不同巖性巖石的物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究

裴浩辰，熊 健，丁懷碩，戎成干，廖文海

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500）

油氣勘探是油氣開發(fā)過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其是油氣田開發(fā)的基礎(chǔ)，其目的是尋找和查明油氣資源，想要達(dá)到這一目的，除了先進(jìn)的勘探技術(shù)，需要研究不同巖性巖石的物理性質(zhì)及其差異。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種不同巖性巖石的密度、聲波、孔隙度和滲透率等物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了大量的認(rèn)識(shí)。楊曉松等[1]指明巖石物理性質(zhì)研究的重要性在于它為地表地球物理觀測(cè)結(jié)果的解釋提供科學(xué)的約束條件，標(biāo)度地球物理參數(shù)；黃裕萌等[2]以四川盆地須家河致密砂巖為研究對(duì)象，研究了含水飽和度對(duì)致密砂巖聲學(xué)特性的影響，以及致密砂巖的各向異性；朱水英等[3]對(duì)鶯-瓊盆地的泥巖、砂巖、灰?guī)r及含氣砂巖的縱橫波速度比進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上討論了縱、橫波時(shí)差和縱橫波速度比與密度、孔隙度、流體類型的關(guān)系；劉洪文[4]針對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷的實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了巖性、孔隙度和滲透率等因素對(duì)密度與速度關(guān)系的影響；王建偉等[5]按華北陸塊、大別造山帶、揚(yáng)子陸塊三大構(gòu)造域，系統(tǒng)整理統(tǒng)計(jì)了安徽省區(qū)域地層巖石密度、磁性參數(shù)，以及各類侵入巖和部分巖礦石的物性參數(shù)；王世廣等[6]通過(guò)測(cè)量超聲波在巖石樣品中的傳播速度，研究了巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、密度、孔隙度和彈性模量等物理特性對(duì)超聲波傳播的影響；李昊遠(yuǎn)[7]討論了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與物性的相關(guān)性和影響因素，研究結(jié)果表明較少的大孔發(fā)育可能是導(dǎo)致致密砂巖滲流能力較弱的原因；黃開樺等[8]研究了致密砂巖巖樣聲波速度、彈性各向異性的影響因素及特點(diǎn)；Nguyen 等[9]基于力學(xué)理論提出一種多孔巖石的有效滲透率模型，驗(yàn)證了應(yīng)力誘導(dǎo)滲透率變化規(guī)律；Kushnir 等[10]研究了上萊茵地塹以西四個(gè)地區(qū)局部延伸過(guò)古生界-二疊系-三疊系界線的巖石的孔隙度、縱波速度、滲透率、單軸抗壓強(qiáng)度和熱物性等物理性質(zhì)的變化。這些研究結(jié)果說(shuō)明國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)不同巖性巖石的物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，并取得了大量的認(rèn)識(shí)，這將有助于人們認(rèn)識(shí)巖石的物理性質(zhì)參數(shù)，然而針對(duì)不同巖性的巖石物理性質(zhì)差異的研究結(jié)果相關(guān)報(bào)道較少。

本文以四川盆地和新疆塔里木盆地不同層組的地層巖心為研究對(duì)象，巖性包括粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、碳酸鹽巖、白云巖、灰?guī)r、泥巖、龍馬溪頁(yè)巖和五峰組頁(yè)巖等，利用實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)量并計(jì)算出巖樣的密度、波速、孔隙度和滲透率等物理性質(zhì)參數(shù)，研究不同巖性巖石的物理性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，討論不同巖性巖石物理性質(zhì)的差異和各物理性質(zhì)之間的聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法與樣品

本次研究中實(shí)驗(yàn)樣品包括九種巖性，巖樣主要采集四川盆地和新疆塔里木盆地不同層組的地層巖心，其中塔里木盆地包括白堊系巴什基奇克組的粗砂巖、第三系吉迪克組的粉砂巖、古近系蘇維依組的泥巖，四川盆地包括三疊系須家河組的細(xì)砂巖、三疊系飛仙關(guān)組的碳酸鹽巖、三疊系雷口坡組的白云巖、三疊系雷口坡組灰?guī)r、志留系龍馬溪組的頁(yè)巖、奧陶系五峰組的頁(yè)巖。每種巖性巖石鉆取4 塊標(biāo)準(zhǔn)巖心，總共有36 塊巖心實(shí)驗(yàn)樣品，用于基礎(chǔ)物性測(cè)試，包括巖石密度、聲波、滲透率以及孔隙度等物理性質(zhì)測(cè)試。采用致密巖心氣體孔滲測(cè)定儀對(duì)巖樣的孔隙度和滲透率進(jìn)行測(cè)試，該儀器以氦氣為測(cè)試介質(zhì)，模擬地層溫度及壓力條件，分別基于波義爾定律、達(dá)西定律實(shí)現(xiàn)致密巖心孔隙度和滲透率的測(cè)定。采用多頻超聲波測(cè)試儀測(cè)量并計(jì)算得到巖石的聲波速度。該儀器由聲波激發(fā)器、兩個(gè)超聲波探頭、軸壓夾持器、示波器、計(jì)算機(jī)及配套軟件組成，其能夠?qū)β暡úㄐ芜M(jìn)行精確的記錄（見(jiàn)表1）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 巖石礦物組成

不同巖性樣品的礦物組成測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖1）。從圖1 中可看出，不同巖性巖樣的礦物組成和礦物含量存在較明顯的差異，但不同巖性的主要的礦物組成基本一致，包括石英、黏土礦物、長(zhǎng)石和碳酸鹽。其中粗砂巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為33.68 %～36.89 %（平均34.16 %），石英礦物含量為30.82 %～34.56 %（平均32.98 %），還含有正長(zhǎng)石（平均18.51 %）和方解石（平均14.36 %）；細(xì)砂巖樣品中主要礦物為石英和黏土礦物，石英含量為51 %～57.1 %（平均54.98 %），黏土礦物含量為12.2 %～21.4 %（平均15.35 %），還含有正長(zhǎng)石（平均7.6 %）、斜長(zhǎng)石（平均7.83 %）、方解石（平均6.7 %）、白云石（平均7.55 %）；粉砂巖樣品中主要礦物為石英和方解石，石英礦物含量為31.1 %～39.6 %（平均34.11 %），方解石含量為23.3 %～36.6 %（平均30.25 %），還含有黏土礦物（平均18.19 %）、正長(zhǎng)石（平均11.27 %）、白云石（平均6.17 %）；碳酸鹽巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為22.09 %～28.03 %（平均24.67 %），石英礦物含量為25.68 %～35.3 %（平均29.46 %），還含有斜長(zhǎng)石（平均19.62 %）、方解石（平均10.4 %）、白云石（平均15.85 %）；白云巖樣品中主要礦物為白云石，其含量為89.62 %～97.06 %（平均93.67 %），還含有方解石（平均5.52 %），含少量石英和斜長(zhǎng)石；灰?guī)r樣品中主要礦物為方解石，其含量為88.22 %～95.44 %（平均92.66 %），還含有白云石（平均6.42 %），含少量石英；泥巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為25.58 %～39.98 %（平均34.07 %），石英礦物含量為26.68 %～37.72 %（平均30.46 %），還含有斜長(zhǎng)石（平均19.62 %）、方解石（平均15.85 %）；龍馬溪頁(yè)巖樣品中主要礦物為石英和方解石，石英礦物含量為40.46 %～44.41 %（平均42.87 %），方解石含量為21.05 %～22.18 %（平均21.87 %），還含有黏土礦物（平均15.72 %）、斜長(zhǎng)石（平均6.51 %）、白云石（平均11.12 %），含少量黃鐵礦；五峰組頁(yè)巖樣品中主要礦物為黏土礦物和石英，黏土礦物含量為29.31 %～39.2 %（平均35.77 %），石英礦物含量為23.24 %～31.01 %（平均25.29 %），還含有正長(zhǎng)石（平均1.86 %）、斜長(zhǎng)石（平均2.8 %）、方解石（平均16.59 %）、白云石（平均12.87 %），含少量黃鐵礦。這說(shuō)明了本次研究的不同巖性巖石的礦物組成和礦物含量存在差異，這些差異將造成巖石的其他物理性質(zhì)間存在差異。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品基礎(chǔ)物性Tab.1 Basic physical properties of experimental samples

圖1 巖石礦物組成Fig.1 Rock mineral composition

圖2 不同巖性巖石密度變化Fig.2 Density change of rocks with different lithology

2.2 巖石的密度

由測(cè)量出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量（表1）計(jì)算出巖石密度（見(jiàn)圖2）。從圖2 中可看出，不同巖性巖石的密度存在較明顯的差異，其中細(xì)砂巖、白云巖和灰?guī)r密度較大，粗砂巖密度最小。結(jié)合圖1（巖石的礦物組成）可看出，巖石中重礦物含量較高時(shí)，其密度相對(duì)較大。同時(shí)，從密度與孔隙度關(guān)系圖（見(jiàn)圖3）中可看出，巖石的密度與孔隙度具有較好的負(fù)線性相關(guān)性，即孔隙度越大，巖石密度越小。這說(shuō)明了不同巖性的密度存在差異，且與巖石的礦物組成與孔隙度有關(guān)。

圖3 不同巖性巖石密度與孔隙度的關(guān)系Fig.3 The relationship between density and porosity of rocks with different lithology

2.3 巖石的孔隙度、滲透率

圖4 不同巖性巖石孔隙度變化Fig.4 Porosity change of rocks with different lithology

圖5 不同巖性巖石滲透率變化Fig.5 Permeability change of rocks with different lithology

巖石的孔隙度測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖4）。從圖4 中可看出，不同巖性巖石的孔隙度存在差異，其中粗砂巖的孔隙度最大，其次是碳酸鹽巖，且白云巖的孔隙度最小。砂巖中，粗砂巖的孔隙度大于粉砂巖的孔隙度，且粉砂巖的孔隙度又大于細(xì)砂巖的孔隙度，這可能是因?yàn)樯皫r孔隙度與其顆粒的粒級(jí)大小有關(guān)。巖石的滲透率測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖5）。從圖5 中可看出不同巖性巖石的滲透率存在差異，其中粗砂巖的滲透率遠(yuǎn)大于其他巖石的滲透率，這是由于粗砂巖較疏松，顆粒較大造成的，其他幾種巖性巖石的滲透率相對(duì)較小，這可能與巖石致密程度有關(guān)。同時(shí)，從圖5 中還可以看出泥巖、細(xì)砂巖的同組巖心滲透率差異較大，這可能與巖石自身非均質(zhì)性有關(guān)。

圖6 不同巖性巖石孔隙度與滲透率的關(guān)系Fig.6 The relationship between porosity and permeability of rocks with different lithology

為了更為直觀的對(duì)比孔隙度與滲透率之間的關(guān)系，繪制關(guān)系圖（見(jiàn)圖6）。從圖6 中可看出巖石的孔隙度與巖石的滲透率之間具有良好的正相關(guān)性，即巖石的孔隙度增大時(shí)，滲透率也隨之增加。這是因?yàn)閹r石的孔隙度越大，其內(nèi)部孔隙空間越大，越有利于氣體滲透穿過(guò)巖石，造成滲透率越大。

2.4 巖石的波速

圖7 不同巖性巖石在25 kHz 下的縱波波速Fig.7 P-wave velocity of rocks with different lithology at 25 kHz

圖8 不同巖性巖石密度與波速的關(guān)系Fig.8 The relationship between rock density and wave velocity in different lithology

圖9 不同巖性巖石孔隙度與波速的關(guān)系Fig.9 Relationship between porosity and wave velocity of rocks with different lithology

不同巖石的縱波速度測(cè)量結(jié)果（見(jiàn)圖7）。從圖7中可看出，不同巖性巖石的縱波速度存在一定差異，其中粗砂巖的縱波速度較小，其次泥巖的縱波速度相對(duì)較小，細(xì)砂巖、白云巖、灰?guī)r和五峰組頁(yè)巖的縱波速度較大。從巖石的密度和波速間的關(guān)系圖（見(jiàn)圖8）中可看出，不同巖性巖石的密度與縱波速度呈線性正相關(guān)，即巖石密度越大，巖石波速越大。同時(shí)，從巖石的孔隙度與波速間關(guān)系圖（見(jiàn)圖9）中可看出，不同巖性巖石的孔隙度與波速呈線性負(fù)相關(guān)，即巖石的孔隙度越大，波速越小。

3 總結(jié)

（1）不同巖性巖石的礦物組成和礦物組成含量存在較明顯的差異。

（2）巖石的密度差異與巖石中的礦物組成和孔隙度有關(guān)。重礦物含量增大，巖石密度增大，而巖石的孔隙度增大，其巖石密度將減小。

（3）巖石的波速與密度呈線性正相關(guān)，而巖石的波速與孔隙度呈線性負(fù)相關(guān)。巖石的孔隙度與滲透率間存在良好的線性正相關(guān)性。