宋連騰, 王赟, 劉忠華, 王卿
1 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,“多波多分量(MWMC)”研究組, 北京 100029 2 中國科學院地球化學研究所,“多波多分量(MWMC)”研究組, 貴陽 550002 3 中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083
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不同圍壓和流體飽和狀態(tài)下致密砂巖彈性各向異性特征
宋連騰1,3, 王赟2, 劉忠華3, 王卿1
1 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,“多波多分量(MWMC)”研究組, 北京 100029 2 中國科學院地球化學研究所,“多波多分量(MWMC)”研究組, 貴陽 550002 3 中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083
為研究致密砂巖聲波速度及其各向異性隨圍壓的變化規(guī)律以及不同流體飽和狀態(tài)下的彈性各向異性特征,鉆取了不同方向的巖心并在實驗室超聲波頻率下對致密砂巖的聲學特性進行了測量,分別給出干燥和飽和水狀態(tài)下,不同方向樣品縱橫波速度、剛性系數(shù)以及各向異性系數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律,并對實驗結(jié)果進行了分析討論.實驗結(jié)果表明致密砂巖縱橫波速度、縱橫波速度比以及剛性系數(shù)均隨圍壓增加而增加,但其在不同飽和狀態(tài)下的變化率卻截然不同;縱橫波速度比、各向異性系數(shù)在飽和水狀態(tài)下變化規(guī)律不明顯,表明孔隙流體的存在對于巖石物理性質(zhì)有著非常重要的影響.這方面的實驗工作不但對于考察不同流體性質(zhì)對致密巖石彈性各向異性影響是必要的,而且有助于致密砂巖油水和氣層的識別.
致密砂巖; 聲波速度; 各向異性; 孔隙流體; 剛性系數(shù)
伴隨著世界油氣需求的持續(xù)增長與常規(guī)油氣產(chǎn)量的不斷下降,具有較大資源潛力的非常規(guī)油氣逐漸成為新的勘探領域,其中致密油成為全球非常規(guī)石油勘探開發(fā)的亮點之一,是繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點,被石油工業(yè)界譽為“黑金”(鄒才能等,2012).致密砂巖儲層孔隙度和滲透率均非常低,一般條件下無自然產(chǎn)能或者自然產(chǎn)能很低,需要進行規(guī)模壓裂才能產(chǎn)出工業(yè)油氣流.然而,經(jīng)驗表明即使進行規(guī)模壓裂,由于巖性、地應力等因素造成的非均質(zhì)性的影響,致密砂巖儲層不同壓裂段、不同射孔簇的產(chǎn)量也大不相同,因此,針對致密砂巖的各向異性性質(zhì)研究越來越重要.
國內(nèi)外的學者對巖石在不同條件下的各向異性性質(zhì)進行了較為系統(tǒng)的實驗研究.國內(nèi)學者主要針對一些變質(zhì)巖和火成巖等的各向異性性質(zhì)進行了實驗研究:劉永祥等(1995)收集整理并研究了70年代以來的高溫高壓下巖石波速各向異性特征,主要分析了縱波速度及其各向異性;謝鴻森等(1998)介紹了高溫高壓條件下巖石彈性波速測量的方法并加以舉例,但沒有分析巖石各向異性;金振民等(1994)和朱國臣等(2013)分析了橄欖石晶格方位和上地幔地震波速各向異性;母潤昌等(1995)分析了代表上、中、下地殼深度的糜棱巖及其圍巖在高溫高壓條件下的縱波速度各向異性;劉斌等(1998,2000,2002)分析了不同溫壓下蛇紋巖和角閃巖速度各向異性;并研究了不同溫壓條件下巖石縱波速度和各向異性與組構的關系,認為波速各向異性主要與微裂縫和晶格優(yōu)選方位等構造因素有關;此外,他還分析了19塊巖石樣品在不同圍壓下泊松比的各向異性.鄧濤等(2006)對板巖、千枚巖、糜棱巖和變質(zhì)砂巖等4種巖石進行了不同方向上的聲速測量;章軍鋒等(2007)分析了在超高壓條件下榴輝巖地震波速各向異性;宛新林等(2008)以常規(guī)砂巖和大理石為標本,測量了不同角度巖石的動靜態(tài)彈性參數(shù),并分析了其彈性各向異性;鄧繼新等(2004)分析了泥巖、頁巖的聲速各向異性.
國外學者對于泥頁巖彈性各向異性的研究比較多:Jones等(1981)研究了Willison盆地白堊系頁巖在不排水條件下超聲波速度各向異性問題.Vernik等(1992)給出了干燥條件下Bakken頁巖的彈性各向異性特點.Johnston等(1995)用X衍射和掃描電鏡技術分析了引起頁巖各向異性的內(nèi)在原因和彈性波分裂特征.Hornby等(1998)研究了排水條件下的頁巖彈性特征.Jakobsen等(2000)分析了泥巖速度各向異性問題.Domnesteanu等(2002)分析了不同壓力條件以及超壓條件下頁巖的速度各向異性.Wang(2002)分析了頁巖、砂巖、灰?guī)r和白云巖的彈性性質(zhì).Dewhurst等(2006)討論了層理、微裂縫和應力場對頁巖各向異性的影響.
前人的工作主要針對變質(zhì)巖和火成巖或者泥頁巖的干燥巖樣、未飽和水巖樣或飽和水巖樣,針對致密砂巖的研究很少,尤其是沒有進行干燥樣品和飽和水樣品的實驗對比.而這方面的實驗工作不但對于考察不同流體性質(zhì)對致密巖石彈性各向異性影響是必要的,而且對于致密砂巖油水和氣層的識別也是必要的.本文希望能夠在這兩個方面做一些研究工作,以彌補不足.
實驗所選用的巖石樣品來自吉林油田致密砂巖,孔隙度為9.8%,空氣滲透率為0.8 mD,孔隙直徑一般小于15 μm,喉道寬度一般小于10 μm,孔隙形狀因子最大為1,最小為0.19,平均為0.68.該砂巖礦物成分通過X衍射方法確定(見表1),樣品中主要礦物為石英和長石,含少量方解石和白云石.根據(jù)實驗要求,將全直徑樣品分別沿平行層理方向(垂直于對稱軸)、垂直層理方向(平行于對稱軸)以及與對稱軸角度呈45°夾角三個方向鉆取直徑為2.54 cm,高5 cm左右的小巖心,兩端面磨平拋光.將制取的試樣用“MTS巖石物理參數(shù)測試系統(tǒng)”進行超聲波速度測試,實驗方法采用超聲波脈沖穿透法測定樣品速度,配套縱波PZT換能器的主頻為1 MHz,橫波主頻為350 kHz.實驗中,壓力從5 MPa開始增加至70 MPa,基本每隔5 MPa測量一次.樣品置于密封性非常好的夾持器中,可認為樣品的飽和條件是不變的.由于每次記錄的時間間隔較短,特別是致密砂巖的滲透率很小,造成孔隙壓力會隨圍壓的增大而增大,因而飽和水樣品速度的測量是在不排水條件下進行的.對于三塊不同方向的巖心,根據(jù)振動方向、傳播方向和層理的關系可以得到9個速度(如圖1所示):垂直層理方向的VP0(振動方向平行于對稱軸)、VS10(振動方向在層理面內(nèi)且垂直于對稱軸)、VS20(振動方向在層理面內(nèi)并與VS10振動方向垂直);平行層理方向的VP90(振動方向垂直于對稱軸)、VS190(振動方向垂直于層理)、VS290(振動方向平行于層理);與對稱軸呈45°夾角的VP45(振動方向與傳播方向一致)、VS245(振動方向平行于層理)、VS145(振動方向與VS245振動方向垂直).
表1 礦物成分Table 1 Mineral composition
圖1 巖心聲速測量示意圖Fig.1 Instrumentation plan of acoustic velocity
3.1 剛性系數(shù)
對于具有垂直對稱軸的橫向各向同性(VTI)介質(zhì),可以用應變和應力來描述其受力狀態(tài),應力和應變之間的關系滿足廣義虎克定律(Wang,2002).
τij=Cijkl·εkl,
(1)
(2)
其中,τij為應力,εkl為應變,Cijkl為剛性系數(shù).
速度與剛性系數(shù)的關系如下:
(3)
(4)
(5)
(6)
C12=C11-2C66,
(7)
-C44,
(8)
其中ρ為密度.
3.2 各向異性系數(shù)
Thomsen(1986)提出了一種很方便的彈性系數(shù)的無維表達方式,用來表征彈性體的各向異性.
(9)
(10)
(11)
其中,ε為縱波各向異性,γ為橫波各向異性,δ為橢圓度系數(shù).
表2和表3是本次實驗測量的干燥和飽和水狀態(tài)下的數(shù)據(jù).從圖2可以看到,速度均隨圍壓呈指數(shù)形式單調(diào)增加,其中縱波速度增加比橫波大;圍壓越小,對速度影響越大,反之圍壓越大,對速度影響越??;VS10≈VS20,VS145≈VS245,而VS190 由圖5可知,剛性系數(shù)Cij均隨圍壓增加而單調(diào)增加,圍壓越小,Cij變化越大,反之圍壓越大,Cij變化越??;飽和水樣品的剛性系數(shù)大于相應的干巖樣的剛性系數(shù).從單一樣品的剛性系數(shù)大小關系上來看,C11>C33,C66>C44;圍壓小于20MPa時,C12略大于C13,圍壓大于20MPa時,C12基本等于C13.從剛性系數(shù)變化率上來看(圖6),干巖樣的C13和C12對于圍壓敏感性較高,其中C13最高,變化率達到780.24%(因為刻度關系圖中未顯示),其它系數(shù)均沒有超過60%;而飽和巖樣的剛性系數(shù)變化率普遍較小,大部分在30%左右,其中C12變化率最低,只有19.12%,但C44與C66卻比干巖樣的變化率高. 各向異性系數(shù)隨圍壓變化如圖7所示,干巖樣時縱波各向異性系數(shù)隨圍壓增加而減小,從0.074減小到0.045,而飽和時基本不變,保持在0.045左右;干巖樣和飽和水時橫波各向異性系數(shù)均隨圍壓增加而增加,但飽和水狀態(tài)下的各向異性系數(shù)比干巖樣時要大;橢圓度系數(shù)變化沒有規(guī)律,整體上飽和水狀態(tài)時的值稍小一些.由此可見,流體性質(zhì)使得縱波各向異性系數(shù)在變化規(guī)律上是相反的,這與之前的認識是不一致的(鄧繼新,2004;Dewhurst,2006;李阿偉,2014),可能源于孔隙結(jié)構的不同.對于橫波各向異性系數(shù)和橢圓度系數(shù)的影響僅是數(shù)值上的大小問題. 巖石速度是各種巖石物理性質(zhì)分析的基礎,其測量結(jié)果的準確與否關系到整個實驗以及后續(xù)分析的準確性.現(xiàn)以巖石垂直樣品流體飽和速度為例,分別采用Biot高頻理論(Biot,1956,1962)和擠噴流理論(Mavko等,1991)對實驗數(shù)據(jù)進行了數(shù)值模擬.如圖8所示為測量和模擬縱波與橫波速度隨圍壓的變化規(guī)律,測量值與理論計算值形態(tài)一致,均隨圍壓增加而增大,低圍壓下速度變化率大,而高圍壓下速度變化率小,表明測量結(jié)果是可靠的.在整個壓力范圍內(nèi),擠噴流理論(M-J模型)速度與Biot高頻速度(Biot高頻)相比更加吻合,其中擠噴流模型縱波速度與測量值的差異為3.73%,橫波速度與測量值的差異為8.19%;而Biot高頻縱波速度與測量值的差異為6.63%,橫波速度與測量值的差異為11.25%,因為擠噴流模型考慮了局部流的作用.但與實際測量數(shù)據(jù)仍有一定的誤差,主要是因為擠噴流模型和Biot高頻速度模型的適用條件均為巖石是各向同性的,所有組成巖石礦物具有相同的體積模量和剪切模量,這顯然與實際巖樣是不一致的,基于各向異性的模型尚有待于進一步研究. 表2 不同方向巖心干燥狀態(tài)下的縱橫波速度Table 2 P and S wave velocity of cores in different directions under dry state 表3 不同方向巖心飽和水狀態(tài)下的縱橫波速度Table 3 P and S wave velocity of cores in different directions under saturation state 圖2 樣品速度隨圍壓變化規(guī)律圖(a) 干巖樣速度隨圍壓變化規(guī)律圖; (b) 飽和水樣品速度隨圍壓變化規(guī)律圖.Fig.2 Diagram of cores velocity with confining pressure 圖3 巖樣不同方向的速度變化率(a) 干巖樣不同方向的速度變化率; (b) 飽和水樣品不同方向的速度變化率.Fig.3 Velocity variation rate in different directions of cores 圖4 樣品縱橫波速比隨圍壓的變化規(guī)律(a) 干巖樣縱橫波速比隨圍壓的變化規(guī)律; (b) 飽和水樣品縱橫波速比隨圍壓的變化規(guī)律.Fig.4 Diagram of cores ratio of P wave to S wave with confining pressure 圖5 樣品剛性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律圖(a) 干巖樣剛性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律圖; (b) 飽和樣品剛性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律圖.Fig.5 Diagram of cores stiffness coefficients with confining pressure 圖6 樣品剛性系數(shù)變化率(a) 干巖樣剛性系數(shù)變化率; (b) 飽和樣品剛性系數(shù)變化率.Fig.6 Stiffness coefficients variation rate of cores 圖7 樣品各向異性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律(a) 干巖樣各向異性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律; (b) 飽和巖樣各向異性系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律.Fig.7 Diagram of cores anisotropy coefficients with confining pressure 圖8 不同模型波速隨圍壓變化規(guī)律圖(a) 不同模型縱波速度隨圍壓變化規(guī)律圖; (b) 不同模型橫波速度隨圍壓變化規(guī)律圖.Fig.8 Diagram of different models wave velocity with confining pressure 速度和剛性系數(shù)均隨著圍壓的增加而增加,圍壓大到40 MPa左右,速度和剛性系數(shù)基本不變或略微增加.干巖樣的速度變化率、縱橫波速度比、剛性系數(shù)以及各向異性系數(shù)與飽和水樣品的變化均有較大區(qū)別,分析如下. 6.1 圍壓的影響 圍壓增加通常有3種結(jié)果:孔隙變小、顆粒接觸緊密和微裂縫閉合.對于致密砂巖,孔隙變小的可能性很小.本次實驗表明縱波速度隨圍壓的變化率比橫波大,這種情況在很多文獻中可以看到(Johnston,1987;田家勇等,2010),也進一步證實了縱波速度受流體影響比橫波大的多.同時還可以看到,速度-圍壓關系曲線在低圍壓下是線性的,這可能說明巖樣沒有微裂縫,因為在很多文獻中看到速度-圍壓關系的非線性狀態(tài),包括花崗巖、砂巖或頁巖,原因都歸結(jié)于微裂縫的閉合.因此速度的增加可能主要是因為顆粒接觸更加緊密. 飽和樣品的剛性系數(shù)大于相應的干巖樣的剛性系數(shù),表明流體的存在增加了巖石的剛度.不論是干燥狀態(tài)還是飽和水狀態(tài)均隨著圍壓的增加而增加,但其變化率不同.對于干燥狀態(tài),C13和C12的變化率較大,C12變化率為208%,C13變化率更是達到780%;對于飽和水狀態(tài),C12和C13變化率分別降到19%和33%,下降幅度非常大,表明流體雖然使巖石剛度增加,但也抑制了應力對剛度的影響.這與Dewhurst等(2006)的實驗結(jié)果是不同的,但他的實驗條件是飽和水、圍壓不變增加軸壓,具體理論基礎尚有待于進一步研究. 6.2 縱橫波速度比 前人的文獻中提到縱橫波速度比隨應力增加既有增加也有減小.通常,在飽和巖石中,縱橫波速度比應該隨應力增加而減小(Siggins等,2003).在各向同性壓縮中,Johnston等(1995)注意到在巖樣無孔隙壓力控制且未飽和狀態(tài)下,Vp/Vs在應力達到200 MPa之前隨圍壓增加而增加.Hornby(1998)所做的實驗表明,在無孔隙壓力條件下,Vp/Vs在富含伊利石/高嶺石的頁巖中隨應力增加而減小,在富含蒙脫石的頁巖中基本保持不變.Jones 等(1981)注意到在無孔隙壓力條件下,對于各含10%蒙脫石和伊利石的頁巖,Vp/Vs隨各向同性應力增加而增加.Johnston(1987)觀察到Vp/Vs在兩塊頁巖中隨應力增加而略微增加,其中一塊巖石主要礦物成分石英和伊蒙混層,另一塊為石英和分散的伊利石,該實驗是在地層條件下完成的.同樣有孔隙壓力控制的還有Domneteanu等(2002)所做的實驗,所用巖樣顆粒較粗,滲透性好,以石英長石為主,少量的伊蒙混層,Vp/Vs隨各向同性壓縮應力增加而減小.Jakobsen等(2000)對富含綠泥石、伊利石和高嶺石的頁巖進行了一系列實驗,同樣在中值有效應力0~15 MPa,孔隙壓力1 MPa下,Vp/Vs保持不變或略微增加.國內(nèi)針對頁巖或致密砂巖的聲速實驗較少,劉斌等(2002)對19塊不同巖性巖石做了高溫高壓實驗,Vp/Vs在初始圍壓下變化復雜,但超過一定圍壓時其隨圍壓增加而緩慢增大,實驗所采用的樣品為干燥樣品. 本次實驗結(jié)果表明,對于干巖樣,圍壓小于40 MPa時,縱橫波速度比隨圍壓的增加而增加,且基本為線性增加;當圍壓大于40 MPa時,縱橫波速度比略微增加或基本不變.水平巖樣的縱橫波速度比大于垂直巖樣的縱橫波速度比,這與鄧濤等(2006,2007)得出的結(jié)論一致.對于飽和水致密砂巖,國內(nèi)尚未見到相關的實驗,其縱橫波速度比基本不變,可能是因為流體的加入,使得縱波和橫波速度的相對變化趨于一致. 同時,本次實驗還做了速度隨溫度的變化實驗,表明隨溫度增加,縱橫波速度略有降低,縱橫波速度比緩慢增加(如圖9和圖10),這與劉斌等(2002)和劉祝萍等(1994)的實驗結(jié)果是一致的. 圖9 飽和巖樣波速隨溫度變化規(guī)律Fig.9 Diagram of saturated cores velocity with temperature 圖10 飽和巖樣縱橫波速比隨溫度變化規(guī)律Fig.10 Diagram of saturated cores ratio of P wave to S wave with temperature 6.3 彈性各向異性 速度各向異性強和文獻報道過的富含蒙脫石硬頁巖的情況一致(Hornby,1998;Wang,2002;Thomsen,1986).后者認為聲波各向異性主要受孔隙度、埋藏史和粘土成分的影響.各向同性壓縮條件下的各向異性變化是由顆粒排列的改變和孔隙度的降低造成的(Hornby,1998).本次實驗樣品是一種具有前期的強顆粒排列和高伊蒙混層的硬巖石,孔隙度變化和顆粒排列的改變不是本次實驗巖樣各向異性的原因.因此,需要尋找其它機理來解釋各向異性隨應力增加變化的原因.從本次實驗可以看到,在干燥狀態(tài)下ε隨著圍壓的增加而減小,說明縱波各向異性減小,這應該是顆粒排列緊密的原因,橫波各向異性γ隨著圍壓的增加而增加,到達40 MPa時基本保持不變,這可能與壓力增大在孔隙和顆粒骨架上產(chǎn)生微裂隙有關;而在飽和水狀態(tài)下,ε和γ均隨著圍壓的增加而增加,其中橫波各向異性增加的較快,縱波各向異性略微增加,可能是樣品包含應力釋放的微裂縫.δ變化沒有規(guī)律,這與Dewhurst等(2006)的規(guī)律不一致. 通過對不同圍壓和流體飽和狀態(tài)下致密砂巖的實驗分析,可以得到如下的結(jié)論: (1) 縱橫波速度隨圍壓增加而單調(diào)增加,低圍壓下速度增加較快,大于40 MPa后速度增加緩慢; (2) 飽和水狀態(tài)下的縱橫波速度普遍高于干燥狀態(tài)下縱橫波速度,但速度變化率卻恰恰相反.干燥狀態(tài)下,縱波速度變化率大于橫波速度變化率;飽和水狀態(tài)下,縱波速度變化率小于或略等于橫波速度變化率; (3) 干燥狀態(tài)下縱橫波速度比隨圍壓增加而增加,飽和狀態(tài)下則基本保持不變,但飽和狀態(tài)下縱橫波速度比普遍大于相應干燥狀態(tài)下的縱橫波速度比; (4) 剛性系數(shù)隨圍壓增加而單調(diào)增加,低應力下剛性系數(shù)增加較快,大于40 MPa后增加緩慢; (5) 飽和水狀態(tài)下的剛性系數(shù)普遍高于干燥狀態(tài)下剛性系數(shù),但剛性系數(shù)變化率卻大不相同.干燥狀態(tài)下的剛性系數(shù)變化率大于飽和水狀態(tài)下的變化率,但C13和C12變化率略小于飽和水狀態(tài)下的變化率; (6) 致密砂巖基本屬于弱各向異性介質(zhì),干燥和飽和狀態(tài)下各向異性參數(shù)γ隨圍壓增加而增加;ε在干燥狀態(tài)下隨圍壓增加而減小,而在飽和狀態(tài)下對圍壓的變化不敏感;δ隨圍壓變化無規(guī)律. 致謝 感謝吉林油田勘探開發(fā)研究院副總地質(zhì)師修立軍提供巖心,感謝測井遙感所所長周燦燦的悉心指導,感謝實驗員認真完成實驗測量,感謝審稿專家提出的寶貴修改意見和編輯部的大力支持. 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(本文編輯 劉少華) Elastic anisotropy characteristics of tight sands under different confining pressures and fluid saturation states SONG Lian-Teng1,3, WANG Yun2, LIU Zhong-Hua3, WANG Qing1 1 “MWMC”researchgroup,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2 “MWMC”researchgroup,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002,China3PetrochinaResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,Beijing100083,China With continued growth in world demand for oil and gas and declined production for conventional oil and gas, unconventional oil and gas with large resource potential has gradually become a new field of exploration. The tight oil becomes one of the highlights of global unconventional petroleum exploration and development.Porosity and permeability of tight sandstone are very low. There is no natural production capacity or natural production capacity is very low in the general conditions. So, large-scale fracturing is needed to produce industrial oil and gas flow. However, experience has shown that the production of tight sandstones of different fracturing section and different perforation clusters is not the same due to lithology and stress factors caused by the heterogeneity even if the large scale fracturing is used. Therefore, it is important to investigate the anisotropic properties of tight sandstone.To investigate the laws of tight sandstone wave velocity and anisotropy with confining pressure and elastic anisotropy characteristics under different saturated states, cores in different directions were drilled and their acoustic characteristics were measured under ultrasonic frequency in laboratory. Change laws of sample P and S wave velocity, stiffness coefficient, and anisotropy coefficient with increasing confining pressure were then analyzed. The experimental results indicate that P and S wave velocity, ratio of P wave to S wave and stiffness coefficient all raise with increasing confining pressure, but the change rates under different saturated status were entirely different. Ratio of P wave to S wave and anisotropy coefficients have inconspicuous change law under saturation state, this indicates that the existence of fluid is very important to rock physical properties. The experimental work is not only necessary to investigate tight sand elastic anisotropy characteristic under different fluid properties, but also contribute to identification of tight sandstone fluid and gas. Tight sandstone; Wave velocity; Anisotropy; Pore fluid; Stiffness coefficient 宋連騰, 王赟, 劉忠華等. 2015. 不同圍壓和流體飽和狀態(tài)下致密砂巖彈性各向異性特征.地球物理學報,58(9):3401-3411, 10.6038/cjg20150932. Song L T, Wang Y, Liu Z H, et al. 2015. Elastic anisotropy characteristics of tight sands under different confining pressures and fluid saturation states.ChineseJ.Geophys. 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6 討論
7 結(jié)論