部分饱和孔隙岩石中声波传播数值研究

利用基于Biot理论的孔隙弹性介质的高阶交错网格有限差分算法，模拟了具有随机分布特征的多种流体饱和岩石中声波在中心频率分别为25，50，75，100kHz时的声场特点. 对于一个由两种成分（气和水）饱和的岩石模型, 假设含不同流体的孔隙介质随机分布在不同的宏观区域，该区域尺度远小于计算的声波波长；组成模型的两种随机分布介质具有相同的固体骨架参数、渗透率和孔隙度，但分别被具有不同压缩性、密度和黏滞系数特性的水和气饱和. 计算和统计分析结果表明，在两种孔隙成分随机分布的部分饱和条件下纵波速度比较复杂，除骨架参数外，其变化主要依赖于中心频率、各种孔隙成分饱和度及饱和介质的速度. 比较该随机分布模型、Gassmann理论模型和White的“气包”模型，发现三种模型得到的纵波速度和衰减规律有较好的定性对应关系. 其次，按照这种随机计算模型的处理方法，本文还首次计算了一个三种流体成分充填饱和的例子，即岩石模型中的孔隙被水、油和气部分饱和，计算时保持模型含水饱和度不变而只改变含油和含气饱和度. 在这种计算条件下，纵波速度随中心频率呈增大的趋势但有起伏变化. 声场快照显示了各种转换波在多种孔隙成分充填（两种和三种孔隙成分）岩石中的声场特征，复杂的水-油-气界面的非均匀分布对声场有重要影响，纵波能量主要转换形成了较为复杂的多种慢纵波和横波.     

基于数字岩心的岩石电性微观数值模拟(英文)

本文利用x射线CT获取反映岩心微观结构的三维数字岩心,利用数学形态学中的开运算模拟了岩石的油驱水排驱过程中,不同含水饱和度下油和地层水在孔隙空间中的分布。利用有限元方法计算了岩石电阻率,进而得到岩石地层因素和电阻率指数,并考查了岩石润湿性对岩石电阻率指数的影响。数值模拟结果表明：基于数字岩心的水湿岩石地层因素和电阻率指数数值模拟结果与实验结果一致,拓展了岩石电阻率实验的能力;岩石润湿性对岩石电性有重要影响,在相同含水饱和度下,油湿岩石电阻率高于水湿岩石电阻率,油湿岩石饱和度指数远大于水湿岩石饱和度指数。     

考虑储层孔隙结构的岩石导电机制研究

经典Archie公式解决了测井数据的定量计算问题,但是,Archie公式只能用于孔隙结构相对简单的储层.面对日益复杂的油气勘探对象,Archie公式的计算精度受到一定的限制.本次研究,应用球管模型方法,针对不同孔隙结构研究了岩石饱和盐水及饱和油气时的导电性质,得到了不同孔隙结构、具有不同流体饱和度时岩石导电性的数值模拟结果. 本次研究的数值模拟结果证明岩石孔隙结构是导致岩电实验数据发散现象的因素之一,对比孔隙结构不同而饱和度相同岩石的导电性质,证明复杂孔隙结构是形成低电阻油层的重要因素.     

斜长石、辉石混合模型的电导率有限元数值计算研究

以岩石实验中矿物的几何形态及空间分布为建模依据，以实验条件及单矿物电导率的测量结果为约束条件，用有限元数值方法模拟了不同微观结构的斜长石、辉石混合物在施加电压后电势及电流的分布情况，并计算了混合模型在不同温度条件下的电导率.研究结果显示，数值模型网格数及矿物颗粒数的选取对电导率计算结果的精度有较大影响，在体导电情况下，模型电导率因矿物比例含量和排列结构而异.当斜长石及辉石随机分布时，随着辉石含量的增加，混合模型电导率在不同温度下均有所增加，且温度越高，增加幅度越大，电导率的有限元模拟计算结果接近于有效介质渗透理论模型，且位于并、串联模型之间以及HS模型的上、下边界范围内；在斜长石及辉石含量一定的情况下，各矿物的排列分布对电导率计算结果也有一定的影响，当矿物颗粒大小接近且分布均匀时，模型中电势沿电流传导方向变化较为均匀，模拟计算得出的电导率相对较高，当矿物颗粒大小差别较大及分布不均匀时，电势分布受到一定的扰动，电导率计算结果也较低.将混合模型电导率有限元计算结果与辉长岩、辉绿岩及玄武岩实验测量结果进行比较，显示这3种岩石样品电导率与温度变化关系的斜率均与混合模型计算结果的斜率相接近，表明这些岩石在所选温度段导电机制与斜长石、辉石混合模型相似，用斜长石、辉石混合模型的电导率研究玄武岩、辉长岩及辉绿岩的导电性具有适用性.将混合模型有限元计算结果与玄武岩、辉长岩、辉绿岩覆盖区地壳大地电磁实测结果对比，发现大地电磁电导率结果位于混合模型计算结果范围内，用斜长石、辉石混合模型模拟玄武岩、辉长岩等岩石地壳具有一定的可行性.     

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.     

含裂隙储层中的天然气水合物分布:来自地震各向异性测量的启示

不同的天然气水合物分布对储层地震性质的影响存在显著差异,深入认识储层中的水合物分布,对基于地震性质定量评价水合物资源具有重要意义.然而,目前对含裂隙储层中水合物分布的认识仍然严重不足.为此,文章设计并开展了针对性岩石物理实验,测量了含硬币状定向裂隙岩石在水合物生成过程中的各向异性速度,并进一步分析了不同水合物饱和度条件下裂隙中的水合物分布,及其对各向异性速度和各向异性参数的影响.实验结果表明:随着水合物饱和度的增加,各向异性速度均呈现出整体增加的趋势;当水合物饱和度大于10%时,各向异性速度的增加幅度变得更大,且各向异性速度间的增加速率也表现出强烈差异,具体表现为,垂直于层理面与裂隙面传播的纵波速度和偏振方向垂直于层理面的横波速度分别比其他纵波和横波速度增加得更快.对各向异性结果的深入解释表明:在水合物饱和度小于10%时,水合物可能倾向于黏结在裂隙表面的矿物颗粒上,而当水合物饱和度大于10%时,以黏结矿物颗粒分布的水合物演化为连接裂隙上下表面的桥接分布.研究结果提出了对含裂隙储层水合物分布及其对各向异性地震性质影响的新认识,为含裂隙水合物储层的定量评价提供了重要依据.     

气水两相裂缝型介质孔隙流体微观分布模式及其声学响应特性

关于声波速度与流体饱和度的关系已开展了大量实验工作,声波速度随饱和度的变化规律与孔隙流体在孔隙尺度范围分布的不均匀性有关,从理论上采用等效流体模型来定量表征通常存在着较大偏差。从弹性波动理论出发,以纵波震源作为激发震源项,采用时间域二阶和空间域八阶的交错网格有限差分方法对气水两相裂缝型介质的声波波场进行了数值模拟。通过计算不同孔隙流体分布模式下和不同饱和度情况下岩样的声波速度,分析了岩样在不同孔隙流体分布模式下声波速度随饱和度的变化规律,并对物理实验得出的声波速度随饱和度变化的规律从孔隙流体微观分布角度给出了合理解释。数值计算方法简单且精度高,对地震数据解释以及烃类开采过程中监测孔隙流体结构和组分变化有一定的指导作用。     

天然气水合物地层岩石物理模型构建

天然气水合物地震反射特征的识别和物性信息的定量提取存在多解性与不确定性,岩石物理模型是将水合物地层地球物理观测值地震信息定量转化为物性信息的桥梁,而传统的岩石物理模型少有对微观孔隙结构和孔隙充填水合物剪切性质的描述.文章针对孔隙充填和颗粒支撑两种微观分布模式的水合物地层,重点考虑水合物地层的微观孔隙结构以及水合物的剪切性质,基于等效介质理论定量描述地层矿物组分特征和孔隙连通性及形状,利用斑块饱和理论和广义Gassmann理论定量描述孔隙充填水合物的剪切性质,在此基础上构建了两种模式水合物地层的岩石物理模型,揭示了水合物地层宏观弹性性质与微观物理性质之间的定量关系.数值研究发现,纵横波速度比随孔隙度和水合物饱和度增大而减小;颗粒支撑模式地层的纵横波速度对水合物含量较为敏感,且孔隙越狭长,敏感性越高;孔隙充填模式地层的纵横波速度比在高水合物饱和度时对水合物组分剪切性质的敏感性更高.实验数据和神狐海域的实际资料应用结果表明,岩石物理模型可有效地计算水合物地层宏观弹性性质与微观物性特征之间的定量关系,提供常规测井中缺乏的横波速度信息,确定对水合物含量指示能力较强的弹性参数,可以根据实际数据求取水合物饱和度、孔隙纵横比等物性参数,为天然气水合物地层的定量解释和资源评价提供理论依据和数据支持.     

碳酸盐岩储层含水饱和度解释模型研究

碳酸盐岩储集层饱和度的计算一直是测井界亟待解决的难题,它直接关系到储层流体性质、储量规模等方面的评价.为了认识目前碳酸盐岩测井饱和度解释模型的研究现状,在参阅国内外相关文献的基础上,将现今针对碳酸盐岩储集层的含水饱和度模型分为六类:基于经典阿尔奇公式的经验性扩展、基于孔隙类型的多重孔隙结构的饱和度模型、基于孔隙尺寸的多重孔隙结构的饱和度模型、基于岩石导电效率理论的饱和度模型、基于网络导电理论的饱和度模型和基于J函数的饱和度模型.这些饱和度解释模型在应用时均存在潜在的假设和使用条件,因此为了能够建立出更加符合地质情况的饱和度解释模型,今后还需从理论数值模拟、导电机理、岩石物理实验等方面深入研究,而基于数字岩芯的孔隙网络导电规律研究是重要的研究方向.     

泥质含量及其分布形式对岩电关系影响的数字岩心仿真(英文)

由于泥质所造成的附加导电现象,泥质含量及其分布形式对电阻率增大系数I和含水饱和度Sw关系具有重要影响,由于岩石物理实验中岩心孔隙结构及其组分构成、分布的微观不可调性,因而泥质分布形式所造成的影响很难通过岩心实验来单独研究。基于数字岩心的格子气自动机方法是一种有效的微观数值模拟方法,本研究利用储层岩心薄片的骨架颗粒尺寸信息资料建立数字岩心模型,结合格子气自动机技术对数字岩心不同饱和流体情况下电的传输特性进行数值模拟研究,揭示了不同泥质含量和泥质分布形式对孔隙介质导电特性非阿尔奇现象产生的影响,建立饱和度指数和泥质含量之间的关系模型,其良好的吻合性表明该方法在岩石物理研究中是一种十分有效的研究方法,而新模型适于在非阿尔奇储层进行准确的饱和度评价。     

基于二维图像的数字岩心电导率计算方法研究

电导率是表征岩石电学性质的重要物理参数,在地质资源勘查和测井解释等领域发挥着巨大作用.快速、准确地确定岩石电导率具有重要的理论和实践意义.作为近年来发展的一种岩石物理数值模拟工具,数字岩心技术在定量计算电导率等物性参数方面应用广泛.三维微观结构的准确获取是数字岩心技术计算岩石电导率的关键,但传统获取岩石三维微观结构的方法较为复杂费时.为了方便快速地通过数字岩心技术计算岩石的电导率,本文研究了岩石二维与三维数字岩心的电导率联系.我们基于微米级X射线CT扫描得到的三个砂岩样品的微观结构信息建立了三维数字岩心,并通过有限元法计算的三维数字岩心电导率与实验数据的对比验证数值计算方法的有效性.随后我们数字地扩展了岩石的孔隙,产生了较大孔隙度的三维数字岩心样本,在此基础上,计算了三维数字岩心和相应二维数字岩心的电导率,并通过Archie公式分别拟合了电导率与孔隙度之间的关系,得到了相应的胶结系数.结果表明,三维数字岩心的胶结系数小于二维数字岩心的胶结系数,且二者的比值与岩石实测孔隙度呈线性负相关关系.以该联系为纽带,通过二维图像快速计算得到的电导率与孔隙度关系,确定了三维数字岩心的电导率与孔隙度关系,并进一步通过三维数字岩心的孔隙度计算其电导率.该方法计算得到的人工砂岩样品的电导率与其三维数字岩心电导率相关系数高于96%,验证了基于二维图像的数字岩心电导率计算方法的有效性.本文的研究结果为快速、准确地计算岩石电导率提供了新的思路,在油气勘探开发中有广阔的应用前景.     

阿尔奇公式的适用性分析及其拓展

阿尔奇年代的储层孔隙结构简单，岩石孔隙可以被实验电解质完全充填，随着油气田勘探开发的逐步深入，对储层孔隙结构复杂程度的认识更加深入.发现岩石孔隙不仅有有效孔隙，也有无效孔隙.不仅有效孔隙导电，无效孔隙也导电，某些岩石骨架同样也导电.如何去除无效孔隙和其他各类岩石附加导电现象的影响，正确评价有效孔隙的贡献往往令人困惑.笔者发现：通过岩石电阻率计算地层因数只是在没有岩石附加导电环境下的特殊应用，在更为普适的条件下，地层因数实质是借助岩石电阻变化率反映孔隙连通性的重要参数.与物理学位移、速度的关系类似，电阻率和电阻变化率之间同样有着密切关系.这一观点的提出为在复杂孔隙结构条件下评价储层孔隙有效性提供了手段.     

复杂孔隙储层三维岩石物理模版

复杂孔隙储层往往同时发育孔缝洞等多种孔隙类型，这种孔隙结构的复杂性使得岩石的速度与孔隙度之间的相关性很差.经典的二维岩石物理模版只研究弹性参数与孔隙度和饱和度之间的定量关系，而不考虑孔隙结构的影响，用这样的模版来预测复杂孔隙储层的物性参数时带来很大偏差.本文首先证明多重孔隙岩石的干骨架弹性参数可以用一个等效孔隙纵横比的单重孔隙岩石物理模型来模拟；进而基于等效介质岩石物理理论和Gassmann方程，建立一个全新的三维岩石物理模版，用它来建立复杂孔隙岩石的弹性性质与孔隙扁度及孔隙度和饱和度之间的定量关系；在此基础上，预测复杂储层的孔隙扁度、孔隙度以及孔隙中所包含的流体饱和度.实际测井和地震反演数据试验表明，三维岩石物理模版可有效提高复杂孔隙储层参数的预测精度.     

Saturation effects on horizontal and vertical motions in a layered soil–bedrock system due to inclined SV waves

A study of the effects of pore-water saturation on the horizontal and vertical components of ground motions in a multi-layered soil–bedrock system due to inclined SV waves is presented. Both the soil and the rock are modeled as a partially water-saturated porous medium which is characterized by its degree of saturation, porosity, permeability, and compressibility. An efficient formulation is developed for the computation of the two-dimensional ground motions, which are considered as functions of the angle of incidence, the degree of saturation, the frequency, and the geometry of the system. Numerical results for both the half-space model and the single-layered model indicate that the effect of saturation may be significant, and is dependent on the angle of the incidence. Even a slight decrease of full saturation of the overlying soil may cause appreciable difference in the amplitudes of ground motions in both the horizontal and vertical components and the amplitude ratios between the two components at the ground surface, implying that one may need to carefully take into account the saturation conditions in the interpretation of field observations.     

Influence of Degree of Saturation in the Electric Resistivity–Hydraulic Conductivity Relationship

The relationship between aquifer hydraulic conductivity and aquifer resistivity, either measured on the ground surface by vertical electrical sounding (VES) or from resistivity logs, or measured in core samples have been published for different types of aquifers in different locations. Generally, these relationships are empirical and semi-empirical, and confined in few locations. This relation has a positive correlation in some studies and negative in others. So far, there is no potentially physical law controlling this relation, which is not completely understood. Electric current follows the path of least resistance, as does water. Within and around pores, the model of conduction of electricity is ionic and thus the resistivity of the medium is controlled more by porosity and water conductivity than by the resistivity of the rock matrix. Thus, at the pore level, the electrical path is similar to the hydraulic path and the resistivity should reflect hydraulic conductivity. We tried in this paper to study the effect of degree of groundwater saturation in the relation between hydraulic conductivity and bulk resistivity via a simple numerical analysis of Archie’s second law and a simplified Kozeny-Carmen equation. The study reached three characteristic non-linear relations between hydraulic conductivity and resistivity depending on the degree of saturation. These relations are: (1) An inverse power relation in fully saturated aquifers and when porosity equals water saturation, (2) An inverse polynomial relation in unsaturated aquifers, when water saturation is higher than 50%, higher than porosity, and (3) A direct polynomial relation in poorly saturated aquifers, when water saturation is lower than 50%, lower than porosity. These results are supported by some field scale relationships.     

基于自适应杂交遗传算法的CO_2地质封存的储层参数反演研究

二氧化碳地质封存是减少温室气体排放和减缓温室效应的重要手段.二氧化碳封存的一个重要组成部分是地震监测,即用地震的方法监测封存后的二氧化碳的分布变化.为了实现这个目标,需要建立储层参数与地震性质之间的关系(岩石物理模型)和从地震监测数据中反演获得储层流体的饱和度等参数.首先,本文以Biot理论为基础,结合多相流模型研究了多个物理参数(孔隙度、二氧化碳饱和度、温度和压力等)对同时含有二氧化碳和水的孔隙介质的波速和衰减等属性的影响.结果表明:孔隙度和二氧化碳饱和度对岩石的频散和衰减属性影响强烈,而温度和压力通过孔隙流体性质对岩石的波速产生影响.然后,本文基于含多相流的Biot理论,应用抗干扰能力强、且具有更好的局部搜索能力和抗早熟能力的自适应杂交遗传算法对实际数据进行了反演研究.对岩心实验数据的反演研究表明了算法的有效性,而且表明含多相流的Biot理论能够很好地解释水和二氧化碳饱和岩石的波速特征.最后,我们将自适应杂交遗传算法应用于实际封存项目的地震监测数据,获得了封存后不同时期的二氧化碳饱和度,达到了用地震方法监测二氧化碳分布的目的.     

Prediction of thermal conductivity in reservoir rocks using fabric theory

An accurate prediction of the thermal conductivity of reservoir rocks in the subsurface is extremely important for a quantitative analysis of basin thermal history and hydrocarbon maturation. A model for calculating the thermal conductivity of reservoir rocks as a function of mineral composition, porosity, fluid type, and temperature has been developed based on fabric theory and experimental data. The study indicates that thermal conductivities of reservoir rocks are dependent on the volume fraction of components (minerals, porosity, and fluids), the temperature, and the fraction of series elements (FSE) which represents the way that the mineral components aggregate. The sensitivity test of the fabric model shows that quartz is the most sensitive mineral for the thermal conductivity of clastic rocks. The study results indicate that the FSE value is very critical. Different lithologies have different optimum FSE values because of different textures and sedimentary structures. The optimum FSE values are defined as those which result in the least error in the model computation of the thermal conductivity of the rocks. These values are 0.444 for water-saturated clay rocks, 0.498 for water-saturated sandstones, and 0.337 for water-saturated carbonates. Compared with the geometric mean model, the fabric model yields better results for the thermal conductivity, largely because the model parameters can be adjusted to satisfy different lithologies and to minimize the mean errors. The fabric model provides a good approach for estimating paleothermal conductivity in complex rock systems based on the mineral composition and pore fluid saturation of the rocks.     

Wavefield simulation in porous media saturated with two immiscible fluids

Wavefields in porous media saturated by two immiscible fluids are simulated in this paper. Based on the sealed system theory, the medium model considers both the relative motion between the fluids and the solid skeleton and the relaxation mechanisms of porosity and saturation (capillary pressure). So it accurately simulates the numerical attenuation property of the wavefields and is much closer to actual earth media in exploration than the equivalent liquid model and the unsaturated porous medium model on the basis of open system theory. The velocity and attenuation for different wave modes in this medium have been discussed in previous literature but studies of the complete wave-field have not been reported. In our work, wave equations with the relaxation mechanisms of capillary pressure and the porosity are derived. Furthermore, the wavefield and its characteristics are studied using the numerical finite element method. The results show that the slow P3-wave in the non-wetting phase can be observed clearly in the seismic band. The relaxation of capillary pressure and the porosity greatly affect the displacement of the non-wetting phase. More specifically, the displacement decreases with increasing relaxation coefficient.