CN112649256A - 一种基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法，该方法包括：制备第一矿物和第二矿物，其中第一矿物的弹性模量是已知的，第二矿物的弹性模量是待测的；将第一矿物和第二矿物混合在一起压制成型，制成人工合成双矿物岩石；通过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，求出第二矿物的弹性模量。采用本发明方法求取干酪根的弹性模量，经过测量计算得到干酪根的弹性模量，将结果与其它两种方法(冷压法和热压法)求得的干酪根模量进行对比，发现本方法求取干酪根的弹性模量与岩石物理手册中的数据最为接近，说明本发明在求取矿物弹性模量是具有较高的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探岩石物理技术，是一种基于实验求取矿物弹性模量的方法，更具体地，涉及一种基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法。
背景技术
随着岩石物理技术的发展和应用，其在油气勘探和开发中也起到极大的作用。在之前的应用中，岩石物理主要集中在纵横波速度，随着油气勘探的复杂化，岩石物理建模也不只需要速度，还需要弹性模量的数据，而野外采集的岩石绝大部分都是多矿物组成的岩石，为了精确的建模，必须知道每一种矿物的弹性模量，故而求取每一种矿物的弹性模量显得很重要。
一种较常用的方法是将单矿物加压(有时还需要加温)成型，测试其密度和速度就可以换算出该种矿物的弹性模量。但是，这种方法存在缺陷，其一是许多矿物质能难找到单晶固体；其二是该方法的理论基础是假设矿物本身的弹性模型与单晶体聚合之后的弹性模量一致，但这对于氧化物和硅酸盐等矿物是难以达到要求的。
Brace在1969年提出用间接的方法求取矿物质的压缩系数，他将两种压缩系数相近的矿物混合到一起压制成型，通过测量混合物和压缩系数和已知的另一种矿物的压缩系数便可计算出所求矿物的压缩系数，本发明主要是以该方法为基础，将其改进并引入地震勘探领域用以求取未知矿物的弹性模量。
发明内容
本发明是一种求取矿物弹性模量的方法，应用一种已知其弹性模量的矿物和所求矿物混合到一起并压制成型，通过测量人工岩石的纵横波速度和密度，结合已知矿物的弹性模量，便可以求出未知矿物的弹性模量。
根据本发明的一个发明，提供一种基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法，该方法包括：
制备第一矿物和第二矿物，其中第一矿物的弹性模量是已知的，第二矿物的弹性模量是待测的；
将第一矿物和第二矿物混合在一起压制成型，制成人工合成双矿物岩石；
通过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，求出第二矿物的弹性模量。
进一步地，利用Voigt和Reuss公式，根据人工合成双矿物岩石中各矿物的体积含量和弹性模量来预测人工合成双矿物岩石的等效弹性模量的上下限。
具体地，人工合成双矿物岩石的等效弹性模量的Voigt上限MV是：
MV＝f1M1+f2M2
等效弹性模量的Reuss下限MR是：
其中f1和f2分别表示第一矿物和第二矿物的体积含量，且f1+f2＝1，M1和M2分别表示第一矿物和第二矿物的弹性模量。
进一步地，通过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，计算获得平均弹性模量MVRH的值。
具体地，平均弹性模量MVRH表示为：
可选地，所述第一矿物和第二矿物为粉末状，且所述第一矿物和第二矿物的粒径相同。
优选地，所述第一矿物的弹性模量接近第二矿物的弹性模量。
进一步地，将第一矿物和第二矿物混合并加入胶结剂充分混合在一起压制成型，其中胶结剂含量低于矿物粉末总重量的5％，胶结剂可以是工业所用的液态混合胶。
进一步地，先将两种矿物的混合物在5-10MPa的压力下保压30-60分钟，再将压力提高至15-20MPa保压24-48小时。
本发明针对求取矿物弹性模量提出了一种新的方法，该方法是将两种矿物粉末进行混合，其中一种矿物为弹性模量已知的矿物，另一种矿物是待测矿物，将二者充分混合加入交联剂，并在高压下压制成型，通过测量样品的速度和密度从而得到样品的弹性模量，将该弹性模量认为是用V-R-H平均法得到的模量，将其结果代入Voigt-Reuss公式便可求出未知矿物的弹性模量，通过与其它两种方法的对比，结果显示该方法求得的矿物弹性模量更为准确。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明的基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法流程图。
图2示出了根据本发明实施例的压制成型的双矿物人工岩石图片。
图3示出了采用冷压法和热压法制作的人工岩石样品图片。
图4示出了根据本发明实施例的双矿物法求取矿物弹性模量的误差图。
图5示出了根据本发明实施例的制作双矿物人工岩石的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的理论基础是Brace与1969年提出的理论：如果聚合物(人工岩石)的密度和矿物的密度接近，那么聚合物的弹性模量与矿物的弹性模量一定具有密切的相关关系。据此本发明设计将两种矿物混合在一起压制成型，其中一种矿物的弹性模量是已知的(以下称为矿物1)，另一种矿物是待测的(以下称为矿物2)，通过测量成型的人工岩石的纵横波速度和密度便可利用Voigt-Reuss-Hill平均公式求出矿物2的弹性模量。
如图1所示，提供一种基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法，该方法包括：
制备第一矿物和第二矿物，其中第一矿物的弹性模量是已知的，第二矿物的弹性模量是待测的；
将第一矿物和第二矿物混合在一起压制成型，制成人工合成双矿物岩石；
通过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，求出第二矿物的弹性模量。
进一步地，Voigt和Reuss公式是根据岩石中各矿物的体积含量和弹性模量来预测岩石的等效弹性模量的上下限。两种矿物成分的等效弹性模量的Voigt上限MV是：
MV＝f1M1+f2M2
等效弹性模量的Reuss下限MR是：
其中f1和f2分别表示矿物的体积含量，有f1+f2＝1，M1和M2分别表示两种矿物的弹性模量。
Voigt-Reuss-Hill平均是Voigt上限和Reuss下限的算术平均，表示为：
经过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，可以得到MVRH的值，而f1、f2和M1均为已知，联立上述公式便可求得第二矿物的弹性模量。
本发明针对求取矿物弹性模量提出了一种新的方法，该方法是将两种矿物粉末进行混合，其中一种矿物为弹性模量已知的矿物，另一种矿物是待测矿物，将二者充分混合加入交联剂，并在高压下压制成型，通过测量样品的速度和密度从而得到样品的弹性模量，将该弹性模量认为是用V-R-H平均法得到的模量，将其结果代入Voigt-Reuss公式便可求出未知矿物的弹性模量，通过与其它两种方法的对比，结果显示该方法求得的矿物弹性模量更为准确。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
接下来，参照附图2-5描述本发明的实施例。图5示出了根据本发明实施例的制作双矿物人工岩石的流程图。
首先，如图5所示，制作双矿物人工岩石。在本实施例中，选取碳粉作为第一矿物，碳粉的弹性模量已知，体积模量为2.9GPa，剪切模量为2.6GPa。干酪根是页岩的重要组成部分，干酪根的物性参数对研究页岩的性质具有重要的意义，而对于干酪根的弹性模量却始终无法准确求得。选取干酪根作为第二矿物，利用本发明的方法求取干酪根的弹性模量。
首先，将干酪根粉末和碳粉按照1：1进行充分混合，搅拌均匀获得混合粉末。在混合粉末中加入少量胶结剂搅拌均匀。
清洁模具，在模具内表面涂抹凡士林。
将混合粉末逐层放入模具。
先将混合物在5MPa的压力下保压30分钟，再将压力提高至15MPa保压24小时，制作得到的双矿物人工岩石见附图2。
应用超声测试系统测量双矿物人工岩石样品的纵横波速度，结合其密度便可以用如下公式计算双矿物人工岩石样品的体积模量K和剪切模量模量μ：
μ＝ρVS 2
其中，Vp为纵波速度，Vs为横波速度，ρ为样品密度。双矿物人工岩石样品的MVRH值是样品的弹性模量(体积模量K或剪切模量模量μ)。
Voigt-Reuss-Hill平均是Voigt上限和Reuss下限的算术平均，表示为：
两种矿物成分的等效弹性模量的Voigt上限MV是：
MV＝f1M1+f2M2
等效弹性模量的Reuss下限MR是：
其中f1和f2分别表示矿物的体积含量，有f1+f2＝1，M1和M2分别表示两种矿物的弹性模量，f1、f2和M1均为已知，联立上述公式便可求得干酪根的弹性模量。
对比例
为了对比本发明的优劣，同时还设计了两组对照试验。一种是将干酪根在常温下以15MPa的压力下压制成型并测量其速度和密度，进而换算出其弹性模量；另一种是将将干酪根在120度的高温下以15MPa的压力下压制成型并测量其速度和密度，进而换算出其弹性模量，制作的样品见附图3。图3示出了采用冷压法和热压法制作的样品图片。
最终的计算结果见下表，由表可以看出，利用本发明求得的干酪根模量更为准确。下表给出了三种实验方法求得干酪根弹性模量的对比。
用本发明用于求取干酪根的弹性模量。首先选取已知弹性模量的碳粉作为第一矿物，将未知弹性模量的干酪根作为第二矿物，并将两者混合压制成型，经过测量计算得到干酪根的弹性模量，将结果与其它两种方法(冷压法和热压法)求得的干酪根模量进行对比，发现本方法求取干酪根的弹性模量与岩石物理手册中的数据最为接近，说明本发明在求取矿物弹性模量是具有较高的准确性。
此外，本发明还分析了该方法的误差，设相对误差为C，则有：
相应的误差图见附图4，图4示出了根据本发明实施例的双矿物法求取矿物弹性模量的误差图。
由图4可以看出当第二矿物的模量在2.9GPa附近时，求得结果误差较小，而且越接近误差越小。这就要求本发明在使用时要使得第一矿物的弹性模量越接近第二矿物的弹性模量，求得结果越准确。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种基于人工合成双矿物岩石求取矿物弹性模量的方法，其特征在于，该方法包括：
制备第一矿物和第二矿物，其中第一矿物的弹性模量是已知的，第二矿物的弹性模量是待测的；
将第一矿物和第二矿物混合在一起压制成型，制成人工合成双矿物岩石；
通过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，求出第二矿物的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用Voigt和Reuss公式，根据人工合成双矿物岩石中各矿物的体积含量和弹性模量来预测人工合成双矿物岩石的等效弹性模量的上下限。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，人工合成双矿物岩石的等效弹性模量的Voigt上限MV是：
MV＝f1M1+f2M2
等效弹性模量的Reuss下限MR是：
其中f1和f2分别表示第一矿物和第二矿物的体积含量，且f1+f2＝1，M1和M2分别表示第一矿物和第二矿物的弹性模量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过测量人工合成双矿物岩石的纵横波速度和密度，计算获得平均弹性模量MVRH的值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，平均弹性模量MVRH表示为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一矿物和第二矿物为粉末状，且所述第一矿物和第二矿物的粒径相同。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一矿物的弹性模量接近第二矿物的弹性模量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将第一矿物和第二矿物混合并加入胶结剂充分混合在一起压制成型。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，胶结剂含量低于矿物粉末总量的5％。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，先将两种矿物的混合物在5-10MPa的压力下保压30-60分钟，再将压力提高至15-20MPa保压24-48小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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