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濟發(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(shù)據(jù)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(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。所以當測得的數(shù)據(jù)發(fā)生當?shù)貙又新暡ㄔ诓煌姆较虬l(fā)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(xiàn)象頻繁發(fā)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(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(fā)生力學過程時，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不連續(xù)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(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(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(shù)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(shù)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(shù)設置時，通過設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(shù)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(jié)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(guī)律

當?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)點編號7109的節(jié)點在溫度50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃下節(jié)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(jié)點最大位移的關系式可知溫度對各方向節(jié)點的位移呈現(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(jié)點，則在t=0.14 s時，各個節(jié)點的沿著不同方向上的位移如圖2所示。

由圖中節(jié)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(fā)生反射影響結果，同時，為了防止波傳播過程中發(fā)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?shù)貙又新暡ㄔ诓煌姆较虬l(fā)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(xù)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(yè)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