一种岩石微观孔隙结构测试方法技术

本发明专利技术提供了一种岩石微观孔隙结构测试方法，该方法包括：建立表征岩石弹性模量与微观孔隙结构的关系；估算岩石中硬孔隙的纵横比；计算各个有效压力下岩石的累积裂隙密度；建立有效压力和裂隙密度之间的关系；基于静态弹性模量估算裂缝孔隙度的分布特征；计算静态累积裂隙密度和裂缝孔隙度的分布特征。本发明专利技术充分考虑静态弹性模量对压力变化更敏感的特点，利用静态弹性模量替换动态弹性模量来预测岩石内部的微观孔隙结构分布特征，预测结果更加贴近岩石的真实情况，可实现岩石内部微观孔隙结构的准确刻画。

【技术实现步骤摘要】
一种岩石微观孔隙结构测试方法
本专利技术涉及一种岩石内部裂缝孔隙度的测试方法，尤其涉及一种利用岩石的弹性模量来测试其微观孔隙分布特征的表征测试方法。
技术介绍
开展岩石微观孔隙结构对岩石弹性模量的影响分析，这对刻画地下储层特征具有重要的指导意义(Tranetal,2008)。众多学者基于实验室测量的超声波速度(动态弹性模量)和应力应变关系(静态弹性模量)来研究该影响(King,1966；Nur和Simmons,1969；Coyner,1984；Baudetal,2017)。通过研究发现动弹性模量在低有效压力(有效压力p＝Pc-Pp，其中，Pc和PP分别是围压和孔隙压力)下变化比较明显，这是由于纵横比(裂缝的纵横比定义为裂缝宽度一半与长度一半的比)较小的裂缝随着压力增大逐渐闭合，进而导致岩石的弹性性质变化明显。从本质上讲，与压力有关的岩石弹性性质与微观孔隙结构密切相关。Walsh(1965)推导了干燥岩石(孔隙压力PP为零)的体积模量(体积模量为弹性模量的一种，定义为静水压力与体应变的比)随围压Pc变化的表达式，发现裂缝(软孔隙)对弹性模量的影响比粒间孔隙(硬孔隙)更加显著，并估算了岩石样品的裂缝孔隙度。Chengand(1979)利用KT等效介质模型(Kuster和1974)估算了不同种类岩石中微观孔隙的孔隙度分布特征，即具有不同孔隙纵横比特征的孔隙，对应不同的孔隙度。由于KT模型无法估算高孔隙度岩石的弹性模量，Tran等(2008)通过引入DEM等效介质模型(Berryman,1992)改进了Cheng和的方法。然而，最终的计算结果并不是唯一的，且结果的可靠性依赖于输入的先验模型。为解决这个问题，Izumotani和Onozuka(2013)利用快速模拟退火算法(一种基于概率的算法)估算了微观孔隙的孔隙度分布特征。Eberhart-Phillips等(1989)基于线性和指数项的组合推导了地震波速度和有效压力之间的经验关系式。Zimmerman(1991)利用该关系式近似计算了三种砂岩样品的可压缩系数，并估算了微观孔隙的孔隙度分布特征。基于Zimmerman的方法，David和Zimmerman(2012)利用Mori-Tanaka理论(Mori和Tanaka，1973；Benveniste，1987)从干燥岩石的地震波速度中获得微观孔隙的孔隙度分布特征(以下简称DZ模型)，并通过Gassmann方程预测饱和岩石的纵横波速度随有效压力的变化趋势。这些方法虽易实现，但估算的结果通常与实际数据不吻合，研究发现基于动态弹性模量预测的结果往往偏小(Cheng和1979；Pervukhina等，2010)。综上所诉，现有的技术研究中仍存在以下问题：(1)动态弹性模量对压力的敏感性未充分考虑；(2)动态弹性模量预测的累计裂隙密度、裂缝孔隙度远远低于岩石内部的真实情况。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种岩石微观孔隙结构测试方法，该方法基于静态弹性模量来提取岩石内部微观孔隙的孔隙结构分布特征，提高累计裂隙密度、裂缝孔隙度等孔隙结构的测试准确度。技术方案：本专利技术所采用的技术方案是：一种岩石微观孔隙结构测试方法，包括以下步骤：S1：基于Mori-Tanaka理论建立岩石弹性模量与微观孔隙结构的关系，该关系包括公式(1)、公式(2)所示的岩石弹性模量与岩石中硬孔隙的孔隙度φstiff的关系：式中Kstiff和Gstiff分别为仅含硬孔隙岩石的等效体积模量与等效剪切模量，K0和G0分别为不含孔隙岩石的体积模量与剪切模量，式中假设岩石中的硬孔隙为椭球形，φstiff为岩石中硬孔隙的孔隙度，P、Q分别为硬孔隙的形状因子，与椭球形硬孔隙的纵横比α有对应关系；以及公式(3)、(4)表示的岩石弹性模量与岩石中累积裂隙密度Γ的关系：式中Keff和Geff分别为岩石的等效体积模量与等效剪切模量，vstiff是仅含硬孔隙岩石的泊松比vstiff＝(3Kstiff-2Gstiff)/(6Kstiff+2Gstiff)，Γ是累积裂隙密度；其中，公式(1)、公式(2)中的P、Q定义为：其中，v＝(3K0-2G0)/(6K0+2G0)，g仅与硬孔隙的纵横比α有关，其表达式为：S2：采用实验室常规的通过应力应变关系测量体积模量的方法，测量当岩石中裂缝在有效压力的作用下闭合时对应的岩石等效静态体积模量并通过公式(1)计算得到硬孔隙的纵横比S3：基于实验室测量各个有效压力下对应的等效体积模量Keff或剪切模量Geff，利用公式(3)或(4)计算，可得到各个有效压力p下对应的累积裂隙密度Γp,st(α)；具体包括以下过程：S31：基于实验室测量各个有效压力下对应的等效体积模量Keff或剪切模量Geff；S32：通过S2步骤中获得的硬孔隙的纵横比利用公式(1)和公式(2)计算得到仅含硬孔隙岩石的等效体积模量Kstiff与等效剪切模量Gstiff；S33：计算泊松比vstiff＝(3Kstiff-2Gstiff)/(6Kstiff+2Gstiff)；S34：利用公式(3)或者公式(4)计算得到各个有效压力p下对应的累积裂隙密度Γp,st(α)。S4：利用裂隙密度随有效压力的变化呈指数衰减定律其中是在有效压力为零时的初始裂隙密度，为一个与压力p同数量级的压力常数，根据S3所得的各个有效压力p下所对应的累积裂隙密度Γp,st(α)计算拟合该关系式中的参数，从而得到岩石的裂隙密度随有效压力的变化的拟合曲线或关系式；S5：通过裂缝孔隙度的关系式建立裂缝孔隙度与纵横比之间的关系，从而获得岩石内部裂缝孔隙度的分布特征；具体包括以下过程：S51：首先将实验室测量压力区间分成n等份，利用裂隙纵横比与压力之间的关系式，得到各压力下对应的裂隙纵横比；其中，所述裂隙纵横比与压力之间的关系式为：式中是高有效压力下的等效静态杨氏模量，可由公式计算得到，泊松比由计算得到。S52：其次通过S4得到压力与累计裂隙密度关系式，求取各压力下对应的累积裂隙密度；S53：最后通过裂缝孔隙度的关系式建立裂缝孔隙度与纵横比之间的关系，从而获得岩石内部裂缝孔隙度的分布特征。S6：基于S5所得到岩石内部裂缝孔隙度的分布特征，对所有的裂缝孔隙度与密度进行求和，计算得到岩石中累积裂缝孔隙度和累计裂隙密度曲线，则二者曲线上的渐进值分别为待测岩石内部的裂缝孔隙度与裂隙密度。有益效果：本专利技术设计岩石微观孔隙结构提取方法，利用静态弹性模量替换动态弹性模量来估算微观孔隙的孔隙度分布特征。本专利技术充分考虑静态弹性模量对压力变化更敏感的特点，利用静态弹性模量替换动态弹性模量来测试岩石内部的微观孔隙结构分布特征，测试结果更加贴近岩石的真实情况，可实现岩石内部微观孔隙结构的准确刻画。附图说明图1是本专利技术基于静态弹性模量测试岩石微观孔隙结构方法的流程示意图；图2是Navajo和Weber砂岩的应力-应变曲线图；图3是Navajo砂岩纵横波速度随有效压力的变化曲线；图4是Weber砂岩纵横波速度随有效压力的变化曲线；图5是Navajo和Weber砂岩裂缝孔隙度的分布特征；图6是Navajo和Weber砂岩的累积裂缝孔隙度分布特征；图7是Navajo和Weber砂岩的累积裂隙密度分布特征；图8是Navajo和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石微观孔隙结构测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于Mori‑Tanaka理论建立岩石弹性模量与微观孔隙结构的关系，该关系包括公式(1)、公式(2)所示的岩石弹性模量与岩石中硬孔隙的孔隙度φstiff的关系：

【技术特征摘要】
1.一种岩石微观孔隙结构测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于Mori-Tanaka理论建立岩石弹性模量与微观孔隙结构的关系，该关系包括公式(1)、公式(2)所示的岩石弹性模量与岩石中硬孔隙的孔隙度φstiff的关系：式中Kstiff和Gstiff分别为仅含硬孔隙岩石的等效体积模量与等效剪切模量，K0和G0分别为不含孔隙岩石的体积模量与剪切模量，式中假设岩石中的硬孔隙为椭球形，φstiff为岩石中硬孔隙的孔隙度，P、Q分别为硬孔隙的形状因子，与椭球形硬孔隙的纵横比α有对应关系；以及公式(3)、(4)表示的岩石弹性模量与岩石中累积裂隙密度Γ的关系：式中Keff和Geff分别为岩石的等效体积模量与等效剪切模量，vstiff是仅含硬孔隙岩石的泊松比vstiff＝(3Kstiff-2Gstiff)/(6Kstiff+2Gstiff)，Γ是累积裂隙密度；S2：采用实验室常规的通过应力应变关系测量体积模量的方法，测量当岩石中裂缝在有效压力的作用下闭合时对应的岩石等效静态体积模量并通过公式(1)计算得到硬孔隙的纵横比S3：基于实验室测量各个有效压力下对应的等效体积模量Keff或剪切模量Geff，利用公式(3)或(4)计算，可得到各个有效压力p下对应的累积裂隙密度Γp,st(α)；S4：利用裂隙密度随有效压力的变化呈指数衰减定律其中是在有效压力为零时的初始裂隙密度，为一个与压力p同数量级的压力常数，根据S3所得的各个有效压力p下所对应的累积裂隙密度Γp,st(α)计算拟合该关系式中的参数，从而得到岩石的裂隙密度随有效压力的变化的拟合曲线或关系式；S5：通过裂缝孔隙度的关系式建立裂缝孔隙度与纵横比之间的关系，从而获得岩石内部裂缝孔隙度的分布特征；S6：基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琳，巴晶，庞孟强，魏颐君，马汝鹏，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32