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.     

数字岩石物理中弹性参数的有限差分计算方法

数字岩石物理利用三维成像技术和数学方法,建立数字岩心,开展多场物理响应模拟,计算岩石的等效弹性参数,为岩石物理学研究开拓了新的领域.本文发展了一种基于高阶有限差分的岩石模量数值计算的新方法,该方法便于理解,容易实现,占用内存相对较少,计算效率高,结果合理,弥补了常规岩石物理实验周期长,成本高,误差大等不足.该方法将三维数字岩心样本嵌入一个具有与岩心样本骨架颗粒相同弹性性质的区域中扩充成一个新模型,测量由数字岩石样本非均匀结构带来的纵波或横波峰值振幅的时间差,利用该时间差(相对参考模型)估算纵横波的等效速度,进而求取等效弹性模量.理论模型和实际岩心的计算结果表明,数值模拟结果与实验结果有较高的吻合度,验证了该方法的合理性.     

三维数字岩心透射超声波模拟与速度精度分析（英文）

基于数字岩心的透射超声波模拟是数字岩石物理的重要组成部分,可用于研究波在孔隙岩石中的传播规律,计算岩石的等效速度等。在三维数字岩心中模拟超声波传播时,沿波传播方向在数字岩心两侧附加均匀的镶边层,设置震源和检波器。震源激发后检波器记录数字岩心的入射波和透射波,拾取两者波峰时间的差值,计算超声波在数字岩心中的传播速度(即数字岩心的速度)。为评估透射超声波模拟的精度,将一个数字岩心的孔隙分别饱和气、油和水,计算它们的速度。当震源频率较高时,速度随频率的降低而升高,这应当是波场散射的结果。当孔隙流体按气→油→水方向变化时,不同频率对应的速度具有相似的变化规律,并与线弹性静力学模拟输出的速度的变化规律相似,但数值有差异。考虑到线弹性静力学模拟已被广泛应用,若将其作为基准,则可认为透射超声波模拟具有较高的相对精度。     

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.     

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.     

基于计算岩石物理方法的页岩储层弹性参数提取

发展了应用数值计算方法获取页岩储层的速度、各向异性参数的计算岩石物理系列方法.该系列方法包括了大尺度精细地质模型数值建模、计算网格尺度的地球物理建模和地震波数值模拟提取岩石物理弹性参数.本文方法利用储层的统计数据而不是具体岩心的测量数据,可获得储层岩石物理弹性参数的变化规律.相比于基于岩心测试的岩石物理方法,本文方法可精细考虑实际储层的非均匀特征,可得到岩心测试难以求取的与尺寸效应高度相关的弹性参数,也避免了求取弹性参数变化规律时获取不同地质特征岩心的困难.本文发展了计算岩石物理方法,为计算岩石物理面临的大尺度地质建模和计算能力限制问题提供了有效的解决方案.文中以胜利罗家的页岩储层为例,求得了储层TOC含量从3%到21%变化情况下储层的P波、S波速度以及各向异性参数变化规律.     

地震频段弹性模量测试系统改进与升级

获取地震频段弹性模量对于地震数据定量解释、研究地震波传播特征及油气勘探开发具有重要意义.前期建立的测试系统基于应力应变法可以获得地震频段内岩心的杨氏模量、泊松比和衰减.该系统仅适用于φ38 mm岩心,而测量物性参数(孔隙度、渗透率等)、测量超声纵横波速度时一般使用φ25 mm岩心.为将 φ25 mm岩心应用于地震频段弹...     

不同压力下部分饱和砂岩纵波衰减的理论及实验研究

深入了解不同压力、频率、流体含量和流体分布对岩石中弹性波传播特性的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义.不同尺度下的波致流效应,是声波传播过程中产生速度频散和衰减的重要原因.本文以不同压力下水饱和区域改进的骨架模量为纽带,建立了联合介观尺度斑块饱和效应与微观尺度喷射流效应的部分饱和岩石声学理论模型.开展针对性声学实验,根据不同压力下部分饱和砂岩纵波速度测量数据,确定理论模型中的相关参数,从而实现对不同压力下部分饱和岩石纵波衰减的定量表征.在此基础上,通过理论与实验测量的纵波衰减的对比,分析不同压力、含水饱和度以及频率对岩石纵波衰减的影响.研究结果表明,在较低压力,较高含水饱和度以及较高频段,喷射流效应较强,因此新建模型计算的衰减明显大于斑块饱和模型的衰减.由于新建模型体现了斑块饱和效应与喷射流效应的综合影响,相比于斑块饱和模型,新建模型计算的部分饱和岩石的纵波衰减更接近于实测衰减,但受到岩石自身因素影响,新建模型计算的衰减仍略小于实测衰减.     

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.     

CPU-GPU异构并行计算在数字岩心线弹性静力学有限元模拟中的应用

线弹性静力学有限元模拟是计算数字岩心弹性模量的有效方法之一,已被用于研究数字岩心的弹性模量与其微观结构、物质组成之间的关系.若要形成解决实际问题的能力必须计算足够多的数字岩心样本,而有限元模拟的计算量较大,因此并行计算对于该方法的成功应用非常重要.本文将数字岩心线弹性静力学有限元模拟算法分解为在CPU和GPU上执行的两个部分,由CPU负责协调控制,GPU负责大规模数值计算,实现CPU-GPU异构并行计算,获得计算效率提升.采用该并行算法计算孔隙数字岩心、裂缝数字岩心和裂缝—孔隙数字岩心的弹性模量,得到的弹性模量—孔隙度关系符合一般的岩石物理规律.CPU-GPU异构并行的线弹性静力学有限元模拟能够迅速计算大量数字岩心的弹性模量,提供相当于物理实验的"观测数据",对岩石物理学研究具有重要的意义.     

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.     

基于等效各向异性和流体替换的地下裂缝地震预测方法

地下裂缝是油气聚集和运移的重要通道,而裂缝岩石物理是裂缝参数与地震响应之间联系的桥梁.从裂缝岩石物理出发,探索利用地震数据预测地下裂缝的方法.首先通过构建裂缝岩石物理等效模型,弥补测井横波的缺失,并且实现裂缝岩石物理参数的预测;然后推导了裂缝岩石物理参数与地震响应之间的近似关系式,同时探索裂缝岩石弹性参数和岩石物理参数的地震直接反演方法;最后分别利用测井数据和实际工区地震数据对裂缝岩石物理等效模型的可靠性以及裂缝岩石物理参数直接反演方法的精度进行了验证.结果表明,构建的裂缝岩石物理等效模型可以实现裂缝岩石纵横波速度及岩石物理参数的可靠估测,而且裂缝岩石物理参数地震直接反演方法具有较高的抗噪性,在实际目标工区弹性参数和裂缝岩石物理参数的估算中具有较好的应用结果.     

背景为各向异性的含裂缝岩石频散和衰减计算方法研究

裂缝广泛分布于各类储层岩石中,并且会显著提高储层的渗流能力.因此,裂缝的评价和表征对于提高油气产能具有重要意义.由于裂缝与背景介质之间的波致流会显著影响地震波的频散和衰减特性,所以地震勘探是评价裂缝性储层的有效手段.裂缝地震定量表征的前提是要基于含裂缝岩石中波致流对频散和衰减的影响建立含裂缝岩石物理特性与地震性质的关系.然而,目前相关的理论研究大部分基于各向同性背景这一假设,难以有效应用于常见的各向异性储层.本文针对背景为各向异性的含裂缝岩石提出了频散和衰减的计算方法.该方法首先将含裂缝岩石中的各向异性背景介质等效为层状背景介质;然后,通过分析不同频率下层状含裂缝岩石中的流体压力分布,理论计算了两个特定的中间频率并求解得到两个中间频率下的弹性参数;进一步,以计算得到的两个特定中间频率以及高低频极限下的弹性参数为基础,应用数值方法求解得到弛豫函数中的未知参数,最终实现了背景为各向异性含裂缝岩石中频散和衰减的理论模拟.通过将理论预测结果与实验测量和数值模拟结果进行对比,验证了该方法在背景为各向异性含不同分布裂缝岩石中的有效性.本文提出的方法考虑了常见的各向异性背景对含裂缝岩石频散和衰减的影...     

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.     

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.     

孔、裂隙介质声学理论及其在油气识别应用中的新进展

近年来发展的孔隙、裂隙介质弹性波动理论是孔隙介质声学的重要进展,提高了声学参数对岩石流体识别的灵敏度.岩石中裂隙的存在增大了岩石速度的频散程度.目前发展的孔、裂隙弹性波理论可较好地模拟实验室观测到的岩石频散和衰减特征.将此理论应用于非常规油气储层的油气识别可大大提高解释的可靠性.本文综述了孔隙介质声学及孔裂隙理论的研究现状,阐述了孔、裂隙介质弹性波的传播机理;通过模拟实验室超声测量的岩石声速验证了孔、裂隙弹性波理论的可靠性.将此理论应用于测井实际数据,反演得到了地层的流体性质,反演结果显示明显提高了识别流体性质的可靠性.     

祁连山冻土区孔隙型水合物地层速度估算方法研究

水合物地层弹性波速度的准确计算对于水合物地球物理方法的探测与识别至关重要.本文针对祁连山冻土区孔隙充填型水合物,分析了水合物赋存于地层岩石孔隙中的分布状态与水合物饱和度的关系,利用基于等效介质理论的弹性波速度模型研究了水合物储层弹性波速度与水合物饱和度的变化关系.研究表明:水合物的微观分布模式与岩石孔隙中水合物的多少关系密切,可用水合物饱和度来表征;水合物饱和度对于水合物地层弹性波速度的影响可视为简单的线性关系,建立了祁连山冻土区的水合物储层正演模拟弹性波速度模型(模型X);利用研究区不同的水合物储层模型,验证了模型X能够有效评价孔隙型储层的弹性波速度变化特征.研究结果可为祁连山冻土区水合物地震勘探与地层测井评价提供理论依据和技术支撑.     

非常规油气储层脆性评价方法研究进展

岩石脆性评价方法对于非常规油气资源的勘探开发至关重要,其通过计算岩石脆性指数来量化岩石脆性进而用于表征岩石可压裂性,最终服务于非常规油气资源的工业化生产.尽管脆性指标如此重要,由于其物理内涵的特殊性及复杂性,至今业界对岩石脆性没有统一的定义,因此没有统一的岩石脆性评价方法.研究人员出于各自不同的考虑提出了众多岩石脆性评价方法,例如通过确定岩石中脆性矿物及塑性矿物提出的矿物组分法、利用室内岩石力学实验应力-应变曲线中获得的弹性参数及其他特征参数提出的弹性参数法、全应力-应变曲线特征参数法以及利用硬度或强度测试得到的硬度、强度参数提出的硬度法、强度法等.随着近年来的研究深入,许多基于传统方法、原理或不同于传统方法的新型计算方法也得到了更为长足的发展,研究人员对于岩石脆性的定义有了更加深刻的理解.本文对岩石脆性评价常用的方法进行了分析,对计算方法的原理、优越性及局限性等方面进行讨论,并对岩石脆性评价方法的发展趋势进行了展望.     

碳酸盐岩储层各向异性岩石物理建模与孔隙结构分析（英文）

针对非均质性较强的碳酸盐岩储层,综合各向异性自相容近似理论与差分等效介质理论建立了一种各向异性岩石物理弹性参数计算模型。通过对碳酸盐岩孔隙结构实验结果分析,提出了碳酸盐岩弹性参数计算的孔隙结构模型。综合使用各向异性等效介质理论与碳酸盐岩孔隙结构模型,给出了碳酸盐岩非均质储层弹性参数计算的实现方法。通过对比灰岩样品测试数据与理论模型计算结果,表明本文提出的等效弹性理论模型能够描述碳酸岩盐储层速度与孔隙度变化关系,可作为碳酸盐岩储层地震数据解释的基本依据。     

裂隙参数对衰减各向异性影响的数值模拟

理论、观测和实验均证实,在地壳和上地幔存在对应力变化敏感的直立裂隙,在整体上呈现方位各向异性.在Hudson裂隙理论基础上,系统全面地数值模拟了裂隙介质几何、物性和弹性波频率等参数对各向异性衰减的影响.结果显示,裂隙密度、裂隙纵横比、泊松比、裂缝填充物、弹性波频率和未破裂岩石母体纵横波速度等对各向异性衰减有着显著影响,...