近期国内地球科学类综合性学术期刊《中国科学：地球科学》刊发海洋地质全国重点实验室赵峦啸教授团队博士研究生蔡振家的最新研究成果——《湖相有机质页岩在不同热成熟条件下的弹性特征演化》，揭示了中国两类典型湖相页岩在热演化过程中的弹性响应规律，为利用地球物理方法指导页岩油气的勘探开发及油页岩的原位转化监测奠定了岩石物理基础（图1）。
图1 利用地球物理指导页岩油气勘探开发和陆相页岩油地下原位开采监测示意图
成熟度是富有机质页岩生烃演化及页岩储层勘探开发的重要指标。一般来说，有机质泥页岩在热演化过程中，其岩石骨架、干酪根性质、孔隙空间(基质孔隙、有机质孔隙、微裂缝)、应力分布、孔隙压力以及流体属性都将发生系统的物理和化学变化. 目前，关于有机质页岩在不同热演化阶段岩石物理和弹性性质的刻画大多都针对北美海相有机质页岩，关于湖相有机质页岩，尤其是针对中国地质条件下不同成熟度的湖相有机质页岩的岩石物理特征研究工作还没有系统的展开。湖相有机质页岩在成因类型、矿物类型和含量、有机质种类和赋存形态、非均质体发育等方面和海相有机质页岩均存在较大差异. 因此，如何有针对性地研究湖相有机质泥页岩在不同成熟阶段的岩石物理和弹性演化特征，是我国页岩油气勘探开发面临的重要基础性问题，对于利用测井、地震数据进行页岩油气储层地质和工程甜点识别具有重要价值，对于全面揭示不同成熟度有机质泥页岩的岩石物理响应机理具有重要的科学意义。
该研究通过对鄂尔多斯盆地延长组低成熟长7段页岩和抚顺盆地未成熟计军屯组页岩进行了含水热裂解实验（最高热裂解温度为600），并对其在不同热裂解成熟度下的纵横波速度与弹性各向异性进行测试，阐明了这两种陆相页岩的弹性波速度与各向异性在不同热成熟阶段的演化规律。长7段页岩(压实型)的纵波速度、垂直于层理横波速度在油生成和气生成阶段随成熟度呈现明显的下降趋势，特别是垂直横波速度下降幅度超过40%，而各向异性则显著增强，这主要与长7段页岩含有较高含量的顺层状有机质在热成熟过程中生成大量排烃缝有关。计军屯组页岩(胶结型)在油生成阶段，其纵横波速度都呈现升高的趋势，这主要是因为在热成熟初期胶结成岩作用抑制了微裂隙的大量生成，而有机质弹性模量的增强作用占据了主导; 而在气生成阶段，其纵横波速度则呈现下降趋势，各向异性呈现增强趋势，这主要是因为有机质裂解生孔缝对弹性响应的影响超过了无机骨架的影响。实验结果明确了湖(陆)相低成熟度有机质页岩在生烃演化阶段的敏感弹性参数。
图2 含水热裂解后长7页岩样品的归一化速度与横波各向异性在不同热成熟阶段随温度变化试验结果
该研究通过解译关键岩石物理参数、弹性特征与热成熟度的映射关系，有助于系统揭示不同成熟度湖相有机质页岩的地震岩石物理响应机理，也为利用地震和测井声波数据监测油页岩原位转化提供了岩石物理基础。
文章的第一作者为我室博士生蔡振家，通讯作者为赵峦啸教授，合作者包括我室耿建华教授和麻纪强工程师，以及我校土木工程学院张丰收教授。该研究得到国家自然科学基金项目(U23B20157、42174134)资助。
全文链接：https://doi.org/10.1360/SSTe-2024-0045