储层岩石流动电位频散特性的数学模拟

利用储层岩石流动电位的频散特性评价复杂储层已经成为勘探地球物理领域关注的热点,但是目前还没有形成基于储层岩石储渗特性及电化学性质的具有普遍指导意义的理论方法和数学模型.本文利用微观毛管理论,通过随时间谐变条件下渗流场和电流场的耦合模型,建立了描述储层岩石流动电位频散特性的数学方法,定量分析了频率域储层岩石动态渗透率、动电耦合系数和流动电位耦合系数随储层岩石孔隙度、溶液浓度和阳离子交换量的变化规律.研究结果表明:储层岩石流动电位频散特性是储层流体惯性力与流体黏滞力相互作用的结果.储层岩石孔隙度越大,储层维持流体原有运动状态的能力越大,临界频率越小;储层岩石的溶液浓度和阳离子交换量对临界频率没有影响.储层岩石的孔隙度越大,流体流动能力越强,流动电位各耦合系数的数值越大;溶液浓度越小或阳离子交换量越大,孔隙固液界面的双电层作用越强,各耦合系数的数值越大.     

饱和砂岩在温度和频率域的衰减和速度频散

利用Metravib热机械分析仪, 在天然地震的频率和温度范围内, 首次对泵油和甘油饱和两种孔隙度的彭山砂岩的衰减和速度频散进行了实验研究． 结果表明, ① 泵油饱和彭山砂岩对频率和温度的依赖呈热激活弛豫规律; ② 杨氏模量和弹性波速度与孔隙度、 温度呈负相关, 与饱和液体的黏滞系数、 频率呈正相关; ③ 频散效应因频率上升而增强, 因温度增高而减弱． 这一规律性的结果为地震波理论研究提供了实验基础．     

利用毛管模型研究泥质砂岩电化学测井响应机理

自然电位和激发极化电位测井响应所涉及的离子导体激发极化电位的微观机理解释,主要依据双电层形变假说和浓差极化假说,缺少定量描述的数学模型和理论体系.本文利用孔隙介质的微观毛管模型,给出了毛管模型中双电层理论和阳离子交换量与Zeta电位的关系,推导出毛管中离子流量和电流强度表达式.由电荷守恒定律和物质守恒定律,推导出毛管中离子浓度分布的解析表达式,建立了描述含水泥质砂岩激发极化电位和自然电位的数学模型.从而系统地严格证明了含水泥质砂岩激发极化现象是在电流场和浓度梯度场的共同作用下,由孔隙中离子浓度浓差极化电位和双电层形变电位形成的.并且证明了描述泥质砂岩自然电位的数学方程和描述激发极化电位的数学方程及形成机理是一致的.计算结果表明：激发极化极化率随孔隙度和渗透率的增大而减小;极化率随溶液浓度的增加而减小,随阳离子交换量的增加而增加;证明了地层水浓度、阳离子交换量是影响自然电位大小的主要因素.     

泥质砂岩中接触胶结泥质定量估算及对砂岩弹性的影响

在泥质砂岩的岩石物理建模中,明确泥质砂岩中泥质胶结物的接触类型及其含量对正确认识泥质的胶结作用对泥质砂岩声速的影响以及合理地建立岩石物理模型至关重要.现阶段,尚未有实验室定量估算胶结泥质的方法,导致应用胶结砂岩理论模型预测胶结砂岩地层的声速时往往由于胶结物含量被高估从而导致预测声速结果偏高.本文通过观察铸体薄片中泥质与颗粒之间的接触关系和相对分布提出了一种区分胶结泥质和分散泥质的方法：与两个或两个以上颗粒接触的连续分布的泥质为胶结泥质;与一个颗粒接触或者不与颗粒接触的泥质为分散泥质.基于这一准则,本文基于像素拾取法估算了人造泥质砂岩的胶结泥质含量,并将胶结泥质含量作为胶结砂岩模型的输入参数优化CCT模型.对比原始模型,本文方法声速误差下降了20%,预测准确度显著提高.本文方法适用于弱胶结地层的岩石物理建模,能够准确的预测声速以结合地震和测井资料识别有利储层,定量评价储层参数.

     

含流体砂岩地震波频散实验研究

为了研究孔隙流体对不同渗透率岩石地震波速度的影响,在实验室利用跨频带岩石弹性参数测试系统得到了应变幅值 -6的2~2000 Hz频段下的地震波速度和1 MHz频率下的超声波速度,利用差分共振声谱法得到了频率600 Hz岩石干燥和完全饱水情况下岩石声学参数.实验表明,在低饱和度下,致密砂岩在地震和超声频段下没有明显的频散;在高饱和度下纵波速度的频散变得明显.从干燥到完全水饱和条件,不同频率测量的致密砂岩的体积模量随岩石孔隙度增高而降低,且体积模量的变化量受岩石微观孔隙结构的影响较大.高孔、高渗砂岩无论在低含水度下还是在高含水饱和度下频散微弱,并且在地震频段下围压对于岩石纵横波速度的影响要大于频率的影响.高孔、高渗砂岩和致密砂岩不同含水饱和度下的频散差异可应用于储层预测,油气检测等方面,同时该研究可以更好地帮助理解岩石的黏弹性行为,促进岩石物理频散理论的发展,提高地震解释的精度.     

饱和储层砂岩中流体粘度引起的超声波速度频散实验研究(英文)

在实验室对5块储层砂岩进行了模拟地层压力条件下的超声波速度测试。砂岩样品采自WXS凹陷的W地层,覆盖了从低到高的孔隙度和渗透率范围。实验选用了卤水和4种不同密度油作为孔隙流体,结合温度变化,实现了对流体粘度引致的速度频散研究。对实验结果的分析表明:(1)对于高孔隙度和渗透率的样品,无论是哪种流体饱和,观察到的超声波速度测试值和零频率Gassmann预测值的差异较小(约2-3%),基本上可以用Biot模型解释;对于中等孔隙度和渗透率的样品,低粘度流体(<约3mP?S)的频散效应也可以用Biot模型得到合理解释;(2)对于低、中孔隙度和渗透率样品,当流体粘度增加时,喷射流机制起主导作用,导致严重的速度频散(可达8%)。对储层砂岩的微裂隙纵横比进行了估计并用于喷射流特征频率的计算,当高于该特征频率时,Gassmann理论的假设条件受到破坏,实验室测得的高频速度不能直接用于地震低频条件下的W地层砂岩的Gassmann流体替换研究。     

油水双相饱和孔隙模型核磁特性理论研究

利用特征函数展开方法，给出了基于扩散效应的核磁共振Bloch控制方程的弛豫模式解表达式, 在此基础上分别给出了水饱和与油水双相饱和孔隙模型的核磁共振特性模拟结果. 结果表明，孔隙流体的核磁弛豫与孔隙大小、孔隙表面弛豫率、孔隙流体的扩散能力以及含油饱和度等有密切的关系. 对于水饱和孔隙，弛豫时间主要由孔隙大小控制. 当孔隙较大时，即使均匀大小孔隙，孔隙流体的弛豫也会表现为多指数弛豫. 而且最小模式弛豫时间与孔隙大小为非线性关系. 对于油水双相饱和孔隙，在孔隙较小时，含油饱和度对弛豫的影响主要表现在弛豫时间随含油饱和度的增加而线性减小；但在孔隙较大时，含油饱和度的增加对弛豫影响表现在两个方面，其一，孔隙水弛豫由多个弛豫模式控制逐渐转变为由最小弛豫模式控制；其二，孔隙水弛豫时间与含油饱和度表现为非线性关系. 对由实际岩芯抽象出的孔隙模型，采用本文获得的理论公式，在油水双相饱和时进行了正反演模拟. 计算结果与已有的实验结果较为一致.     

基于储层砂岩微观孔隙结构特征的弹性波频散响应分析

储层砂岩微观孔隙结构特征不仅影响干燥岩石的弹性波传播速度,也决定了岩石介质中与流体流动相关的速度频散与衰减作用.依据储层砂岩微观结构特征及速度随有效压力变化的非线性特征,将其孔隙体系理想化为不同形状的硬孔隙(纵横比α0.01)与软孔隙(纵横比α0.01)的组合(双孔隙结构).基于孔弹性理论,给出软孔隙最小初始纵横比值(一定压力下所有未闭合软孔隙在零压力时的纵横比最小值)的解析表达式,并在此基础上利用岩石速度-压力实验观测结果给出求取介质中两类孔隙纵横比及其含量分布特征的方法.通过逐步迭代加入软孔隙的方法对基于特征纵横比的"喷射流"(squirt fluid)模型进行了扩展,以考虑复杂孔隙分布特征对岩石喷射流作用的影响及其可能引起的速度频散特征.相较于典型的喷射流作用速度频散模式,对于岩石中软孔隙纵横比及其对应含量在较宽的范围呈谱分布的一般情况,其速度频散曲线不存在明显的低频段和中间频段,速度随频率的增大呈递增趋势直至高频极限.这说明即使在地震频段,微观尺度下的喷射流作用仍起一定作用,同样会造成流体饱和岩石介质的地震速度与Gassmann方程预测结果有不可忽略的差异.本文是对现有喷射流模型的重要补充,也为利用实验数据建立不同频段间岩石弹性波传播速度的可能联系提供了理论依据.     

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.     

岩石孔喉道中表面粗糙度对油水两相流动的影响

岩石孔喉道中表面粗糙性是影响油水两相流动的重要因素之一.本文利用格子波尔兹曼数值模拟方法模拟了在光滑和粗糙孔喉道中的水驱油的流动特性,通过比较亲水和亲油的孔喉道模型中的含水饱和度、油水相对渗透率的变化,分析粗糙度对于流动特性的影响.结果表示:1)无论是亲水性还是亲油性模型,孔喉道表面的粗糙性对于油水流动都起阻碍作用;2)由于孔喉道表面粗糙元间空隙的存在,一部分油被圈闭于空隙中,不能实现完全驱替;3)水驱油的过程中,亲水性的孔喉道的含水饱和度和油水相对渗透率均高于亲油性孔喉道;4)在亲水性孔喉道中,粗糙性对含水饱和度和油水相对渗透率的影响更为明显,亲油性孔喉道次之;5)亲油性孔喉道的粗糙性增加到一定的程度后,它对流动的阻碍作用不再随着粗糙性的增加而逐渐增强.     

基于层状双孔介质的地震波反射和透射系数频散特性研究

本文研究了纵波垂直入射情况下两种介质分界面处的纵波反射和透射系数的频散特性,分界面上下两侧分别为层状双孔页岩介质和层状双孔砂岩介质.当纵波沿垂直于分界面的方向传播至分界面处时,会在上层双孔介质中产生三类反射纵波,在下层双孔介质中产生三类透射纵波.基于层状双孔介质的特性,给出了分界面处的六个边界条件.根据层状双孔介质的波动方程,利用平面波分析得到了纵波的反射和透射系数.结果表明：当多孔介质中存在流体时,纵波的反射和透射系数与频率相关,即存在频散现象.波致流体流动是造成纵波反射和透射系数频散的主要原因.此外,结果还表明局部流体流动引起地震频带内反射和透射系数的频散,宏观Biot流引起超声频带内反射和透射系数的频散.本文同时对岩石参数对反射和透射系数频散曲线的影响进行了研究.

     

骨架导电的混合泥质砂岩通用孔隙结合电阻率模型研究

在水介质中顺序添加分散粘土颗粒、油珠、导电骨架颗粒、层状泥质,并对每一种成分进行连续积分,建立了一种适用骨架导电及含有分散粘土和层状泥质的泥质砂岩通用电阻率模型.通过对该模型的影响因素分析,发现泥质分布形式对模型计算的含水饱和度有很大影响;对应两个不同粘土颗粒电阻率或骨架颗粒电阻率的地层电导率之差,几乎与总含水饱和度无关,而对应两个不同层状泥质电阻率的地层电导率之差,随总含水饱和度增大而增大;骨架胶结指数变化对地层电导率与总含水饱和度关系曲线的影响最大,而粘土胶结指数变化对地层电导率与总含水饱和度关系曲线的影响最小;饱和度指数对地层电导率与总含水饱和度关系曲线的影响随总含水饱和度的增大而减小.通过一组骨架导电的人造岩样的试验,表明当地层水电阻率.小于颗粒电阻率时,该模型可以用于不含粘土的骨架导电的岩石.通过两组分散泥质砂岩岩样实验测量数据和一组层状泥质砂岩测井资料及实际测井资料的计算,表明本文给出的电阻率模型既适用于分散泥质砂岩地层解释又适用于层状泥质砂岩地层解释,同时,还适用于含有分散粘土和层状泥质的混合泥质砂岩地层解释.     

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

饱和砂岩的黏弹行为的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波进行加载,实验时固定静载为100 N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为-50～125℃,升温速率为1℃/min,频率为5～1000 Hz的条件下,对泵油饱和长石砂岩、彭山砂岩样品进行单轴循环加载实验,求取泵油饱和长石砂岩和彭山砂岩的衰减、耗散角、模量...     

海洋含水合物沉积层的速度频散与衰减特征分析

随着水合物含量的增加,往往会引起纵、横波速度的增加,同时也会引起衰减的变化.针对含水合物沉积层的速度频散与衰减特征分析,有助于水合物含量的估计.本文以有效介质理论模型（EMT）为基础,研究了海洋未固结含水合物沉积层的纵、横波速度的非线性变化趋势.同时采用BISQ模型替代有效介质模型中的Gassmann方程,具体分析了全频带范围内海洋含水合物沉积层的速度频散与衰减特征.采用该模型,速度与衰减均随着水合物含量的增加而增加,且岩石孔隙度与泥质含量对衰减系数的影响较小.针对大洋钻探计划（ODP）164航次的实际数据,运用该模型方程计算采用声波测井数据（20 kHz）与VSP数据（100 Hz）,分别获取了水合物稳定带的饱和度数据,平均在5%～7%之间,由于速度频散的影响,VSP估算结果要弱低于声波测井估算数据,均与实测保压取芯的甲烷含量数据、他人研究成果以及神经网络趋势预测结果均有着较好的一致性.对南海神狐海域三口钻位开展了水合物含量预测,与保压取芯结果有着较好的吻合关系.同时基于层剥离法提取该区域某地震测线BSR层的等效Q值,采用本文方法估算了该区域的等效天然气水合物含量15%～30%.数值模拟与实际应用结果表明：含水合物沉积层的速度频散与衰减特征均随着水合物含量的变化而变化,联合利用这一些变化特征,有助于天然气水合物含量的估计.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

相对渗透率对部分饱和裂隙岩石中横波频变各向异性的影响

地震波在含裂隙岩石内传播时,很大程度上会受到裂隙系统与其内的流体所影响.本文在Chapman提出的频变各向异性理论的基础上,研究气水两相流体受频率影响的程度.不同于许多局限于单一流体假设的频变各向异性理论研究,本文着重于两相流体部分饱和的情况.因此计算频变各向异性弹性常数尤为重要,本文考虑了气水两相的相对渗透率对横波速度及其衰减的影响,并引入了基于分形理论的相对渗透率模型.首先研究在不同分形维数的情况下,气水两相相对渗透率随含水饱和度的变化趋势,并且随着该变化对有效流体迁移率的影响.气体的相对渗透率与分形维数成正比例关系,而水的相对渗透率与分形维数成反比例关系.随后根据数值算例计算双相不混溶流体饱和裂隙岩石频变各向异性弹性模量的方程,得到横波速度及横波衰减,对比分析相对渗透率及分形维数的变化对横波速度和横波衰减的影响．根据算例结果可知,在不同频率下,相对渗透率对横波速度和横波衰减的影响程度不同,在中频时最大．引入不同的相对渗透率模型,能在中频时观察到其对横波速度和衰减的不同影响．     

基于岩石电性参数频散特性评价润湿性的实验方法研究

岩石电性参数频散特性与润湿性之间存在着密切的关系,在油驱水、水驱油的岩石电性参频散特性的实验中,不同润湿性岩石,其复电阻率模值频散率Pρ和相位频散率Pφ随含水饱和度变化曲线的斜率k不同,亲油岩石的斜率k最大,中性润湿的岩石次之,亲水岩石的斜率k最小,其中油驱水相位频散率Pφ的斜率k与岩石润湿性的关系表现得最为明显.因此,可以利用油驱水相位频散率Pφ的斜率k定性的评价储层岩石的润湿性.     

基于Chapman模型的气水两相饱和岩石速度频散及衰减表征

含裂隙岩石的裂隙系统与其内的流体的分布,很大程度上会影响地震波在其内的传播,导致速度频散和衰减．本文基于Chapman模型,研究润湿相和非润湿相流体随频率的变化．许多学者研究的是单一流体下的频变各向异性理论,本文着重于气水两相流体部分饱和的情况．引入了基于分形理论的相对渗透率模型,并使用无量纲参数q来表征斑块饱和现象．首先研究气水两相的相对渗透率与分形维数的关系,然后考虑了斑块饱和效应对流体混合物的有效迁移率的影响．根据数值算例,在Chapman模型中分别引入相对渗透率模型和斑块饱和效应,观察各自对横波速度和衰减的影响．最后分析耦合的相对渗透率和斑块饱和对横波速度和衰减的影响．根据算例结果可知,在中频时,相对渗透率及斑块饱和效应都比低频和高频的情况对横波速度和衰减影响大．最后考虑分形维数和无量纲参数q的耦合影响,发现无量纲参数q对横波速度和衰减的影响都明显要大于分形维数．同时还引入了横波分裂来分析这种耦合效应对各向异性的影响,结果表明横波分裂与分形维数成反比,与无量纲参数q成正比,这种现象在低频较为明显．     

基于电震耦合理论研究电极法储层岩石复电阻率频散特性

复电阻率测井在识别油水层的能力上优于常规电阻率测井,然而储层岩石复电阻率特性的微观机理还没有统一完整的解释和数学模拟方法,致使复电阻率测井技术的开发缺乏足够的理论基础.本文基于孔隙介质Pride电震耦合理论,结合谐变信号激励下渗流场与电流场的耦合理论,推导出一级近似条件下的Pride电震耦合理论.采用格林函数方法建立了一维电震波场的波动方程及其解.构造了双电极法测量储层岩石复电阻率的物理模型和数学模型,从理论上阐明了岩石复电阻率频散特性的微观机制与电震效应的关系,定量分析了储层岩石复电阻率频散特性的影响因素.数学模拟结果表明:储层岩石复电阻率的频散现象是在电震快纵波和电震慢纵波的共同作用下,由孔隙介质中的电渗流机制形成的;储层岩石的复电阻率随孔隙度的增大而减小,随渗透率的增大而增大,地层水矿化度的增加或阳离子交换量的增大使得同频率的复电阻率减小.慢纵波界面极化频率受孔隙度、渗透率和地层弹性模量的影响较大,而快纵波界面极化频率受地层弹性模量的影响较大.