一种基于纵波波速的页岩孔隙度测量方法及测量装置与流程

本发明属于石油、地质、矿业领域室内测量页岩孔隙度的方法和装置技术领域，尤其涉及基于纵波波速测量页岩孔隙度的方法及装置。

背景技术：

页岩孔隙度是认识和评价油气藏的重要基础参数。页岩中粘土矿物含量高，常成条状分布在骨架颗粒的表面，粘土矿物与有机质赋存关系复杂，常规的孔隙度测量方法无法直接运用到页岩孔隙度测量中。

在CN202267616U中提到一种测量岩石孔隙度的方法和装置，其采用乙醇作为测量介质。若将此方法用在测量页岩孔隙度测试中会存在以下不足：富有机质页岩中有机质孔中存在吸附气，乙醇无法完全进入到纳米级的有机质孔中，且页岩层理发育，乙醇会使得页岩中的裂纹沿着弱结构面扩展。在常规的岩石孔隙度测量方法中常采用煤油和氮气作为测量介质，而页岩中粘土矿物是强水湿，且有机质对氮气具有吸附性，会使得页岩的孔隙体积测量存在一定的误差。在CN105651805A中提出运用核磁共振测量岩石的孔隙度，运用核磁共振测量岩石的孔隙度成本相对较高，且存在测量介质无法全部进入页岩孔隙中的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服常规岩石孔隙度测量方法需要测量介质且测量介质无法充满页岩孔隙的问题，提出一种在不损害岩样本身性质的情况下快速准确的测量页岩孔隙度的方法。

本发明是采用以下技术方案实现：一种基于纵波波速的页岩孔隙度测量方法，它主要包括以下步骤：

S1、将页岩加工成直径为25mm，长度为50mm的柱状，在烘箱中烘24小时备用；

S2、测量页岩在有效应力为5MPa，7MPa，10MPa，15MPa，20MPa，40MPa， 45MPa，50MPa，55MPa，60MPa下的纵波波速Vp；

S3、采用式1建立Vp与有效应力σ之间的联系，计算有效应力为300MPa时纵波波速V_p300：

V_p＝V₀+Dσ-Be^-kσ (1)

式中，Vp-纵波波速，km/s；σ-有效应力,MPa；V₀、D、B、k为拟合参数,对应量纲分别为，km/s、10^-4km/s/MPa、km/s、10^-2MPa⁴；

S4、运用“声波地层因素公式”式2

式中，V_ma-声波在骨架颗粒中的传播速度，km/s，采用页岩在300MPa有效应力时传播的波速V_p300代替V_ma；φ-孔隙度，无量纲；X-岩性指数，无量纲，页岩孔隙结构复杂，X一般取3，得到有效应力σ下的孔隙度；

S5、基于泥质沉积物压实理论，建立孔隙度与有效应力之间的关系式3，

φ＝φ₀e^-bσ (3)

式中，φ₀-有效应力为零时页岩的孔隙度，无量纲，b-拟合参数，无量纲。

一种基于纵波波速的页岩孔隙度测量装置，它包括加压系统、声波发射系统、声波采集系统和数据处理系统组成。加压系统可以实现对页岩施加0～90MPa的压力，采用全自动增压泵自动进行加压；声波发射系统由声波发射器和声波发射端组成，声波发射器发射的纵波频率为170KHz；声波采集系统由数据线和示波器、声波接收端等组成，声波采集系统可以记录纵波首波到达的时间，从而得到声波在页岩中的传播时间；数据处理系统运用original软件得到纵波波速V_p与有效应力σ之间拟合公式中各参数的值，同时建立孔隙度φ与有效应力σ之间的关系，拟合公式中φ₀为有效应力为零时对应的页岩孔隙度。

本发明具有以下优点：(1)一种页岩孔隙度测试方法，运用类比法建立声波在页岩中传播的波速、声波在骨架中的传播速度与孔隙度三者之间的联系，同时用页岩在300MPa时的波速代替声波在骨架中的传播速度，无需对页岩组分 进行分析测试同时不需要测量介质，保证精度的同时节约了时间和成本，且不损害岩样性质；(2)一种基于纵波波速的页岩孔隙度测试装置可以快速测定不同有效应力下的纵波波速，采用高精度的示波器进行声波波形采集，采集精度高。增压系统设定压力后增压泵能实现自动增压，自动化程度高，降低了操作者的劳动强度。

附图说明

图1为该方法的具体实施步骤图。

图2为一种基于纵波波速的页岩孔隙度测量装置结构示意图；

图中，1-夹持器外壳，2-液压油，3-橡胶胶套，4-页岩样品，5-声波发射器，6-计算机，7-声波接收端，8-柱塞，9-金属管线，10-阀门，11-自动增压泵，12-压力传感器，13-示波器，14-声波发射端；图中虚线部分表示导线。

图3为有效应力σ与纵波波速Vp之间拟合图。

图4为有效应力σ与孔隙度φ拟合图。

图5为本发明测量的孔隙度和He测量的孔隙度关系图。

具体实施方式

下面通过具体实施案例进一步详细说明本发明的方法的特点及使用效果，但本发明并不因此而受到任何限制。

本发明的理论基于“声波地层因素公式”，

式中，V_ma-声波在骨架颗粒中的传播速度，km/s，采用页岩在300MPa有效应力时传播的波速V_p300代替V_ma；φ-孔隙度，无量纲；X-岩性指数，无量纲，页岩孔隙结构复杂一般取3，得到有效应力σ下的孔隙度；该公式模仿电阻率地层因素公式(5)

R_w-的是岩样的电阻率，Ω˙m，R₀-地层水电阻率，Ω˙m，b-比例系数，无量 纲，φ-孔隙度，无量纲，m-地层因素，无量纲。

岩样中电流是依靠孔隙中的地层水传播的，传播路径是弯曲的，弯曲程度由胶结指数m决定。同样，声波在页岩中传播主要依靠固体传播，(所占的百分比为1-φ，φ为孔隙度)其路径也是弯曲的，弯曲程度由X决定，X表示岩性指数，X值由岩性决定。

纵波波速与有效应力之间的关系符合公式6

V_p＝V₀+Dσ-Be^-kσ (6)

式中，V_p-纵波波速，km/s；σ-有效应力,MPa；V₀、D、B、k为拟合参数,对应量纲分别为，km/s、10^-4km/s/MPa、km/s、10^-2MPa⁴；

根据公式6可预测高有效应力下的纵波波速。本发明中采用300MPa下的纵波波速V_p300代替纵波在骨架中的传播速度V_ma，具有节省了时间的优点，且得到的纵波波速更能代表页岩中固体颗粒的纵波波速；

通过公式1、公式2得到页岩不同有效应力下的孔隙度，基于压实函数式7得到页岩的孔隙度。

φ＝φ₀e^-bσ (7)

式中，φ₀-有效应力为零时页岩的孔隙度，无量纲，b-拟合参数，无量纲。

具体实施例如下：

S1、选取四川盆地龙马溪组页岩岩样5块，将页岩加工成直径约为25mm，长度约为50mm的柱状，编号分别为A-1、A-2、A-3、A-4、A-5，在烘箱中烘24小时备用；

S2、将页岩样品放入加压系统中的岩心夹持器中，在计算机6上设定压力分别为5MPa，7MPa，10MPa，15MPa，20MPa，40MPa，45MPa，50MPa，55MPa，60MPa，当自动增压泵11压力达到设定的为5MPa时，声波发射器5将声波信号传到声波发射端14，声波接收端7接到信号后将信号传送到示波器13，计算机6采集示波器13的信号，记录有效应力为5MPa时首波到达的时间t₅，μs。而后，自动增压泵11将压力自动增加至7MPa，计算 机6记录有效应力7MPa时的首波到达时间t₇，μs。以此类推，直至增压泵压力达到60MPa时结束测量。

S4、依据公式8得到在有效应力为5MPa，7MPa，10MPa，15MPa，20MPa，40MPa，45MPa，50MPa，55MPa，60MPa时纵波的波速(表1)

其中，L-岩样长度/cm，t-声波在岩样中传播的时间，μs，V-纵波波速，km/s；

S5、运用original软件采用公式V_p＝V₀+Dσ-Be^-kσ对有效应力与孔隙度进行拟合，拟合结果见(图3)，计算有效应力为300MPa时纵波波速V_p300(表2)；

S6、运用“声波地层因素公式”采用页岩在300MPa有效应力时传播的波速V_p300代替V_ma；φ表示孔隙度；X表示岩性指数，页岩中X取3，得到有效应力σ下的孔隙度；

S7、基于泥质沉积物压实理论(式7)，建立孔隙度与有效应力之间的关系，得到页岩在有效应力为零时的孔隙度(图4)。

通过本发明测量得到的页岩孔隙度与He孔隙度进行对比(图5)，可以看出本发明提供的方法测量结果与He孔隙度具有一致性。