水岩作用对硬脆性页岩孔隙结构及声波特性影响的研究

The physicochemical reaction between hard brittle shale and water and its mechanical effect can damage micro and macro structure of the rock, resulting in the changes of acoustic property. Currently, in related researches, no attention is given to the evolution process of pore structure of hard brittle shale and the quantitative approach to evolution process of shale acoustic property in water-rock reaction. Therefore, for hard brittle shale, we conduct investigation on the influence of water-rock reaction on pore structure of hard brittle shale, revealing multi-scale evolution law of fractal feature of hard brittle shale pore system and establishing damage quantitative model of hard brittle shale pore structure in water-rock reaction. Based on shale imbibition test and micro-simulation of imbibition, the law of water flow under capillary effect can be analyzed. The influence of water-rock reaction on acoustic propagation in hard brittle shale is analyzed, revealing evolution law of hard brittle shale acoustic property in water-rock reaction. The research on relation between brittle shale acoustic parameters and electrical resistance is conducted, forming retrieval method of hard brittle shale acoustic parameters. The findings of this research can offer reference for micro-seismic monitoring and prediction of wellbore stability in hard brittle shale formation, and is significant for the development of deep oil gas resources and shale gas resources.

硬脆性页岩与水之间发生的物理化学反应及其产生的力学效应，将破坏岩石微观、宏观结构，造成其声波特性发生变化。然而这些研究未揭示水岩作用过程中硬脆性页岩孔隙结构的演化过程，也未从量化角度研究水岩作用过程中硬脆性页岩声波特性的演化规律。为此，本项目以硬脆性页岩为研究对象，研究水岩作用对硬脆性页岩孔隙结构特征的影响，揭示水岩作用过程中硬脆性页岩孔隙系统的多尺度分形特征演化规律，构建水岩作用下硬脆性页岩孔隙结构损伤量化模型；通过自吸实验、微观模拟自吸过程研究，揭示毛细管效应作用下硬脆性页岩中水的流动规律；研究水岩作用对声波在硬脆性页岩中传播特征的影响，揭示水岩作用过程中硬脆性页岩中声波特性的演化规律；研究硬脆性页岩声波属性参数与电阻率响应关系，构建硬脆性页岩声波属性参数的反演方法。该研究成果将为硬脆性地层微地震监测和井壁稳定性预测研究提供理论依据，对我国深层油气资源和页岩油气资源开发有重要的意义。

目前，从微观到宏观研究了页岩与水相互作用过程中页岩的微观结构和宏观结构的变化，在一定程度上揭示了水岩作用过程中结构损伤特征，但这些研究都忽略了页岩孔隙系统的多尺度效应的影响，并未揭示水岩作用过程中不同尺度下页岩微观孔隙结构的演化过程，且水岩作用过程中页岩微观孔隙结构损伤的定量描述不够清晰。同时，研究者从定性角度研究了硬脆性页岩与水作用对岩石波速或声波时差的影响，但对其它的声波属性参数的影响并未有详细报道，也并未从量化角度研究水岩作用过程中页岩声波特性的演化规律。为此，本课题以四川盆地下志留统龙马溪组页岩为研究对象，以宏观、微观试验与模拟相结合开展了系统的研究。研究结果表明：基于XRD、低压氮气吸附测试、氩离子抛光-场发射扫描电镜、超声波脉冲透射等实验结果，认识了从纳米级到微米级多尺度下页岩孔隙结构特征，明确了页岩多尺度孔隙的分形特征；基于等效介质理论，推导了横观各向同性页岩地层弹性波速计算模型，揭示了层理密度、层理角度等对页岩纵横波速度的影响特征；建立了页岩自吸过程中的动态驱动力与动态迂曲度的计算方法，基于Hagen-Poiseuille流动规律，考虑纳米尺度下的边界滑移现象，建立了页岩自吸动态物理模型，揭示了毛细管效应作用下页岩自吸规律；从微观到宏观揭示了水岩作用过程中页岩微观孔隙结构的演化过程，以及分形特征的变化规律，以此建立了水岩作用下的页岩孔隙结构损伤量化模型；阐明了水岩作用过程中页岩中声波传播规律，揭示了水岩作用对页岩声波特性的影响规律；基于Biot理论，引入不饱和参数，推导了双相不饱和VTI介质弹性波方程，提出了该方程的谐波解，基于最小二乘思想，利用优化方法建立了水岩作用下页岩孔隙度预测的模型，揭示了水岩作用下页岩孔隙度与声波速度的变化规律，以此构建了水岩作用下页岩声波速度的预测方法。