龙马溪组页岩微观结构、地震岩石物理特征与建模

　　摘要龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一．由于岩石物理实验结果具有区域性，龙马溪组页岩的岩石特征与其地震弹性性质的响应规律需要开展相关的实验和理论研究工作予以明确．本研究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组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．研究结果表明，石英含量对龙马溪组页岩的孔隙度以及有机碳（ＴＯＣ）含量具有一定的控制作用，ＴＯＣ和黄铁矿主要赋存于孔隙中；岩石骨架组成亦受控于石英或粘土含量，在石英含量大于４０％（对应粘土含量小于３０％）时，以石英、粘土共同作为岩石骨架，而粘土含量大于３０％时，则以粘土作为岩石的骨架．因此，岩石骨架组成矿物、ＴＯＣ含量、孔隙度共同制约龙马溪组页岩的地震弹性性质，富有机质储层岩石通常表现出低泊松比、低阻抗和低杨氏模量的特征，但由于支撑矿物的转换，某些富有机质页岩亦可表现为高阻抗特征．粘土矿物的定向排列仍然是造成页岩样品表现出各向异性的主要原因，各向异性参数与粘土含量具有指数关系．基于龙马溪组页岩的岩性特征及微观结构特征，可以利用自洽模型（ＳＣＡ）、微分等效模量模型（ＤＥＭ）和Ｂａｃｋｕｓ平均模型的有效组合较为准确地建立龙马溪组页岩的地震岩石物理模型，实验结果和测井数据验证了模型的准确性．研究结果可为龙马溪组页岩气储层的测井解释和地震“甜点”预测提供依据．

　　关键词龙马溪组页岩；微观结构；岩石物理特征；岩石物理模型

　　１引言

　　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．尤其是近年来，随着四川盆地及其周缘页岩气勘探开发的不断深入，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）．

　　２龙马溪组页岩微观结构特征

　　２．１页岩样品岩石学特征

　　研究工作主要围绕贵州习水（ＸＳ）、重庆黔江（ＱＪ）和四川长宁（ＣＮ）三个典型剖面的页岩展开，三个剖面都位于四川盆地东南缘．岩性自下而上依次为泥灰岩、炭质页岩、黑色页岩、粉砂质页岩夹粉砂岩条；总体上表现为颗粒变粗、颜色变浅以及总有机碳（ＴＯＣ）含量逐渐减少的特征，亦表明沉积水体逐渐变浅．所取样品以含ＴＯＣ较高的中下部页岩气储层样品为主，少量样品位于剖面上部作为对比．

　　２．２页岩样品微观结构特征

　　龙马溪组页岩的岩石结构较为复杂，表现在岩石骨架的构成颗粒、孔隙类型、有机质分布特征等方面存在明显的差异．龙马溪组岩性十分致密，平均孔隙度不及５％，而所采露头样品部分孔隙度较高可能与其暴露地表受到淋滤作用有关．根据扫描电镜与背散射电镜观察结果（图２），页岩储层孔隙类型主要包括原生孔隙、次生孔隙和裂隙．原生孔隙主要为石英、莓状黄铁矿、碳酸盐等脆性矿物颗粒间微孔（图２ａ—２ｄ均有表现），以及粘土矿物颗粒之间的原生粒间微孔，与致密砂岩、常规砂岩颗粒之间的原生孔隙一致，只是孔径远小于后者．次生孔隙是页岩中有机质生烃（图２ｃ—２ｄ）、粘土矿物脱水、伊利石化和长石等不稳定矿物溶蚀作用形成的微小孔洞和微裂隙（图２ｄ），缝宽一般在５０～３００ｎｍ之间，部分长石等的溶蚀孔隙直径可达２～１０μｍ，这些次生孔隙有效地改善了泥页岩的储集物性．总体上看，有机质微孔隙和脆性矿物原生粒间孔隙是储层岩石孔隙的主要贡献者．ＴＯＣ主要分布于原生粒间孔隙中（图２ｃ—２ｄ），孔隙的形态决定了ＴＯＣ的形态，造成ＴＯＣ主要呈斑块状分布，而且不作为支撑岩石的连续骨架，即不承担作用力，也不影响岩石的各向异性特征，这种特征与美国未成熟的Ｗｉｌｌｉｓｔｏｎ盆地Ｂａｋｋｅｎ页岩（ＶｅｒｎｉｋａｎｄＮｕｒ，１９９２）有明显差异（该页岩中ＴＯＣ呈近似平行层理的条带状分布）．岩石样品中黄铁矿呈草莓状集合体产出（图２ｄ），直径可达２μｍ，由多个紧密堆积的黄铁矿晶体颗粒构成，黄铁矿颗粒亦主要分布在孔隙中，同样不作为岩石骨架部分而承担作用力．ＴＯＣ与黄铁矿颗粒的分布特征反映页岩样品的过成熟结构特征．

　　３龙马溪组页岩样品地震岩石物理特征

　　３．１实验样品制备与测量

　　页岩气储层岩石孔隙流体特征及其赋存状态相对于常规储层岩石更为复杂而无统一认识，本文主要讨论岩石样品饱气条件下的声学特征．首先将样品置于温度为７０°C的烘箱中均匀烘干４８ｈ以使样品达到“相对”干燥条件（样品中仅含结晶水与粘土约束水），然后烘干后的样品在潮湿空气露天放置２４ｈ以上得到约含有２％～３％水分的“干燥”样品以消除粘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、渗透率测量方法较难得到准确结果．在利用ＸＲＤ得到矿物组分及其含量的条件下，可进一步计算得到岩石等效颗粒密度，在得到岩石干燥密度后，可较为准确地计算出岩石样品的孔隙度（总孔隙度）．为准确测量岩石样品的各向异性特征，需将所研究的样品分别沿平行层理方向（垂直于对称轴）、垂直于层理方向（平行对称轴）、与对称轴呈一定角度（通常大于３０°，这里为４５°）的三个不同方向切制成圆柱状（ＶｅｒｎｉｋａｎｄＮｕｒ，１９９２；邓继新等，２００４）．所有样品直径均为２５．４ｍｍ，高在４０～５５ｍｍ间不等，两端面磨平抛光斜度小于０．０５ｍｍ．

　　３．２岩石物理规律

　　图４给出ＱＪ６页岩样品（重庆黔江）在不同极化方向和传播方向下的纵、横波速度随压力的变化，该样品代表具有明显各向异性页岩样品的普遍速度关系．图中可以看出，不同压力横波速度ＶＳＶ－０°、ＶＳＨ－０°、ＶＳＶ－９０°相差很小，即存在ＶＳＶ－０°≈ＶＳＨ－０°≈ＶＳＶ－９０°其实，所有２９个页岩样品的上述三个横波速度差异均较小，最大不超过２％．考虑到样品制备过程中会造成沿不同方向切制的样品之间存在一定的差异，以及速度读取的误差，可以认为上述三个横波（ＶＳＶ－０°、ＶＳＨ－０°、ＶＳＶ－９０°）的速度是近似相等的．在相同的压力下，所有页岩样品纵波速度均表现出相同的变化关系（以ＱＪ６样品为代表）：ＶＰ－９０°＞ＶＰ－４５°＞ＶＰ－０°．横波速度关系较为复杂，大部分样品存在关系（以ＱＪ６页岩样品为代表）：ＶＳＨ－９０°＞（ＶＳＶ－４５°、ＶＳＨ－４５°）＞（ＶＳＶ－０°、ＶＳＨ－０°、ＶＳＶ－９０°），而横波ＶＳＶ－４５°与ＶＳＨ－４５°之间速度大小无一定的规律；少量样品在低围压下表现出ＶＳＶ－０°＞ＶＳＨ－９０°特征．依据速度关系，可将所研究页岩样品的弹性性质看作是横向各向同性的，即ＶＴＩ介质．利用速度与密度测量结果可进一步计算表征ＶＴＩ介质的五个独立弹性刚度系数（Ｃ１１，Ｃ３３，Ｃ４４，Ｃ６６与Ｃ１３）（ＪｏｈｎｓｔｏｎａｎｄＣｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ，１９９５）．需要说明的是对于少量不完全满足ＶＴＩ介质的页岩样品为便于比较仍用相同的方法计算上述五个刚度系数以代表其等效弹性性质．进一步，可以计算得到各向异性参数（Ｔｈｏｍｓｅｎ，１９８６）

　　参考文献

　　邓继新，史謌，刘瑞珣等．２００４．泥岩、页岩声速各向异性及其影响因素分析．地球物理学报，４７（５）：８６２－８６８．

　　贾承造，郑民，张永峰．２０１２．中国非常规油气资源与勘探开发前景．石油勘探与开发，３９（２）：１２９－１３６．

　　李霞，周灿灿，李潮流等．２０１３．页岩气岩石物理分析技术及研究进展．测井技术，３７（４）：３５２－３５９

　　邓继新１，２，王欢２，周浩２，刘忠华３，宋连藤３，王绪本２

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