一维频率域中观尺度虚岩石物理方法

地震波在地下含流体孔隙介质中传播时,双相介质中观尺度非均质性产生的流体流动是引起地震波在地震频带内衰减和频散的主要因素。基于两种不同的含流体孔隙地震波传播方程,构建一维虚岩石物理模型,采用频率域有限差分方法模拟地震波衰减和频散,与周期性层状斑块饱和介质模型解析解对比验证了方法的有效性;通过数值计算不同数量特征单元模型叠置情况的地震波衰减和频散,进一步说明了特征单元表征模型衰减信息的唯一性;分析了在相同含气饱和度条件下不同非均匀尺度和结构的地震波衰减和频散;最后利用上述方法模拟了三相流体周期性层状介质的地震波衰减和频散结果及其模型的位移与应力在频率域的空间分布特征,结果表明不同流体之间的中观尺度相对流动是诱导地震波在地震频带衰减的主控因素。     

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。     

随机斑块饱和孔隙介质模型研究

为研究介观尺度下斑块饱和对地震波传播规律的影响,对随机斑块饱和孔隙介质模型(Continuous Random Model of Patchy Saturation,简称CRM)进行了研究并提出改进模型MCRM。利用MCRM模型研究了介观尺度下气、水两相流体非均匀饱和时纵波速度频散和衰减特征,并对实验测量的数据进行了模拟分析。结果表明:(1)MCRM与CRM模型的纵波速度高低频极限相同且具有相同的衰减峰值,但前者特征频率增大,衰减曲线收窄;(2)MCRM与White模型有相同的高、低频极限,但MCRM模型的频散曲线变化相对缓慢、衰减峰值稍小;(3)利用MCRM模型能够模拟渗透率、含水饱和度、频率等参数对速度频散和衰减的影响,并能解释实验室测量的高、低孔隙度砂岩频散、衰减数据。该研究成果有助于更好地理解岩石的黏弹性行为,提高定量地震解释的精度。     

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。     

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。     

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。     

纵波速度频散属性反演方法研究

利用与频率有关的地震属性进行储层特征描述一直是地球物理学家研究的热点,由于含烃类储层会造成地震波的衰减和速度频散,因此,反映速度频散的属性在一定程度上可以指示含烃类储层。基于弥散介质界面反射系数随频率变化的假设,通过研究纵波法向入射时反射振幅随频率的变化规律,推导了包含表征纵波速度频散程度属性的反射系数近似公式,构建了反演方程,通过小波域分频和贝叶斯三参数反演分别得到分频地震数据和密度相对变化量,最终反演得到频散属性数据体。模型实验和实际资料的应用结果表明,纵波速度频散属性对含气储层具有较好的指示效果。     

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。     

裂隙密度对纵波传播特性影响的实验观测

 在利用纵波对裂隙储层预测中，速度和振幅是两个不可缺少的参数，实际资料处理时更需要知道裂隙密度与速度和振幅的关系。在实验室，通过把圆薄币状填充物嵌入基质材料中的方式来模拟裂隙模型，制作了裂隙密度从0到12%的9种裂隙模型，并用四种频率的超声纵波换能器测试了平行和垂直裂隙方向上的纵波速度和透射振幅，得到了裂隙密度与纵波速度及振幅曲线。实验表明，纵波沿裂隙方向传播时，其速度随裂隙密度变化的影响不大，当裂隙密度增大到12%时，速度仅有2%的变化；纵波垂直裂隙传播时，速度比平行传播时下降一半。随着裂隙密度的增加，纵波振幅下降的趋势不但与裂隙密度有关也与频率相关。实验结果定量地给出了在裂隙介质中裂隙密度和频率对纵波参数的影响。     

跨频段岩石波速及频散的实验研究

基于实验室高、低频联合测试技术，针对A、B岩心样品开展了不同频段（2~2000Hz、1MHz）、饱含不同流体（水、甘油）条件下实验室弹性参数测试。实验结果表明：孔隙流体流动性越强，频散特征频率越高；频散特征频率与孔隙度、渗透率呈正相关，与流体黏度呈负相关；高频段纵波速度随饱和度增加而增加；低频段纵波速度随饱和度增加先减后增，存在一个临界饱和度，该临界饱和度的大小与孔隙流体的流动性密切相关。     

基于等效介质模型的裂缝参数AVOA反演

对于裂缝储层内部的垂直剖面,裂隙弱度差可能为负值,而裂隙弱度为非负值,裂隙弱度递推反演方法和假设反射界面之上为各向同性介质的反演方法所得到的反演结果与真实裂隙弱度有较大差异。为此,根据裂隙弱度差等于一阶差分矩阵与裂隙弱度的乘积推导出了反射振幅与裂隙弱度的直接关系式,并将裂隙弱度非负值约束条件加入裂隙弱度反演方程中,构建了裂隙弱度纵波AVOA反演方法。模型试算结果证明了改进的裂隙弱度直接反演方法的有效性。利用塔里木盆地麦盖提地区实际纵波AVOA数据实现了法向和切向裂隙弱度以及裂缝密度反演,裂缝参数反演结果表明该区裂缝基本呈条带状发育,裂缝发育强度与断裂带密切相关,裂缝储层预测结果与测井和钻井资料吻合。     

基于BISQ机制的双相EDA介质的波场分析

本文应用高精度交错网格有限差分法,实现了基于BISQ机制的单层双相EDA介质波场模拟、三层双相介质地面地震记录模拟,分析了在地震频带内双相介质理论与单相弹性介质理论在解释地震波传播时的差异及影响慢纵波的因素。得出以下认识:①基于BISQ机制的双相EDA介质中的地震波场的地面地震模拟结果表明,这类介质中存在第二类纵波(慢纵波),慢纵波的速度与孔隙率、流体密度成正比,与耦合密度成反比,而其振幅一般与孔隙率成反比。②在给定相同参数的情形下,BIOT理论、BISQ理论、单相弹性理论所描述的地震波场的传播现象是相似的,同双相BISQ理论相比,BIOT理论和单相弹性理论都低估了地震波的衰减,高估了地震波的频散,这说明BIOT理论存在不足;从地震波的到达时刻来看,在地震频带内(即低频范围),单相弹性理论和BIOT理论预测的各种波的速度较BISQ理论预测的各种波的速度高,到达时刻也早。目前认为基于BISQ机制的双相介质模型更符合实际情况,应用BISQ正演模拟技术可提取储层参数。     

双相各向异性介质弹性波传播交错网格高阶有限差分法模拟

含流体孔隙各向异性介质中的弹性波传播问题是目前石油勘探和地震学研究的难点之一。基于Biot理论,本文提出了二维双相任意倾斜各向异性介质三分量弹性波方程交错网格任意偶阶精度有限差分解法,并对均匀及两层双相VTI介质和TTI介质中的弹性波场进行了模拟。波场快照和合成记录表明:当横波源的偏振方向与TI介质的对称轴存在一定夹角、且耗散系数较小时,在固相与流相中存在快横波、慢横波、快纵波和慢纵波;双相TI介质中横波分裂现象及波前面尖角和三分叉现象与TI介质中的基本相同,只是黏滞相界中弹性波速度有所减小,且具有频散和衰减特性;从直达波转换为反射波后,该波型具有反射波的性质。     

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。     

双相各向异性介质地震波传播特征

实际裂隙性油气储层表现出双相各向异性特征。本文基于岩石物理理论求取裂隙介质各向异性等效弹性参数,结合各向异性BISQ理论,建立了裂隙诱导双相各向异性介质理论模型。从双相各向异性介质的弹性波方程出发,推导出平面波的Christoffel方程,求解该方程获得了三维双相完全各向异性介质中qP1、qP2、qSV和qSH波的波数方程,据此波数方程计算四类波的相速度和衰减因子。最后针对碎屑岩水平裂隙诱导双相各向异性介质,分析了泥质含量、裂隙密度和形状、孔隙度、含水饱和度、流体黏滞系数、渗透率等参数对弹性波沿不同方向传播时相速度和能量衰减特征的影响,可为储层的孔隙、裂隙结构及含油气性等分析提供理论依据。     

Hudson理论中裂隙参数的适用性研究

介绍了Hudson裂缝介质模型；阐述了边界元法的基本原理；建立了纵波在裂缝介质中传播的边界元法数值模型；模拟了裂缝密度、裂缝纵横比和裂缝填充物对纵波的传播速度和衰减因子的影响；分析了Hudson理论中裂隙参数的有效取值范围以及可能带来的误差。模拟结果表明，边界元法可以很好地模拟含裂缝非均匀介质中波的传播问题，裂缝密度对纵波传播速度和衰减因子有一定的影响。在地震长波长情况下，相同特征尺度的圆形干裂缝比薄形干裂缝对弹性波的散射可以进行更有效的衰减；裂缝饱和充水后各向异性程度下降，且纵横比值越小，岩石介质性质对裂缝流体越敏感。     

不同孔隙结构碳酸盐岩对声波时频特性的影响

为研究不同孔隙结构对声波时频特性的影响,将不同孔隙结构的碳酸盐岩岩心切割成边长60 mm的立方体,利用自主研发的多频超声波测试仪测量岩心轴向纵波首波传播时间,同时利用Ultrascope软件采集接收端探头声波波形,对不同孔隙结构碳酸盐岩中传播纵波的波速、时域波形及频谱特征进行研究。结果表明:声波时域及频域波形特征主要与岩心孔洞尺寸及胶结情况有关,而与孔隙度的大小无关;随着孔洞尺寸的增大,碳酸盐岩对声波中高频谐波过滤作用逐渐增强;垂直裂缝传播的声波时域波形含有大量尾随信号,频域波形中高频信号强度显著变弱且谱峰数量多,振荡强烈;平行裂缝传播的声波时频特征与垂直裂缝传播明显不同。碳酸盐岩声波时频特征研究,拓宽了声波预测岩心信息的方法,对该类储层特征预测及评价具有重要的意义。     

储层毛细管应变对地震纵波速度的影响

本文提出的储层毛细管应变地震波速衰减机理，是指地震波在多孔双相介质传播过程中，使固结很差的储层毛细管（孔隙喉道）优先闭合性应变，其应变量主要控制被压缩气体的体积和波动能量耗散及波束衰减量，据此，建立纵波速度与毛细管压力，孔隙结构，含水饱和度和岩石闭合弹性模量间的数学关系；较好地解释了Ｄｏｍｅｎｉｃｏ效应；初步定量性评价孔隙结构和含气饱和度对地震波速的影响，这对拓宽毛细管压力资料在地震资料解释中的应     

含流体多孔介质的BISQ模型

BIOT流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中固一流相互作用的两种重要力学机制,它们作为一个祸合过程同时对声波或弹性波的衰减和频散产生影响。传统方法将这两种力学机制分开、单独处理,并建立了基于宏观描述的BIOT理论和基于单个孔隙结构的喷射流动理论,这些理论在实际应用中暴露出很大的局限性。Dvorkin和Nur(1993)将BIOT流动机制和喷射流动机制综合起来,提出了统一的BISQ模型,这种BISQ模型将基于微观水平的喷射流动机制与固体和流体宏观性质联系起来,建立了弹性波相速度和衰减与固相弹性常数、孔隙率、渗透率、饱和度、流体私滞度、压缩性、频率以及特征喷射流动参数等之间的关系。对BISQ模型的综合研究表明:BISQ模型中的喷射流动机制是造成弹性波强衰减、高频散的主要原因;BISQ模型能更真实地预测波的衰减和频散,在采油动态监控和拾取渗透率等各向异性参数方面具有巨大的应用潜力,值得作进一步的研究和开发。     

基于频变AVO反演的频散属性估算方法及其应用

地震波在含油气储层传播时会发生较强的能量衰减和速度频散,以特定的频散属性定量地表征速度频散程度,并可将其作为-种新的烃类指示因子用于储层预测。基于介质界面反射系数随频率变化的数学关系,本文研究了频变振幅随炮检距的变化规律;应用贝叶斯反演理论,可从分频叠前道集中反演出表征纵波速度频散程度和频散程度随炮检距变化的梯度等属性参数。模型测试结果验证了本文所述方法的可行性及频散属性识别油气的有效性,实际应用则进-步说明据此反演得到的频散属性可为储层烃类检测提供较可靠的数据支撑,有效地降低了烃类检测的多解性。