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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

喷射流动机理:宏观描述

我们介绍了一种多孔弹性模型,它包括有岩石中两种最重要的固体/流体交互作用机理:Biot机理和喷射-流动(squirt-flow)机理。这种Biot/喷射机理(BISQ)模型将纵波速度和衰减与泄水骨架、固体相位、孔隙度、渗透率、饱和度、流体粘滞性和压缩系数,     

介观尺度不均匀对反射系数的影响

介观尺度介于地震波长尺度及孔隙颗粒尺度间,地震波传过介观尺度不均匀介质时层间的应力差会引起流体流动,摩擦力使动能向热能转化产生衰减。White层流模型[1]是介观尺度的不饱和模型,该模型中两种饱和介质薄层周期交替。计算了地震频带上纵波穿过饱气层、饱水层周期出现模型的相速度Vp(ω)和品质因子Q(ω);建立无衰减对比模型以计算对反射系数的影响。结果显示纵波入射不饱和层时,反射系数随频率变化明显,尤其是在低频处的衰减峰值附近。     

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。     

油水饱和岩石复电阻率频散特性数学模拟

基于油水饱和储层电震耦合理论,利用傅里叶变换关系推导出电震波场的波动方程及电震快纵波P1波、电震慢纵波P2波和电震慢纵波P3波3个传播常数。依据双电极法测量岩石复电阻率的数学模型,对油水饱和岩石复电阻率的频散特性进行定量模拟。模拟结果表明,油水饱和岩石复电阻率的频散现象是在电震快纵波P1波、电震慢纵波P2波和电震慢纵波P3波的共同作用下,由岩石中的电渗流机制形成的。油水饱和岩石的复电阻率和慢纵波P2波界面极化频率均随孔隙度和含水饱和度的增大而减小,随渗透率的增大而增大,慢纵波P3波界面极化频率随孔隙度的增大而减小,随渗透率和含水饱和度的增大而增大,而快纵波P1波界面极化频率受储层岩石这3个参数的影响较小。气水饱和岩石复电阻率的频散特性与油水饱和岩石复电阻率的频散特性略有不同,但二者的复电阻率随3个参数的变化规律相同。     

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。     

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。     

双相不混溶流体饱和裂缝—孔隙岩石依赖频率的地震响应数值分析

裂缝—孔隙岩石中流体类型及其分布特征是影响弹性参数的重要因素,实际储层中流体大多不是单一流体,且在数值模拟过程中很少考虑流体间饱和状态的影响。为此,基于Chapman模型,针对饱含双相不混溶流体的裂缝—孔隙岩石,研讨了饱和度和毛细压力参数变化对砂岩储层频散衰减和地震响应的影响。数值分析结果表明：随着油气饱和度的增加,特征频率（不同于于单一流体介质情形）呈先减后增趋势,且在中间频段的变化最明显,地震响应存在时间延迟和波形畸变现象;当双相流体中存在气体时,频散衰减和地震响应对饱和度的变化更敏感;随着衡量流体间毛细压力的参数q值的增加,双相流体间由“斑块饱和”趋向“均匀饱和”状态,特征频率向着“高频低饱”方向移动。该数值模拟结果为储层流体识别提供了有效依据。     

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。     

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。     

沉积岩石中速度频散和与频率有关衰减的观测

为了尽可能在宽频范围内确定岩石的弹性性质,在帝国学院的井下试验基地对饱和的沉积岩岩石系列进行了一系列的实验。这些实验分成四类:频率范围在30～280Hz之间的垂直地震剖面(VSP),井间勘探(0.2～2.3KHz),声波测井(8～24KHz)和实验室测试(300～900KHz)。在这些实验中尽量测试了岩石的纵波和横波的本征衰减和速度。观察了纵波和横波的速度频散。在声波频段,纵波的本征衰减有一个与频率有关的衰减峰。模拟数据认为衰减是由于在小的纵横比孔隙中局部流体流动引起。这个模拟表明本征衰减主要由纵横比约为10~(-3)到10~(-4)的裂隙控制。     

岩石流体饱和度与纵波首波幅度、速度关系的实验研究

岩石中的纵波首波幅度和速度的变化不仅与岩性、孔隙度、渗透率等因素有关，而且与岩石孔隙中的流体类型、流体性质及其饱和条件有着非常密切的关系。在实验室超声条件下，就取心样品含水饱和度、含油饱和度与纵波首波幅度、速度的关系进行了实验研究和机理分析，结果表明它们之间存在非线性关系。     

油气储层低频界面极化效应数值模型

基于储层岩石孔隙毛管模型,文中推导了储层宏观物性参数与微观孔隙流体导电性质和介电性质的定量关系,从而构建了一种定量描述储层岩石低频界面极化效应的等效电路模型。相对于传统的Cole-Cole等效电路模型,文中的等效电路模型参数具有更明确的物理含义,更适用于定量表征储层岩石低频界面极化效应。利用该等效电路模型分别对盐水饱和岩样及含油岩样低频界面极化效应进行了数值模拟,分析了储层岩石孔喉比、矿化度及含水饱和度等因素对虚部电阻率频散特征的影响。模拟结果表明,虚部电阻率极小值的模值与孔喉比、矿化度及含水饱和度均呈指数关系,虚部电阻率极小值的模值随孔喉比增大而增大,随矿化度和含水饱和度增大而减小。数值模拟结果为利用岩石低频界面极化效应对储层含油气性进行定量评价提供了理论基础和模型基础。     

完全饱和岩中的喷流

我们通过固体/流体界面相互作用的喷流机理估算了完全饱和岩石中速度/频散和衰减。在模型上,孔隙流体由薄的、软裂缝挤入周围大孔隙中。根据高压速度数据提取了低围压下的这些软裂缝的柔度信息。软裂缝的喷流、感应压力随频率的变化与软孔隙空间孔隙度、渗透率以及特征喷流长度有关。这     

基于统计岩石物理的含气储层饱和度与孔隙度联合反演

从地震数据中得到饱和度与孔隙度等储层物性参数是进行储层评价的关键。利用Gassmann方程讨论了储层岩石骨架特征、孔隙流体特征对介质地震弹性性质的影响．研究结果表明利用地震弹性属性反演饱和度等物性参数有其实现的特定岩石物理基础．其一是在气／水／油多相流体中,气体的体积模量相对于水／油的体积模量具有一定的可比性。而不能被忽略;其二是岩石骨架的纵波阻抗等弹性属性对所赋存孔隙流体的变化较为敏感。这样岩石的纵波阻抗等弹性参数随含水饱和度变化的变化率会明显增大,从而降低了从地震弹性属性中求取饱和度的不确定性和不稳定性。考虑到孔隙度与饱和度对储层岩石弹性特征影响的相关性,给出了基于随机岩石物理模型的Bayesian技术对孔隙度与含水饱和度进行联合反演的方法和步骤,并将该方法运用于高孔隙度含气砂岩储层的孔隙度及含水饱和度的预测中获得了较好的应用效果。     

纵波特性与岩石含水饱和度关系的实验研究

岩石中的纵波首波幅度和速度的变化不仅与岩性、孔隙度、渗透率等因素有关，而且与岩石孔隙中的流体类型及其饱和条件有着非常密切的关系。本文在实验室超声条件下，就取心样品含水饱和度与纵波首波幅度、速度的关系进行了实验研究和机理分析，结果表明它们之间存在非线性关系。