.4 14.4 0.77 5007 2899 6174 3644 2346.9 浅水 6 2.67 0.8 30.9 36.9 13 1.1 4862 2878 6111 3501 2351.9 浅水 7 2.64 1.8 35.8 39.6 9.1 1.65 4250 2489 5029 2987 2483 浅水 8 2.63 1.7 39.3 36.9 9.8 1.73 4120 2412 5107 2950 2488.5 浅水 9 2.61 0.9 32.4 36.1 10.3 0.45 4420 2564 5626 3138 2472.9 浅水 10 2.6 1.3 42.2 40.7 9.1 1.66 4280 2440 4930 2811 2492.7 浅水 11 2.6 1.1 37.8 37.2 11.8 1.53 4350 2478 5328 2478 2486.8 浅水 12 2.67 1.1 22.9 33.9 31.4 0.64 4817 2867 6017 3535 2386.8 浅水 13 2.62 1.3 34.6 35.7 11.6 1 4440 2565 5546 3204 2481.1 浅水 14 2.63 1.5 33.5 41.3 12.3 1.79 4080 2362 4758 2815 2387.2 浅水 15 2.62 2.8 38.6 33.6 16.7 2.74 4134 2434 4640 2688 2162.3 浅水 16 2.61 2.5 36.8 34.8 17.6 3.03 4156 2462 4590 2719 2179.1 浅水 17 2.6 3.3 43.2 31.3 12.6 3.19 4134 2481 4566 2807 2176.1 深水 18 2.54 3.8 42.4 32.9 9.8 5.37 4000 2340 4418 2709 2181.5 深水 19 2.68 0.6 31.2 35.6 12.8 1.1 4400 2620 5568 3359 2198 深水 20 2.65 1.6 34.3 41.2 7.4 1.6 4280 2433 5040 2758 2274.1 浅水 21 2.61 3.1 36.3 34.2 17.7 2.7 4190 2473 4645 2740 2288.7 浅水 22 2.66 0.7 33.3 37.7 11.8 0.77 4300 2630 5564 3346 2304.3 深水 23 2.62 1.2 30.5 37.8 9.5 0.35 4200 2476 5489 3312 2173.7 浅水 24 2.67 0.8 28.4 39.4 13.1 0.92 4340 2489 5603 3253 2160 浅水 25 2.65 1.4 33.9 32.5 14.8 0.99 4480 2696 5523 3367 2167.2 浅水 26 2.67 1 28.5 40.4 4.6 0.86 4240 2468 5541 3318 2184.6 浅水 27 2.64 1.4 29.4 35.3 11.8 1.1 4492 2660 5502 3279 2192.1 浅水 28 2.6 3.6 42.3 33.7 3.6 3.5 3990 2383 4549 2759 2207.6 浅水 29 2.66 0.6 31.2 32.1 13.3 1.3 4370 2700 5499 3203 2215.9 深水 30 2.69 0.6 27.3 40.5 11.6 0.58 4886 2831 6295 3536 2406.5 深水 31 2.56 3.5 44.3 13.8 10.3 3.5 4800 2894 5080 3090 2375.6 浅水 32 2.57 3.6 56.2 14.1 9.5 3.6 4890 2951 5175 3206 2382.2 深水 33 2.57 4.7 59.4 12.8 9.3 4.7 4791 2914 5160 3165 2391.4 深水 34 2.59 5.3 56.8 13.6 9.9 5.29 4582 2875 5184 3015 2388.9 深水 35 2.54 6.4 55.2 13.3 9.7 6.39 4485 2799 5034 2989 2198 深水 36 2.56 5.6 60.8 12.5 8.2 5.6 4604 2802 5043 3120 2201.5 深水 37 2.57 5.1 59.7 13.9 7.5 5.1 4657 2820 5101 3037 2452.1 深水 38 2.57 5.3 60.9 14.5 8.5 5.3 4724 2865 5044 3190 1613 深水 39 2.55 6.7 62.8 14.1 7.5 6.7 4463 2707 4889 3086 1614.7 深水 40 2.55 6.3 64.9 15.1 8.9 6.3 4672 2814 4900 3108 1626.6 深水 41 2.56 3.8 43.8 21.1 9.5 3.8 4760 2885 5171 3160 1627.5 深水 42 2.56 4.9 46.3 16.6 10.4 4.9 4700 2838 5062 3083 2326.4 深水 43 2.54 6.9 59.4 13.8 3.2 7.87 4433 2710 4774 2969 2223.7 深水 44 2.53 6.8 60.9 13.4 9.5 7.6 4469 2712 4730 2996 2229.7 深水 45 2.57 6.6 52.9 15.6 4.8 6.6 4600 2782 4911 3022 2231.2 深水 46 2.54 3.5 43.1 27.1 6.5 3.9 4142 2521 4723 2874 2232.5 深水 47 2.63 1.8 27.9 29.3 20.5 0.42 4630 2741 5556 3401 2237.6 深水 48 2.68 1.1 22.4 26.8 27.7 0.34 4531 2696 5323 3302 2374.7 深水 49 2.57 3.5 42.7 29.7 5.7 3.32 4206 2531 4721 2863 2391.2 浅水 50 2.53 3.4 44.1 28.3 8.2 3.69 4200 2580 4706 2873 2382.4 浅水 51 2.53 4.2 49.3 27.6 4.6 5.68 4137 2494 4456 2800 2191.4 深水 52 2.52 4.3 55.6 27.6 2.6 6 4003 2406 4493 2722 2204.9 深水 53 2.52 4.1 54.5 24.1 7.9 4.65 4110 2461 4407 2762 2219.2 深水 54 2.62 2.1 35.2 28.5 14.2 0.76 4496 2614 5433 3201 2449.5 深水 55 2.58 3.1 36.9 21.8 19.2 2.61 4316 2599 4728 2871 2458.1 深水 56 2.55 3.9 49.7 20.2 15.6 3.95 4230 2595 4595 2843 2475.1 浅水 57 2.56 4 53.3 22.7 12.9 4.3 4209 2527 4611 2791 2510.4 深水 58 2.55 3.9 55.7 28.5 5.7 4.9 4120 2517 4556 2803 2491.5 深水 注：TOC含量为质量百分比, 浅水代表浅水陆棚相, 深水代表深水陆棚相.

表 1 五峰—龙马溪组页岩样品矿物组分特征与岩石物理特征 Table 1 Database of mineral content and rock physical properties of sales sample at 30MPa confining pressure

图 1

Fig. 1

图 1 页岩样品矿物组成三端元图解 硅质页岩相组合: S—硅质页岩相, S-1—含灰硅质页岩相, S-2—混合硅质页岩相, S-3—含黏土硅质页岩相; 灰质页岩相组合: C—灰质页岩相, C-1—含硅灰质页岩相, C-2—混合灰质页岩相, C-3—含黏土灰质页岩相; 黏土质页岩相组合:CM—黏土质页岩相, CM-1—含硅黏土质页岩相, CM-2—混合黏土质页岩相, CM-3—含灰黏土质页岩相; 混合质页岩相: M—混合质页岩相, M-1—含灰硅质页岩相, M-2—含黏土/硅混合质页岩相, M-3—含黏土/灰混合质页岩相. Fig. 1 Ternary diagram of mineral composition of shale samples

图 2

Fig. 2

图 2 (a) 昭通区块A井五峰—龙马溪组页岩综合柱状图(GR:自然伽马); (b)浅水陆棚相样品典型镜下特征(黏土定向特征明显); (c)浅水陆棚相样品典型背散射扫描电镜图像(illite:伊利石); (d)深水陆棚相样品典型镜下特征; (e)深水陆棚相样品典型背散射扫描电镜图像(Qz:石英) Fig. 2 (a) Synthesis column chart of Wufeng and Longmaxi Formation shale of well A in Zhaotong area; (b) Preferential alignment of clay in sample of shallow shelf; (c) BEM photomicrograph of typical sample of shallow shelf; (d) Siliceous organism fossils in sample from deep shelf; (e) BEM photomicrographs in typical sample from deep shelf

依据聂海宽等(2016)提出的五峰—龙马溪组页岩分层标准, 以A井例可将整个页岩段在深度上按沉积环境、组分、沉积速率、有机质含量及化石类型等细分为八个亚层段(图 2a).图中⑥~⑧段位于五峰—龙马溪组页岩中—上部, 岩性上以含黏土/硅混合质页岩相(M-2)为主, 沉积环境为浅水陆棚相; 成烃生物主要为蓝藻、绿藻等底栖生物为主, 该类生物不利于生烃, 同时沉积速率较快, 造成该层段具有较低的TOC含量(1~15号样品); 孔隙类型以黏土颗粒粒间、粒内孔隙为主, 较难形成三维连通的有机质孔孔隙网络(图 2b，2c).图中①~⑤段位于五峰—龙马溪组页岩下部, 岩性上以混合硅质页岩相(S-2)与含黏土硅质页岩相(S-3)为主, 沉积环境为深水陆棚相; 成烃生物主要为红藻、褐藻等浮游藻类, 该类生物利于生烃, 同时沉积速率较慢, 使得该层段具有较高的TOC含量(31~46号样品); 孔隙类型以有机质孔隙及原生粒间孔隙为主, 易于形成三维连通的有机质孔孔隙网络，为天然气提供良好的赋存空间和渗流通道(图 2d，2e).五峰—龙马溪组页岩上、下两段不但在物性特征存在明显差异, 在结构特征上亦存在较为明显的变化, 上段页岩样品压实作用强烈, 黏土等塑性颗粒在刚性石英颗粒周边发生明显变形而“包裹”石英颗粒, 表现出较强的黏土定向特征, 构成以黏土作为骨架支撑颗粒的结构体系(图 2b，2c).下段样品黏压实作用较弱, 黏土颗粒排列具有随机性, 致使其整体定向特征较弱, 石英颗粒间呈点、线接触特征, 石英颗粒单独或与黏土颗粒一起构成骨架支撑颗粒(图 2d，2e).

为系统分析五峰—龙马溪页岩地震岩石物理特征变化规律, 依据储层段岩性变化特征从五口页岩气勘探井全直径岩芯按不同方向(平行层理及垂直层理方向)共钻取58组样品, 取样原则为覆盖储层段主要岩性变化及避免手标本尺度上的不均匀性.钻取的岩芯直径均为25.4 mm, 高度大于70 mm, 并进一步切制为高度在40~55 mm间、斜度小于0.05 mm的柱塞样品, 以进行地震弹性性质测试; 并将切下的部分用于制备场发射扫描电镜(FE-SEM)、阴极发光(CL).样品通过场发射扫描电子显微镜(Quanta250 FEG)表征结构特征, 同时进行背散射电子成像(BSEM)以及二次电子成像(SSEM), 以及利用CL-4型阴极发光仪确定页岩样品石英胶结特征, 进而厘定成因过程.

进行页岩样品干岩石条件下的弹性性质测试时, 首先将样品置于温度为70 ℃的烘箱中均匀烘干48 h以使样品达到“相对”干燥条件(样品中仅含结晶水与黏土约束水), 然后将烘干后的样品在潮湿空气露天放置24 h以上得到约含有2%~3%水分的“干燥”样品以消除黏土矿物脱水对岩石骨架的破坏作用.由于页岩气储层岩石低孔、低渗特征, 常规孔隙度气测方法较难得到准确结果; 本次工作利用XRD得到岩石样品矿物组分, 并进一步计算得到岩石等效颗粒密度, 在测量出岩石干燥密度后, 可较为准确地计算出岩石样品的孔隙度(总孔隙度).利用超声波脉冲穿透法测定样品速度, 装置配套纵波PZT换能器的主频为800 kHz, 横波主频为350 kHz.实验中, 压力从2 MPa开始加至70 MPa, 间隔5 MPa测量一次, 压力点测量间隔15 min以保证围压在样品中平衡, 压力偏差小于0.3%.根据振动方向、传播方向、振动方向以及岩石样品层理三者之间的关系, 可以在两个不同方向样品上得到六个速度.平行对称轴(垂直于层理与对称轴呈0°角)传播的V_P-0°、V_SV-0°(层理面内且振动方向垂直于对称轴)、V_SH-0°(振动方向在层理面内，并与V_SV-0°振动方向垂直)；平行层理(垂直对称轴与对称轴呈90°角)方向传播的V_P-90°、V_SV-90°(振动方向同时垂直于层理)、V_SH-90°(振动方向在面内且垂直于对称轴), 横波速度V_SV-0°、V_SH-0°与V_SV-90°近于相等, 在表 1中仅给出V_SV-0°测量结果.速度测量相对误差的量级纵波约为1%, 横波约为2%.

常规储层岩石(砂岩、碳酸盐岩)体密度主要受控于组成矿物密度及孔隙度, 而由于对应成岩矿物密度差异不大, 因此储层岩石的体密度与孔隙度间通常表现出较好的线性关系.不同于常规储层岩石, 五峰—龙马溪页岩具有较低的孔隙度(大部分孔隙度小于5%), 因此其体密度的变化主要与组成矿物密度有关, 尤其是密度较低的TOC含量.基于质量平衡方程, 页岩TOC体积百分比含量K与其质量百分比含量W之间的换算关系可表示为如下公式(Vernik and Nur, 1992, Vernik and Milovac, 2011)：

(1)

其中C_k为依赖于页岩成熟度的常数, 取值范围为：0.7~0.85, 本次工作取为0.8;ϕ为页岩样品孔隙度; ρ_b、ρ_k、ρ_f分别为页岩样品体密度、TOC密度及孔隙饱和流体密度.页岩固体骨架密度ρ_m(包括TOC，不包括孔隙)可表示为：

(2)

其中ρ_nk为页岩样品矿物组成颗粒等效密度, 考虑到页岩骨架主要由石英、黏土、黄铁矿以及方解石构成, 其等效颗粒密度通常范围为：2.72~2.8 g·cm^-3; TOC密度ρ_k的变化范围为:1.3~1.6 g·cm^-3.孔隙度与固体骨架密度ρ_m关系可表示为:

(3)

将公式(2)、(3)代入(1)中可得到页岩TOC质量百分比含量W与体密度ρ_b的计算关系:

(4)

由于页岩样品孔隙度较低, 在假定气饱和条件下, 可忽略, 则公式(3)可简化为(Vernik and Nur, 1992, Vernik and Milovac, 2011):

(5)

图 3a为改变TOC密度ρ_k与孔隙度时依据公式(3)所计算的TOC质量百分比含量W与体密度ρ_b理论关系图解(图中红线取孔隙度ϕ=5%, 黑色线取ϕ=1%, ρ_k分别取1.4与1.6 g·cm^-3), 并将168块井中样品TOC与体密度测量结果投入图中.可以看出, 五峰—龙马溪页岩经历更长时间的地质演化, 相对于美国典型页岩表现出更高的岩石体密度, 储层岩石密度通常大于2.5 g·cm^-3; 美国典型页岩气储层TOC密度小于1.4 g·cm^-3, 五峰—龙马溪页岩所含的TOC经过更长时间的热演化, 其密度更高(高于1.4 g·cm^-3), 并接近于TOC密度上限1.6 g·cm^-3(石墨密度), 在地震岩石物理建模过程需要考虑TOC密度及弹性模量的差异.图 3b为改变等效颗粒密度ρ_nk与孔隙度时依据公式(3)所计算的TOC含量与体密度ρ_b理论关系图解(图中红线取孔隙度ϕ=5%, 黑色线取ϕ=1%, 两组曲线中ρ_nk从左至右分别取2.72、2.76、2.8 g·cm^-3).可以看出, 样品孔隙度偏小(孔隙度通常小于5%), 虽然整体上具有密度随TOC含量增高而降低的趋势, 但密度受组成矿物、孔隙度及TOC含量的综合影响, 造成密度与TOC含量的线性关系不明显, 意味着利用地震反演密度结果定量预测TOC含量具有较大的不确定性.

图 3

Fig. 3

图 3 页岩样品体密度与有机碳含量(TOC)变化关系 (a)改变孔隙度与TOC密度; (b)改变孔隙度与颗粒等效密度. Fig. 3 Bulk density versus total organic carbon (TOC) for shale samples (a) TOC versus bulk density; (b) TOC versus effective grain density.

图 4a为30 MPa围压下(约等于地层有效压力)页岩样品中石英含量对于垂直层理传播纵、横波速度的影响(速度结果见表 1).可以看出, 随石英含量的增加，页岩样品速度变化整体近似呈“V”型趋势(图中绿色箭头方向), 即纵、横波速度先随石英含量的增加而减少直到某一特征石英含量, 随后速度又随石英含量的增大而增大, 该速度(阻抗)转折点出现在石英含量约为40%处.纵波速度(阻抗)随石英变化方式表明, 在石英含量小于40%时(对应黏土含量大于30%), 弹性性质较“软”的黏土颗粒作为岩石的骨架(图 3c，4b, 对应图 4a中的b位置样品), 此时石英含量的增加不改变岩石的结构特征, 岩石骨架弹性性质受黏土颗粒弹性性质控制(图 3c，4b)；虽然石英含量的增加会增大骨架等效弹性模量, 但会使岩石样品的有效孔隙度增大, 从而降低骨架的弹性模量, 其综合效应使得速度随石英含量的增加表现出较为缓慢的减小趋势.在该石英含量变化范围内(小于40%), 样品的速度也受到钙质胶结物的影响, 表现为样品的纵、横波速度随钙质胶结物的增加而迅速增大(图中蓝色箭头方向).而当石英含量大于40%(黏土含量小于30%)时, 岩石骨架支撑颗粒逐渐发生变化, 逐渐由黏土颗粒支撑转变为石英颗粒支撑, 此时岩石骨架的弹性性质受较“硬”的石英颗粒控制, 造成速度或者阻抗的增加.虽然骨架从黏土支撑到石英支撑是渐变的(图 4b—4d), 但是有一个从量变到质变的跳跃，致使样品的速度在石英含量大于40%时表现出明显的分层性(按黏土含量以20%为界, 图中绿色箭头方向从实心三角形减少到空心圆圈), 代表岩石骨架中石英颗粒支撑部分逐渐增多(图 4c—4d, 分别对应图 4b中的c、d位置样品).而在同一级黏土含量范围内, 速度则随石英含量的增加而增大, 这种变化趋势反映岩石样品中TOC含量及孔隙度的影响, 即当石英含量增大时，样品的TOC含量及孔隙度也会随之增大, TOC含量及孔隙度的增大使得速度逐渐减小(图中红色箭头方向).依据以上实验结果与分析不难看出，岩石骨架结构特征为控制速度变化的主要因素, 而孔隙度、TOC含量为影响速度变化的次要特征.

图 4

Fig. 4

图 4 五峰—龙马溪组页岩样品岩石结构变化对弹性波速度的影响 (a)速度随石英含量变化特征; (b)黏土颗粒支撑样品SEM图像(黏土含量大于30%); (c)黏土与石英颗粒共同支撑样品SEM图像; (d)颗粒支撑样品SEM图像(黏土含量小于30%). Fig. 4 Effect of texture variations on velocity of shale samples (a) Velocity variations with quartz content; (b) SEM photomicrograph of clay as load-bearing grains (clay content larger than 30%); (c) SEM photomicrograph of clay and quartz jointly as load-bearing grains; (d) SEM photomicrograph of quartz as load-bearing grains (clay content less than 30%).

图 5a为30 MPa围压下页岩样品中TOC含量对于垂直层理传播纵、横波速度的影响.整体上样品的纵横波速度随TOC含量的增大而减小, 但这种变化极不规律, 也说明TOC含量并非影响岩石介质速度的唯一因素.由于颗粒结构对岩石速度的控制作用, 当将样品按黏土含量分类(黏土含量大于30%, 黏土含量20%~30%, 黏土含量小于20%)后, 在每一类中可见速度随TOC含量的增加表现出较为明显的下降趋势, 这种趋势对于TOC含量高于2%的样品更为明显.所以，利用速度(阻抗)与TOC含量建立关系来定量预测TOC含量具有多解性, 高TOC含量的页岩样品既可以表现出相对较高速度、高阻抗(石英含量、孔隙度均较大, 石英作为岩石的支撑颗粒), 也可以表现出低速度与低阻抗特征(石英含量相对较小, 黏土与石英共同作为岩石的支撑颗粒).图 5b为30 MPa围压下页岩样品孔隙度与垂直层理传播速度的交汇图.可以看出, 整体上速度随孔隙度的增大具有降低的趋势, 孔隙度小于2%的页岩样品表现出较大的孔隙度-速度变化率, 孔隙度大于2%的页岩则表现出较小的孔隙度-速度变化率.孔隙度小于2%的页岩样品表现为高泥质含量以及低TOC含量的特征, 而该类页岩主要分布于五峰—龙马溪页岩上段, 孔隙以黏土颗粒边界接触所形成的粒间孔及蒙脱石向伊蒙混层转变所形成的粒内孔隙为主(图 2c, 4b), 受黏土颗粒形状控制的孔隙在力学性质上表现为具有较小纵横比的“软”孔隙, 造成速度随孔隙度的增加而迅速降低.孔隙度大于2%页岩样品主要分布于五峰—龙马溪页岩下段, 孔隙以有机质孔隙为主, 而有机质又主要赋存于原生矿物孔隙中(尤其是刚性石英颗粒间), 这种具有高纵横比特征的孔隙从弹性特征上表现为“硬”孔隙(图 2e, 4d), 造成速度随孔隙的增加仅缓慢降低.对比图 4与图 5也不难看出, 储层页岩的石英含量、孔隙度以及TOC含量之间具有较好的正相关关系(尤其是对于TOC含量大于2%的五峰—龙马溪页岩下段样品), TOC含量(孔隙度)的增加会降低岩石组合弹性参数Eρ(杨氏模量与密度的乘积)值, 而TOC含量的增加意味着石英含量的增大, 石英含量(TOC含量)的增加同样会降低岩石组合弹性参数λρ(拉梅系数与密度的乘积)值, 从而在Eρ-λρ交汇图中高TOC含量样品与低TOC含量样品具有较为明显的可区分性, 对TOC含量具有定性指示作用(图 6).

图 5

Fig. 5

图 5 页岩样品垂直层理速度随TOC含量变化(a)与速度随孔隙度变化(b)关系 Fig. 5 Velocity changing with TOC (a) and porosity (b) of shale samples

图 6

Fig. 6

图 6 页岩样品Eρ-λρ交汇图 Fig. 6 Cross-plot of Eρ-λρ of shale samples

参数ε和γ分别反映了纵波速度和横波速度的各向异性程度, 当样品密度取每组样品的平均密度时, 这两个参数可以用如下公式计算得到(Thomsen, 1986):

(6)

(7)

公式里的C₁₁, C₃₃, C₄₄和C₆₆都是表征横向各向同性介质弹性性质的弹性刚度系数.通常认为页岩的弹性各向异性特征主要由三方面的因素控制:黏土颗粒定向、TOC定向、孔隙定向.图 7为30 MPa围压下, 样品的黏土含量对各向异性因子ε和γ的影响.可以看出, 样品的各向异性因子虽然和黏土含量表现出较好相关关系, 但在相同的黏土含量下，样品的各向异性特征具有很大的差异, 高TOC含量的深水陆棚相岩石样品(五峰—龙马溪页岩下段)其各向异性明显偏小, 反映压实作用在不同的沉积环境中是有明显差异的，深水陆棚相的岩石压实作用明显偏小.造成上述现象的主要原因是深水陆棚相的岩石具有以石英颗粒作为岩石骨架的特征(图 2d—2e，图 4d), 而石英颗粒具有较强的抗压实性质, 致使黏土矿物不容易形成定向排列.

图 7

Fig. 7

图 7 五峰—龙马溪组页岩样品各向异性参数随黏土含量的变化 (a)黏土含量对各向异性参数ε的影响; (b)黏土含量对各向异性参数γ的影响. Fig. 7 Anisotropic parameters as function of clay content of shale samples from the Wufeng and Longmaxi Formation shale (a) Anisotropy factor (ε) versus clay content; (d) Anisotropy factor (γ) versus clay content.

通过第2节对页岩样品地震岩石物理特征的分析可以看出, 五峰—龙马溪页岩上、下两段在物性及地震弹性性质上(TOC含量、孔隙度、速度、各向异性)存在明显差异, 而上、下两段地层在埋藏深度、主要组成矿物种类及含量上并不存在明显差异.因此, 物性及弹性特征的差异并不能简单归结于埋深(压力)与矿物组分的影响.

五峰—龙马溪上段页岩为浅水陆棚相环境, 其样品典型的SEM及CL(阴极发光)图像如图 8所示.样品中部分石英在CL图像中表现为发亮光的特征(图 8b), 对应单色阴极发光光谱具有两个峰值(图 8c), 其主峰对应波长范围为680~720 nm, 次峰对应波长范围为430~470 nm, 具有明显陆源石英特征(Thyberg and Jahren, 2011; 赵建华等, 2016).该部分陆源石英通过河流、冰川或者风搬运到盆地中, 形态上呈次圆状-次棱角状, 直径通常在10 μm以上.五峰—龙马溪下段页岩为深水陆棚相环境, 其样品典型的SEM及CL图像如图 9所示.样品中的石英在阴极发光图像中主要表现为不发光-弱发光特征, 单色阴极发光光谱为钟形, 具有两个峰值(图 9c), 其主峰对应波长范围为580~620 nm, 次峰对应波长范围为390~430 nm, 具有明显自生生物成因石英特征(Thyberg and Jahren, 2011; 赵建华等, 2016).一般认为低温自生生物成因石英中的氧空位晶体内部缺陷及由于电子辐射导致非桥接的氧空洞中心衰减会使其阴极光光谱在波长620~650 nm出现峰值, 而在波长390~430 nm处出现次峰则可能是由于蛋白石-A与蛋白石-CT在温度、压力作用下进一步向石英晶体成岩转化过程中其阴极发光属性在石英中的残余.

图 8

Fig. 8

图 8 五峰—龙马溪组页岩上段样品陆源石英典型特征 (a) SEM图像; (b)阴极发光图像; (c)阴极发光光谱图. Fig. 8 Typical characteristics of detrital quartz in gas shale samples from the upper part of the Wufeng and Longmaxi Formation shale (a) SEM photomicrograph; (b) Cathode luminescence image (CL); (c) Energy spectrum.

图 9

Fig. 9

图 9 五峰—龙马溪组页岩下段样品自生生物成因石英典型特征 (a) SEM图像; (b) CL图像; (c)阴极发光光谱图. Fig. 9 Typical characteristics of biogenic quartz in gas shale samples from the lower part of the Wufeng and Longmaxi Formation shale (a) SEM photomicrograph; (b) Cathode luminescence image (CL); (c) Energy spectrum.

在五峰—龙马溪页岩上段岩石样品中除了陆源石英颗粒外, 还有大量嵌入黏土基质中的微米级石英颗粒, 呈短链状、小晶簇状聚集或以板片状小晶片状形式存在, 与周围黏土颗粒共同构成黏土-石英颗粒集合体(图 10a).该类石英的阴极发光光谱具有典型的钟形特征, 单一峰值对应范围为590~620 nm(图 10b), 亦具有自生石英特征.这种类型的石英与伊利石关系密切, 通常分布在其周围或者嵌入在伊利石矿物中, 据此可以推断其为蒙脱石向伊利石转化过程中析出硅质, 在伊利石或者伊/蒙混层矿物周围沉淀形成, 起到主要胶结作用(化学压实作用).在五峰—龙马溪页岩下段岩石样品中除粒径较大的生物成因石英颗粒外, 亦存在大量起到胶结物作用的石英隐晶、微晶及微晶聚集体(图 10c); 该类石英阴极发光光谱亦为钟形(图 10d), 但具有两个峰值, 其主峰对应波长范围为580~620 nm, 次峰对应波长范围为390~430 nm, 具有明显生物成因石英特征, 该类石英通常分布在藻类以及生物成因巨晶石英颗粒周围, 亦可判断为是硅质等浮游生物躯壳(其主要成分为蛋白石-A), 在埋藏过程中溶解再沉淀或重结晶形成的微晶石英.以上分析可以看出, 龙马溪页岩上、下段具有明显不同的化学压实过程, 上段浅水陆棚相页岩中起胶结作用的石英主要为蒙脱石向伊利石转化过程中形成, 这种转化需要一定温度与压力条件(温度:60~80 ℃, 对应埋深大于2000 m), 对应岩石的地震弹性性质在一定程度上取决于石英+黏土所构成的颗粒集合体的弹性性质; 而下段深水陆棚相页岩中起胶结作用的石英可在沉积物埋深初期(机械压实阶段初期)由藻类等生物溶解再结晶形成, 也可在埋深达到一定深度后由蒙脱石向伊利石转化过程中形成, 对应岩石的地震弹性性质在一定程度上反映了石英集合体的弹性性质.

图 10

Fig. 10

图 10 五峰—龙马溪组页岩样品石英胶结特征 (a)五峰—龙马溪组页岩上段样品SEM图像(mQz:微晶石英晶体, illite:伊利石晶体); (b)上段样品阴极发光光谱图; (c)五峰—龙马溪组页岩下段样品SEM图像(algae:藻类); (d)下段样品阴极发光光谱图. Fig. 10 Typical characteristics of quartz cementation in shale samples from the Wufeng and Longmaxi Formation shale (a) SEM photomicrograph of shale samples from the upper part of the Wufeng and Longmaxi Formation shale (mQz: micro-quartz); (b) Corresponding cathode luminescence image (CL); (c) SEM photomicrograph of shale samples from the lower part of the Wufeng and Longmaxi Formation shale; (d) Corresponding cathode luminescence image (CL).

成岩作用主要包括机械压实作用与化学压实作用.机械压实作用发生在沉积物埋深的早期阶段，主要表现为沉积物颗粒堆积方式的改变及部分颗粒的塑性变形, 这个过程中成岩作用表现为沉积物孔隙度和渗透率的迅速降低.随埋深的增加, 在一定的温度、压力条件下各种胶结作用相继出现使岩石具有一定的抗压性, 此时机械压实作用对储层物性的影响逐渐减弱, 取而代之是各种胶结作用(化学压实作用), 因此在通常情况下机械压实作用与化学压实作用视为两个相对独立的过程影响岩石的地震弹性性质.五峰—龙马溪上段页岩为浅海陆棚环境, 与之相对应组成矿物以陆相碎屑为主, 颗粒集合体在沉积埋深的过程中逐渐混入由藻类(主要为蓝藻)及其他浮游生物分解所形成的有机质, 由于蓝藻等的有机质产率较低, 同时为浅海的相对较弱的还原环境, 有机质的生成并不高.在随后的埋深(机械压实)过程中, 黏土颗粒在上覆压力的作用下旋转、定向排列而形成岩石的受力骨架, 即颗粒定向而造成的速度各向异性及其强弱在压实阶段就基本确定; 同时原生粒间孔隙在压力作用下大量闭合而使岩石初步致密化.在埋深达到一定的深度时(温度:60~80 ℃, 对应埋深大于2000 m), 出现最早的化学胶结作用, 即蒙脱石向伊利石转化形成伊-蒙混层, 并同时析出SiO₂作为胶结物连接不同的矿物颗粒使得岩石进一步致密化, 并出现蒙脱石向伊蒙混层转变所形成的黏土粒内次生孔隙.作为致密化的结果，岩石骨架弹性性质迅速增大从而“抵抗”机械压实作用的进一步进行, 黏土颗粒在上覆压力作用下的旋转、定向排列作用得到抑制, 可以判断在整个成岩过程中黏土颗粒的定向主要是发生在化学胶结作用开始之前(图 11).机械压实作用与化学压实作用可作为两个相对独立的过程影响岩石的地震弹性性质, 使得该层段页岩表现出TOC含量较低、孔隙度较低、各向异性较强、速度比(泊松比)较大、速度随孔隙的变化率较高的特征.

图 11

Fig. 11

图 11 五峰—龙马溪组页岩沉积、成岩过程示意图 Fig. 11 Conceptual model summarizing the depositional and diagenetic processes of the Wufeng and Longmaxi Formation shale

五峰—龙马溪下段页岩为深海陆棚环境, 强的还原环境以及红藻、褐藻等生物的繁盛, 造成生物分解过程不但形成大量的有机质同时使海水富硅, 当硅质达到一定浓度时逐渐析出不但形成大量生物成因的石英颗粒, 同时亦作为胶结物胶结不同矿物颗粒使得骨架刚性增加从而减弱了机械压实作用的影响, 不但减弱了黏土颗粒的定向, 还使得原生粒间孔隙得以保存, 更有利于有机质的赋存.当埋深达到一定深度时, 蒙脱石向伊利石转化的化学胶结作用同样会发生, 从而进一步增加岩石骨架的刚性并使岩石致密化(图 11).应该看到, 硅质生物溶解会造成海水过饱和, 而高硅质饱和度会增加蒙脱石矿物的稳定性, 从而不利于其向伊利石或混层矿物转化, 因此生物成因的石英及其胶结作用应早于蒙脱石向伊利石转化所形成的石英及其胶结物.整个成岩过程中机械压实与早期化学压实作用(生物成因石英胶结)并非独立过程而可视为是同时进行的, 使得该层段页岩表现出高TOC含量、高孔隙度、弱各向异性、速度比(泊松比)较小、速度随孔隙的变化率较小的整体特征.

(1) 五峰—龙马溪页岩样品TOC的密度高于1.4 g·cm^-3, 接近有机碳密度上限(1.6 g·cm^-3); 页岩体密度受组成矿物、孔隙度及TOC含量的综合影响, 造成体密度-TOC含量的线性关系不明显.

(2) 五峰—龙马溪页岩样品的绝对孔隙度或TOC含量不高, 因此其动态岩石物理特征主要受岩石结构控制(支撑颗粒弹性特征), 造成岩石颗粒支撑方式决定了速度等动态弹性特征在速度-石英含量、速度-孔隙度(TOC)交汇图中的整体变化形式, 而孔隙度、TOC含量以及孔隙形状则成为对地震弹性特征影响的次一级因素, 造成TOC含量与速度(纵、横波阻抗)相关关系不明显, 组合弹性参数Eρ、λρ对TOC含量具有定性指示作用.

(3) 五峰—龙马溪页岩样品的各向异性因子虽然和黏土含量表现出较好的正相关关系, 但在相同的黏土含量下高TOC含量的深水陆棚相岩石样品(五峰—龙马溪页岩下段)其各向异性明显偏小.

(4) 五峰—龙马溪页岩地震弹性性质变化规律整体受沉积环境控制, 沉积环境的差异形成不同的成岩过程, 致使地震弹性特征也表现出不同的变化规律.五峰—龙马溪上段页岩为浅水陆棚相, 早期机械压实作用与晚期化学成岩作用为两个相对独立的阶段, 早期强烈压实作用使得黏土颗粒发生旋转、定向排列而形成岩石的受力骨架, 同时原生孔隙较难保留, 孔隙以黏土粒间和粒内低纵横比孔隙为主, 致使样品表现出高的速度随孔隙度变化率、高速度比(泊松比)、高速度各向异性以及低TOC含量的特征.

(5) 五峰—龙马溪下段页岩为深海陆棚环境, 强的还原环境造成生物分解过程不但形成大量的有机质同时使海水富硅, 生物成因硅质的析出既可作为骨架颗粒, 也起到了胶结成岩颗粒的作用, 机械压实与早期化学压实作用(生物成因石英胶结)并非独立过程而可视为是同时进行的, 从而使得骨架刚性增加，减弱了机械压实作用的影响, 不但减弱了黏土颗粒的定向, 还使得较多的原生高纵横比粒间孔隙得以保存, 最终造成下段岩石整体特征为TOC含量较高、孔隙度较高、速度比(泊松比)较小、各向异性较弱以及较小的速度随孔隙度变化率.