摘　要：层理发育的硬脆性页岩的声波响应特征是页岩气开发过程中测井资料应用的基础，为获得对层理性页岩储层超声波传播特性的认识，选取渝东南地区下志留统龙马溪组野外露头岩块，通过波速初步筛选出横向各向同性的大岩样，在此基础上钻取不同层理方向的小岩柱，进行室内多频率超声波透射实验，以获取不同层理下的声波传播规律。实验结果表明：①实验用岩样以黑色、灰黑色及深灰色页岩、粉砂质泥岩为主，孔隙度变化范围为l.5％～2.5％，大部分岩样的渗透率小于lmD；②在0°～90°范围内，随层理倾角的增加，波速减小趋势明显，衰减系数增加；③波速与孔隙度呈现较好的负相关性，随孔隙度增加，衰减系数增加且增加程度随层理倾角变大而加剧；④波速与频率呈对数增加的趋势，频散现象明显，衰减系数随频率增加而增大。所得到的页岩层理与声波属性相关性的实验结果，可为页岩气开发过程中建立准确的地层岩石强度剖面及井壁稳定分析提供实验依据。

关键词：渝东南地区  早志留世  层理性页岩  露头岩块  超声波透射  孔隙度  渗透率  层理倾角  衰减系数  频散

An experimental study of ultrasonic penetration through bedding shale reservoirs

Abstract：The acoustic response of bedding hard brittle shales is the foundation of well logging data interpretation during the shale gas development process．To better understand the ultrasonic penetration through bedding shale reservoirs，we first collected the shale outcrops from the Lower Silurian Longmaxi Shale in southeast Chongqin9，and transversely isotropic large rock samples were preliminarily screened with the velocity test method to acquiring comprehensive knowledge on the propagation characteristics of the ultrasonic wave of bedding shale reservoirs．On this basis，cores were drilled from different bedding direction，Hieanwhile multi frequency ultrasonic transmission，experiments were performed in the laboratory，thereby to get the law of acoustic wave propagation in different bedding directions．The following findings were obtained．a．Rock samples used in the experiments are mainly composed of black shale，gray and black shale，dark gray shale and silty mudstone，the porosity of which ranges from l.5％to 2.5％，and the permeability of which is mostly less than lmD．b．With the increase of the bedding angle within the range of 0°-90°．the wave velocity decreases obviously while the attenuation coefficient increases．c．There is a good negative correlation between the wave velocity and porosity．Attenuation coefficient increases with the increase of porosity and its increasing degree becomes greater with the in crease of the bedding angle．d．The wave velocity and the frequency both increase in a logarithm tendency，the dispersion phenomenon is obvious，and the attenuation coefficient increases with the increase of frequency．The above experimental results about thc correlation between rock acoustic properties and bedding formation of shales provide a reliable experimental basis，based on which an accurate formation rock strength profile and wellbore stability analysis can be established in the process of shale gas development．

Key words：outcrop sample，ultrasonic penetration，porosity，permeability，bedding dip，attenuation coefficient,dispersion

近年来，页岩气勘探开发成为我国能源界的研究热点，作为储层的页岩地层也受到了工程师和学者们的广泛关注^[1-5]。超声波数据是油气田开发过程中测井解释的重要资料，页岩地层层理发育，研究层理性页岩结构对超声波响应的影响，对于利用测井资料^[6-7]进行页岩储层识别和了解地下层理结构变化情况均具有重大意义。自1981年Jone等研究了美国Williston盆地白垩系页岩在不排水条件下超声波速度各向异性问题以来，围绕页岩岩石的声波传播特性展开了大量研究^[8]。

SONG Insun等^[9]在静态压力达到70MPa的条件下，利用小柱塞纵横超声波透射实验来分析与层理平面垂直和平行两个方向的弹性各向异性，同时，还通过纵横波速度估算了层状岩心的弹性模量。Carl HSondergeld^[10]利用超声波的透射实验的手段，分析了不同角度的层理条件下，围压对纵、横波波速的影响。Tutuncu，A．U等^[11]通过渗透率、超声波和岩石力学实验的综合测试确定了页岩横向各向异性的存在，该物理测试方法可以用于获取低渗储层的渗透率方位。这些理论为利用多参数反演页岩孔隙结构奠定了基础。

由于实验中页岩制样的困难，国内学者对作为油气储集层盖层的页岩地层声波速度和各向异性的岩石物理数据研究^[12-13]较少，他们主要针对一些变质岩和火成岩的声学性质进行了实验研究，页岩地层声波响应特征研究还不够成熟。笔者选择渝东南地区下志留统龙马溪组层理性页岩野外露头，钻取22块岩样，进行不同层理结构的声场特征研究，以期获得对层理性页岩储层超声波传播特性的认识。

1　岩心制备及基础物性参数

1．1　岩心制备

选取渝东南下志留统龙马溪组露头岩样，通过岩样轴心逆时针作0°，45°，90°，l35°共4条过原点的直线，并延长至径向，再根据岩样的长度在轴向做间隔相等的5～10个点(图1)。接下来，用纵波探头测量岩样各点的纵波时差。最后，选择径向纵波时差相差不大的大岩样(可近似为横向各向同性的模型)作为研究取心对象。

在此基础上，分别沿平行层理方向(图2-a)、与对称轴呈一定角度(30°、60°，如图2-b，2-c)、垂直于平行层理方向(图2-d)进行小岩心钻取，利用钻机控制层理角度误差小于5％，为了不影响测试效果，所切制样品直径均在1英寸左右(25.4mm)，长度介于37.87～51.11mm，两端面磨平抛光。

1．2　基本物性参数

针对上述取心过程，挑选出22块岩样，分别采用游标卡尺、电子天平、致密岩心气体孔隙度测定仪及根据气测渗透原理自制的渗透率测试装置对其基础物性进行了测试分析，结果见表l。从岩心分析及测试结果可以看出，岩样岩性以黑色、灰黑色及深灰色页岩、粉砂质泥岩为主，孔隙度变化范围为l.5％～2.5％，大部分岩样的渗透率小于lmD。

2　实验测试结果与分析

2．1　实验测试技术

实验测试是在常温(20℃)，轴压恒定为0.5MPa环境下，使用西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室自行研制的承压型声波换能器采用透射法^[14]进行测量。采用激发频率为25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、490kHz的纵波探头发射出超声波脉冲，穿过不同层理性页岩岩心，接收探头将透射后的声波信号经过示波器显示出来，通过其配备的(Ultra Scope)软件采集接收端探头的声波波形，并将声波信号保存在计算机中，通过提取波形中的首播波速和利用波形对比法计算衰减系数来进行波形数据分析。图3为超声波透射实验的测流程图。

2．2　结果与分析

2．2．1不同层理角度条件下，孔隙度对声波特性的影响

按层理角度(0°、30°、60°、90°)将岩心分为4组，住探头频率为250kHz条件下，测试各组岩心的超声波数据。用于研究不同层理角度条件下，孔隙度对声波特性的影响。

从图4可以看出，尽管页岩孔隙度及其变化范围都较小，但是声波速度随孔隙度的增加依然有减小的趋势，且层理角度越大速度越小；声波衰减系数随着孔隙度的增加，总体呈现出增大趋势，且在不同层理间这种增加呈现出喇叭形状(图4-b)，即在孔隙度较小时，不同角度哀减系数相差不大，随孔隙度的增加，有差异变大的趋势。这表明超声波在页岩岩石物理性质研究中依然是非常晕要的手段。

页岩的层理发育方向是研究和表征层理最重要的参数之一。对页岩进行电镜扫描(图5)可知，层理面处的胶结物较多，黏土矿物的产状相对比较混乱，且相对非层理处的微裂缝更加发育，可知层理面的存存减小了波速，增加了衰减。因此，图4-a中出现了波速在层理为90°时要远小于层理为0°时的情况。层理角度变大、衰减增加是由于角度越大，声波穿透的层理数增加所致，孔隙度增加层理面的微裂缝数也会增加，因此出现图4-b所示的增加规律。利用上述规律，可以综合利用声波资料进行储层评价，对层理角度进行预测。

2．2．2不同层理角度条件下，测试频率对声波特性的影响

在层理不同的4组岩心中分别抽取出孔隙度相等的岩样(岩心编号为2、6、15、22，孔隙度均为l.8％)，接下来，选择不同纵波探头频率的超声波来完成透射实验，用于研究不同层理角度条件下，测试频率对声波特性的影响。

实验结果表明，随着测试频率增加，声波波速也增大，并且呈对数正相关性(图6-a)，频散现象明显，在不同层理角度条件下的各组岩心统计结果非常吻合，具有很强的规律性。而声波衰减系数随着测试频率的增加总体也呈增大的趋势(如图6-b)，但是变化幅度规律性不强，同层理角度条件下的各组岩心统计结果相近。该结果对于储层评价中声波参数的选择具有一定的指导意义。

2．2．3不同测试频率下，孔隙度对声波特性的影响

选取孔隙度数据最完整的一组岩心(层理角度为30°)为研究对象，选用4种频率(25kHz、50kHz、100kHz、250kHz)的纵波探头进行超声波透射实验，用于研究不同测试频率条件下，孔隙度对声波特性的影响。

图7为不同频率下，孔隙度与声波特性的关系。

从图7中可以看出，孔隙度分别为1.6％和2.5％的2个点，波速和衰减系数有明显差异，中间区域声波参数均有小幅度波动，但趋势是一样的，这说明尽管页岩孔隙较小，但其对声波传播在速度和衰减上均有体现的，这个页岩层理发育和微裂缝发育不无关系。

4　结论

1)在0°～90°范围内，随层理角度的增加，波速减小趋势明显，衰减系数增加。

2)波速与孔隙度呈现较好的负相关性，随孔隙度增加，衰减系数增加，且增加程度随层理角度的变大而加剧。

3)波速与频率呈对数增加的趋势，频散现象明显，衰减系数随频率增加而增大。

参考文献

[1]邹才能，董大忠，杨桦，等．中国页岩气形成条件及勘探实践[J]．天然气工业，2011，31(12)：26-39．

ZOU Caineng，DONG Dazhong，YANG H ua，et al．Conditions of shale gas accumulation and exploration practices in China[J]．Natural Gas Industry，2011，31(12)：26-39．

[2]龙鹏宇，张金川，李玉喜，等．重庆及其周缘地区下古生界页岩气成藏条件及有利区预测[J]．地学前缘，2012，19(2)：221-233．

LONG Pengyu，ZHANG Jinchuan，LI Yuxi，et al．Reservoir forming conditions and strategic select favorable area of shale gas in the Lower Paleozoic of Chongqing and its adjacent areas[J]．Geoscience Frontiers，2012，19(2)：221-233．

[3]何金先，段毅，张晓丽，等．贵州地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩地质特征及其油气资源意义[J]．西安石油大学学报：自然科学版，2011，26(3)：37-42．

HE Jinxian，DUAN Yi，ZHANG Xiaoli，et al．Geologic characteristics and hydrocarbon resource implication of the black shale in Niutitang Formation of the Lower Cambrian， Guizhou Province[J]．Journal of Xi’an Shiyou University：Natural Science Edition，2011，26(3)：37-42．

[4]陈乔，刘洪，王森，等．重庆地区下志留统龙马溪组页岩基础物性实验研究[J]．科学技术与工程，2013，13(15)：4148-4152．

CHEN Qiao，LIU Hong，WANG Sen，et al．Experimental study of the fundamental physical properties on shale in hongmaxi Formation of Lower Silurian，Chongqing[J]．Science Technology and Engineering，2013，l3(15)：4148-4152．

[5]蒋裕强，董大忠，漆麟，等．页岩气储层的基本特征及其评价[J]．天然气工业，2010，30(10)：7-12．

JIANG Yuqiang，DONG Dazhong，QI Lin，et al．Basic features and evaluation of shale gas reservoirs[J]．Natural Gas Industry，2010，30(10)：7-12．

[6]吴庆红，李晓波，刘洪林，等．页岩气测井解释和岩心测试技术——以四川盆地页岩气勘探开发为例[J]．石油学报，2011，32(3)：484-488．

WU Qinghong，LI Xiaobo，LIU Honglin，et al．Log inter pretations and the application of core testing technology in the shale gas：Taking the exploration and development of the Sichuan Basin as an example[J]．Acta Petrolei Sinica，2011，32(3)：484-488．

[7]杨小兵，杨争发，谢冰，等．页岩气储层测井解释评价技术[J]．天然气工业，2012，32(9)：33-36．

YANG Xiaobing，YANG Zhengfa,XIE Bing，et al．Log in terpretation and evaluation of shale gas reservoirs[J]．Natural Gas Industry，2012，32(9)：33-36．

[8]JOHNSTON J E，CHRISTENSEN N I．Seismic anisotropy of shales[J]．Journal of Gevphysical Research：Solid Earth，1995，100(B4)：5991-6003．

[9]SONG l，SUH M，W0OYONGKYUN，et al．Determination of the elastic modulus set of foliated rocks from ultrasonic velocity measurements[J]．Engineering Geology， 2004，72(3／4)：293-308．

[10]SONDERGEl．D C H，RAL C S．Elastic anisotropy of shales[J]．The Leading Edge，2011，30(3)：324-331．

[11]TUTUNCU A N，MESE A l．Relationship between permeability，acoustic，mechanical and strength anisotropies in unconventional reservoirs and seal shales[C]//45^th U．S．Rock Mechanics Geomechanics Symposium，June 26-29，2011，San Francisco，California，USA．Alexandria，Virginia：American Rock Mechanics Association，2011．

[12]邓继新．泥、页岩及储层砂岩声学性质实验与理论研究[D]．北京：北京大学，2003．

DENG Jixin．Experimental and theoretical studies on the acoustic property of mudstones，shales and reservoir sand stones[D]．Beijin9：Peking University，2003．

[13]邓继新，史耨，刘瑞洵，等．泥岩、页岩声速各向异性及其影响因素分析[J]．地球物理学报，2004，47(5)：862-868．

DENG Jixin，SHI Ge，LIU Ruixun，et al．Analysis of the velocity anisotropy and its affection factors in shale and mudstone[J]．Chinese Journal of Geophysics，2004，47(5)：862-868．

[14]刘向君，杨超，陈乔，等．孔洞型碳酸盐岩地层超声波实验研究[J]．天然气工业，2011，31(8)：56-59．

LIU Xiangjun．YANG Chao，CHEN Qiao，et al．An experimental study of ultrasonic waves in vuggy carbonate reservoirs[J]．Natural Gas Industry，2011，3l(8)：56-59．

本文作者：陈乔  刘向君  刘洪  王森  王莉莎  范晓文  王其军  张明

作者单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院页岩气开发技术研究中心

  西南石油人学右油工程学院

  中国石油集团测井有限公司、

  四川职业技术学院