CN104101649B - 利用声速判定页岩中的有机质含量的方法 - Google Patents

Abstract

利用声速判定页岩中的有机质含量的方法，利用含有有机质的页岩中的声速与有机质含量的变化的特性判断页岩中有机质的含量，页岩在有机质含量变化后纵波和横波声速发生明显的变化；采用超声的方法无损检测页岩的有机质的含量，即采用测量页岩的声速随有机质含量的变化来检测页岩的有机质的含量；通过发射和接收超声换能器，测量声波在页岩样品的传播时间和样品的长度，得到页岩的声速，根据声速与页岩中有机质含量的关系来判定页岩中有机质的含量。

Description

利用声速判定页岩中的有机质含量的方法

一、技术领域

本发明涉及利用超声波进行页岩中有机质含量的判定的方法，尤其是对有机质含量较高的情况。

二、背景技术

页岩是一种沉积岩，成分复杂，但都具有薄页状或薄片层状的节理，主要是由黏土沉积经压力和温度形成的岩石，但其中混杂有石英、长石的碎屑以及其他化学物质。页岩通常会表现出各向异性，这种性质来源于沉积之前、过程中、和之后的地质过程的作用。页岩各向异性的物理模型需要多尺度的结构信息，包含粘土域中晶体和细小孔隙的结构，这些粘土域的队列去向，以及包含泥沙和富含有机质的粘土的细小分层。针对富含油母岩质的页岩，如何有效地判定其有机质的含量目前还没有很好的方法。

声速是声学的一个基本参量，它可以反映材料的弹性特性，有望反映页岩的有机质含量的变化。

三、发明内容

本发明的目的是：采用超声的方法来研究声速与有机质(油母质)含量的变化关系，即采用测量页岩的声速来判定页岩中的有机质含量的变化。

本发明的技术方案：利用声速判定页岩中的有机质含量的方法，利用含有有机质的页岩中的声速与有机质含量的变化的特性判断页岩中有机质的含量，页岩在有机质含量变化后纵波和横波声速发生明显的变化；采用超声的方法无损检测页岩的有机质的含量，即采用测量页岩的声速随有机质含量的变化来检测页岩的有机质的含量；通过发射和接收超声换能器，测量声波在页岩样品的传播时间和样品的长度，得到页岩中的料的声速，根据声速与页岩中有机质含量的关系来判定页岩中有机质的含量：

1)由不同矿物组成无油的自由“页岩”即干页岩，不同矿物被认为是各向同性的或各向异性的。不同矿物和它们各自的体积百分比，从X-射线衍射(XRD)分析得到的；粘土，石英，方解石等页岩的无机成分矿物存在于岩石的弹性常数使用Reuss-Voigt-Hill平均计算；

2)考虑油母质为背景材料，使用带自洽的各向异性微分有效介质模型添加“干页岩”包裹到油母质背景材料中，形成油母质和干页岩复合材料；

3)添加气孔进入油母质和干页岩复合材料，使用带自洽的各向异性微分有效介质模型重新估计带气孔油母质和干页岩的弹性模量；

4)添加液体进入气孔中，使用Brown-Korringa模型，获得流体饱和油母质和干页岩的弹性模量；根据上述模型计算得到饱和流体页岩的弹性模量随油母质含量的变化图；

5)根据弹性模量和声速的关系得到流体饱和油母质和干页岩中的纵波和横波的声速；得到饱和流体页岩的声速随油母质含量的变化曲线。

本发明尤其是对于Bazhenov页岩，可由图2根据测量到的声速来判定页岩中有机质的含量。本发明方法可推广到其他类型的页岩。

我们利用带自洽的各向异性微分有效介质模型得到页岩的弹性模量随有机质含量的变化关系，根据弹性模量与声速的关系可得到页岩中的声速，从而获得声速和有机质(油母质)含量的变化曲线，利用此变化曲线，可以通过测量声速来获得页岩中有机质(油母质)的含量。

本发明的有益效果：与现有技术相比具有的特点是：通过声学方法来测量页岩中声速随有机质含量的变化，寻求页岩声速随有机质含量之间的关系。此方法的特点是无损和实时，方法简单易行。这里主要针对有机质含量较高的页岩(有机质的体积比大于10％)，因为有机质含量低，此模型可能失效。

发展页岩的有机质含量的检测,是一项具有重大现实意义的课题。因此目前页岩的研究已成为石油工业的热点课题，由于页岩材料的有机质含量的高低直接影响到页岩的开采利用的价值，因此准确和实时判定页岩有机质的含量显得特别的重要。利用声速判定其相变的方法。本发明以Bazhenov页岩为列来说明采用声速来判定有机质含量的方法。利用页岩的声速与有机质含量变化的敏感性，页岩在不同有机质含量后声速发生明显的变化；采用超声的方法无损检测页岩的声速，即根据页岩的声速和有机质的含量的关系来检测页岩的有机质的含量。

四、附图说明

图1饱和流体页岩的弹性模量随油母质含量的变化；

图2饱和流体页岩的声速随油母质含量的变化。

五、具体实现方案

本发明方法包括测量和计算，过程分为以下几步：

(1)矿物(粘土，石英，方解石等页岩的无机成分)存在于岩石中，干页岩体积模量和剪切模量使用Reuss-Voigt-Hill平均计算。矿物组成无油母质的自由“页岩”即干页岩，它可以被认为是各向同性的或各向异性的。矿物质和它们各自的体积百分比，通常可从X-射线衍射(XRD)分析得到的。

(2)考虑油母质为背景材料，使用带自洽的各向异性微分有效介质模型添加“干页岩”包裹到背景材料中，形成油母质和干页岩复合材料，

(3)添加气孔进入油母质和干页岩复合材料，使用带自洽的各向异性微分有效介质模型重新估计带气孔的油母质和干页岩的弹性模量。

(4)添加液体进入气孔中，使用Brown-Korringa模型，以获得流体饱和油母质和干页岩的弹性模量。根据上述模型计算得到饱和流体页岩的弹性模量随油母质含量的变化图；

(5)根据弹性模量和声速的关系得到流体饱和油母质和干页岩中的纵波和横波的声速；

得到饱和油母质页岩中的声速随油母质含量的变化曲线。

例如：根据Bazhenov页岩的参数：

由Reuss-Voigt-Hill模型知，

$M_v=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i{M}_i$

其中M_i是Voigt有效弹性模量，它可以是体积模量K_v或者剪切模量μ_V，φ_i和M_i是分别是第i种成分(粘土，石英，方解石等页岩的无机成分)的含量和弹性模量。

$\frac{1}{M_R}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{M_i}$

$M_{\mathrm{vrh}}=\frac{M_v+M_r}{2}$

M_v,M_R和M_vrh的定义与M_i相同，可以是体积模量或剪切模量。

代入数据计算得：

干页岩体积模量和剪切模量为:K＝32.08GPa,μ＝23.92GPa.

相应地，干页岩的各向异性微分有效介质模型中的有关参数(弹性模量)：

C₃₃＝K+4μ/3＝63.97GPa,C₄₄＝μ＝23.92GPa,C₁₂＝K-2μ/3＝16.13GPa.

油母质的各向异性微分有效介质模型中的有关参数(弹性模量)：

C₁₁＝C₃₃＝6.5GPa,C₄₄＝C₆₆＝2.7GPa,C₁₃＝C₁₂＝C₃₃-2C₄₄＝1.10GPa.

取油母质的体积分数为16.8％，干页岩的纵横比(纵波比横波声速a)为0.1，密度为g＝2.34g/cm³，油母质-干页岩的混合物的弹性模量为：

C₁₁＝52.74GPa,C₃₃＝46.61GPa,C₄₄＝21.30GPa,C₆₆＝23.61GPa,C₁₃＝11.72GPa,

页岩可以看成是横向各向同性介质，横向各向同性介质的弹性张量由5个独立的弹性常数描述，用矩阵表示为：

$C=\left[\begin{array}{cccccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}& 0& 0& 0\\ C_{12}& C_{11}& C_{13}& 0& 0& 0\\ C_{13}& C_{13}& C_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& C_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& C_{44}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& C_{66}\end{array}\right]$

其中 $C_{66}=\frac{1}{2}(C_{11}-C_{12})$

取孔隙率4.12％，得到带气孔的页岩的弹性模量：

C₁₁＝50.03GPa,C₃₃＝42.17GPa,C₄₄＝20.89GPa,C₆₆＝23.58GPa,C₁₃＝10.74GPa

用Brown-Korringa模型，得到饱和流体的页岩的弹性模量：

C₁₁＝50.45GPa,C₃₃＝42.60GPa,C₄₄＝21.30GPa,C₆₆＝23.61GPa,C₁₃＝11.16GPa

可根据上述模型计算得到饱和流体页岩的弹性模量随油母质含量的变化图(图1)根据(现有的公式)：参见横向各向同性介质声波传播特性研究，《应用声学》1984年第04期作者：蔡忠理,刘克,梁治安，p31-35

$V_{\mathrm{ph}}=\sqrt{\frac{C_{11}}{\mathrm{\ρ}}},V_{\mathrm{pv}}=\sqrt{\frac{C_{33}}{\mathrm{\ρ}}},$

$V_{\mathrm{sh}}=\sqrt{\frac{C_{66}}{\mathrm{\ρ}}},V_{\mathrm{pv}}=\sqrt{\frac{C_{44}}{\mathrm{\ρ}}},$

可得到饱和流体页岩的声速随油母质含量的变化曲线(图2)。

Claims (1)

1.利用声速判定页岩中的有机质含量的方法，其特征是利用含有有机质的页岩中的声速与有机质含量的变化的特性判断页岩中有机质的含量，页岩在有机质含量变化后纵波和横波声速发生明显的变化；采用超声的方法无损检测页岩的有机质的含量，即采用测量页岩的声速随有机质含量的变化来检测页岩的有机质的含量；通过发射和接收超声换能器，测量声波在页岩样品的传播时间和页岩样品的长度，得到页岩的声速，根据声速与页岩中有机质含量的关系来判定页岩中有机质的含量：

1）由不同矿物组成无油的自由“页岩”即干页岩，不同矿物被认为是各向同性的或各向异性的；不同矿物和它们各自的体积百分比，从X-射线衍射分析得到的；包括粘土，石英，方解石的无机成分矿物存在于岩石的弹性常数使用Reuss-Voigt-Hill平均计算；2）考虑油母质为背景材料，使用自洽的各向异性微分有效介质模型添加“干页岩”包裹到油母质背景材料中，形成油母质和干页岩复合材料；3）添加气孔进入油母质和干页岩复合材料，使用自洽的各向异性微分有效介质模型重新估计带气孔油母质和干页岩的弹性模量；4）添加液体进入气孔中，使用Brown-Korringa模型，获得流体饱和油母质和干页岩的弹性模量；根据上述模型计算得到饱和流体页岩的弹性模量随油母质含量的变化图；

5）根据弹性模量和声速的关系得到流体饱和油母质和干页岩中的纵波和横波的声速；得到饱和流体页岩的声速随油母质含量的变化曲线；针对Bazhenov页岩根据测量到的声速来判定页岩中有机质的含量。