数字岩心宽频带动态应力应变模拟方法及其对含裂隙致密岩石频散和衰减特征的表征

利用数字岩石物理技术表征复杂非均质多孔岩石跨频段的频散和衰减特征对于综合利用多尺度的地球物理数据进行地层非均质性的刻画具有重要的意义.现有的描述波致流体流动引起的频散和衰减效应的数字岩心动态应力应变模拟方法主要为单频率模拟方法,需要在不同的频率进行多次模拟才能刻画频散和衰减特征.本文提出了宽频带动态应力应变模拟方法,通过给数字岩心加载一个快速趋于恒定的宏观应变,采用波场正演技术求解数字岩心内部流固耦合的应变场和应力场,模拟数字岩心内部的应力松弛过程,从而通过一次模拟计算目标频段范围内连续的频散和衰减曲线.该方法可以成功地用于刻画含裂隙致密岩石挤喷流效应引起的速度频散和衰减特征,并通过数值模拟较为系统地揭示致密地层中控制挤喷流效应的主控物理因素,这些认识也与现有挤喷流效应的理论模型有较好的吻合.

     

非均匀介质孔隙流体参数地震散射波反演

弹性波逆散射是非均匀介质参数反演的有效途径．本文从弹性波逆散射理论出发,利用微扰理论和稳相法,将非均匀介质参数视为背景介质与扰动介质参数的叠加,建立了纵波散射系数和非均匀介质中背景介质与扰动介质孔隙流体参数,剪切模量与密度间的直接关系．进而发展了一种非均匀介质孔隙流体参数叠前地震贝叶斯反演方法．该方法假设模型参数（扰动介质与背景介质孔隙流体参数,剪切模量与密度的比值）服从柯西分布,反演目标似然函数服从高斯分布,并采用平滑初始模型约束提高反演稳定性．模型和实际资料处理表明,该反演方法能够稳定合理的直接从叠前地震资料中获取孔隙流体参数,提供了一种高可靠性的非均匀介质流体描述方法．     

饱和Maxwell流体孔隙介质波传播模型研究

岩石中的弹性波传播特性研究一直是地球物理学研究中的基础科学问题和难点.Biot理论的提出为流固双相介质理论奠定了基础.Biot理论中假设固相、液相的本构关系是线弹性的.而当实际储层中含高黏度的流体时,流体往往表现出一定的非牛顿流体性质.本文主要针对含高黏度流体的孔隙介质,在Biot理论模型中引入线性黏弹性的Maxwell流体本构方程.要通过动态黏度入手,表征非牛顿流体的特性,改进并给出了含高黏度孔隙流体介质的模型.通过数值模拟分析了所提出的模型的特性,并分析了初始黏度和孔隙度参数对模型数值分析结果的影响.最后选取超声波实验数据验证了模型的适用性,结果表明该理论模型的预测结果可较好地反映含高黏度流体孔隙介质的波传播特性.     

利用高阶交错网格有限差分法模拟地震波在非均匀孔隙介质中的传播

烃类储集层是一种复合多相介质，在固体颗粒的空隙中含有气体或液体. 研究弹性波在该类地层中的传播规律对于油气勘探开发，特别对于全波列声波测井有重要意义. 为了提高孔隙弹性介质数值模拟的计算效率，本文采用改进显式交错网格有限差分算法取代常用的空间域四阶和时间域二阶的速度 - 应力有限差分算法，算法的空间域为八阶、时间域为二阶. 虽然计算的时间步长略小于空间域四阶的情形，但高阶有限差分算法可以选择较粗糙的网格，因此补偿了计算的低效；同时高阶交错网格有限差分算法的空间频散性比低阶算法小. 利用该算法计算了一个两层模型的波场，同时还模拟了等效弹性和孔隙弹性模型中波的传播. 结果表明慢波及其影响明显，尽管慢波衰减很快，但被某一界面反射后，转换形成的P波和S波仍以正常的方式传播，且比慢波衰减小.     

基于非均匀化多尺度方法的自组织介质波前愈合效应波场模拟

随机介质表征的地球介质自组织性,体现了地球内部复杂介质的统计性特征,对理解地球内部构造和动力学演化有重要的意义.波前愈合效应是自组织介质散射效应的体现,会导致高频近似射线理论的计算走时和真实波场到时有一定的差异.为了研究射线理论在自组织介质中的适应性范围,本文选取高斯型和指数型自相关函数来描述自组织介质,采用非均匀化多尺度方法进行大尺度地球模型的波场模拟.利用互相关方法求取背景速度场与附加自组织介质速度场之间的波场走时差,并与由射线理论得到的走时差进行比较.结果表明,非均匀化多尺度方法在节省计算时间的同时,又可保持计算精度.介质相关长度越小、波长越长且传播距离越远时,波前愈合效应越强.当相关长度a、波长λ以及传播距离L之间满足a/(λL)1/2≤0.5时,波前愈合效应显著,且随着比值减小两者差异增大,波前愈合效应在增加,在该范围内射线理论计算走时的误差较大.     

介质非均匀性参数对散射波包络的影响

本文以von Kármán型随机介质为非均匀介质模型,通过数值计算并结合实际观测资料对比分析介质非均匀性参数对散射波包络宽度的影响.结果表明散射波传播距离、频率、介质粗糙程度及介质非均匀体尺度因子的变化均可引起散射波包络的展宽,但散射波传播距离、散射波频率对散射波包络宽度的影响只是表象,而造成散射波包络变宽的根源则是介质粗糙程度及与非均匀体尺度因子;随着介质粗糙程度的增大,介质非均匀体尺度因子对散射波包络宽度的贡献速率增大.     

含两种不相混流体的饱和孔隙介质的波场模拟

文中对含两种不相混流体的饱和孔隙介质模型进行了波场模拟,该模型基于封闭型系统假设,考虑了流相与固相的相对运动和孔隙率、饱和度(毛细管压力)的松弛机制,可以较好的模拟波场的数值衰减。与目前常用的等效流体方法和基于开敞系统假设的非饱和孔隙介质模型相比,更符合勘探阶段的实际情况。前人对该介质模型平面波的速度和衰减做了一定的研究,但对整个波场的计算研究还未见报道。本文推导了该模型包含毛细管压力和孔隙度松弛机制的波动方程,并利用有限元的方法进行了波场模拟,并对波场特征进行了分析。数值模拟结果表明,在地震频段,非湿相位移波场中慢波p3较为清晰;毛细管压力(饱和度)和孔隙度的松弛效应对非湿相流体位移有较大影响,随松弛系数的增大,位移减小。     

基于数字岩心孔喉特征的等效孔隙纵横比有效性研究

岩石孔隙结构是描述岩石物性特征的重要参数,该参数的合理刻画与表征对油气储量估计、储集状态描述、开发方法优选有重要影响,这对于非均质性强且孔隙结构复杂的碳酸盐岩储层尤为关键,因此能够使用某种参数准确定量化地表征储层岩石真实的孔隙结构,一直是油气工业界追求的目标.目前对测井、地震等大尺度数据常用等效介质理论计算孔隙纵横比来定量化孔隙结构,但是该理论将孔隙理想地近似成椭球体,因此能否准确表征真实岩石的复杂孔隙结构还需一定的机理分析研究.本文从砂岩与碳酸盐岩数字岩心出发,联合数字岩心模拟弹性模量与等效介质理论获取岩心等效单一孔隙纵横比,与此同时利用针对数字岩心的孔隙网络提取技术获取岩心的孔喉几何特征参数,对通过两种不同方法获取的参数(即等效孔隙纵横比与孔喉几何特征参数)进行交会分析后,发现它们对岩石孔隙结构的定量化表征具有良好的一致性,两种参数的分布规律符合人们对砂岩与碳酸盐岩两种岩性基本特征的认知.这有力地证明利用岩石的等效孔隙纵横比能够合理地推断与表征储层岩石复杂的孔隙结构特征,同时也表明复杂孔隙结构对岩石弹性性质的影响仍可以通过等效介质理论来描述.基于数字岩心的图像形状特征,本研究还为对孔隙结构进行直接表征提供了一种新思路.

     

2.5维非均匀介质中的地震波数值模拟

目前,完全的3D弹性波数值模拟计算仍然需要庞大的计算资源,而2D弹性波数值模拟,又不能准确地近似3D数值模拟.因此,本文在较高数值精度的一阶应力一速度弹性波动方程的基础上,采用时间错格差分拟谱方法在2D模型介质中计算3D弹性波场,即2.5D数值模拟.并将3D计算结果与2.5D和2D结果进行比较,发现2.5D模拟结果在波场形态和振幅方面比2D模拟结果更接近3D模拟结果,从而证实了2.5D数值模拟比2D数值模拟可以更好地近似3D波场数值模拟,同时证实了时间错格差分拟谱方法是一种高精度、高效率的正演模拟方法.     

基于孔隙介质模型的动态破裂模拟

<正>1研究背景场地观测表明,断层滑动发生在破碎的断层核内一个极薄的剪切区（<1—5 mm）,断层核外为延伸几百米到几千米的断裂带（Rice,2006）。由于断层的历史活动,断裂带内的岩石有更高的孔隙度和渗透率。然而,断层面上断层泥的存在使得断层面的渗透性很差。流体流动由渗透率结构控制,因此断层面的低渗透性使得流体不易透过断层。这将使得在地震发生时,固相骨架受挤压而排出的流体将聚集在断层面附近,     

The dependence of transport properties ofin situ rocks on pore fluid composition and temperature

Fluids saturating cracked rocks within the crust can vary widely in composition and physical properties, which depend greatly on pressure and temperature. External non-hydrostatic stress applied to a cracked medium may result in a significant change of crack volume (and hence, for the undrained regime, pore-fluid pressure) due to the processes of crack closure (opening), and thus lead to a drastic change of the overall physical parameters of a rock. The purpose of the study is to estimate theoretically, using the effective-medium theory, the macroscopic seismic and transport parameters (such as permeability) of cracked rocks (granites) saturated with hydrocarbon gases, oils, brines and water. Variations of crack geometry and fluid parameters in the closed system (at constant fluid mass) under uniaxial compression are considered as well. The results show that composition of a saturating fluid as well as fluid temperature greatly influence the effective permeability and shear velocities of a rock mass, while thermal conductivity is not so sensitive to variations of fluid parameters.     

Analysis of induced seismicity for stress field determination and pore pressure mapping

The focal mechanisms of some one hundred microseismic events induced by various water injections have been determined. Within the same depth interval, numerous stress measurements have been conducted with the HTPF method. When inverted simultaneously, the HTPF data and the focal plane solutions help determine the complete stress field in a fairly large volume of rock (about 15×10⁶ m³). These results demonstrate that hydraulically conductive fault zones are associated with local stress heterogeneities. Some of these stress heterogeneities correspond to local stress concentrations with principal stress magnitudes much larger than those of the regional stress field. They preclude the determination of the regional stress field from the sole inversion of focal mechanisms. In addition to determining the regional stress field, the integrated inversion of focal mechanisms and HTPF data help identify the fault plane for each for each of the focal mechanisms. These slip motions have been demonstrated to be consistent with Terzaghi's effective stress principle and a Coulomb friction law with a friction coefficient ranging from 0.65 to 0.9. This has been used for mapping the pore pressure in the rock mass. This mapping shows that induced seismicity does not outline zones of high flow rate but only zones of high pore pressure. For one fault zone where no significant flow has been observed, the local pore pressure has been found to be larger than the regional minimum principal stress but no hydraulic fracturing has been detected there.     

岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，通过对岩石试样中预置的一组右行右阶雁列式裂纹扩展过程的数值模拟，研究了非均匀岩石介中多裂纹扩展的相互作用模式及其贯通机制。数植模拟再现的受压混合型裂纹扩展过程中逐步演变的全场变形过程，以及与细观非均匀性有关的声发射和断续扩展模式的“岩桥”现象，清晰地揭示出多裂纹扩展的相互作用及其贯通机制。模拟结果说明，对于岩石这种地质介质而言，忽略其非均匀性影响，可能会掩盖岩石变形与破裂过程中的许多与非均匀性有关的特殊现象，包括声发射或微震模式、岩桥或雁行断裂等。     

Numerical simulation of spatial-temporal evolution characteristics of subsurface fluid based on strong body seismogenic model

Using finite element technique of the plane-strain problem in solid-liquid two-phase medium, we studied the characteristics of "field precursors" and "focus precursors" of subsurface fluid and their spatial-temporal evolution in case of dip-slip earthquake. The results show that: ① the change of ground fluid is slow and the anomaly is not prominent in the early period which is of elastic accumulation and non-linear; ②dilatancy emerges and anomaly focus mainly in the source region in the moderate period which is hardening and of local dilatancy. In the period the focus precursors emerge earlier than the field precursors; ③anomalies spread continuously in the source area and new regions with big anomaly emerge out of the source region in the middle-short period which is of large-scale dilatancy.     

基于层状双孔介质的地震波反射和透射系数频散特性研究

本文研究了纵波垂直入射情况下两种介质分界面处的纵波反射和透射系数的频散特性,分界面上下两侧分别为层状双孔页岩介质和层状双孔砂岩介质.当纵波沿垂直于分界面的方向传播至分界面处时,会在上层双孔介质中产生三类反射纵波,在下层双孔介质中产生三类透射纵波.基于层状双孔介质的特性,给出了分界面处的六个边界条件.根据层状双孔介质的波动方程,利用平面波分析得到了纵波的反射和透射系数.结果表明：当多孔介质中存在流体时,纵波的反射和透射系数与频率相关,即存在频散现象.波致流体流动是造成纵波反射和透射系数频散的主要原因.此外,结果还表明局部流体流动引起地震频带内反射和透射系数的频散,宏观Biot流引起超声频带内反射和透射系数的频散.本文同时对岩石参数对反射和透射系数频散曲线的影响进行了研究.

     

基于数字岩心的含裂隙储层砂岩介电性质研究

了解储层岩石的介电特性在石油工业的各个方面都有重要的应用.小尺度裂隙是影响岩石介电性质的地质因素之一,获得裂隙对含裂隙岩石介电性质影响的定量关系具有重要的理论和实践意义.以含裂隙人造砂岩的三维微观数字结构为基础,通过基于三维有限差分算法计算的岩石介电性质与实验数据的对比验证数值计算方法的有效性.在此基础上,通过理论模型获得不同孔隙度基质的介电性质,并在不含裂隙人造砂岩的三维微观数字结构中人为添加以裂隙密度和纵横比为定量表征参数的裂隙,应用验证后的数值算法模拟随频率变化的含裂隙砂岩的介电性质,分析和研究不同孔隙度基质中定向排列裂隙对砂岩介电性质的影响.结果表明,当裂隙孔隙度随裂隙纵横比或裂隙密度发生改变时,含裂隙砂岩的介电性质与裂隙密度以及裂隙纵横比呈正相关关系,而当裂隙孔隙度保持不变时,含裂隙砂岩的介电性质随裂隙纵横比的减小而增大;裂隙参数的改变对不同基质孔隙度的含裂隙砂岩的介电性质的影响趋势较为一致,但随着基质孔隙度的减小,裂隙对砂岩介电性质的影响逐渐增大.裂隙参数和基质孔隙度对含裂隙砂岩介电性质影响的研究结果为基于介电特性的裂缝性油气储层的定量表征提供了依据,在油气勘探开发中具有重要的应用前景.

     

基于数字岩心的含裂隙储层砂岩介电性质研究

了解储层岩石的介电特性在石油工业的各个方面都有重要的应用.小尺度裂隙是影响岩石介电性质的地质因素之一,获得裂隙对含裂隙岩石介电性质影响的定量关系具有重要的理论和实践意义.以含裂隙人造砂岩的三维微观数字结构为基础,通过基于三维有限差分算法计算的岩石介电性质与实验数据的对比验证数值计算方法的有效性.在此基础上,通过理论模型获得不同孔隙度基质的介电性质,并在不含裂隙人造砂岩的三维微观数字结构中人为添加以裂隙密度和纵横比为定量表征参数的裂隙,应用验证后的数值算法模拟随频率变化的含裂隙砂岩的介电性质,分析和研究不同孔隙度基质中定向排列裂隙对砂岩介电性质的影响.结果表明,当裂隙孔隙度随裂隙纵横比或裂隙密度发生改变时,含裂隙砂岩的介电性质与裂隙密度以及裂隙纵横比呈正相关关系,而当裂隙孔隙度保持不变时,含裂隙砂岩的介电性质随裂隙纵横比的减小而增大;裂隙参数的改变对不同基质孔隙度的含裂隙砂岩的介电性质的影响趋势较为一致,但随着基质孔隙度的减小,裂隙对砂岩介电性质的影响逐渐增大.裂隙参数和基质孔隙度对含裂隙砂岩介电性质影响的研究结果为基于介电特性的裂缝性油气储层的定量表征提供了依据,在油气勘探开发中具有重要的应用前景.     

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...