基于数字岩心的煤岩声学特征研究 ——以淮北煤田芦岭煤矿为例

论文摘要

岩石物理是连接储层地质特性和地震响应特性之间的桥梁,是储层预测的基础,在地球物理研究领域扮演着重要的角色。传统上,岩石物理研究以物理实验测试为基础。但由于煤样制备和测试手段的限制,传统岩石物理研究手段并不能完全满足煤层岩性预测的实际需要。随着计算机技术的发展和X射线CT扫描技术在岩石物理实验中的应用,数字岩石物理技术为岩石物理研究提供了一种新的技术手段。本次以数字岩石物理技术为主要手段,结合传统岩石物理实验测试技术,系统研究了淮北煤田芦岭煤矿石炭系10煤层煤岩的声学特征,并提出了一种基于数字岩石物理仿真测试技术的煤岩声学特性研究方法。对于煤岩的声学特征超声测试研究来说,利用超声测试设备,在实验室条件下对采集的12块煤样进行了纵、横波速度和速度各向异性超声测试。首先,在进行纵、横波速度超声测试时,依据实际地质条件施加一定的轴压和围压,获得了不同轴压、围压条件下煤样的纵波速度、横波速度、纵横波速度比、动态泊松比和动态弹性模量等参数。其次,完成了煤样的速度各向异性测试实验,获得6个方位的纵、横波速度,并获得了纵、横波速度随伪方位的变化关系。最后,对不同类型构造煤进行工业分析、元素分析、组分鉴定、煤样真密度测试,分析、研究了纵、横波速度和速度各向异性特征与煤样物性特征间的相关关系。研究发现,不同煤样的矿物组成与其纵、横波速度和速度各向异性间存在很好的相关关系。对于煤岩的数字岩心构建研究来说,以采集的12块煤样为研究对象。首先,利用X射线CT扫描的方法对实际煤样进行成像。成像时采用37.8微米和7.32微米等两个等级分辨率扫描模式进行扫描,并获得了相应的高质量煤样CT图像。其次,结合现有的数字图像处理方法和软件对煤样CT扫描图像进行预处理、图像分割及后处理,研究适合煤样CT图像的处理算法和处理流程,突显煤岩微观结构及矿物组分间的图像差异。最后,利用图像重建算法,在处理后的煤样二维图片的基础上,构建煤岩的三维数字岩心。对于煤岩声学特征的仿真测试研究来说,基于三维数字岩心和弹性力学基本理论,采用有限元算法开展微观声学特征仿真模拟研究。仿真模拟时,首先,将构建的数字岩心导入有限元仿真模拟软件,形成结构模型;其次,以结构力学本构关系和固定约束边界条件,构建仿真模型;通过赋予各结构单元相应的弹性模量,仿真模拟煤样的声学响应。将仿真模拟结果与实验结果进行对比,发现两者具有很高的一致性,验证了所提出的仿真模拟方法的有效性。最后,结合煤样数字岩心的速度各向异性仿真模拟和实验测试,研究了煤岩微观结构及组分对煤岩速度各向异性的影响规律。总之,本文通过将数字岩心仿真测试技术和传统岩石物理实验测试技术相结合,综合研究了煤岩的声学特性。不仅获得了煤岩纵、横波速度和速度各向异性,还揭示了影响相关声学特性的主控因素,取得了理想的研究成果。

论文目录

致谢

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和技术路线

1.4 创新点及主要研究成果

2 研究区地质概况

2.1 构造

2.2 地层

2.3 煤层

3 煤岩声学特征研究

3.1 样品采集及实验方案

3.2 实验仪器与测试方法

3.3 煤岩声学特征

3.4 煤岩速度各向异性特征

3.5 小结

4 煤岩数字岩心构建

4.1 微米CT成像

4.2 数字图像处理

4.3 三维重构

4.4 小结

5 煤岩声学特征仿真测试研究

5.1 有限元仿真原理

5.2 声波在煤岩中传播的仿真模拟

5.3 速度各向异性数值模拟

5.4 小结

6 结论及展望

6.1 研究成果与结论

6.2 存在的问题及展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宋雄

导师: 陈同俊

关键词: 煤岩,超声测试,扫描,数字岩心,有限元,仿真模拟,声学特性

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国矿业大学

基金: 基于数字岩心及3D打印的煤岩岩石物理特征研究——以华北石炭二叠系主采煤层为例,国家自然基金面上项目(41774128),矿井瓦斯运移与富集的动力学过程及地球物理探测基础,国家自然基金重点项目(41430317)

分类号: P618.13

总页数: 82

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