孔隙流体分布对部分饱和储层砂岩速度实验结果的影响及理论分析

在实验室高频条件下，对储层砂岩样品采用常规吸入饱和法得到的纵波速度与饱和度的相关性表现出复杂的变化趋势，在压力较低时纵波速度随饱和度的增加表现出非线性增大，而压力较高时纵波速度先减小后增加，实验结果与地震勘探中用有效流体模型得到的理沦值不同。对基于有效流体模型和斑块模型的弹性波速度与饱和度的相关性理论进行了讨论，指出不均匀斑块饱和方式对速度的影响是频率相关的，它包含了多个孔隙的一种更大尺度上的频散作用。对低压力下的部分饱和储层砂岩样品的速度实验值进行了Blot流和喷射流频散作用校正，实验所得的纵波速度值落在了有效流体模型的下限速度值斑块模型和上限速度值所围成的区域内。     

岩石中波传播速度频散与衰减

速度频散与衰减是地震岩石物理领域一个前沿性问题,它不仅是开展频率域储层及流体预测的关键理论基础,同时也是解决不同地球物理测量方法（地面地震、VSP、测井、超声波岩心观测等）之间数据匹配困难的重要手段。笔者在阐述速度频散和衰减现象基本特征的基础上,详细回顾了Biot模型、喷射流模型、BISQ模型、双孔模型、裂缝 孔隙微结构模型和斑块饱和模型等6种主要速度频散与衰减理论模型的研究进程、原理和限制性,利用示意图直观地描述了这些模型的机制,并给出了它们各自的高低频极限、特征频率和适用条件。同时系统回顾并分析了国内外半个多世纪来速度频散与衰减实验测量技术的发展进程和应用现状,并在实验测量数据的基础上给出了自己对地球物理测量手段、岩石物理模型与频率相关性方面的思考和认识,即有必要将单频带的岩石物理模型拓展到全频带,并基于此将不同频带地球物理手段的测量数据联系起来,实现在同一尺度下的综合应用。     

基于反射系数频散的气层识别技术

着重研究与流体有关的速度频散引起的反射系数频散,并应用于致密气层识别。黏弹性介质中的地震衰减有两种表现形式:1脉冲信号穿过衰减介质时的频率组成和振幅变化;2反射系数随频率变化。基于线性黏弹性理论对速度频散的描述及经典的反射系数简化公式,推导出随频率和地层品质因子变化的反射系数公式,该公式反映了反射系数随频率、入射角、地层品质因子等的变化特征,既考虑纵波速度频散,也考虑了横波速度的频散问题。反射系数频散引起反射能量的变化,基于速度与含气饱和度关系,将地震波速度、振幅与地层含气后引起的能量衰减机制(如喷射流机制)联系起来,进而可以通过反射能量的变化识别气层。利用反射系数频散技术对四川盆地GA101井区的致密砂岩气层进行识别,预测结果为地震勘探及井位部署提供了可靠的依据。图4表1参22     

储层砂岩纵波衰减的实验结果分析

在超声波频率下,利用脉冲透射法,探讨了实验室条件下流体饱和岩石的频散和衰减机制,对不同围限压力下的干燥和不同粘度流体饱和砂岩样品的衰减特征进行了系统的研究.给出了岩石样品衰减的测量方法,分别对干燥样品和流体饱和样品进行了频谱分析,对衰减机制进行了讨论.利用Biot流模型和BISQ模型分析了流体饱和岩石中与流体流动作用有关的衰减.定量分析了各种衰减机制对弹性波总衰减的相对贡献.讨论了将实验结果引入地震勘探时,与流体流动相关的各种衰减机制的适用性.     

依赖频率的裂缝孔隙介质弹性属性及参数影响

地震波穿过不同形状和大小且充满流体的孔隙时会引起波致流效应,导致地震波依赖频率发生频散和衰减。基于Collet喷射流模型,本文分析了流体替换在裂缝孔隙介质中的影响。首先计算不同入射角情况下的纵波相速度和逆品质因子,发现速度随频率发生频散和衰减,高低频极限时速度趋于平稳,逆品质因子随频率先增大后减小。同时分析了背景孔隙度对纵波相速度和各向异性参数的影响,发现随孔隙度增加纵波速度在低频段(10~3Hz)明显减小,而在高频段(10~5Hz)无明显变化,且衰减频率向高频移动,同时使介质各向异性增强。流体类型也会影响介质的纵波速度,当介质含气时频散和衰减效应不明显,而当流体为油时全频带内速度发生衰减和频散最严重,含盐水时次之。最后分析了裂缝密度对地震速度及各向异性参数的影响,发现裂缝密度的增大使纵波速度的衰减程度增强,且介质的各向异性更显著。     

微观与介观波致流下的速度频散与衰减

地震波在含软、硬孔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,并且多个尺度间的流体流动相互影响。综合考虑微观喷射流与介观尺度流体流动的相互作用,从Biot理论出发,推导出一个新的衰减模型——双尺度模型,以及该模型下流体流动引起的固体相位移、弹性模量、相速度及衰减系数的表达式,并与层状斑块饱和模型进行了对比。同时基于双尺度模型,分析了改进湿岩石骨架参数以及不同的储层物性参数对纵波传播特征的影响。结果表明:改进湿岩石骨架会增加岩石骨架刚度,减小介观尺度下界面处流体流动引起的固体相位移,增加速度频散与衰减,进而解释了微观喷射流与介观波致流相互作用的机理;当上、下层介质饱含不同的流体类型时,双尺度模型在整个频段上会出现两到三个"频散台阶",喷射流与介观流有可能作用于同一频段;随着含水饱和度的增大,纵波衰减峰值增大,且向低频移动,当含水饱和度达到较大值时,衰减峰值移向高频、衰减减小,速度随着含水饱和度的增大而增大。     

饱和岩石中地震P波和S波速度频散间的关系

流体饱和岩石中地震速度频攻可视为由两种机理控制：Ｂｉｏｔ模拟过的大尺度机理和局部流动机理或喷射机理，这两种机理可根据Ｐ波与Ｓ波频散的比值来区分，或更方便一点，是根据由波速导出的动态体积与剪切柔量区分，我们的公式表明，当局部流动为主时，剪切柔量的频散将大约为缩率频散的４／１５。当Ｂｉｏｔ机理占主导时，比例常数要小得多，我们对４０块砂岩和花岗岩的超声波速度的考察表明，大多数（但非全部）样品为局部流动频     

多孔介质的流体机制模型及其频散机理

当声波或弹性波在流体饱和多孔介质中传播时，孔隙或裂缝受其影响发生闭合或张开，流体产生相对运动，致使多孔隙岩石的宏观物理性质发生变化，从而引起弹性波传播速度的改变、能量的耗散和振幅的衰减。基于双相介质理论提出的Gassmann方程、Biot理论、喷流机制、BISQ模型和斑块饱和模型等岩石物理机制模型，以不同的流体流动机制描述了多孔介质中弹性波传播的动态耦合机理、耦合程度和耦合结果。许多岩石物理机制模型都试图模拟和解释岩石中速度频散和衰减的起因。根据现有各种机制模型的高限、低限频率和特征（弛豫）频率，可以粗略地计算出衰减和频散的影响。随着地震岩石物理学研究的深入与发展，人们对弹性波速度频散和衰减与岩石物理性质及本征条件之间关系的认识必将不断深化。     

含横向喷射流的部分饱和介质的纵波衰减和频散特性研究

当纵波在部分饱和多孔介质中传播时,孔隙内的流体会同时产生宏观、微观和中观流动,这3种尺度的流体流动共同作用,使纵波在较宽的频带范围内产生衰减和速度频散现象。目前同时考虑3种尺度流体流动的研究不多。为了研究流体的多尺度流动对纵波传播的影响,在层状双孔模型的基础上,引入了横向喷射流,建立了含横向喷射流的层状部分饱和模型。通过求解模型介质内的平均流体压力,推导了含横向喷射流的层状部分饱和模型的波动方程。利用平面波分析,得到了快纵波和两类慢纵波的相速度和品质因子,研究了3种尺度流体流动同时存在时的纵波衰减和速度频散特性,同时分析了岩石参数对纵波衰减和速度频散的影响。结果表明,在3种尺度流体流动的共同作用下,快纵波在低频和高频范围内都出现了衰减和速度频散现象,且由于喷射流的影响,快纵波在高频范围内出现了强衰减和高频散。快纵波相速度对模型的含气饱和度较为敏感,且随着模型孔隙度的减小,低频范围内的频散曲线和衰减峰向低频方向移动;随着喷射长度的增加,高频范围内的频散曲线和衰减峰向低频方向移动。     

含裂隙孔隙介质中纵波传播特征研究

基于准静态孔隙弹性理论和White模型,给出了垂直于层面传播纵波的频散方程.在周期性层状孔隙介质中采用具有高孔隙度的柔性层表征裂隙从而构成裂隙孔隙介质,利用周期性层状孔隙介质的频散方程并综合线性滑动裂隙模型,推导出裂隙孔隙介质中垂直于裂隙传播纵波的等效介质模型.裂隙孔隙介质中介观尺度上的流体流动作用所引起的纵波速度频散与衰减值远高于Biot流作用,特征频率或衰减峰值通常可位于地震频段.介质中纵波速度频散及逆品质因子均会随裂隙弱度(密度)的增大而增大,背景孔隙介质的渗透率与粘度以及裂隙的间隔与弱度共同决定特征频率的大小.     

层状饱和多孔介质中Biot慢波的影响

本文基于Biot理论对P波在层状饱和多孔介质中的传播进行数值模拟。首先根据Kennett反射方法建立层状介质中地震波的数值模型，然后利用此模型研究层状饱和介质中Biot慢波对地震波性质的影响。文中分别在孔隙为弹性（考虑了P波扩散、Biot全局流及慢波影响）和黏弹性（可忽略慢波影响）两种情况下定量地分析了频率、孔隙率、层厚、渗透率以及岩石弹性模量对Biot慢波效应的影响。对比两种模型的数值模拟结果发现，在低频范围内，沉积盆地地层间液体压力的平衡作用（Biot慢波）能使P波产生显著的衰减；若这种衰减发生在浅层勘探地震波的频带内（几十到几百赫兹），则介质层厚必然在几厘米到几十厘米范围内；介质越柔顺，孔隙率越大，渗透性越好，则慢波影响越大；在高频段，只要地层足够薄，介质的柔顺性足够好，界面处产生的慢波对高P波散射也会有很大影响。     

非牛顿流体孔隙介质弹性波动方程

重油、聚合物和压裂液等非牛顿流体普遍存在于油气勘探和开发过程中,研究孔隙尺度非牛顿流体流动及其对地震波场的影响具有重要意义。Biot理论忽略了流体黏性系数及剪切应力的非线性变化,虽然可用于描述完全饱和固体与经典牛顿流体在波场作用下的相互作用,但是对于非牛顿流体孔隙填充物来说不准确,因此需要研究含非牛顿流体效应的孔隙介质波动方程。通过建立非牛顿流体的分数阶导数麦克斯韦（fdMaxwell）模型,发现非牛顿流体孔隙介质波场传播特征与常规波动方程明显不同,波场频散和衰减存在共振现象,而牛顿流体饱和的孔隙介质波场频散和衰减未表现出这种特殊效应。同时,非牛顿流体本构关系的流变参数和分数阶导数对流—固耦合作用有明显影响。计算结果表明,含非牛顿流体效应的波动方程对重油砂岩纵波速度预测结果更准确。非牛顿流体本构关系对流—固耦合带来新的变化,对孔隙介质波场频散和衰减的影响不可忽视。文中研究是对真实地震岩石物理模型非牛顿流体效应的探索,对致密油储层地震勘探、含压裂液的裂缝储层微地震模拟等领域可产生积极的推动作用。     

改进BISQ模型在双相介质地震波数值模拟中的应用

地震波在饱和孔隙双相介质中传播时，固-流相互作用同时存在。基于常用的Biot模型和BISQ模型，Mamadou和Erwin又提出了不含特征喷射流动长度的改进BISQ模型，这更便于描述且计算简单。但是，基于这一模型的地震波场数值模拟还未有公开报道。为此，基于改进的BISQ模型，运用有限差分法进行了地震波场数值模拟，其数值模拟结果表明，改进BISQ模型与BISQ模型的模拟结果保持一致，在一定条件下可以清楚地观测到快慢纵波和横波分裂，具有较好的可行性。     

天然气水合物储层吸收衰减机制及岩石物理理论研究进展

似海底反射(BSR)特征作为天然气水合物存在的重要标志，虽能指示水合物的底部位置，却难以用于水合物含量的定量解释。近年来天然气水合物勘探技术的迅速发展，使人们认识到BSR上方存在的地震振幅“空白”带与地震波吸收衰减直接相关，故可将其作为天然气水合物分布及量化的一项指标。本文首先回顾了世界不同水合物探区(加拿大Mallik冻土带、日本南海海槽、阿拉伯海Makran增生楔、墨西哥湾、中国南海神狐海域)以及人工含水合物岩样的地震波吸收衰减特征，发现对于不同的水合物样品、使用不同的资料，地震波表现出不同的衰减特征。进而总结了水合物储层可能存在的衰减机制及相关岩石物理理论，主要包括：全局流动衰减(Leclaire模型)、喷射流(改进的Leclaire模型、亚微米水合物颗粒喷射的HEG模型或微米流体喷射的HBES模型)、骨架摩擦衰减(改进的Leclaire模型)等。目前存在的主要问题在于，虽然多个地区的水合物地层呈现较明显的吸收衰减特征，但由于不同地区水合物生成条件和地质环境存在差异，水合物在沉积物中的赋存状态不同，导致吸收衰减随水合物饱和度的变化关系尚不明确。另外，目前的实际观测资料和岩石物理实验测试的频带范围有限，难以全面地体现衰减随频率变化的特征。因此，需要进一步地开展岩石物理实验研究，并充分结合实际探区资料和人工岩心的制作及实验测量结果，深入研究水合物储层微观结构对衰减机制的附加作用，明确水合物储层地震波衰减的原因，以此为基础研发水合物饱和度的定量地震解释方法。     

裂缝性多孔介质纵波频变特性研究

各向异性介质地震波衰减的研究一般只针对横向各向同性介质,即包含一组垂向裂缝。实际储层中往往存在多组正交或斜交裂缝,因此研究含多组裂缝储层的地震波频散和衰减非常必要。Chapman建立了包含两组裂缝的中观尺度喷射流模型,但是没有讨论两组裂缝对特征频率、频散和衰减幅度的影响。为此,建立了计算含多组裂缝储层纵波频变特性的方法。首先对Chapman模型数值模拟,讨论裂缝参数对特征频率和频散、衰减幅度的作用;然后分析Chapman模型和标准线性固体模型之间的关系;最后建立利用广义标准线性固体模型计算包含多组裂缝储层的频变纵波模量的方法,即利用Chapman模型和各向异性Gassmann方程得到低频模量,利用Chapman模型得到高频模量。所提方法利用低频、高频极限模量和模量损失表征地震波的频散和衰减特性,其中模量损失可表征每组裂缝的贡献,并得出以下认识：1裂缝方位和地震波入射方向只影响频散幅度和衰减幅度,而不影响频散频带和衰减频带;2不同裂缝发育情况的纵波速度V_P(或纵波逆品质因子Q_P^-1)曲线间存在代数关系,因此可以利用单组裂缝的V_P(或Q_P^-1)曲线表示两组甚至多组裂缝的V_P(或Q_P^-1)曲线;3当地震波传播方向与裂缝平行时,V_P随频率的变化很小,P波衰减最小。所提方法对于研究各向异性介质的地震波场特征及地震响应机理具有一定实际意义。     

不同压力条件下部分饱和砂岩速度实验结果及理论解释

在实验高频条件下，对储层砂岩样品采用常规饱和方法得到的弹性波速度随饱和度的变化呈现出复杂的样式，不同于地震勘探中用有效流体模型给出的理论结果，这种差异在低围限压力下更为明显。本文在变压力条件下，对部分饱和储层砂岩的纵、横波速度变化规律进行了系统实验研究及定量分析。研究表明，在实验高频条件下，两种不同孔隙尺度上流体分布的不均匀性明显影响实验结果，也是实验结果与有效流体模型理论值存在差异的主要原因：孔隙尺度上纵横比较小的裂隙中的饱和流体在高频条件下非“弛豫”作用对弹性波速度存在影响；较大尺度上（包含多个孔隙）孔隙流体不均匀的斑块分布对纵波速度存在影响。因此不论在实验室条件下，或是在实际地震勘探中分析弹性波速度时，应考虑这些因素影响。