致密砂岩岩石弹性各向异性实验研究

黄开桦，熊 健，王万彬，黄裕萌，王 佳

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500；2.中国石油新疆油田公司勘探事业部，新疆克拉玛依 834000）

伴随着世界油气资源需求量的增长、常规油气资源开采量的下降，具有较大储量、分布广的非常规油气开采获得了越来越多国家的关注。非常规油气的开采难度、极低的产能，由于致密砂岩孔隙度极低、渗透率小，其开采难度大。因此致密砂岩的各向异性、声波特性等方面的研究对致密砂岩气藏的勘探开发具有重要的意义。

国内外学者对多种岩样在不同条件下的弹性各向异性、声波特性做了较系统的研究。宋连腾等[1]研究了饱和水与干燥条件下，不同围压对致密砂岩弹性各向异性的影响，缺少了控制岩石在不同含水饱和度的情况；赵宇等[2]通过研究煤岩不同吸水率来探讨对岩石声波速度各向异性的影响；张蕾等[3]利用“Brown-Korringa各向异性流体替换理论”来研究岩石Thomsen 参数的变化；易定红等[4]利用频谱分析原理，对碳酸盐岩的声波波形、传播速度和主频率等频谱特性进行了研究，对比得出岩样的各向异性变化规律；周治国等[5]研究饱和水条件下岩石的声波传播规律，缺少不同饱和水条件、不同围压对岩石声波特性的影响；Wang 等[6]通过对岩样进行切割实验获得剪切应力-应变曲线，分析岩石的弹性模量、泊松比、剪切模量来研究岩石的各向异性特征；Yin 等[7]基于地震散射理论，通过岩石介质中P 波、S 波阻抗、密度进一步研究介质的各向异性特征；Domnesteanu 等[8]研究了不同条件下页岩波速的变化并讨论了压力对页岩波速各向异性的影响；Vernik 等[9]研究了页岩弹性各向异性，并讨论了干燥条件下其特点；Johnston 等[10]用X 衍射和扫描电镜技术研究了页岩存在各向异性的原因。以上研究成果在碳酸盐岩、页岩、砂岩等岩性岩石在干燥、饱和水条件的各向异性研究取得一定的认识，但对于四川盆地须家河组致密砂岩的各向异性特点还缺少较为系统的研究。

本文以四川盆地须家河组致密砂岩为研究对象，在干燥、不同含水饱和度条件下，采用透射法对岩样进行声波测试，获取岩样的声波参数，进而研究岩样在不同含水饱和度、不同围压条件下，致密砂岩纵横波波速、弹性各向异性随围压和饱和度的变化规律。

1 实验样品与实验方法

实验选取的岩样来自四川盆地须家河组致密砂岩，在对岩样的处理中，选取边长的立方体岩样上获得岩心，先在该岩样上沿相邻的三个面测量岩样的纵波波速，获得最大波速和最小波速的角度，以此钻取两组岩心（分别记为xx、yy 方向），并在两个方向呈45°夹角方向上钻取第三组岩心，即总共在立方体的3 个方向（xx、yy、zz 三个方向）钻取岩心（见图1），将两端打磨抛光、加工成的全直径圆柱形岩样（见图2）。致密砂岩岩样的基本参数（见表1）。

图1 致密砂岩取样方向、结构示意图

图2 致密砂岩岩心

将钻取的砂岩样品置于恒定100 ℃下处理24 h，然后放入干燥皿中冷却至室温，利用游标卡尺、电子天平等仪器测量岩石样品的长度、直径、质量等基本物理参数，对岩样孔隙率、渗透率进行测量、记录；利用超声波透射法处理岩石样品，测量岩石的声波特性，实验装置包括：人机交互Ultra scope 软件，超声波激发、接收装置，岩心夹持器，个人计算机等（见图3），依据所得的声波波形、岩心长度L，读取横、纵首波到时ts、tp以及仪器给定的系统延时t0（声波透射夹持器所需时间），计算纵、横波波速Vp、Vs的计算公式分别为：

实验中，将岩心置于干燥、不同含水饱和度条件下，采用透射法对岩样进行声波测试，测试过程中对岩心施加从5 MPa 到70 MPa 的围压，每隔10 MPa 测量、记录一次岩样的声波参数，由于测量空间密闭性较好，不考虑含水饱和度的变化，依次对三个方向的岩心做同样的实验处理。

表1 岩样基本参数测量结果

实验中的致密砂岩渗透率、孔隙度极小，为使岩样完全饱和所配制的溶液，对岩样进行24 h 抽真空饱和水处理，并置于原饱和液中12 h，将此时的岩样视为100 %饱和水状态。在岩样自然风干的过程中，持续测量岩样的声波速度、实时质量，最终获得含水饱和度为80 %、含水饱和度为60 %以及束缚水状态下的岩样，并与干燥岩样的声波参数进行对比。含水饱和度的计算公式为：

式中：Sw-含水饱和度；m烘干-岩心烘干后质量；m饱和-岩样在饱和液中静置12 h 后的质量，视为地层水的100 %饱和；m-岩心自然风干过程中的实时质量。

在各向异性参数分析方面，国内外学者提供了许多研究方法。其中，Thomsen[11，12]为便于描述岩石弹性各向异性特征，在弱各向异性介质条件下，提出了三个与弹性常量相关的物理量δ、γ、ε，并得到了三者与横向各向同性介质弹性系数间的关系式，各参数的计算式如下：

刚性系数与岩样密度、声波波速间的关系：

式中：Cij-描述介质物理特征的刚性系数；ρ-岩样密度；V-声波速度。

2 实验结果

图4 岩样纵横波速度随围压的变化规律

实验测得在干燥、不同含水饱和度的条件下，施加5 MPa 到70 MPa 的围压（5 MPa 为间隔），致密砂岩岩样纵横波速度随围压的变化规律（见图4）。从图4 中可以看出，纵横波速度随着围压的增大而单调增大，围压较小状态波速增加较快，相反，当围压大于40 MPa后，纵横波波速的增加变缓慢，且致密砂岩的纵波速度随围压增加的变化幅度较大，而横波波速随围压的总体变化趋势显得平缓。这说明了不同方向的岩样的纵横波速度存在差异，说明纵横波在致密砂岩中传播存在各向异性特点。

岩样纵横波波速随含水饱和度的变化（见图5），纵横波波速随含水饱和度的增大而增大，当含水饱和度较小时，波速增加较快，当含水饱和度大于80 %后，波速增加变缓慢，说明流体的加入改变了岩石的性质，进而影响了岩样波速的变化。

图5 岩样纵横波波速随含水饱和度的变化

岩样弹性各向异性参数随围压的变化规律（见图6），从图6 中可看出弹性各向异性值比较小，说明致密砂岩表现为弱各向异性，且弹性各向异性系数随围压变化规律不同，其中岩样纵横波各向异性参数（ε、γ）随围压增加而总体上呈下降趋势，而纵波变异参数δ 随围压变化呈波动性变化。干燥条件下，岩样纵横波各向异性参数（ε、γ）随围压的增大而减小；饱和水状态下，岩样弹性各向异性参数变化规律与岩样在干燥状态时一致，不过参数的范围发生了变化，表明流体的加入对岩样弹性各向异性产生了较大的影响。

图6 岩样弹性各向异性参数随围压的变化

3 结论

（1）不同方向岩样的纵横波速度存在差异，说明了纵横波波速在岩石中存在各向异性，且岩样的纵横波声波速度随围压的增大而增大。

（2）岩样的纵横波速度随含水饱和度增加而增大，其中含水饱和度较低时，波速增加较快，而含水饱和度大于80%后波速增加变缓慢。

（3）致密砂岩样品属于弱各向异性介质，致密砂岩岩样弹性各向异性参数（ε、γ）随围压的增大而减小，而纵波变异参数δ 随围压变化而呈现无规律性的变化。