周期性层状含孔隙、裂隙介质模型纵波衰减特征

地震波在含孔隙、裂隙斑块饱和介质传播过程中会诱发多个尺度孔隙流体流动而产生衰减和速度频散.在含有宏观尺度“Biot流”和介观尺度“局域流”衰减诱导机制的周期性层状孔隙介质模型基础上,引入了微观尺度硬币型和尖灭型裂隙“喷射流”的影响,构建了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型.利用双解耦弹性波动方程的方法数值计算了该模型地震频带的纵波衰减和速度频散并与周期性层状孔隙介质模型做了对比研究.分析了该模型在不同裂隙参数（裂隙密度、裂隙纵横比）及裂隙体积含量下的纵波衰减和频散特征,裂隙密度越高对于纵波衰减和频散的影响越大,裂隙纵横比越小,由裂隙引起的纵波衰减部分向高频段移动,裂隙体积含量越少,纵波衰减先降低后小幅增加再降低,频散速度增加,并逐渐接近于周期性层状孔隙介质模型的纵波衰减和频散速度曲线.最后研究了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型有效平面波模量的高低频极限以及流固相对位移在该模型中的分布特征.     

流体饱和度对裂缝—孔隙岩石频变纵波速度及其各向异性的影响

流体饱和度会改变裂缝性储层的纵波速度,从而影响地层速度的频散特性及各向异性程度,导致储层地震响应特征复杂,储层预测多解性强,流体识别难度大.本文根据多相流体饱和裂缝性储层的特点,借助于Norris和KG模型,建立部分饱和裂缝-孔隙等效介质模型,给出频变地震波速度随流体饱和度变化的精确关系式.数值模拟结果表明,当气、水两相共存时,随着含水饱和度的增加,高频段纵波相速度逐渐增大,各向异性程度逐渐减小;低频段纵波相速度逐渐减小,各向异性程度不变;相速度频散及其各向异性程度逐渐增强.组合已有的孔隙弹性理论模型,对实验室人工裂缝-孔隙砂岩岩样的纵波速度进行拟合,计算得到的曲线与实验室测量散点值吻合度较高,表明组合模型在给定参数下的有效性.该研究能够为多相流体饱和裂缝性储层的地震响应特征分析奠定扎实的理论基础,为提高储层预测的确定性和流体识别的准确性提供可靠的理论依据.     

含混合裂隙、孔隙介质的纵波衰减规律研究

地下多孔介质中的孔隙类型复杂多样,既有硬孔又有扁平的软孔.针对复杂孔隙介质,假设多孔介质中同时含有球型硬孔和两种不同产状的裂隙(硬币型、尖灭型裂隙),当孔隙介质承载载荷时,考虑两种不同类型的裂隙对于孔隙流体压力的影响,建立起Biot理论框架下饱和流体情况含混合裂隙、孔隙介质的弹性波动方程,并进一步求取了饱和流体情况下仅由裂隙引起流体流动时的含混合裂隙、孔隙介质的体积模量和剪切模量,随后,在此基础上讨论了含混合裂隙、孔隙介质在封闭条件下地震波衰减和频散的高低频极限表达式.最后计算了给定模型的地震波衰减和频散,发现地震波衰减曲线呈现"多峰"现象,速度曲线为"多频段"频散.针对该模型分析讨论了渗透率参数、裂隙纵横比参数以及流体黏滞性参数对于地震波衰减和频散的影响,表明三个参数均为频率控制参数.     

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.     

孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型

储层地球物理学中,孔隙介质的各类弹性波模型常用于了解地层岩石物理性质.本文介绍了含油、气、水等物质的多相孔隙介质弹性波频散和衰减研究进展,给出了流体饱和与部分饱和孔隙介质中波传播的物理模型综述.根据孔隙介质中的固、流体分布情况,从相关基础理论和实验研究工作等方面出发,在宏观、微观和介观尺度上对流体替换、Biot孔隙力学、喷射流、Biot喷射流(BISQ)、等效球体癍块饱和、双重孔隙介质局部流动等现有主要合流体孔隙介质速度频散和衰减理论进行了回顾.研究表明,应力松弛过程是弹性波频散和衰减的基本机理,该过程由平衡特征时间刻画.该特征时间与孔隙介质的渗透率、流体粘性和体积模量紧密相关.当波频较低时,特征时间小于波周期,压力平衡得以发生,可以用等效流体模型描述波速;反之,当波频较高时,局部压差始终保持较高水平。整个骨架体积模量升高,等效模型面临困难,发展出斑块饱和模型.在分析了各类模型理论框架适用性以及所面临困难后,我们对未来研究方向给出了一些有意义的探讨.     

White球状Patchy模型中纵波传播研究

在球坐标系下用直接求解孔隙弹性方程的方法计算了介观尺度下空间周期排列的White球状Patchy模型中纵波传播问题.首先对纵波的衰减和频散进行了计算,并引入了物理学上声子晶体原理来解释高频时纵波在White球状模型中传播的异常现象.在含水饱和度和速度关系的研究中发现,在低频段用等效流体理论和Gassmann理论估计流体Patchy饱和岩石中的纵波速度完全能够满足当前地震勘探的要求.随后的具有相同含气饱和度但有不同周期的Patchy模型研究结果表明,随着空间周期变大,低频的纵波频散变得明显,纵波衰减峰频率向低频移动,但峰值几乎不变.最后,对单元外层含水中心含油的White球状Patchy模型和中心含气White球状Patchy模型进行研究、对比,发现孔隙流体流动对孔隙介质中的纵波频散、衰减影响显著.另外,在具体数值求解过程中用缩减方程组规模的方法解决了线性方程组严重病态得不到正确结果的问题.     

基于层状双孔介质的地震波反射和透射系数频散特性研究

本文研究了纵波垂直入射情况下两种介质分界面处的纵波反射和透射系数的频散特性,分界面上下两侧分别为层状双孔页岩介质和层状双孔砂岩介质.当纵波沿垂直于分界面的方向传播至分界面处时,会在上层双孔介质中产生三类反射纵波,在下层双孔介质中产生三类透射纵波.基于层状双孔介质的特性,给出了分界面处的六个边界条件.根据层状双孔介质的波动方程,利用平面波分析得到了纵波的反射和透射系数.结果表明：当多孔介质中存在流体时,纵波的反射和透射系数与频率相关,即存在频散现象.波致流体流动是造成纵波反射和透射系数频散的主要原因.此外,结果还表明局部流体流动引起地震频带内反射和透射系数的频散,宏观Biot流引起超声频带内反射和透射系数的频散.本文同时对岩石参数对反射和透射系数频散曲线的影响进行了研究.     

三相周期成层Patchy模型中地震波频散和衰减

本文基于White周期层状模型,将传统两相流体（气,水）模型扩展至三相流体（油、气、水）周期层状模型,在Biot理论框架下将其延伸至高频,研究介观尺度地震频带下纵波在三相Patchy模型中的传播规律.应用孔隙介质弹性波波动方程解耦方法,结合等效边界条件,得到Biot1956年理论框架下的纵波速度频散与衰减的解析解.利用频率域有限差分方法,将Biot1941年、1956年理论方程中的微分算子离散化,正演得到纵波速度频散与衰减的数值解,结合由Biot-Gassmann-Hill公式和Biot-Gassmann-Wood公式计算得到的纵波速度上下限,证明了三相流体模型解析解的正确性.随后,研究了三种流体排列顺序对于纵波速度频散和衰减的影响.从受力分析角度来看,油层抵消部分水流对气层的力,使其受力减小,反之水流促进油流入气层,气层受到叠加力,因此改变流体顺序后气层受力情况不同,造成纵波频散和衰减结果有所差异.最后研究了含气饱和度变化对于纵波速度频散和衰减影响.     

基于三维孔隙网络模型的纵波频散衰减特征分析

波场在含流体的孔隙介质中传播时会产生频散和衰减现象.波场的频散和衰减与孔隙介质的岩石物理属性有关,包括孔隙度、渗透率、流体属性等.现有的三维裂缝/软孔隙网络模型利用椭圆截面纵横比的变化模拟从扁裂缝、软孔隙到硬孔隙的多种情况,而未考虑同时包含孔隙和裂缝的全局性网络空间.为了更好地描述裂缝-孔隙空间,本文提出同时包含裂缝和孔隙的三维裂缝-孔隙网络模型,并给出渗透率的计算方法.通过体积平均法推导了三维裂缝/软孔隙网络模型和三维裂缝-孔隙网络模型的波动方程,利用平面波分析方法得到纵波频散/衰减曲线的表达式,同时应用数值模拟研究了总孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝纵横比、裂缝数密度、孔隙流体黏度对纵波衰减和速度频散特征的影响.结果表明,在三维裂缝-孔隙网络模型下,总孔隙度、裂缝参数等对纵波频散衰减特征的影响与三维裂缝/软孔隙网络模型相似.具体表现为:纵波在高频段内出现频散和衰减现象.孔隙度的变化主要影响逆品质因子曲线峰值的大小;裂缝数密度主要控制速度显著变化的范围;裂缝纵横比对纵波速度和特征频率有显著影响.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

裂隙张开度对纵波特性与频散影响的实验研究(英文)

为更好地了解裂隙张开度对纵波特征(速度、振幅和各向异性)的频率响应,在实验室利用分层嵌入低速薄圆片模拟裂隙方式,构建了六块裂隙密度为8.30%的不同张开度裂隙模型,用四种主频(0.1MHz～1MHz)超声纵波换能器在裂隙模型的平行和垂直裂隙方向上测试了透射纵波速度和振幅。实验数据表明,在0.1MHz～1MHz频段范围,张开度从O.1mm增大到0.34mm时,纵波平行裂隙方向传播时的振幅随频率线性下降,速度频散从1.5%增加到2.1%。垂直裂隙方向传播时振幅随频率呈二次函数缓慢下降,速度频散从1.9%到4.7%。两方向的速度频散差异加剧了张开度模型的各向异性频散。裂隙张开度对纵波特性的频散是由裂隙张开度的散射引起的。     

含流体孔隙介质中面波的传播特性及应用

基于单相介质中地震波理论的高频面波法已广泛应用于求取浅地表S波的速度.然而水文地质条件表明,普遍的浅地表地球介质富含孔隙.孔隙中充填的流体会显著地影响面波在浅地表的传播,进而造成频散和衰减的变化.本文研究了地震勘探频段内针对含流体孔隙介质边界条件的面波的传播特性.孔隙流体在自由表面存在完全疏通、完全闭合以及部分疏通的情况.孔隙单一流体饱和时,任何流体边界条件下存在R1模式波,与弹性介质中的Rayleigh波类似,相速度稍小于S波并在地震记录中显示强振幅.由于介质的内在衰减,R1在均匀半空间中也存在频散,相速度和衰减在不同流体边界下存在差异.Biot固流耦合系数(孔隙流体黏滞度与骨架渗透率之比)控制频散的特征频率,高耦合系数会在地震勘探频带内明显消除这种差异.介质的迂曲度等其他物性参数对不同流体边界下的R1波的影响也有不同的敏感度.完全闭合和部分疏通流体边界下存在R2模式波,相速度略低于慢P波.在多数条件下,如慢P波在时频响应中难以观察到.但是在耦合系数较低时会显现,一定条件下甚至会以非物理波形式接收R1波的辐射,显示强振幅.浅表风化层低速带存在,震源激发时的运动会显著影响面波的传播.对于接收点径向运动会造成面波的Doppler频移,横向运动会造成面波的时频畸变.孔隙存在多相流体时,中观尺度下不均匀斑块饱和能很好地解释体波在地震频带内的衰减.快P波受到斑块饱和显著影响,R1波与快P波有更明显关联,与完全饱和模型中不同,也更易于等效模型建立.频散特征频率受孔隙空间不同流体成分比例变化的控制,为面波方法探测浅地表流体分布与迁移提供可能性.通常情况孔隙介质频散特征频率较高,标准线性黏弹性固体可以在相对低频的地震勘探频带内等效表征孔隙介质中R1波的传播特征,特别在时域,可在面波成像反演建模中应用.     

周期成层Patchy模型中纵波的频散和衰减研究

本文用孔隙介质力学的方法来研究纵波在介观周期成层Patchy模型的传播问题.相对于White方法,该方法少了不同介质分界面处的流体压力不等的假设,推导过程更为严密;和Dutta的双相方程解耦方法比较,文中方法直接求解双相方程,形式上更为直观.当纵波通过周期成层孔隙模型时,在低频段用孔隙弹性力学得到纵波频散和衰减结果与用White公式得到的结果符合得很好;周期成层的Patchy孔隙模型由于其空间排列的周期性使其成为孔隙弹性声子晶体,在其频散和衰减曲线上的高频段会出现多个禁带和通带,这使得速度不会随频率单调递增,衰减峰也不只一个.对于地震频段,随着渗透率降低模型的衰减峰向低频移动,这和实际观测结果一致,和传统Biot理论预测结果正相反;随着含气量上升纵波衰减峰值先上升后下降,其最大值出现在含气量0.1左右,这和相关实验结果一致.研究结果表明该模型可以定性解释观测到的地震衰减结果.     

部分饱和孔隙介质中的纵波方程及衰减特性研究（英文）

本文以中观孔隙结构的White模型为基础,构建了部分饱和孔隙介质模型,利用Biot方程的建立思路和Johnson推导的体变模量,推导了部分饱和孔隙介质中的纵波方程,并以平面波为例,求取了方程的衰减系数,分析了地震勘探频带范围内地震波的衰减特性。结果表明:在部分饱和孔隙介质中,地震波在低频段也会发生明显的衰减和频散现象,频率越大,衰减越大;且第二纵波的衰减比第一纵波更为明显;这一结论弥补了Biot理论在描述地震勘探频带范围内波的衰减现象的不足。文中还研究了孔隙度、饱和度和模型内径尺寸对第纵波衰减特性的影响机理,主要表现在在地震勘探频带范围内,波的衰减随孔隙度的增大而增大,随含油气饱和度的增大而减小,当孔隙内径尺寸小于二分之一外径尺寸时,波的衰减随内径尺寸的增大而增大,当内径尺寸大于二分之一外径尺寸时,波的衰减随内径尺寸增大而减小。     

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.     

包含Biot机制和分数阶黏弹性机制的波传播模型

含流体孔隙介质中的波能量耗散通常由多种力学机制造成.传统Biot理论中的能量耗散仅仅考虑了固流两相相对运动引起的摩擦耗散,无法准确预测波在孔隙介质中低频段出现的高频散与强衰减现象.为了建立一个能准确预测地震波频段高频散与强衰减现象的动力学模型,我们在Biot理论的基础上引入黏弹性机制,并利用分数阶导数刻画黏弹性本构关系,最终获得了一种新的孔隙介质波传播模型.与传统的Biot模型相比,新模型考虑了含流体孔隙介质中固体骨架的内耗散,对波能量耗散的刻画更为精准.通过数值算例,我们研究了分数阶导数的阶数参数对快P波和S波频散和衰减的影响,并通过来自不同地区且具有不同物理性质的几组流体饱和岩芯实验数据,对比研究了新模型的有效性.结果表明,文章提出的新模型能更准确地预测快P波和S波在低频段出现的高频散和强衰减现象.     

基于BISQ机制三维双相正交裂隙各向异性介质衰减及频散方位特性研究

对于复杂裂隙介质,双相各向异性介质模型更能真实地反映实际地层特征.本文基于BISQ机制推导了三维双相各向异性介质的频散方程,给出了用于确定相速度和逆品质因子的波数方程及其表达式,研究了固体骨架各向异性、固流耦合效应各向异性、渗透率各向异性对衰减及频散的影响,并对频散和衰减的方位特性进行了分析,为预测储层流体的存在、分布以及孔隙结构提供有力的理论依据,使得多方位储层地球物理参数联合反演具有可行性.     

裂缝、裂隙介质衰减频散研究

为研究裂缝、裂隙介质中波致流引起的衰减,将裂缝看作背景孔隙岩石中非常薄且孔隙度非常高的层状介质,并等价成White周期层状模型.分别考虑不同类型的裂隙和孔隙之间的挤喷流影响,结合改进的Biot方程,推导得到裂缝裂隙介质的刚度与频率的关系.当缝隙中饱含流体时,介质的衰减和速度频散受裂缝、孔隙之间和裂隙、孔隙之间流体流动的显著影响.在低频极限下,裂缝裂隙介质的性质由各向异性Gassmann理论和挤喷流模型获得;而在非常高的频率时,由于缝隙中的压力来不及达到平衡,波致流的影响可忽略.分析表明,裂隙密度主要影响波的衰减,而裂隙纵横比主要控制优势衰减频率和速度显著变化的频率范围;由于不同裂隙的衰减机制不同,衰减和速度频散大小有所差异,但基本趋势相同.     

渗流场参数与地震波场参数的关联关系研究综述

地球表层岩石是由不同尺度的岩石骨架、孔隙、以及孔隙中的流体物质相互作用形成的.研究含有孔隙和裂缝的复杂岩石介质中的地震波传播效应一直是石油地球物理勘探领域的热点.因此,许多学者对复杂岩石介质的渗流特征,和地震波的传播与衰减进行了大量的研究.本文在回顾孔隙介质的地震波的传播与衰减理论发展的基础上,首先介绍了孔弹介质的非局部Biot理论,并用它预测负频散现象,然后介绍了实验观测到的波的衰减与岩石物理性质(如孔隙度和渗透率)的关系,最后,给出了对渗流场和地震波的传播与衰减的认识,并对它们之间的相互关系做了一些展望.     

碳酸盐岩跨频段岩石物理测量与理论建模——不同孔隙结构对碳酸盐岩频散与衰减的影响研究

碳酸盐岩孔隙结构类型复杂多样,当地震波经过含有不同孔隙结构的流体饱和岩石后往往会产生不同的波频散和衰减特征,这使得根据波的不同响应特征来推断碳酸盐岩的孔隙结构类型,甚至孔隙流体性质信息成为可能.本文针对白云岩、灰岩以及人工碳酸盐岩样品开展了跨频段（超声+低频）实验测量和理论建模,探索碳酸盐岩的孔隙结构类型和孔隙流体对模量频散和衰减的影响机制.首先根据铸体薄片、扫描电镜的图像对碳酸盐岩样品进行了孔隙结构类型分析,并将样品主要分为裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三类,然后测量了相应样品完全饱和流体后在不同围压下的模量频散与衰减.在完全饱和甘油并处于低围压时,裂缝型与孔洞型样品均出现一个衰减峰,分别位于1 Hz与100 Hz附近,而裂缝-孔隙型样品则具有两个衰减峰,一个在1 Hz附近,另一个在100 Hz附近.裂缝型样品（裂缝主导）的衰减峰相比孔洞型样品（中等刚度孔隙主导）对应的衰减峰在低围压下幅度更大,且对围压变化更敏感.在测量数据的基础上,建立了考虑纵横比分布的软孔隙和中等刚度孔隙的喷射流模型,认为该模型能一定程度上解释裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三种类型碳酸盐岩在测量频带的频散.以上研究加深了对不同孔隙类型主导的碳酸盐岩储层地震响应特征的认识,对储层预测工作的进一步精细化具有重要意义.