三维页岩层温度与声波传播特性关系研究

李得玉

摘 要：页岩气作为一种新型能源，其开发和利用正影响着世界能源和经济发展。对油气资源的测井分析是勘探开发过程中的重要步骤，能有效对页岩气资源进行评估。声波测井是勘探的主要方式，但是在实际工程中测得得数据并不准确，本文以ANSYS软件建立页岩层三维模型，得到在不同温度下声波在岩层中的传播数据，发现在不同温度下，声波在不同方向上分别发生规律不一致的变化。所以当测得的数据发生当地层中声波在不同的方向发生明显的变化时，应考虑可能是温度的影响。

关键词：三维 页岩层 温度 声波传播特性

中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0083-02

声波测井是利用声波在岩石中的传播特性来研究探测井下地质情况，从而判断固丼的一种测井方法[1]。但是在实际工程中，由于储层结构不确定性，测井资料与实际情况往往存在很大偏差，采出空井以及采不出资源的现象频繁发生，导致了不必要的资源浪费。所以使用计算机模拟页岩层中声波的传播规律很有必要，本文以此为背景，用ANSYS软件建立页岩层三维模型，得到温度与声波传导特性关系，提出合理确定页岩层结构的有效建议。

1 页岩层--声波有限元方法的理论研究

岩石圈组构的核心是它的弹性核，所以岩石圈是个弹性体[2]。岩体内部发生力学过程时，所发出的压力波就是岩体声波信号。在声波测井中，声波发生器发出的声波能量小，作用在岩体中的时间短，有效避免了岩层介质不连续性和岩层骨架结构不同所引起的岩层非弹性特征的影响。因此可以用弹性波在物质中的传播规律来类比波在页岩中的传播[3]。

2 三维各向同性页岩层有限元模型的建立

2.1 单元的选择

模型中采用SOLSH190单元、FLUID130与FLUID30单元， 用FLUID130建立三维模型的边界，FIUID30建立模型外层结构，达到将有限范围内的吸收效果延伸到无限吸收的成效。在有限元计算中，与FLUID130单元相接处的结构边界必须满足三维轴对称条件，所以模型必须是圆形的。

2.2 模型计算

实际工程中声波探测的区域只是诸多页岩层中的很少一部分，所以，在本文中采用SOLSH190单元建立一半径为5的球体来模拟地下页岩层，工程中需要在岩层上打一个井眼，进行换能器的放置和发出探测声波。所以在模型中，从球心向外开一个单侧孔来模拟工程中的井眼，小孔直径和球体直径比例选择1：50。同时选择瞬态正玄波作为模型声波荷载。为了避免声波发生反射影响实验结果，所以在模型中建立的气层结构满足吸收声波的要求，用FLUID30单元建立和固体单元直接接触的一层气层结构，其参数设置为KEYOPT（2）=0，单元在各方向的位移都为零，有效形成流体结构接触面。第二层气体结构依旧使用FLUID30由于并没有和固体单元直接接触，其参数设置为KEYOPT（2）=1，达到声波吸收的效果。最外层用FLUID30单元建立流体模型的包层，形成无限的声单元。在对内部固体结构进行参数设置时，通过设置正交方向上不同的弹性模量值来体现各向异性。同时泊松比为m=0.4，岩石中声速为2400 m/s。外层气层结构是空气流体单元，其密度为，空气中声波的播速为340 m/s，边界导纳系数为设定为1。模型最外层由FLUID130建立的流体模型的包层是一个面结构，依旧设置为1来达到完全吸收的效果。在有限元中分析中，要求声波最小波长内至少存在10个单元，这样才能有足够的精度来分辨最小主频。模型中模型中声波频率为2000赫兹，波速为2400 m/s，所以内部结构单元选择单元大小为0.2，两层气层结构单元大小选择0.25。

2.3 施加荷载

该文中，在页岩层与气层接触面的节点上加载10 kg的对称力来模拟页岩地层压力，同时在页岩层界面上选择堆成的四个点进行全约束加载，页岩层中加载50℃的温度在声波测井的过程中，温度的改变，会影响弹性模量的变化，其对应的关系式为，而弹性模量的改变会导致振动波幅的变化。该文中将对不同温度下声波传播和同温度下声波三维传播进行研究。

2.4 不同温度下声波传播规律

当地层压力不变的情况下，模型中只改变模型温度，得到在同一径向方向上节点编号7109的节点在温度50 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃下节点沿着各方向的最大位移如表1所示。

对应的各方向温度-位移变化图以及对应拟合的关系表达式如图1所示。

由温度与节点最大位移的关系式可知温度对各方向节点的位移呈现线性影响，位移随着温度的增加而增大，而且各方向增大斜率相同，既温度对节点各方向的影响效应是相同的。

2.5 同温度下声波三维传播

选择温度为50 ℃时，选取沿着径向方向上的所有节点，则在t=0.14 s时，各个节点的沿着不同方向上的位移如图2所示。

由图中节点位移变化可以看出随着传播距离的增大，声波在个方向上的波动都减小，此外，各方向上减小的速度是不一样的，减小速度Z轴最大，X轴最小。

3 结论及建议

进行有限元模拟声波在页岩层中传播时，在边界处必须设置合理的边界条件对声波进行吸收处理，避免声波发生反射影响结果，同时，为了防止波传播过程中发生失真，网格划分应足够精致。温度的改变会引起地层各方向弹性模量的变化，进而影响声波的传播，当地层中声波在不同的方向发生明显的变化时，应考虑可能是温度的影响。本文中只考虑在各向同性下声波随着温度变化的传播研究，但这只是定向分析的结果，为了更精确的分析，在后续研究中，应考虑地层各项异性与地层压力等因素的影响。

参考文献

[1] 李新宝.浅谈声波测井技术[J].辽宁省制金地址勘查局地质勘查研究院，2011（31）：4.

[2] 徐芝纶.弹性力学[M].北京：高等教育出版社.

[3] 章成广，江万哲，潘和平.声波测井原理与应用[M].北京：石油工业出版社.

[4] 胡世猛.板壳结构强度与声学特性分析[M].武汉理工大学，2006.

[5] 署恒木，仝兴华.工程有限单元法[M].中国石油大学出版社.endprint