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夏开文教授：原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

煤传媒03-11

创新点

（1）利用先进的地球物理成像真三轴测试系统，首次开展了衰竭开采过程中裂缝性岩体三向地震波速及各向异性渗透率演化规律实验研究。

（2）在充分还原原位三向不等应力的前提下，基于新型设计的主动式棱边气液密封技术和地震波速测量装置，实现了在任一应力水平下3个主应力方向上渗透率及纵横波速的同时测量。

（3）系统地研究了裂缝性质对储层岩石渗透率应力敏感性，以及对地震波速、渗透率各向异性特性的影响，同时探讨了各向异性地震波速与渗透率的相关关系。研究成果可初步揭示复杂应力条件下裂缝性岩体的地球物理性质及各向异性渗流行为，为深部油气资源高效开发策略的制定提供一定理论支撑。

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原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

作者：夏开文^1,2，李星²，齐春艳³，姚伟^1,2，肖香姣⁴，张杰⁴， NASSERI M H B ²

单位：1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室；2.多伦多大学土木与矿业工程学院；3. 中国石油集团工程技术研究院有限公司；4. 中国石油塔里木油田公司

背景

近年来，随着浅部固体矿产、油气资源的枯竭，资源勘探和开发作业逐步加深，深部煤层气、页岩气及超深层致密砂岩气等非常规天然气资源的合理高效开发利用引起国内外能源界的高度关注。迄今为止，深部煤层气开采已达1000～2000 m，海相页岩气开发深度达到3500m，而中国塔里木盆地克深、大北地区致密砂岩气开采深度甚至超过了6500m。由于地质构造变形和断裂发育显著，相比于浅层油气储层，深部储层所处应力环境更为复杂，应力各向异性更加明显，且储层岩石往往表现出高致密度、极低渗透率、超高孔隙压力以及天然裂缝尤其发育的特征。然而，目前深部资源的开发现状是生产实践超前于理论创新，传统的基于单轴或者常规三轴等简单应力范畴下进行的岩石力学研究不能准确预测原位真三轴应力下岩石的力学行为；而由于实验装备的缺乏，有关深部复杂应力条件下裂缝性致密储层岩石的地球物理性质、力学响应、各向异性输运特性等基础研究明显滞后，这极大限制了生产实践过程中井网（钻孔）的优化调整及合理开发策略的制定。因此，开展复杂应力条件下裂缝性致密储层岩石各向异性地震波速及渗透率的研究，可有效丰富深部储层地球物理与渗流力学基础理论，对深层、超深层油气储层评价以及资源开发过程中井网优化设计等具有重要意义。

储层岩石地震波速研究被视为岩石物理力学特性无损表征、岩体完整性及围岩稳定性评估、岩体内部缺陷探测、储层裂缝识别等最有效的手段之一。从室内实验出发，国内外众多学者开展了不同载荷情况下岩石纵波和横波速度演化规律研究。通常，随着外部载荷逐渐增大，无论是压缩波还是剪切波速度均呈现出先增大后减小的趋势，地震波速度下降以及波幅值衰减增强与受载岩石扩容变形起始点相匹配，可用作预测岩石失稳、断层滑移等动力灾害致灾前兆。由于天然裂缝、层理、节理等不连续界面的存在以及原位应力的三向不等性，储层岩石的地震波速特征呈现出显著的各向异性。以往研究实验大多局限在单轴应力和常规三轴应力环境下，缺乏考虑现场的原位应力状态（σ₁≠σ₂≠σ₃）的影响，不能够反映构造应力存在时复杂应力环境下岩体真实的地震波速度响应及其各向异性特征。

对深部裂缝性储层渗透率各向异性特性的准确认识对解释储层流体运移规律、预测油气藏寿命以及制定合理的水力压裂施工方案等至关重要。为了研究储层岩石渗透率的各向异性，最常见的方法是沿不同倾角方向直接从原始岩体中钻取包含天然裂缝的圆柱状岩心标本，或者使用线锯切割完整岩样制备含裂缝试样，然后分别进行系列常规三轴应力下的渗流实验并进行渗透率各向异性分析。然而，现有研究尚未考虑原位应力下构造裂缝存在对渗透率的应力敏感性以及各向异性的影响，现有研究结果仍不能用于预测深部裂缝性致密储层的输运特性。

摘要

超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大，但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道，一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。

以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景，利用先进的地球物理成像真三轴测试系统，开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究，探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制，研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明:

首先，裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加，压缩波速度明显大于剪切波速度；纵横波速比随有效应力增大而单调减小，表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比，发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。

其次，原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构（裂缝）敏感性，早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响，渗透率各向异性随裂缝倾角减小而更加显著；与裂缝平面正（斜）交方向的渗透率相对比较平滑，而沿裂缝平面方向渗透率呈现出一定的波动特性，这主要是由于在压力流体冲刷和岩石骨架进一步受压变形双重作用下，破碎的微颗粒会在孔隙/裂隙中不断运移，造成岩石内部孔隙/裂隙周期性堵塞和疏通引起的。

此外，在实验应力条件下（走滑应力状态），裂缝倾角越小，水平主应力方向上的地震波速度-渗透率相关性越不明显；最大与最小水平主应力方向上的地震波速度-渗透率关系应区分对待，最大水平主应力方向地震波速与渗透率的相关性明显优于最小水平主应力方向。

图片

完整试样和含不同角度裂缝试样

真三轴地球物理成像系统

真三轴应力加载方向示意

加卸载过程中P波、S₁波、S₂波速变化特征

加载过程中S₁波、S₂波传播方向

σ_H方向上P波速度以及纵横波速比v_P/v_S1和v_P/v_S2

真三轴加载过程中3个主应力方向各向异性渗透率

真三轴加载过程波速各向异性参数

真三轴加载过程渗透率各向异性参数ζ₁₃

地震波速度与渗透率变化的对应关系

作者简介

夏开文，博士，教授，博士生导师。现任天津大学建筑工程学院教授、水利工程仿真与安全国家重点实验室副主任。研究领域为“碳中和”的CO₂深部地质储存，涉及震源物理、热流固耦合、岩石动力学与地质防灾减灾等具体方向。主持编写了首批国际岩石力学学会3个岩石动力学测试标准方法，首批中国工程爆破协会岩石动力学6个测试标准方法;出版著作2部，发表学术论文130余篇，其中SCI 论文约100篇。SCI 论文引用500多次，单篇最高被引用170次。其中两篇关于实验室地震论文分别于2004年和2005年以第一作者发表在Science杂志。入选 2020年度地质工程领域全球前2%顶尖科学家榜单。

来源：

XIA Kaiwen，李星，齐春艳，等. 原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征［J］. 煤炭学报,2022,47(1):246-258.