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。     

地震波在粘弹性各向异性地壳介质中的传播及其应用研究

实际地球介质中普遍存在着多尺度、多取向、填充各种流体的孔隙、裂隙和裂缝,这种介质常常被称为双相介质或多相介质。裂隙及其填充流体的存在一方面使得介质的弹性模量(体模量和剪切模量)减小,改变流体输运性质,另一方面也导致地震波传播的各向异性、衰减和频散。介质的双相和各向异性特征是现代地球物理学的两个难点。一般各向异性弹性介质的弹性矩阵有21个独立参量,满足Christoffel方程;在高频近似条件下,满足射线追踪方程。然而直接求解波动方程往往十分困难,常常不能得到解析解。考虑到实际地球介质大多是弱各向异性,因此可以利用扰动理论近似描述,将相速度、偏振矢量线性化并表示为弱各向异性参数(Weakly Anisotropy,WA)的形式。我们给出了TTI介质中qP波的相速度和偏振矢量的弱各向异性参数线性化反演公式。20世纪70年代以来,科学家们通过地震波速度的方位各向异性、横波分裂、接收函数法、面波偏振等方法研究地球介质的各向异性。其中横波分裂方法是各向异性最直观的表现,具有相对简单、横向分辨率高、对裂隙密度及纵横比较敏感等优点,是研究介质各向异性性质的一种主要方法,也是研究大构造(如岩石圈等)的重要手段。本文以EDA(Extensive Dilatancy Anisotropy),APE(Anisotropic Poro-Elasticity),Chapman多尺度模型为例介绍了双相介质中的等效介质模型。EDA、APE理论的研究对象是微观尺度的单组微裂隙,其裂隙密度定义为张性扩容各向异性。EDA被认为是地壳各向异性的主要因素,当横波通过这种介质会分裂成快慢横波,且快横波的优势偏振方向往往与区域最大水平应力相同。基于SOC(Self Organized Criticality)理论双相介质的破裂特性,可以对由于应力作用处于临界状态下的微裂隙与流体的动态特征进行描述的APE模型表明,横波分裂对地壳介质的微裂隙的几何特征(如裂隙的纵横比)十分敏感,而微裂隙的几何特征变化对应力场的变化十分敏感。因此将横波分裂结果在地震前后的变化解释为横波对地应力场变化的响应,并提出可以利用这一特征进行应力检测。在不同地质构造时期,由于区域应力场的作用,可能导致实际地球介质中的微裂隙是多尺度的,并且有多个优选方向。本文介绍的Chapman多尺度模型将中等尺度断裂加入分析中,并考虑两种尺度的微裂隙和裂缝之间的相互作用,获得了频率相关的等效弹性矩阵。通过引入复数弹性张量,可考虑各向异性粘弹性介质的波动理论。由于弹性矩阵的虚数部分的引入,且是频率相关的,因此解析解的计算比一般各向异性弹性介质更加复杂。在高频近似时,可将一般各向异性弹性介质的射线追踪方程以及扰动理论应用到弱各向异性弱衰减(Weakly Anisotropy-Attenuation,WAA)介质中,此时其固体骨架由各向同性变为各向异性介质,且弹性矩阵的扰动由实数变为复数。本文给出了P波在一般WAA介质中随方位衰减的线性化反演公式。通过2个、3个、6个等方位间距的剖面组成的walkawayVSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,验证了反演公式的正确性和可靠性。然后,对一个来自JavaSea的由三条剖面组成的walkaway VSP实际观测数据进行了反演计算,获得了钻井中不同深度检波器处的WA参数。中国地震台网中心测定,北京时间2008年5月12日14:28:04,在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上发生了逆冲为主带有少量右旋、挤压型M S8.0大地震(31.01°N,103.42°E)。为提高时频分辨率,分析时频局部化信息,引入Meyer-Yamada正交小波基MYW。在粘弹性各向异性线性化理论的基础上,运用小波分析方法对以汶川地震为中心,200km为半径的范围内的地震进行了分析,获得了汶川震中区9个固定台站的P波小波波谱的平均衰减结果和方位各向异性衰减结果。该方法能够有效利用小震数据研究震源区介质各向异性随时空的变化规律,具有广阔的应用前景。     

基于各向异性梯度的裂缝密度反演

裂缝密度是评价裂缝性储层的重要参数. 本文提出一种利用各向异性梯度计算裂缝密度的新方法,即运用裂缝介质等效理论将高陡倾角裂缝介质等效为横向各向同性介质,得到裂缝介质AVO响应特征,从而得到裂缝介质的各向异性梯度,之后由该梯度与裂缝密度的关系得到裂缝介质的裂缝密度. 实际处理中可以根据地震数据直接求取裂缝介质的各向异性梯度,最后求取裂缝介质的裂缝密度. 模型试算表明, 该方法能得到裂缝介质准确的裂缝密度. 反演结果与初始模型基本一致验证了该方法的正确性; 另外地震记录添加一定的信噪比后也能反演得到准确的裂缝密度,证明了该方法的稳定性.      

黏弹性VTI介质微地震正演模拟与震源机制全波形反演

微地震矩张量能够描述储层岩石破坏的细节,有助于了解水力压裂储层的地质力学特征,震源机制矩张量反演对于非常规油气开发具有重要的作用.水力压裂通常在页岩油气储层中进行,震源区介质表现出速度和衰减各向异性,需要研究衰减各向异性介质中微地震信号的传播规律.基于观测到的微地震记录,通过波形反演能够获得矩张量,忽视震源区介质的衰减和速度各向异性会导致震源机制反演结果的误差.本文提出了一种考虑地层各向异性吸收衰减作用的震源机制全波形反演方法,对于黏弹性VTI介质,采用GPU并行的伪谱法计算合成地震记录,通过全波形反演方法匹配合成波形和记录波形,借助优化算法获得震源机制矩张量反演结果.本文通过实验测试验证了该方法的有效性,分析了震源区各向异性速度和衰减参数、噪声以及观测系统等对于微地震震源机制各分量及成分反演结果的影响,研究表明考虑模型中的黏弹性各向异性对于获得可靠的震源机制反演结果非常重要.

     

基于贝叶斯线性AVAZ的TTI介质裂缝参数反演

裂缝储层岩石物理参数的准确获得对地下裂缝预测具有重要意义,而叠前方位AVA地震反演是获得裂缝岩石物理参数的有效手段.假设地下岩石为倾斜横向各向同性（TTI）介质,本文从裂缝岩石物理等效模型的构建出发,从测井数据中估计出纵横波相对反射系数和裂缝柔度参数.通过推导含裂缝柔度的方位各向异性反射系数公式,基于贝叶斯反演框架建立了P波线性AVAZ反演方法.合成地震数据应用表明基于贝叶斯理论的TTI介质裂缝柔度反演方法具有一定抗噪性,可以降低裂缝柔度估测的不确定性,为地下裂缝预测提供有力的依据.

     

岩石物理驱动的储层裂缝参数与物性参数概率地震反演方法

长波长假设条件下,各向同性背景地层中发育一组平行排列的垂直裂缝可等效为具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）介质.基于不同观测方位的岩石地震响应特征变化,宽方位地震数据不仅可实现裂缝岩石弹性参数与各向异性参数的预测,同时也蕴含着丰富的孔隙度等储层物性参数信息.本文结合实际地震资料提出了贝叶斯框架下岩石物理驱动的储层裂缝参数与物性参数概率地震联合反演方法,首先基于AVAZ反演裂缝岩石的弹性参数与各向异性参数,并在此基础上通过统计岩石物理模型表征孔隙度、裂缝密度等各向异性介质储层参数与裂缝岩石参数的相互关联,并采用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）抽样方法进行大量样本的随机模拟,使用期望最大化（EM）算法估计后验条件概率分布,最终寻找最大后验条件概率对应的孔隙度、裂缝密度等HTI裂缝介质储层参数即为反演结果.测井及实际地震数据处理表明,该方法能够稳定合理地从方位地震资料中获取裂缝岩石弹性参数与各向异性参数,并提供了一种较为可靠的孔隙度、裂缝密度等裂缝介质储层参数概率地震反演方法.

     

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.

     

裂缝介质旋转交错网格正演模拟

油气勘探实践表明, 裂缝是油气的储存空间或运移通道, 裂缝介质地震波场的研究越来越受到关注. 实际地层中裂缝形成受多种因素控制, 物理属性比较复杂, 表现出强烈的各向异性. 由于上覆地层的压力使得水平或低陡倾角裂缝存在较少, 大多数为高陡倾角裂缝, 利用线性滑动裂缝介质的等效理论将高陡倾角裂缝介质等效为横向各向同性介质, 便于实际应用. 本文采用各向异性弹性波旋转交错网格模拟方法对含裂缝介质单炮记录进行模拟与分析. 结果表明: 裂缝的存在相当于人为增加反射界面; 裂缝密度越大, 裂缝纵横比越小, 裂缝充填物与背景介质弹性性质差别越大, 引起的反射波能量变化越大. 本文模拟结果为利用地震数据进行裂缝介质参数反演与储层识别及油气预测提供了依据.      

含衰减地层微地震震源机制反演及其反演分辨率

微地震震源机制的反演对于非常规油气开发具有至关重要的作用.微地震信号主频高、能量小,容易受地层吸收衰减作用的影响使其波形发生畸变,本文提出了一种考虑地层吸收衰减作用的微震源机制反演方法,并利用费雷谢偏导矩阵的SVD分解（特征值分解）方法,分析研究了地层的吸收衰减因子的变化对于微地震震源机制反演分辨率的影响,根据理论计算给出了不同地震数据对各种震源机制反演的适用条件.理论计算证明,采用直达P波和S波数据联合反演震源的T值,单独利用直达P波反演震源的k值,可以有效降低地层吸收衰减作用对反演结果的影响.     

裂缝诱导的TTI介质固液解耦反射系数方程及裂缝和流体参数反演方法

利用地震数据进行裂缝预测及流体识别对于裂缝性储层的勘探开发具有重要意义.针对单组旋转对称的倾斜裂缝诱导的TTI介质, 基于各向异性Gassmann方程, 推导了固液解耦纵波反射系数近似公式, 分析了不同条件下近似公式的精度.根据实际研究工区裂缝储层的特征, 选用高裂缝倾角近似公式, 通过奇异值分解从方位弹性阻抗中估算裂缝密度和裂缝方位, 进而分离和消除各向异性项, 建立流体等效体积模量及孔隙度贝叶斯反演预测方法.模型试算表明, 在信噪比大于2时, 流体等效体积模量、孔隙度和裂缝参数的估计较为可靠, 实际应用也验证了反演方法的有效性.

     

任意空间取向TI介质中P波四次时差系数特征

同类反射波（非转换波）走时偏离双曲,称为非双曲或四次时差,在长排列各向异性地震资料处理中需要校正．本文基于我们导出的水平界面任意空间取向TI (ATI)介质中同类反射波四次时差系数(A4)的精确解析解,数值计算研究P波四次时差系数特征．正演结果表明,ATI条件下A4系数随CMP测线方位变化的特征不仅与TI介质的各向异性参数有关,而且与TI对称轴的空间取向密切相关; TI介质的各向异性参数和TI对称轴的倾角决定了A4变化特征,而且TI对称轴的方位决定了A4随测线方位变化的对称性．此研究结果将对各向异性解释及参数反演有参考意义．     

VTI介质SH-SH波地震反演方法研究

近年来,随着横波可控震源技术的发展,国内外已经实现了纯横波地震勘探.相较于地震纵波,地震横波对横波阻抗、横波速度尤其是各向异性参数变化更为敏感,因此地震横波能够用来更好地估算上述地层参数.VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)是地层介质中广泛存在的一种各向异性形式,对振幅随偏移距变化(AVO)影响显著.本文提出了一种改进的VTI介质SH-SH波反射系数近似公式,新公式具有较高的精度且仅包含两项待求参数：横波阻抗和水平横波(SH波)速度.基于新方程建立了VTI介质SH-SH波反演方法,该方法相比VTI介质的PP波反演不确定性明显下降,同时降低了常规PP波各向异性反演对大角度数据的要求.为了获得独立的横波各向异性参数,进一步地提出了一种基于岩石物理关系的横波各向异性参数估算方法.合成地震数据测试和柴达木盆地九分量地震勘探实际地震数据应用结果表明,新方法能够准确地预测地层的横波阻抗、水平横波(SH波)速度、各向异性参数,为各向异性地层的岩性解释和油气储层预测提供了可靠的解决方案,从而深化了横波地震勘探的应用潜力.     

基于黏弹性Chapman-Kelvin模型的裂缝储层频变AVAZ反演研究

为了在地震资料和裂缝储层特征之间建立联系,对裂缝储层采用了等效介质模型.而传统的等效介质模型未充分考虑非完全弹性介质理论和基于频变各向异性理论的双相或多相流体假设,也不能对实际裂缝储层中的地震波频散和衰减现象提供准确合理的解释,并且储层参数的反演研究对裂缝储层的定性预测和定量描述举足轻重.为此,本文首先根据所提出的黏弹性Chapman-Kelvin动态等效介质模型,该模型考虑了耦合的双相流体假设、黏弹性理论、喷射流以及斑块效应,并在此基础上分析了裂缝储层参数（主要为裂缝密度、裂缝长度、孔隙度和含水饱和度）对地震波频变特征的影响.然后基于黏弹性Chapman-Kelvin模型与Schoenberg和Protazio概括的Zoeppritz方程所计算出的频变反射系数,分析了反射PP波和PS波的频变AVAZ（Amplitude Versus Angle and Azimuth）特性和PP波频变反射系数与裂缝储层参数的关系.同时考虑到发生地震频散时,反射系数和频率产生关系,构建了在角度、方位和时间域内的新型正演方程.最后,基于PP波频变反射系数对裂缝密度、裂缝长度、孔隙度和含水饱和度的变化有较好的敏感性特点,进行了两种反演方法研究：其一是基于贝叶斯理论直接反演方法,其中以对数绝对范数作为似然函数和高斯分布,即L2范数度量作为先验约束;其二是基于频变反射系数的MCMC（Markov Chain Monte Carlo）随机反演方法.通过频变AVAZ进行裂缝储层参数的反演研究,结果表明,MCMC随机反演方法在缺失先验的储层参数信息时,反演结果的不确定性较强.当存在有效且足够的先验信息时,反演结果的可靠性进一步提升.而基于贝叶斯理论直接反演方法,则显示出基于频变AVAZ来区别大尺度裂缝和微尺度裂隙的潜力.

     

岩石物理驱动的正交各向异性方位叠前地震反演方法

基于长波长近似假设,周期性薄互层中发育一组平行排列的垂直裂缝则可视为等效的正交各向异性介质.岩石物理是构建裂缝参数与地震响应之间联系的基础,地震散射理论是各向异性介质参数反演的有效途径.文章提出了一种利用方位叠前地震数据实现正交各向异性裂缝储层Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数可靠预测的方法.首先,综合考虑矿物基质、孔隙、裂缝及各向异性岩石中流体替换的影响,通过构建正交各向异性裂缝岩石物理等效模型,实现正交各向异性刚度系数的估测,进而预测储层测井数据的弹性参数、Thomsen弱各向异性参数及裂缝弱度参数,为后续地震反演提供初始模型约束;然后,基于地震散射理论,推导了面向Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数反演的正交各向异性介质纵波反射系数方程,为后续地震反演奠定了理论基础;最后,发展了贝叶斯框架下的正交各向异性裂缝储层Thomsen弱各向异性参数与裂缝弱度参数AVAZ反演方法,同时考虑柯西稀疏约束正则化和平滑模型约束正则化约束,使用非线性的迭代重加权最小二乘策略实现正交各向异性特征参数的稳定估算.模型和实际资料处理表明,该方法能够稳定可靠地从方位叠前地震资料中获取正交各向异性特征参数,为正交各向异性介质的特征参数预测提供了一种高可靠性的地震反演方法.     

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.     

层状TI介质中微地震定位和各向异性速度结构同时反演

微地震监测被广泛应用于非常规油气资源的水力压裂作业、油藏描绘和水驱前缘监测工程中.微地震定位采用的初始速度模型一般是基于地震测井记录和射孔数据建立,该速度模型的不准确性易引起定位误差.为降低这种定位误差,本文发展了一种微地震定位和各向异性速度结构同时反演的方法.研究对象为1-D的层状TI介质,其中对称轴方向任意.利用改进的分区多步最短路径算法计算qP、qSV和qSH波的到达时间和射线路径,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘问题.数值模拟结果表明,该算法能同时进行各向异性速度结构模型（每层的Thomsen参数和界面深度）和微震震源参数（空间坐标和发震时刻）的反演,并且对随机噪声不敏感,有利于实际工程应用.

     

多尺度裂缝储层地震预测方法研究

常用的叠前裂缝预测方法并不能明确区分不同尺度的裂缝,本文研究并提出基于裂缝密度的大、中尺度裂缝定量预测方法。该方法通过基于Curvelet变换的多方向相干分析技术进行大尺度裂缝(大于1/4波长)预测,通过地震方位各向异性方法和叠前衰减地震属性(如频率衰减梯度)进行中尺度裂缝(1/4～1/100波长)预测,然后将得到的两种不同尺度裂缝的发育强度以裂缝密度为基准进行融合,综合地评价不同尺度裂缝。将该方法运用到裂缝储层地震物理模型中,结果表明,该方法不但克服了叠前衰减属性的方位各向异性预测中尺度裂缝的同时,预测出断层和大尺度裂缝的密度分布不连续的问题,还能对裂缝的尺度进行区分,较准确的定量预测裂缝发育带。     

基于统计岩石物理模型的各向异性页岩储层参数反演

提出了各向异性页岩储层统计岩石物理反演方法.通过统计岩石物理模型建立储层物性参数与弹性参数的定量关系,使用测井数据及井中岩石物理反演结果作为先验信息,将地震阻抗数据定量解释为储层物性参数、各向异性参数的空间分布.反演过程在贝叶斯框架下求得储层参数的后验概率密度函数,并从中得到参数的最优估计值及其不确定性的定量描述.在此过程中综合考虑了岩石物理模型对复杂地下介质的描述偏差和地震数据中噪声对反演不确定性的影响.在求取最大后验概率过程中使用模拟退火优化粒子群算法以提高收敛速度和计算准确性.将统计岩石物理技术应用于龙马溪组页岩气储层,得到储层泥质含量、压实指数、孔隙度、裂缝密度等物性,以及各向异性参数的空间分布及相应的不确定性估计,为页岩气储层的定量描述提供依据.

     

多组垂直裂缝诱导各向异性的HTI近似及其特征分析

在裂缝诱导各向异性理论研究中通常使用等效HTI介质来近似多组裂缝所引起的综合效应.由于构造运动的复杂性,多组裂缝普遍存在于地壳与油气储层中.为了研究多组裂缝的地震属性特征,分析常用的等效HTI模型对于多组裂缝近似精度及附加裂缝对介质属性特征的影响,本文利用线性滑移模型进行了多组垂直裂缝的单斜各向异性等效介质理论计算,并利用空间搜索方法求取与其最为接近的HTI介质各向异性弹性参数.重点研究了在两种各向异性介质中纵波速度、快慢横波速度和极化特征及其差异,量化分析附加裂缝对于地震属性如速度、极化方向和走时等的影响,研究对附加裂缝敏感的地震属性.此研究结果和方法为进一步研究多组裂缝的反演及识别方法提供基础,同时对于将高阶对称性各向异性介质中已存在的计算方法应用于低阶对称性时的适用程度、精度分析及相关方法研究具有重要作用.

     

中国东北地区上地幔P波方位各向异性研究

地震体波走时层析成像是以地震体波到时作为观测数据,反演地下介质的地震波传播速度分布的一种反演技术方法.基于弱各向异性介质的假定,通过在走时反演方程中引入各向异性参数,可以同时进行介质的速度扰动和各向异性属性的联合反演.对三维介质的各向异性分析,有利于对区域结构构造演化、深部物质变形、动力学模式等问题的进一步解释.本文基...