煤田三维地震综合解释技术在复杂地质条件下的应用

 常规的煤田三维地震解释以时间域运动学信息为主,适用于地质条件不太复杂的情况。如果把这种方法应用于复杂的地下地质构造,则会因为信息量小降低解释的精度和可靠性。多信息、多学科相融合,即地震运动学和动力学相结合,地震与地质、测井多学科相结合,时间域和深度域相结合的综合解释技术是提高复杂地质条件解释精度的重要手段。地震属性技术、三维可视化技术、测井约束地震反演技术和基于空变速度场的时深转换技术是三维地震综合解释的关键技术。以淮南煤田为例,利用全三维可视化技术探测出煤层内的旋纽构造和新构造运动,利用地震属性中的运动学和动力学特征探测出煤系地层中的陷落柱,通过测井约束地震反演方法和基于空变速度场的时深转换技术实现煤系地层及煤层的空间预测,这些复杂地质构造的发现以及煤层的空间预测结果,对于重新评价煤田开采条件和储量具有重要意义。这项综合解释技术通过利用各种地质信息,有效地降低复杂地质条件下的勘探成本,因此,将成为今后解决煤田复杂构造和岩性勘探的主要手段。     

综合地震勘探在万利矿区构造探查中的应用

为查明万利矿区某新建矿井地质构造发育情况,同时开展采区地面三维地震勘探和井下槽波地震勘探的综合地震勘探。本文介绍了三维地震勘探采集及处理解释方法,针对三维地震解释的对安全生产有较大影响的断层再进行井下透射和反射两种槽波地震勘探方法进行深入勘探,经过钻孔揭露验证,两种地震勘探方法均成功解释了F8断层,槽波地震勘探成果精度更高。结果表明,综合地震勘探方法对新建矿井地质构造发育的探测是有效的,大范围三维地震勘探结合槽波地震的精细勘探,可为矿井巷道开拓及工作面的布置提供地质依据。     

VTI介质地震成像技术在地质勘查中的应用

随着地震勘探目标复杂程度的提高,基于各向同性介质假设的基本成像方法越来越难以满足生产实际需要。因此研究在各向异性介质情况下的成像方法,对于各种地下构造勘探以及矿产开发,都有着极为重要的意义。论文推导适用VTI各向异性介质的SSF延拓算子并实现VTI介质炮域单程波叠前深度偏移,对VTI-HESS模型进行了计算验证。相比各项同性介质情况下的偏移成像方法,VTI介质炮域偏移方法加入了各向异性参数的影响因素,其结果与实际勘探资料更加符合,具有更好的成像效果。     

地震勘探在准东某狭长煤层发育带勘探的应用

地震勘探是煤田及石油勘探中的常用手段,全球大部分煤田及油田都是由地震勘探首先发现的,但是在狭长的煤层发育区开展地震勘探,受反射波偏移归位差及认识的限制,勘探效果往往不太理想。由此,以准东某狭长煤层发育带为例,通过开展地震勘探,分析在这类地区的采集重点及主要的处理、解释思路,为同行提供参考。     

岩溶区利用地震速度成像研究地下地质结构及特征

在场地狭窄,电性干扰严重的浅覆盖岩溶区,不利于电探方法来探查地下地层的岩溶发育特征。推荐采用地震纵波速度成像、横波速度剖面来综合探查地下的基岩起伏、地质结构和岩溶发育特征。在野外采用同一个排列保持道距不变的情况下,很容易获得这两种方法的地震记录。两种方法研究结果表明,多道噪音记录的折射微动面波法在探测基岩起伏方面具有较高的分辨率但探测深度浅;多炮点纵波速度成像对基岩面有平滑作用但探测深度较深。钻探资料证实,纵波速度成像中的相对低速区反映基岩内岩溶裂隙发育,是寻找地下水的有利靶区。多道记录,炮点—检波点射线高密度覆盖,可保证获得可靠的速度资料。两种方法联合探测地下岩溶特征具有一定的优势。     

层状与各向异性介质波动问题的时域边界元法及工程应用

时域边界元方法是研究层状与各向异性介质波动问题的有效工具,本文对其研究背景和进展情况进行了扼要评述。在此基础上,将其运用于对某电站地下厂房在地震波作用下的波动响应分析,通过求解地下厂房的位移响应和应力响应并比较地基介质的各向异性程度,入射波的角度及频率对波动响应的影响,获得了对工程具有重要参考价值的规律。     

管波探测法和跨孔弹性波CT法在岩溶场地勘察中的联合应用研究

为提升岩溶探测的准确性,以广东省惠州市某住宅项目为背景,采用管波探测法和跨孔弹性波CT法联合探明场地地下溶洞分布、发育、连通情形,将两者所得结果与钻孔所揭示的土层和溶洞分布进行对比分析,验证了管波探测法和跨孔弹性波CT法联合检测地下溶洞地质的可靠性。探测结果表明,管波法可对钻芯法的岩土体分层和土性情况进行验证,并对钻孔周围溶洞发育情况进行探测,避免了超前钻探方法一孔之见局限性;跨孔弹性波CT法的波速影像图可较易识别岩溶发育,但容易忽略基岩中零星分布体积较小的溶洞。联合应用管波探测法、跨孔弹性波CT法和钻芯法,能较全面地探测复杂岩溶场地的溶洞发育情况,有效提高探测结果的可靠性,为岩溶地区桩基础设计与选型提供科学指导。     

谱分解技术在预测煤层冲刷带中的应用

宁夏回族自治区灵武市宁东镇积家井矿区内存在煤层冲刷带,将谱分解技术应用于煤层冲刷带的识别当中,对三维地震数据体进行频谱分解,得到不同频率的调谐数据体。采用方差体技术对同频率的调谐数据体进行方差计算,再进行属性分析,该方法同时具有频谱分解和方差体属性的综合优势,大大提高了煤层冲刷带的解释精度,精细刻画了煤层冲刷带的分布范围。实际巷道揭露资料表明,所预测的煤层冲刷带范围精度较高。     

荔湾深水速度分析方法研究

荔湾深水地震资料采用长电缆大排列采集,且地下各向异性问题严重,严重影响了速度分析的精度。常规双曲线及各向异性时距曲线仿真结果表明：时差误差受电缆长度（X／D）、各向异性（Eta）两个因素影响;电缆越长、各向异性越强,用常规速度解释造成的时差误差越大;优选出了基于各向异性介质的速度分析方法,道集大偏移距部分得到了有效拉平,地震高陡倾角的成像精度有很大提高,较好地解决了荔湾深水区长电缆地震资料的速度场和各向异性的问题,为深水长电缆地震资料处理提供了较好的技术手段。     

节理岩体物理模拟与超声波试验研究

以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，给出具有不同节理面岩体的数学物理模型，将具有典型节理构造的岩体分别简化为横向各向同性和单斜各向异性介质，并得出各向异性介质中的弹性波在遇节理面发生反射、透射后沿不同传播方向的传播速度。根据上述数学物理模型制备节理岩体物理模型，相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试，试验证明，超声波波速对于物理模型中节理面的影响十分敏感，节理面的存在使弹性波传播速度重新分布，在合理布置测点的情况下，对节理面的存在及方向识别较为准确。在实际工程中，通过合理布置测点的超声波测试，可以对工程岩体中节理裂隙发育的优势方向进行判断，有效地反映岩体结构面的各向异性，为实际工程提供数据资料。     

用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。     

Topography of natural and artificial fractures in granitic rocks: Implications for studies of rock friction and fluid migration

The topography of fractures and joints has a strong influence on their frictional strength and fracture permeability. Important aspects of the surfaces are the size, distribution and density of contact spots between the surfaces, which can be calculated using topographic data. For a variety of tensile fracture surfaces in granite, including both natural joints and man-made fractures, spectral and statistical properties are similar, suggesting that man-made fractures in granites can be acceptable substitutes for natural fractures in some experimental situations. The topographic data indicate that fracture surfaces at scales from 0.1 to 200 mm are approximately fractal and statistically self-affine. A log-log plot of power spectral density vs spatial frequency, calculated from the fracture surfaces indicates a spectral slope of −2.3 ± 0.2, yielding a fractal dimension D between 2.25 and 2.45. Shear fracture surfaces are also fractal, but have anisotropic roughness, which develops during the fracture initiation process. The amount of anisotropy that develops on the shear fracture surfaces is small in comparison to that exhibited by natural fault surfaces, which include anisotropy that results from post failure wear and from surface evolution. For fractures like those measured in this study, simple simulations indicate that the aperture, size and number density of wall-to-wall contacts between the surfaces change non-linearly with relative shear displacement of the surfaces. It is possible to make preliminary estimates of how the permeability and frictional properties of fractures and joints depend on the size, distribution and character of the contact spots. Furthermore, given that artificial fractures can be generated numerically with statistical properties similar to those of natural or man-made fractures, it is reasonable for systematic studies of the effects of roughness on friction and fluid flow to use computer designed surfaces to provide a range of variability that is not easily accessible in the laboratory.     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

Size effect on aperture and permeability of a fracture as estimated in large synthetic fractures

Synthetic fractures of from 0.2 to 12.8 m in size were created on a computer by a new spectral method to reproduce the ratio of the power spectral density of the initial aperture (the aperture when the surfaces are in contact at a single point) to that of the surface height determined for a tensile fracture of 1 m. First, the size effect on the standard deviation of the initial aperture was analyzed for fractures with and without shearing. Next, by taking aperture data at constant intervals to establish a flow area, water flow was simulated for fractures during both normal closure and closure after shearing, by solving Reynolds equation to determine the hydraulic aperture. When the fracture is closed without shearing and has the same mean aperture, the effect of the fracture size on the hydraulic aperture disappears if the fracture is larger than about 0.2 m, since beyond this size the standard deviation of the initial aperture is almost independent of the fracture size. When the fracture is closed after shearing, the hydraulic conductivity shows remarkable anisotropy, which becomes more significant with both shear displacement and closure. However, the relation between the hydraulic aperture normalized by the mean aperture and the mean aperture normalized by the standard deviation of the initial aperture is almost independent of both the fracture size and shear displacement when the shear displacement is less than about 3.1% of the fracture size, at which point the standard deviation of the initial aperture of the sheared fracture is almost independent of the fracture size.     

层理对页岩水力裂缝扩展的影响研究

 层理、裂隙等结构面的存在是实现页岩气藏储层体积改造的前提。为分析层理对页岩水力裂缝扩展的影响,在各向异性材料裂纹尖端应力场分布特征的基础上,开展切口与层理呈不同方位的圆柱形试样三点弯曲试验,研究页岩断裂韧性的各向异性特征,并揭示其断裂机制的各向异性,进而根据真三轴条件下页岩水力裂缝的延伸规律,探讨了层理在页岩网状压裂缝形成过程中的重要作用,结果表明：(1) 各向异性材料裂纹尖端的应力场和位移场不仅由应力强度因子决定,还与材料的弹性常数有关;(2) 切口与层理呈crack-arrester,crack-divider和crack-splitter三种方位时,页岩断裂韧性在crack-arrester时最大,crack-splitter时最小,各向异性显著,而层理面开裂和断裂路径偏移是引起断裂韧性各向异性的主要原因;(3) 页岩层理的弱胶结作用使其断裂韧性较小,阻止裂纹失稳扩展的能力较弱,而在垂直层理方向,断裂韧性较大,阻止裂纹扩展的能力较强,当水力裂缝垂直层理扩展时,在弱层理面处会发生分叉、转向,且在继续延伸的过程中会进一步沟通天然裂缝或弱层理面而形成复杂的裂缝网络,达到体积压裂。研究结果可为深入认识页岩气藏储层体积压裂形成条件及机制提供一定参考。     

基于格里菲斯准则的地下岩体天然裂缝分布的有限元模拟研究

地下沉积岩体一般非均质性很强，力学性质存在很大差异，并且在演化过程中由于深度、温度、围压等环境条件的差异以及后期可能发生的剥蚀、裂缝充填等改造作用的影响，使材料的力学性质发生改变。地下岩体的破裂也往往是在地质历史过程中经历了多期发育而最终形成。地下岩体的所有这些特点使裂缝分布预测的难度加大。针对这些特点，采用综合定量方法建立裂缝预测的数学模型，分析裂缝形成的影响因素，确定模型参数和数值模拟步骤，从而对裂缝发育概率和发育特点做出预测。最后介绍了一个在石油工业中应用的实例。     

三维地层构造的块体理论方法

三维地层建模方法是地层可视化研究的关键问题之一,主要有面建模和体建模方法两大类。本文针对体建模问题,探讨了一种通过块体理论构造三维地层的新方法。该方法将地层区域内部结构面和边界面作为某虚拟岩体的裂隙面,这些裂隙面可将地层区域全部切割成有限块体;将虚拟岩体的剩余部分切割成一定数目的无限块体和有限块体,利用块体理论中块体的矢量判别法判别出地层区域内的有限块体,并求出其顶点坐标及其在各侧面上的排列顺序后,即完成三维地层的构造和剖分过程。在此基础上通过OpenGL绘制地层块体,从而实现三维地层可视化。     

岩体非连续裂隙网络三维面状渗流模型

模拟了一个野外实际入渗试验的岩体裂隙网络及其中的渗流。通过逆方法建立岩体三维裂隙网络模型,其指导原则是使模型能够再现野外通过露头和钻孔所观察到的裂隙现象。逆方法由于可以对模拟和实测裂隙进行相同条件统计抽样,因此避免了实测数据统计分析中复杂的误差矫正。裂隙面状渗流分析采用了任意多边形有限差分法。讨论了通过模型校正确定裂隙导水系数的方法,进行了随机模型重复实现,验证了模型的稳定性。     

Estimation of deformation and stiffness of fractures close to tunnels using data from single-hole hydraulic testing and grouting

Sealing of tunnels in fractured rocks is commonly performed by pre- or post-excavation grouting. The grouting boreholes are frequently drilled close to the tunnel wall, an area where rock stresses can be low and fractures can more easily open up during grout pressurization. In this paper we suggest that data from hydraulic testing and grouting can be used to identify grout-induced fracture opening, to estimate fracture stiffness of such fractures, and to evaluate its impact on the grout performance. A conceptual model and a method are presented for estimating fracture stiffness. The method is demonstrated using grouting data from four pre-excavation grouting boreholes at a shallow tunnel (50 m) in Nygård, Sweden, and two post-excavation grouting boreholes at a deep tunnel (450 m) in Äspö HRL, Sweden. The estimated stiffness of intersecting fractures for the boreholes at the shallow Nygård tunnel are low (2–5 GPa/m) and in agreement with literature data from field experiments at other fractured rock sites. Higher stiffness was obtained for the deeper tunnel boreholes at Äspö which is reasonable considering that generally higher rock stresses are expected at greater depths. Our method of identifying and evaluating the properties and impact of deforming fractures might be most applicable when grouting takes place in boreholes adjacent to the tunnel wall, where local stresses might be low and where deforming (opening) fractures may take most of the grout.     

基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟

岩体裂隙面是粗糙不平的，具有分形特征。裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，可以应用分形几何理论来模拟粗糙裂隙面和裂隙张开度的分布情况。在用分形理论模拟裂隙面及裂隙张开度的基础上，用特征有限元方法对粗糙裂隙中的溶质运移进行了模拟。模拟结果显示，考虑裂隙面的粗糙度，模拟其中的溶质运移更符合实际情况。与平均张开度下光滑裂隙中的溶质运移相比，粗糙裂隙中的浓度锋面更落后，而且存在不均匀性和各向异性的特点。