龍馬溪組頁巖微觀結構、地震巖石物理特征與建模

　　摘要龍馬溪組頁巖是目前國內頁巖氣勘探的主要層位之一．由于巖石物理實驗結果具有區(qū)域性，龍馬溪組頁巖的巖石特征與其地震彈性性質的響應規(guī)律需要開展相關的實驗和理論研究工作予以明確．本研究基于系統(tǒng)的微觀結構觀察（掃描電鏡和ＣＴ成像技術）和巖石物理實驗來分析龍馬溪組頁巖樣品地震彈性性質的變化規(guī)律，并依據(jù)微觀結構特征建立相應的地震巖石物理表征模型．研究結果表明，石英含量對龍馬溪組頁巖的孔隙度以及有機碳（ＴＯＣ）含量具有一定的控制作用，ＴＯＣ和黃鐵礦主要賦存于孔隙中；巖石骨架組成亦受控于石英或粘土含量，在石英含量大于４０％（對應粘土含量小于３０％）時，以石英、粘土共同作為巖石骨架，而粘土含量大于３０％時，則以粘土作為巖石的骨架．因此，巖石骨架組成礦物、ＴＯＣ含量、孔隙度共同制約龍馬溪組頁巖的地震彈性性質，富有機質儲層巖石通常表現(xiàn)出低泊松比、低阻抗和低楊氏模量的特征，但由于支撐礦物的轉換，某些富有機質頁巖亦可表現(xiàn)為高阻抗特征．粘土礦物的定向排列仍然是造成頁巖樣品表現(xiàn)出各向異性的主要原因，各向異性參數(shù)與粘土含量具有指數(shù)關系．基于龍馬溪組頁巖的巖性特征及微觀結構特征，可以利用自洽模型（ＳＣＡ）、微分等效模量模型（ＤＥＭ）和Ｂａｃｋｕｓ平均模型的有效組合較為準確地建立龍馬溪組頁巖的地震巖石物理模型，實驗結果和測井數(shù)據(jù)驗證了模型的準確性．研究結果可為龍馬溪組頁巖氣儲層的測井解釋和地震“甜點”預測提供依據(jù)．

　　關鍵詞龍馬溪組頁巖；微觀結構；巖石物理特征；巖石物理模型

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　　隨著能源需求的急劇增加，頁巖氣作為一種非常規(guī)含氣系統(tǒng)在我國逐步受到關注．尤其是近年來，隨著四川盆地及其周緣頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，盆地內下奧陶系和上志留系的五峰—龍馬溪組黑色頁巖因為其本身的富有機質、埋藏深度適中和有機質演化程度高，逐漸成為了國內勘探突破的首選區(qū)域．中石油在四川威遠—長寧區(qū)塊、中石化在涪陵礁石壩地區(qū)均在該層位取得頁巖氣勘探、開發(fā)的突破（賈承造等，２０１２；馬永生等，２０１２）．

　?。昌堮R溪組頁巖微觀結構特征

　　２．１頁巖樣品巖石學特征

　　研究工作主要圍繞貴州習水（ＸＳ）、重慶黔江（ＱＪ）和四川長寧（ＣＮ）三個典型剖面的頁巖展開，三個剖面都位于四川盆地東南緣．巖性自下而上依次為泥灰?guī)r、炭質頁巖、黑色頁巖、粉砂質頁巖夾粉砂巖條；總體上表現(xiàn)為顆粒變粗、顏色變淺以及總有機碳（ＴＯＣ）含量逐漸減少的特征，亦表明沉積水體逐漸變淺．所取樣品以含ＴＯＣ較高的中下部頁巖氣儲層樣品為主，少量樣品位于剖面上部作為對比．

　?。玻岔搸r樣品微觀結構特征

　　龍馬溪組頁巖的巖石結構較為復雜，表現(xiàn)在巖石骨架的構成顆粒、孔隙類型、有機質分布特征等方面存在明顯的差異．龍馬溪組巖性十分致密，平均孔隙度不及５％，而所采露頭樣品部分孔隙度較高可能與其暴露地表受到淋濾作用有關．根據(jù)掃描電鏡與背散射電鏡觀察結果（圖２），頁巖儲層孔隙類型主要包括原生孔隙、次生孔隙和裂隙．原生孔隙主要為石英、莓狀黃鐵礦、碳酸鹽等脆性礦物顆粒間微孔（圖２ａ—２ｄ均有表現(xiàn)），以及粘土礦物顆粒之間的原生粒間微孔，與致密砂巖、常規(guī)砂巖顆粒之間的原生孔隙一致，只是孔徑遠小于后者．次生孔隙是頁巖中有機質生烴（圖２ｃ—２ｄ）、粘土礦物脫水、伊利石化和長石等不穩(wěn)定礦物溶蝕作用形成的微小孔洞和微裂隙（圖２ｄ），縫寬一般在５０～３００ｎｍ之間，部分長石等的溶蝕孔隙直徑可達２～１０μｍ，這些次生孔隙有效地改善了泥頁巖的儲集物性．總體上看，有機質微孔隙和脆性礦物原生粒間孔隙是儲層巖石孔隙的主要貢獻者．ＴＯＣ主要分布于原生粒間孔隙中（圖２ｃ—２ｄ），孔隙的形態(tài)決定了ＴＯＣ的形態(tài)，造成ＴＯＣ主要呈斑塊狀分布，而且不作為支撐巖石的連續(xù)骨架，即不承擔作用力，也不影響巖石的各向異性特征，這種特征與美國未成熟的Ｗｉｌｌｉｓｔｏｎ盆地Ｂａｋｋｅｎ頁巖（ＶｅｒｎｉｋａｎｄＮｕｒ，１９９２）有明顯差異（該頁巖中ＴＯＣ呈近似平行層理的條帶狀分布）．巖石樣品中黃鐵礦呈草莓狀集合體產出（圖２ｄ），直徑可達２μｍ，由多個緊密堆積的黃鐵礦晶體顆粒構成，黃鐵礦顆粒亦主要分布在孔隙中，同樣不作為巖石骨架部分而承擔作用力．ＴＯＣ與黃鐵礦顆粒的分布特征反映頁巖樣品的過成熟結構特征．

　?。除堮R溪組頁巖樣品地震巖石物理特征

　?。常睂嶒灅悠分苽渑c測量

　　頁巖氣儲層巖石孔隙流體特征及其賦存狀態(tài)相對于常規(guī)儲層巖石更為復雜而無統(tǒng)一認識，本文主要討論巖石樣品飽氣條件下的聲學特征．首先將樣品置于溫度為７０°C的烘箱中均勻烘干４８ｈ以使樣品達到“相對”干燥條件（樣品中僅含結晶水與粘土約束水），然后烘干后的樣品在潮濕空氣露天放置２４ｈ以上得到約含有２％～３％水分的“干燥”樣品以消除粘土礦物脫水對巖石骨架的破壞作用．由于頁巖氣儲層巖石低孔、低滲特征，常規(guī)孔隙度、滲透率測量方法較難得到準確結果．在利用ＸＲＤ得到礦物組分及其含量的條件下，可進一步計算得到巖石等效顆粒密度，在得到巖石干燥密度后，可較為準確地計算出巖石樣品的孔隙度（總孔隙度）．為準確測量巖石樣品的各向異性特征，需將所研究的樣品分別沿平行層理方向（垂直于對稱軸）、垂直于層理方向（平行對稱軸）、與對稱軸呈一定角度（通常大于３０°，這里為４５°）的三個不同方向切制成圓柱狀（ＶｅｒｎｉｋａｎｄＮｕｒ，１９９２；鄧繼新等，２００４）．所有樣品直徑均為２５．４ｍｍ，高在４０～５５ｍｍ間不等，兩端面磨平拋光斜度小于０．０５ｍｍ．

　?。常矌r石物理規(guī)律

　　圖４給出ＱＪ６頁巖樣品（重慶黔江）在不同極化方向和傳播方向下的縱、橫波速度隨壓力的變化，該樣品代表具有明顯各向異性頁巖樣品的普遍速度關系．圖中可以看出，不同壓力橫波速度ＶＳＶ－０°、ＶＳＨ－０°、ＶＳＶ－９０°相差很小，即存在ＶＳＶ－０°≈ＶＳＨ－０°≈ＶＳＶ－９０°其實，所有２９個頁巖樣品的上述三個橫波速度差異均較小，最大不超過２％．考慮到樣品制備過程中會造成沿不同方向切制的樣品之間存在一定的差異，以及速度讀取的誤差，可以認為上述三個橫波（ＶＳＶ－０°、ＶＳＨ－０°、ＶＳＶ－９０°）的速度是近似相等的．在相同的壓力下，所有頁巖樣品縱波速度均表現(xiàn)出相同的變化關系（以ＱＪ６樣品為代表）：ＶＰ－９０°＞ＶＰ－４５°＞ＶＰ－０°．橫波速度關系較為復雜，大部分樣品存在關系（以ＱＪ６頁巖樣品為代表）：ＶＳＨ－９０°＞（ＶＳＶ－４５°、ＶＳＨ－４５°）＞（ＶＳＶ－０°、ＶＳＨ－０°、ＶＳＶ－９０°），而橫波ＶＳＶ－４５°與ＶＳＨ－４５°之間速度大小無一定的規(guī)律；少量樣品在低圍壓下表現(xiàn)出ＶＳＶ－０°＞ＶＳＨ－９０°特征．依據(jù)速度關系，可將所研究頁巖樣品的彈性性質看作是橫向各向同性的，即ＶＴＩ介質．利用速度與密度測量結果可進一步計算表征ＶＴＩ介質的五個獨立彈性剛度系數(shù)（Ｃ１１，Ｃ３３，Ｃ４４，Ｃ６６與Ｃ１３）（ＪｏｈｎｓｔｏｎａｎｄＣｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ，１９９５）．需要說明的是對于少量不完全滿足ＶＴＩ介質的頁巖樣品為便于比較仍用相同的方法計算上述五個剛度系數(shù)以代表其等效彈性性質．進一步，可以計算得到各向異性參數(shù)（Ｔｈｏｍｓｅｎ，１９８６）

　　參考文獻

　　鄧繼新，史謌，劉瑞珣等．２００４．泥巖、頁巖聲速各向異性及其影響因素分析．地球物理學報，４７（５）：８６２－８６８．

　　賈承造，鄭民，張永峰．２０１２．中國非常規(guī)油氣資源與勘探開發(fā)前景．石油勘探與開發(fā)，３９（２）：１２９－１３６．

　　李霞，周燦燦，李潮流等．２０１３．頁巖氣巖石物理分析技術及研究進展．測井技術，３７（４）：３５２－３５９

　　鄧繼新１，２，王歡２，周浩２，劉忠華３，宋連藤３，王緒本２

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