组成颗粒微观特征对疏松砂岩地震弹性性质的影响研究

Unconsolidated sands and weakly cemented sandstones show similar mechanical characteristics as those of discrete granular materials. Numerical simulation of elastic wave propagation in the rigorous grain contact model using the discrete element method is implemented by applying a velocity pulse to generate the corresponding wave motion in the granular samples, through which we can systematically study the influences of the physical properties of grain contact surface, cement properties, grain packing, boundary conditions and stimulation condtions on the propagation properties of the compressional and shear waves. Based on the simulation, we can determine the necessary conditions with which the mechanical properties of granular materials may shift from a discrete problem to a continuous one. Based on this analysis, the relationship between the macroscopic elastic properties of granular media and the microscopic grain-scale properties can be established. By describing and comparing the mechanical responses on the grain-scale under static loading with large stress and dynamic loading with small stress, the wave motion and the relaxation properties of the discrete gain can be studied on the microscopic grain-scale. By this approach, the intrinsic mechanism between the properties of microscopic structure and mechanical responses and the macroscopic elastic properties of unconsolidated sands and weakly cemented sandstones can be established, providing a theoretical basis and microscopic insight for the rock-physics modeling and for the explanation of special rock-physics experiment results of sands and weekly cemented sandstones. This study can provide an important perspective for investigating the wave motion process of unconsolidated sands at micro- and meso-scale. This work will make a great contribution to rock physics theories, and also provide important insights into many industrial and environmental applications.

针对疏松砂岩所具有的离散颗粒物质力学特性，从其复杂微结构及力学性质表征入手，用基于严格颗粒接触理论的离散元方法实现颗粒介质中弹性波传播的数值模拟，藉此系统研究颗粒表面物理特征、颗粒胶结特征、边界应力条件、激励特征等的变化对纵、横波传播特征的影响，明确介质地震弹性性质由离散向连续转化的条件要求，并在此基础上阐明颗粒介质微观结构特征与宏观弹性性质之间的变化关系；通过数值模拟刻画静（大应变）、动（小应变）态激励下介质颗粒尺度的力学响应特征，从微、细观颗粒尺度认识离散颗粒的波动过程，确定颗粒松弛作用的表现形式，阐明疏松砂岩的微观结构特征、力学响应特征与介质弹性性质之间的变化机理,为相关岩石物理实验及岩石物理建模提供理论依据，为从细观尺度研究复杂介质波动过程提供思路。本次研究是对岩石物理理论体系的完善，不但可以直接运用于疏松砂岩储层特征的定量地震地震勘探，在岩土工程与环境领域也有广泛的运用价值。

未固结碎屑砂岩储层是国内外重要的油气储层类型之一，其物理本质是由离散颗粒组成的软凝聚态物质。在地震勘探中通常使用基于Hertz-Mindlin接触模型的等效介质模型来计算未固结砂岩的地震弹性特征，但该模型在使用中会得到明显偏高的剪切模量值。基于3D离散元技术，对颗粒介质在单轴压缩与纯剪两种过程中的力学响应进行离散元数值模拟，从微观颗粒尺度和细观力链尺度分析等效介质模型产生预测误差的可能机制，结果表明颗粒相对滑动、旋转、重排列等造成的应力松弛作用对体积模量计算结果的影响较弱，但在剪应力扰动下这种松弛作用所形成的细观不均匀应变对剪切模量的计算会有明显影响, 是等效介质模型形成预测误差的主要原因。在此基础上给出了利用切向刚度校正因子C及组合参数 /R对Hertz-Mindlin等效介质模型进行修正的方法，以考虑颗粒间松弛作用及颗粒不规则性对该模型计算结果的影响，并应用于实际测井资料中验证了方法的正确性。.通过地震岩石物理实验确定疏松砂岩地震岩石物理性质变化规律。等压力作用下，不含胶结物的疏松砂岩孔隙度变化主要决定于样品的分选性，即沉积时的水动力条件控制储层岩石粒度分配。样品速度变化也主要是分选性差异造成，分选性能形成相对较大的孔隙度变化，而分选性引起的速度差异并不显著，造成速度随孔隙度呈现较为平缓的变化趋势。疏松砂岩有效压力变化对速度影响明显，压力增加仅能使孔隙度出现较小减少，但使速度明显增加，造成压力作用下速度随孔隙度呈现斜率较陡的变化趋势。.以春光沙湾组疏松砂岩储层岩石系统地震岩石物理实验为基础，总结了沉积环境、成岩过程差异对疏松砂岩地震弹性性质的影响。在速度～孔隙度变化趋势上表现出两种明显不同的变化趋势，其一表现为速度随孔隙的减少按较为平缓的方式增加；其二为速度随孔隙度的减小而迅速增加。沉积环境对疏松砂岩速度～孔隙度变化趋势亦有明显影响，冲积扇沉积体系下形成具有砂、泥薄互层特征的溢岸沉积，速度（阻抗）随孔隙度的增大而缓慢减少；辫状河-三角洲平原沉积体系下形成较为典型的浊积沉积，形成砂—泥质砂—砂质泥—泥岩的渐变沉积序列，速度（阻抗）随孔隙度的增大而缓慢增大。