用等效介质理论模拟裂缝溶洞型孔隙对速度和弹性模量的影响

针对缝洞型储层流体性质识别的困难,采用Kuster-Toks(o)z(K-T)模型、Berryman 自恰模型(SCM)和差分等效介质(DEM)三类近似模型,用不同纵横比的孔隙模拟了缝洞型储层的地震波速度和弹性参数响应,定量分析了溶蚀孔洞和裂缝二类次生孔隙对地下储层弹性性质的影响.明确了孔隙几何结构对岩石弹性参数的影响趋势和幅度大小,为利用地震信息评价孔隙结构提供了理论基础.根据物理模型的裂缝介质参数,分别采用K-T模型、SCM自恰模型和DEM差分等效介质模型,计算了裂缝介质的纵横波速度,考察了三个模型对缝洞型储层弹性响应计算的适用性,得到了有意义的认识.     

HTI型煤层裂缝参数的地震AVOA响应正演模拟

裂缝是控制煤层渗透性的关键因素,关乎着煤层气勘探开发的成败。为此,聚焦HTI型煤层裂缝参数的地震AVOA响应机制开展研究。依次采用Mori-Tanaka模型和Brown-Korringa各向异性流体替换理论模型,计算含垂向干裂缝和流体饱和裂缝煤层的等效弹性模量。基于煤层裂缝的岩石物理表征和HTI型煤层模型的正演模拟,分析裂缝参数的地震响应特征。结果表明：裂缝密度变化引起水平向纵、横波速度和各向异性系数,以及煤层顶界面各向异性梯度项变化显著;水平向纵波速度、各向异性系数ε⁽(v))主要受裂缝孔隙度控制和影响,而横波速度、各向异性系数γ⁽(v))、δ⁽(v))以及煤层顶界面各向异性梯度项对裂缝孔隙度和纵横比变化均敏感;入射角大于0时,随着入射角或裂缝密度增大,煤层顶界面P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅方位各向异性增强,且当方位角为0时,裂缝密度变化引起的P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅变化显著。因此,分析并厘清HTI型煤层裂缝参数地震AVOA响应机制有助于为煤层裂缝的地震探测提供理论支撑。     

裂缝型HTI介质中的弹性阻抗

在回顾封闭平行硬币状裂缝模型的基础上,将裂缝填充物性质、分布密度与背景介质的横纵波速度比,引入裂缝型水平横向各向同性介质纵波、转换横波弹性阻抗公式,并进行归一化弹性阻抗响应特征模拟。分析表明：裂缝介质弹性阻抗呈现方位各向异性,且随裂缝密度加大而增强;纵波、转换横波弹性阻抗在值域分布规律上具有较大区别;在典型砂岩介质的前提下,弹性阻抗差可以作为裂缝含气、含水指示因子定性地识别裂缝填充物性质。     

裂缝诱导双相HTI介质模型及其弹性波传播方程

将Biot双相介质理论与Gurevich裂缝各向异性理论相结合,建立了能够同时考虑实际裂缝性储层孔隙性和各向异性的裂缝诱导双相HTI介质模型。从本构方程、动力学方程和动力学达西定律出发,推导出了裂缝诱导双相HTI介质中弹性波传播的一阶速度-应力方程,并针对方程的刚性问题,给出了利用显式二阶时间积分法数值求解该方程时所需要满足的稳定性条件。该方程能够定量地给出双相HTI介质的波场特征与裂缝参数、背景孔隙介质参数之间的关系,描述弹性波在这种介质中的传播机理。     

基于等效介质模型和频变AVO反演的裂缝储层参数估算方法

由于裂缝性油气藏具有突出的资源潜力和经济效益,利用地震方法对裂缝储层进行精细的定量描述逐渐成为勘探地球物理的关键任务之一。为了克服以往数据驱动类反演方法无法直接获得裂缝参数、而基于静态等效介质模型驱动的反演方法无法描述孔隙内部结构和流体信息的缺点,笔者提出一种基于动态等效介质模型的储层定量描述新方法。该方法通过频变AVO(amplitude variation with offset)理论建立目标函数并使用全局最优化算法反演裂缝参数。一维和二维模型测试证实,由于充分利用了反射系数频变响应对裂缝密度和时间尺度因子的敏感性,反演方法可以对裂缝储层实现有效描述。     

基于弹性方程与声学方程的裂缝模型正演与偏移

在Hudson理论的基础上推导出基于弹性—声学近似的裂缝模型反射系数计算公式,然后用变参考慢度Rytov近似波场延拓算子,对给定裂缝模型进行正演和偏移,并分析其波场特征,得到以下三点结论:1在当前地震分辨率下,不能识别单个裂缝,但可以探测裂缝发育带;2裂缝带达到一定的宽度和密度,可以用地震方法检测裂缝的分布,潜山内幕反射波的范围与强弱,有利于研究裂缝发育带的宽度和密度;3裂缝带的低频复波反射,表明在裂缝发育带,地震波频率减低,意味着用地震波的频率特征是可以检测裂缝。     

基于qp 波及qs 波衰减系数检测裂缝的方法

裂缝储层预测是当前国内外油气勘探中的重点和难点,而裂缝储层预测最关键的问题是裂缝发育带的检测。基于qp 波、qsh 波、qsv 波的衰减系数对裂缝发育带的检测,利用Hudson 理论模型经数值计算,分别研究了裂缝密度、入射角及频率对qp 波、qsh 波、qsv 波衰减系数的影响。理论模型试算表明,频率和裂缝密度是影响衰减系数的主要参数,而裂缝中充填物不同时,衰减系数也表现出很大的差异,这为利用qp 波、qsh 波、qsv 波衰减属性检测裂缝发育带提供了理论依据。     

裂缝性碳酸盐岩裂缝的双侧向测井响应特征及解释方法

裂缝评价是裂缝性碳酸盐岩储层评价的关键, 其常规评价方法受到裂缝发育的不均匀性及储层各向异性的影响而存在诸多困难.采用三维数值算法, 利用宏观各向异性地层模型, 研究不同的裂缝参数条件下双侧向测井响应特征, 由此导出一种用于裂缝孔隙度计算的快速算法.分析表明, 裂缝的双侧向响应同裂缝孔隙度与孔隙流体电导率之间存在明显的线性关系, 裂缝的倾角造成双侧向测井曲线幅度差异的变化; 不同倾斜情况下, 将双侧向测井响应近似表示为岩石基岩电阻率、裂缝孔隙度、裂缝流体电导率的函数, 用于裂缝孔隙度的快速计算.实际资料处理表明, 利用双侧向依据该方法确定的裂缝参数同成像测井资料具有良好的对应性.      

基于改进Xu-White模型的富有机质页岩横波预测方法研究

横波速度是储层表征描述、AVO分析和流体识别的重要信息。干酪根是富有机质页岩的重要成分且具有非固体非流体的特殊弹性性质,常规处理方法是将其等效为流体。这里提出了一种基于变化孔隙纵横比Xu-White模型的富有机质页岩横波预测方法,首先将干酪根同时等效为基质矿物和孔隙流体引入模型中,然后利用模拟退火粒子群算法,在约束条件下,反演出变化孔隙纵横比,并以变化孔隙纵横比初始化,模型构建富有机质变化孔隙纵横比Xu-White模型,最后结合测井信息与岩石物理模型预测横波速度。将该方法应用于中国西南部四川盆地东南焦石坝地区某井位,通过对比固定孔隙纵横比Xu-White模型方法与干酪根流体等效的变化孔隙纵横比Xu-White模型预测结果,验证了该方法的适用性和准确性。本方法将为富有机质页岩的研究提供更准确的横波速度资料。     

饱和流体多孔介质中AVA特征分析及储层参数反演研究

AVA(Amplitude Versus Angle)技术是基于常规介质模型(均匀各向同性介质模型)发展起来的,由于忽略了储层的孔隙结构和充填流体的影响,造成AVA特征中是部分对地震波能量的吸收和衰减作用反映不足.从振幅特征方程的实际应用出发,建立起各参数与常规岩性参数之间的关系.以Gassmann方程与Biot理论为基础,推导出振幅特征方程中弹性参数与常规岩性、储层参数(如:纵波速度、横波速度、密度、孔隙度、流体参数Kf)之间的转化关系式,详细研究饱和流体多孔介质模型中的AVA特征,比较该介质模型与常规介质模型在AVA特征上的差异,并将饱和流体多孔介质AVA技术应用于川西凹陷深层须家河组储层预测,通过多波AVA储层参数的反演研究,为直接利用地震资料进行储层识别并进一步识别其流体特征提供了一种有力手段.     

Hydro-micromechanical modeling of wave propagation in saturated granular crystals

Biot theory predicts wave velocities in a saturated granular medium using the pore geometry, viscosity, densities, and elastic moduli of the solid skeleton and pore fluid, neglecting the interaction between constituent particles and local flow, which becomes essential as the wavelength decreases. Here, a hydro-micromechanical model, for direct numerical simulations of wave propagation in saturated granular media, is implemented by two-way coupling the lattice Boltzmann method (LBM) and the discrete element method (DEM), which resolve the pore-scale hydrodynamics and intergranular behavior, respectively. The coupling scheme is benchmarked with the terminal velocity of a single sphere settling in a fluid. In order to mimic a small amplitude pressure wave entering a saturated granular medium, an oscillating pressure boundary on the fluid is implemented and benchmarked with the one-dimensional wave equation. The effects of input waveforms and frequencies on the dispersion relations in 3D saturated poroelastic media are investigated with granular face-centered-cubic crystals. Finally, the pressure and shear wave velocities predicted by the numerical model at various effective confining pressures are found to be in excellent agreement with Biot analytical solutions, including his prediction for slow compressional waves.     

准各向同性裂隙岩体中有效动弹性参数与弹性波速关系的研究

从弹性波在介质中传播的特点和弹性波法在岩体工程中的实际应用情况方面,分析了弹性波在含裂隙岩体介质中的传播特征。将岩体中裂隙呈随机分布的裂隙岩体似为准各向同性裂隙岩体,根据能量平衡原理、岩石断裂力学理论和卡氏最小功能定理(Castiglano’s theorem),确定了准各向同性裂隙岩体的有效动弹性参数( 、 、 )与裂隙密度参数(Xv)的数学关系。在此基础上,根据各向同性介质中传播的弹性波理论,建立了准各向同性裂隙岩体中弹性波速( 、 )和 / 与裂隙密度参数(Xv)之间的关系。理论研究表明,在此裂隙岩体中,有效动弹性参数和弹性波速与裂纹密度参数之间相互的关系均近似成倒数函数的非线性关系;裂隙密度参数增加,有效动弹性模量( )也减少,弹性波速( , )也减小;在裂隙密度参数较小时,此裂隙岩体的有效弹性模量和弹性波速随裂隙密度参数的变化较大,说明裂隙体的有效弹性参数和弹性波速对裂隙体非常敏感。     

裂缝体的弹性模量和裂缝密度

当岩石中含有裂缝时,岩石的弹性模量(主要指体模量、剪切模量、泊松比以及地震波的速度)会发生变化,而且这种弹性模量的变化又随裂缝中是否含有流体而不同。如果我们用地震的方法探测出地下目的层弹性模量的变化情况,无疑对我们了解目的层的裂缝发育情况将会有很大的帮助。在以往的研究中,人们常常把裂缝的产状定义成垂直裂缝和水平裂缝来研究。但是,实际中存在的裂缝多表现为几种体系的裂缝分布。本文在假设裂缝是随机分布的情况下,研究了含流体裂缝体和不含流体裂缝体的弹性模量与裂缝密度的关系。     

饱水白云岩临界点、骨架和流体弹性参数的数值计算

基于临界孔隙度模型,提出了用岩石的整体弹性信息反演求取临界点、流体和骨架等局部弹性参数的数值计算方法和双向线性回归计算公式;结合饱水白云岩的样品测试数据,以孔隙度为自变量和因变量,对密度和密度与纵、横波速度平方的乘积分别进行了数值计算。以测试样品的整体信息求得其临界点、流体和骨架弹性参数值,并与实测数据做了相关性分析,其相关系数高达90%,充分表明数值计算公式的正确性和实现方法的有效性。岩石骨架、流体弹性参数的数值反演计算在油气勘探领域中具有巨大潜力,运用测井曲线和地震数据,可以反演求出岩石孔隙中流体弹性参数(密度、速度),对直接指示油层、气层起到重要作用。     

A coupled hydro-mechanical analysis for prediction of hydraulic fracture propagation in saturated porous media using EFG mesh-less method

The details of the Element Free Galerkin (EFG) method are presented with the method being applied to a study on hydraulic fracturing initiation and propagation process in a saturated porous medium using coupled hydro-mechanical numerical modelling. In this EFG method, interpolation (approximation) is based on nodes without using elements and hence an arbitrary discrete fracture path can be modelled.The numerical approach is based upon solving two governing partial differential equations of equilibrium and continuity of pore water simultaneously. Displacement increment and pore water pressure increment are discretized using the same EFG shape functions. An incremental constrained Galerkin weak form is used to create the discrete system of equations and a fully implicit scheme is used for discretization in the time domain. Implementation of essential boundary conditions is based on the penalty method. In order to model discrete fractures, the so-called diffraction method is used.Examples are presented and the results are compared to some closed-form solutions and FEM approximations in order to demonstrate the validity of the developed model and its capabilities. The model is able to take the anisotropy and inhomogeneity of the material into account. The applicability of the model is examined by simulating hydraulic fracture initiation and propagation process from a borehole by injection of fluid. The maximum tensile strength criterion and Mohr–Coulomb shear criterion are used for modelling tensile and shear fracture, respectively. The model successfully simulates the leak-off of fluid from the fracture into the surrounding material. The results indicate the importance of pore fluid pressure in the initiation and propagation pattern of fracture in saturated soils.     

奇异的波至现象

1997年，笔者在水力压裂后砂岩产油井中进行高分辨率VSP工作时，除观测到常规纵波及转换波,还观测到来自产油层的几种奇异的慢速波至。由于该慢速波至的性质不明，按视速度从高到低分别命名为W1，W2，W3，…（W为wave的第1个字母），在顺5井裂隙优势方向，1210m深度上观测到5种反射波；反射纵波，反射转换波，W1，W2，W3波，在裂隙非优势方向上，W2，W3波没有出现，在顺4井1532m深度上观测到4种反射波；反射纵波，反射转换波，还有2种慢速波至，为了区别于顺5井中观测到的慢速波至，将其命名为W4，W5波。结合该区钻井，测井，地面地震，井间地震等资料对观测到的慢速波至进行了详细分析，分析结果表明：该慢速波至既不属于不均匀介质产生的绕射波，侧界面产生的反射波，槽波，管波，斯通利波，也与Biot慢纵波动力学特征相悖，现有波动理论不能解释这种慢速波至现象，这意味着地球内部介质中存在人类还未认识的弹性波传播规律。     

Discrimination of pore fluid and lithology of a well in X Field,Niger Delta,Nigeria

Quantitative rock physics analyses were used to determine the lithology and pore fluid of a reservoir in the Niger Delta. Inaccurate prediction of lithology and pore fluid results in the inaccurate determination of other petrophysical properties and parameters such as porosity, permeability, and net pay. This research is to predict lithology and pore fluid using rock physics analysis. However, reservoir zones were also predicted. Density, compressional wave velocity, and shear wave velocity logs were used as input to calculate elastic parameters such as velocity ratio, Poisson’s ratio, and bulk modulus. The calculated velocity ratio log was used to differentiate between sand and shale. Poisson’s ratio and velocity ratio using Goodway interpretation template were carried out and used to delineate pore fluid content, gas sand, oil sand, and sandstone formation from crossplot analysis.     

单个裂隙中油运移实验及特征分析

利用狭窄平行板裂隙模型来模拟和分析单个裂隙内油运移的过程。实验中采用表面起伏的玻璃板制作平行板裂隙模型,通过改变水中蔗糖的浓度控制两相流体间的密度差,来分析不同密度差和注入速率条件下油的运移过程和特征。观察发现,油在饱含水的狭窄裂隙空间内的运移特征与在孔隙介质中的运移有相似之处:运移的路径只占通道的一部分,都具有不规则的分形特征,也可形成活塞式、指进式和路径式等模式。而这些模式的形成也同样受各种因素的影响。利用孔隙介质中油运移实验结果总结出来的、以Bo数和Ca数为纵横坐标运移相图完全可以用来表征单个裂隙中油的运移模式。     

基于岩石物理模型的页岩储层裂缝属性及各向异性参数反演

针对富有机质页岩储层复杂的矿物组分与微观孔缝结构,本文提出基于岩石物理模型和改进粒子群算法的页岩储层裂缝属性及各向异性参数反演方法。应用自相容等效介质理论与Chapman多尺度孔隙理论建立裂缝型页岩双孔隙系统岩石物理模型。开发基于岩石物理模型的反演流程,引入模拟退火优化粒子群算法解决多参数同时反演问题,反演算法能够避免陷入局部极值且收敛速度快。将本文方法应用于四川盆地龙马溪组页岩气储层,反演得到的孔隙纵横比、裂缝密度等物性参数和各向异性参数与已有研究结果一致,能为页岩储层的评价提供多元化信息。