一種含非牛頓流體的孔隙介質聲波速度計算方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及地震巖石物理技術領域，特別涉及一種含非牛頓流體的孔隙介質聲波 速度計算方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 致密油儲層地質特征復雜，生烴儲層巖石包含礦物顆粒和固態有機質等非均勻性 相，非均質性強，毛細管壓力大。這一類巖石中主要發育微納米級孔吼連通體系，孔隙結構 復雜、連通性差，孔徑范圍在納米、微米量級，且孔隙度低(一般小于10%)，滲透率一般小于 0. lmD。這些因素導致在儲層孔隙內的復雜流體滲透行為往往不遵循牛頓流體的本構關系， 給地震波勘探等常規手段帶來挑戰。
[0003] 致密油油質輕，以輕質油為主，流動性好。常規油氣勘探研究工作中一般視孔隙中 的原油為牛頓流體，然而，在微納米孔徑大小的管道中流體的特性發生改變。由于流動空間 的限制，致密儲層孔隙介質中的流體物理力學行為會比理想流體、牛頓流體等復雜得多，表 現出非牛頓流體的特性。例如，在微納米管道中流體的粘性是一個變化的量，而常規牛頓流 體本構方程中粘度是常數。在管徑降低時，微納米孔中流體出現接近固體的規則分子排布， 表明此時流體是介于理想固體與理想流體之間的復雜狀態物質，其粘性已發生變化，因此 常規牛頓流體已不適用于致密儲層情況，采用非牛頓本構模型更為恰當。
[0004] 牛頓流體的剪切應力與剪切應變率之間滿足線性關系，線性系數是流體粘性系 數。在非牛頓流體中，剪切應力與剪切應變率之間不存在線性關系，因此也無法定義一個恒 定不變的粘性系數。根據剪切應力與剪切應變率之間的變化關系，可以把非牛頓流體分成 多種類型，其中主要包括:剪切增稠液體(脹流型流體），流體粘性系數隨著剪切率的增加而 增長;剪切稀化流體(擬塑性流體），流體粘性系數隨著剪切率的增加而降低；賓漢塑性流 體，流體在流動之前需要達到一定的屈服應力，當流體開始流動之后，流體粘性系數與剪切 率滿足線性關系。
[0005] 聲波在復雜孔隙介質中的傳播被用來探測地下流體的分布和性質。當孔隙中飽和 流體時，會引起聲波的速度和振幅發生變化，產生頻散和衰減效應。Biot給出了充滿牛頓流 體的孔隙介質中彈性波場的定量分析，并預測了慢縱波的存在。Biot模型中給出了一種等 效流體飽和的巖石骨架在全局流動情況下波速預測方法，這是實際情況的理想化模型，并 未考慮到致密儲層微納米孔隙空間流體流動帶來的影響。
[0006] Tsiklauri和Beresnev在Biot經典理論中引入了麥克斯韋粘彈性流體，給出旋轉 波(rotational wave)和脹縮波(dilatational wave)在充滿麥克斯韋流體的孔隙介質中 傳播的速度頻散和衰減。理想彈性體的應力應變關系滿足虎克定律，即
理想黏性體的應力與剪切率的關系滿足牛頓定律，即?
?致密油儲層流體滲流 的通道狹窄(微納米量級），在微納米尺度下流體已表現出介于流體-固體之間過渡的狀態， 因此除認為孔隙流體能承受剪切外，還認為流體不再是牛頓流體，而介于理想彈性體與理 想黏性體之間的狀態。但是，由于致密孔隙結構中油氣本身分子結構的復雜性，導致其難以 用教科書上理想化的經典非牛頓模型來描述，即本構關系式中應變率關 于時間的導數階數α可能不是一個正整數。
[0007] 發明人發現現有技術中至少存在如下問題:Biot孔隙介質波動方程中采用的是粘 性牛頓流體模型，這種假設不能滿足非均勻復雜孔隙介質的應用。另外，引入麥克斯韋流體 的Biot理論假設孔隙中充滿一種理想化的粘彈性流體，而實際流體的本構關系是未知的， 不滿足這種理想化假設，不能準確完備的描述致密儲層巖石中的波場傳播過程。
【發明內容】
[0008] 本申請實施例的目的是提供一種含非牛頓流體的孔隙介質聲波速度計算方法及 裝置，以較為準確地預測非常規油氣儲層中聲波速度的頻散和衰減。
[0009] 為解決上述技術問題，本申請實施例提供一種含非牛頓流體的孔隙介質聲波速度 計算方法及裝置是這樣實現的：
[0010] -種含非牛頓流體的孔隙介質聲波速度計算方法，包括：
[0011]建立孔隙介質微管道流動模型，根據所述流動模型導出非牛頓流體內部的耗散能 量、分數階導數麥克斯韋流體-固體之間剪切應力和流體的平均流速，根據所述剪切應力和 所述平均流速，計算流固相對運動能量耗散系數；
[0012] 基于所述流固相對運動耗散能，建立包含非牛頓流體效應的孔隙介質波動方程；
[0013] 對所述建立的孔隙介質波動方程進行平面波分析，得到包含非牛頓流體效應的頻 散關系，確定縱波速度頻散和衰減。
[0014] 優選方案中，所述根據所述剪切應力和所述平均流速，計算所述能量耗散系數具 體包括：
[0015] 根據流體連續性方程，動量守恒方程和分數階麥克斯韋非牛頓流體本構關系，得 到管道流動的空間速度分布和管壁剪切力；
[0016] 根據所述空間速度分布計算非牛頓流體管道流動平均速度；
[0017] 再通過非牛頓流體管道流動平均速度與管壁剪切力的比值關系，得到能量耗散系 數。
[0018] 優選方案中，所述流固相對運動產生的能量耗散通過下述公式計算得到：
[0019]
[0020] 公式中，D表示流固相對運動產生的能量耗散;b表示流固相對運動能量耗散系數； F(k)是高頻修正系數;u，U分別表示固體和流體的位移。
[0021] 優選方案中，
[0022] 所述流體連續性方程為：▽ · = 〇 ;
[0023]所述動量守恒方程為：
[0024] 所述分數階麥克斯韋非牛頓流體的本構關系為：T +
[0025] 其中，vf表示流體速度，p表示壓力，τ表示粘性剪切應力，η表示流體粘性，μ表示剪 切模量;λ=η/μ，表示流體松弛特征時間；
[0026] 分數階導數定義為：
[0028] ....... ..... "，一_______ _____[0029] 優選方案中，所述計算得到流道速度分布，根據下述公式計算得到：
[0027]
[0030]
[0031]
[0032] V表示流道速度;ρ表示壓力，η表示流體粘性;Pf表示流體密度，r表示柱形坐標中 的半徑;U表示固體的位移;λ = η/μ，表示流體松弛特征時間。優選方案中，所述計算平均速 度根據下述公式得到：
[0033]
[0034] 公式中，歹表示要求的平均速度；
，a是流道半徑。
[0035] 優選方案中，所述計算出流體在固壁附近的粘性剪切應力，采用下述公式計算得 到：
[0036]
[0037] 其中，τ表示粘性剪切應力，η表示流體粘性，V表示流道速度，r表示柱形坐標中的 半徑
，.Pf表不流體密度；
，表不流體松弛 特征時間;a是流道半徑。
[0038] 優選方案中，所述流體耗散能為；其中，τ表示剪切應力，γ表示剪切應變， Ρ表示孔隙度。
[0039] 優選方案中，所述對孔隙介質波動方程進行平面波分析，得到包含非牛頓流體效 應的頻散關系，包括:將所述波動方程轉換到頻率一波數域，得到縱波的頻散方程。
[0040] -種含非牛頓流體的孔隙介質聲波速度計算裝置，包括:流固相對運動能量耗散 系數計算模塊、孔隙介質波動方程建立模塊和平面波分析模塊;其中，
[0041]所述流固相對運動能量耗散系數計算模塊，用于建立孔隙介質微管道流動模型， 根據所述流動模型導出非牛頓流體內部的耗散能量、分數階導數麥克斯韋流體-固體之間 剪切應力和流體的平均流速，根據所述剪切應力和所述平均流速，計算流固相對運動能量 耗散系數；
[0042]所述孔隙介質波動方程建立模塊，用于基于所述流固相對運動耗散能，建立包含 非牛頓流體效應的孔隙介質波動方程；
[0043]所述平面波分析模塊，用于對所述建立的孔隙介質波動方程進行平面波分析，得 到包含非牛頓流體效應的頻