高孔隙岩石变形的离散单元模型

实验和野外观测表明颗粒破碎显著影响高孔隙岩石的变形特征.为建立高孔隙岩石变形的数值模型,我们以弹性理论为基础并根据问题的特征进行合理简化,给出了一种颗粒破碎机制,并根据此颗粒破碎条件改进传统的离散单元模型.利用改进的离散单元模型,研究了不同压力条件下高孔隙岩石变形的宏观和微观特征.数值模拟结果表明考虑颗粒破碎的模型能重现高孔隙岩石在不同围压下变形的应力-应变关系、声发射特征、应变局部化和剪切增强压缩等特征.我们还发现,与野外观测结果一致,在高孔隙岩石脆性阶段剪切带内部及附近伴有显著的颗粒破碎.     

基于团簇的岩石动态CT图像可视化与结构变形分析

岩石的变形机制是研究岩石圈变形和局部构造活动的重要基础,岩石的微观结构是研究其变形机制的关键。微观层析成像（微观CT）技术可以无损地获取样品内部高精度三维数字化图像,为观测岩石内部结构提供了技术保证。新近发展起来的动态CT技术,使得观测岩石变形过程成为可能。本文利用一组莱塔石灰岩受差应力变形的三维动态CT图像数据,通过图像切割、图像分割等处理步骤,以团簇为基本表征单位,表征不同形状、大小孔隙的动态变化过程,分析对比全部孔隙、大团簇、小团簇和裂隙型小团簇的动态图像。结果表明:随着岩石的压缩变形,其大孔隙在不断地缩小;在变形的初始阶段,靠近施压活塞的样品上部出现了密集的新生小孔隙;当岩石所受差应力到达73 MPa时,其下半部出现了明显的剪切带,具体表现为大量的新生裂隙生成并且新生裂隙集中带与轴向成约45°交角。此前的研究观测到该样品中下部若干压缩带形成的过程;本文通过基于团簇的可视化技术,观测到了高孔隙度岩石变形过程中压缩带和剪切带共同形成的过程。同时,新生的沿剪切带分布的微小裂隙并没有显示与剪切带相同的方向,而是具有各方向均匀分布的特征。该特征可能与岩石内部复杂的局部孔隙结构有关,是值得进一步探讨的问题。      

利用混合法构建三维数字岩心(英文)

在弹性波有三维数字岩心描述了岩石的微观孔隙结构。X射线CT扫描是获取三维数字岩心最准确和直接的方法,但实验成本高。本文结合沉积过程模拟和模拟退火算法,提出了重建三维数字岩心的混合法,基于岩石二维图像重建三维数字岩心。利用岩石颗粒沉积算法构建初始数字岩心,作为模拟退火算法的初始状态。运用模拟退火算法调整岩石颗粒和孔隙的相对位置,使三维数字岩心与岩心二维图像具有相似的自相关函数,从而建立三维数字岩心。与传统模拟退火算法相比,该方法计算时间明显减小。运用局部孔隙度理论定量比较了重建数字岩心和岩心X射线微CT图像,两种数字岩心具有相似的均质性和孔隙连通性。利用有限元方法和格子玻尔兹曼方法分别模拟了重建三维数字岩心的地层因素和渗透率,数值模拟结果与实验结果相符。相比传统模拟退火算法,混合法重建数字岩心的传导特性更接近真实岩心的传导特性。     

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

三维数字岩心技术岩石物理应用研究进展

三维数字岩心可在孔隙尺度上对岩石的微观结构进行精细表征,以数字岩心为载体的岩石微观结构分析与岩石物理属性模拟研究已成为岩石物理分析的重要发展方向之一.本文从数字岩心建模、数字岩心图像分析及岩石物理属性模拟三个方面对数字岩心技术进行了介绍.将数字岩心技术在岩石物理领域的应用分为两大类:基于三维数字图像的直接分析和基于三维数字岩心的岩石物理属性数值模拟.通过三维图像分析可获得孔隙结构、矿物成分、粒度分布等信息;通过岩石物理属性模拟可以研究储层岩石电性、弹性、渗流和核磁共振特征.多种手段相结合建立多尺度、多组分数字岩心,突破分辨率与样品尺度的矛盾限制是数字岩心技术未来的发展趋势.数字岩心技术已发展成为岩石物理实验的重要组成部分,如何将孔隙尺度得到的岩石物理参数升尺度到数字井筒、数字油藏中是数字岩心技术发展亟需解决的难题.     

鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏微观孔喉球棍模型表征方法

以鄂尔多斯盆地J地区下石盒子组致密砂岩气藏储层为研究对象，利用Avizo软件的数据处理和数值模拟功能，处理多尺度三维CT成像技术提供的图像信息.提出核磁阈值分割法，应用该方法对研究区目的层岩石样品进行多尺度三维孔喉分维数重构，建立非常规致密砂岩气藏储层纳米级三维孔喉分布和孔喉球棍模型.利用数字岩心分析模块对孔隙空间进行计算，获得喉道半径、孔隙半径、配位数、喉道长度、喉道形状因子、孔隙形状因子等定量参数，进而应用上述表征参数进行孔喉结构定量评价.研究表明，纳米尺度下致密砂岩储层孔隙呈球状，喉道呈杆状、棍状和管束状分布，孔喉分布随机性强.多尺度三维CT成像技术具有无损、高分辨率等特点，能够在多个分辨率和不同视域获得较为清晰的二维、三维图像.建立的球棍模型，能够直观、定量表征孔喉大小、几何形态、空间分布、连通性等，对微细观尺度储层孔喉研究具有重要意义.     

基于微CT技术的致密砂岩孔隙结构特征及其对流体流动的影响

以川西地区的须家河组致密储层岩石为研究对象,利用微CT技术结合Avizo软件先进的数学算法构建了三维数字岩心模型,可以表征砂砾岩储层岩石的孔隙结构特征,并将数字岩心和有限元软件Comsol结合,实现了基于数字岩心的水驱气模拟过程的可视化.并在此基础上开展了水驱气模拟,研究微观孔隙结构特征对岩心中气水两相流的影响.研究结果表明:致密砂岩岩心的孔喉分布状态主要呈连片状和孤立状,其中连片状孔隙在空间上连通性好,主要与残余粒间孔或粒间溶蚀孔有关,而孤立状孔隙在空间上多呈孤立分布,主要与粒内溶蚀孔有关;致密砂岩样品等效孔径主要分布范围在0.5μm以下,储层物性差的样品孔隙结构要比储层物性好的样品复杂,且前者的孤立孔隙多且小孔隙占比高,连通孔隙较少,其对渗透率贡献性少;在水驱气的过程中,岩心的微观孔隙结构将改变驱替前缘形状以及造成气水两相流中舌进现象;随着岩心孔隙度和渗透率增大,水驱气的驱替效率增大,残余气饱和度降低.     

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.     

有效应力变化对致密砂岩孔隙结构及弹性波响应的影响规律

致密砂岩气藏具有裂缝发育和有效应力高的特征,研究不同有效压力下孔、裂隙介质地震波传播特征,有利于地震解释与地下储层的识别.但是前人的研究较少考虑岩石内部微观孔隙结构特征与孔隙、裂隙间流体流动的关系.本文首先通过选取四川盆地典型致密砂岩岩样,在不同有效压力下对岩石样本进行超声波实验测量.然后基于实验测得的纵、横波速度进行裂隙参数反演,得到不同有效压力下致密砂岩样本的裂隙孔隙度.再将裂隙孔隙度和样本岩石物理参数代入双重孔隙介质模型,模拟得到不同有效压力下饱水致密砂岩样本纵横波速度频散和衰减的变化规律.结果表明模型预测的速度频散曲线与纵波速度实验测量结果能够较好的吻合.最后统计分析了致密砂岩裂隙参数,得到了致密砂岩储层裂隙参数随有效压力及孔隙度变化特征.依据实际岩石物理参数建立模型,其裂隙参数三维拟合结果能够较好描述致密砂岩裂隙结构与孔隙度、应力的关联,可为实际地震勘探中预测储层裂缝性质提供基础依据.     

珠江三角洲地区断层构造岩三维微观结构特征初步研究

岩石内部成分和结构反映其形成过程的环境条件。本文利用高分辨率X射线微观层析成像（微观CT）技术，对珠江三角洲地区断层构造岩（以断层角砾岩、碎裂岩为主）进行三维成像观测和定量分析，尝试从微观角度给出该地区断裂活动特征的解释。研究珠三角地区8个断层构造岩的样品，除一个样品中仅以孔隙状态呈现外，样品中均可见明显裂隙；样品孔隙度范围在1.4%到13.4%；大量样品中可见代表高密度矿物成分的白色影像，其体积占比范围从0.7%到15.6%；裂隙和白色影像具有很好的相关性。对裂缝大小、延伸方向和延伸尺度等参数进行定量分析，并提取了裂隙体积和裂隙长度的分形维数。样品内部，不同尺度的微裂隙的优势方向具有很好的一致性；定向样品还表明，微米CT样品中裂缝的优势方位与宏观断裂的主要活动方位具有一致性。背散射电子成像及能谱分析表明，断层角砾岩的基质以石英为主，白色影像为铁氧化物，可能是流体在孔隙、裂隙中流动所逐步沉淀形成。断层角砾岩的微观结构显示其形成的力学属性为拉张环境，至少经历了岩石破碎、流水作用形成含铁矿物沉淀、胶结，以及后期的进一步破碎三个发展阶段。      

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.     

郯庐断裂带南段韧性剪切带糜棱岩化过程中长石成分和结构状态变化特征的研究

在对郯庐断裂带南段３条韧性剪切带中糜棱岩及围岩进行矿物组合、结构构造观察研究的基础上,对长石矿物进行了多项分析测试,发现长石成分及其结构状态参数的变化与构造应力场的构造作用存在明显的对应关系：随剪切变形作用的加强,长石矿物的结构状态参数呈增大趋势,矿物单位晶胞的体积和斜长石中Ｓｉ／Ａｌ比值随之减小;长石的变形指数（Ｉｓｓ）和斜长石中的钙长石分子（Ａｎ）与岩石的变形强度呈明显的正相关关系。这些研究结果为探讨构造变形场中矿物岩石的变形 变质作用提供了一种简捷有效的手段     

Petrophysical study of faults in sandstone using petrographic image analysis and X-ray computerized tomography

Petrographic image analysis (PIA) and X-ray computerized tomography (CT) provide local determinations of porosity in sandstone. We have investigated small faults called deformation bands in porous sandstones using these techniques. Because the petrophysical properties of the fault rock vary at a small scale (mm scale), the ability of PIA and CT to determine porosity in small volumes of rock and to map porosity distribution in two and three dimensions is crucial. This information is used to recognize the processes involved in fault development and the different kinds of microstructures associated with dilatancy and compaction. The petrophysical study of fault rock in sandstone permits one to make predictions of the hydraulic properties of a fault and thereby evaluate the sealing or fluid transmitting characteristics of faulted reservoirs and aquifers. The results of this study indicate that faulting in sandstone alters the original porosity and permeability of the host rock: the porosity is reduced by an order of magnitude and the permeability is reduced by one to more than seven orders of magnitude for faults associated with compaction.     

循环荷载下饱和岩石的滞后和衰减

通过对饱和砂岩和大理岩的循环荷载实验,分析了饱和岩石在循环荷载下的应力-应变滞后回线、瞬时杨氏模量、泊松比的“X”形变化曲线,以及杨氏模量随应变振幅的增加而减少等滞后现象,并分析了施加外力的应变振幅对衰减的影响,认为岩石在循环荷载作用下的衰减与应变振幅成正比,提出的衰减b值反映了岩石在循环荷载作用下衰减的程度. 岩石的衰减和滞后存在密切的关系,通过饱和岩石的宏观行为,探讨了饱和岩石在循环荷载下的滞后和衰减现象的微观机理,认为孔隙流体流动在岩石的滞后和衰减中起着重要作用,岩石内部的颗粒接触粘合和黏滑摩擦可能是孔隙岩石在循环荷载作用下产生滞后和衰减的原因.     

Coupled Models of Brittle-plastic Deformation and Fluid Flow: Approaches,Methods, and Application to Mesoproterozoic Mineralisation at Mount Isa,Australia

Rock deformation has an important effect on the spatial distribution and temporal evolution of permeability in the Earth’s crust. Hydromechanical coupling is of fundamental significance to natural fluid–rock interaction in porous and fractured hydrothermal systems, and in the assessment and production of hydrocarbon resources and geothermal energy. Shearing and fracturing of rocks can lead to the creation or destruction of permeability when fractures or faults form, or when existing structures are reactivated. Changes in stress orientation or fluid pressure can drive rock failure and create dilating fault zones that have the potential to focus fluid flow, or to breach seals above overpressured fluid compartments. Here, numerical models of deformation and fluid flow related to Mesoproterozoic copper mineralisation at Mount Isa, Australia, are presented that show how changes in deformation geometry in multiply deformed geological architectures relate to changes in dilation patterns, fluid pathways and flow geometry. Coupled numerical simulations of deformation and fluid flow can be useful tools to better understand structural control on fluid flow in hydrothermal mineral systems.     

韧性剪切带及其变形岩石

本文讨论了地壳和上地幔中韧性剪切带及其中的变形岩石。在大多数情况下,韧性剪切带中的变形岩石为糜棱岩,因为经受韧性剪切变形时,岩石的粒度显著减小并发育了强化的叶理(线理)。但是在某些情况下,例如,当隐晶质灰岩及富含长石的岩石经受韧性剪切变形时,剪切带中的变形岩石粒度局部增大或者没有发生明显减小,它们并不是典型的糜棱岩。由于变形环境、变形介质及变形机制的不同,韧性剪切带内岩石变形的产物是不同的     

Accuracy of formation factors for three-dimensional pore-scale images of geo-materials estimated by renormalization technique

The formation factor, the dimensionless electric resistivity of porous rock/sediment saturated with conductive fluid, is an important quantity in geophysical exploration for petroleum reservoirs and groundwater aquifers. The renormalization technique is a promising approximation method for the quick estimation of the formation factors from large three-dimensional images of porous geo-materials obtained by X-ray microtomography. In the present study, we applied the renormalization technique to various pore-scale image sets of real geo-materials (sandstones, pumice, lava, and sandy sediments). The purpose is to explore the factors controlling the estimation accuracy of the formation factor. The results revealed that the accuracy increases with increasing (i) porosity, (ii) degree of the pore elongation along the direction of the applied electric field, and (iii) size of the initial subsystem with which the renormalization step starts and with decreasing (iv) pore or grain size. Most importantly, a high degree of elongation of the pore structure along the applied field ensures good accuracy even if the porosity is low, the initial subsystem is small, and the pore or grain size is large.