页岩气“甜点区”多尺度复杂裂缝系统弹性波各向异性与散射特征分析

The fracture scale and distribution of sweet spots in shale gas plays are highly heterogeneous. The distribution densities and directional characteristics of the fracture systems vary at micro, meso, middle and macro scales. Thus identifying the anisotropy and scattering characteristics of the fractured system at different scales is a basic and critical scientific problem in the exploration and production of shale gas. The following limitations exist in available research: (1) elastic wave equations based on TTI, VTI and HTI media are used in most cases, oversimplifying the complexity of actual fracture distribution; (2) most attention is given to the seismic azimuthal anisotropy characteristics, while analysis on the scattering characteristics of complex fractures at different scales is very inadequate; (3) the correlation mechanisms and superposition of elastic wave responses in the fractured systems at the four different scales are ignored. In this research, based on the digital core models of Longmaxi shale with different resolutions, a novel LM-DFN numerical simulation method is proposed and applied to directly study the propagation characteristics of elastic waves in the actual fractured medium, without the introduction of effective medium theories. The application is expected to be able to analyze the azimuthal anisotropy and scattering characteristics of the elastic waves in real multi-scale fractured structures and provide the necessary theoretical basis for the exploration and production of shale gas.

页岩气“甜点区”裂缝尺度与分布高度非均质，从微观、细观、中观到宏观不同尺度裂缝具有不同的分布密度和方向特征，阐明不同尺度裂缝的弹性波各向异性和散射特征，是页岩气勘探开采的关键基础科学问题。针对传统研究存在的如下问题：（1）多基于TTI、VTI和HTI等效裂缝介质的弹性波方程，过度简化了实际裂缝分布的复杂性；（2）主要关注裂缝介质弹性波各向异性问题，而不同尺度复杂裂缝分布的散射特征分析不足；（3）忽略微观到宏观四种尺度裂缝之间弹性波响应的关联机制和叠合效应。本申请基于不同分辨精度的龙马溪页岩数字岩芯模型，提出并采用一种新颖的LM-DFN模拟方法，无需对裂缝介质进行等效，直接模拟实际裂缝介质中弹性波传播特性，研究不同尺度裂缝系统之间弹性波响应的关联机制和叠合效应。本项目有望实现多尺度真实裂缝结构弹性波各向异性和散射特征分析，为页岩气勘探开采提供必要的理论基础。

基于弹性波各向异性与散射特征识别及预测裂缝是地球物理领域的研究热点之一。作为首要环节，正演模拟能够促进对复杂介质弹性波传播规律的深入认识，因而有必要构建适当的岩石物理模型与计算力学方法进行正演研究。本项目针对页岩气“甜点区”复杂裂缝系统的多尺度性、高度非均质性与传统正演模拟方法的局限性，实现复杂裂缝网络高效精确提取与量化表征，综合广义连续介质力学理论，提出了一种新颖的多尺度复杂裂缝系统正演模拟方法，研究不同样本尺度复杂裂缝系统弹性各向异性与散射特征，探索不同尺度裂缝系统之间弹性波响应的关联机制与叠合效应，研究主要包括：.（1）提出了岩心样本尺度的晶格弹簧模型（Lattice Spring Modeling, LSM）与富有机制页岩心的晶格弹簧-随机孔隙（Random void model, RVM）耦合模型，LSM-RVM模型，量化研究晶格排布、应力扰动、微结构、TOC成熟度及含量等对弹性各向异性的影响规律。.（2）以实际地质露头剖面为研究对象，提出了基于天然复杂裂缝系统的LSM-DFN耦合模型，并量化研究裂缝几何特征、压力作用方向、裂缝接触粗糙度对其弹性参数与各向异性的影响规律。.（3）综合计算颗粒力学与广义连续介质力学理论，提出了一种新颖的计及尺度效应的计算力学方法，修正LSM模型，用于正演模拟研究，该模型将传统二维正三角形规则排布LSM模型的泊松比上限提升了近40%，解决了已有LSM模型不能在克服泊松比限制的同时并表征不同尺度效应的难题。.（4）提出了一种新颖的计及样本尺度效应的复杂裂缝系统正演模拟方法，分析页岩气“甜点区”多尺度复杂裂缝系统弹性波各向异性与散射特征，进而探索研究多种尺度裂缝之间的关联机制与叠合效应。..此外，本项目还初步探索了基于波场特征的反演问题研究，包括基于计算颗粒力学理论的多组分复杂介质弹性特征与裂缝反演、基于矩张量理论的裂缝反演问题、基于学科交叉的信号故障诊断方法用于裂缝反演的探索研究等。本项目圆满完成了预计的研究内容，并获得了一些有意义的研究成果。