近日，国际知名地学期刊Earth-science Reviews以《Joint geochemisty-rock physics modeling: Quantifying the effects of thermal maturity on the elastic and anisotropic properties of organic shale》为题发表了我室赵峦啸教授联合地球化学和岩石物理的弹性参数建模方法，定量表征不同热成熟度阶段各种地质因素和物理参数对弹性和各向异性的影响。这是该团队近年来关于有机质页岩及其非常规储层的岩石物理、岩石力学相关研究的重要拓展。
岩石的弹性、各向异性参数是解译地震和测井声波数据的基础。有机质页岩作为自然界最普遍存在的一种沉积岩，理解和表征有机质页岩的弹性、各向异性特征对地球和能源科学众多领域都至关重要，如烃源岩评价、非常规页岩油气储层刻画、CO2地质封存和核废料地质处置的盖层评估等。
热成熟度水平对有机页岩的地球化学特征、地质特征和地球物理响应具有关键的控制作用，而目前有机页岩的岩石物理建模忽略了或只是定性考虑热成熟度的影响。文章首次提出将地球化学热演化和岩石物理建模结合，从而定量刻画不同成熟度（镜质体反射率%Ro）的有机质页岩弹性和各向异性特征。
基于有机质页岩地球化学热演化的一般规律，模型考虑了两类有机质(干酪根和沥青)和有机孔隙度在热成熟过程中的演化特征。在系统总结大量实验数据的基础上，该研究定量表征了两类有机质和流体的弹性特征随成熟度变化的关系。在建模过程中区分对待了不同成熟阶段干酪根与沥青对有机页岩弹性性质的贡献，分别使用了不同的等效介质理论来刻画有机—无机相弹性相互作用。通过分别考虑有机质页岩无机骨架的弹性刚度系数、含烃类流体多孔有机质的弹性模量、有机—无机部分弹性相互作用，整体构建有机质页岩的各向异性弹性刚度系数（图1）。
图1 联合地球化学和岩石物理的有机质页岩弹性与各向异性参数建模框架
岩石物理建模结果显示不同成熟阶段关键物理参数(如总有机碳含量TOC、孔隙度和粘土含量)对有机质页岩弹性和各向异性行为的影响差异较大。文章使用多个不同成熟度有机质页岩的超声波和测井数据集以验证所提模型的有效性，证明只有在给定正确成熟度水平条件下，才能合理地刻画非常规页岩油气储层的弹性和各向异性特征，也突显了将有机地球化学与岩石物理建模相结合的重要性。该研究还讨论了有机质形态、黏土排列程度以及由过压引起的微裂缝对有机质页岩的弹性和各向异性特征的影响，这些因素也可以融入所提出的岩石物理建模框架。
图2 利用提出的联合地球化学—岩石物理建模方法可以较好的刻画纵横波各向异性与纵横波速度的变化趋势。左图代表实际测量数据，右图代表岩石物理建模结果。不同颜色表示镜质组反射率(%Ro)。
论文第一及通讯作者为赵峦啸教授，第二作者为我室博士研究生朱津琬。该研究得到国家自然科学基金(42174134、41874124)、上海市启明星计划等项目资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104627
撰稿：赵峦啸 朱津琬