龙马溪组页岩数字岩心动态法弹性等效数值建模

数字岩心是计算岩石弹性性质的一类常用方法.龙马溪组页岩具有多矿物构成、复杂微结构和强非均质等特征,常规岩石物理的弹性等效解析建模局限性较大,目前流行的静态数值等效建模方法的精度有限.本文基于高分辨率的页岩数字岩心数据,采用多阈值分割方法将数字岩心分解为黏土、石英、孔隙、TOC、长石类、黄铁矿类等六种矿物类型;利用矿物组分等效模量法计算各类矿物的弹性模量;采用二元函数分水岭方法表征不同压力下的岩石孔隙变形和颗粒接触关系变化;通过取向分布函数（ODF）定量分析矿物颗粒展布造成的各向异性特征.最后基于Biot孔弹方程,采用不分裂卷积完全匹配层（CPML）旋转交错网格有限差分法模拟不同压力下弹性波在数字岩心中的传播.以未加压的数字岩心为参考模型,计算不同压力下弹性波走时的平均时间差,进而估算各压力点的数字岩心等效速度.与该岩心样品的超声实验测量速度比较,动态法数值计算结果略偏高,据此校正数值计算过程中表征岩石微结构及颗粒接触关系随压力变化的二元函数,有效改善动态法弹性等效数值建模精度.

     

基于数字岩心的碳酸盐岩孔隙结构对弹性性质的影响研究(上篇):图像处理与弹性模拟

碳酸盐岩复杂的孔隙结构如何影响其弹性性质一直是地球物理研究的难点问题,在此基础上如何半定量甚至是定量地对碳酸盐岩储层预测,特别是如何有效地获取孔隙结构参数相关的地震属性体一直是油气工业界追求的目标.本研究从数字岩心角度入手,联合测井以及地震数据尝试探究这一问题的解决方案,包括如下几个方面：（1）代表性碳酸盐岩储层样品获取;（2）CT扫描数字岩心数据体获取;（3）数字岩心数据的图像处理;（4）数字岩心数据的静态弹性模拟;（5）数字岩心子数据体的孔隙结构因子提取;（6）孔隙结构因子表征与分类下的弹性性质与孔隙度的定量化量版建立;（7）数字岩心-井-地震联合的孔隙度属性提取;（8）孔隙结构因子的地震属性体获取.

本研究分为两篇系列文章上篇与下篇,上篇主要阐述如上提出的（1）-（4）方面,重点在于针对碳酸盐岩二值化图像处理的流程建立与验证,以及数字岩心静态弹性模拟的理论方面,这两方面是基于数字岩心获得精确的碳酸盐岩弹性性质模拟结果的关键所在;下篇主要阐述利用数字岩心数据获得孔隙结构因子的思路、理论与流程,以及为碳酸盐岩储层预测为目标而获得孔隙结构因子的地震属性体的实际应用方面.由于两篇文章共享数字岩心数据,同时所涉及的研究思路与流程形成一个有机整体,因此写成两篇系列文章而非两篇独立文章.本文为两篇系列文章的第一篇：上篇.

     

世界超深井岩心物理性质的温压实验结果综述（2）

本文阐述了独联体乌克兰地盾中部克里沃罗日铁矿盆地上超深井岩心标本的温压实验，（１）研究岩石弹性纵波速度（Ｖｐ）和横波速率（Ｖｓ）及其各向异性系数，杨氏模量（Ｅ）剪切模量（Ｇ），压缩率（β）泊松系数（σ）与流体静压力，正常温压和高温高压的关系。（２）研究了岩石导热率（λ）和导温率（α）和热容量（ｃ）与温压的关系；（３）随着压力的增大，岩石弹性波速度及其各向异性分别是增大和减小的，在不同方向上弹性汉事     

基于三维数字岩心的介观尺度流弹性响应数值模拟

复杂介质油气藏的地震波频散和衰减是地球物理勘探中油气特征反演与解释的重要属性.介观尺度处于微观孔隙尺度与宏观地震波场尺度之间,地震波穿过饱和流体岩石时激励流体发生频散和衰减,导致地震波能量损耗,被称为介观波致流.其形成机理、特征和规律一直是勘探地球物理学和岩石物理学等领域共同关心的科学问题,也是研究的前沿和难点之一.本文首先选取印第安纳灰岩（Indiana）作为研究对象,通过排水方式饱和样品,使用CT方法研究介观流体分布特征和规律;为研究其机理,引入Biot孔弹性理论构建三维（3D）数值模型,模拟部分饱和岩石的纵波速度频散和衰减特征.经对比,数值模拟结果与实验结果匹配,表明Biot孔弹性理论可以用来描述介观波致流的物理机理.本文发展的岩石物理实验结合数值模拟的研究手段为今后研究介观流衰减和频散的特征和规律提供了理论和方法借鉴.

     

双相各向异性介质中弹性波传播特征研究

随着地震工程和能源地震勘探的深入发展,人们所遇到的地下介质愈来愈复杂．常规的各向异性介质理论或双相各向同性介质理论难以精确描述含流体的各向异性介质,如裂缝性气藏、含水页岩等．本文以Biot双相各向异性介质理论为基础,利用弹性平面波方程,推导出了任意双相各向异性介质中弹性波的Christoffel方程．根据Christoffel方程,计算并分析了频率对双相横向各向同性介质中弹性波的相速度、衰减、双相振幅比和偏振特征的影响．结果表明,在4类波(快纵波、慢纵波、快横波和慢横波)中,频率对慢纵波影响最大;当耗散很大时,快纵波、快横波和慢横波的流固相振幅比值近似为1．对偏振特征分析的结果表明,在双相各向异性介质中,弹性波的固相位移偏振方向与流相位移偏振方向将不再保持同向或反向,而是呈不同大小的夹角．     

岩石物理弹性参数规律研究

根据辽东湾凹陷某区在地层条件和不同流体相态(气饱和、水饱和等)下岩石纵波速度、横波速度及密度等岩心测试数据,以及岩石矿物成分、孔隙度等常规岩心分析数据,统计分析了岩石弹性参数变化规律.采用有效流体模型、斑块饱和模型进行了纵、横波速度理论计算,并和实验测量结果比较,认为高孔、高渗岩石可以看作有效流体模型,低孔、低渗岩石更接近斑块饱和模型.这些规律和认识对于指导储层预测和油气检测及地震振幅综合解释有重要的意义.     

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.     

基于数字岩心岩石电性数值模拟方法综述

以致密砂岩为代表的非常规油气储层,由于具有低孔低渗、孔隙结构复杂及岩心致密等特点导致岩石物理实验测量周期长、成本高、岩心驱替困难,难以定量研究微观参数对电阻率的影响.以X射线CT扫描为基础发展起来的数字岩心岩石物理属性模拟技术则弥补了这种不足.本文系统总结了基于数字岩心电性数值模拟基尔霍夫、随机游走、格子玻尔兹曼、有限元等方法的优缺点;列举了国内外学者的研究实例及取得的进展;探讨了目前电性数值模拟研究中存在的主要问题;同时指出了数字岩心电性数值模拟的发展方向.     

基于数字岩心的岩石电性微观数值模拟(英文)

本文利用x射线CT获取反映岩心微观结构的三维数字岩心,利用数学形态学中的开运算模拟了岩石的油驱水排驱过程中,不同含水饱和度下油和地层水在孔隙空间中的分布。利用有限元方法计算了岩石电阻率,进而得到岩石地层因素和电阻率指数,并考查了岩石润湿性对岩石电阻率指数的影响。数值模拟结果表明：基于数字岩心的水湿岩石地层因素和电阻率指数数值模拟结果与实验结果一致,拓展了岩石电阻率实验的能力;岩石润湿性对岩石电性有重要影响,在相同含水饱和度下,油湿岩石电阻率高于水湿岩石电阻率,油湿岩石饱和度指数远大于水湿岩石饱和度指数。     

基于数字岩心的砂砾岩中聚合物驱油的模拟研究

新疆油田砾岩油藏储量规模大,其岩性变化迅速,非均质性强、孔隙结构复杂,开采难度较大.目前,砂砾岩油藏经过几十年的注水开发,已处于高含水开采阶段.聚合物驱油技术对于砂砾岩油藏的进一步开发意义重大.本研究基于计算流体力学方法和数字岩心技术建立了一套模拟聚合物驱油的方法,实现了包含油驱水、水驱油、聚合物驱油和后续水驱四个过程...     

数字岩心逆建模理论下的储层参数定量预测方法

数字岩心微观孔隙结构十分复杂,有限元模拟物性参数与弹性参数之间关系是非线性的,直接反演其物性参数准确度低、稳定性差.本文发展了一种数字岩石物理逆建模方法,实现了基于数字岩心的储层参数有效预测.从数字岩心基函数的构建出发,基于有限元方法,计算了一系列具有等间距物性参数值（孔隙度、泥质含量和含水饱和度）的数字岩心弹性参数（体积模量、剪切模量和密度）,通过插值算法建立了数字岩心弹性参数三维数据集,从而实现了弹性模量的有限元数值解的快速构建;然后搜索弹性参数的单值等值面,通过等值面的空间交会得到交点,完成储层参数预测.测试结果表明：基于数字岩心逆建模理论的储层参数预测结果与实际模型一致,具有可行性,并且可以通过增加插值点数目提高预测的准确性;孔隙度和泥质含量预测结果稳定性很好,而含水饱和度对噪声的加入较为敏感.

     

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.

     

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.

     

过程法数字岩心建模与弹性参数模拟研究

在数字岩石物理中数字岩心是弹性参数模拟的基础,现有的数字岩心建模方法虽然较多,但一般不能满足弹性参数模拟对骨架所提出的要求.过程法以岩石粒径分布曲线为约束条件构建数字岩心,是一种比较灵活的数字岩心建模方法.本文根据前人研究结果在过程法的压实过程中用一面状像素层表示颗粒与颗粒间的接触边界,使相邻的骨架颗粒能够相互区分,提高了数字岩心骨架结构的精细程度.在弹性参数模拟中,当变化数字岩心中的颗粒、颗粒接触边界和胶结物的弹性模量时,数字岩心的弹性模量发生相应的变化.数字岩心弹性模量的变化量与组成物质的体积含量及其弹性模量赋值有关.这说明能够利用数字岩石物理研究各种地质和环境因素对岩石弹性性质的影响.进一步分析认为,目前的建模方法对数字岩心的定义还不够充分,利用数字岩石物理解决实际地质问题尚有难度.     

基于数字岩心的碳酸盐岩孔隙结构对弹性性质的影响研究(下篇):储层孔隙结构因子表征与反演

碳酸盐岩复杂的孔隙结构如何影响其弹性性质一直是地球物理研究的难点问题,在此基础上如何半定量甚至是定量地对碳酸盐岩储层预测,特别是如何有效地获取孔隙结构参数相关的地震属性体一直是油气工业界追求的目标,本研究从数字岩心角度入手,联合测井以及地震数据尝试探究这一问题的解决方案.首先针对代表不同孔隙结构类型的有限数目的碳酸盐岩样品获得其对应的高精度数字岩心数据体,为了获得更加可靠的具有地球物理含义的弹性性质随孔隙度变化的统计规律,我们通过子网格的技术,在有限数目的碳酸盐岩数字岩心数据体上获得了大量的数字岩心子网格样本,对于每个子网格样本可以分别获得其对应的数字岩心图像孔隙度、表征孔隙软硬程度的孔隙结构参数（γ）、以及基于有限元法模拟的弹性性质,由此基于数字岩心的研究思路,我们最终获得了基于孔隙结构因子表征与分类下的弹性性质与孔隙度的定量化解释量版.与此同时,在地震尺度上通过叠前地震资料获取的纵横波及密度属性体后,基于如上获得的定量化解释量版,我们最终获得了针对碳酸盐岩储层的新的属性体——孔隙结构参数（γ）属性体,这使得在地震尺度上预测碳酸盐岩储层的孔隙结构类型成为可能,也使利用地震数据在孔隙结构参数表征与分类下的碳酸盐岩储层反演精度的提高成为可能.

     

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...     

各向异性多孔介质数字岩心模型重构通用算法

多孔介质材料内部的微观孔隙结构直接决定着其宏观的各类物理特性, 岩石等天然多孔介质材料内部分布有复杂的孔隙结构, 且呈现出较明显的各向异性特征, 准确的描述和捕捉该特征对于岩石高精度数字岩心模型的构建以及后续的孔隙尺度模拟至关重要.基于先前所提出的重构加速框架, 选用单点概率函数、两点概率函数和线性路径函数等统计函数来对孔隙结构特征进行定量化描述, 通过对孔隙结构在不同方向上的分布特征进行独立的提取表征, 提出了一种能够适用于岩石等各类天然各向异性多孔介质数字岩心模型构建的改进模拟退火算法.以具有显著各向异性特征的人工合成二维切片图像及真实碳酸盐岩和砂岩三维CT扫描图像作为测试参考样本, 分别采用传统方法和本研究所提出方法构建了其相应的数字岩心模型, 并对两者的连通性及不同方向上孔隙结构的分布情况和渗透特性进行了全面的综合对比分析, 结果表明: 相比于传统方法, 本研究所提出方法在确保重构岩心模型具有良好连通性的前提下, 能够对不同方向上孔隙结构分布的差异性进行更加准确的捕获和表征, 且重构岩心模型各个方向上的渗透性也与参考真实岩心表现出了较高程度的一致性, 实现了高精度还原重建参考图像中孔隙结构各向异性特征的目标, 从而验证了本研究所提出的各向异性多孔介质数字岩心模型重构方法的准确性和有效性.

     

利用三维数字岩心计算龙马溪组页岩等效弹性参数（英文）

弹性参数在甜点区预测和页岩气的开发过程中扮演着重要的角色,因此研究等效弹性参数随页岩气储层属性的变化是一项很有意义的工作。研究中我们用X射线CT扫描技术获得了较为精确的页岩样品微观结构图像。从这些图像中,我们可以获得孔隙度和矿物的详细情况,据此,我们构建了三维数字岩心,并应用有限元法对弹性参数进行了数值模拟,其间深入考察了子样选取、网格划分、求解器类型以及边界条件等,该方法易于区别不同的矿物及其百分含量。本文重点研究孔隙度和干酪根含量对弹性参数的影响,计算结果表明,孔隙度和干酪根含量对弹性性质有较大的影响,当孔隙度和干酪根含量增加时,弹性模量降低,且当孔隙度小于0.75%左右、干酪根含量大于3%左右时弹性参数减小速率较缓。因为孔隙度仅仅为4.5%,孔隙中填充油或气对弹性参数的影响甚微。不同岩心样本具有不同的孔隙度和干酪根含量,传统岩石物理实验不仅昂贵而且费时,而数值模拟是基于数字岩心来计算弹性参数,更加经济、方便。本研究证实了将页岩样品的微观结构图像与弹性模量的计算相结合来预测页岩弹性参数的可行性。     

弹性波边界元法正演模拟

弹性波边界元地震模型方法（ＢＥＥＳＭ）,实现了二维和三维问题的纵、横波及转换波的同时模拟,并且能模拟任意复杂构造的地震声波正演模型．根据地震模型的特点,本文发展了数值积分计算与矩阵消元同步进行的块状高斯消元法;用解析法处理奇异积分;用无限元法处理边界吸收问题;采用单元长度随介质速度和计算频率变化的变单元算法,及自动剖分单元等技术,提高了计算精度,节省了内存,缩短了计算时间．