龙马溪组页岩数字岩心动态法弹性等效数值建模

数字岩心是计算岩石弹性性质的一类常用方法.龙马溪组页岩具有多矿物构成、复杂微结构和强非均质等特征,常规岩石物理的弹性等效解析建模局限性较大,目前流行的静态数值等效建模方法的精度有限.本文基于高分辨率的页岩数字岩心数据,采用多阈值分割方法将数字岩心分解为黏土、石英、孔隙、TOC、长石类、黄铁矿类等六种矿物类型;利用矿物组分等效模量法计算各类矿物的弹性模量;采用二元函数分水岭方法表征不同压力下的岩石孔隙变形和颗粒接触关系变化;通过取向分布函数(ODF)定量分析矿物颗粒展布造成的各向异性特征.最后基于Biot孔弹方程,采用不分裂卷积完全匹配层(CPML)旋转交错网格有限差分法模拟不同压力下弹性波在数字岩心中的传播.以未加压的数字岩心为参考模型,计算不同压力下弹性波走时的平均时间差,进而估算各压力点的数字岩心等效速度.与该岩心样品的超声实验测量速度比较,动态法数值计算结果略偏高,据此校正数值计算过程中表征岩石微结构及颗粒接触关系随压力变化的二元函数,有效改善动态法弹性等效数值建模精度.     

泥页岩岩石物理建模研究

泥页岩由于其复杂的岩石特性（主要是裂缝及有机质的存在）,目前还没有有效的岩石物理模型可以较为精确的模拟其性质.本文在自洽模型和微分等效介质模型的基础上,引入Berryman三维孔隙形态及Brown-Korringa固体替代技术,建立适用于富有机质泥页岩的新型岩石物理模型.在此基础上进行正演分析,讨论不同孔隙形态对于自洽模型的临界孔隙度以及岩石速度的影响.正演分析的结果表明即使将未知的混合岩石作为背景岩石,微分有效介质模型的引入使得固体相和流体相仍然不是对称的,临界孔隙度不一定要落在0.4到0.6之间.且不同的孔隙形状对于自洽模型的临界孔隙度以及岩石的速度具有明显的影响.此外,基于岩石物理模型,文章讨论了不同孔隙形态、不同泥质含量时有机质对于岩石弹性性质的影响.最后利用一口页岩气井对该模型进行验证,预测的纵横波速度与测井结果吻合的很好,证明了该模型对于富有机质泥页岩的适用性.     

龙马溪组页岩数字岩心LSM-RVM数值建模方法研究及TOC含量影响分析

页岩气储层中含有大量有机碳(TOC),其丰度与成熟度对页岩力学特性有重要影响.建立包含TOC的精细数值模型,将有助于探索页岩微结构与矿物组分含量对等效弹性模量的作用程度,是“甜点区”预测的重要理论基础.本文提出了一种离散数值建模方法,基于高精度成像技术,采用晶格弹簧-随机孔隙耦合模型(LSM-RVM)模拟包含多种矿物组分及不同成熟度干酪根的数字岩心,分析TOC成熟度及含量对弹性参数的影响.在该模型中,参数设置(数值阻尼与加载应变速率)至关重要,选取不当会对计算精度造成一定影响.研究结果表明,LSM-RVM能够生成符合TOC及多种矿物实际分布特征的数值模型,是一种精细数值建模方法.     

基于计算岩石物理方法的页岩储层弹性参数提取

发展了应用数值计算方法获取页岩储层的速度、各向异性参数的计算岩石物理系列方法.该系列方法包括了大尺度精细地质模型数值建模、计算网格尺度的地球物理建模和地震波数值模拟提取岩石物理弹性参数.本文方法利用储层的统计数据而不是具体岩心的测量数据,可获得储层岩石物理弹性参数的变化规律.相比于基于岩心测试的岩石物理方法,本文方法可精细考虑实际储层的非均匀特征,可得到岩心测试难以求取的与尺寸效应高度相关的弹性参数,也避免了求取弹性参数变化规律时获取不同地质特征岩心的困难.本文发展了计算岩石物理方法,为计算岩石物理面临的大尺度地质建模和计算能力限制问题提供了有效的解决方案.文中以胜利罗家的页岩储层为例,求得了储层TOC含量从3%到21%变化情况下储层的P波、S波速度以及各向异性参数变化规律.     

利用三维数字岩心计算龙马溪组页岩等效弹性参数（英文）

弹性参数在甜点区预测和页岩气的开发过程中扮演着重要的角色,因此研究等效弹性参数随页岩气储层属性的变化是一项很有意义的工作。研究中我们用X射线CT扫描技术获得了较为精确的页岩样品微观结构图像。从这些图像中,我们可以获得孔隙度和矿物的详细情况,据此,我们构建了三维数字岩心,并应用有限元法对弹性参数进行了数值模拟,其间深入考察了子样选取、网格划分、求解器类型以及边界条件等,该方法易于区别不同的矿物及其百分含量。本文重点研究孔隙度和干酪根含量对弹性参数的影响,计算结果表明,孔隙度和干酪根含量对弹性性质有较大的影响,当孔隙度和干酪根含量增加时,弹性模量降低,且当孔隙度小于0.75%左右、干酪根含量大于3%左右时弹性参数减小速率较缓。因为孔隙度仅仅为4.5%,孔隙中填充油或气对弹性参数的影响甚微。不同岩心样本具有不同的孔隙度和干酪根含量,传统岩石物理实验不仅昂贵而且费时,而数值模拟是基于数字岩心来计算弹性参数,更加经济、方便。本研究证实了将页岩样品的微观结构图像与弹性模量的计算相结合来预测页岩弹性参数的可行性。     

成岩过程对五峰-龙马溪组页岩地震岩石物理特征的影响

五峰-龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的首选层位,而其地震岩石物理特征是利用地震方法进行"甜点"预测的重要基础之一,但对五峰-龙马溪组页岩地震弹性特征变化规律的研究并未考虑沉积、成岩过程的影响,致使相应的规律性认识缺乏地质意义.在对五峰-龙马溪组页岩样品系统声学测量基础上,分析了页岩样品地震弹性性质的变化规律.利用X射线衍射分析、扫描电镜（SEM）、阴极发光（CL）与能谱分析确定了五峰-龙马溪组页岩在不同沉积环境下的成岩过程,并讨论了成岩过程与地震弹性性质变化规律的因果关系.研究结果表明,页岩中有机质（TOC）受高热演化程度的影响,其密度通常高于1.4 g·cm^-3,并接近于有机碳密度上限1.6 g·cm^-3（石墨密度）.五峰-龙马溪组页岩地震弹性性质变化规律整体受沉积环境控制,沉积环境的差异形成不同的成岩过程,致使地震弹性特征也表现出不同的变化规律.表现在五峰-龙马溪页岩样品动态岩石物理特征主要受岩石结构控制（支撑颗粒弹性性质）,而孔隙度、TOC含量以及孔隙形状则为对地震弹性特征影响的次一级因素.五峰-龙马溪组页岩上段为浅水陆棚相,机械压实与化学压实（硅质胶结）为先后两个过程,造成样品表现出高的速度-孔隙度变化率、高速度比（泊松比）、高各向异性以及低TOC含量的特征.五峰-龙马溪组页岩下段为深水陆棚相,机械压实过程中同时伴有生物成因的硅质胶结,造成岩石样品表现出较高TOC含量与孔隙度、各向异性较弱以及较小的速度-孔隙度变化率.研究结果可为五峰-龙马溪页气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

基于微纳米孔隙理论的页岩气储层岩石物理建模方法

页岩储层由于其复杂的构造和孔隙特征,目前一般的岩石物理模型无法对其进行精确描述.微纳米孔隙作为页岩气主要的储集空间,对页岩整体弹性参数有较大影响.干酪根作为页岩中重要的有机质矿物,在页岩中的赋存状态随成熟度不同而变化,同时干酪根也是纳米级孔隙的主要发育场所.目前常规的岩石物理建模方法没有体现微纳米孔隙的作用,同时较少考虑不同成熟度下干酪根对页岩储层弹性性质的影响.本文采用一种微纳米孔隙理论描述页岩微纳米孔隙特性,考虑微纳米孔隙和不同成熟度下干酪根的赋存状态,应用上述微纳米孔隙模型、各向异性SCA-DEM模型、各向异性Eshelby-Cheng模型和Brown-Korringa固体替换方程等建立一种新的页岩储层岩石物理模型.利用中国西南某工区页岩气井对该模型进行验证,模型预测的横波速度与测井速度拟合较好.结果表明不同干酪根成熟度的页岩岩石物理建模结果具有一定的差异,据此可大致区分该工区井的干酪根成熟度;最后对微纳米孔参数进行正演分析,结果反映了页岩的纵横波速度随微纳米孔隙参数的变化趋势.     

CPU-GPU异构并行计算在数字岩心线弹性静力学有限元模拟中的应用

线弹性静力学有限元模拟是计算数字岩心弹性模量的有效方法之一,已被用于研究数字岩心的弹性模量与其微观结构、物质组成之间的关系.若要形成解决实际问题的能力必须计算足够多的数字岩心样本,而有限元模拟的计算量较大,因此并行计算对于该方法的成功应用非常重要.本文将数字岩心线弹性静力学有限元模拟算法分解为在CPU和GPU上执行的两个部分,由CPU负责协调控制,GPU负责大规模数值计算,实现CPU-GPU异构并行计算,获得计算效率提升.采用该并行算法计算孔隙数字岩心、裂缝数字岩心和裂缝—孔隙数字岩心的弹性模量,得到的弹性模量—孔隙度关系符合一般的岩石物理规律.CPU-GPU异构并行的线弹性静力学有限元模拟能够迅速计算大量数字岩心的弹性模量,提供相当于物理实验的"观测数据",对岩石物理学研究具有重要的意义.     

致密砂岩气藏裂隙-孔隙型弹性岩石物理模板研究:以川西坳陷A区为例

相对于常规砂岩,致密砂岩在岩石物理性质、力学性质等方面具有明显差异,并呈现出很强的非均质性.岩石物理模型能将储层参数与地震特性信息联系起来,因此可以作为致密砂岩储层参数与地震特性信息转换的桥梁.常规的岩石物理模型通常只考虑单一因素(例如非均匀性,单一孔隙,单一尺度等),建立的岩石物理模板并不适用于致密砂岩.本文针对高饱和气、微裂隙发育、非均质性强的致密砂岩储层,利用Voigt-Reuss-Hill模型计算混合矿物的弹性模量,采用微分等效介质(DEM)模型描述含裂隙、孔隙岩石的骨架弹性模量,基于Biot-Rayleigh波动方程构建了岩石物理弹性模板,给出了致密砂岩储层弹性参数与物性的关系.基于测井数据和实验数据对岩石物理弹性模板进行校正,并将校正后的岩石物理弹性模板结合叠前地震资料应用于川西地区储层孔隙度与裂隙含量预测.结果显示,反演裂隙含量、孔隙度与储层试气报告、测井孔隙度基本吻合,表明该模板能够较合理地应用于致密砂岩储层孔隙度及裂隙含量解释中.     

川南下志留统龙马溪组页岩储集空间定量表征

以川南上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩钻井资料为基础,通过建立储层岩石物理模型和孔隙度数学模型,对富有机质页岩段基质孔隙构成和裂缝发育状况进行了定量评价.经过定量表征证实,龙马溪组页岩储集空间具有4大特征:(1)脆性矿物、粘土矿物和有机质三者产生的单位质量孔隙体积为有机质最高、粘土矿物次之、脆性矿物最少;(2)有效储层孔隙度适中,与Barnett相当,且孔隙构成以粘土矿物层间孔隙和有机质孔隙为主体;(3)富有机质页岩段孔隙度与TOC、脆性矿物/粘土矿物比值关系密切,主要表现为孔隙度随着TOC增大而增大,富含粘土的页岩孔隙度比富含脆性矿物的页岩孔隙度大;(4)黑色页岩裂缝发育,裂缝规模以微型、中-大型裂缝为主,裂缝密度自上而下增大,反映了龙马溪组底部具有脆性矿物含量高、杨氏模量高、泊松比低和脆性好等特点.     

龙马溪组页岩微观结构、地震岩石物理特征与建模

龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一.由于岩石物理实验结果具有区域性,龙马溪组页岩的岩石特征与其地震弹性性质的响应规律需要开展相关的实验和理论研究工作予以明确.本研究基于系统的微观结构观察(扫描电镜和CT成像技术)和岩石物理实验来分析龙马溪组页岩样品地震弹性性质的变化规律,并依据微观结构特征建立相应的地震岩石物理表征模型.研究结果表明,石英含量对龙马溪组页岩的孔隙度以及有机碳(TOC)含量具有一定的控制作用,TOC和黄铁矿主要赋存于孔隙中;岩石骨架组成亦受控于石英或粘土含量,在石英含量大于40%(对应粘土含量小于30%)时,以石英、粘土共同作为岩石骨架,而粘土含量大于30%时,则以粘土作为岩石的骨架.因此,岩石骨架组成矿物、TOC含量、孔隙度共同制约龙马溪组页岩的地震弹性性质,富有机质储层岩石通常表现出低泊松比、低阻抗和低杨氏模量的特征,但由于支撑矿物的转换,某些富有机质页岩亦可表现为高阻抗特征.粘土矿物的定向排列仍然是造成页岩样品表现出各向异性的主要原因,各向异性参数与粘土含量具有指数关系.基于龙马溪组页岩的岩性特征及微观结构特征,可以利用自洽模型(SCA)、微分等效模量模型(DEM)和Backus平均模型的有效组合较为准确地建立龙马溪组页岩的地震岩石物理模型,实验结果和测井数据验证了模型的准确性.研究结果可为龙马溪组页岩气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

基于岩石物理转换模型的苏里格致密砂岩储层测井评价与产能预测

苏里格地区致密砂岩储层勘探开发难度很大,测井解释遇到了储层参数计算和产能预测不准确的问题.本文针对这些难点,基于已有的转换模型,推导并验证了T₂-I和T₂-K_r转换模型,提出了采用转换模型应用于测井综合解释和产能预测的方法.基于实验数据设定孔径大于1 μm的孔隙为大孔,中孔孔径在1 μm和0.03 μm之间,小孔孔径为0.03 μm以下.并建立了不同孔径范围模型中关键参数α与核磁参数T_2lm的关系,这为转换模型在测井解释中的应用提供了必要条件.本文在苏里格西区分别应用T₂-I和T₂-K_r转换模型求取含水饱和度和相对渗透率曲线,并进行产能预测,处理结果显示该方法具有很好的应用效果.     

Water retention effects on elastic properties of Opalinus shale

Shales play an important role in many engineering applications such as nuclear waste, CO₂ storage and oil or gas production. Shales are often utilized as an impermeable seal or an unconventional reservoir. For both situations, shales are often studied using seismic waves. Elastic properties of shales strongly depend on their hydration, which can lead to substantial structural changes. Thus, in order to explore shaly formations with seismic methods, it is necessary to understand the dependency of shale elastic properties on variations in hydration. In this work, we investigate structural changes in Opalinus shale at different hydration states using laboratory measurements and X-ray micro-computed tomography. We show that the shale swells with hydration and shrinks with drying with no visible damage. The pore space of the shale deforms, exhibiting a reduction in the total porosity with drying and an increase in the total porosity with hydration. We study the elastic properties of the shale at different hydration states using ultrasonic velocities measurements. The elastic moduli of the shale show substantial changes with variations in hydration, which cannot be explained with a single driving mechanism. We suggest that changes of the elastic moduli with variations in hydration are driven by multiple competing factors: (1) variations in total porosity, (2) substitution of pore-filling fluid, (3) change in stiffness of contacts between clay particles and (4) chemical hardening/softening of clay particles. We qualitatively and quantitatively analyse and discuss the influence of each of these factors on the elastic moduli. We conclude that depending on the microstructure and composition of a particular shale, some of the factors dominate over the others, resulting in different dependencies of the elastic moduli on hydration.     

龙门山地区的kappa（κ0）模型及汶川MS8.0地震的强地震动模拟

在地震动模拟中,高频衰减参数（κ₀）是一个重要的参数,它控制了傅里叶谱高频部分的衰减特性.本文利用汶川M_S8.0地震和芦山M_S7.0地震主余震的1671组强震动观测记录,计算了龙门山地区50个断层距小于150 km的强震动台站的κ₀,基于随机有限断层法模拟了汶川地震中这些台站的加速度时程、傅里叶振幅谱和反应谱,并与前人的研究进行比较.结果表明,合理计算的κ₀可以有效地改善加速度时程振幅和高频谱（>1 Hz）的模拟结果.另一方面,本文基于κ₀与地形高程的相关性,建立了龙门山地区的κ₀经验模型.分别采用该经验模型和κ₀= 0.04 s模拟了汶川地震的峰值加速度分布,并与观测记录进行比较.结果表明,采用本文提出的κ₀模型可以更好地重现汶川地震的峰值加速度分布,特别是在断层破裂方向的反方向区域和山区.综上,汶川地震中山区的峰值加速度明显大于盆地地区的现象,不仅与断层破裂产状有关,还与山区和盆地地区的κ₀之间显著的差异有关.     

基于贝叶斯框架的各向异性页岩储层岩石物理反演技术

页岩岩石物理建模旨在建立页岩矿物组分、微观结构、流体填充与岩石弹性参数的关系.对四川盆地龙马溪组页岩进行岩石物理建模研究,针对页岩黏土含量高、层间微裂缝发育等特点,利用Backus平均理论描述页岩黏土矿物弹性参数,利用Chapman理论计算与水平微裂缝有关的VTI各向异性,并利用Bond变换考虑地层倾角的影响.提出以黏土矿物纵、横波速度和孔隙纵横比为拟合参数进行岩石物理反演的方法,并引入贝叶斯框架减小反演的多解性.由已知的黏土矿物纵、横波速度和孔隙纵横比作为先验信息,并以测井纵、横波速度作为约束条件建立反演的目标函数,同时利用粒子群算法进行最优化搜索.计算结果表明,基于先验约束和粒子群算法的反演方法能够较准确地反演黏土矿物的弹性参数、孔隙形态参数以及裂缝密度等参数.计算得到的黏土纵、横波速度较高,并且在一定范围内变化,这可能与龙马溪组页岩的黏土矿物组分中具有较高弹性模量的伊利石含量较高有关,同时也与黏土定向排列等微观物性特征有关.反演得到的裂缝密度与纵波各向异性参数ε呈明显的正相关,而与横波各向异性参数γ相关性较小.另外,页岩各向异性参数与黏土垂向的纵横波速度有较强的相关性.     

Shales in the Qiongzhusi and Wufeng–Longmaxi Formations: a rock-physics model and analysis of the effective pore aspect ratio

The shales of the Qiongzhusi Formation and Wufeng–Longmaxi Formations at Sichuan Basin and surrounding areas are presently the most important stratigraphic horizons for shale gas exploration and development in China. However, the regional characteristics of the seismic elastic properties need to be better determined. The ultrasonic velocities of shale samples were measured under dry conditions and the relations between elastic properties and petrology were systemically analyzed. The results suggest that 1) the effective porosity is positively correlated with clay content but negatively correlated with brittle minerals, 2) the dry shale matrix consists of clays, quartz, feldspars, and carbonates, and 3) organic matter and pyrite are in the pore spaces, weakly coupled with the shale matrix. Thus, by assuming that all connected pores are only present in the clay minerals and using the Gassmann substitution method to calculate the elastic effect of organic matter and pyrite in the pores, a relatively simple rock-physics model was constructed by combining the self-consistent approximation (SCA), the differential effective medium (DEM), and Gassmann’s equation. In addition, the effective pore aspect ratio was adopted from the sample averages or estimated from the carbonate content. The proposed model was used to predict the P-wave velocities and generally matched the ultrasonic measurements very well.     

Computation of elastic properties of 3D digital cores from the Longmaxi shale

The dependence of elastic moduli of shales on the mineralogy and microstructure of shales is important for the prediction of sweet spots and shale gas production. Based on 3D digital images of the microstructure of Longmaxi black shale samples using X-ray CT, we built detailed 3D digital images of cores with porosity properties and mineral contents. Next, we used finite-element (FE) methods to derive the elastic properties of the samples. The FE method can accurately model the shale mineralogy. Particular attention is paid to the derived elastic properties and their dependence on porosity and kerogen. The elastic moduli generally decrease with increasing porosity and kerogen, and there is a critical porosity (0.75) and kerogen content (ca. ≤3%) over which the elastic moduli decrease rapidly and slowly, respectively. The derived elastic moduli of gas- and oil-saturated digital cores differ little probably because of the low porosity (4.5%) of the Longmaxi black shale. Clearly, the numerical experiments demonstrated the feasibility of combining microstructure images of shale samples with elastic moduli calculations to predict shale properties.     

Lg波Q值随震源深度的变化作为地壳本征衰减深度的判据

Lg波的Q_Lg值是描述区域地壳结构及介质衰减特性的重要参数之一,Q_Lg层析成像被广泛应用于地壳衰减结构横向不均匀性的研究中.但是,对Q_Lg在垂直方向上的不均匀性的研究较少.当发现一个地区发生Q_Lg值低时,我们希望进一步了解这种介质衰减深度.本文通过数值模拟合成地震图的方法,通过分析不同震源深度和介质模型计算Q_Lg,判断Lg波发生主要衰减的深度.研究结果显示：（1）当震源深度浅时,上地壳介质衰减对于Lg波Q值的影响明显比下地壳的影响更大.而震源深度深时,两者贡献基本相当;（2）如果上地壳介质衰减强,则随着震源深度的增加,η值逐渐减小;如果下地壳介质衰减强,η值先增大后减小;但如果下地壳存在低速层,则η值持续增大;（3）如果上地壳介质衰减强,则随着震源深度的增加,Q₀逐渐增大;反之如果下地壳介质衰减强,则Q₀逐渐减小.因此,我们可以通过调查某一区域不同深度地震的Lg波衰减规律,来判断这一地区的地壳介质衰减情况.