基于深部原位环境重构的岩石物性参数直流电法测试成像分析方法

本发明涉及一种岩石物性参数测试分析方法，具体是一种基于深部原位环境重构的岩石物性参数直流电法测试成像分析方法，属于岩石物理力学参数测试。

背景技术：

1、随着浅部能源与矿产资源的持续消耗，煤炭、油气、地热及矿产等资源开发不断向深部延伸。与浅部工程相比，深部岩体长期处于高应力、高地温、高渗透压及强扰动等复杂环境，其物理力学行为与流体赋存特征呈现显著的环境依赖性与非线性响应特征。因此，准确获取深部原位环境条件下岩石的物理力学参数，是实现深部资源安全高效开发的基础。

2、然而，传统岩石物理力学参数测试多依赖将深部钻取岩芯转移至地面实验室条件下开展。在这一过程中，岩芯不可避免地经历了压力卸载、温度下降及孔隙压力逐步消散等环境突变，易诱发微裂隙萌生扩展、孔隙结构重构及流体赋存状态调整，造成内部结构的不可逆损伤，导致岩石内部结构与赋存状态偏离原位条件。由此获得的参数往往难以真实反映深部原位环境下的物理状态与力学响应特征，从而削弱了测试结果在深部能源资源开发利用的工程建设与运维的适用性。

3、对岩芯试样进行电阻率测试，能够区分试样内部赋存的流体类型，估算油气资源饱和度，并揭示岩石的组分结构与裂隙发育特征，是一种可靠高效的测试分析手段。然而，深部岩体原位环境随埋深增加呈现温度、围压及孔隙压力的系统变化。电阻率作为对孔隙流体导电性与裂隙连通性高度敏感的参数，其空间分布会随温度及有效压力路径显著响应，且在高压条件下裂隙闭合会改变导电通道，导致电阻率随有效压力变化。若缺乏埋深条件下的标定与修正，不同埋深工况下岩石基质电阻率基准值可能整体偏移，导致异常区与背景之间的电阻率反差发生变化，进而影响裂隙梯度带识别与油气赋存解释的可靠性。

4、直流电法因对导电性差异敏感而广泛应用于岩石电阻率的测试测试，但传统电阻率测试方法未能在深部原位环境保真条件下开展保真测试，缺乏针对埋深变化所引起的温度与有效压力背景漂移的标定与修正机制，导致不同埋深条件下电阻率成像结果的可比性不足、裂隙梯度带识别与油气赋存解释存在不确定性。

5、因此，亟需一种能够在深部原位保真环境下开展多电极直流电法测试与电阻率空间成像的方法，实现电阻率空间分布的精细反演，并结合埋深效应的温压敏感性分析与归一化修正，进而为利用电阻率测试分析结果反演深部原位环境下岩石物理力学参数、识别深部岩石裂隙分布特征、判识岩石原位油气分布结果提供可靠方法与技术手段，从而更好地服务于深部能源开发与资源评估。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于深部原位环境重构的岩石物性参数直流电法测试成像分析方法，能够在结合埋深效应的温压敏感性分析与归一化修正的基础上实现电阻率空间分布的精细反演，能够为利用电阻率测试分析结果反演深部原位环境下岩石物理力学参数、识别深部岩石裂隙分布特征、判识岩石原位油气分布结果提供理论基础和数据支持。

2、为实现上述目的，本基于深部原位环境重构的岩石物性参数直流电法测试成像分析方法所使用的测试系统包括保真舱体、环向多电极直流电法测试单元、温压控制单元和数据采集处理单元；

3、保真舱体包括一体式金属承压壳体，保真舱体内部形成轴向贯通的样品测试腔，保真舱体沿轴向方向的两端分别设有转换法兰和封堵盖板、且转换法兰和封堵盖板均与保真舱体密闭安装连接，一体式金属承压壳体内壁设置绝缘隔离层；

4、环向多电极直流电法测试单元包括设置于样品测试腔内的电测试模块，电测试模块采用环向多电极阵列，采用两排环向电极结构，每排均匀布置若干电极形成多通道测点；

5、温压控制单元包括加载装置、加热装置、冷却装置、温度传感器和压力传感器；

6、数据采集处理单元包括中央控制器、前端信号调理回路和采集控制回路，中央控制器分别与电测试模块和温压控制单元电连接；；

7、基于深部原位环境重构的岩石物性参数直流电法测试成像分析方法具体包括以下步骤：

8、s1，利用测试系统采用轮换激发-同步采样方式获取多供电组合电位、电位差响应，形成电阻率响应数据，并将获得的电位响应数据进行统一组织，开展异常点剔除、漂移修正与一致性校准，得到满足反演要求的稳定观测数据集；

9、s2，结合电极几何与舱体边界条件建立导电场物理约束下的模型-数据映射关系，采用正则化反演获得岩芯目标截面的电阻率空间分布图；

10、s3，以电阻率异常的梯度带作为裂隙识别主线，并辅以背景归一化以削弱岩性差异的影响，在裂隙候选区域内基于相对背景电阻率响应规律对裂隙充填介质进行判别，并输出油气裂隙占比与饱和度指标；

11、s4，在反演与判识过程中引入“工况化背景—异常归一化—标定修正”的修正机制，对温压及埋深影响进行反演模型层面的校正。

12、进一步的，s1具体如下：

13、s1-1，电极有序标定：将两排电极统一编号为，其中为总电极数，校准电极单独编号并用于通道一致性核验；

14、s1-2，电位差与电阻计算：

15、针对供电电极对为、注入电流为的第次供电配置，采集测量电极电位，定义任意测量电极对的电位差，表示如下：

16、

17、式中：为供电配置序号；为测量电极对序号；为第次供电配置下第个测量电极对的电位差；为电极的电位；为电极的电位；、分别为第个测量电极对中的两个电位测量电极；

18、定义任意测量电极对的传输电阻，表示如下：

19、

20、式中：为第次供电配置、第个测量电极对对应的传输电阻；为第次供电配置的注入电流；为相应电位差；

21、将全部的观测值展平为向量，表示如下：

22、

23、式中：表示观测数据向量；为总观测数；表示转置；

24、s1-3，采取换向平均以及漂移修正与权重设置的方式进行数据处理：

25、换向平均：同一配置采用正负换向电流采集并平均；

26、漂移修正与权重设置：利用基线或校准电极信号估计漂移项并修正，同时依据噪声水平构建数据权重矩阵。

27、进一步的，s2具体如下：

28、s2-1，构建正演算子：

29、在直流或准直流条件下，导电场满足如下条件：

30、

31、式中：表示梯度；表示岩芯目标截面的位置矢量；为位置处的电导率，位置处的电阻率空间分布表示为；为位置处的电位；为供电源项；

32、供电源项用点源近似表示如下：

33、

34、式中：为供电电流；、分别为供电电极a和供电电极b在计算域中的位置矢量；

35、边界条件采用绝缘边界，表示如下：

36、

37、式中：为岩芯与绝缘舱体形成的等效边界；为计算域等效边界的外法向单位矢量；

38、取测试函数，得到弱形式，表示如下：

39、

40、式中：为有限元测试函数；为计算域内的面积；

41、离散后得到：

42、

43、式中：表示由电导率分布组装得到的刚度矩阵；为节点电位向量；为由供电源项和边界条件形成的载荷向量；

44、通过插值获得电极电位并计算预测电位差与传输电阻，形成正演算子，表示如下：

45、

46、式中：表示在给定模型参数向量下由正演计算得到的预测数据向量；为模型到预测观测数据的正演算子；

47、s2-2，采用正则化反演获得岩芯目标截面的电阻率空间分布图：

48、s2-2-1，参数化处理：

49、为保证电阻率正值与数值稳定，取对数参数化处理，表示如下：

50、

51、式中：为模型参数向量；为第个离散单元的电阻率；为第个离散单元的电导率；

52、s2-2-2，构造正则化最小二乘目标函数：

53、

54、式中：为反演目标函数；为数据权重；为平滑算子；为参考模型；为正则化参数；为观测数据向量；为模型到预测观测数据的正演算子；

55、

56、式中：为当前迭代步的模型增量；为灵敏度矩阵，表示预测数据对模型参数向量的偏导；

57、则得到正规方程表示如下，等式左边为增量正规方程系数矩阵，等式右边为由数据残差与模型约束共同形成的驱动项：

58、

59、式中：为灵敏度矩阵的转置；和分别为数据权重矩阵和数据权重矩阵的转置；和分别为平滑算子和平滑算子的转置；

60、模型更新表示如下：

61、

62、迭代至数据残差达到噪声水平或模型更新足够小，则输出电阻率空间分布表示如下：

63、

64、式中：为位置处的对数电阻率模型；为反演输出的电阻率空间分布；

65、令加权数据拟合项达到噪声水平，表示如下：

66、

67、式中：表示数据量；等式左边表示加权数据残差平方和。

68、进一步的，s3具体如下：

69、s3-1，构造对数异常场，表示如下：

70、

71、式中：表示对数异常场；为背景区域电阻率；

72、s3-2，梯度与界面定位，表示如下：

73、

74、式中：为对数异常场的梯度向量；为梯度幅值；为梯度算子；

75、令为背景区域，取鲁棒型阈值，表示如下：

76、

77、式中：为梯度幅值判别阈值；为背景区域内梯度幅值的中位数；为背景区域内梯度幅值的中位数绝对偏差；为经验系数；

78、则边界候选集表示如下：

79、

80、式中：为由梯度幅值筛选得到的边界候选集合；

81、s3-3，对求hessian，表示如下：

82、

83、式中；为对数异常场在位置处的hessian二阶导矩阵；、为目标截面内的二维坐标；

84、利用hessian特征值结构区分条带状与团块状异常，定义如下线状度比值：

85、

86、式中：为线状度比值；、分别表示hessian矩阵特征值绝对值的较小值和较大值；为防止分母为零的极小正数；

87、当线状度比值，其中为阈值，裂隙呈现为条状或线状；当线状度比值，裂隙呈现为团状；

88、s3-4，构造结构张量判别裂隙走向，表示如下：

89、

90、式中：为结构张量；表示尺度为的平滑核；

91、对做特征分解，表示如下：

92、

93、式中：和分别为结构张量的第一特征向量和第二特征向量；和分别为第一特征向量对应的特征值和第二特征向量对应的特征值；

94、若裂隙呈明显线状或条带结构，梯度方向在邻域内趋于一致，则；若裂隙为团块，方向不一致，则；

95、定义定向性指数判别裂隙连通类型，表示如下：

96、

97、式中：为定向性指数；和分别为第一特征向量对应的特征值和第二特征向量对应的特征值；为防止分母为零的极小正数；

98、若，其中为数值阈值，则裂隙方向性弱；若，则裂隙方向性强；

99、裂隙走向取与梯度正交的方向，由结构张量特征向量提取，表示如下：

100、

101、式中：为局部裂隙切向方向向量；为局部优势走向角；和分别为在和方向的分量；

102、进而可得到方向一致性候选集合，表示如下：

103、

104、s3-5，综合梯度、二阶导与结构张量，定义裂隙候选区域，表示如下：

105、

106、式中：为裂隙候选区域；、和分别为梯度候选集、hessian线状候选集和方向一致性候选集；

107、，表明该区域电阻率在空间上存在物性突变界面，将该界面作为裂隙或流体分界的候选边界；

108、，表明该区域符合条带型异常的几何特征；

109、：表明该区域梯度方向在局部邻域内保持一致，将与梯度主方向正交的方向定义为裂隙延伸走向；

110、在得到裂隙候选区域后，定义裂隙面积密度指标判别裂隙占比，表示如下：

111、

112、式中：为裂隙面积密度指标；为裂隙候选区域；为目标计算域面积；

113、根据裂隙面积密度指标的大小对裂隙发育程度进行分级表征：确定分级阈值集合，时，表明裂隙基本不发育；时，表面裂隙稀疏或存在微裂隙团簇；时，表明裂隙中等发育；时，表明裂隙网络明显发育；

114、对做连通域分解，设最大连通域为，则裂隙连通性指标表示如下：

115、

116、 时，表明连通性强，存在贯通裂隙带；时，表明裂隙呈现为中等连通；时，表明裂隙以孤立分布为主；

117、s3-6，裂隙充填介质判别与油气占比的计算输出：

118、在已识别的裂隙候选区内，采用电阻率相对背景的倍数作为判别量对裂隙充填介质进行数值划分，定义电阻率比值，表示如下：

119、

120、式中：表示位置处电阻率相对背景的比值；为反演得到的电阻率空间分布；为背景区电阻率；为对数异常场；

121、是否为含水裂隙，通过如下数值判别：

122、

123、式中：为含水裂隙低阻判别阈值，满足；

124、是否为含油裂隙，通过如下数值判别：

125、

126、式中：为含油裂隙高阻下限阈值；为含气高阻阈值，满足；

127、是否为含气或近空腔裂隙，通过如下数值判别：

128、

129、在裂隙候选区域内，分别定义油、气、水裂隙子集：，定义三类裂隙占比为，表示如下：

130、

131、整体油气裂隙占比指标表示如下：

132、

133、式中：为整体油气裂隙占比指标；为含油裂隙占比；为近空腔裂隙占比；

134、确定分级阈值集合，则裂隙充填物判别表示如下：时，表明裂隙以油气充填为主；时，表明油气与水共存；时，表明裂隙以含水裂隙为主。

135、进一步的，s3-5中分级阈值集合依据标定样本、背景统计分布、观测噪声水平及工程先验确定；

136、s3-6中阈值通过已知充填物标定、数据噪声水平联合确定；分级阈值集合通过已知充填物标定样本、背景统计分布及数据噪声水平联合确定。

137、进一步的，s4具体如下：

138、用有效压力表述裂隙开闭，表示如下：

139、

140、式中：为有效压力；为围压；为孔隙压力；为等效系数；

141、引入埋深，在某一深度区间内用梯度近似表示温压耦合路径，表示如下：

142、

143、

144、式中：为目标埋深；为参考埋深；、、分别为埋深处的温度、围压和孔隙压力；为有效压力梯度；

145、在不同温压下分别反演得到，其中……，对每一个温压工况依据该工况下采集的观测数据，执行一次完整反演流程，得到该工况下的电阻率空间分布；在每个工况内，从完整岩体背景区域估计背景电阻率；

146、分别定义工况各裂隙结构表征指标和、并标定阈值，得到各工况的裂隙结构表征指标和后定义温度、压力敏感性，表示如下：

147、

148、式中：为温度敏感性指标，表示在压力保持基本一致时对数异常场随温度的变化率；为压力敏感性指标；

149、利用的耦合路径，将各裂隙结构表征指标构建温压函数并给出差分敏感性，然后利用的耦合路径，构建埋深函数，表示如下：

150、

151、

152、式中：、、分别为埋深处的裂隙面积密度、裂隙连通性指标和整体油气裂隙占比指标；由温压耦合路径确定。

153、与现有技术相比，本基于深部原位环境重构的岩石物性参数直流电法测试成像分析方法通过环向多电极轮换测量形成电位差观测数据并结合静态导电场控制方程与有限元正演算子，采用正则化反演实现电阻率的空间反演；基于对数异常场、梯度带、hessian结构特征及结构张量方向一致性等构建裂隙候选区域进行提取与判识，实现裂隙分布特征的定量识别；在裂隙候选区域内基于相对背景电阻率构建含水、含油、含气的数值判别规则，实现对深部原位环境岩石的裂隙特征与油气分布的定量评估；定量温度、压力及埋深（温压耦合）的影响，对上述电阻率反演与分析模型进行修正，实现不同深部原位保真环境的精准判识。能够在深部原位保真环境重构条件下开展岩芯试样的多电极多测点电阻率测试，获取更接近深部真实状态的岩芯介质的电学响应数据，能够为利用电阻率测试分析结果反演深部原位环境下岩石物理力学参数、识别深部岩石裂隙分布特征、判识岩石原位油气分布结果提供理论基础和数据支持。