不同成熟度陆相有机质泥页岩地震岩石物理响应机理

Understanding seismic rock physics characteristics of terrestrial organic shales are essential to interpret and predict sonic measurements and seismic responses in terms of identifying sweet spots and characterizing source rocks. However, they remain to be ambiguous. This is partly due to the inherent complexity of maturation process involving chemical and physical changes which have systematically altered the properties of organic shale. The composition, texture, microstructure, pore fluids, pore pressure, and organic matter distribution all experience changes during the course of thermal alternation. In addition, in comparison with the organic shale from marine sedimentary environment, terrestrial organic shales exhibit unique characteristics in terms of depositional environment, mineralogical content, organic matter and distribution, and heterogeneities. To solve those challenges, the primary objectives of this research focus on: 1) We propose to use temperature and pressure controlled artificial maturation to investigate evolution characteristics of basic rock properties, elastic responses, and pore pressure for terrestrial organic shales, which will also give insights into understanding principal factors controlling seismic rock physics characteristics; 2) On the basis of laboratory experiments results, theoretical rock physics model will be developed to link elastic properties and pore pressure evolution signatures with geological factors as well as rock properties at different maturity stages.

理解陆相有机质泥页岩的地震岩石物理特征对陆相烃源岩刻画、页岩油气储层 “甜点”的测井和地震识别都有重要意义，但其在不同成熟阶段的地震岩石物理响应机理仍然模糊不清。这一方面由于有机质泥页岩的岩石组分、干酪根性质、应力分布、孔隙结构、孔隙压力以及流体属性在不同成熟阶段都将发生系统的物理和化学变化，另外一方面由于陆相有机质泥页岩在成因类型、矿物类型和含量、有机质种类和赋存形态、非均质性等方面和海相有机质泥页岩均表现出较大差异。针对以上挑战，本项目通过实验和建模相结合的办法，拟开展以下工作: 1) 通过热裂解来刻画陆相有机质泥页岩在不同成熟度状态下基本岩石物理性质、弹性和各向异性、孔隙压力的演化特征，厘清控制不同成熟阶段地震岩石物理特征的主控因素； 2）提出一套成熟过程约束框架下陆相有机质泥页岩的岩石物理建模思路，定量表征不同成熟阶段弹性特征和孔隙压力对关键地质和物理参数的敏感度。

陆相有机质泥页岩在成因类型、矿物类型和含量、有机质种类和赋存形态、非均质等方面和海相有机质泥页岩均表现出较大差异，因而其不同成熟阶段的地震岩石物理响应特征仍有待厘清。通过高温热裂解试验（250℃-600℃）前后有机质页岩弹性波速度的测试，揭示了陆相有机质页岩在不同人工热成熟条件下的地震岩石物理响应机理，纵波速度和横波速度在600℃裂解后下降幅度可分别高达50%和30%。通过对不同成熟度天然有机质页岩样品的超声波速度和各向异性测试，明确了陆相有机质页岩弹性波速度和各向异性在不同沉积环境下（淡水湖相与咸水湖相）的主控因素，实验数据显示咸水湖相页岩纵横波速度主控物理参数是有机质含量与孔隙度，而淡水湖相页岩纵横波速度和各向异性的主控物理参数是粘土含量。在有机质热演化地质成熟过程的约束下，系统考虑了有机质弹性模量、流体物理属性、有机质成分演化、有机孔占比等随成熟度演化的特征。提出了在有机质页岩岩石物理建模过程中应该区分对待干酪根和沥青的建模思路，建立了定量成熟度约束的有机质页岩地震岩石物理模型，将岩石物理模板应用于岩芯超声波数据、测井数据，取得了较好的应用效果。通过以干酪根相变引起流体体积膨胀作为物理基础，对比孔隙流体和孔隙空间的体积与可压缩性的差异，细究了有机质相变产生的页岩超压机制及其对弹性响应特征的影响，并构建相应的岩石物理模型。.项目研究获得的关键实验数据、明确的地震岩石物理特征主控因素和构建的岩石物理模型对于系统揭示陆相有机质页岩的地震岩石物理响应机理有重要意义，对于低成熟度油页岩原位裂解的地球物理检测提供了物理支撑，研究成果有助于建立适合中国陆相烃源岩、油页岩、页岩油气储层定量地震解释和优质储层地震预测的核心技术体系。项目的相关研究成果在勘探地球物理国内外高水平期刊Geophysics, JGR-solid earth、地球物理学报上一共发表15篇论文。