三维数字岩心定向应力应变模拟研究

Digital rock physics is one of the important research fields in oil and gas exploration and development. It calculates effective physical parameters of high-resolution digital rock using modern mathematics and computer technology. This study intends to establish a new stress strain simulation which calculating seismic wave velocity and attenuation on the digital rock. First, dynamic strain boundary condition is applied on two parallel surfaces of the digital rock, and periodic boundary condition is applied on the other four surfaces. Then, evolution of stress and strain fields on the digital rock is simulated by wave equation modeling, the the same time average stress and strain curves are calculated. Finally, velocity and attenuation are extracted from the average stress and strain curves. The advantage of the new simulation is that it calculates velocity and attenuation along a preset direction. As a result, the new simulation can not only calculates velocity and attenuation of macroscopically anisotropic digital rock, but also the simulating direction agrees with that of field and laboratory measurements, which then promoting simulation accuracy and comparability between simulated and measured results. The new simulation will help to study the mechanism of seismic wave propagation in rocks, and to interpret seismic exploration, sonic logging and rock sample testing date, as well as well drilling and development.

数字岩石物理是当前油气勘探与开发领域中的重要研究内容之一，它以高分辨率的数字岩心为模型，利用现代数学方法和计算机技术计算数字岩心的等效物理参数。本项目拟建立一种数字岩心应力应变模拟新方法，其主要特点是在数字岩心的两个相互平行的表面上应用动态应变边界条件，在其它四个表面上应用周期性边界条件，然后利用波动方程模拟计算数字岩心的应力场和应变场，并计算平均应力曲线和平均应变曲线，最后从平均应力和应变曲线中提取速度与衰减参数。新方法的优点是可以沿指定方向计算速度和衰减参数。因此，新方法不但可以计算具有等效各向异性性质的数字岩心的速度和衰减参数，提高模拟值的精度，而且能与野外和实验室测量在“测量”方向上达到一致，提高模拟值与实测值的可比性。新方法可以成为研究波在岩石中传播规律的有效方法，为地震勘探、声波测井和岩心测试资料的分析解释，以及钻井开发提供帮助。

随着油气勘探向复杂地区深入，利用地震构造信息发现油气藏的难度越来越大，而振幅-频率关系的应用越来越多。利用振幅-频率关系的基础是人们对地震波在岩石中的传播速度、衰减程度，与岩石的孔隙结构、流体性质之间的关系有比较明确地认识。但由于岩石十分复杂，人们虽然取得了一系列重要研究进展，对波致流造成的地震波的频散和衰减有了较为深刻的认识，但地震解释仍然存在很多问题，若干关键问题的物理机理亟待研究清楚。最近二三十年，地震数字岩石物理技术进展迅速，动态应力应变数值模拟方法在不到十年之内发展起来，已展示了其用于研究地震波频散-衰减规律与微观孔隙结构中的波致流的关系的潜力。本项目建立了三种数字岩心动态应力应变数值模拟方法，分别是单频率方法、宽频带方法和近似全频带方法。这三种模拟方法在方法上的主要区别是边界条件不同，数字岩心发生的动态应变随时间的变化不同。单频率模拟方法不但可以计算速度和衰减参数，也能分析孔隙结构中的波致流。宽频带模拟方法计算地震至超声波频带的频散和衰减参数。近似全频带方法还能研究弹性散射效应所致的频散和衰减。综合三种方法，我们可以研究弹性波在岩石中传播时发生的频散和衰减现象、波致流与孔隙结构等方面的关系，提供传统岩石物理测量方法不能提供的微观动态数据，可以成为解决岩石物理学中部分关键物理问题的有力方法。同时该方法也可以用于材料科学、环境科学和海洋科学等相关领域的研究。