基于多尺度建模的龙马溪组页岩三维数字岩芯有效弹性参数精准模拟与分析.docxVIP

基于多尺度建模的龙马溪组页岩三维数字岩芯有效弹性参数精准模拟与分析

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续增长以及对清洁能源迫切追求的大背景下，页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，其开发利用受到了广泛关注。中国的页岩气储量丰富，其中龙马溪组页岩因其独特的地质条件和丰富的页岩气资源，成为了国内页岩气勘探开发的重点目标。

龙马溪组页岩主要分布于扬子地区，沉积于深水陆棚环境，经历了复杂的地质演化过程。该组页岩具有高有机质丰度、高成熟度以及良好的储集物性等特征，具备优越的页岩气成藏条件。以四川盆地为例，龙马溪组页岩在盆地内广泛分布，是四川盆地页岩气勘探开发的主力层系。在涪陵页岩气田，龙马溪组页岩气的成功开发，实现了中国页岩气的规模化开采，极大地推动了中国页岩气产业的发展。

有效弹性参数对于理解龙马溪组页岩的物理性质和开采过程具有重要意义。弹性参数能够反映岩石的力学性质，如杨氏模量、泊松比等，这些参数直接影响着岩石在开采过程中的变形和破裂行为。在页岩气压裂过程中，准确掌握岩石的弹性参数，有助于优化压裂方案，提高压裂效果，从而提高页岩气的开采效率。弹性参数还与页岩气的储集和运移密切相关。通过研究弹性参数，可以深入了解页岩气在岩石孔隙中的赋存状态和运移规律，为页岩气的勘探开发提供理论依据。

1.2国内外研究现状

在龙马溪组页岩数字岩芯研究方面，国内外学者已经取得了一定的进展。国外研究起步较早，在数字岩芯建模技术上较为先进。如[国外文献1]通过高精度成像技术获取页岩微观结构信息，构建了三维数字岩芯模型，对页岩的孔隙结构和矿物分布进行了详细研究。国内研究也在不断跟进，[国内文献1]提出了基于晶格弹簧-随机孔隙耦合模型（LSM-RVM）的离散数值建模方法，能够模拟包含多种矿物组分及不同成熟度干酪根的数字岩心，分析了TOC成熟度及含量对弹性参数的影响。

在有效弹性参数模拟方面，国外[国外文献2]运用有限元方法对数字岩芯进行弹性模拟，考虑了岩石的非均质性和孔隙结构对弹性参数的影响。国内[国内文献2]则基于Biot孔弹方程，采用不分裂卷积完全匹配层（CPML）旋转交错网格有限差分法模拟不同压力下弹性波在数字岩心中的传播，进而估算等效速度和弹性参数。

然而，目前的研究仍存在一些不足。在数字岩芯构建方面，对于一些复杂的地质现象，如矿物的定向排列、微裂缝的动态演化等，还难以准确模拟。在有效弹性参数模拟中，如何准确考虑多物理场耦合作用对弹性参数的影响，仍然是一个有待解决的问题。此外，不同研究方法和模型之间的对比和验证还不够充分，导致模拟结果的可靠性和准确性存在一定的不确定性。

1.3研究内容与技术路线

本研究主要涵盖以下内容：首先，构建龙马溪组页岩的三维数字岩芯。利用高分辨率成像技术获取页岩样品的微观结构信息，包括孔隙分布、矿物组成等。然后，采用先进的图像处理和建模方法，将这些信息转化为三维数字岩芯模型，确保模型能够真实反映页岩的微观结构特征。

其次，进行有效弹性参数模拟。基于构建的数字岩芯模型，运用合适的数值模拟方法，如有限元法、离散元法等，模拟弹性波在数字岩心中的传播过程，计算得到页岩的有效弹性参数，如杨氏模量、泊松比、剪切模量等。

最后，对模拟得到的有效弹性参数进行分析。研究弹性参数与页岩微观结构、矿物组成之间的关系，探讨不同因素对弹性参数的影响规律。同时，将模拟结果与实际测量数据进行对比验证，评估模拟方法的准确性和可靠性。

在技术路线上，本研究采用多学科交叉的方法。综合运用地质学、岩石物理学、数学和计算机科学等学科的理论和技术，从页岩样品的采集和分析入手，通过实验测量获取基础数据。然后，利用图像处理技术对岩芯图像进行处理和分析，构建数字岩芯模型。在弹性参数模拟阶段，选择合适的数值模拟软件和算法进行计算。最后，运用数据分析和统计学方法对模拟结果进行分析和验证，确保研究结果的科学性和可靠性。

二、龙马溪组页岩特性与数字岩芯构建

2.1龙马溪组页岩地质特征

龙马溪组页岩在我国南方地区广泛分布，主要集中于扬子板块。其沉积环境属于深水陆棚相，这种沉积环境为页岩的形成提供了独特的地质条件。在深水陆棚环境下，水体较为安静，沉积物能够缓慢堆积，有利于有机质的保存和富集。通过对四川盆地、鄂西地区等地的龙马溪组页岩研究发现，这些地区的页岩均具有典型的深水陆棚相沉积特征，如水平层理发育、生物扰动构造较少等。

龙马溪组页岩的矿物组成较为复杂，主要包括石英、长石、黏土矿物、碳酸盐矿物等。其中，石英和长石等脆性矿物含量较高，这使得页岩具有一定的脆性，有利于压裂改造。黏土矿物的含量和类型对页岩的储集性能和力学性质也有重要影响。不同地区的龙马溪组页岩矿物组成存在一定差异。在四川盆地，龙马溪组页岩的石英含量较高，可达40