砂岩和页岩弹性波性质的实验研究进展

砂岩和页岩的弹性波性质是通过地震资料推断储层物性和流体分布的基础.岩石波速测量常用超声波(10⁵～10⁶ Hz)脉冲法,低频岩石物理实验技术的发展为研究弹性波在岩石中的衰减和频散奠定了基础.本文系统总结了前人在高频和低频下测量砂岩和页岩弹性波性质的方法和实验结果,并结合矿物弹性性质和岩石物理模型,分析了压力、温度、矿物组成、孔隙结构、流体、频率等因素对岩石波速和衰减的影响.由于孔隙和微裂隙随压力增加而逐渐关闭,干燥砂岩和页岩的P波和S波速度在低压下随压力非线性增加,高于临界压力呈线性增加.干燥岩石样品的波速随温度增加而缓慢线性降低,频散效应可以忽略.而含流体砂岩和页岩的衰减和频散受温度、压力、流体饱和度、流体黏度、孔隙结构和频率等多种因素的影响,含流体砂岩和页岩的泊松比和逆品质因子Q^-1显著高于干燥样品.低压下砂岩的波速与孔隙度负相关,而影响页岩波速的因素更为复杂,页岩的波速、衰减和频散的各向异性都高于砂岩.将跨频段岩石物理实验与数字岩石物理技术相结合,可为勘探地球物理的方法创新和资料解释提供可靠依据.     

地震波在孔隙介质中低频衰减现象的粘弹性特征分析及近似（英文）

由于介观尺度的孔隙流体流动,弹性波传播过孔隙岩层时在地震频段表现出较强的频散和衰减。Johnson理论给出了在任意孔隙形状的条件下,部分气水饱和孔隙介质的理论相速度和品质因子的解析解。本文在Johnson模型的基础上,通过对Q值曲线的低频和高频近似,推导了Q值曲线的近似公式,以及基于孔隙介质基本地球物理参数和孔隙斑块几何形态参数T和比表面积S/V的最大衰减Qmin近似公式。通过与理论值的对比,对Qmin近似公式存在的线性误差进行改正,进一步提高了精度。复杂的斑块形态对最大衰减Qmin和过渡频率ftr的都产生一定影响,且对ftr影响更大。因为数值模拟直接求解介观尺度的Biot孔隙介质方程需要极大的计算量,我们使用Zener模型建立了等效粘弹模型,有效地模拟了地震频带内的衰减和频散现象。     

油水两相渗流多孔介质弹性波传播动力学模型研究

弹性波在储层渗流场中的传播与衰减规律是研究波场强化采油动力学机理的重要基础.基于等效流体理论和饱和静态流体弹性波传播Biot理论,建立油水两非混相流体渗流条件下储层多孔介质中弹性波传播的动力学模型,通过算例求解与分析,发现含油水两相渗流储层多孔介质中同时存在着3种纵波P1、P2、P3和1种横波S;受频率和含水饱和度的影响,各波波速和品质因子呈现出不同变化规律,4种体波波速与频率、饱和度正相关,P1、P2波品质因子与饱和度正相关,P3和S波品质因子与饱和度负相关;最后,通过与传统静态弹性波模型结果对比,进一步分析了宏观渗流场对弹性波传播特征的影响规律,为揭示低频人工地震波辅助强化采油技术的动力学机理和工艺参数优化提供了重要理论依据.     

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.     

含黏滞流体各向异性孔隙介质中弹性波的频散和衰减

基于Biot理论,考虑液相的黏弹性变形和固液相接触面上的相对扭转,提出了含黏滞流体VTI孔隙介质模型.从理论上推导出,在该模型中除存在快P波、慢P波、SV波、SH波以外,还将存在两种新横波－慢SV波和慢SH波.数值模拟分析了6种弹性波的相速度、衰减、液固相振幅比随孔隙度、频率的变化规律以及快P波、快SV波的衰减随流体性质、渗透率、入射角的变化规律.结果表明慢SV波和慢SH波主要在液相中传播,高频高孔隙度时,速度较高;大角度入射时,快P波衰减表现出明显的各向异性,而快SV波的衰减则基本不变;储层纵向和横向渗透率存在差异时,快SV波衰减大的方向渗透率高.     

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.     

流体饱和孔隙定向裂缝储层中地震波衰减的模拟分析

在含有定向排列裂缝组的多孔岩石地层中,特别是碳酸盐岩储集层,弹性波的传播和衰减,因受诸如裂缝闭合、尺寸、及其填充的流体和走向等因素影响,具有各向异性特征。在本次研究中,我们采用了基于Chapman等效介质模型,利用数值实验方法研究了这类储层中P波传播特性诸如速度、衰减和横波分裂等各向异性随频率和方位的变化规律。模拟结果表明,当一组裂缝闭合与张开时随方位变化的速度、衰减和各向异性是有所不同的。随方位变化衰减最小值或P波速度最大值与张开裂缝的走向趋于一致,闭合裂缝的P波速度大于张开裂缝,而衰减和各向异性则张开裂缝的大于闭合裂缝;不同尺度裂缝,速度的最大值和衰减最小值与裂缝组平均方位对应,小尺度裂缝对波的传播有小的影响,方位依赖的各向异性相比其他裂缝属性有更小的影响;裂缝密度对P波速度、衰减和各向异性有更大的影响,而衰减比速度和各向异性更敏感裂缝尺寸;在地震勘探频段油、气饱和的衰减与盐水饱和不同,充填油和气随方位变化值比较低。两组裂缝有相同的密度,快横波偏振方位线性的决定于一组裂缝的方位。     

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。     

地震资料中的多尺度断裂与流体响应特征：数值模拟分析

流体在断裂和岩石骨架间的交换被认为是影响岩石弹性参数各向异性的主要原因,理论研究表明断裂尺度同样对弹性参数的各向异性也有影响.为了说明两者对各向异性影响以实现多尺度断裂裂隙的识别,本文在等效介质模型的基础上,应用数值分析的方法研究速度和衰减(1/Q)随多尺度断裂、频率和流体因子变化规律.结果表明介质弹性参数是频率依赖的,并且参数中存在衰减项,而这种频率依赖性与介质物性参数中的断裂尺度及流体性质存在一定的联系;当断裂定向分布时,参数结果显示为各向异性;不同断裂尺度具有不同的波速频散特性,剪切波分裂程度依赖于频率,断裂尺度起着控制作用,高频时对小尺度的敏感,低频段对大尺度敏感.在地震频段Thomsen参数随着频率的增大而减小,随着断裂尺寸的增大而减小.因此地震数据可能区分断裂和微裂隙引起各向异性,从而可测量断裂尺度.     

西太平洋海洋P波与S波的高频地震衰减

在Wake岛附近1500km长的海底地震台阵上记录到千岛群岛的地震,分析其海洋P波与S波数据,得到西太平洋的高频地震衰减的约束。确定了群速度为8.2—3.0km/s和频率为2.5—22.5Hz间的空间衰减和Q值。在上述频率范围内,海洋P波比S衰减大,它表明岩石圈内存在明显的体积衰减,或者海洋P波以波能漏失的形式传播。海洋P波与S波的视衰减与距离有关,在30°以外,衰减较弱。海洋P波的视Q随频率Q～f~(0.7)而增加,在2.5Hz时约为300,而在17.5Hz时增加约为1500。海洋S波的视Q也随频率Q～f~(1.1)而增加,在2.5Hz时约为400,而在22.5Hz时变化约为3000。     

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.     

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。     

Propagation of seismic waves in patchy-saturated porous media: double-porosity representation

Propagation of harmonic plane waves is studied in a patchy-saturated porous medium. Patchy distribution of the two immiscible fluids is considered in a porous frame with uniform skeletal properties. A composition of two types of patches, connected through continuous paths, constitutes a double-porosity medium. Different compressibilities of pore-fluids in two porous phases facilitate the wave-induced fluid-flow in this composite material. Constitutive relations are considered with frequency-dependent complex elastic coefficients, which define the dissipative behaviour of porous aggregate due to the flow of viscous fluid in connected patches. Relevant equations of motion are solved to explain the propagation of three compressional waves and one shear wave in patchy-saturated porous solids. A numerical example is solved to illustrate dispersion in phase velocity and quality factor of attenuated waves in patchy-saturated porous materials. Role of fluid–solid inertial coupling in Darcy's law is emphasized to keep a check on the dispersion of wave velocities in the porous composite. Effects of patchy saturation on phase velocities and quality factors of attenuation are analysed using the double-porosity formulation as well as the reduced single-porosity equivalents.     

地层条件下砂岩含水饱和度对波速及衰减影响的实验研究

为了研究含气地层对地震波传播的影响,在地层温压条件下,用超声波测试了长庆油田苏里格气田砂岩样品在不同饱和度下的纵、横波速度和衰减Q值.实验表明砂岩样品的物性和流体含量对纵波的速度和衰减的影响均大于横波,含气饱和度大于60％时纵波Q值变化明显;物性越好,含气饱和度越高,纵波Q值越小,吸收越大.分析实验结果和相应的影响机理,给出了利用纵波的吸收衰减预测砂岩含气性的应用实例.     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

多孔介质中水位变化对波形、波速和波谱影响的实验研究

为了研究地下水和地震波之间的关系，设计了一套水位实验装置，用注水方法研究了多孔介质中水位变化对P波和S波的波速、波形和波谱的影响。实验结果表明：波垂直水面传播时，速度与时间平均方程的结果基本一致；波平行水面传播时，虽有叠加效应但并非简单的叠加。从干燥到注满水，P波速度明显增大，波幅和波谱能量显下降，主频明显降低；在接近注满水时，出现特殊的高频初至小波，而S波速度略有减小 ，波幅和波谱能量则一般是先降后升，主频基本没有变化。比较了注子和饱水的不同，并引入三相气体包裹体模型进行了解释。     

裂隙参数对衰减各向异性影响的数值模拟

Propagation through stress-aligned fluid-filled cracks and other inclusions have been claimed to be the cause of azimuthal anisotropy observed in the crust and upper mantle.This paper examines the behavior of seismic waves attenuation caused by the internal structure of rock mass,and in particular,the internal geometry of the distribution of fluid-filled openings Systematic research on the effect of crack parameters,such as crack density,crack aspect ratio(the ratio of crack thickness to crack diameter),pore fluid properties(particularly pore fluid velocity),VP/VS ratio of the matrix material and seismic wave frequency on attenuation anisotropy has been conducted based on Hudson’s crack theory.The result shows that the crack density,aspect ratio,material filler,seismic wave frequency,and P-wave and shear wave velocity in the background of rock mass,and especially frequency has great effect on attenuation curves.Numerical research can help us know the effect of crack parameters and is a good supplement for laboratory modeling.However,attenuation is less well understood because of the great sensitivity of attenuation to details of the internal geometry.Some small changes in the characteristics of pore fluid viscosity,pore fluids containing gas and liquid phases and pore fluids containing clay can each alter attenuation coefficients by orders of magnitude.Some parameters controlling attenuation are therefore necessary to make reasonable estimations,and anisotropic attenuation is worth studying further.     

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.