一种含非牛顿流体的孔隙介质声波速度计算方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及地震岩石物理技术领域，特别涉及一种含非牛顿流体的孔隙介质声波 速度计算方法及装置。
【背景技术】
[0002] 致密油储层地质特征复杂，生烃储层岩石包含矿物颗粒和固态有机质等非均匀性 相，非均质性强，毛细管压力大。这一类岩石中主要发育微纳米级孔吼连通体系，孔隙结构 复杂、连通性差，孔径范围在纳米、微米量级，且孔隙度低(一般小于10%)，渗透率一般小于 0. lmD。这些因素导致在储层孔隙内的复杂流体渗透行为往往不遵循牛顿流体的本构关系， 给地震波勘探等常规手段带来挑战。
[0003] 致密油油质轻，以轻质油为主，流动性好。常规油气勘探研究工作中一般视孔隙中 的原油为牛顿流体，然而，在微纳米孔径大小的管道中流体的特性发生改变。由于流动空间 的限制，致密储层孔隙介质中的流体物理力学行为会比理想流体、牛顿流体等复杂得多，表 现出非牛顿流体的特性。例如，在微纳米管道中流体的粘性是一个变化的量，而常规牛顿流 体本构方程中粘度是常数。在管径降低时，微纳米孔中流体出现接近固体的规则分子排布， 表明此时流体是介于理想固体与理想流体之间的复杂状态物质，其粘性已发生变化，因此 常规牛顿流体已不适用于致密储层情况，采用非牛顿本构模型更为恰当。
[0004] 牛顿流体的剪切应力与剪切应变率之间满足线性关系，线性系数是流体粘性系 数。在非牛顿流体中，剪切应力与剪切应变率之间不存在线性关系，因此也无法定义一个恒 定不变的粘性系数。根据剪切应力与剪切应变率之间的变化关系，可以把非牛顿流体分成 多种类型，其中主要包括:剪切增稠液体(胀流型流体），流体粘性系数随着剪切率的增加而 增长;剪切稀化流体(拟塑性流体），流体粘性系数随着剪切率的增加而降低；宾汉塑性流 体，流体在流动之前需要达到一定的屈服应力，当流体开始流动之后，流体粘性系数与剪切 率满足线性关系。
[0005] 声波在复杂孔隙介质中的传播被用来探测地下流体的分布和性质。当孔隙中饱和 流体时，会引起声波的速度和振幅发生变化，产生频散和衰减效应。Biot给出了充满牛顿流 体的孔隙介质中弹性波场的定量分析，并预测了慢纵波的存在。Biot模型中给出了一种等 效流体饱和的岩石骨架在全局流动情况下波速预测方法，这是实际情况的理想化模型，并 未考虑到致密储层微纳米孔隙空间流体流动带来的影响。
[0006] Tsiklauri和Beresnev在Biot经典理论中引入了麦克斯韦粘弹性流体，给出旋转 波(rotational wave)和胀缩波(dilatational wave)在充满麦克斯韦流体的孔隙介质中 传播的速度频散和衰减。理想弹性体的应力应变关系满足虎克定律，即
理想黏性体的应力与剪切率的关系满足牛顿定律，即?
?致密油储层流体渗流 的通道狭窄(微纳米量级），在微纳米尺度下流体已表现出介于流体-固体之间过渡的状态， 因此除认为孔隙流体能承受剪切外，还认为流体不再是牛顿流体，而介于理想弹性体与理 想黏性体之间的状态。但是，由于致密孔隙结构中油气本身分子结构的复杂性，导致其难以 用教科书上理想化的经典非牛顿模型来描述，即本构关系式中应变率关 于时间的导数阶数α可能不是一个正整数。
[0007] 发明人发现现有技术中至少存在如下问题:Biot孔隙介质波动方程中采用的是粘 性牛顿流体模型，这种假设不能满足非均匀复杂孔隙介质的应用。另外，引入麦克斯韦流体 的Biot理论假设孔隙中充满一种理想化的粘弹性流体，而实际流体的本构关系是未知的， 不满足这种理想化假设，不能准确完备的描述致密储层岩石中的波场传播过程。
【发明内容】
[0008] 本申请实施例的目的是提供一种含非牛顿流体的孔隙介质声波速度计算方法及 装置，以较为准确地预测非常规油气储层中声波速度的频散和衰减。
[0009] 为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种含非牛顿流体的孔隙介质声波速度 计算方法及装置是这样实现的：
[0010] -种含非牛顿流体的孔隙介质声波速度计算方法，包括：
[0011]建立孔隙介质微管道流动模型，根据所述流动模型导出非牛顿流体内部的耗散能 量、分数阶导数麦克斯韦流体-固体之间剪切应力和流体的平均流速，根据所述剪切应力和 所述平均流速，计算流固相对运动能量耗散系数；
[0012] 基于所述流固相对运动耗散能，建立包含非牛顿流体效应的孔隙介质波动方程；
[0013] 对所述建立的孔隙介质波动方程进行平面波分析，得到包含非牛顿流体效应的频 散关系，确定纵波速度频散和衰减。
[0014] 优选方案中，所述根据所述剪切应力和所述平均流速，计算所述能量耗散系数具 体包括：
[0015] 根据流体连续性方程，动量守恒方程和分数阶麦克斯韦非牛顿流体本构关系，得 到管道流动的空间速度分布和管壁剪切力；
[0016] 根据所述空间速度分布计算非牛顿流体管道流动平均速度；
[0017] 再通过非牛顿流体管道流动平均速度与管壁剪切力的比值关系，得到能量耗散系 数。
[0018] 优选方案中，所述流固相对运动产生的能量耗散通过下述公式计算得到：
[0019]
[0020] 公式中，D表示流固相对运动产生的能量耗散;b表示流固相对运动能量耗散系数； F(k)是高频修正系数;u，U分别表示固体和流体的位移。
[0021] 优选方案中，
[0022] 所述流体连续性方程为：▽ · = 〇 ;
[0023]所述动量守恒方程为：
[0024] 所述分数阶麦克斯韦非牛顿流体的本构关系为：T +
[0025] 其中，vf表示流体速度，p表示压力，τ表示粘性剪切应力，η表示流体粘性，μ表示剪 切模量;λ=η/μ，表示流体松弛特征时间；
[0026] 分数阶导数定义为：
[0028] ....... ..... "，一_______ _____[0029] 优选方案中，所述计算得到流道速度分布，根据下述公式计算得到：
[0027]
[0030]
[0031]
[0032] V表示流道速度;ρ表示压力，η表示流体粘性;Pf表示流体密度，r表示柱形坐标中 的半径;U表示固体的位移;λ = η/μ，表示流体松弛特征时间。优选方案中，所述计算平均速 度根据下述公式得到：
[0033]
[0034] 公式中，歹表示要求的平均速度；
，a是流道半径。
[0035] 优选方案中，所述计算出流体在固壁附近的粘性剪切应力，采用下述公式计算得 到：
[0036]
[0037] 其中，τ表示粘性剪切应力，η表示流体粘性，V表示流道速度，r表示柱形坐标中的 半径
，.Pf表不流体密度；
，表不流体松弛 特征时间;a是流道半径。
[0038] 优选方案中，所述流体耗散能为；其中，τ表示剪切应力，γ表示剪切应变， Ρ表示孔隙度。
[0039] 优选方案中，所述对孔隙介质波动方程进行平面波分析，得到包含非牛顿流体效 应的频散关系，包括:将所述波动方程转换到频率一波数域，得到纵波的频散方程。
[0040] -种含非牛顿流体的孔隙介质声波速度计算装置，包括:流固相对运动能量耗散 系数计算模块、孔隙介质波动方程建立模块和平面波分析模块;其中，
[0041]所述流固相对运动能量耗散系数计算模块，用于建立孔隙介质微管道流动模型， 根据所述流动模型导出非牛顿流体内部的耗散能量、分数阶导数麦克斯韦流体-固体之间 剪切应力和流体的平均流速，根据所述剪切应力和所述平均流速，计算流固相对运动能量 耗散系数；
[0042]所述孔隙介质波动方程建立模块，用于基于所述流固相对运动耗散能，建立包含 非牛顿流体效应的孔隙介质波动方程；
[0043]所述平面波分析模块，用于对所述建立的孔隙介质波动方程进行平面波分析，得 到包含非牛顿流体效应的频