頁巖三軸壓縮條件下的縱橫波速特征

程禮軍，潘林華，張燁，鄧智，陸朝暉

（1.油氣資源與探測國家重點實驗室重慶頁巖氣研究中心，重慶 400042；2.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心（重慶地質礦產研究院），重慶 400042）

頁巖三軸壓縮條件下的縱橫波速特征

程禮軍1，2，潘林華1，2，張燁1，2，鄧智1，2，陸朝暉1，2

（1.油氣資源與探測國家重點實驗室重慶頁巖氣研究中心，重慶 400042；2.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心（重慶地質礦產研究院），重慶 400042）

針對頁巖層理發育和各向異性強的特點，利用鉆井取心進行了一系列三軸壓縮條件下的超聲波速度測試，獲得了不同層理傾角、軸向載荷條件下的縱橫波速度變化特性。實驗結果表明：1）層理傾角增大，頁巖的抗壓強度和殘余強度呈U型變化趨勢，彈性模量逐步增加，泊松比呈先增后減的趨勢；2）層理傾角增大，頁巖的初始縱橫波速度增大；3）隨著軸向載荷對頁巖內部結構的影響，三軸壓縮條件的縱橫波速度呈先增后降的趨勢；4）頁巖水化能增加縱橫波速度，大幅度降低頁巖的抗壓強度；5）頁巖動態彈性模量和泊松比的比值與靜態彈性模量和泊松比的比值比較接近，相關性較好；6）在圍壓條件下，頁巖彈性模量與泊松比的各向異性系數差別較小。實驗結果對于認識和了解頁巖的力學、超聲波特性，以及聲波測井的校正，具有一定指導意義。

頁巖；水平層理；巖石力學；三軸壓縮實驗；軸向應力；縱橫波速度

0　引言

頁巖氣的勘探開發需要對儲層物性、力學參數等方面有準確可靠的認識。我國頁巖氣開發還處于初級發展階段，對于頁巖的物性、孔滲及力學參數方面的研究和分析相對較少。頁巖超聲波特性是測井解釋、力學性能分析的重要資料［1-2］，頁巖層理和天然微裂隙發育，對頁巖的超聲波特性和非均質性［3］有重要的影響，特別是加載條件下，頁巖的超聲波特性更加復雜。

國外基于有機質含量、成熟度、干酪根含量、礦物成分等對頁巖超聲波速度及波速各向異性方面進行了大量的研究和探索。Sondergeld等［4］研究了不同圍壓和水平層理角度條件下的縱橫波速度特性，并分析了圍壓對波速各向異性的影響；Tutuncu等［5］通過滲透率、超聲波和巖石力學參數的綜合測試確定了頁巖橫向各向異性的存在；Yan等［6］利用油頁巖進行了單軸壓縮條件下的波速各向異性及波速敏感性分析；Sch?n［7］利用超聲波研究了頁巖的各向異性特性并建立了相應的表征模型；Olivia［8］研究了應力變化對頁巖超聲波速度各向異性的影響。

國內對頁巖的超聲波特性研究相對較少，目前主要集中在常規層狀巖石層理傾角、載荷等對巖石超聲波速度的影響方面。陳喬等［9］利用渝東南地區下志留統龍馬溪組層理性頁巖野外露頭，獲得了層理性頁巖的超聲波傳播特性；陳天宇等［10］研究了不同層理傾角條件下的初始縱波波速變化特性及力學參數變化特征。

本文利用重慶渝東南地區某頁巖氣井的鉆井巖心進行了三軸壓縮條件下的縱橫波速度測試，獲得了不同軸向壓力條件下的縱橫波參數，并進行了深入分析。實驗結果可為頁巖氣測井、開發等提供建議和參考。

1　巖心礦物組分分析及實驗方案設計

1.1巖心礦物組分分析

本文的實驗試件為取自重慶渝東南地區的頁巖氣井的鉆井巖心，層系為上奧陶統五峰—龍馬溪組，儲層深度在720～800 m。巖石礦物成分的質量分數如圖1所示。礦物成分主要為石英、長石、黏土，次要成分為碳酸鹽，局部含少量黃鐵礦。其中，非黏土礦物質量分數與礦物質量分數的比值為1.877。鉆井取心層位的孔隙壓力約為9.0 MPa，孔隙度約為1.4%。鉆井取心層理發育，天然裂縫較少，以鉆井誘導裂縫為主。

1.2實驗方案設計

為了研究層理傾角對超聲波速度的影響，實驗試件（尺寸φ25.0 mm×50.0 mm）從3個方向鉆?。?）垂直于層理方向，層理傾角為0°，層理與軸向應力的加載方向為90°（見圖2a）；2）垂直層理45°鉆取，層理傾角為45°，層理與軸向應力的加載方向為45°（見圖2b）；3）平行于層理方向，層理傾角為90°，層理與軸向應力的加載方向為0°（見圖2c）。為了使實驗數據更具有說服力，本文共進行了8組巖心（總計24塊）實驗。其中：6組18塊巖心（層理傾角為0，45，90°，編號為1#—6#）用于研究層理傾角對頁巖力學性能的影響；2組6塊巖心（層理傾角為0°，編號為7#—8#）用于研究頁巖浸泡水化對超聲波速度的影響。根據頁巖儲層的深度和地應力分析結果，實驗的圍壓設定為15.0 MPa。

本文實驗采用GCTS公司生產的RTR-1500實驗設備，其軸壓、圍壓和孔壓均為獨立的加載系統，相互之間不會發生干擾，試件壓頭上裝有超聲波的發射器和接收器。實驗過程中，軸向應力的加載根據試件的軸向變形量進行自動控制，圍壓通過液壓控制方式加載，加載速率為1.0 MPa/s。進行三軸壓縮實驗的同時進行縱波和橫波波速測試（見圖3），縱橫波發射器和接收器分別安裝在上下壓頭上。

2　實驗結果分析

層理分布對頁巖動靜態力學參數、縱橫波速度都有影響，是導致頁巖各向異性強的主要影響因素之一。三軸壓縮過程中，隨著軸向應力的增大，頁巖經歷了微裂縫壓實、線彈性變形、微裂縫擴展、微裂縫擴展聯合、巖石失穩等階段，各個階段都會對頁巖的縱橫波參數造成影響。本文主要研究了層理傾角對靜態力學參數、初始縱橫波速度的影響，分析了不同層理傾角條件下縱橫波速度與軸向應力的變化關系，探索了頁巖浸泡水化作用對頁巖縱橫波速度的影響。

2.1層理傾角對靜態力學參數的影響

不同層理傾角條件下抗壓強度和殘余強度的結果如圖4所示。層理傾角增大，實驗獲得的頁巖抗壓強度和殘余強度呈U型變化趨勢，90°層理傾角的抗壓強度和殘余強度最大，0°層理傾角次之，45°層理傾角的抗壓強度和殘余強度最低。其中，抗壓強度與層理傾角的分布規律與文獻［5］的實驗結果基本類似。

頁巖彈性模量、泊松比與層理傾角的關系見圖5。

實驗獲得的彈性模量隨層理傾角的增大呈上升趨勢，層理傾角90°頁巖彈性模量最大。層理傾角增大，泊松比呈先增后減的趨勢。45°傾角的泊松比大于其他2種傾角，因為此種情況下試件沿層理面破壞，剪切滑移位移量大，導致試件徑向變形和泊松比增大。

2.2初始波速分析

圍壓15.0 MPa、軸向壓力為0時，不同層理傾角頁巖初始縱波速度見圖6?？梢园l現：層理傾角0°的頁巖縱波速度最小，90°的最大；不同巖樣的縱波速度變化幅度基本無規律，而與頁巖內部構造、天然裂縫分布及層理發育情況有關。橫波速度的變化規律與之基本類似。

層理傾角為0°時，試件軸向的層理數量最多，頁巖層理一般為空氣或其他弱膠結物質填充，縱橫波在這些介質中的傳播速度低于巖石基質的傳播速度，導致縱橫波速度降低幅度最大；45°傾角的軸向的層理數量次之；90°層理傾角方向的層理數量最少，對超聲波速度的影響也最小。

2.3三軸壓縮條件下的縱橫波速度變化特性

實驗發現，在軸向壓力條件下，頁巖的縱橫波速度呈先增后減的趨勢。1#試件不同層理傾角巖石的縱波、橫波速度的變化如圖7所示?？梢园l現：軸向壓力加載初期，軸向應力增大，巖石縱橫波速度增大，增大幅度與巖石類型有關；當軸向壓力增大到某一程度時，縱橫波的速度開始小幅度降低；軸向壓力超過巖石的抗壓強度，實驗試件發生失穩破壞，縱橫波速度急劇降低。不同層理傾角的縱橫波波速都呈現先增后減的趨勢。

頁巖超聲波速度隨軸向應力的增加呈先增后減的趨勢，這主要與三軸壓縮過程中軸向應力對頁巖內部層理和微裂隙的影響有關。實驗初期，軸向應力的增大，導致試件的微裂隙和層理閉合，降低了微裂隙的體積，從而導致超聲波速度增大；當軸向應力增大到某一程度時，頁巖的微裂隙開始擴展并延伸，微裂隙的體積增大，超聲波的速度開始降低；試件的微裂隙和層理的擴展導致試件失穩，試件發生大面積破壞，試件的裂縫體積達到頂峰，導致超聲波速度急劇降低。

2.4頁巖水化對波速的影響

頁巖儲層孔隙度低，屬于致密巖石，但黏土質量分數高，吸水性強，遇水易發生膨脹。頁巖吸水后對天然裂縫和水平層理產生影響，充實天然裂縫和水平層理，從而影響縱橫波速度；同時，頁巖水化膨脹會導致頁巖的強度降低。

本文進行了0°層理傾角的頁巖干燥、浸泡24 h和浸泡48 h條件下的三軸壓縮實驗。從2塊鉆井巖心上分別取出6小塊0°層理傾角的試件。其中：2小塊試件干燥不含水，2小塊試件在壓力10.0 MPa的壓力釜中浸泡24 h，2小塊試件在壓力10.0 MPa的壓力釜中浸泡48 h。然后分別進行三軸壓縮和超聲波速度實驗。

其中7#頁巖試件的縱波隨軸向應力的變化如圖8所示。和干燥的頁巖相比，浸泡后的頁巖縱波波速增大；浸泡時間愈長，頁巖的縱波速度增加幅度愈大；軸向應力增大，浸泡作用對縱波速度的影響逐漸降低。

相同頁巖的橫波速度變化曲線如圖9所示。

頁巖壓實階段，頁巖浸泡對于橫波速度有影響；橫波速度隨軸向壓力的變化趨勢基本與縱波速度相同。

2.5頁巖動靜態參數關系及各向異性分析

利用實驗測試的不同傾角條件下的縱橫波速度結果，采用ANNIE假設，可以得到各向異性地層的剛度矩陣［11］：

式中：C11，C12，C13，C33，C44，C55，C66均為表征橫向各向同性介質彈性性質的剛度常數（由頁巖垂向和水平方向的超聲波速度獲得）。

利用式（1）中的剛度矩陣，可以計算出頁巖垂直方向和水平方向的動態彈性模量和泊松比，計算公式為

式中：Ev為垂向動態彈性模量，Pa；Eh為水平向動態彈性模量，Pa；νv為垂向動態泊松比；νh為水平向動態泊松比。

用式（2）計算的彈性模量是動態的，與巖石的靜態力學性質之間有一定的差距，需要用實驗室數據將動態彈性模量轉換成靜態參數。

本文獲得的頁巖垂向彈性模量的動靜態關系如圖10所示。

動態垂向彈性模量與靜態垂向彈性模量的相關性較好，動態垂向彈性模量與靜態垂向彈性模量之比為1.43。動態水平彈性模量和靜態水平彈性模量之比為1.34，與二者的動態垂向相關系數相差不大。

頁巖垂直方向取心的動靜態泊松比關系如圖11所示。由圖可見，垂向動靜態泊松比的相關系數與動靜態彈性模量的相關系數比較接近，為1.35。水平方向的動靜態泊松比的相關系數為1.14。

衡量巖石各向異性的指標為各向異性度，其計算公式為［12］

式中：Rc為各向異性度；X90，X0分別為水平和垂直鉆取巖心獲得的參數。

本文實驗獲得的頁巖彈性模量和泊松比的各向異性程度如圖12所示。6組巖心靜態參數的各向異性系數總體差別不大，靜態彈性模量的各向異性系數平均值為1.40，靜態泊松比的各向異性系數平均值為1.20。動態彈性模量的各向異性系數為1.35，動態泊松比的各向異性系數平均值為1.28。本次實驗動態泊松比的各向異性系數比較分散，各個試件的差值較大。

由于本文的實驗試件是在圍壓15.0MPa條件下測定的，根據文獻［10］的實驗結果分析，圍壓能降低強度各向異性的系數的差值，本文的靜態彈性模量和靜態泊松比也有類似的規律。

3　結論

1）利用三軸壓縮條件下的縱橫波速度測試實驗，獲得了頁巖在軸向載荷條件下的縱橫波速度變化規律。層理傾角增大，頁巖軸向方向的初始縱橫波速度增大，三軸壓縮實驗過程中，縱橫波速度呈現先增后降的趨勢；頁巖浸泡水化能增加縱橫波速度，會大幅度降低抗壓強度。

2）層理傾角增大，抗壓強度和殘余強度呈U型變化趨勢，層理傾角90°的抗壓強度和殘余強度最大，層理傾角0°次之，層理傾角45°最低；頁巖彈性模量隨層理傾角的增大呈上升趨勢；泊松比隨層理傾角的增大呈先增后減趨勢，45°傾角的泊松比大于其他2種傾角。

3）頁巖動態彈性模量和泊松比與靜態彈性模量和泊松比的相關系數比較接近，相關性較好；在圍壓條件下，頁巖彈性模量與泊松比的各向異性度差別較小。

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（編輯李宗華）

Velocity characteristics of P-wave and S-wave for shale reservoir under tri-axial compression experiments

CHENG Lijun1，2，PAN Linhua1，2，ZHANG Ye1，2，DENG Zhi1，2，LU Zhaohui1，2
（1.Research Center of Chongqing Shale Gas，State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，Chongqing 400042，China；2.Chongqing Engineering Research Center for Shale Gas Resource&Exploration，Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China）

In view of the characteristics of developed bedding and strong anisotropy，a series of ultrasonic velocity experiments were conducted under the tri-axial compression with drilling cores.The variation characteristics of P-wave and S-wave were obtained at different dip angle and axial load.The experimental results show that:when the bedding dip angle increases，the compressive strength and residual strength appear to be U type change tendency with gradually increasing modulus of elasticity while the Poisson′s ratio increases first and then drops；the initial P-wave and S-wave velocities of shale increase with the increase of the bedding dip angle；with the effect of axial load on the internal structure of shale，the velocities of P-wave and S-wave increase first and then decrease；the velocities of P-wave and S-wave increase when the shale hydration occurs；the correlation coefficient of dynamic elastic modulus to static elastic modulus is close to the ratio of dynamic Poisson′s ratio to static Poisson′s ratio，the correlation coefficient are well related；under confining pressure，there are less differences within the anisotropy coefficients of elastic modulus and the Poisson′s ratio of the shale.The experimental results in the article have guiding significance to the understanding and interpretation of mechanical properties，ultrasonic characteristics and acoustic logging.

shale；horizontal bedding；rock mechanics；tri-axial compression experiment；axial load；P-wave and S-wave velocities

國家自然科學基金項目“頁巖氣儲層低頻脈沖水力壓裂增滲機理研究”（51304258）；重慶市基礎與前沿研究計劃項目“頁巖氣儲層脈動水力壓裂技術研究”（cstc2013jjB90005）

TE132.2

A

10.6056/dkyqt201604013

2015-10-23；改回日期：2016-05-12。

程禮軍，男，1978年生，高級工程師，碩士，2002年畢業于成都理工大學礦產勘查專業，主要從事頁巖氣地質和工程一體化方面的研究工作。E-mail：clj316_78@163.com。

引用格式：程禮軍，潘林華，張燁，等.頁巖三軸壓縮條件下的縱橫波速特征［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：465-469.

CHENG Lijun，PAN Linhua，ZHANG Ye，et al.Velocity characteristic of P-wave and S-wave for shale reservoir under tri-axial compression experiments［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：465-469.