李得玉

摘 要：頁巖氣作為一種新型能源，其開發(fā)和利用正影響著世界能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對油氣資源的測井分析是勘探開發(fā)過程中的重要步驟，能有效對頁巖氣資源進(jìn)行評估。聲波測井是勘探的主要方式，但是在實(shí)際工程中測得得數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)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(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下，聲波在不同方向上分別發(fā)生規(guī)律不一致的變化。所以當(dāng)測得的數(shù)據(jù)發(fā)生當(dāng)?shù)貙又新暡ㄔ诓煌姆较虬l(fā)生明顯的變化時，應(yīng)考慮可能是溫度的影響。

關(guān)鍵詞：三維 頁巖層 溫度 聲波傳播特性

中圖分類號：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)情況，從而判斷固丼的一種測井方法[1]。但是在實(shí)際工程中，由于儲層結(jié)構(gòu)不確定性，測井資料與實(shí)際情況往往存在很大偏差，采出空井以及采不出資源的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致了不必要的資源浪費(fèi)。所以使用計(jì)算機(jī)模擬頁巖層中聲波的傳播規(guī)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(dǎo)特性關(guān)系，提出合理確定頁巖層結(jié)構(gòu)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(gòu)的核心是它的彈性核，所以巖石圈是個彈性體[2]。巖體內(nèi)部發(fā)生力學(xué)過程時，所發(fā)出的壓力波就是巖體聲波信號。在聲波測井中，聲波發(fā)生器發(fā)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(zhì)不連續(xù)性和巖層骨架結(jié)構(gòu)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(zhì)中的傳播規(guī)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，F(xiàn)IUID30建立模型外層結(jié)構(gòu)，達(dá)到將有限范圍內(nèi)的吸收效果延伸到無限吸收的成效。在有限元計(jì)算中，與FLUID130單元相接處的結(jié)構(gòu)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(jì)算

實(shí)際工程中聲波探測的區(qū)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(jìn)行換能器的放置和發(fā)出探測聲波。所以在模型中，從球心向外開一個單側(cè)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(tài)正玄波作為模型聲波荷載。為了避免聲波發(fā)生反射影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以在模型中建立的氣層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其參數(shù)設(shè)置為KEYOPT（2）=0，單元在各方向的位移都為零，有效形成流體結(jié)構(gòu)接觸面。第二層氣體結(jié)構(gòu)依舊使用FLUID30由于并沒有和固體單元直接接觸，其參數(shù)設(shè)置為KEYOPT（2）=1，達(dá)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(nèi)部固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時，通過設(shè)置正交方向上不同的彈性模量值來體現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)納系數(shù)為設(shè)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(jié)構(gòu)，依舊設(shè)置為1來達(dá)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(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)單元選擇單元大小為0.2，兩層氣層結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(yīng)的關(guān)系式為，而彈性模量的改變會導(dǎo)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(jìn)行研究。

2.4 不同溫度下聲波傳播規(guī)律

當(dāng)?shù)貙訅毫Σ蛔兊那闆r下，模型中只改變模型溫度，得到在同一徑向方向上節(jié)點(diǎn)編號7109的節(jié)點(diǎn)在溫度50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃下節(jié)點(diǎn)沿著各方向的最大位移如表1所示。

對應(yīng)的各方向溫度-位移變化圖以及對應(yīng)擬合的關(guān)系表達(dá)式如圖1所示。

由溫度與節(jié)點(diǎn)最大位移的關(guān)系式可知溫度對各方向節(jié)點(diǎn)的位移呈現(xiàn)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(jié)點(diǎn)各方向的影響效應(yīng)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(jié)點(diǎn)，則在t=0.14 s時，各個節(jié)點(diǎn)的沿著不同方向上的位移如圖2所示。

由圖中節(jié)點(diǎn)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(jié)論及建議

進(jìn)行有限元模擬聲波在頁巖層中傳播時，在邊界處必須設(shè)置合理的邊界條件對聲波進(jìn)行吸收處理，避免聲波發(fā)生反射影響結(jié)果，同時，為了防止波傳播過程中發(fā)生失真，網(wǎng)格劃分應(yīng)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(jìn)而影響聲波的傳播，當(dāng)?shù)貙又新暡ㄔ诓煌姆较虬l(fā)生明顯的變化時，應(yīng)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(jié)果，為了更精確的分析，在后續(xù)研究中，應(yīng)考慮地層各項(xiàng)異性與地層壓力等因素的影響。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 徐芝綸.彈性力學(xué)[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(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社.

[4] 胡世猛.板殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與聲學(xué)特性分析[M].武漢理工大學(xué)，2006.

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