3D多孔介质渗透率的格子Boltzmann模拟

多孔介质结构的复杂性使其内部的流动非常复杂,通常不加简化就难以求解。格子Boltzmann方法以其无需简化就能处理复杂孔隙结构的优势,成为研究多孔介质流动的一种有效的数值计算方法。从现场采集的彩色铸体剖面图中提取孔隙信息重构了一种接近真实岩石的3D孔隙介质数字岩心。在此基础上,使用格子Boltzmann方法进一步得到能准确求解多孔介质中流动问题的Navier-Stokes方程,用以研究孔隙岩石的渗流特性。该方法对简单模型渗透率的模拟结果与相应的解析解或实验测量结果吻合良好,对某油田6个样品的模拟结果与实验结果的误差不大,说明格子Boltzrnann方法可以用来计算实际问题的渗透率。     

饱和岩石的动态渗透率和动电耦合系数解析式

动态渗透率和动电耦合系数是描述岩石中渗流波动和弹性-电磁耦合波效应的重要参数.本文基于毛细管束模型,提出了流体饱和孔隙介质的动态渗透率和动电耦合系数的解析表达式和简化表达式,并通过与前人近似式结果的对比,分析了不同表达式的合理性和适用性.在此基础上,理论分析了孔隙几何形状和孔径分布对渗透率和动电耦合系数的频率响应以及井孔震电耦合波场的影响.研究结果表明:当认为孔道均匀且达西渗透率、孔隙度和弯曲度恒定时,孔隙几何形状的影响很小,可以忽略,而前人的近似式高估了孔隙几何形状的影响;孔径分布的影响显著,随着孔径分布的增大,渗透率的临界频率显著减小,动电耦合系数的临界频率显著增加,震电测井的斯通利波及其伴随电场幅度显著增大.     

裂缝-孔隙介质储层渗透率表征及其影响因素分析

含裂缝多孔介质渗透率预测是非常规油气资源勘探开发的一个紧迫问题.现有多孔介质岩石物理模型通常利用圆形孔管模拟宏观岩石孔隙空间,难以定量描述软孔隙/裂缝在压力作用下的闭合情况,缺乏裂缝/孔隙间流量交换的连通机制.本文提出含三维裂缝/软孔隙网络多孔介质模型,将储层岩石裂缝/软孔隙表示为椭圆截面微管,建立了周期性压力作用下微...     

多尺度孔隙岩石的核磁共振扩散耦合现象及其探测方法

油藏岩石的孔隙连通性是反映流体渗流难易程度的重要参数,对渗透率、有效孔隙度等岩石物理参数的评价具有重要作用.连通的孔隙中,核磁共振(NMR)弛豫的交换会产生扩散耦合现象,可作为孔隙连通性的表征和探测方法.本文提出利用横向弛豫T2-T 2脉冲序列测量岩石的扩散耦合现象.运用随机游走方法模拟多孔岩石的核磁共振响应特征,分析...     

裂缝诱导各向异性双孔隙介质波场传播特征

基于裂缝诱导各向异性和双相介质理论,对裂缝诱导的具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）双孔隙介质的本构关系进行了研究,与等效连续介质模型相结合,综合考虑裂缝系统和基质孔隙系统的两种孔隙度和两种渗透率参数,得到裂缝诱导HTI双孔隙介质的等效孔隙度和等效渗透率,进而得到介质的运动平衡方程;并进一步推导出介质的一阶速度-应力方程.采用交错网格高阶有限差分法对模型进行了数值模拟,结果揭示了介质中两套系统的存在对其波场传播特征的影响,为进一步研究实际地球介质的波场特征奠定了基础.     

川中侏罗系自流井组大安寨段致密灰岩孔隙结构实验研究

川中侏罗系自流井组大安寨段致密油灰岩储层的孔隙结构极为复杂,却是致密油勘探开发需要解决的关键问题。本文应用扫描电镜、氮气吸附、高压压汞、核磁共振来研究致密灰岩的孔隙结构。结果表明灰岩储层以狭缝型孔隙为主;介孔和宏孔是孔隙体积和比表面积主要贡献者,孔隙结构特征参数排驱压力、平均孔径、均质系数与孔隙度及渗透率相关性较好,可以综合应用于评价储层孔隙结构;将氮气吸附得到的孔径分布与高压压汞得到的孔径分布相结合构造全尺度孔径分布,发现储层主要发育2～50nm的介孔;基于幂函数转换方法,将T_2谱转换为孔径分布,转换结果与全尺度孔径分布的一致性较好,表明了T_2谱与孔径分布存在幂函数关系;T_2几何平均值与岩心全孔径孔隙结构参数具有相关性,可作为评价储层孔隙结构特征参数。     

热带气旋Dan移动过程中边缘线分形维数的变化:观测事实和可能原因

应用1999年10月1日18UTC至1999年10月9日12UTC GMS-5卫星红外灰度资料,计算了热带气旋(TC)Dan(国内编号9914)外缘线的分形维数Db,以此定量表征TC Dan复杂结构的时间变化.结果显示,在TC Dan移动过程中,分形维数Db的变化可以区分为3个阶段.在第1和3阶段,Db的阶段均值与热带区域积云边缘线分形维数的正常值DL无显著差异;在第2阶段,Db的阶段均值大于DL,两者差异非常显著;即从第1阶段到第2阶段出现了分形维数的增长.第2阶段结束时,TC Dan突然北折转向.这意味着,Db高值段的出现可视为TC Dan路径异常的一个可能前兆.结果还显示,两类过程导致了分形维数Db从第1阶段向第2阶段的转变.一类是TC与相邻小尺度对流块的相互作用;其结果增大了TC外缘线局域线段的复杂程度.另一类是TC区域内强对流区的破裂,破裂后的小尺度强对流块的自组织,小尺度强对流块之间非对流孔隙的出现、发展和合并,以及外缘线裂缝的形成;其结果增大了TC外缘线全局线段的复杂程度.     

基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画

地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.     

基于流固耦合两相介质动力模型的饱和土体—地下结构体系地震反应研究

基于ABAQUS有限元软件平台,应用流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟场地饱和土体,进行了饱和土体-地下结构地震反应的计算研究。结果表明：在地震输入的最后时刻结构的两侧底角区域应力值最大;土体的孔隙压力和竖向位移主要集中在结构下方的区域,结构两侧土体的孔压与竖向位移呈对称分布;场地土体的竖向位移随深度的增加逐渐减小;体系最大地震反应出现的时刻对应于输入地震动的最大加速度出现的时刻。表明了流固耦合两相介质动力模型孔压单元在饱和土体-地下结构体系地震反应研究中的有效性。     

不同尺度下岩层渗透性与地应力的关系及机理

无论是地应力场宏观控制区域水文地质条件, 还是微观影响含水介质的渗透特性, 都有其深刻的内在发生机制, 生产实例和实验室试验表明: 在宏观地质大尺度下, 岩层以破碎、位移适应地应力场变化并为地下水的富集及运动提供场所, 地下水则以流动和压力传递来调整含水空间、扩张岩石裂隙实现流固宏观耦合, 尽管地质历史时期构造应力场经历多起叠加改造, 但形成区域主要构造骨架时的地应力场与渗流场具有相当的一致性, 主渗透方向与最大水平主应力方向一致; 在宏观地质中尺度下, 应力变化剧烈区、极低地应力区、应力集中区、剪应力集中区等往往与含水介质的主干裂隙相一致, 地应力均匀变化区则与基质的三重含水介质对应; 在微观地质小尺度下, 岩石空隙为三重孔隙介质, 包括基质孔隙、裂缝孔隙和管道状孔隙, 孔隙度和渗透率是有效应力的函数, 孔隙岩块的孔隙度和渗透率随有效应力的变化关系符合指数型数学模型, 裂缝型岩石宜用幂指数型数学模型描述, 毛细管型岩石则用二次抛物线数学模型描述较为恰当. 裂纹有效压缩系数、闭合压力计算揭示了裂缝性岩芯的渗透率和孔隙度损失较孔隙性岩芯损失大的机理, 裂纹有效压缩系数计算还说明同一介质渗透率变化总是大于孔隙度变化; 厚壁筒理论证实, 实验得出的毛细管型岩石孔隙度和渗透率损失与有效应力的二次抛物线关系正确.     

致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究

水压瞬态致裂液化在地应力测量、 地震破坏评估和机理研究、 油气(天然气、 页岩气)及地热资源开发等地学领域都具有重要的理论和应用价值。 自20世纪60年代至今在理论和实际应用方面取得了一些奠基性和开创性成果, 但鉴于问题复杂性, 瞬态致裂液化机理至今尚不清楚。 本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合物理模型, 对地震波载荷作用下致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究。 首先, 以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例, 利用X射线CT断层成像技术, 应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法, 建立致密砂岩数字岩芯模型。 进而, 推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式, 建立致密砂岩水压致裂液化物理模型。 最后, 应用地震波载荷边界和初始条件, 模拟瞬态致裂液化流固耦合过程, 讨论了地震波载荷幅值、 频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、 致密砂岩破裂最大主应力之间关系, 得到了地震波作用下致密砂岩致裂液化准则。     

深层砂岩油藏储层孔喉特征参数及预测模型

储层微观孔隙结构是影响油气富集与油气田开发效果的内在因素.为探讨深层砂岩油藏储层孔喉参数特征及分布规律,应用铸体图像分析技术、高压压汞技术对渤海湾盆地东濮凹陷濮城油田沙河街组深层砂岩油藏储层孔喉特征参数进行了研究.铸体图像分析技术研究表明,储层物性与孔隙半径、喉道宽度呈正相关关系;面孔率参数与孔隙度、渗透率相关性较好,面孔率较相应的孔隙度参数小;比表面、形状因子与其储层物性参数不相关,储层孔隙、喉道形状无规律;由特低渗至高渗储层,孔喉比参数无明显变化趋势,孔喉配位数呈增大趋势,孔喉均质系数、分选系数、变异系数规律性不强.高压压汞资料分析研究表明,储层最大喉道半径、平均喉道半径、主流喉道半径、主流喉道半径下限值、最小可流动喉道半径等均与储层岩石的渗透率参数呈正相关关系;平均水力半径与平均喉道半径呈正相关关系;储层岩石比表面与渗透率参数呈负相关关系.基于高压压汞资料,建立了渤海湾盆地东濮凹陷濮城油田沙河街组深层砂岩油藏储层孔喉参数预测模型.     

基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验

数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足,为岩石物理学研究提供一个新平台.本文以常规砂岩为研究对象,利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型;应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究,统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征,建立了等价孔隙网络模型;将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率,对于考虑固相充填孔隙的情况,模拟计算了岩石有效弹性参数,并与近似Gassmann方程良好验证.本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段,为其大规模发展提供了一条新途径.     

页岩气储层渗透率测井评价方法研究

页岩渗透率与页岩气产能关系密切,是测井储层评价的重要参数之一.页岩储层岩性复杂致密,孔隙组分多样,导致传统渗透率评价方法受到限制.基于页岩渗透率主控因素,从孔隙结构出发,通过液氮吸附-高压压汞资料及核磁共振实验分析数据,提取控制页岩渗透率的孔隙结构参数,建立页岩渗透率评价模型;利用核磁T2谱构建出伪毛管压力曲线,获得二者之间的定量转换关系,并提取孔隙结构参数;最后利用核磁测井刻度常规测井曲线,并结合页岩岩石相分析,实现了页岩渗透率的较高精度评价.研究成果及应用对于国内页岩气产能建设及高效开发具有重要意义.     

耦合形变—扩散对蠕动传播事件引起的水位变化的影响

本文利用线性弹性饱水多孔介质中平面应变剪切位错以速度V平隐运动时产生孔隙压力的耦合形变-扩散解,研究了与间歇性蠕动有关的井水位变化。对于大的Vr/2c(其中r是距位错的距离、c是扩散率),其解接近于Wesson(1981)分析由蠕动事件引起的水位变化所使用的去耦弹性解的形式。这两个解之间的差在距断层平面10个扩散长度内(20c/V)是显著的。更准确地说,耦合解预示着位错后面的孔隙压力改变符号,并在数量上比去耦解预期的要小的多。对于泊松比是0.3、Skempton系数为0.8以及剪切模量为30GPa的非泄漏介质,在V=1公里/天、C=1.0米~2/秒时,耦合解预示每滑动一毫米,最大孔隙压力变化13.7kPa(173毫巴)。耦合解的频谱被限制在一个中心值与V成正比和与从观测点到断层的距离大约成反比的频带上。因此,接近断层平面,耦合解占用的频带可能超过了水井反应的范围。耦合解能用来解释Johnson(1973)观测到的和由Wesson(1981)用去耦解模拟的同一与蠕动有关的水位变化。尽管在岩石材料特性和蠕动事件速度方面存在着不确定性,但耦合解预报的水位变化在幅度上可与实际观测到的变化相比。     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

汶川地震断层岩气体和液体渗透率实验研究

以N2和水为孔隙流体在20-180 MPa围压范围内详细测量了汶川地震断裂带断层岩的渗透率,并同时测量了作为参照的砂岩的渗透率.实验结果表明,气体和液体渗透率均随围压增加而幂次衰减.在相同围压和孔隙压条件下,N2渗透率高于水渗透率接近1个数量级.将Klinkenberg效应校正后的气体渗透率（绝对渗透率）与水渗透率进行了比较.对比结果显示,砂岩的绝对渗透率与水渗透率基本一致;但断层岩绝对渗透率显著高于水渗透率,表明断层岩气体渗透率与水渗透率之差别不能完全由Klinkenberg效应解释.对实验数据的拟合分析表明,滑脱因子b值与绝对渗透率kl存在幂律关系（b=λkld）.断层岩符合b=0.2×10–3kl–0.557关系（R2=0.998）,显示绝对渗透率在10^–16-10^–20 m2范围内,控制断层岩渗透率的因素是一致的.另一方面,断层岩的d值明显小于砂岩的d值,暗示二者的滑脱效应存在差异.分析表明,断层岩中的粘土矿物颗粒表面吸附水及粘土矿物吸水膨胀导致有效孔隙尺寸减小是造成断层岩渗透率显著低于绝对渗透率的主要原因.研究结果显示,对于富含粘土矿物的断层岩,经Klinkenberg校正后的气体渗透率与水渗透率并不一致,因此采用相应的液体作为测量介质才能够更为准确和真实地揭示地下流体的渗流状况.     

不含金属矿物的饱和多孔介质激发极化机理与模型综述

实验室研究发现不含金属矿物的饱和多孔介质激发极化参数受岩石物理特性影响,建立岩心尺度的低频(<10⁶ Hz)复电导率与孔隙结构参数、流体属性等因素之间的定量关系对解释激发极化数据具有重要指导意义.然而,产生激发极化效应的原因还未形成统一的物理/化学过程认识,现有理论未能完全解释激发极化数据,激电参数与多孔介质结构参数之间的定量关系缺少深入的机理研究.为此,本文首先阐述了双电层理论和用以解释激发极化效应的机理,包括Stern层极化、膜极化、Maxwell-Wagner极化和动电效应等;其次,总结了现有激发极化模型研究的最新进展,包括等效电路模型、Stern层极化模型、膜极化模型、等效介质模型等.综述表明：(1)低频激发极化效应的微观机理仍未达成统一认知,在特定条件下,膜极化模型与Stern层极化模型都能解释低频激发极化数据;(2)特征弛豫时间受孔径或粒径控制仍存在争议.     

基于Chapman模型的气水两相饱和岩石速度频散及衰减表征

含裂隙岩石的裂隙系统与其内的流体的分布,很大程度上会影响地震波在其内的传播,导致速度频散和衰减．本文基于Chapman模型,研究润湿相和非润湿相流体随频率的变化．许多学者研究的是单一流体下的频变各向异性理论,本文着重于气水两相流体部分饱和的情况．引入了基于分形理论的相对渗透率模型,并使用无量纲参数q来表征斑块饱和现象．首先研究气水两相的相对渗透率与分形维数的关系,然后考虑了斑块饱和效应对流体混合物的有效迁移率的影响．根据数值算例,在Chapman模型中分别引入相对渗透率模型和斑块饱和效应,观察各自对横波速度和衰减的影响．最后分析耦合的相对渗透率和斑块饱和对横波速度和衰减的影响．根据算例结果可知,在中频时,相对渗透率及斑块饱和效应都比低频和高频的情况对横波速度和衰减影响大．最后考虑分形维数和无量纲参数q的耦合影响,发现无量纲参数q对横波速度和衰减的影响都明显要大于分形维数．同时还引入了横波分裂来分析这种耦合效应对各向异性的影响,结果表明横波分裂与分形维数成反比,与无量纲参数q成正比,这种现象在低频较为明显．     

声电效应测井电声比及其与地层渗透率的关系

基于流体饱和孔隙介质中声波-电磁场耦合效应的测井方法具有潜在的应用价值.本文从Pride动电耦合波方程组入手,推导了伴随斯通利波的井孔电场与声压比值(电声比)的频率域表达式.结果表明,在较低频率条件下,电声比幅角的正切值与渗透率呈反比.在此基础上,提出了利用低频的声电效应测井全波反演地层渗透率的方法.针对砂岩地层,从计...