气饱和孔洞型介质动静参数关系的数值模拟研究

采用实验手段研究岩石的动、静弹性参数的变化规律及动、静态参数间的相互关系时存在着测试成本高,工作量大,普适性差且可靠性较低等问题.对岩样在单轴压缩加载条件下的破坏过程,采用岩石破裂过程分析RFPA系统进行数值模拟,获取岩样的应力—应变曲线可计算得到静态弹性参数.从弹性波动理论出发,采用交错网格有限差分方法,对超声波透射实验进行数值模拟,获取纵、横波速度可计算得到动态弹性参数.对50块不同的气饱和孔洞型岩样同步计算其动、静态弹性参数,并分析动、静态弹性参数随孔隙度的变化规律及动、静态弹性参数间的关系.结果表明:动弹性模量大于静弹性模量,且二者之间的线性关系良好,而动、静泊松比之间不存在明显的相关关系.该项研究为动、静弹性参数关系研究提供了新的方法,研究结果对于指导储层预测、油气检测以及地震资料综合解释都有重要的意义.     

煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系

通过超声-时间动态测试方法系统地分析了煤系沉积岩石纵波和横波速度,计算了煤系岩石动弹性力学参数,同步测试了煤系岩石的静态力学参数,建立了煤系沉积岩石动弹性力学参数与静弹性力学参数之间和煤系岩石物理力学参数与其声波速度之间的定性定量关系.研究结果表明,煤系岩石的动弹性模量与岩石的纵波或横波速度具有很好的正相关关系,而与泊松比不具有这种正相关关系.煤系岩石的动弹性模量要大于其静弹性模量,而动泊松比要小于其静泊松比,它们之间呈线性相关关系.煤系岩石密度、单轴抗压和抗拉强度与其纵波或横波速度之间也呈正相关关系,它们分别服从二次函数、指数函数和线性函数分布.     

基于岩心测试的中深层储层敏感因子反演技术

选取渤海古近系目标区累计20个井段的岩心,模拟实际地层温度、压力条件,对岩心直接进行岩石物理参数测试.岩心测试结果与目标区已钻井的测井数据分析相结合,以泥岩为基值计算不同层段砂泥差异百分比门槛值,优选杨氏模量、剪切模量、泊松比作为渤海中深层储层的岩石物理敏感参数.根据优选敏感参数的储层响应特征,进行三参数联合,构建目标区的储层敏感因子(Li).利用叠前反演技术反演储层敏感因子,成功识别目标区岩性-构造油气藏.钻井证实了该方法的有效性.     

新疆哈密砂岩地震波速、各向异性及弹性性质的实验研究

地震波是研究地球内部物质成分和结构最有效的工具之一.鉴于哈密地区油田对砂岩地震波性质研究的需求,本文在室内利用Autolab2000岩石物性测试设备,开展干燥、饱水及饱油条件下,砂岩X、Y、Z三个正交方向的弹性波速测试,得到不同压力下纵横波速随含水饱和度的变化规律,并在不同含水饱和度下分析了动态弹性常数(E和υ).结果表明:(1)波速与压力呈对数关系,相关系数在0.96以上;纵波速度与含水饱和度呈正相关,但随压力的增加,其增加速率会减小;横波速度在低压下基本不受含水饱和度影响,但随压力增加,其与含水饱和度呈负相关.(2)砂岩Z(垂直)方向波速最小;横波各向异性小于纵波;不同压力下,纵横波各向异性都是干燥大于饱油,并皆大于饱水状态.(3)恒定含水饱和度时,杨氏模量和泊松比皆随围压增加而增加,低压下(小于80 MPa,约3 km深度)增加速度快,而高压下(大于80 MPa)增速变缓;相同围压下,泊松比随含水饱和度增加而增加,而杨氏模量则有增有减.     

气饱和超压页岩的岩石物理建模研究

页岩的岩石物理建模随着页岩气勘探的深入而逐渐受到重视.现有的建模方法对孔隙压力的研究并不全面.本文认为页岩气对页岩弹性的影响可分为两个方面.第一个方面称为静态效应,定义为气体压力对页岩骨架的作用.第二方面称为动态效应,定义为页岩气本身对页岩弹性的作用.通过将孔隙纵横比与有效应力的关系、气体弹性参数与孔隙压力的关系嵌入岩石物理建模流程,实现静态和动态效应的作用.孔隙纵横比与有效应力的关系通过实测纵、横波速度标定,用于预测不同压力状态下页岩的纵、横波速度.本文方法虽存在一定的局限性,但提供了一种分析页岩弹性参数与孔隙压力相互关系的方法.     

基于地震正交各向异性的裂缝介质岩石力学建模研究

岩石力学模型是描述地层原地应力状态的基础,而常规各向同性模型难以刻画地层本征横观各向同性(VTI)和天然高角度裂缝的耦合作用,建立更为准确的正交各向异性模型变得尤为重要.本文利用VTI介质中发育单组垂直缝的Schoenberg裂缝等效模型,简化了一般正交各向异性介质的表征参数,推导了由背景VTI介质弹性参数和裂缝参数的各向异性杨氏模量、泊松比和水平地应力的精确方程.借鉴Thomsen弱各向异性近似思路,舍去裂缝弱度参数高阶扰动项,推导了正交各向异性介质岩石力学近似方程,由裂缝弱度表示的近似方程更为直观地反映了裂缝对背景介质力学性质的影响,杨氏模量和泊松比值随裂缝法向弱度的增大而显著减小.选取页岩实验数据进行数值实验,结果表明本文方程与实际物理规律相吻合,随裂缝弱度的增加,形成相同应变所需的水平地应力值降低,且近似方程与模拟结果相对误差小于5%,有助于提高岩石力学参数估算和地应力预测精度.     

致密油粉砂岩脆性特征实验分析研究

岩石脆性直接影响储层压裂,是储层压裂改造之前必不可少的环节。本文对松辽盆地青山口组粉砂岩,分析岩石动、静态脆性特征。基于岩石力学实验获得的应力-应变的关系,调查岩石的脆塑性体特征,结果显示静态弹性参数获得的脆性指数与应力跌落系数呈现负相关性,其中脆性指数B_2(杨氏模量E和泊松比v归一化后的均值)与应力跌落系数相关性最好。分析矿物组分与脆性指数B_2、杨氏模量和泊松比的关系,认为相关层系石英、黄铁矿、碳酸盐岩类矿物可作为脆性矿物。基于B_2,在超声波实验中调查了孔隙流体、孔隙度对岩石动态脆性特征的影响,发现孔隙流体能够增强岩石的塑性,降低岩石脆性,且孔隙度越大,岩石脆性降低幅度越大。在饱含不同流体的岩石中,饱气粉砂岩的脆性最高,饱油次之,饱水最小,且饱油、饱水岩石脆性非常接近。对比岩石力学和超声波实验测量结果显示,整体上超声波实验获得的脆性指数比岩石力学实验获得的脆性指数大,不过,二者均随着孔隙度增大而降低,且差值随孔隙度增大而增大。原因在于超声波属于无损测试,而力学实验过程中导致了岩石内部的微裂缝、孔隙发生了改变。此外,低孔隙度岩石的脆性,主要与岩石内部微裂缝的发育程度有关。     

矿物组分对龙马溪组页岩动、静态弹性特征的影响

龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一,其静态弹性性质是影响压裂效果的重要因素,而动态弹性性质则是页岩"甜点"地震预测的重要基础.但对龙马溪组页岩动、静态弹性特征相互关系及其影响因素缺少对比研究,致使运用动态弹性性质进行"甜点"预测时存在不确定性.在对龙马溪组页岩样品系统动、静态性质联合测量基础上,分析了页岩样品动、静态弹性性质的变化规律,并讨论了成岩作用与动、静态弹性性质变化规律的因果关系.研究结果表明,龙马溪组页岩上下两段成岩过程存在明显差异,致使上段页岩在结构上表现为以塑性黏土颗粒作为受力骨架,而下段页岩在结构上逐渐转变为脆性石英颗粒作为受力骨架.页岩岩石结构特征的变化控制了动、静态弹性特征的整体变化规律,表现为动、静态杨氏模量、峰值强度等随石英含量的增大表现出近似"V"型的变化形式,而与钙质含量变化呈现正相关关系,与黏土含量变化表现出负相关性.上段页岩宏观力学性质受微观石英+黏土颗粒集合体弹性性质控制,应力应变曲线表现出明显塑性段,动、静态杨氏模量比大于1.4,破裂易于发生在黏土与石英颗粒边界形成宏观单剪型破裂模式,样品脆性低,且脆性变化不受石英含量的影响.下段页岩宏观力学性质受微观石英颗粒集合体弹性性质控制,应力应变曲线表现为弹性变形,动、静态杨氏模量比小于1.4,破裂发生在石英颗粒内部形成宏观劈裂型破裂模式,样品脆性高,且脆性变化与石英含量呈明显正相关关系.研究结果可为龙马溪页气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

沁水盆地太原组煤层岩石物理性质、镜质组反射率与微观结构实验研究（英文）

为了分析沁水盆地太原组煤层岩石物理性质、镜质组反射率与微观结构之间的关系,采集了三个不同煤矿井下的11个煤岩样品,利用MTS岩石物理参数测试系统对煤样进行弹性参数测试,通过薄片鉴定和扫描电镜对11个煤样的有机显微组分、镜质组最大反射率和微观结构特征进行了分析。对上述实验结果进行交会分析发现:一些弹性参数之间具有线性关系;纵波速度与横波速度均具有各向异性特征,其各向异性特征与镜质组最大反射率有良好的负相关性;纵横波速度、杨氏模量与微孔含量呈负相关关系。获得的煤岩岩石物理参数之间的关系构成了煤岩地震岩石物理建模和煤层气地震反演技术的基础。     

横观各向同性(TI)岩石弹性模量一阶扰动近似

地震各向异性是沉积岩石中广泛存在的波动现象,为研究地球介质岩石力学性质提供了有效途径.本文从横观各向同性岩石的本构方程出发,利用介质分解理论和地震波扰动理论,推导了沿TI介质对称轴和对称面上杨氏模量和泊松比的显式近似方程.经实验数据验证了本文近似方程的合理性,发现在各向异性强度适中的条件下,两个主方向杨氏模量和沿对称面泊松比的近似值与实测值吻合度较高,沿对称轴方向泊松比近似值偏小,但近似结果反映了真实值的宏观趋势.实际资料试处理表明,页岩地层岩石力学参数具有较强各向异性,利用本文近似方程可有效估算各向异性杨氏模量和泊松比,为储层压裂工程提供了岩石力学数据.     

基于比值均方根的杨氏模量反演方法

杨氏模量和泊松比是表征岩石脆性、评价储层可压性以及描述储层流体特征的重要参数,叠前地震反演是从地震数据中得到此类参数的有效手段.常规的叠前地震反演方法多使用Zeopppritz方程的近似式计算反射系数,近似式的误差影响了反演结果的精度.针对这个问题,推导了比值均方根形式的杨氏模量、泊松比和密度的Zoeppritz方程,并基于广义线性反演构建了杨氏模量和泊松比直接反演方法,有效地避免了使用近似式的局限性,提高了反演的精度.模型测试和实际资料试算结果表明：采用比值均方根形式构建的反演流程稳定,能够从叠前地震数据中获得可信的杨氏模量、泊松比和密度,提供了一种可靠的杨氏模量和泊松比直接反演方法.     

Study on anisotropy of Longmaxi shale using hydraulic fracturing experiment

Hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology is crucial in the development of shale gas exploitation techniques.Large quantities of high-pressure fluids injected into shale reservoirs significantly alter compressional(P)and shear(S)wave velocities,rock mechanical parameters,and anisotropic characteristics.In this study,differentiated hydraulic fracturing petrophysical experiments were carried out on Longmaxi Formation shale under pseudo-triaxial stress loading conditions.The effects of stress loading methods,and water-rock physical and chemical reactions on P-and S-wave velocities and rock mechanical parameters were compared.The experimental results showed that isotropic stress loading may increase the P-and Swave velocities and Young’s modulus of dry shale kldnsample.Furthermore,it may lead to a weakening of the corresponding anisotropy.In contrast,differential stress loading was able to improve the anisotropy of Young’s modulus and accelerate the decrease in the compressive strength of shale in the vertical bedding direction.The water-rock physical and chemical reactions prompted by hydraulic fracturing was found to"soften"shale samples and reduce Young’s modulus.The influence of this"soften"effect on the compressional and shear wave velocities of shale was negligible,whilst there was a significant decrease in the anisotropy characteristics of Thomsen parameters,Young’s modulus,and Poisson’s ratio.The negative linear relationship between the Poisson’s ratios of the shale samples was also observed to lose sensitivity to stress loading,as a result of the"soften"effect of fracturing fluid on shale.The results of this study provide a reliable reference point and data support for future research on the mechanical properties of Longmaxi shale rocks.     

饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性响应

在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验,研究了饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性行为. 在最大载荷低于岩石的屈服点时,获得的衰减、杨氏模量、泊松比、波速都表现出显著的各向异性,同时它们还具有较明显的应变振幅效应和频率效应. 随着应变振幅的增大,衰减近似呈线性增长,杨氏模量和泊松比近似呈线性下降. 在0.005-4Hz频段内除衰减不明显依赖频率以外,杨氏模量、泊松比、波速对频率的依赖性都较强; 当频段扩大到15Hz时,这4个参数都表现出较强的频率效应. 饱和岩石的衰减、杨氏模量、泊松比、波速均随饱和液体的黏滞系数增大而增大.     

致密砂岩气储层的岩石物理模型研究

根据鄂尔多斯盆地苏里格气田以往实测和新测的共17口井51块岩样超声波实验数据,得到304组不同孔隙度和不同含水饱和度下对应的纵横波速度、泊松比等弹性参数.重新优选计算体积模量和泊松比与含气饱和度的关系,表明苏里格气田上古生界二叠系石盒子组盒8致密砂岩储层的模型与Brie模型(e=2)相似度最高.由此建立的苏里格气田储层岩石物理模型,更好的表征了致密岩石储层物理参数随含气饱和度变化规律,为该区储层预测提供了理论依据.致密储层岩石物理模型研究成果应用于苏里格气田多波地震资料气水预测中,实际例子表明该模型适用于该区的储层和含气性预测,并取得了较好的效果.     

贵阳地区红黏土动力参数计算模型研究

利用室内SDT-20动三轴试验机对贵阳原状红黏土进行循环荷载作用下动力特性试验,探究不同围压、固结应力比和振动频率对红黏土动力学参数的影响,结合实验数据及参数模型拟合贵阳红黏土动应力应变关系、动弹性模量及阻尼比经验公式,结果表明：贵阳红黏土动本构关系仍符合H-D双曲线增长模型,动弹性模量随动应变增长非线性衰减,阻尼比随动应变增长非线性增加。围压及固结应力比对红黏土动力学参数具有显著影响,围压及固结应力比增大,动变形减小,动弹性模量增加,阻尼比降低,同等条件下,提高振动频率,动力学参数显示出与围压及固结应力比相同规律,但不显著。基于H-D模型,给出了贵阳原状红黏土双曲线模型参数,通过多元回归分析,拟合并提出针对贵阳红黏土的在不同试验条件下动弹性模量衰减及阻尼比经验公式,给出相应的拟合参数。     

孔隙、裂隙介质弹性波理论的实验研究

近年来发展起来的“孔隙、裂隙介质弹性波理论”提高了人们对实际岩石声学性质的模拟和预测的能力.作为对这一理论的实验验证和重要应用,我们将它用来模拟和解释岩石超声实验中测得的干燥和饱和岩石弹性波速度随压力的变化曲线.理论模拟的重要参数,如岩石的裂隙密度等是从实验数据反演得到的.结果表明：无论是孔隙度较高的砂岩,还是孔隙度很小的致密岩石,如花岗岩,该理论都能很好地描述岩石在干燥和饱和状态下纵、横波速度随压力的变化.造成波速变化的原因是岩石中裂隙在压力作用下的闭合和裂隙密度的减少.本文的结果还指出了将岩石裂隙密度作为描述岩石的重要物性参数,并给出了从实验室超声测量中确定这一参数的方法.     

Quasi-static poroelastic parameters in rock and their geophysical applications

The constitutive equations of poroelasticity contain four static moduli. Different sets of moduli are reviewed in the context of their laboratry measurement and their geophysical applications. One complete set consits of the drained bulk modulus and Poisson's ratio, and their undrained counterparts. Skempton's coefficient (ratio of pore pressure increment to mean stress increment under undrained conditions) and the Biot-Willis parameter serve equally well for the undrained bulk modulus and Poisson's ratio, because they permit the drained and undrained moduli to be related to each other. Time dependence is introduced into poroelastic behavior through Darcy's law. Geophysical applications that can be approximated by undrained conditions (fast loading) include seismicity, tidal and barometric loading, and tectonic compression. Several of these problems are most directly formulated in terms of Skempton's coefficient, undrained Poisson's ratio, and hydraulic diffusivity.