岩石声波差异衰减特征及工程应用前景探讨

声波在岩石材料中传播时会发生差异衰减现象.由于岩石强度、完整性不同，造成其频率响应不同，声波通过不同强度的岩石时，对不同频率的声波信号滤除状况也就有所不同.通过力学强度高的岩石时，声波基本能够保持其原有频率成分，相反，当通过低强度岩石时，高频分量会迅速衰减而缺失，主要保留低频分量.通过实例研究，分析了声谱衰减特征与岩样矿物组成、密度及结构完整性的关系，验证了声谱衰减特征与岩体强度具有很好相关性的结论.通过分析研究声波信号在不同岩体中传播的衰减变化，指出声波衰减在一定程度上能够反映出岩体的风化程度、破碎状态、强度及各向异性等特征.可以发展成为岩体工程地质勘测、试验和施工中的常规实验方法.     

A3M联测技术在岩芯分析中的研究及应用

总结国内外岩芯分析技术，综合应用现代控制论、信息论、系统工程论的基本原理，提出A3M理论性认识和联测技术的新概念，研制出一套具有多学科、多目的（任务）、多项目（参数）的岩芯综合分析技术，即岩性、物性、岩石电性、声波等联测的技术．完成了一套与联测技术流程相配套的实用软件包，这套技术提供了系统的、有代表性的、可对比的岩芯分析资料，可直接用于油田现场与实验室岩芯分析生产、科研和管理及油田的开发中，有利于认识非均质储层岩石地质、物理特征以及各种信息之间的内在规律．     

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.     

井中震电效应的模拟实验研究(Ⅱ):孔隙饱和岩石部分

使用小功率直流电源(32V,3A),正交于声波传播方向供电,实验考察了直流电场对4块砂岩岩心的声学性质的影响,发现了一些以往文献没有报导的实验现象,总体上,有1)随通电时间增长,电流强度下降,最后趋于“饱和”;2)岩石的声速有先降后升的趋势,相对变化一般小于2％;3)纵波幅度呈现下降趋势,相对变化幅度最大可达到80％;4)声速和声幅的变化与岩石的渗透率有正相关关系,例如D7#20由于渗透率很低,因此声速和声幅的变化很小．结合岩石电阻率增大以及对含水饱和度影响岩石声学性质的一般认识,认为实验现象与电解导致的岩石孔隙内部含水饱和度的下降有关．研究结果有助于丰富对目前电法—地震勘探实验某些现象的认识。     

墨西哥湾GC955H井天然气水合物储层声波衰减特征

墨西哥湾GC955H井钻遇两种不同的水合物储层,浅层裂隙充填型水合物和深层砂岩型水合物.浅层水合物充填在细粒泥质沉积物的裂隙中,由电阻率测井计算的饱和度平均值为25%.深层水合物充填在砂岩孔隙中,由电阻率计算的饱和度平均为65%.基于声波全波形数据,本文计算了GC955H井储层的声波衰减大小,结果发现两种水合物层对声波衰减的影响不同.泥岩水合物层中的声波衰减与上覆背景泥岩沉积层基本相当.砂岩水合物层的声波衰减大于0.1,最大0.15,远高于上覆和下伏的背景砂岩层.对声波频率的分析发现,GC955H井泥岩层中水合物对声波频率的影响不大,砂岩水合物层的声波频谱与上下背景砂岩层相比发生变化,主频增大.通过对比两种水合物储层的特征,本文初步定性分析了造成水合物对储层声波传播影响不同的原因,包括岩性、水合物饱和度、水合物赋存方式等;但对此的定量描述需要未来更详尽地讨论和研究水合物的声波衰减机制.     

超声岩石物理实验尾波观测中边界反射的影响分析（英文）

超声尾波是研究高频散射问题的最佳数据,近年来得到广泛应用,然而岩石物理实验证实超声尾波受到岩芯边界反射的严重干涉,有必要厘清在实验观测中,直达波后各续至波组成分及岩芯边界反射的影响。本文利用1MHz的超声纵波换能器,分别对无吸收衰减标准铝样和较强衰减的页岩岩芯进行实验,同时利用旋转交错网格有限差分法模拟实验观测波场,以便充分了解超声岩石物理实验中各续至波组的性质和来源。通过对比铝样观测波场及其模拟波场,定量分析了侧面和对穿不同位置接收的波场特征,侧边界反射对超声尾波时段的干涉特征,以及样品几何尺寸对尾波观测的影响。结合页岩岩芯超声实验数据的分析表明:提高岩样径长比,可延迟侧边界反射的干涉作用,有效降低对超声尾波的影响。干涉超声尾波的主要边界反射波为PP波,其次为PS波、PPP波和PPS波,这些震相在超声尾波时段合成为具有陷频和频散特征的波组,其幅值达到直达波幅值的30%。页岩岩芯超声实验表明,岩样介质对高频能量的吸收和散射衰减作用极大地减弱了岩样侧边界反射对超声尾波时段的干涉影响。     

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.     

准噶尔盆地岩石品质因子与速度分析

为研究准噶尔盆地南缘地区地层中地震波的衰减机制及该区地震波传播、衰减规律，采用实验室测定的方法，对该区岩石的吸收特笥进行了测试和研究。根据实验观测结果，该区地震波速度与介质品质因子具有较好的对数线性关系；该区品质因子受岩石所处环境条件及岩石性质的影响比较大，其中岩石饱和度和介质所受的应力大小对品质因子的影响尤为突出。     

含孔隙、裂隙地层随钻多极子声波测井理论

储层岩石中普遍存在孔隙与裂隙,对钻井中的测井声波产生重要影响.基于孔、裂隙介质弹性波理论,导出了随钻声波测井的井孔声场表达式.据此考察了地层裂隙密度与含气饱和度的变化时井孔内随钻多极子模式波（斯通利波、弯曲波和螺旋波）的速度、衰减与灵敏度以及地层纵、横波的响应特征.裂隙密度与含气饱和度对模式波的速度频散与衰减都有影响,且两参数的值越大,影响越大.具体来说,速度对裂隙密度更敏感,而衰减对含气饱和度更敏感.具有"艾里相"特征的随钻偶极和四极子波在地层含气时产生强烈衰减,可以作为判断地层含气的一个明显指示.理论模拟与实际测井数据分析结果符合较好.     

根据波速-压力关系评价岩石岩性、物性的实验研究

本文在实验室里对老爷庙油田馆陶组（Ng）油气贮层砂岩岩芯的孔隙度φ、空气渗透率κ、骨架密度ρ_ma、岩石密度ρ_b和不同有效覆盖压力△P下岩芯的声波时差△t,做了精确测量,用回归分析拟合了φ-K、φ-ρ_b、φ-△t和V-△p（△t-△p）的经验关系式;保持原始孔隙结构不变的前提下,在岩芯饱和各种矿化度的孔隙流体时测定了声波时差△t与孔隙度φ的关系.研究结果表明,当贮层的φ-K、φ-ρ_b和φ-△t相关时,可用声波时差△t或波速V解释贮层的岩性,并可反演求出贮层的φ、K和ρ_b;地层有效覆盖压力对贮层的孔隙度和波速具有明显的影响.根据V-△p曲线的变化规律,可以评价贮层的岩性和埋藏地质体的油、气储集能力.这些结果对油田地震勘探和石油测井资料的解释具有重要的参考价值,并为预测储油有利地区和评价贮层提供了一种新的途径.     

Acoustic log simulation in a viscoelastic formation: Cole–Cole model

It is known that sedimentary rocks demonstrate velocity dispersion in the acoustic log frequency range. In this paper we have calculated the waveforms of sonic log for a borehole located in a viscoelastic medium. The acoustic field in the borehole has been obtained for acoustic multipole sources. To describe the viscoelastic properties of a rock we used the Cole–Cole model. This model describes the dispersion of acoustic wave velocities and quality factors in a wide frequency range. To solve the acoustic log direct problem we have applied the double integral Fourier transform (RAI method). The results obtained have shown the feasibility of S-wave velocity dispersion estimation from acoustic dipole waveform processing.     

关于弹性体内充流体圆形钻孔的简正模

本文运用声波导的理论讨论钻井声场的共振模式问题,特别注意稳态现象和暂态现象的区别与联系.本文考察了共振模式的存在性及其在声波测井信号中的反映.     

A new laboratory technique for determining the compressional wave properties of marine sediments at sonic frequencies and in situ pressures

We describe a new laboratory technique for measuring the compressional wave velocity and attenuation of jacketed samples of unconsolidated marine sediments within the acoustic (sonic) frequency range 1–10 kHz and at elevated differential (confining – pore) pressures up to 2.413 MPa (350 psi). The method is particularly well suited to attenuation studies because the large sample length (up to 0.6 m long, diameter 0.069 m) is equivalent to about one wavelength, thus giving representative bulk values for heterogeneous samples. Placing a sediment sample in a water‐filled, thick‐walled, stainless steel Pulse Tube causes the spectrum of a broadband acoustic pulse to be modified into a decaying series of maxima and minima, from which the Stoneley and compressional wave, velocity and attenuation of the sample can be determined. Experiments show that PVC and copper jackets have a negligible effect on the measured values of sediment velocity and attenuation, which are accurate to better than ± 1.5% for velocity and up to ± 5% for attenuation. Pulse Tube velocity and attenuation values for sand and silty‐clay samples agree well with published data for similar sediments, adjusted for pressure, temperature, salinity and frequency using standard equations. Attenuation in sand decreases with pressure to small values below Q^?1 = 0.01 (Q greater than 100) for differential pressures over 1.5 MPa, equivalent to sub‐seafloor depths of about 150 m. By contrast, attenuation in silty clay shows little pressure dependence and intermediate Q^?1 values between 0.0206–0.0235 (Q = 49–43). The attenuation results fill a notable gap in the grain size range of published data sets. Overall, we show that the Pulse Tube method gives reliable acoustic velocity and attenuation results for typical marine sediments.     

Controls on sonic velocity in carbonates

Compressional and shear-wave velocities (V _p andV _s) of 210 minicores of carbonates from different areas and ages were measured under variable confining and pore-fluid pressures. The lithologies of the samples range from unconsolidated carbonate mud to completely lithified limestones. The velocity measurements enable us to relate velocity variations in carbonates to factors such as mineralogy, porosity, pore types and density and to quantify the velocity effects of compaction and other diagenetic alterations.Pure carbonate rocks show, unlike siliciclastic or shaly sediments, little direct correlation between acoustic properties (V _p andV _s) with age or burial depth of the sediments so that velocity inversions with increasing depth are common. Rather, sonic velocity in carbonates is controlled by the combined effect of depositional lithology and several post-depositional processes, such as cementation or dissolution, which results in fabrics specific to carbonates. These diagenetic fabrics can be directly correlated to the sonic velocity of the rocks.At 8 MPa effective pressureV _p ranges from 1700 to 6500 m/s, andV _s ranges from 800 to 3400 m/s. This range is mainly caused by variations in the amount and type of porosity and not by variations in mineralogy. In general, the measured velocities show a positive correlation with density and an inverse correlation with porosity, but departures from the general trends of correlation can be as high as 2500 m/s. These deviations can be explained by the occurrence of different pore types that form during specific diagenetic phases. Our data set further suggests that commonly used correlations like Gardner's Law (V _p-density) or the time-average-equation (V _p-porosity) should be significantly modified towards higher velocities before being applied to carbonates.The velocity measurements of unconsolidated carbonate mud at different stages of experimental compaction show that the velocity increase due to compaction is lower than the observed velocity increase at decreasing porosities in natural rocks. This discrepancy shows that diagenetic changes that accompany compaction influence velocity more than solely compaction at increasing overburden pressure.The susceptibility of carbonates to diagenetic changes, that occur far more quickly than compaction, causes a special velocity distribution in carbonates and complicates velocity estimations. By assigning characteristic velocity patterns to the observed diagenetic processes, we are able to link sonic velocity to the diagenetic stage of the rock.     

井中声电转换波场辐射能量定量分析

井中声激发极化效应研究是实现声激发极化测井实用化的技术基础,实质上是声波在双相孔隙介质中向电磁波的转化,其结果就是形成井中声电转换波场,最终表现为井中声场辐射能向电磁场能的转化.通过对双相孔隙介质中声激发极化过程声电转换波场能量的理论分析,研究了井中声电转换波场能量的总体构成,提出了井中低频声激发极化电场电能体密度的概念,并推导出具体表达式.通过采用实际地层参数模型进行井中低频声激发极化电场的模拟计算得到了井中低频声激发极化过程中电能体密度与声波频率与地层参数的相关关系.     

松辽盆地地层吸收特性和地震波衰减规律研究

选取有代表性的岩石样本，实验室模拟地下岩层的实际物理状态，对P波的品质因素Q和波速进行了测试，结果表明，松辽盆地地下岩层的P波Q和波速皆随压力的增中呈线性增加，随温度的增加呈线性减小；且Q与波速符合幂律关系，粘弹介质地震波场正演模拟表明，导致地震波衰减的主要是第四系低速带的影响，通过对震测井资料估算，按目前的地震采集方式，即潜水面（低速带）以下激发，检波器地面接收，从激发到接收，地震波在第四系中高频成分将损失170Hz，在最理想情况下，爆炸震源激发的初始子波频宽为402Hz，经过第四系和下伏地层吸收，第四系以下的反射波频带宽度不会超过232Hz，这是松辽盆地受地层吸收限制的高频采集极限。     

地层衰减对地震波速度逆散射反演的影响研究

在利用地震波数据进行地球物理反演时,地层对地震波的吸收衰减效应会对地层物性参数的准确反演产生较大的影响,因此利用黏弹性声波方程进行反演更符合实际情形.本文在考虑地层衰减效应进行频率空间域正演模拟的基础上,提出基于黏弹性声波方程的频率域逆散射反演算法并对地震波传播速度进行反演重建,在反演过程中分别用地震波传播复速度和实速度来表征是否考虑地层吸收衰减效应.基于反演参数总变差的正则化处理使反演更加稳定,在反演中将低频反演速度模型作为高频反演的背景模型进行逐频反演,由于单频反演过程中背景模型保持不变,故该方法不需要在每次迭代中重新构造正演算子,具有较高的反演效率;此外本文在反演过程中采用了基于MPI的并行计算策略,进一步提高了反演计算的效率.在二维算例中分别对是否考虑地层吸收衰减效应进行了地震波速度反演,反演结果表明考虑衰减效应可以得到与真实模型更加接近的速度分布结果,相反则无法得到正确的地震波速度重建结果.本文算法对复杂地质模型中浅层可以反演得到分辨率较高的速度模型,为其他地震数据处理提供比较准确的速度信息,在地层深部由于地震波能量衰减导致反演分辨率不太理想.     

饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性响应

在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验,研究了饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性行为. 在最大载荷低于岩石的屈服点时,获得的衰减、杨氏模量、泊松比、波速都表现出显著的各向异性,同时它们还具有较明显的应变振幅效应和频率效应. 随着应变振幅的增大,衰减近似呈线性增长,杨氏模量和泊松比近似呈线性下降. 在0.005-4Hz频段内除衰减不明显依赖频率以外,杨氏模量、泊松比、波速对频率的依赖性都较强; 当频段扩大到15Hz时,这4个参数都表现出较强的频率效应. 饱和岩石的衰减、杨氏模量、泊松比、波速均随饱和液体的黏滞系数增大而增大.     

含油岩石弹性特征及其与油气的关系

本文用准噶尔盆地东部油区58口井共2257块油气储层岩芯标本,在常温常压和模拟地下温度压力下对V_P/V_S及衰减系数进行了精确测量,结合密度、孔隙度及岩石学研究获得个同岩性地层含油、水、气不同流体的V_P/V_S比、泊松比及不同深度的速度校正曲线;用回归分析获得V_P-V_S,密度-速度,密度-孔隙度的相关关系式;用数学统计获得稠油地区岩芯砂岩的速度特征值;用AVO技术进行模型计算和实例验证.为油气碳氢检测,测井速度标定,声阻抗及演,模型正演等提供了有价值的数据.