不同压力下部分饱和砂岩纵波衰减的理论及实验研究

深入了解不同压力、频率、流体含量和流体分布对岩石中弹性波传播特性的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义.不同尺度下的波致流效应,是声波传播过程中产生速度频散和衰减的重要原因.本文以不同压力下水饱和区域改进的骨架模量为纽带,建立了联合介观尺度斑块饱和效应与微观尺度喷射流效应的部分饱和岩石声学理论模型.开展针对性声学实验,根据不同压力下部分饱和砂岩纵波速度测量数据,确定理论模型中的相关参数,从而实现对不同压力下部分饱和岩石纵波衰减的定量表征.在此基础上,通过理论与实验测量的纵波衰减的对比,分析不同压力、含水饱和度以及频率对岩石纵波衰减的影响.研究结果表明,在较低压力,较高含水饱和度以及较高频段,喷射流效应较强,因此新建模型计算的衰减明显大于斑块饱和模型的衰减.由于新建模型体现了斑块饱和效应与喷射流效应的综合影响,相比于斑块饱和模型,新建模型计算的部分饱和岩石的纵波衰减更接近于实测衰减,但受到岩石自身因素影响,新建模型计算的衰减仍略小于实测衰减.     

基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画

地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.     

泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间的关系

岩石从干燥状态下到饱和流体后纵波速度的变化情况对于地震速度预测、AVO分析以及流体识别具有重要意义,而有关泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间关系的研究甚少.因此本文利用三组实验数据研究了泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间关系的影响因素,并通过多元线性回归分析方法建立泥质砂岩饱和流体后的纵波速度与干燥状态下的纵波速度、孔隙度以及黏土含量之间的关系.研究表明:泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间的简单线性关系容易受到固结程度、孔隙流体性质以及围压的影响,而多元线性回归分析与简单线性分析相比,其拟合结果的判定系数明显提高,标准误差明显减小.此外,本文首次提出黏土含量与孔隙度比的概念(CPR),发现CPR与泥质砂岩饱和流体前后纵波速度差之间有很好的正相关性,随着CPR的增加,纵波速度差也表现出增大的趋势,CPR的提出为解释流体替换过程中岩石物理属性的变化情况提供了新的思路.     

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

部分饱和孔隙岩石中声波传播数值研究

利用基于Biot理论的孔隙弹性介质的高阶交错网格有限差分算法,模拟了具有随机分布特征的多种流体饱和岩石中声波在中心频率分别为25,50,75,100kHz时的声场特点. 对于一个由两种成分（气和水）饱和的岩石模型, 假设含不同流体的孔隙介质随机分布在不同的宏观区域,该区域尺度远小于计算的声波波长;组成模型的两种随机分布介质具有相同的固体骨架参数、渗透率和孔隙度,但分别被具有不同压缩性、密度和黏滞系数特性的水和气饱和. 计算和统计分析结果表明,在两种孔隙成分随机分布的部分饱和条件下纵波速度比较复杂,除骨架参数外,其变化主要依赖于中心频率、各种孔隙成分饱和度及饱和介质的速度. 比较该随机分布模型、Gassmann理论模型和White的“气包”模型,发现三种模型得到的纵波速度和衰减规律有较好的定性对应关系. 其次,按照这种随机计算模型的处理方法,本文还首次计算了一个三种流体成分充填饱和的例子,即岩石模型中的孔隙被水、油和气部分饱和,计算时保持模型含水饱和度不变而只改变含油和含气饱和度. 在这种计算条件下,纵波速度随中心频率呈增大的趋势但有起伏变化. 声场快照显示了各种转换波在多种孔隙成分充填（两种和三种孔隙成分）岩石中的声场特征,复杂的水-油-气界面的非均匀分布对声场有重要影响,纵波能量主要转换形成了较为复杂的多种慢纵波和横波.     

致密油岩石纵波频散及衰减特征研究:实验观测及理论模拟（英文）

非常规油气资源-致密油在中国有广泛分布,致密油储层孔隙类型多样、结构复杂。本文对12块致密油岩石样本开展了超声波实验测量,根据记录的纵波波形,利用谱比法估算了岩石在饱和不同流体时的衰减,结果显示大部分致密油样本在饱气状态下的纵波衰减强于饱水及饱油情况,并且,纵波衰减与岩石渗透率有较好的正相关性。基于扫描电镜分析结果,采用三重孔隙结构模型描述致密油岩石,正演模拟了致密油岩石的波传播特征。基于BIOT理论、BIOT-RAYLEIGH双重孔隙介质理论和三重孔隙模型对比讨论了致密油岩石的纵波速度频散和衰减规律,结果显示BIOT理论和BIOT-RAYLEIGH理论均无法解释该组致密油岩石样本的衰减特征规律,而采用三重孔隙结构模型的预测结果和实验结果能够达到很好的吻合。统计分析了致密油岩石的实验测量结果和模型参数,可推断在5-10%孔隙度范围内致密油岩石含更多的微裂隙,且在高孔隙度范围微裂隙尺寸更大。在不同孔隙度范围内,微裂隙和黏土包体体积比率相近,但微裂隙尺寸明显大于泥质尺寸,微裂隙体积模量低于泥质体积模量。     

岩石物理弹性参数规律研究

根据辽东湾凹陷某区在地层条件和不同流体相态(气饱和、水饱和等)下岩石纵波速度、横波速度及密度等岩心测试数据,以及岩石矿物成分、孔隙度等常规岩心分析数据,统计分析了岩石弹性参数变化规律.采用有效流体模型、斑块饱和模型进行了纵、横波速度理论计算,并和实验测量结果比较,认为高孔、高渗岩石可以看作有效流体模型,低孔、低渗岩石更接近斑块饱和模型.这些规律和认识对于指导储层预测和油气检测及地震振幅综合解释有重要的意义.     

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

介观尺度孔隙流体流动作用对纵波传播特征的影响研究——以周期性层状孔隙介质为例

介观尺度孔隙流体流动是地震频段岩石表现出较强速度频散与衰减的主要作用.利用周期性层状孔隙介质模型,基于准静态孔弹性理论给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设. 在此基础上对准静态与全频段下模型介质中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度变化形式及其对弹性波传播特征的影响进行了讨论,为更有效理解介观尺度下流体流动耗散和频散机制提供物理依据.研究结果表明,低频条件下快纵波孔压在介质层内近于定值,慢纵波通过流体扩散改变总孔隙压力, 随频率的增加慢波所形成的流体扩散作用逐渐减弱致使介质中总孔压逐渐接近于快纵波孔压,在较高频率下孔压与应力的二次耦合作用使总孔压超过快纵波孔压.介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,其纵波速度-含水饱和度变化形式也从符合孔隙流体均匀分布模式过渡到斑块分布模式,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性.     

非均质碳酸盐岩储层岩石物理建模:孔隙度估算与烃类检测(英文)

在非均质天然气藏中,天然气一般呈细小"斑块状"分布于含水岩石骨架内。这种非均质性,即"斑块状饱和",会引起显著的地震波速度频散和能量衰减现象。为了建立地震响应和流体类型之间的联系,本文进行了碳酸盐岩岩石物理建模。首先利用CT扫描分析部分饱和岩石中的流体分布,然后预测不同频率下波响应与岩性、孔隙流体基本性质之间的定量关系,基于岩石薄片分析孔隙结构和地震反演数据制作岩石物理图板,并将这种方法应用于阿姆河右岸地区的灰岩气藏,基于叠后阻抗反演和叠前弹性参数反演,采用地震数据估算岩石孔隙度与含气饱和度,预测结果与多井试气结果吻合。     

Modulus defect,velocity dispersion and attenuation in partially-saturated reservoirs of Jurassic sandstone,Indus Basin,Pakistan

Partially saturated reservoirs are one of the major sources of seismic wave attenuation, modulus defect and velocity dispersion in real seismic data. The main attenuation and dispersion phenomenon is wave induced fluid flow due to the heterogeneity in pore fluids or porous rock. The identification of pore fluid type, saturation and distribution pattern within the pore space is of great significance as several seismic and petrophysical properties of porous rocks are largely affected by fluid type, saturation and fluid distribution pattern. Based on Gassmann-Wood and Gassmann- Hill rock physics models modulus defect, velocity dispersion and attenuation in Jurassic siliclastic partially-saturated rocks are studied. For this purpose two saturation patterns - uniform and patchy - are considered within the pore spaces in two frequency regimes i.e., lower frequency and higher frequency. The results reveal that at low enough frequency where saturation of liquid and gas is uniform, the seismic velocity and bulk modulus are lower than at higher frequency where saturation of fluid mixture is in the form of patches. The velocity dispersion and attenuation is also modeled at different levels of gas saturation. It is found that the maximum attenuation and velocity dispersion is at low gas saturation. Therefore, the dispersion and attenuation can provide a potential way to predict gas saturation and can be used as a property to differentiate low from high gas saturation.     

含流体砂岩地震波频散实验研究

为了研究孔隙流体对不同渗透率岩石地震波速度的影响,在实验室利用跨频带岩石弹性参数测试系统得到了应变幅值10-6的2~2000Hz频段下的地震波速度和1 MHz频率下的超声波速度,利用差分共振声谱法得到了频率600Hz岩石干燥和完全饱水情况下岩石声学参数.实验表明,在低饱和度下,致密砂岩在地震和超声频段下没有明显的频散;在高饱和度下纵波速度的频散变得明显.从干燥到完全水饱和条件,不同频率测量的致密砂岩的体积模量随岩石孔隙度增高而降低,且体积模量的变化量受岩石微观孔隙结构的影响较大.高孔、高渗砂岩无论在低含水度下还是在高含水饱和度下频散微弱,并且在地震频段下围压对于岩石纵横波速度的影响要大于频率的影响.高孔、高渗砂岩和致密砂岩不同含水饱和度下的频散差异可应用于储层预测,油气检测等方面,同时该研究可以更好地帮助理解岩石的黏弹性行为,促进岩石物理频散理论的发展,提高地震解释的精度.     

非饱和岩石中的纵波频散与衰减: 双重孔隙介质波传播方程

本文采用Rayleigh理论描述纵波激励下非饱和岩石中气泡的局域流体流动,从经典力学的哈密顿原理导出了双重孔隙介质中的波传播方程,即Biot-Rayleigh方程.方程的格式简洁,参数少,所有相关参数物理可测,因此,方程具有较好的物理可实现性.基于相同的岩石与前人理论对比,初步验证了本理论的有效性.对三个地区的砂岩储层进行了分析,结果显示:地震频段内纵波对储层是否含气非常敏感,但对含气饱和度指示性不佳,且随着孔隙度降低,纵波频散与衰减在中低频段更为显著;含甲烷与含二氧化碳的砂岩储层均呈第三类AVO响应特征,很难从叠前分析技术中鉴别;理论预测的纵波频散随饱和度与频率变化的趋势与特征,与多频段实验观测结果一致.     

Seismic time–frequency analysis as a robust method to estimate the fluid saturation: A case study of carbonates reservoir,Iran

The propagation of seismic waves through a saturated reservoir compresses the fluid in the pore spaces. During this transition, parts of seismic energy would be attenuated because of intrinsic absorption. Rock physics models make the bridge between the seismic properties and petrophysical reality in the earth. Attenuation is one of the significant seismic attributes used to describe the fluid behaviour in the reservoirs. We examined the core samples using ultrasonic experiments at the reservoir conditions. Given the rock properties of the carbonate reservoir and experiment results, the patchy saturation mechanism was solved for substituted fluid using the theory of modulus frequency. The extracted relationship between the seismic attenuation and water saturation was used in time–frequency analysis. We performed the peak frequency method to estimate the Q factor in the Gabor domain and determined the water saturation based on the computed rock physics model. The results showed how the probable fault in the reservoir has stopped the fluid movement in the reservoir and caused touching the water‐bearing zone through drilling.     

Rock physics modeling of heterogeneous carbonatereservoirs： porosity estimation and hydrocarbon detection

In heterogeneous natural gas reservoirs, gas is generally present as small patch-like pockets embedded in the water-saturated host matrix. This type of heterogeneity, alsocalled ＂patchy saturation＂, causes significant seismic velocity dispersion and attenuation. Toestablish the relation between seismic response and type of fluids, we designed a rock physicsmodel for carbonates. First, we performed CT scanning and analysis of the fluid distributionin the partially saturated rocks. Then, we predicted the quantitative relation between the waveresponse at different frequency ranges and the basic lithological properties and pore fluids.A rock physics template was constructed based on thin section analysis of pore structuresand seismic inversion. This approach was applied to the limestone gas reservoirs of the rightbank block of the Amu Darya River. Based on poststack wave impedance and prestack elasticparameter inversions, the seismic data were used to estimate rock porosity and gas saturation.The model results were in ~ood a~reement with the production regime of the wells.     

基于自适应杂交遗传算法的CO_2地质封存的储层参数反演研究

二氧化碳地质封存是减少温室气体排放和减缓温室效应的重要手段.二氧化碳封存的一个重要组成部分是地震监测,即用地震的方法监测封存后的二氧化碳的分布变化.为了实现这个目标,需要建立储层参数与地震性质之间的关系(岩石物理模型)和从地震监测数据中反演获得储层流体的饱和度等参数.首先,本文以Biot理论为基础,结合多相流模型研究了多个物理参数(孔隙度、二氧化碳饱和度、温度和压力等)对同时含有二氧化碳和水的孔隙介质的波速和衰减等属性的影响.结果表明:孔隙度和二氧化碳饱和度对岩石的频散和衰减属性影响强烈,而温度和压力通过孔隙流体性质对岩石的波速产生影响.然后,本文基于含多相流的Biot理论,应用抗干扰能力强、且具有更好的局部搜索能力和抗早熟能力的自适应杂交遗传算法对实际数据进行了反演研究.对岩心实验数据的反演研究表明了算法的有效性,而且表明含多相流的Biot理论能够很好地解释水和二氧化碳饱和岩石的波速特征.最后,我们将自适应杂交遗传算法应用于实际封存项目的地震监测数据,获得了封存后不同时期的二氧化碳饱和度,达到了用地震方法监测二氧化碳分布的目的.     

基于Kelvin-Voigt黏弹性骨架的含非饱和流体孔隙介质BISQ模型(英文)

本文综合考虑了在波传播过程中孔隙介质的三种重要力学机制——"Biot流动机制一squirt流动机制-固体骨架黏弹性机制",借鉴等效介质思想,将含水饱和度引入波动力学控制方程,并考虑了不同波频率下孔隙流体分布模式对其等效体积模量的影响,给出了能处理含粘滞性非饱和流体孔隙介质中波传播问题的黏弹性Biot/squirt(BISQ)模型。推导了时间-空间域的波动力学方程组,由一组平面谐波解假设,给出频率-波数域黏弹性BISQ模型的相速度和衰减系数表达式。基于数值算例分析了含水饱和度、渗透率与频率对纵波速度和衰减的影响,并结合致密砂岩和碳酸盐岩的实测数据,对非饱和情况下的储层纵波速度进行了外推,碳酸盐岩储层中纵波速度对含气饱和度的敏感性明显低于砂岩储层。     

基于气体包裹体模型的低孔低渗储层声波速度研究

随着石油勘探工业的持续发展和技术水平的日益提高,低孔低渗油气藏已成为我国油气勘探开发的重要领域之一,但是该类油气藏的储层岩石物理关系复杂,对其评价也相对较难。本文针对中深层气藏低孔低渗储层评价存在的困难,采用修正的White气体包裹体模型开展岩石物理研究。首先对气体包裹体模型进行分析,得到纵横波速度的计算公式,进而理论计算并分析纵横波速度与孔隙度、饱和度、压力及温度参数的变化关系,最后结合岩心实验对理论计算结果进行了验证。研究结果表明基于气体包裹体模型的理论计算结果与实测数据吻合较好,可以较好地为低孔低渗复杂储层声波速度测量及解释提供技术支持。      

Multiscale rock-physics templates for gas detection in carbonate reservoirs

The heterogeneous distribution of fluids in patchy-saturated rocks generates significant velocity dispersion and attenuation of seismic waves. The mesoscopic Biot–Rayleigh theory is used to investigate the relations between wave responses and reservoir fluids. Multiscale theoretical modeling of rock physics is performed for gas/water saturated carbonate reservoirs. Comparisons with laboratory measurements, log and seismic data validate the rock physics template. Using post-stack and pre-stack seismic inversion, direct estimates of rock porosity and gas saturation of reservoirs are obtained, which are in good agreement with oil production tests of the wells.