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.     

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.     

基于储层砂岩微观孔隙结构特征的弹性波频散响应分析

储层砂岩微观孔隙结构特征不仅影响干燥岩石的弹性波传播速度,也决定了岩石介质中与流体流动相关的速度频散与衰减作用.依据储层砂岩微观结构特征及速度随有效压力变化的非线性特征,将其孔隙体系理想化为不同形状的硬孔隙(纵横比α0.01)与软孔隙(纵横比α0.01)的组合(双孔隙结构).基于孔弹性理论,给出软孔隙最小初始纵横比值(一定压力下所有未闭合软孔隙在零压力时的纵横比最小值)的解析表达式,并在此基础上利用岩石速度-压力实验观测结果给出求取介质中两类孔隙纵横比及其含量分布特征的方法.通过逐步迭代加入软孔隙的方法对基于特征纵横比的"喷射流"(squirt fluid)模型进行了扩展,以考虑复杂孔隙分布特征对岩石喷射流作用的影响及其可能引起的速度频散特征.相较于典型的喷射流作用速度频散模式,对于岩石中软孔隙纵横比及其对应含量在较宽的范围呈谱分布的一般情况,其速度频散曲线不存在明显的低频段和中间频段,速度随频率的增大呈递增趋势直至高频极限.这说明即使在地震频段,微观尺度下的喷射流作用仍起一定作用,同样会造成流体饱和岩石介质的地震速度与Gassmann方程预测结果有不可忽略的差异.本文是对现有喷射流模型的重要补充,也为利用实验数据建立不同频段间岩石弹性波传播速度的可能联系提供了理论依据.     

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.     

砾岩储层地震波传播方程:三重孔隙结构模型

针对砾岩储层的砂、砾、泥三重孔隙结构特征,本文分析砾岩孔隙区域、砂岩孔隙区域以及泥岩孔隙区域相互之间的孔隙流体流动机制,将静态的砾岩骨架本构方程与动态的孔隙流体运动方程联立,提出了复杂砾岩储层的弹性波传播理论方程.采用实测砾岩储层参数,在算例中与双重孔隙介质理论进行对比分析,验证了本文理论方程的合理性;基于三重孔隙介质模型,分析不同储层环境下纵波的传播特征,结果显示:随流体黏滞系数增大,在衰减-频率轴坐标系中,砾与砂、砂与泥孔隙区域间局域流导致的两个衰减峰向低频端移动,而Biot全局流导致的衰减峰向高频端移动;嵌入体尺寸及背景相介质渗透率的变化,主要影响纵波速度频散曲线沿频率轴左、右平移,不影响波速低频、高频极限幅值;嵌入体含量及孔隙度的变化改变了岩石干骨架的弹性、密度参数,不仅影响速度频散曲线沿频率轴平移,而且影响其上、下限幅值;砾包砂包泥三重孔隙介质模型所预测的衰减曲线中,低频段"第一个衰减峰"主要由砾岩孔隙区域与砂岩孔隙区域之间的局域流导致,中间频段"第二个衰减峰"主要由砂岩孔隙区域与泥岩孔隙区域之间的局域流导致,超声频段"第三个衰减峰"由Biot全局流导致.对慢纵波传播特征的分析显示,砂岩骨架(局部孔隙度较大)内部的宏观孔隙流体流动造成的耗散明显强于砾岩与泥岩骨架.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于等效介质理论的孔隙纵横比分布反演

孔隙纵横比是描述多孔岩石微观孔隙结构特征的重要参数,目前用于获取岩石完整孔隙纵横比分布的经典模型为David-Zimmerman(D-Z)孔隙结构模型,该模型假设岩石由固体矿物基质、一组纵横比相等的硬孔隙以及多组纵横比不等的微裂隙构成,并认为固体矿物基质和硬孔隙均不受压力影响,在此基础上,利用超声纵横波速度的压力依赖性反演岩石硬孔隙和各组微裂隙的孔隙纵横比及孔隙度.该方法的关键点在于以累积裂隙密度为桥梁,借助等效介质理论建立了岩石弹性模量和孔隙纵横比之间的内在联系.但在D-Z模型中,多重孔隙岩石累积裂隙密度的计算直接由单重孔隙裂隙密度公式实现,这种近似导致该模型在许多情况下难以获得良好的反演精度.为了完善经典D-Z模型,本文提出了一种基于虚拟降压的孔隙纵横比分布反演策略,通过多个假想降压过程实现累积裂隙密度的准确计算,并将基于DEM和MT的经典D-Z模型推广到KT和SCA中,结合四种等效介质理论建立了一套完整的反演流程.采用一系列砂岩和碳酸盐岩样品,测试了反演流程在实际岩芯孔隙纵横比提取中的应用效果,研究结果表明:与D-Z模型相比,本文方法的模拟结果与实际数据吻合更好,并同时适用于砂岩和碳酸盐岩;此外,通过分析四种等效介质理论的模拟结果发现,本文方法并不十分依赖于等效介质理论的选择,这些理论获得的孔隙结构参数随压力的变化趋势基本一致,数值上仅存在略微差异,且这种差异随着压力的增大逐渐消失.本文方法是经典D-Z孔隙结构模型的重要补充,对岩石孔隙结构表征、流体饱和岩石速度预测以及孔间喷射流效应的模拟具有十分重要的意义.     

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.     

A triple porosity scheme for fluid/solid substitution: theory and experiment

Quantifying the effects of pore-filling materials on elastic properties of porous rocks is of considerable interest in geophysical practice. For rocks saturated with fluids, the Gassmann equation is proved effective in estimating the exact change in seismic velocity or rock moduli upon the changes in properties of pore infill. For solid substance or viscoelastic materials, however, the Gassmann theory is not applicable as the rigidity of the pore fill (either elastic or viscoelastic) prevents pressure communication in the pore space, which is a key assumption of the Gassmann equation. In this paper, we explored the elastic properties of a sandstone sample saturated with fluid and solid substance under different confining pressures. This sandstone sample is saturated with octadecane, which is a hydrocarbon with a melting point of 28°C, making it convenient to use in the lab in both solid and fluid forms. Ultrasonically measured velocities of the dry rock exhibit strong pressure dependency, which is largely reduced for the filling of solid octadecane. Predictions by the Gassmann theory for the elastic moduli of the sandstone saturated with liquid octadecane are consistent with ultrasonic measurements, but underestimate the elastic moduli of the sandstone saturated with solid octadecane. Our analysis shows that the difference between the elastic moduli of the dry and solid-octadecane-saturated sandstone is controlled by the squirt flow between stiff, compliant, and the so-called intermediate pores (with an aspect ratio larger than that of compliant pore but much less than that of stiff pores). Therefore, we developed a triple porosity model to quantify the combined squirt flow effects of compliant and intermediate pores saturated with solid or viscoelastic infill. Full saturation of remaining stiff pores with solid or viscoelastic materials is then considered by the lower embedded bound theory. The proposed model gave a reasonable fit to the ultrasonic measurements of the elastic moduli of the sandstone saturated with liquid or solid octadecane. Comparison of the predictions by the new model to other solid substitution schemes implied that accounting for the combined effects of compliant and intermediate pores is necessary to explain the solid squirt effects.     

饱和储层砂岩中流体粘度引起的超声波速度频散实验研究(英文)

在实验室对5块储层砂岩进行了模拟地层压力条件下的超声波速度测试。砂岩样品采自WXS凹陷的W地层,覆盖了从低到高的孔隙度和渗透率范围。实验选用了卤水和4种不同密度油作为孔隙流体,结合温度变化,实现了对流体粘度引致的速度频散研究。对实验结果的分析表明:(1)对于高孔隙度和渗透率的样品,无论是哪种流体饱和,观察到的超声波速度测试值和零频率Gassmann预测值的差异较小(约2-3%),基本上可以用Biot模型解释;对于中等孔隙度和渗透率的样品,低粘度流体(<约3mP?S)的频散效应也可以用Biot模型得到合理解释;(2)对于低、中孔隙度和渗透率样品,当流体粘度增加时,喷射流机制起主导作用,导致严重的速度频散(可达8%)。对储层砂岩的微裂隙纵横比进行了估计并用于喷射流特征频率的计算,当高于该特征频率时,Gassmann理论的假设条件受到破坏,实验室测得的高频速度不能直接用于地震低频条件下的W地层砂岩的Gassmann流体替换研究。     

致密碳酸盐岩跨频段岩石物理实验及频散分析

致密碳酸盐岩在成岩和后成岩过程中形成了复杂的孔隙结构特征,其速度等地震弹性参数不仅与孔隙度有关,而且还与孔隙结构特征密切相关.为了进一步研究致密碳酸盐岩内部流体相关的速度频散特征,针对致密碳酸盐岩进行实验室的频散测量与频散理论分析尤为重要.本研究选用了一块典型的致密型碳酸盐岩样品,在对样品进行了精细的包括CT扫描与镜下薄片的孔隙结构描述基础上,进行了实验室跨频段(从地震频段-超声频段)的频散测量与频散响应分析.比较实验室跨频段岩石物理频散测量可以获得如下认识:1)较之于典型的"喷射流"机制,改进的"喷射流"模型可以半定量地解释频散测量的结果,这大大提高了对致密碳酸盐岩频散响应的理解与认识;2)改进的"喷射流"模型还不能完全精确地匹配实验室频散测量结果,这说明除了微观尺度下的"喷射流"机制,还存在着其他控制频散与衰减的机制;3)本项工作对研究致密碳酸盐岩储层中不同频段地震波响应以及对储层预测与流体识别提供了理论依据.     

Acoustic and petrophysical relationships in low-shale sandstone reservoir rocks

This paper describes the measurements of the acoustic and petrophysical properties of two suites of low‐shale sandstone samples from North Sea hydrocarbon reservoirs, under simulated reservoir conditions. The acoustic velocities and quality factors of the samples, saturated with different pore fluids (brine, dead oil and kerosene), were measured at a frequency of about 0.8 MHz and over a range of pressures from 5 MPa to 40 MPa. The compressional‐wave velocity is strongly correlated with the shear‐wave velocity in this suite of rocks. The ratio V_P/V_S varies significantly with change of both pore‐fluid type and differential pressure, confirming the usefulness of this parameter for seismic monitoring of producing reservoirs. The results of quality factor measurements were compared with predictions from Biot‐flow and squirt‐flow loss mechanisms. The results suggested that the dominating loss in these samples is due to squirt‐flow of fluid between the pores of various geometries. The contribution of the Biot‐flow loss mechanism to the total loss is negligible. The compressional‐wave quality factor was shown to be inversely correlated with rock permeability, suggesting the possibility of using attenuation as a permeability indicator tool in low‐shale, high‐porosity sandstone reservoirs.     

有效应力变化对致密砂岩孔隙结构及弹性波响应的影响规律

致密砂岩气藏具有裂缝发育和有效应力高的特征,研究不同有效压力下孔、裂隙介质地震波传播特征,有利于地震解释与地下储层的识别.但是前人的研究较少考虑岩石内部微观孔隙结构特征与孔隙、裂隙间流体流动的关系.本文首先通过选取四川盆地典型致密砂岩岩样,在不同有效压力下对岩石样本进行超声波实验测量.然后基于实验测得的纵、横波速度进行裂隙参数反演,得到不同有效压力下致密砂岩样本的裂隙孔隙度.再将裂隙孔隙度和样本岩石物理参数代入双重孔隙介质模型,模拟得到不同有效压力下饱水致密砂岩样本纵横波速度频散和衰减的变化规律.结果表明模型预测的速度频散曲线与纵波速度实验测量结果能够较好的吻合.最后统计分析了致密砂岩裂隙参数,得到了致密砂岩储层裂隙参数随有效压力及孔隙度变化特征.依据实际岩石物理参数建立模型,其裂隙参数三维拟合结果能够较好描述致密砂岩裂隙结构与孔隙度、应力的关联,可为实际地震勘探中预测储层裂缝性质提供基础依据.     

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.     

Acoustic wave propagation in saturated porous media: reformulation of the Biot/Squirt flow theory

A model of wave propagation in fluid-saturated porous media is developed where the principal fluid/solid interaction mode affecting the propagation of the acoustic wave results from the conjunction of the Biot and the Squirt flow mechanism. The difference between the original Biot/Squirt (BISQ) flow theory and the new theory, which we call the reformulated BISQ, is that the average fluid pressure term appearing in the dynamic equation for a two component solid/fluid continuum is independent of squirt flow length. P-velocity and attenuation relate to measurable rock physical parameters: the Biot's poroelastic constants, porosity, permeability, pore fluid compressibility and viscosity. Modelling shows that velocity and attenuation dispersion obtained using the reformulated BISQ theory are of the same order of magnitude as those obtained using the original BISQ theory. Investigation on permeability effect on velocity and attenuation dispersion indicate that the transition zone in velocity and attenuation peak, occurring both at the relaxation frequency, shifts toward high frequency when permeability decreases. This behaviour agrees with Biot's theory prediction.