页岩层理结构对超声波特性响应分析及应用

基于波动理论,建立渝东南地区下志留统龙马溪组页岩的不同层理结构模型,利用时间二阶、空间四阶的交错网格有限差分法,实现页岩不同层理结构对超声波特性响应的数值模拟计算,利用灰色系统理论筛选层理结构的声学参数敏感因子建立针对层理发育页岩的动态力学参数模型,利用ZY1、YY1井下岩心超声波透射实验结果与ZY2井测井资料对模型进行了验证。结果表明:(1)模拟波形与实验波形相关系数大于80%,数值模拟方法可有效模拟超声波透射实验;(2)声学参数中声波速度是表征页岩层理结构的常规敏感因子,而衰减系数对层理厚度的变化较为敏感,关联系数可达0.89,因此利用衰减系数的归一化结果来综合描述页岩层理可使结果更加准确;(3)模型计算得到的动、静力学参数相关性优于传统模型,利用模型和测井资料反演而获取的岩石力学剖面预测值与实验值吻合较好。研究结果为进一步利用声波测井资料准确预测岩石力学参数奠定基础。     

层理性页岩地层超声波透射实验

层理发育的硬脆性页岩的声波响应特征是页岩气开发过程中测井资料应用的基础,为获得对层理性页岩储层超声波传播特性的认识,选取渝东南地区下志留统龙马溪组野外露头岩块,通过波速初步筛选出横向各向同性的大岩样,在此基础上钻取不同层理方向的小岩柱,进行室内多频率超声波透射实验,以获取不同层理下的声波传播规律。实验结果表明：①实验用岩样以黑色、灰黑色及深灰色页岩、粉砂质泥岩为主,孔隙度变化范围为1.5%~2.5%,大部分岩样的渗透率小于1 mD;②在0°~90°范围内,随层理倾角的增加,波速减小趋势明显,衰减系数增加;③波速与孔隙度呈现较好的负相关性,随孔隙度增加,衰减系数增加且增加程度随层理倾角变大而加剧;④波速与频率呈对数增加的趋势,频散现象明显,衰减系数随频率增加而增大。所得到的页岩层理与声波属性相关性的实验结果,可为页岩气开发过程中建立准确的地层岩石强度剖面及井壁稳定分析提供实验依据。     

层理对页岩纵波特性的影响

研究层理性页岩声波响应特征有助于利用声波测井资料指导页岩气井安全钻井。采集四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组露头页岩岩样,并沿不同角度钻取页岩岩心。基于多频声波测试系统,开展了多层理角度下页岩声波实验,分析了层理角度对纵波速度、衰减系数、时域、频域等特性的影响。开展了数值模拟实验,分析了岩心端面垂直时平行层理面、层理密度对波速、衰减的影响。结果表明：随着层理角度增大声波时差、声波衰减系数均线性增大;声波速度存在频散现象,测试频率不同,声波速度不同;声波速度与层理密度呈线性负相关;层理角度对页岩声波主频没有影响。该研究结果为页岩气井安全钻井及压裂改造等工程设计提供了参考。     

标量声波波动方程高阶交错网格有限差分法

为进一步提高标量声波波动方程正演数值模拟精度,减小数值频散和计算量,改善边界吸收效果,提出将高阶交错网格有限差分法直接用于求解标量声波波动方程的方法,并推导出了时间和空间导数的高阶交错网格有限差分格式,给出了数值模拟计算所需的稳定性条件和吸收边界条件.模型试算结果表明,与传统的中心有限差分法相比,本文方法不仅可以快速提高时空导数的差分精度,而且具有频散小、计算效率高等特点,可推广应用于三维标量声波高精度正演数值模拟和叠后逆时深度偏移.     

Lebedev网格黏弹性介质起伏地表正演模拟

在前人研究的基础上,采用一种新的交错网格(Lebedev网格)进行曲坐标系下的黏弹性介质正演模拟,避免了标准交错网格在处理曲坐标系方程时进行波场插值而引入的数值误差,从而提高了模拟精度。在正演模拟的过程中,首先基于广义标准线性固体,推导了曲坐标系下黏弹性介质的波动方程,随后利用在各向异性介质中使用的Lebedev网格有限差分方法对波动方程进行了离散化,在地表附近采用牵引力镜像法来实施自由表面条件,其他三个边界引进多轴卷积完全匹配层技术提高吸收效果,最后通过模型试算分析了黏滞性的引入以及地形起伏对波场的双重影响,并验证了引入的边界条件具有较好的吸收效果。模型试算结果表明,由于黏弹性介质中吸收衰减的影响导致地震波能量降低且主频向低频端移动,同时由于速度频散导致走时差异及波形变化。     

钻井液浸泡对巴西改组岩石声学特性的影响

在钻井过程中,钻井液浸泡后的地层岩石会发生损伤并诱发井下复杂事故,造成井壁失稳。文中以巴西改组岩石为研究对象,采用超声波透射法对钻井液浸泡前后的岩石进行声波测试,利用傅里叶变换、小波变换等研究了岩石声学特性,并讨论了钻井液浸泡对岩石声学特性的影响。研究结果表明:浸泡前,泥岩的声波时差、衰减系数大于砂岩;浸泡后,砂岩与泥岩的衰减系数增大,砂岩声波时差降低而泥岩声波时差增大,且砂岩与泥岩频域信号振幅明显降低,高频信号被吸收,低频信号比例增加,声波信号主频向低频方向发生偏移。借助小波变换,从微观角度来看,钻井液浸泡后岩石结构发生损伤,且泥岩的损伤较为严重。     

紧致交错网格优化差分系数二维声波方程数值模拟

基于频散关系保持的思路，利用最小平方法和拉格朗日乘数法，对一阶导数的紧致交错有限差分格式做了差分系数优化，并对优化格式的模拟精度、频散关系及声波方程稳定性条件进行了分析和对比。研究结果表明：①为得到相同的差分精度，优化后的紧致交错格式计算一阶导数时使用的节点个数比优化前多两个；②优化格式与优化前及常规交错格式相比，具有更小的截断误差和更低的数值频散，因而具有更高的计算精度，适用于更粗网格的计算，具有更高计算效率；③在同样差分精度条件下，二维声波方程优化格式的稳定性条件比优化前稍严格，适用的时间网格略小。分别对均匀、水平层状和Marmousi模型进行声波方程数值模拟，所得结果验证了所提方法适用于复杂介质的数值模拟，具有较高模拟精度和计算效率。     

复杂构造地震波场模拟

本文介绍了声学波动方程的基本理论,并使用高阶交错网格有限差分算法对塔里木盆地库车坳陷逆掩推覆构造进行数值模拟。通过声学波动方程对逆掩推覆构造模型进行正演和逆时偏移,表明高阶交错网格有限差分法具有高效、精确、实用的特点,具有广阔的应用前景和实际意义。     

时间域黏滞波动方程及其数值模拟新方法

基于常Q模型的应力-应变关系,推导了分数阶拉普拉斯算子黏滞波动方程的一阶速度-压力形式,与现有的一阶速度-压力-应变形式相比,新推导的方程形式更简单,数值模拟时耗费内存更少。针对新推导的一阶速度-压力黏滞波动方程,采用交错网格伪谱法进行数值模拟,并利用卷积型完美匹配层(CPML)作为吸收边界,压制截断边界的反射。数值模拟实验证实,新推导的黏滞波动方程能很好地描述地震波在黏滞介质中的衰减和频散,交错网格伪谱法和CPML的组合是一种高效的数值模拟方法。     

一阶速度—压力常分数阶黏滞声波方程及其数值模拟

与传统的整数阶黏滞波动方程相比,分数阶拉普拉斯算子黏滞方程能更准确地匹配目前广泛使用的常Q模型,而且分数阶黏滞波动方程中控制振幅衰减和相位变化的算子是显式分离的,这对于发展稳定的衰减补偿逆时偏移算法至关重要。首先基于时间域二阶位移形式的常分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程,推导了一阶速度-压力形式常分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程;为了模拟更加真实的振幅变化信息,在新的黏滞声波方程中考虑了密度空变的影响;为了避免由傅里叶变换的周期性而引入的虚假反射,提出了一种适用于分数阶黏滞声波方程的卷积型完全匹配层（CPML）吸收边界加载方法;最后采用交错网格伪谱法进行数值模拟。均匀介质中数值解与解析解的对比证实了该一阶速度-压力常分数阶黏滞声波方程能准确描述常Q模型,BP盐丘模型的地震波场模拟结果证实了其对复杂介质的适用性。     

提高深层页岩裂缝扩展复杂程度的工艺参数优化

埋深大于3 500 m的深层页岩储层具有高水平主应力差、发育层理裂缝、低脆性指数等特点,在压裂改造时难以形成复杂裂缝。为了充分认识其水力裂缝扩展规律,采用三维离散格子方法对四川盆地下志留统龙马溪组深层层理性页岩12 MPa水平主应力差下的真三轴压裂物理模拟实验结果开展了离散元数值模拟分析,其结果与发育单一层理的页岩露头室内压裂物理模拟的裂缝扩展规律相吻合;进而对发育多层理的深层页岩储层开展排量、压裂液黏度、层理强度和压裂液交替注入等影响下的裂缝扩展规律数值模拟。研究结果表明:①高排量注入和提高压裂液黏度能够增强深层页岩储层裂缝深穿透改造能力,当排量达到90 mL/min或压裂液黏度达到60 mPa·s时,水力裂缝可连续穿过4条层理并贯穿整个试样;②在高水平主应力差下,低黏度压裂液倾向于激活水平层理,而高黏度压裂液则倾向于直接穿过层理形成垂直主缝。结论认为:①采用前置高黏度/后置低黏度压裂液交替注入压裂工艺可以最大限度地提高深层页岩储层压裂裂缝复杂程度;②当井筒附近存在薄弱层理时,应及时调整压裂工艺和压裂参数,比如尽可能地增加施工排量、采用瓜胶压裂液等,以使水力裂缝突破近井薄弱层理抑制进而实现深穿透改造。     

页岩油储层层理缝渗吸机制和渗吸模式

页岩油主要采用水平井分段压裂形成纵向缝(构造缝)的开发理念,并未考虑开启层理缝的渗吸作用。为进一步研究层理缝对页岩油开发的作用,以新疆吉木萨尔地区页岩油为例,通过岩心渗吸模拟实验、铸体薄片观察、CT扫描等方法,分析层理缝、构造缝渗吸效率。结果表明:构造缝模型渗吸深度为1.5 cm,层理缝模型渗吸深度可达1.0 cm,层理缝在表层渗吸效率较高;在开启构造缝的基础上开启同样面积的层理缝,渗吸效率可提高4.3%左右;根据渗吸物理模拟实验,建立起构造缝与层理缝不同的油水渗吸转换模式,表明在构造缝渗吸的基础上,利用层理缝的渗吸作用,可大大提高页岩油的开发效率。该研究为页岩油藏优化压裂方式、提高页岩油采收率提供了理论依据。     

页岩力学特性的层理效应及脆性预测

为系统研究层理面对页岩力学性质的影响机理,以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例,首先使用偏光显微镜及扫描电镜等对页岩岩样进行微观分析,可见页岩的层理、层间微裂缝及微孔隙等较发育,黏土矿物呈定向排列,层间胶结作用较弱;再通过岩石单轴压缩物理实验和RFPA （真实破裂过程分析）数值模拟,系统研究不同的层理角度、层理密度及层理面力学性能等对页岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及脆性等参数的影响;最后,采用统计学方法提出一种基于层理密度、层理角度、单轴抗压强度及层理面力学性能等参数的页岩脆性预测新方法。结果表明：页岩的弹性模量随着层理角度的增加呈现先减小再增加之后再次减小再次增加的趋势。页岩的单轴抗压强度和脆性指数的特征曲线均近似为U型,随着层理角度的增加而先减小后增大,且在层理角度为45°左右时,两者均达到最小值,在层理角度为0°和90°附近时,两者的值均相对较大。随着层理角度的增加,页岩的泊松比整体上呈现先降低再增加而后再降低的趋势,并在30°左右出现最小值,在70°左右出现极大值。页岩的弹性模量、单轴抗压强度和脆性指数等参数总体随层理密度的增大而降低;泊松比随着层理密度的增大在不同的层理角度表现出不同的状态。不同层理角度岩石的破裂类型不同。强度参数、弹性参数、脆性及破裂模式等均表现出很强的各向异性特征。整体而言,针对页岩力学特性的层理效应研究及脆性预测,可为页岩气的合理开发及页岩气井的井壁稳定提供一定的理论参考。     

页岩储层压裂缝网模拟研究进展

页岩储层压裂缝网表征是现阶段页岩气开采面临的主要难题之一,因此在了解缝网扩展主控因素的基础上,选择合理的、具有优势的实验（试验）和模拟方法是有效推进页岩开采的重要环节。通过调研大量页岩压裂缝网研究的矿场试验、室内实验以及数值模拟方法及成果,尤其对比、分析了各种数值模拟方法的发展和现状,展望了数值模拟技术的发展方向,并系统归纳了影响缝网的主控因素及其影响机理,得出以下认识：①页岩储层压裂缝网数值模拟方法中,基于有限元模型的扩展有限元模型、在离散裂缝网络模型基础上发展的非常规裂缝网络模型以及从分形理论出发的分形裂缝网模型在页岩复杂缝网模拟中体现了优越性和可持续发展性;②裂缝扩展在真实地层中主要受控于缝内压力、岩石脆性、地应力、层理和天然裂缝,页岩储层岩石脆性较强、层理发育、天然裂缝广泛分布,极大地增加了缝网复杂程度,裂缝扩展整体上主要是以上因素共同作用的结果;③现阶段复杂裂缝网络模拟方法基于边界元、有限元、离散元、解析法,由于每种方法的特征和适用性不同,融合不同数值方法的建模、求解更有模拟潜力。     

强衰减介质中地震波场的频率—空间域特征

强衰减模型,是应用Biot理论的基本思想通过运动方程描述介质吸收衰减特征的黏弹性介质模型。相对于传统的黏弹性模型和黏弹孔隙介质模型,可以简便且精准地刻画稠油储层、近地表松散沉积层等的强衰减性。为此,利用优化的25点频率—空间域有限差分算法,模拟了强衰减模型介质中的波场特征,并根据近地表低速层介质的实际情况,研究了孔隙度、流体黏度和介质黏弹性三种物理因素的衰减机理。结果表明：孔隙度、流体黏度和介质黏弹性都是影响地震波强衰减和高频散特征的重要因素,而且对横波衰减的影响都明显强于纵波。其中,介质黏弹性是造成地震波高频衰减的关键,其他因素均能影响地震波有效频率范围内能量的衰减,尤其介质孔隙度的增大引起地震波的衰减最强。通过对比完全弹性、一般黏弹性和强衰减理论下的模拟波场,研究了浅、表层强衰减介质对深层波场信息的影响。结果表明,强衰减模型刻画近地表介质更符合实际,能为涉及不同衰减机制的强衰减介质的研究和强衰减补偿理论的建立奠定基础。     

页岩力学参数各向异性研究

页岩气开发过程中钻遇的页岩储层,由于其层理构造具有明显的各向异性,开展相关研究对钻井和储层改造是十分重要的。分析认为,可以假设页岩为横观各向同性介质,并从横观各向同性应力应变关系的坐标变换出发,能够推导出层理性页岩方向性的弹性模量、泊松比与垂直层理、平行层理方向弹性常数的关系。通过不同层理倾角页岩岩样的单轴压缩实验和超声波实验测量岩样的抗压强度、动静态弹性模量和动静态泊松比,研究了页岩层理对其力学参数的影响。实验和理论计算结果均表明：将层理页岩看做横观各向同性介质在力学上是相对准确的;垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比;动态弹性参数的各向异性程度强于静态弹性参数的各向异性程度;层理岩石弹性模量、泊松比随层理倾角有规律变化;根据垂直和平行层理面的弹性常数可以确定任意方向上的弹性模量和泊松比。     

吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储集层裂缝成因及耦合关系

通过观察准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储集层的野外露头、岩心和薄片,结合成像测井资料,采用油气运移物理模拟实验、三轴压裂实验等方法,以岩石应力—应变曲线为依据,研究了微观尺度到宏观尺度的页岩储集层裂缝成因及耦合关系.研究结果表明,构造缝与层理缝相互耦合,可显著改善页岩储集层的物性;层理缝与构造缝形成过程中相互影响,...     

测井电缆衰减特性拟合及其电路建模

新开发的测井仪器在进行室内实验时,采用较简单的集总参数电路模拟实际电缆作为信号传输介质,了解数据在实际测井电缆上的传输效果。以某7 000m七芯测井电缆七模式传输为研究对象,针对在各频率离散点处的信号衰减测量值,通过非线性拟合方法,得到该模式下电缆的传递函数解析式,建立了对应的物理可实现电路模型。该模型电路结构较简单,仿真结果表明,电路对原电缆衰减特性的拟合效果良好。电路设计方法可以为不同类型、不同长度的各种数据传输电缆模拟器的设计提供借鉴。