未 晛，王尚旭，趙建國，鄧?yán)^新

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249;2.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，四川成都610059)

致密砂巖縱、橫波速度影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

未 晛1，王尚旭1，趙建國1，鄧?yán)^新2

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249;2.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，四川成都610059)

為了研究孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、含水飽和度、壓力、頻率等對(duì)致密砂巖縱、橫波速度的影響，利用脈沖透射法、差分共振聲譜法和低頻應(yīng)力應(yīng)變方法得到了6塊致密砂巖樣品的縱、橫波速度，并利用Micro-CT得到了巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖石樣品的孔隙度與密度具有較好的負(fù)相關(guān)性；超聲頻率下，干燥巖樣的縱、橫波速度和孔隙度相關(guān)性較差，而飽水巖樣的縱、橫波速度與孔隙度相關(guān)性變好；樣品縱波速度隨圍壓增加急劇增大，圍壓增加到20MPa時(shí)，其縱波速度增大了23%，這主要受巖石裂縫閉合的影響；不同含水飽和度下，在1558Hz下測得的縱波速度比1MHz的縱波速度低3.5%～12.5%；從干燥到完全水飽和，1MHz和600Hz頻率下體積模量均增加，兩者變化趨勢大體相同，且與巖石的滲透率具有較好的相關(guān)性。

孔隙度;頻率;壓力;含水飽和度;致密砂巖

近些年來，低孔低滲致密砂巖油氣藏研究一直是國內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。據(jù)估算，世界上現(xiàn)今技術(shù)可開采的致密砂巖氣儲(chǔ)量為(10.5～24.0)×1012m3，位居非常規(guī)天然氣之首[1]，其產(chǎn)量幾乎占了全球非常規(guī)資源量的70%[2]。我國致密砂巖氣藏分布領(lǐng)域廣泛，類型多樣，在四川、鄂爾多斯、吐哈、松遼、準(zhǔn)噶爾南部、塔西南、楚雄和東海等盆地和地區(qū)皆有分布，在我國近年來的新增探明儲(chǔ)量中占60%以上。因此，致密砂巖氣藏是21世紀(jì)最有希望而又最現(xiàn)實(shí)的重要天然氣勘探領(lǐng)域[3]。

在油氣勘探中應(yīng)用廣泛的是巖石的聲學(xué)性質(zhì)，其受巖石物理環(huán)境(溫度、壓力)、孔隙度、孔隙形狀、巖石礦物組分、滲透率、飽和度、頻率及孔隙流體等各種因素的影響[4]。這些因素常常是關(guān)聯(lián)在一起的，因此，實(shí)驗(yàn)室測量并查明某一因素對(duì)地震波傳播速度的影響對(duì)油氣勘探具有重要的參考價(jià)值。

Murphy[5]利用共振棒技術(shù)測量了部分飽和致密砂巖的縱、橫波速度，指出致密砂巖的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)飽和度是極其敏感的。其在大約5kHz頻率下測量得到的Fort Union致密砂巖(孔隙度8.5%)不同飽和度的聲學(xué)速度比超聲頻率(500kHz)下的速度低10%～25%。但是，為了獲取更低頻率下的聲學(xué)性質(zhì)，共振棒技術(shù)需要更長的樣品。這種技術(shù)在測量小巖心樣品地震頻段下的聲學(xué)性質(zhì)時(shí)則顯得無能為力。

Tutuncu等[6]實(shí)驗(yàn)研究了泥質(zhì)含量、孔隙度、頻率和壓力對(duì)超聲頻段(>105Hz)鹽水飽和致密砂巖縱、橫波速度與衰減的影響。研究結(jié)果表明，致密砂巖泥質(zhì)含量的增加軟化了巖石顆粒之間的膠結(jié)，導(dǎo)致縱、橫波速度降低;速度和衰減依賴于頻率，而且在低于超聲頻率時(shí)散射對(duì)衰減有很大影響;隨著壓力的增加，縱、橫波速度增加，衰減減小。但該研究結(jié)果是基于超聲頻段(0.1～1.5MHz)得到的，在部分飽和、低頻情況下致密砂巖的縱、橫波速度是否仍有這樣的規(guī)律需要進(jìn)一步研究。

Smith等[7]研究了圍壓和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)超聲頻率下地震波速度的影響，發(fā)現(xiàn)圍壓從6.89MPa增加到34.48MPa時(shí)，其縱波速度增加了25%，并指出孔隙結(jié)構(gòu)控制著巖石超聲頻率下的聲學(xué)性質(zhì)，但不清楚如此大的速度變化在低頻情況下是否會(huì)出現(xiàn)。

國內(nèi)研究方面，張?jiān)械萚8]在常溫常壓條件下,采用不同頻率換能器，研究了干燥和流體飽和巖石波速隨頻率的變化規(guī)律。王大興等[9]在地層溫壓條件下，采用超聲波測量技術(shù)研究了致密砂巖含水飽和度對(duì)波速及衰減的影響。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖樣品的物性和流體含量對(duì)縱波速度和衰減影響均大于橫波，含氣飽和度大于60%時(shí)縱波Q值變化明顯;物性越好，含氣飽和度越高，縱波Q值越小，吸收越大。鄧?yán)^新等[10]研究了流體飽和巖石超聲速度頻散的特性，給出了2種速度頻散機(jī)制對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并分析了將實(shí)驗(yàn)高頻速度應(yīng)用于現(xiàn)場地震低頻的可能性。

前人研究結(jié)果多是基于kHz到MHz頻段范圍內(nèi)聲學(xué)參數(shù)的測量得到的。由于巖石具有頻散特征，所以在kHz到MHz頻段內(nèi)的測量結(jié)果和5～100Hz頻段內(nèi)的現(xiàn)場地震勘探數(shù)據(jù)之間存在一定的差異。因此，分析各因素在地震頻段(小于100Hz)內(nèi)對(duì)地震波的影響是十分必要的。同時(shí)，由于沉積巖石的物理性質(zhì)具有區(qū)域性，巖石結(jié)構(gòu)千差萬別，所以有必要針對(duì)某一工區(qū)的巖心進(jìn)行巖石物理分析，以便研究儲(chǔ)層物性及含流體變化對(duì)彈性參數(shù)的影響，為研究區(qū)地震儲(chǔ)層預(yù)測與分析提供指導(dǎo)性幫助。

利用脈沖透射法、差分共振聲譜法和低頻應(yīng)力應(yīng)變方法得到了致密砂巖樣品2Hz～1MHz頻段的縱、橫波速度，并利用Micro-CT得到了巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析圍壓、孔隙形狀、含水飽和度和頻率對(duì)地震波速度的影響。通過該研究有助于分析、理解致密砂巖聲學(xué)性質(zhì)，為儲(chǔ)層預(yù)測和油氣檢測提供依據(jù)。

1 樣品特征

實(shí)驗(yàn)選用6塊致密砂巖樣品進(jìn)行研究，巖石樣品物性在一個(gè)商業(yè)巖心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量，其結(jié)果見表1。6塊樣品的孔隙度范圍為2.62%～7.80%，平均孔隙度為4.50%。滲透率范圍為0.003×10-3～0.073×10-3μm2，平均滲透率0.025×10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)分析了T-1，T-2和T-4樣品的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。首先，在加工T-1樣品剩余部分上任意鉆取一個(gè)直徑2mm的小巖心，通過Micro-CT對(duì)該干燥巖心樣品進(jìn)行掃描。CT掃描圖片的大小為1942×2014像素，其分辨率為1.12μm，顯示在圖1a中。在圖1a上任意選取一個(gè)區(qū)域(用黃色矩形標(biāo)記)放大展示在圖1b中。該黃色矩形標(biāo)記區(qū)域大小為500μm×500μm。從圖1b中可以發(fā)現(xiàn),該樣品裂縫(藍(lán)色矩形標(biāo)記)是極其發(fā)育的，夾雜一些較大的孔隙(紅色矩形標(biāo)記)。根據(jù)圖1a，裂縫的分布貫穿巖石樣品截面(藍(lán)線)，估計(jì)其長度約2000μm，寬度低于5μm。

圖2是圖1b的三維孔喉結(jié)構(gòu)(綠色代表孔隙和喉道)，其大小為500μm×500μm×500μm。圖2a顯示樣品中存在一些孤立的孔隙和大量連通的裂縫。這些連通的裂縫不但是流體流動(dòng)的物理基礎(chǔ)，而且還是影響巖石滲透率的主要因素。圖2a 的孔喉半徑分布示于圖2b，其半徑分布范圍為0.5～4.0μm，并且半徑約0.5μm孔喉的含量約60%，而其它半徑的孔喉最大含量約10%。裂縫的半徑越小，越容易受到壓力的影響[11]。當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^巖石傳播時(shí)，狹長的裂縫極易受到壓縮波產(chǎn)生的壓力的影響，反過來影響巖石的地震響應(yīng)特征。

圖3a和圖3b分別給出了T-2和T-4樣品的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，其獲取方法與T-1樣品相同。為更好地顯示樣品孔隙連通性，圖3a和圖3b用相同的顏色標(biāo)注連通的孔隙或是裂縫。結(jié)果顯示T-2樣品不存在較大孔隙，裂縫發(fā)育，連通性較好;而T-4樣品發(fā)育較大孔隙，但連通性較差。巖石物性參數(shù)也反映出兩者微觀孔隙結(jié)構(gòu)的差異，T-4樣品比T-2樣品孔隙度大但滲透率低(表1)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用3種實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行測量:①超聲脈沖透射法;②差分共振聲譜法(DARS)[12-14];③低頻應(yīng)力應(yīng)變方法，Wei等[12]和Zhao等[13]詳細(xì)介紹了基于該方法的跨頻段巖石彈性參數(shù)測量系統(tǒng)(MFEPMS)。表2列舉了樣品的各測量項(xiàng)目。

首先，用超聲脈沖透射法和DARS方法測量樣品干燥和完全飽水情況下的縱、橫波速度，考察孔隙度、頻率與樣品縱、橫波速度的關(guān)系。其中P波和S波換能器的主頻約為1MHz。測量分為兩步:①樣品放置于溫度70℃的烘箱中均勻烘干48h，以使樣品達(dá)到“絕對(duì)”干燥條件;為消除水對(duì)巖石骨架化學(xué)軟化的影響，需要將烘干后的樣品在潮濕空氣中放置48h以上，得到含2%～3%水分的干燥樣品[14]。之后用薄薄一層環(huán)氧樹脂膠對(duì)樣品進(jìn)行密封，用超聲脈沖透射法和DARS方法對(duì)樣品進(jìn)行測量，得到干燥巖石的聲學(xué)性質(zhì)。②將環(huán)氧密封層去除，然后把樣品放置在裝有蒸餾水的容器中進(jìn)行飽和，再用抽空減壓飽和法對(duì)樣品繼續(xù)飽和72h以上，得到的飽和度作為最終飽和度值，含水飽和度通過稱重法測量得到。之后立即用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行密封，密封好的樣品再用于脈沖透射法和DARS方法的測量，得到水飽和巖石的聲學(xué)性質(zhì)。

注:“×”表示沒有完成的測量;“√”表示完成的測量。

其次，以T-1樣品為例考察圍壓對(duì)地震波速度的影響。T-1樣品首先放置于溫度70℃的烘箱中均勻烘干48h，之后將烘干后的樣品在潮濕空氣中放置48h以上，得到含2%～3%水分的干燥樣品。之后用薄薄的一層環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行密封。兩塊嵌有超聲P波和S波換能器的標(biāo)準(zhǔn)鋁塊分別被環(huán)氧樹脂膠粘貼在T-1樣品的上、下兩端，用作測量巖石樣品的參考樣品(以下簡稱為參考鋁塊)，其中P波和S波換能器的主頻約為1MHz。巖石樣品的表面上貼有8對(duì)帶有絕緣彈性基底的半導(dǎo)體應(yīng)變片，其中4對(duì)垂直方向排布，4對(duì)水平方向排布。參考鋁塊表面上貼有2對(duì)垂直方向排布的應(yīng)變片。這些應(yīng)變片同時(shí)收集參考鋁塊垂直方向和巖石樣品水平方向、垂直方向的應(yīng)變信息。最后，用環(huán)氧樹脂膠將樣品T-1進(jìn)行密封處理，一方面防止加壓過程中提供圍壓的氣體進(jìn)入樣品，另一方面保護(hù)應(yīng)變片不受圍壓氣體的影響。T-1樣品加工完成之后安裝到MFEPMS系統(tǒng)中進(jìn)行測量。提供圍壓的氣體是氮?dú)?。為安全起見，圍壓從大氣壓加載到25MPa，每5MPa測量一次。最終得到不同圍壓下2～2000Hz頻段內(nèi)和1MHz頻率下的地震波速度。

最后，以T-1樣品為例考察含水飽和度對(duì)致密砂巖地震波速度的影響，從干燥巖石開始，流體從樣品頂部的流體管線注入，從而增加飽和度。飽和度是通過樣品的孔隙體積和注入流體的體積決定的。注入流體的體積由一臺(tái)Teledyne ISCO泵精確控制。注入過程是在室溫(14℃)和一定濕度(60%)條件下進(jìn)行的。同時(shí)所有的測量都在室溫(14℃)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 孔隙度的影響

巖石密度反映了巖石的綜合性質(zhì)，包括巖石礦物組分、致密程度、環(huán)境影響等。巖石密度與孔隙度一般具有較好的相關(guān)性，兩者均可反映巖石致密程度等信息。實(shí)驗(yàn)表明,樣品體積密度與孔隙度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖4所示?？梢?巖石體積密度與孔隙度之間有較好的線性關(guān)系，這表明所測巖石樣品骨架性質(zhì)比較接近。

圖5是超聲頻率下縱、橫波速度隨孔隙度的變化情況。由圖5可見，速度隨孔隙度的增加而減小。干燥巖樣的縱波速度(vP)變化范圍為3.24～4.27km/s，平均縱波速度為3.80km/s;橫波速度(vS)的變化范圍為2.06～2.83km/s，平均橫波速度為2.45km/s。飽水巖樣的縱波速度變化范圍為3.78～4.92km/s，平均縱波速度為4.40km/s;橫波速度的變化范圍為2.45～3.23km/s，平均橫波速度為2.86km/s。干燥巖樣的孔隙度與縱、橫波速度的相關(guān)性較差，特別是干燥巖樣縱波速度與孔隙度關(guān)系;而飽水巖樣孔隙度與縱、橫波速度的相關(guān)性變好。其中T-6樣品的縱、橫波速度在干燥和水飽和情況下均較低，這可能與T-6樣品中的礦物成分有關(guān)，特別是泥質(zhì)含量[6]。

孔隙度與密度和速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以為合成記錄提供缺失的聲波或是密度曲線，可以定量分析孔隙度變化引起的地震波振幅變化以及為AVO分析估算S波速度等等。需要強(qiáng)調(diào)的是，這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系不僅對(duì)巖性有很強(qiáng)的依賴性，而且具有區(qū)域性，因而在沒有重新標(biāo)定之前，不應(yīng)該把它們外推至其它地區(qū)。

3.2 圍壓的影響

以T-1樣品為例，實(shí)驗(yàn)測得了2～2000Hz和1MHz的縱波速度隨圍壓(Pc)的變化情況，結(jié)果如圖6所示。在圖6a中，為對(duì)比分析低頻和超聲頻率下縱波速度隨圍壓變化的差異，把2～20Hz縱波速度的算術(shù)平均值作為低頻測量結(jié)果。致密砂巖的聲學(xué)性質(zhì)受對(duì)壓力敏感的低高寬比孔隙(微裂縫)的控制[7]，隨著圍壓的增加，不管是低頻還是超聲頻率縱波速度都會(huì)增加。圍壓從0.1MPa增加到10.0MPa，低頻下縱波速度增加了12%，超聲頻率下縱波速度增加了13.5%。圍壓從0.1MPa增加到20.0MPa時(shí)，低頻和超聲頻率下縱波速度均增加了近23%。Smith等[7]測量了7塊致密砂巖的縱波速度隨圍壓的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)圍壓從6.89MPa增加到34.48MPa時(shí)，大部分巖樣縱波速度增加了25%，并指出孔隙結(jié)構(gòu)控制著巖石超聲頻率下的聲學(xué)性質(zhì)。實(shí)際上這是由于圍壓的增加使得對(duì)壓力敏感的裂縫發(fā)生閉合，從而導(dǎo)致縱波速度增加，而刻畫裂縫的一個(gè)重要參數(shù)是裂縫的高寬比。Walsh[11]討論了圍壓與裂縫高寬比的關(guān)系:

(1)

式中:Pclose表示裂縫閉合壓力;Es表示巖石基質(zhì)的楊氏模量;νs表示巖石基質(zhì)的泊松比;α0表示裂縫的高寬比。

對(duì)于砂巖，巖石基質(zhì)的楊氏模量(Es)為100GPa，圖1a中顯示的T-1樣品裂縫長度為2000μm，孔喉半徑分布圖(圖2b)顯示大部分孔喉的半徑為0.5μm。因此，粗略估計(jì)裂縫的高寬比為0.00025，根據(jù)公式(1)計(jì)算出裂縫閉合壓力約為25MPa。因此，當(dāng)圍壓為20MPa時(shí)，T-1樣品中裂縫會(huì)受到圍壓影響導(dǎo)致縱波速度急劇增加。圖6b顯示，不同圍壓下干燥T-1樣品的頻散不明顯。但隨著圍壓的增加，低頻和超聲頻率下縱波速度的差異變小。例如，當(dāng)圍壓為5MPa時(shí)，1MHz下縱波速度與2Hz頻率下縱波速度相差230m/s，而當(dāng)圍壓增大到20MPa時(shí)，1MHz頻率下縱波速度與2Hz頻率下縱波速度相差160m/s。

在壓力的作用下，致密砂巖裂縫形狀發(fā)生變化，從而影響其縱、橫波速度發(fā)生變化。描述巖石中孔隙形狀的重要參數(shù)是孔隙的高寬比，巖石的縱、橫波速度可以用不同高寬比的等效介質(zhì)模型進(jìn)行模擬[15]。反過來，等效介質(zhì)模型可以為巖石中孔隙形狀的預(yù)測提供幫助。同時(shí)，速度和壓力之間的關(guān)系可作為現(xiàn)場鉆井工程師預(yù)測泥漿比重的基礎(chǔ)。

3.3 飽和度的影響

以T-1為例研究含水飽和度對(duì)縱波速度的影響，結(jié)果顯示在圖7中。在超聲頻率下，含水飽和度從20%增加到70%時(shí)，縱波速度基本保持不變;當(dāng)含水飽和度繼續(xù)增大到80%時(shí)，縱波速度急劇增加。而低于超聲頻率下，當(dāng)含水飽和度從20%增加到70%時(shí)，其縱波速度降低，而且隨著頻率的減小，下降的幅度增大。當(dāng)含水飽和度從70%增加到80%時(shí)，不同頻率下的縱波速度均有不同程度的增加。不同飽和度下，頻率從1MHz到1558Hz降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，縱波速度降低了3.5%～12.5%。而Murphy[5]利用共振棒技術(shù)測量的Fort Union致密砂巖(孔隙度8.5%)不同飽和度下大約5kHz頻率下的聲學(xué)速度比超聲頻率(500kHz)下的速度低10%～25%。對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，巖石的聲學(xué)速度對(duì)含水飽和度是極其敏感的;并且低頻情況下聲學(xué)速度小于高頻聲學(xué)速度，但其降低的幅度存在差異，這可能和巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。

在含水飽和度為20%～70%時(shí)，超聲頻率下縱波速度主要受巖石密度的影響。因此，隨著含水飽和度的增大，超聲頻率下縱波速度略有下降。而在低頻情況下，地震波速度不僅受到巖石密度的影響，還要受孔隙流體流動(dòng)的影響。流體流動(dòng)性與孔隙流體在巖石孔隙中的空間分布情況相關(guān)。當(dāng)含水飽和度較低時(shí)，孔隙水沿巖石孔隙空間形成一層較厚的水層，在接近孔隙中間的部分形成一個(gè)薄的相互連通的氣體相[16-17]。空氣和水的這種分布意味著所有的孔隙都處于部分飽和狀態(tài)。這暗示孔隙流體均勻分布在巖石中，巖石的非均質(zhì)性僅由巖石本身引起。在測量時(shí)巖石樣品應(yīng)變的幅值為1×10-8～1×10-7，巖石樣品長度為5×10-2m，估計(jì)其變形量為5×10-10～5×10-9m，而樣品裂縫的寬度為1×10-6～8×10-6m，如此小的變形幅度不會(huì)擠壓到裂縫中的流體，而且由于流體的粘滯性與固-液界面上的吸附作用，這一較厚的水層不易流動(dòng)。因此低含水飽和度時(shí)有較小的縱波速度的頻散。在高含水飽和度時(shí)，自由水和空氣會(huì)重新分布，達(dá)到一個(gè)熱動(dòng)力學(xué)更穩(wěn)定的配置，這會(huì)引起相互連通氣體相的隔斷，在每個(gè)孔隙中心充滿了自由水[14-15]。由于自由水和空氣在巖石中的非均勻分布，巖石的非均質(zhì)性變得更強(qiáng)，這時(shí)被稱為斑塊飽和。在具有不同彈性性質(zhì)的非均質(zhì)性的區(qū)域之間，介觀尺度下流體的流動(dòng)比在低飽和度情況下流體的流動(dòng)更大，從而導(dǎo)致含水飽和度較高時(shí)縱波速度有更大的頻散。

基于T-1樣品的數(shù)據(jù)，在低含水飽和度時(shí)，縱波速度頻散不明顯;而在高含水飽和度時(shí)，即使在地震頻段內(nèi)，縱波速度頻散也非常明顯。因此，不同飽和度下縱波速度頻散的差異可以作為含水或含氣飽和度的指示。在含水飽和度較高時(shí)，超聲頻率下巖石的縱波速度與地震頻段下縱波速度相差較大。盡管如此，由于作為流體相關(guān)頻散基礎(chǔ)的巖石結(jié)構(gòu)千差萬別(如圖2和圖3所示)，在將實(shí)驗(yàn)室中所得到的規(guī)律性結(jié)果應(yīng)用于地震低頻頻段(小于100Hz)時(shí)，仍然需要做大量的巖石物理實(shí)驗(yàn)。

3.4 頻率的影響

樣品T-2，T-3，T-4和T-5在1MHz和600Hz頻率下從干燥到水飽和體積模量的變化如圖8所示。由圖8可見，從干燥到水飽和各樣品的體積模量均增加，其中，T-4樣品在超聲頻率下體積模量增加幅度最大，增大了8.2GPa;T-5樣品在超聲頻率下體積模量增加幅度最小，只增大了3.4GPa;T-2樣品和T-5樣品體積模量的變化情況相似，增大了3.7GPa。而600Hz頻率下體積模量增加與超聲頻率下體積模量的增加具有較好的一致性。從干燥到水飽和，600Hz頻率下體積模量變化最大的是T-4樣品，增大了2.7GPa;T-5樣品增加幅度最小，僅增大了1.1GPa。在水飽和情況下，600Hz和1MHz頻率體積模量的差異最小的是T-5樣品，為2.5GPa，最大的是T-4樣品，為5.7GPa。

研究區(qū)樣品裂縫極其發(fā)育，這些連通的裂縫不但是流體流動(dòng)的物理基礎(chǔ)，影響巖石的滲透率，而且影響巖樣的聲學(xué)性質(zhì)[7]。圖9展示了樣品滲透率和各樣品從干燥到水飽和體積模量增量的關(guān)系。由圖9可見，兩者具有較好的負(fù)相關(guān)性。隨著滲透率的增加，各樣品的體積模量增加量逐漸降低。T-4與T-2樣品相比，前者存在較大孔隙，但滲透率低、喉道狹窄;后者裂縫發(fā)育，孔隙度低，但滲透率高，喉道連通性優(yōu)于前者。飽水后，狹窄的喉道充滿流體，巖石骨架會(huì)急劇“硬化”，從而導(dǎo)致T-4樣品比T-2樣品的體積模量變化更大。

綜上所述，從干燥到水飽和各樣品的體積模量均增加，并且較低頻率下體積模量的增加量小于較高頻率下。在將實(shí)驗(yàn)室中所得到的規(guī)律性結(jié)果應(yīng)用于地震低頻頻段(小于100Hz)時(shí)，對(duì)某些流體飽和巖石而言，這種差異是在地震勘探要求的精度范圍內(nèi)，因而可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接外推至地震勘探頻段;還有一些巖石，兩者差異較大不能直接外推，這時(shí)必須定量考慮可能的速度頻散作用影響，才能將超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推[10]。

4 結(jié)束語

利用3種技術(shù)測量了6塊致密砂巖，重點(diǎn)考察孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、密度、含水飽和度、圍壓和頻率對(duì)地震波速度的影響。通過測量結(jié)果的分析可以得到以下結(jié)論:

1) 巖石樣品的孔隙度與密度具有較好的負(fù)相關(guān)性，樣品具有較一致的巖石骨架性質(zhì)。超聲頻率下干燥巖樣縱、橫波速度和孔隙度相關(guān)性較差，而水飽和巖樣縱、橫波速度與孔隙度相關(guān)性變好。

2) T-1樣品縱波速度隨圍壓的增加急劇增大，圍壓增加到20MPa時(shí)，縱波速度增大了23%，這主要受巖石裂縫閉合的影響。

3) 不同飽和度下，從1MHz到1558Hz頻率降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，縱波速度降低了3.5%～12.5%。從干燥到完全水飽和，1MHz和600Hz頻率下體積模量均增加，兩者變化趨勢大體相同，且與巖石的滲透率具有較好的相關(guān)性。飽和度和頻率對(duì)致密砂巖地震波速度具有較強(qiáng)的影響。

致謝：本研究得到了中國石油大學(xué)(北京)魏建新教授、李京南、殷晗鈞和袁東駒的熱情幫助和支持，在此表示衷心的感謝。

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(編輯：陳 杰)

Laboratory investigation of influence factors onvPandvSin tight sandstone

Wei Xian1,Wang Shangxu1,Zhao Jianguo1,Deng Jixin2

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.InstituteofGeophysics,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

To study the influence of porosity,pore structure,confining pressure,water saturation and frequency onvPandvSin tight sandstone,we achieved the acoustic properties of six tight sandstones by using pulse transmission method,differential acoustic resonance spectroscopy method and low-frequency strain-stress method,and also obtained the microstructure of the samples by the Micro-CT.Results show that the porosity of tight sandstone samples has fine negative correlation with their density.The correlation betweenvPandvSand the porosities for dry samples is poor at ultrasonic frequency,but gets better for samples with 100% water saturation.ThevPincreases sharply with the increasing of confining pressure.When the confining pressure increases from 0.1MPa to 20.0MPa,thevPboth at low and high frequencies increase by nearly 23% due to the closure of the fractures.Acoustic velocities at 1558Hz are roughly 3.5%～12.5% lower than ultrasonic velocities at 1MHz at different water saturation.From dry to fully water saturation,the bulk modulus increases both at 1MHz and 600Hz,and has the same increasing trend,which shows a good correlation with the permeability of the samples.

porosity,frequency,confining pressure,water saturation,tight sandstone

2014-06-11;改回日期：2014-09-15。

未晛(1985—)，男，博士在讀，研究方向?yàn)閹r石物理。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目“深層油氣藏地球物理探測的基礎(chǔ)研究”(2013CB228600)資助。

P631

A

1000-1441(2015)01-0009-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.002