双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

双相介质分界面上弹性波的反射与透射

本文基于Biot理论,推导出Zoeppritz形式的双相介质分界面上弹性波的反射与透射公式,对单相Zoeppritz公式与双相反射系数公式进行了比较,对双相介质含油、水、气不同流体时的反射规律以及孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数对纵波反射的影响进行了研究.数值模拟分析表明,双相与单相反射公式的主要差异在于双相介质反射公式中考虑了液相、固液耦合相弹性模量的影响;油砂、水砂、气砂岩的慢P波反射差异明显;快P波反射对孔隙度的变化敏感,饱和度次之,对渗透率和频率的变化不敏感.     

地震波振幅异常的某些物理解释

本文把较大地震前观测到的地震波振幅异常变化与模拟实验的结果及理论分析加以对比,借助于地壳介质的变化对振幅比前兆异常特征提出了某些物理解释。较大地震前观测到的地震波振幅比时间变化呈“低值——上升到稳定高值——发震——回到正常值”的形态;主震危险区位于异常区内,多数在比值梯度大的地方,临震时比值骤增,各台比值峰值出现时间由震中距,方位角不同而有序。岩石压力实验中压力达岩石破坏强度50—60%以后,P波振幅随压力增加而下降,幅度较大;A_S/A_P随加压而下降,达破坏强度90%以后,迅速回升;若加载达破坏强度之95%时充水稳压,P波振幅在各方向均减小。在理论上把孕震过程中介质的变化分别用单相和多相介质模拟,多相介质中考虑以气和水为孔隙流体,给出本构关系,求出速度和垂直向位移。理论工作表明:A_S/A_P在孔隙介质为气时比为水时小;P波振幅变化大;孔隙度大,振幅比变小。介质中应力集中程度达岩石破坏强度60%前后,可分别用单相和多相来描述介质。两相中,微裂隙张开,以气体为主,A_S/A_P变小,呈负异常,达90%时,A_S/A_P上升,围压大于孔隙压,孔隙流体以水为主,且水进速率大于孔隙度增大速率;临震时予滑,应力部分解除,孔隙部分闭合,孔隙饱和,振幅比出现峰值,至于空间分布则要考虑应力积累与调整部位介质强度不同,可能造成孔隙度及饱和度不同所致。由于本文的物理解释中综合了实际观测,模拟实验和理论分析的结果,又把应力状态与介质变化联系起来,故此种解释可能具有成因观点。     

饱和流体多孔隙介质反射率法全波场模拟

本文从Biot提出的饱和流体多孔隙介质理论出发,在平面波入射和双相各向同性介质的假设条件下,推导了水平层状饱和流体多孔隙介质的频率—慢度域纵横波反射透射系数公式,制作了平面波和球面波的合成地震记录,解决了合成地震记录制作过程中的球面扩散和积分截断问题,分析了孔隙度和含气饱和度对纵横波正演模拟记录的影响.研究表明,迭代相似系数法压制截断效应效果良好,正演模拟前对测井曲线进行分层能提高计算效率.基于反射率法的饱和流体多孔隙介质全波场模拟不涉及波场解耦的问题,得到的三种波(快慢纵波和横波)能完全分离.模型和实际资料应用表明该方法能够准确实现层状饱和流体多孔隙介质的正演模拟及AVO正演模拟,为叠前波形反演奠定基础.     

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.     

Biot流动和喷射流动耦合作用下波传播的FCT紧致差分模拟

本文从含流体多孔隙介质中同时包含Biot流动和喷射流动两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)方程出发,利用FCT(Flux-Corrected Transport)紧致差分方法数值模拟了在Biot流和喷射流共同作用下的波在含流体多孔隙各向同性介质中的传播.通过与仅受Biot流动作用下的波场结果对比,我们研究了...     

各向异性衰减薄层地震响应特征研究

薄储层的叠前地震响应特征研究,特别是针对具有速度各向异性的含流体薄层,对储层描述具有十分重要的意义.文中基于波动方程数值模拟方法,正演得到各向同性弹性、各向同性衰减、速度各向异性、各向异性衰减模型的地震波场,并对比分析了四种模型的纵波(PP)和转换横波(PS)地震反射特征.研究结果表明:在衰减介质背景下,引入各向异性,PP和PS波的反射波振幅较弹性介质均减弱,且衰减因素对薄层振幅的影响强于各向异性.同时,VTI各向异性衰减在单频PS振幅曲线上表现出强差异性,而HTI各向异性衰减则会影响PP和PS波单频振幅曲线的极值点幅值和位置,通过分析单频振幅曲线的极值点振幅和极值点位置对各向异性衰减薄层预测有指导作用,尤其对平时较难分辨的VTI各向异性衰减薄层,单频分析方法的优势更明显.     

基于Biot-Squirt方程的波场模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制,对地震波和声波的传播均产生重要影响. Dvorkin和Nur提出了同时包含Biot流动和喷射流动力学机制的统一的BISQ(Biot-Squirt)模型,基于这一模型,尽管有关弹性波在多孔隙介质中的衰减和频散问题已被广泛研究,然而,基于BISQ波传播方程的波场数值模拟至今仍未见报道. 本文从同时包含两种力学机制的孔隙弹性波方程出发,利用FCT有限差分法对含流体孔隙各向同性介质中的地震波和声波进行了数值模拟,并与基于Biot流动的Biot理论之模拟结果进行比较. 数值模拟结果表明:同时包含Biot流动和喷射流动影响的地震波和声波速度比仅包含Biot流动作用的地震波和声波速度慢,慢P波的衰减比根据Biot理论模拟的慢P波衰减更强.     

饱和Maxwell流体孔隙介质波传播模型研究

岩石中的弹性波传播特性研究一直是地球物理学研究中的基础科学问题和难点.Biot理论的提出为流固双相介质理论奠定了基础.Biot理论中假设固相、液相的本构关系是线弹性的.而当实际储层中含高黏度的流体时,流体往往表现出一定的非牛顿流体性质.本文主要针对含高黏度流体的孔隙介质,在Biot理论模型中引入线性黏弹性的Maxwell流体本构方程.要通过动态黏度入手,表征非牛顿流体的特性,改进并给出了含高黏度孔隙流体介质的模型.通过数值模拟分析了所提出的模型的特性,并分析了初始黏度和孔隙度参数对模型数值分析结果的影响.最后选取超声波实验数据验证了模型的适用性,结果表明该理论模型的预测结果可较好地反映含高黏度流体孔隙介质的波传播特性.     

基于BISQ模型双相各向同性介质弹性波传播的频率-空间域有限差分模拟

BISQ模型同时包含了合流体孔隙介质中Biot流动和喷射流动两种重要的力学机制.基于BISQ模型的双相各向同性介质弹性波波动方程是一个复变系数偏微分方程组.本文率先建立了该方程的25点频率-空间域有限差分数值解法,在理想相界和黏滞相界情况下,对Biot流动和喷射流动共同作用下的双相各向同性介质中的波传播进行了数值模拟,通过与仅受Biot流动作用下的波场模拟结果的对比,分析了两种机制耦合作用对弹性波传播的影响.同时,本文也研究了波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征.数值模拟结果表明:在Biot流动和喷射流动耦合作用下,双相介质中传播的快P波的速度和振幅都小于仅考虑Biot流动的双相介质中的快P波,且慢P波的衰减也更为强烈,而S波的波速和振幅则无明显差异.这表明局部喷射流动对P波的衰减和频散具有重要影响,而对S波的影响较小;慢P波的强烈衰减使得其在波场快照中无法被观测到,双层双相介质中的波传播现象类似于单相介质的情况.同时本文的研究结果也表明,频率-空间域有限差分法在基于BISQ模型的双相介质中波传播数值模拟中的正确性和有效性,为开展孔隙弹性介质全波形反演问题的研究提供了研究基础.     

THE INFLUENCE OF AN ASYMMETRY IN THE SEQUENCE ROCK/COAL/ROCK ON THE PROPAGATION OF RAYLEIGH SEAM WAVES*

Small offsets in hard coal seams can be detected with the aid of seam (channel) waves. Transmission and reflection of seam waves depend, among other parameters, upon the symmetry properties of the sequence rock/coal/rock. Two typical unsymmetrical sequences are found in European coal deposits: (i) coal seams with roof and floor of differing acoustic impedance and (ii) coal seams interlayered with rock and soil. Two-dimensional analog models with appropriate impedance contrasts are used to study the effect of the unsymmetrical layers upon the propagation of Rayleigh seam waves. Data analysis is based upon amplitude measurements both parallel and perpendicular to the layers and dispersion curves. The effect of unsymmetrical roof (rock 1) and floor (rock 2) was studied with models containing homogeneous coal seams. Leaky mode wave groups with phase velocities (c_R) in the range between the SV-wave velocities (β_{r1, 2}) of the two rock materials, i.e. β_r1≥c_R > β_r2, form a characteristic part of the Rayleigh seam wave signal. Using Knott's energy coefficient calculations it is shown that in that range energy leakage into the surrounding rock by refracted SV-waves is restricted to only one of the two interfaces, namely coal/rock 2. At the other interface, coal/rock 1, all waves are totally reflected. Thus, the high amplitudes of these leaky mode wave groups are explained by “quasi-normal mode” features. The influence of a dirt bed on wave propagation was studied in models where the roof and the floor have the same elastic properties. The maximum thickness of the dirt bed did not exceed 20% of the total seam thickness. The effect of the bed's location within the seam was also investigated. For all recorded normal-mode wave groups either the total seam or the coal layers could be regarded as wave guides. This was shown by the fact that the phases could be associated with the phase velocity dispersion curves calculated for the symmetrical sequence rock/coal/rock. These curves are relevant under the condition that the thickness of the coal layer assumed under the calculation coincides with the thickness of the effective wave guide of the respective wave groups. Wave groups guided in the total seam are not influenced by either the thickness or the position of the dirt bed. On the other hand, for wave groups guided in the coal layers, the quotient of signal amplitudes in the coal layers is influenced by the position of the dirt bed.     

IS IT POSSIBLE TO INCREASE THE RESOLUTION IN SEISMIC EXPLORATION FOR COAL BY USING HIGH FREQUENCY SIGNALS?*

In seismic exploration for coal data resolution is a fundamental problem. Modeling helps to understand those details of the geology that can be interpreted from the seismic image. For single seam exploration, the vertical resolution of a seismic section is defined by the bandwidth of the signals. If there are several seams, each seam acts as a high-pass filter for reflections and as a low-pass filter for transmitted waves. Synthetic seismograms show that reflections from deep seams have a low frequency content. Within a layered sequence of coal seams, many multiples are generated which disturb later primary reflections. The ratio of primaries to multiples depends on the frequency content of the seismic data and on the number of overlying seams. The multiple problem is more severe with high frequencies. Primary reflections from deep coal seams within a sequence can be detected only if low-frequency signals are used. However, the use of low-frequency signals reduces the resolution of the deeper data.     

Fault proximity surveys in coal using guided seismic waves—Numerical modelling

Guided seismic waves are generated at lateral discontinuities in coal seams as an integral part of the mechanics of scattering downgoing body waves from a surface energy source.Numerical and laboratory model studies undertaken for both thin and thick coal seam waveguides show that small faults generate recognizable diffraction patterns by convertingP andS waves into channel wave arrivals at in-seam geophones on a walkawayVSP profile.These results suggest that in-seam geophones can be used during subsequent surface reflection surveys so as to improve mine profitability by optimising longwall layout in faulted ground.     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

Thin-bed AVO effects

Tuning caused by closely spaced impedance boundaries affects seismic amplitudes. At zero-offset the shape of the composite reflected signal approaches the time-derivative of the original pulse as the layer thickness decreases. For layers thinner than half of the tuning thickness, the reflected amplitude is modified by a factor equal to twice the time-thickness of the thin layer. Offset-dependent tuning can be approximated by the time differences between primary reflections. For high-velocity contrasts locally converted waves will also affect the total reflected seismic response. The contribution from intrabed multiples can, in most cases, be ignored. Correction for offset-dependent tuning should be considered before conventional AVO analysis.     

0.9 m薄煤层SH型槽波频散特征及波形模式

在0.9 m薄煤层中使用放炮方法做微震震源的条件,通过对所采集到的薄煤层槽波信号进行分析,发现薄煤层槽波在频域中存在高频和低频两个独立并且不连续的波段.其中高频区大约以2000 Hz为中心,低频域的中心频率约为490 Hz,并且高频域和低频域的能量差异不显著.通过时频分析,可以清晰地看到高、低两个频域几乎在同一时刻触发,并且其小波相关系数在这两个域中的分布规律表现出一定的相似性.通过对0.9 m薄煤层槽波频散曲线的理论分析可知,现场观测到的Airy震相的频率及速度和其理论值较为接近.震源置于煤层中心,且炸药能量对顶底板的扰动,对第二阶对称波形模式下槽波高频部分的形成起着关键作用.在这一对称高阶波形模式下槽波的波速基本上和煤层顶底板中S波的波速一致.由于这两个触发的波形模式在时间域中具有相似的特征,建议在高频域和低频域同时发育较好的薄煤层槽波勘探中,可以采用在同一时间域中高低频相结合的方法提高利用槽波勘探分析的效果.     

垂向裂隙各向异性煤层地震波响应

煤层中存在的裂隙会导致介质表现为各向异性,本文以HTI型煤层为例,结合各向异性介质弹性矩阵和各向异性裂隙理论,推导出不同充填物的垂直裂隙中各向异性参数表达式,将其应用于地震波响应分析;通过改进的交错网格差分法和各向异性Christoffel方程波场分解法,得到地震波合成记录和分解后的P波和SV波记录;将Thomsen群速度与相速度公式,经过坐标轴旋转变换,得到HTI型煤层中不同各向异性参数的地震波速度响应表达式;建立不同类型煤层地质模型,分析了裂隙密度、裂隙充填物以及煤层厚度等参数变化时的地震波响应特征.研究结果为分析垂向裂隙各向异性薄煤层地震波传播规律提供工具,为选用相应地震数据进行地震波各向异性参数反演提供依据.     

含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析

煤层隐伏小断层在煤田地质勘探期间能否查明，是影响煤矿安全生产的主要地质因素.煤层中传播的地震槽波，非常适用于探测煤田异常构造.本文利用谱元法模拟计算了含断层模型Rayleigh型地震槽波的产生、传播过程，对于直达槽波、反射槽波、透射槽波进行了波场特征分析，频散特征分析，频谱特征分析.根据不同小落差断层模型（垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚；断层倾角分别为90°、60°、45°），分析了Rayleigh型槽波传播过程中断层对反射槽波、透射槽波能量、频谱的影响效应.基于以上分析，对于小断层模型中的Rayleigh型地震槽波取得了一些规律性认识，并对Rayleigh型地震槽波的勘探应用做了一些探讨.     

应用三分量地震数据反演煤系地层孔隙含水量

地层孔隙水含量的计算主要受地层孔隙度与孔隙含水饱和度的影响.通过实验室煤层及其顶底板岩芯物理测试与孔隙度测量,可以获得煤系地层岩芯的孔隙度与岩芯纵、横波速度的经验公式;结合三分量地震勘探获得的纵波与横波速度,能够计算出煤系地层的孔隙度;含水饱和度的计算通过实验室岩电参数测试和阿尔奇公式可以计算得到.结合淮南某矿区三维三分量地震勘探和地球物理测井及岩样的岩电试验,实现了三维空间煤系地层孔隙含水体积百分比的精确计算.该预测方法与传统的、钻孔控制的地下水评价方法相比可以提供相对精细的、三维空间的、定量化的煤系地层孔隙相对含水量,对煤炭与煤层气资源开采中所涉及的地下水分布规律预测有一定的参考意义.     

Amplitude variation with incident angle and azimuth inversion for Young's impedance,Poisson's ratio and fracture weaknesses in shale gas reservoirs

By analogy with P- and S-wave impedances, the product of Young's modulus and density can be termed as Young's impedance, which indicates the rock lithology and brittleness of unconventional hydrocarbon reservoirs. Poisson's ratio is also an effective indicator of rock brittleness and fluid property of unconventional reservoirs, and fracture weaknesses indicate the fracture properties (fracturing intensity and fracture fillings) in fracture-induced unconventional reservoirs. We aim to simultaneously estimate the Young's impedance, Poisson's ratio and fracture weaknesses from wide-azimuth surface seismic data in a fracture-induced shale gas reservoir, and use the horizontal transversely isotropic model to characterize the fractures. First, the linearized PP-wave reflection coefficient in terms of Young's impedance, Poisson's ratio, density and fracture weaknesses is derived for the case of a weak-contrast interface separating two weakly horizontal transversely isotropic media. In addition, an orthorhombic anisotropic case is also discussed in this paper. Then a Bayesian amplitude variation with incident angle and azimuth scheme with a model constraint is used to stably estimate Young's impedance, Poisson's ratio and fracture weaknesses with only PP-wave azimuthal seismic data. The proposed approach is finally demonstrated on both synthetic and real data sets with reasonable results.