多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.     

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.     

层状黏弹性介质中Rayleigh波频散曲线“交叉”现象分析

Rayleigh波勘探方法在探测近地表横波速度、动力学特征等环境与工程地球物理领域获得了广泛应用.这种方法以弹性层状介质理论为基础,然而实际介质具有黏弹性,研究面波在层状黏弹性介质中的传播特征,将为近地表面波勘探提供有益帮助.在某些弹性层状介质模型中,例如存在低速夹层和强波阻抗差异地层模型,Rayleigh波相邻两条频散曲线彼此会非常靠近,产生看似彼此"交叉"的现象,即"osculation"现象,但对于黏弹性介质中的这种现象并没有进行相关的研究.本文利用Muller法计算层状黏弹性介质Rayleigh波频散方程,基于层状介质模型中Rayleigh波频散和衰减曲线连续的性质,结合本征位移曲线特征,分析二层黏弹性介质模型中Rayleigh波频散曲线"交叉"现象以及"交叉"点附近的波动特性.结果表明:与弹性介质相比,黏弹性介质中Rayleigh波的波动特性存在明显差异,随着介质对地震波的损耗越来越强,将导致Rayleigh波频散曲线发生"交叉"现象.     

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...     

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.     

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BISQ机制三维双相正交裂隙各向异性介质衰减及频散方位特性研究

对于复杂裂隙介质,双相各向异性介质模型更能真实地反映实际地层特征.本文基于BISQ机制推导了三维双相各向异性介质的频散方程,给出了用于确定相速度和逆品质因子的波数方程及其表达式,研究了固体骨架各向异性、固流耦合效应各向异性、渗透率各向异性对衰减及频散的影响,并对频散和衰减的方位特性进行了分析,为预测储层流体的存在、分布以及孔隙结构提供有力的理论依据,使得多方位储层地球物理参数联合反演具有可行性.     

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相.     

衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移

地震勘探是发现和认识油气藏的重要方法,随着国内油气勘探领域、勘探对象的日趋复杂化,油气勘探迫切需求地震成像的精准度、分辨率和保真度的大幅度提升.相比于常规逆时偏移方法,最小二乘逆时偏移成像有较少的伪像,成像振幅均衡,成像分辨率高.目前常用弹性最小二乘逆时偏移方法来对地下介质进行成像.但由于地下介质通常表现出黏弹性性质,在含油气地层中表现尤为明显,若忽略地下介质的吸收衰减作用,地震波传播中的振幅衰减和频散累积将会影响成像的振幅和相位,进而降低成像分辨率,致使地下构造定位不准.本文基于标准线性体模型的黏弹性波动方程,提出一种衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移成像方法,推导了准确的黏弹性最小二乘理论框架下的偏移算子、反偏移算子、步长,并给出了算法的数值实现流程.通过对层状模型和Marmousi模型进行测试,得到本文提出的黏弹性波最小二乘逆时偏移方法的成像结果和收敛速度,并与其他方法的测试效果进行了对比.结果表明,黏弹性最小二乘逆时偏移方法能够准确地归位包含强衰减的多分量地震记录,能够有效避免弹性波最小二乘逆时偏移成像错误的反射层位置,压制成像噪声,收敛速度快,成像精度高.     

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.     

适用于更广渗透率范围含泥质砂岩的广义粘弹性BISQ模型

To simultaneously take into account the Biot-flow mechanism, the squirt-flow mechanism, and the frame-viscoelasticity mechanism, a generalized viscoelastic BISQ （Biot/squirt） model is developed for wave propagation in clay-bearing sandstones based on Dvorkin＇s elastic BISQ model. The present model is extended to a wide range of permeabilities （k 〉 0.05 mD） by introducing a dimensionless correction factor for viscoelastic parameters, defined as a function of the permeability and the clay content. We describe the frame＇s stress-strain relationship of the clay-bearing sandstones by the differential constitutive equations of generalized viscoelasticity and then derive the viscoelastic-wave dynamic equations. With the assumption of a plane-wave solution, we finally yield the phase velocities and the attenuation coefficients by solving the dynamic wave equations in the frequency and wave number domain. The comparison of numerical results and experimental data shows that the generalized viscoelastic BISQ model is applicable for modeling the wave propagation in most of the sandstones mainly bearing kaolinite clay.     

基于横向各向同性BISQ方程的弹性波传播数值模拟

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. 近年来，利用同时处理这两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)模型，弹性波衰减和频散的问题已被广泛研究；然而基于BISQ方程的波场数值模拟尚未见到公开的报道．本文从BISQ方程出发，利用交错网格方法对横向各向同性孔隙介质中不同频率和相界情况，以及双层介质中的弹性波传播进行数值模拟，研究了在同时考虑两种流动机制作用情况下地震波和声波的传播特性及传播过程中出现的各种波动现象．      

双相介质地震勘探纵向分辨率研究

利用地震响应分辨地下地质现象的能力,取决于地震记录分辨率的大小,基于双相介质模型研究地震勘探分辨率可以促进油气资源、海洋高分辨率地震勘探技术的应用与开发.基于BISQ双相介质模型,结合相速度与衰减分析,研究了雷克子波在双相介质中传播时纵向分辨率随传播距离的变化.同时,分析了渗透率、黏滞系数、喷射流长度等模型参数变化对于纵向分辨率的影响.研究表明:由于BISQ模型的衰减机制,雷克子波在传播过程中,主频不断向低频端移动,分辨率不断降低;在其他条件相同时,渗透率增加,分辨率相对较高,黏滞系数增加,分辨率相对较低,喷射流长度增加,分辨率相对较低;子波纵向分辨率在传播距离不非常大的情况下,分辨率与传播距离可以近似的作为线性关系处理.     

Numerical simulation of elastic wave propagation based on the transversely isotropic BISQ equation

Introduction More real models are being developed by the modern seismology. As we all know, the earth is not a simple elastic body. Oil and gas reservoir, ground surface, seashore zone, sea bottom layer, etc, are porous solid media with fluids. It has been confirmed that there are two main fluid flow mechanisms in these media (Dvorkin, Nur, 1993), i.e., the Biot flow mechanism (Biot, 1956, 1962) based on the macroscopic property and the Squirt-flow mechanism (Mavko, Nur, 1979) based on the …     

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。     

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.     

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.     

双相介质中地震波衰减的物理机制

High-frequency seismic attenuation is conventionally attributed to anelastic absorption. In this paper, I present three studies on high-frequency seismic attenuation and propose that the physical mechanism results from the interference of elastic microscopic multiple scattering waves. First, I propose a new theory on wave propagation in a two-phase medium which is based on the concept that the basic unit for wave propagation is a nano- mass point. As a result of the elasticity variations of pore fluid and rock framework, micro multiple scattering waves would emerge at the wavelength of the seismic waves passing through the two-phase medium and their interference and overlap would generate high- frequency seismic attenuation. Second, I present a study of the frequency response of seismic transmitted waves by modeling thin-layers with thicknesses no larger than pore diameters. Results indicate that high-frequency seismic waves attenuate slightly in a near-surface water zone but decay significantly in a near-surface gas zone. Third, I analyze the seismic attenuation characteristics in near-surface water and gas zones using dual-well shots in the Songliao Basin, and demonstrate that the high-frequency seismic waves attenuate slightly in water zones but in gas zones the 160-1600 Hz propagating waves decay significantly. The seismic attenuation characteristics from field observations coincide with the modeling results. Conclusions drawn from these studies theoretically support seismic attenuation recovery.