CN116738794A - 孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法、装置、设备及介质，涉及油气储层地球物理勘探中的地震岩石物理领域。该方法包括：对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；基于所述Biot准静态孔隙弹性推导后方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。通过本申请的技术方案，能够精细刻画孔隙裂隙，更合理地解释跨频带岩石物理实验测量得到的速度频散和衰减数据，为准确地模拟真实油气储层地震波的速度频散与衰减特性提供坚实的理论支持。
Description
技术领域
本发明涉及油气储层地球物理勘探中的地震岩石物理领域，特别涉及一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法、装置、设备及介质。
目标形式背景技术
储层岩石弹性性质不仅取决于岩石骨架，还与岩石孔隙结构及含流体性质等性质紧密有关，地震岩石物理相关研究的目的在于建立储层岩石物性及流体参数(如储层岩性、孔隙度、孔隙压力、渗透率、含流体性质、流体饱和度等)与岩石弹性参数(如地震波速度、衰减等)之间的定量关系。地震波的数值模拟是地球物理学的一个重要课题，在油气勘探与生产、土壤物理和材料无损检测等方面有着广泛的应用。快速计算工具和算法的发展使人们能够建立模拟波传播的材料的复杂模型。地下地震波在流体饱和多孔弹性固体中传播，其地震响应取决于流体类型、裂缝和微裂缝的存在以及地层的岩石物理性质。岩石裂缝的识别和特征是地质、土木、环境和工程等多个领域的重要任务，包括碳氢勘探、地热资源生产、水文地质、二氧化碳封存和隧道工程等。由于典型地震数据的分辨率通常不足以直接成像裂缝，大多数研究致力于裂缝表征和地震属性之间的联系。地震波的衰减及速度频散曲线中有很大概率携带着流体以及裂缝的信息。从地震资料中提取出这些关键的信息对于油气勘探开发具有极其重要的意义。
含流体的多孔介质中，波动诱导流体流动(WIFF)是导致地震波能量衰减的主要原因。当地震波穿过多孔介质或裂缝介质时，由于孔隙内外以及裂缝内外的弹性差异，孔隙及裂缝的形变明显大于外部区域，会对其内部的流体产生挤压作用，导致流体向其他部分流动，这个过程由流体压力扩散(FDP)控制，直到流体压力达到平衡。而粘性流体与岩石骨架或颗粒之间势必会产生摩擦作用，从而导致地震波能量的损耗。其对应的频带很宽，研究尺度从整个地球的自由振荡到岩石样品中的超声波尺度。
现有的岩石物理数值模拟方法，是基于许多假设来构建，不能真实准确的模拟地下多孔介质的真实情况，在对地下孔隙裂隙型油气储层的岩石弹性性质及其响应机理的描述存在缺陷。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法、装置、设备及介质，能够脱离传统岩石物理模型带来的复杂几何形状上的限制，同时能模拟出更加接近地下真实的流体饱和模式，进而对含孔隙裂隙介质的地震波弹性响应进行相应的机理分析。其具体方案如下：
第一方面，本申请公开了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，包括：
对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOLMultiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；
基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
可选的，所述空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程，包括：
其中，表示对空间求导，μ为材料的剪切模量，εij表示固相的应变张量，δij为Kronecker算子，λ为拉梅系数，M和α为Biot-Wills系数，ζ为流体含量变化，/>为固相平均位移向量，/>为单位体积材料的平均相对流体位移向量，ω为角频率，i为复单位，材料的性能κ和η分别为渗透率和流体粘度；
相应的，所述目标形式方程，包括：
其中，为渗透率以及多孔介质上的粘性阻力，σ(u)为排水的弹性应力张量，I为恒等张量，u为固相平均位移，pf为流体压力。
可选的，所述基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：
构建孔隙裂隙介质模型；
对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件，并在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移；
利用所述平均垂向位移确定等效纵波模量，以便利用所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
可选的，所述对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件，并在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移，包括：
对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件为
其中，ΔP为边界载荷，Γ为被探测定义域的边界，v为边界上单位的外法线，χ为边界上单位的切线，L、R、B、T分别为定义域的左边界、右边界、下边界和上边界，u为固相平均位移，w为单位体积材料的平均相对流体位移；
在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移。
可选的，所述利用所述平均垂向位移确定等效纵波模量，以便根据所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：
当所述孔隙裂隙介质模型受到地震波压缩之后，将所述平均垂向位移近似等效为所述孔隙裂隙介质模型的模型体积变化量；其中，所述模型体积变化量为ΔV(ω)＝Lv，L为所述孔隙裂隙介质模型的边长，v为所述平均垂向位移；
利用所述模型体积变化量，通过第一目标公式确定等效纵波模量，以便根据所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散；其中，所述目标公式为V为所述孔隙裂隙介质模型的体积，ΔP为边界载荷，Mp(ω)为所述等效纵波模量。
可选的，所述利用所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：
基于所述等效纵波模量，利用第二目标公式确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减，并利用第三目标公式确定出所述裂缝储层岩石中的速度频散；其中，所述第二目标公式为 为所述地震波纵波衰减，Mp(ω)为所述等效纵波模量；所述第三目标公式为/>Vp(ω)为所述速度频散，ρav为多孔介质的平均密度。
可选的，所述基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散之后，还包括：
构建连通性不同的裂缝模型，并利用所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法对所述裂缝模型进行模拟，得到与所述裂缝模型对应的衰减与频散曲线，以便根据所述衰减与频散曲线对所述裂缝模型的地震波衰减与速度频散进行验证。
第二方面，本申请公开了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟装置，包括：
有限元数值模拟模块，用于对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；
地震特性获取模块，用于基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
第三方面，本申请公开了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如前所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法。
第四方面，本申请公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法。
本申请提供了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，包括：对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。本申请产生的有益效果为：使用有限元数值模拟，能够脱离传统岩石物理模型带来的复杂几何形状上的限制，同时能模拟出更加接近地下真实的流体饱和模式，进而对含孔隙裂隙介质的地震波弹性响应进行相应的机理分析。利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件，能够更加精细的刻画孔隙裂隙形态，通过推导后得到的目标形式方程对接COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口，实现频率域的扩展，描述地震波在含流体多孔介质中的行为，从而准确地预测地震波衰减和速度频散规律，进行地震波速度频散与衰减的升尺度数值模拟，可为跨频带岩石物理实验测量数据解释提供理论依据，这在利用地球物理技术与岩石物理方法结合进行非常规油气储层特性预测与流体识别、二氧化碳地质封存与监测方面有着十分重要的科学研究与实际应用价值。
此外，本申请提供的一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟装置、设备及存储介质，与上述孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法对应，效果同上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请公开的一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法流程图；
图2为本申请公开的一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟技术流程图；
图3为本申请公开的一种具体的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法流程图；
图4为本申请公开的一种连通与未连通裂缝模型示意图；
图5(a)为本申请公开的一种未连通裂缝与连通裂缝的地震波衰减示意图；
图5(b)为本申请公开的一种未连通裂缝与连通裂缝的速度频散示意图；
图6为本申请公开的一种随机分布的复杂裂缝模型示意图；
图7(a)为本申请公开的一种对复杂裂缝模型模拟得到的地震波衰减示意图；
图7(b)为本申请公开的一种对复杂裂缝模型模拟得到的地震波速度示意图；
图8为本申请公开的一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟装置结构示意图；
图9为本申请公开的一种电子设备结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的岩石物理数值模拟方法是基于许多假设来构建，不能真实准确的模拟地下多孔介质的真实情况，在对地下孔隙裂隙型油气储层的岩石弹性性质及其响应机理的描述存在缺陷。
为此，本申请提供了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方案，能够脱离传统岩石物理模型带来的复杂几何形状上的限制，同时能模拟出更加接近地下真实的流体饱和模式，进而对含孔隙裂隙介质的地震波弹性响应进行相应的机理分析。
本发明实施例公开了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，参见图1所示，该方法包括：
步骤S11：对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOLMultiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程。
有限元数值模拟作为目前研究饱和多孔介质弹性弹响应问题的重要手段，它能够把系统(结构)看作是由无限多个单元组成的连续体，在解这一连续体时将连续体离散化，然后将物理方程、平衡方程、几何方程结合起来，变换为求解线性方程组问题，从而进行一种理想化的模拟实验，并能单一地研究某一参数或因素对岩石物理性质的影响。但是在介观非均匀性存在下，由于WIFF发生的主要尺度，即相应的扩散长度，比波传播的尺度要小得多，因此地震性质的数值量化不是一件容易的任务。有限元数值模拟可以通过使用基于孔隙弹性理论的数值放大程序有效的探索和量化介质的地震属性，避免了与地震波长和扩散长度之间典型的空间尺度对比相关的固有问题。
基于时域的Biot准静态孔隙弹性方程在COMSOL中进行稳态计算已经具有一定认可度，可以清晰的看到岩石在地震波作用下的时间演化。但是存在着模拟频带受限，所需内存庞大，后处理复杂等问题，将其向频率域扩展十分有必要，因此，本申请实施例中，为了优化数值模拟，兼顾模拟效率和精度，将时域模拟方法推广到频域。基于空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程，将空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程推导成可以与COMSOL中对应物理场接口可用的形式，为通过衰减频散曲线及其不同频率的孔隙压力以及应力应变法演化来研究地震波弹性响应机理提供了捷径。
可以理解的是，COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件含有内置的固体力学与压力声学板块，将空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程推导成与软件的物理场接口对应的目标形式方程，即为将空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程推导成可以与软件的固体力学与压力声学板块中内置方程参数相对应的目标形式方程，然后施加载荷来等效振幅恒定的震源，并对于岩样边界设置相应的不排水边界条件，以完成数值模拟的试验与计算。
Biot准静态孔隙弹性方程是目前在波致流体流动研究领域最广泛使用的用来描述饱和多孔介质的方程。采用该方程能够更真实地预测含裂缝孔隙储层中受地震波压缩之后的引起的介观流体流动及其导致的速度频散与衰减特性。岩石物理界通常用Biot孔隙弹性方程来描述弹性波在多孔介质中的行为，而在准静态状态下，可以忽略方程中的惯性项，采用Biot准静态孔隙弹性方程来模拟波致流体流动效应。本申请实施例中，空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程为：
其中，表示对空间求导，μ为材料的剪切模量；εij表示固相的应变张量，δij为Kronecker算子，λ为拉梅系数，M和α为Biot-Wills系数；ζ为流体含量变化，/> 为固相平均位移向量，/>为单位体积材料的平均相对流体位移向量，ω为角频率，i为复单位，材料的性能κ和η分别为渗透率和流体粘度。
方程和方程/>分别表示样品内的应力平衡和达西定律，这两个表达式通过应力-应变关系耦合。其中，μm为干骨架剪切模量，Km、Ks和Kf分别为干骨架、固体颗粒和饱和流体的体积模量，φ为孔隙度。
可以看到，由于空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程是在u-w形式下的，因此在求解过程中其需要求解两个位移场。但是在获取地震波的弹性响应的过程中，所需要的只有固体骨架的位移变量u，因此利用消去方程中流体位移w，对方程进行整理变为u-pf目标形式，所述目标形式方程为：
其中，为渗透率以及多孔介质上的粘性阻力，σ(u)为排水的弹性应力张量，I为恒等张量，u为固相平均位移，pf为流体压力。通过目标形式方程可合理的将其与COMSOL中的物理场接口对应。
步骤S12：基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
由于在宏观尺度上没有流体流动，Biot方程的上升允许空间和时间的上升尺度，产生一个具有时间和频率相关的有效地震特性的均匀等效介质。因此通过对孔隙裂隙介质的代表性基本体积(Representative Volume Element，RVE)进行单轴压缩试验，可以得到裂缝介质的有效地震特性，也即，裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
具体的，所述基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：构建孔隙裂隙介质模型；对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件，并在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移；利用所述平均垂向位移确定等效纵波模量，以便根据所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。可见，首先基于不同的衰减和频散机理研究，构建具有代表性的孔隙裂隙介质模型，之后对于模型进行边界条件的设置，在适当的边界条件下利用有限元求解推导后的目标形式方程，当利用目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移后，根据所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，如此一来，计算得到在地震波压缩下产生的能量耗散，来仿真模拟真实岩样在实验室环境下受到的纵向单轴压缩。
本申请实施例中，对于模型进行边界条件的设置，设置的所述边界条件为
其中，ΔP为边界载荷，Γ为被探测定义域的边界，v为边界上单位的外法线，χ为边界上单位的切线，L、R、B、T分别为定义域的左边界、右边界、下边界和上边界，u为固相平均位移，w为单位体积材料的平均相对流体位移。
本申请实施例中，设定孔隙裂隙介质模型的边长L，体积为V，在受到地震波压缩之后模型体积的变化量为ΔV(ω)，该变化量可以通过顶部边界上的平均垂向位移v近似为ΔV(ω)＝Lv，进一步的，则可以通过第一目标公式计算得到等效纵波模量Mp(ω)，需要指出的是，顶部边界上的平均垂向位移v即为通过目标形式方程确定出的y方向上的u。
当得到相关的弹性相应参数，计算出等效纵波模量Mp(ω)后，利用第二目标公式确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减/>利用第三目标公式确定出裂缝储层岩石中的速度频散Vp(ω)；其中，ρav为多孔介质的平均密度。该数值算法通过计算地震波衰减和相速度来识别和探究孔隙裂隙介质中产生地震衰减的控制物理机制具有十分有效的作用。
如图2所示为本申请实施例中的技术方案示意图，将孔隙裂隙多孔介质时域数值模拟推广到频率域，利用COMSOL有限元建模，能够更加精细的刻画孔隙裂隙形态。用固体力学物理场用来表征固体骨架域受力情况，及用压力声学场来表征模型内流体域受力情况，在COMSOL中完成多孔介质建模工作流程，得到相应的应力应变以及位移变化后，再进行后处理阶段计算衰减和频散。如此一来，获得一种新的适用于计算任意形式的流体饱和、任意几何形状、任意岩石物理参数的饱和多孔介质数值模拟模型，该模型可用来更加精确地预测实际裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散特性，并对其波致流的流动物理机制的机理进行更深层次的分析。
本申请提供了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，包括：对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。本申请产生的有益效果为：使用有限元数值模拟，能够脱离传统岩石物理模型带来的复杂几何形状上的限制，同时能模拟出更加接近地下真实的流体饱和模式，进而对含孔隙裂隙介质的地震波弹性响应进行相应的机理分析。利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件，能够更加精细的刻画孔隙裂隙形态，通过推导后得到的目标形式方程对接COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口，实现频率域的扩展，描述地震波在含流体多孔介质中的行为，从而准确地预测地震波衰减和速度频散规律，进行地震波速度频散与衰减的升尺度数值模拟，可为跨频带岩石物理实验测量数据解释提供理论依据，这在利用地球物理技术与岩石物理方法结合进行非常规油气储层特性预测与流体识别、二氧化碳地质封存与监测方面有着十分重要的科学研究与实际应用价值。
本申请实施例公开了一种具体的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，基于本发明中所建立的岩石物理模型进行孔隙裂缝介质数值模拟对于连通性不同的裂缝模型进行模拟并验证其速度频散和衰减特性的合理性。该模拟方法能准确地表征裂缝的不同流体扩散模式，从而进行机理分析。此外对于位置角度随机分布的连通型模型进行了模拟，并得到合理的衰减与频散结果。参见图3所示，所述基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散之后，还包括：
步骤S21：构建连通性不同的裂缝模型，并利用所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法对所述裂缝模型进行模拟，得到与所述裂缝模型对应的衰减与频散曲线。
步骤S22：根据所述衰减与频散曲线对所述裂缝模型的地震波衰减与速度频散进行验证。
本申请实施例中，使用实验室测得的裂缝弹性参数及其流体参数，测试本发明中的基于孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法计算宽频带速度频散与衰减结果的有效性，并在相同储层与流体参数条件下，对于连通性不同的裂缝模型进行模拟来验证所提出方法的正确性。
示例性的，如图4所示，构建模型边长2cm，裂缝长1.6cm，宽0.02cm的两个连通性不同的裂缝模型，其中(a)中两裂缝相互连通，(b)中两裂缝并不相连。使其裂缝饱和CO2、背景介质饱和水，顶部施加垂直载荷进行模拟。图5为未连通裂缝与连通裂缝的衰减与频散曲线，从图5的结果可以看到通过本申请实施例中的方法能表征不同裂缝的不同流体扩散模式。
地震波衰减如图5(a)所示，在高频部分，连通型裂缝相比于未连通裂缝存在类似喷射流的衰减，该衰减峰的形成是由于裂缝的渗透率与可压缩性与背景介质之间差异较大，因此水平裂缝中的流体优先流向垂直裂缝，在短时间内完成流体交换，这也导致了在低频部分连通性裂缝中与背景介质的流体扩散作用减弱，使得低频处衰减值相较于未连通裂缝中较低。
在地震波速度的频散如图5(b)所示，未连通型裂缝的速度整体大于连通型裂缝。但连通型裂缝的速度出现两个平台期，并且其特征频率与图5(a)中相对应。由于在高频部分，未连通裂缝中的流体只能向背景介质中扩散，垂向裂缝中虽然渗透率较高但是缺乏流体交换的通道，水平裂缝内部流体压力得不到及时的释放，导致地震波速度一直较大。而在连通型裂缝中，流体极易向渗透率高，可压缩性较高的裂缝中扩散，介质中流体压力达到平衡状态的条件容易达到，导致了连通型裂缝的速度偏低。当流体交换的时间足够短或是足够长时，裂缝的连通性影响不大，两者的高频极限与低频极限接近一致。
此外构建了图6所示的随机分布的复杂裂缝模型，并在裂缝内饱和不同流体进行研究分析。图6为模型边长为0.2m，内部由30条角度从-15°到15°，长度从0.01m到0.03m，宽度从0.0001到0.003随机变化，平均孔径约为0.0002m的近似水平裂缝，以及长度宽度的随机变化范围以及平均孔径与一致角度从75°到105°随机变化的30条近似垂直裂缝共同组成。在背景介质饱和盐水的前提下，改变裂缝内饱和流体的类型，分别为盐水、二氧化碳、硅油。
图7为图6模型模拟得到的衰减与频散曲线，表明该方法在模拟复杂裂缝模型时仍有较高的稳定性、准确性。地震波衰减如图7(a)所示，在低频部分裂缝中饱和硅油的衰减峰值大于盐水和二氧化碳，但在高频部分情况完全相反二氧化碳的衰减峰值大于盐水以及硅油，其中硅油在高频部分几乎没有衰减。地震波速度如图7(b)所示，在低频部分裂缝内饱和硅油与饱和盐水速度值基本一致，二氧化碳速度略低。在高频部分盐水的速度最大，其次是硅油与二氧化碳。并且地震波速度变化最大的频率与衰减峰值所对应的频率相同。通过该方法进行数值模拟能精确表征不同裂缝填充流体对于裂缝多孔介质的地震波衰减与频散的影响，为控制单一变量研究地震波弹性响应影响因素提供了良好的解决方案。
通过上述方法而获得的孔隙裂隙介质数值模拟流程，能够精细刻画孔隙裂隙，并引入地震波速度频散和衰减有显著影响的参数例如流体性质、骨架参数、孔隙度、渗透率等。此外还可以探究裂缝或斑块属性(连通性，空间分布，填充物类型，纵横比等)对地震波弹性响应的影响。因此，通过该物理建模进行数值模拟的方法在利用地球物理方法勘探油气资源方面有着重要的科学研究价值，同时对实际生产过程中的精确储层表征与流体预测具有十分重要的参考价值，能够更合理地解释跨频带岩石物理实验测量得到的速度频散和衰减数据，为准确地模拟真实油气储层地震波的速度频散与衰减特性提供坚实的理论支持。
相应的，本申请实施例还公开了一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟装置，参见图8所示，该装置包括：
有限元数值模拟模块11，用于对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；
地震特性获取模块12，用于基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
其中，关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
由此可见，通过本实施例的上述方案，包括：对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。本申请产生的有益效果为：使用有限元数值模拟，能够脱离传统岩石物理模型带来的复杂几何形状上的限制，同时能模拟出更加接近地下真实的流体饱和模式，进而对含孔隙裂隙介质的地震波弹性响应进行相应的机理分析。利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件，能够更加精细的刻画孔隙裂隙形态，通过推导后得到的目标形式方程对接COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口，实现频率域的扩展，描述地震波在含流体多孔介质中的行为，从而准确地预测地震波衰减和速度频散规律，进行地震波速度频散与衰减的升尺度数值模拟，可为跨频带岩石物理实验测量数据解释提供理论依据，这在利用地球物理技术与岩石物理方法结合进行非常规油气储层特性预测与流体识别、二氧化碳地质封存与监测方面有着十分重要的科学研究与实际应用价值。
进一步的，本申请实施例还公开了一种电子设备，图9是根据一示例性实施例示出的电子设备20结构图，图中内容不能认为是对本申请的使用范围的任何限制。
图9为本申请实施例提供的一种电子设备20的结构示意图。该电子设备20，具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、通信接口24、输入输出接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任一实施例公开的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法中的相关步骤。另外，本实施例中的电子设备20具体可以为计算机。
本实施例中，电源23用于为电子设备20上的各硬件设备提供工作电压；通信接口24能够为电子设备20创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本申请技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口25，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源可以包括操作系统221、计算机程序222及数据223等，数据223可以包括各种各样的数据。存储方式可以是短暂存储或者永久存储。
其中，操作系统221用于管理与控制电子设备20上的各硬件设备以及计算机程序222，其可以是Windows Server、Netware、Unix、Linux等。计算机程序222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备20执行的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。
进一步的，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，这里所说的计算机可读存储介质包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、内存、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、磁碟或者光盘或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质。其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法。关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
结合本文中所公开的实施例描述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，包括：
对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；
基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
2.根据权利要求1所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，所述空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程，包括：
其中，表示对空间求导，μ为材料的剪切模量，εij表示固相的应变张量，δij为Kronecker算子，λ为拉梅系数，M和α为Biot-Wills系数，ζ为流体含量变化，/>为固相平均位移向量，/>为单位体积材料的平均相对流体位移向量，ω为角频率，i为复单位，材料的性能κ和η分别为渗透率和流体粘度；
相应的，所述目标形式方程，包括：
其中，为渗透率以及多孔介质上的粘性阻力，σ(u)为排水的弹性应力张量，I为恒等张量，u为固相平均位移，pf为流体压力。
3.根据权利要求1所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：
构建孔隙裂隙介质模型；
对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件，并在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移；
利用所述平均垂向位移确定等效纵波模量，以便利用所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
4.根据权利要求3所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，所述对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件，并在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移，包括：
对所述孔隙裂隙介质模型设置边界条件为
其中，ΔP为边界载荷，Γ为被探测定义域的边界，v为边界上单位的外法线，χ为边界上单位的切线，L、R、B、T分别为定义域的左边界、右边界、下边界和上边界，u为固相平均位移，w为单位体积材料的平均相对流体位移；
在所述边界条件下利用所述目标形式方程确定出顶部边界上的平均垂向位移。
5.根据权利要求3所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，所述利用所述平均垂向位移确定等效纵波模量，以便根据所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：
当所述孔隙裂隙介质模型受到地震波压缩之后，将所述平均垂向位移近似等效为所述孔隙裂隙介质模型的模型体积变化量；其中，所述模型体积变化量为ΔV(ω)＝Lv，L为所述孔隙裂隙介质模型的边长，v为所述平均垂向位移；
利用所述模型体积变化量，通过第一目标公式确定等效纵波模量，以便根据所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散；其中，所述目标公式为V为所述孔隙裂隙介质模型的体积，ΔP为边界载荷，Mp(ω)为所述等效纵波模量。
6.根据权利要求3所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，所述利用所述等效纵波模量确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散，包括：
基于所述等效纵波模量，利用第二目标公式确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减，并利用第三目标公式确定出所述裂缝储层岩石中的速度频散；其中，所述第二目标公式为为所述地震波纵波衰减，Mp(ω)为所述等效纵波模量；所述第三目标公式为/>Vp(ω)为所述速度频散，ρav为多孔介质的平均密度。
7.根据权利要求1至6任一项所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散之后，还包括：
构建连通性不同的裂缝模型，并利用所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法对所述裂缝模型进行模拟，得到与所述裂缝模型对应的衰减与频散曲线，以便根据所述衰减与频散曲线对所述裂缝模型的地震波衰减与速度频散进行验证。
8.一种孔裂隙介质的岩石物理数值模拟装置，其特征在于，包括：
有限元数值模拟模块，用于对空间频域中的Biot准静态孔隙弹性方程进行推导，确定出与COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件中的物理场接口对应的目标形式方程；
地震特性获取模块，用于基于所述目标形式方程，对孔隙裂隙介质的代表性体积单元进行单轴压缩实验，确定出裂缝储层岩石中的地震波衰减与速度频散。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一项所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序；其中所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的孔裂隙介质的岩石物理数值模拟方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN117250658A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 核工业北京地质研究院 | 建立研究区的地震数据集的方法 |
| CN118426074A (zh) * | 2024-05-31 | 2024-08-02 | 中国矿业大学 | 一种深部热储软弱结构精细刻画与表征方法 |
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