致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.     

横观各向同性页岩岩石物理模型建立——以龙马溪组页岩为例

在龙马溪页岩微观物性特征分析的基础上,综合利用测井解释、微观测试分析资料,建立了一种适用于龙马溪页岩的横观各向同性岩石物理模型,该模型建模过程：将各向异性SCA和DEM模型联合模拟得到的黏土和干酪根混合物作为背景介质;采用SCA模型对脆性矿物混合物进行模拟,利用各向异性DEM将脆性矿物混合物添加到背景介质;进一步将空孔隙添加到页岩基质,并利用Brown-Korringa模型进行各向异性条件下的流体替换,从而得到横观各向同性页岩岩石物理模型.通过对四川盆地A井龙马溪页岩进行岩石物理建模分析,计算了孔隙纵横比、纵横波速、各向异性系数和弹性参数,检验了模型的准确性.研究结果表明：矿物颗粒和孔隙纵横比是影响模型精度的关键参数,黏土和干酪根颗粒纵横比为0.05,图像识别获得的脆性矿物颗粒纵横比主要分布于0.45~1.0（集中分布于0.5~0.85）,横波波速反演获得的孔隙纵横比主要分布于0.1~0.3（平均值约为0.22）;模型预测和实测纵波波速之间误差为-2.40%~2.21%（平均绝对误差仅1.20%）,预测和实测横波波速之间误差为-1.93%~1.42%（平均绝对误差仅0.64%）,证实了本文模型的准确性和精度.本文模型能够准确计算页岩5个独立的刚度系数,为页岩弹性参数、声波波速、各向异性和脆性分析提供了有效手段,也为后续地球物理和工程地质参数分析提供了重要依据.     

龙马溪组页岩微观结构、地震岩石物理特征与建模

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.     

四川盆地龙马溪组页岩气储层各向异性岩石物理建模及应用（英文）

不同类型的页岩,微观物性特征差异明显,本文针对四川盆地龙马溪组页岩气储层进行岩石物理建模及VTI各向异性参数反演。首先,基于前人对粘土矿物的定向排列是产生页岩固有各向异性主要原因这一地质认识,在岩石物理建模过程中引入粘土矿物压实指数CL参数描述粘土矿物的弹性各向异性。之后,基于岩石物理模型开发反演算法,计算页岩储层CL参数及Thomsen各向异性参数,解决了由于无法测得与井壁垂直方向上的声波速度,各向异性直接测量存在困难的问题。计算结果表明,通过在岩石物理建模中引入粘土压实参数,反演方法能够合理估计龙马溪页岩储层的弹性各向异性,反映了龙马溪页岩的微观物性特征。进一步分析发现,龙马溪页岩中粘土含量与参数CL相关性较弱,表明粘土矿物的多少对其压实或各向异性程度影响较小。同时,参数CL在目标层龙马溪组底部和五峰组具有高异常值,反映了储层微观结构与含油气特征具有关联性。最后,基于模型构建了岩石物理模板,可用于储层测井数据与多物性参数关系的定量解释。测井数据在岩石物理模板上的合理分布也验证了岩石物理建模方法的有效性。     

基于贝叶斯框架的各向异性页岩储层岩石物理反演技术

页岩岩石物理建模旨在建立页岩矿物组分、微观结构、流体填充与岩石弹性参数的关系.对四川盆地龙马溪组页岩进行岩石物理建模研究，针对页岩黏土含量高、层间微裂缝发育等特点，利用Backus平均理论描述页岩黏土矿物弹性参数，利用Chapman理论计算与水平微裂缝有关的VTI各向异性，并利用Bond变换考虑地层倾角的影响.提出以黏土矿物纵、横波速度和孔隙纵横比为拟合参数进行岩石物理反演的方法，并引入贝叶斯框架减小反演的多解性.由已知的黏土矿物纵、横波速度和孔隙纵横比作为先验信息，并以测井纵、横波速度作为约束条件建立反演的目标函数，同时利用粒子群算法进行最优化搜索.计算结果表明，基于先验约束和粒子群算法的反演方法能够较准确地反演黏土矿物的弹性参数、孔隙形态参数以及裂缝密度等参数.计算得到的黏土纵、横波速度较高，并且在一定范围内变化，这可能与龙马溪组页岩的黏土矿物组分中具有较高弹性模量的伊利石含量较高有关，同时也与黏土定向排列等微观物性特征有关.反演得到的裂缝密度与纵波各向异性参数ε呈明显的正相关，而与横波各向异性参数γ相关性较小.另外，页岩各向异性参数与黏土垂向的纵横波速度有较强的相关性.     

砂岩和页岩弹性波性质的实验研究进展

砂岩和页岩的弹性波性质是通过地震资料推断储层物性和流体分布的基础.岩石波速测量常用超声波(10⁵～10⁶ Hz)脉冲法,低频岩石物理实验技术的发展为研究弹性波在岩石中的衰减和频散奠定了基础.本文系统总结了前人在高频和低频下测量砂岩和页岩弹性波性质的方法和实验结果,并结合矿物弹性性质和岩石物理模型,分析了压力、温度、矿物组成、孔隙结构、流体、频率等因素对岩石波速和衰减的影响.由于孔隙和微裂隙随压力增加而逐渐关闭,干燥砂岩和页岩的P波和S波速度在低压下随压力非线性增加,高于临界压力呈线性增加.干燥岩石样品的波速随温度增加而缓慢线性降低,频散效应可以忽略.而含流体砂岩和页岩的衰减和频散受温度、压力、流体饱和度、流体黏度、孔隙结构和频率等多种因素的影响,含流体砂岩和页岩的泊松比和逆品质因子Q^-1显著高于干燥样品.低压下砂岩的波速与孔隙度负相关,而影响页岩波速的因素更为复杂,页岩的波速、衰减和频散的各向异性都高于砂岩.将跨频段岩石物理实验与数字岩石物理技术相结合,可为勘探地球物理的方法创新和资料解释提供可靠依据.     

俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

成岩过程对五峰-龙马溪组页岩地震岩石物理特征的影响

五峰-龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的首选层位，而其地震岩石物理特征是利用地震方法进行"甜点"预测的重要基础之一，但对五峰-龙马溪组页岩地震弹性特征变化规律的研究并未考虑沉积、成岩过程的影响，致使相应的规律性认识缺乏地质意义.在对五峰-龙马溪组页岩样品系统声学测量基础上，分析了页岩样品地震弹性性质的变化规律.利用X射线衍射分析、扫描电镜（SEM）、阴极发光（CL）与能谱分析确定了五峰-龙马溪组页岩在不同沉积环境下的成岩过程，并讨论了成岩过程与地震弹性性质变化规律的因果关系.研究结果表明，页岩中有机质（TOC）受高热演化程度的影响，其密度通常高于1.4 g·cm^-3，并接近于有机碳密度上限1.6 g·cm^-3（石墨密度）.五峰-龙马溪组页岩地震弹性性质变化规律整体受沉积环境控制，沉积环境的差异形成不同的成岩过程，致使地震弹性特征也表现出不同的变化规律.表现在五峰-龙马溪页岩样品动态岩石物理特征主要受岩石结构控制（支撑颗粒弹性性质），而孔隙度、TOC含量以及孔隙形状则为对地震弹性特征影响的次一级因素.五峰-龙马溪组页岩上段为浅水陆棚相，机械压实与化学压实（硅质胶结）为先后两个过程，造成样品表现出高的速度-孔隙度变化率、高速度比（泊松比）、高各向异性以及低TOC含量的特征.五峰-龙马溪组页岩下段为深水陆棚相，机械压实过程中同时伴有生物成因的硅质胶结，造成岩石样品表现出较高TOC含量与孔隙度、各向异性较弱以及较小的速度-孔隙度变化率.研究结果可为五峰-龙马溪页气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

致密砂岩波速各向异性及弹性参数随围压变化规律的实验研究

为研究致密砂岩储层弹性波速度各向异性及弹性参数随围压的变化规律,应用地质力学研究所从美国New England Reaearch Inc引进的Autolab2000岩石物性实验设备,对采自长庆油田延长组储层的3组典型致密砂岩,对其X、Y、Z三个方向分别取样,进行了不同孔隙介质(干燥、饱水及饱油)条件下弹性波速度随围压(5~180 MPa)变化规律的实验研究工作,得到了X、Y、Z三个方向分别在干燥、饱水及饱油时的弹性波速度,并对X、Y、Z三个方向的各向异性进行计算和对比分析.同时根据测得的弹性波平均速度得到样品的弹性参数随围压的变化规律,对实验曲线进行拟合,获得不同孔隙介质条件下弹性波速度、各向异性、弹性参数随围压的变化规律及其拟合公式.结果表明,垂直方向速度值最低,横波各向异性指数小于纵波各向异性指数;随着围压的增加,致密砂岩波速增大,其各向异性以幂函数形式减小,体模量、弹性模量、剪切模量和拉梅常数以对数函数形式有不同程度的增加,泊松比因所含介质不同而有不同的变化趋势,除个别线外,拟合系数皆在0.956以上.在围压高于140 MPa时,干燥、饱水和饱油状态下的泊松比皆在0.24左右.     

低孔隙度泥页岩应力依赖的各向异性裂纹演化特性研究

本文在实验室对所获取的东营地区层理发育的低孔隙度页岩和泥岩的各向异性裂纹演化特性进行了研究,获得了各向同性条件下泥页岩的力学与超声波响应特性,分析了应力幅度对于页岩声波速度和各向异性的影响.主要结论包括:(1)泥页岩在循环载荷下存在滞后效应,表明其经历了去压实或油气产生导致的超压;(2)泥岩和页岩具有不同程度的各向异性,随着各向同性压力的增高微裂隙逐渐闭合,样品的各向异性程度减弱;(3)分析了岩石韧度和裂纹损伤参数随压力的变化特征,相比泥岩,页岩各向异性程度更高,随压力变化更明显,其裂纹导致的附加各向异性更强;(4)分析了各向异性岩石的动态弹性模量特征,由于软裂隙空间的闭合,动态弹性模量在低压条件下都随着围压的增加有硬化趋势.     

正交异性岩体水力压裂应力测量原理和方法

本文根据岩体力学性质的各向异性，以岩体正交异性弹性理论为基础，提出用水力压裂法测算水平方向两主应力大小和方向的原理及测量有关岩体弹性参数的方法。     

不同温压条件下蛇纹岩和角闪岩中波速与衰减的各向异性

在实验室中研究了蛇纹岩和角闪岩样品在不同温压条件下的纵、横波速度和Q值．这两种岩样对应的主要组成矿物叶蛇纹石和普通角闪石都具有很强的晶格优选方位（LPO）．随着围压的增加,波速和Q值均增大,但是在相互正交的三个方向上（垂直或平行于层理面及线理方向）增大的速度并不相同,这与微裂隙的逐渐闭合密切相关．在600MPa的围压下升高温度直到600℃以上,由于微裂隙的热扩张受到约束,波速和Q值下降幅度很小．观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的机理,波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的LPO等构造因素有关;高围压下纵波Q值各向异性与速度各向异性正好相反,可能是由于形成层理面的定向排列的平板状矿物晶体沿不同方向边界之间接触程度不同造成的．     

汶川地震破裂带断层岩纵波速度与孔隙度关系的实验研究

分布于地震破裂带上的断层岩具有高孔隙度的特征.该特点造成了其弹性波速度与结晶岩石和沉积岩存在明显的差异.确定断层岩的弹性波速度与孔隙度和矿物组成的关系对于利用地震资料探测深部断层和测井资料的解释至关重要.在10~600 MPa条件下,本文对地震断层岩的纵波波速（V_p）和总孔隙度（φ_t）进行了测量,并深入分析了V_p与孔隙度的关系.结果表明在10~600 MPa的压力范围内,V_p（p）随着压力的增高呈现对数增加,其增长率随着压力的上升而逐渐减小,遵从∂V_p（p）/∂p=a_v/p的变化规律.断层岩中的孔隙度随着压力的增高呈对数减小.与传统的认识不同,实验发现在压力高达600 MPa以上,大多数断层岩中仍然可以残留可观的孔隙量.分析显示V_p与总孔隙度及总粘土含量呈负线性相关.该发现有助于认识深部流体的活动通道特征,有助于理解断层带中存在大量粘土矿物、断层带内的物质可被大量带出、围陷波的形成等地质和地球物理现象.     

龙马溪组页岩数字岩心动态法弹性等效数值建模

数字岩心是计算岩石弹性性质的一类常用方法.龙马溪组页岩具有多矿物构成、复杂微结构和强非均质等特征,常规岩石物理的弹性等效解析建模局限性较大,目前流行的静态数值等效建模方法的精度有限.本文基于高分辨率的页岩数字岩心数据,采用多阈值分割方法将数字岩心分解为黏土、石英、孔隙、TOC、长石类、黄铁矿类等六种矿物类型;利用矿物组分等效模量法计算各类矿物的弹性模量;采用二元函数分水岭方法表征不同压力下的岩石孔隙变形和颗粒接触关系变化;通过取向分布函数(ODF)定量分析矿物颗粒展布造成的各向异性特征.最后基于Biot孔弹方程,采用不分裂卷积完全匹配层(CPML)旋转交错网格有限差分法模拟不同压力下弹性波在数字岩心中的传播.以未加压的数字岩心为参考模型,计算不同压力下弹性波走时的平均时间差,进而估算各压力点的数字岩心等效速度.与该岩心样品的超声实验测量速度比较,动态法数值计算结果略偏高,据此校正数值计算过程中表征岩石微结构及颗粒接触关系随压力变化的二元函数,有效改善动态法弹性等效数值建模精度.     

MAGNETIC SUSCEPTIBILITY ANISOTROPY OF VARIOUS ROCK TYPES AND ITS SIGNIFICANCE FOR GEOPHYSICS AND GEOLOGY*

In the interpretation of magnetic anomalies and in paleomagnetism, the anisotropy of magnetic susceptibility is commonly neglected. Nevertheless, this property has basic significance, because, owing to susceptibility anisotropy, the directions of the vectors of induced and remanent magnetization are deflected from the direction of the Earth's magnetic field. Almost all rock types investigated possess higher or lower degree of the susceptibility anisotropy. Effusive and sedimentary rocks have the lowest degree of anisotropy. For the latter, the “masking effect” of the paramagnetic mineral components has some influence on the anisotropy degree due to the low mean susceptibility of sedimentary rocks. Metamorphic and plutonic rocks usually exhibit a considerable degree of anisotropy. The highest degree of anisotropy has been found in the rocks containing ferromagnetic minerals with mimetic fabric. The dependence of the degree of the susceptibility anisotropy on the degree of metamorphism proved to be very complicated; of the rock sequence from slates to gneisses, the transient rocks (roofing slates and mica-schist-gneisses) showed the highest degree of anisotropy. This result can be used in geology for reliable determination of these rock types.     

Anisotropy rock physics model for the Longmaxi shale gas reservoir,Sichuan Basin,China

The preferred orientation of clay minerals dominates the intrinsic anisotropy of shale. We introduce the clay lamination (CL) parameter to the Backus averaging method to describe the intrinsic shale anisotropy induced by the alignment of clay minerals. Then, we perform the inversion of CL and the Thomsen anisotropy parameters. The direct measurement of anisotropy is difficult because of the inability to measure the acoustic velocity in the vertical direction in boreholes and instrument limitations. By introducing the parameter CL, the inversion method provides reasonable estimates of the elastic anisotropy in the Longmaxi shale. The clay content is weakly correlated with the CL parameter. Moreover, the parameter CL is abnormally high at the bottom of the Longmaxi and Wufeng Formations, which are the target reservoirs. Finally, we construct rock physics templates to interpret well logging and reservoir properties.     

Seismic Velocities and Anisotropy of the Lower Continental Crust: A Review

—Seismic anisotropy is often neglected in seismic studies of the earth’s crust. Since anisotropy is a common property of many typically deep crustal rocks, its potential contribution to solving questions of the deep crust is evaluated. The anisotropic seismic velocities obtained from laboratory measurements can be verified by computations based on the elastic constants and on numerical data pertaining to the texture of rock-forming minerals. For typical lower crustal rocks the influence of layering is significantly less important than the influence of rock texture. Surprisingly, most natural lower crustal rocks show a hexagonal type of anisotropy. Maximum anisotropy is observed for rocks with a high content of aligned mica. It seems possible to distinguish between layered intrusives and metasediments on the basis of in situ measurements of anisotropy, which can thus be used to validate different scenarios of crustal evolution.