三維頁巖層溫度與聲波傳播特性關系研究

李得玉

摘 要：頁巖氣作為一種新型能源，其開發和利用正影響著世界能源和經濟發展。對油氣資源的測井分析是勘探開發過程中的重要步驟，能有效對頁巖氣資源進行評估。聲波測井是勘探的主要方式，但是在實際工程中測得得數據并不準確，本文以ANSYS軟件建立頁巖層三維模型，得到在不同溫度下聲波在巖層中的傳播數據，發現在不同溫度下，聲波在不同方向上分別發生規律不一致的變化。所以當測得的數據發生當地層中聲波在不同的方向發生明顯的變化時，應考慮可能是溫度的影響。

關鍵詞：三維 頁巖層 溫度 聲波傳播特性

中圖分類號：TD32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0083-02

聲波測井是利用聲波在巖石中的傳播特性來研究探測井下地質情況，從而判斷固丼的一種測井方法[1]。但是在實際工程中，由于儲層結構不確定性，測井資料與實際情況往往存在很大偏差，采出空井以及采不出資源的現象頻繁發生，導致了不必要的資源浪費。所以使用計算機模擬頁巖層中聲波的傳播規律很有必要，本文以此為背景，用ANSYS軟件建立頁巖層三維模型，得到溫度與聲波傳導特性關系，提出合理確定頁巖層結構的有效建議。

1 頁巖層--聲波有限元方法的理論研究

巖石圈組構的核心是它的彈性核，所以巖石圈是個彈性體[2]。巖體內部發生力學過程時，所發出的壓力波就是巖體聲波信號。在聲波測井中，聲波發生器發出的聲波能量小，作用在巖體中的時間短，有效避免了巖層介質不連續性和巖層骨架結構不同所引起的巖層非彈性特征的影響。因此可以用彈性波在物質中的傳播規律來類比波在頁巖中的傳播[3]。

2 三維各向同性頁巖層有限元模型的建立

2.1 單元的選擇

模型中采用SOLSH190單元、FLUID130與FLUID30單元， 用FLUID130建立三維模型的邊界，FIUID30建立模型外層結構，達到將有限范圍內的吸收效果延伸到無限吸收的成效。在有限元計算中，與FLUID130單元相接處的結構邊界必須滿足三維軸對稱條件，所以模型必須是圓形的。

2.2 模型計算

實際工程中聲波探測的區域只是諸多頁巖層中的很少一部分，所以，在本文中采用SOLSH190單元建立一半徑為5的球體來模擬地下頁巖層，工程中需要在巖層上打一個井眼，進行換能器的放置和發出探測聲波。所以在模型中，從球心向外開一個單側孔來模擬工程中的井眼，小孔直徑和球體直徑比例選擇1：50。同時選擇瞬態正玄波作為模型聲波荷載。為了避免聲波發生反射影響實驗結果，所以在模型中建立的氣層結構滿足吸收聲波的要求，用FLUID30單元建立和固體單元直接接觸的一層氣層結構，其參數設置為KEYOPT（2）=0，單元在各方向的位移都為零，有效形成流體結構接觸面。第二層氣體結構依舊使用FLUID30由于并沒有和固體單元直接接觸，其參數設置為KEYOPT（2）=1，達到聲波吸收的效果。最外層用FLUID30單元建立流體模型的包層，形成無限的聲單元。在對內部固體結構進行參數設置時，通過設置正交方向上不同的彈性模量值來體現各向異性。同時泊松比為m=0.4，巖石中聲速為2400 m/s。外層氣層結構是空氣流體單元，其密度為，空氣中聲波的播速為340 m/s，邊界導納系數為設定為1。模型最外層由FLUID130建立的流體模型的包層是一個面結構，依舊設置為1來達到完全吸收的效果。在有限元中分析中，要求聲波最小波長內至少存在10個單元，這樣才能有足夠的精度來分辨最小主頻。模型中模型中聲波頻率為2000赫茲，波速為2400 m/s，所以內部結構單元選擇單元大小為0.2，兩層氣層結構單元大小選擇0.25。

2.3 施加荷載

該文中，在頁巖層與氣層接觸面的節點上加載10 kg的對稱力來模擬頁巖地層壓力，同時在頁巖層界面上選擇堆成的四個點進行全約束加載，頁巖層中加載50℃的溫度在聲波測井的過程中，溫度的改變，會影響彈性模量的變化，其對應的關系式為，而彈性模量的改變會導致振動波幅的變化。該文中將對不同溫度下聲波傳播和同溫度下聲波三維傳播進行研究。

2.4 不同溫度下聲波傳播規律

當地層壓力不變的情況下，模型中只改變模型溫度，得到在同一徑向方向上節點編號7109的節點在溫度50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃下節點沿著各方向的最大位移如表1所示。

對應的各方向溫度-位移變化圖以及對應擬合的關系表達式如圖1所示。

由溫度與節點最大位移的關系式可知溫度對各方向節點的位移呈現線性影響，位移隨著溫度的增加而增大，而且各方向增大斜率相同，既溫度對節點各方向的影響效應是相同的。

2.5 同溫度下聲波三維傳播

選擇溫度為50 ℃時，選取沿著徑向方向上的所有節點，則在t=0.14 s時，各個節點的沿著不同方向上的位移如圖2所示。

由圖中節點位移變化可以看出隨著傳播距離的增大，聲波在個方向上的波動都減小，此外，各方向上減小的速度是不一樣的，減小速度Z軸最大，X軸最小。

3 結論及建議

進行有限元模擬聲波在頁巖層中傳播時，在邊界處必須設置合理的邊界條件對聲波進行吸收處理，避免聲波發生反射影響結果，同時，為了防止波傳播過程中發生失真，網格劃分應足夠精致。溫度的改變會引起地層各方向彈性模量的變化，進而影響聲波的傳播，當地層中聲波在不同的方向發生明顯的變化時，應考慮可能是溫度的影響。本文中只考慮在各向同性下聲波隨著溫度變化的傳播研究，但這只是定向分析的結果，為了更精確的分析，在后續研究中，應考慮地層各項異性與地層壓力等因素的影響。

參考文獻

[1] 李新寶.淺談聲波測井技術[J].遼寧省制金地址勘查局地質勘查研究院，2011（31）：4.

[2] 徐芝綸.彈性力學[M].北京：高等教育出版社.

[3] 章成廣，江萬哲，潘和平.聲波測井原理與應用[M].北京：石油工業出版社.

[4] 胡世猛.板殼結構強度與聲學特性分析[M].武漢理工大學，2006.

[5] 署恒木，仝興華.工程有限單元法[M].中國石油大學出版社.endprint