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。     

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。     

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。     

用横波波速测定岩石的各向异性

测量了横波在各向异性岩石样品中以不同偏振角度传播时的波速。研究了井下岩石样品在干燥、含水饱和与煤油饱和状态下的各向异性情况。计算出这3种情况下岩石样品的时差各向异性常数和横波平均速率。在干燥、含水饱和与含油饱和条件下，含水饱和的各向异性系数有最大值；干燥的各向异性系数有最小值。在含油饱和情况下的横波平均声速要大于含水饱和条件下的横波平均声速。含油饱和与含水饱和条件下的横波速度有明显差别，但各向异性的趋势却比较一致。     

动态Gassmann''''s方程:渗透性和部分饱和的影响

由岩石引起的地震波粘弹性响应取决于孔隙流体相对于固相运动。流体运动多半与内部波动引起的孔隙压力分布有关,而这种孔隙压力分布又取决于岩石孔隙的微观结构以及饱和度大小。我们在两种不同的尺度上讨论了波动引起的流体流动:(1)非均匀饱和度这一最小尺度上(如:在单孔中)的局部微观流动(喷流)。(2)饱和或干性区域大尺度内的宏观流动。本文的目的就是探索各种机理产生的多孔介质的粘弹性特性。我们在均匀围压(体积)条件下检测了这种流动,并将Gassmann's公式做了动态推广,使其在各种频率和各种饱和度情况下适用于速度和衰减的估算。我们通过理论模得到的重要结果是:(1)在渗入和排出时地震速度的滞后现象随饱和度变化。(2)在声波衰减的两个峰值中,低频的波峰是由于全局喷流所致,高频的小峰是由于局部流动引起。这两种理论结果都已得到实验数据的证实。     

衰减和弥散

多孔岩石局部含水饱和对渗透率和纵、横波的影响 (Effect of partial saturation on permeability and waves in porous rocks),A.Nur,J.Wklls等 (C—87) 对含水饱和不同的几种砂岩、砂以及多孔隙玻璃体的纵波速度(V_P)横波速度(V_S)以及纵波衰减Q_P~(-1)和横波衰减(Q_S~(-1)作了精确的实验室测量。用小于1千赫频率对马西郎砂岩的测定结果表明,与千岩石相比较,全部和局部饱和水的岩石的横波衰减Q_S~(-1)较高,在局部饱和水的岩石中,纵波衰减Q_P~(-1)很高,但当全部饱和水时,又回到接近它原来干燥时的值。当岩石由干燥变为局部饱和水     

孔隙流体对岩石物理弹性参数的影响及敏感属性参数优选——以济阳坳陷为例

针对济阳坳陷实验室岩石物理测试数据,分析了孔隙流体对岩石物理弹性参数的影响.基于Gassmann理论模型,提出了孔隙流体敏感属性参数的优选方法.通过所定义的流体指示因子,研究了岩石物理弹性参数在孔隙含气与饱和油、饱和水时的区别,优选了不同流体状态下的敏感属性参数.孔隙流体对速度的影响与岩石的分选和结构等有关.随着含油饱和度增大,速度均有减小的趋势,但不同类别岩性减小的趋势不同,岩石的致密程度越高,速度随含油饱和度变化的趋势越小.通过敏感弹性参数泊松比与其他弹性参数之间的交会分析能够较好地区分不同胶结状态岩石的气体和油、水状态,通过弹性组合参数与其他敏感弹性参数的交会分析能够较好地识别不同胶结状态岩石的饱和油、饱和水状态.     

岩石物理学近期进展

由于从地球物理和岩石物理测量中提取有关地下的更多信息的需要,人们对研究岩石及流体性质如何影响这两类测量产生了极大的兴趣。过去几年中,岩石物理学涉及的问题有:岩性、流体、孔隙几何结构及裂缝对速度的影响;地震波衰减的机制;各向异性的影响以及岩石的电与介电性质。弄清楚岩石性质及其在地球物理和岩石物理数据中的反映,对于地球物理、岩石物理及工程资料的综合,并进一步开发和寻找石油储集层是非常必要的。在鉴别岩性时,幅度随炮检距的变化、S波地震数据及全波声数据的利用是很有帮助的。其中要考虑现场的温度和压力,特别是在有裂缝存在或非固结储集层的情况下。流体的压缩性、密度及对颗粒和粘土表面的化学作用会对地震波波速有很大影响。尽管S波测量在气体储集层的亮点分析中有所帮助,但理论分析仍然认为深部固结的储集层不会因气体而产生可察觉的阻抗比。近来地震波衰减的研究受到了重视。由于一些理论和实验发现,在几KHz和几百KHz的频率范围都存在衰减峰,Q值与频率无关的看法受到了挑战。据认为,衰减起因于流体流动机制。同时理论还认为,即使在地震波频率下,由于孔腔内存在少量气体也会产生大的衰减峰。已有人研究了有关孔隙、裂缝和断裂对地震波波速影响的各种模型。细裂缝模型速度看来更适合于描述断裂而不是孔隙。地震波的各向异性,特别是偏振S波的分解,可用于判断地壳中的定向断裂簇. 能量传递的频率对于岩石的电性质有很强的影响,而测井通常是在各种频率下进行的。关于频率、流体矿化度、粘土及孔隙—颗粒几何结构对电性质的影响也有过研究。孔隙介质模型已被广泛地用于研究岩石的电性质与弹性性质。人们还对从微观观测直接获得岩石和孔腔的几何参数很感兴趣。另外一些模型集中于模拟不同特性,以便找到岩石性质之间的关系。     

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。     

含水饱和度对致密砂岩声波特性的影响研究

以四川盆地须家河致密砂岩为研究对象,研究了含水饱和度对致密砂岩声学特性的影响,以及致密砂岩的各向异性。采用透射法对干燥和饱和水的致密砂岩岩样进行声波测试,分别对干燥和饱和水岩样的声波传播规律进行研究。研究结果表明:对声波信号进行3层Db6小波分解后发现,岩石内部孔隙明显;致密砂岩岩样饱和水状态主频的能量较干燥条件下呈现不同程度的衰减,其中高频区域的能量衰减程度较大,低频区域信号能量所占比例增加,较高频率段纵波信号能量所占比例降低;随着含水饱和度增加,不同方向的岩样的声波速度和衰减系数变化趋势一致,但增加幅度不一致,即含水饱和度对致密砂岩岩样各向异性存在较大的影响。     

储气库碳酸盐岩裂隙微粒运移实验模拟

储气库井在注采过程中因注采压力过大可能诱发微粒运移,为此,选用储气库碳酸盐岩储层岩心制取人工裂缝岩心,分别开展了应力敏感实验、干燥岩心和含水岩心气体速敏实验、模拟储气库注采压力增加时干燥岩心和含水岩心的流动实验,测试了实验过程中岩心渗透率,并借助扫描电镜对模拟储气库注采压力增加时和应力敏感实验前后岩心的裂缝壁面进行检测,揭示储气库注采过程中微粒运移机理。实验表明:干燥岩心和含水岩心的速敏程度分别为中等偏弱—中等偏强和中等偏强—强,岩心应力敏感程度为弱—中等偏弱;模拟储气库注采压力增加时干燥岩心和含水岩心的平均渗透率损害率分别为77%和84%。研究认为,注采过程中的裂缝壁面的微粒在高速气流拖拽作用下发生拉张破坏和有效应力下岩石被破坏是微粒运移的重要诱发机制,含水情况下岩石强度弱化,会强化微粒运移。建议合理控制注采压力和减少流体进入储气库井,防止产生大量微粒,最终影响储气库的多尺度注采,同时对于合理控制储气库的注采压力具有借鉴意义。     

砂岩中孔隙流体的黏性与衰减,模量和速度色散

为了探讨孔隙流体的黏滞系数对饱和砂岩的衰减,械量和速度色散的影响,本文进行了四种不同黏点系数的饱和长石砂岩的低频共振实验,结果发现在０．０１～１０Ｈｚ频带范围内,无论是衰减温度谱还是衰减叔率谱,都显示出衰减随黏滞系数的增大成良好的线性增长关系,黏滞系数越大模量越大;同时还具有明显的模量与速度色散,而且随着黏滞系数的增大,模量与速度色散有增强的趋势。     

Spectra地震频谱能量吸收分析技术在乌审召地区天然气勘探中的应用

为了确定岩体内部的孔隙及流体性质，运用地震衰减分析来区分地震信号谱与振幅特征的变化，分析在包含孔隙和裂隙的复杂环境下岩石属性特征和波的传播特征，乌审召地区主要目标层为上古生界二叠系石盒子组盒8段储层．该目标砂岩发育，但储层横向变化快，通过对乌审召实际地震资料处理结果表明，在频率域吸收衰减异常与岩石中含气有关，通过方法实践，采用该地震分析方法计算的衰减模式与高产区的关系比较确定，能够帮助确定新的潜在区域和勘探目标。     

液相放电等离子体破岩室内实验与破岩机理

液相放电等离子体破岩是一种将电能转换为冲击波机械能的新型高效破岩技术，目前国内外对其在石油钻井中的应用研究较少。开展了液相放电等离子体破岩室内实验：首先使用3组不同厚度的页岩验证了等离子体冲击波破岩的可行性；然后使用损伤变量和声幅衰减系数作为岩样损伤表征量，定量分析了不同影响因素下，混凝土岩样受等离子体冲击波作用后的损伤程度；使用3种岩样（混凝土、页岩、砂岩），验证了该技术对不同抗压强度岩样，在不同地层中的适应性；最后借助CT扫描，观察冲击波作用前后的岩样，分析和揭示了冲击波作用下岩样的损伤破坏形态和机制。室内实验结果表明：冲击波峰值压力高达130~190 MPa；页岩被劈裂成多块，混凝土岩样的破坏深度为3~5 mm，破坏程度随放电电压和冲击次数的增加而增加；载荷相同时，岩样的破坏程度随抗压强度减小而增加，但页岩的层理结构有利于吸收冲击波能量，增加其破坏程度；岩样的破坏形式以径向裂纹、片落裂纹和冲蚀坑为主。液相放电等离子体破岩机理的研究结果表明：冲击波作用岩样，岩样表面受压被破坏，岩样内部产生切向拉伸应力，应力波从岩样内部往边界传播时，在岩-液界面反射并产生拉伸应力，当拉伸应力大于岩样抗拉强度时产生裂纹；冲击波的产生伴随着高速射流，射流的水楔作用加速裂纹的扩展，形成冲蚀坑。     

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。     

压裂液返排率的理论计算

压裂液返排率是评价压裂效果的一个重要参数,而返排率的求取往往是压裂施工结束后现场液体收集得到,缺乏相关理论模型进行预测。为了丰富压裂设计及评价理论体系,从压裂液返排机理出发,考虑裂缝闭合前后压裂液返排不同的返排过程,根据物质平衡原理、岩石力学和渗流力学,建立了返排率计算的数学模型,分析了地层渗透率、孔隙度、裂缝导流能力、破胶压裂液黏度对返排率的影响,计算结果表明,地层孔隙度对压裂液返排率影响较小,破胶压裂液黏度、裂缝导流能力、地层渗透率对返排率影响较大,提高破胶压裂液黏度和裂缝导流能力对于返排率的提高有重要的意义。     

流-固全耦合新模型研究

在油藏开采过程中,储层岩石体变形与流体的流动是相互耦合作用的,并且流体渗流时的压力、饱和度也是不断变化的。假设岩石体变形为弹性小变形,建立其变形方程。由达西定律,考虑油、水两相流体耦合渗流时的饱和度变化,经过推导变换,得到了油、水两相流体的耦合渗流方程,从而得到了以岩石质点位移、流体压力和流体饱和度为未知量的流-固耦合数学模型,并给出了求解数学模型所需的定解条件。新模型拓宽了以前以岩石质点和流体压力为未知量的流-固耦合数学模型,实现了岩石变形和流体渗流的真正意义上的耦合,丰富了流-固耦合理论,为考虑流-固耦合影响下的油藏数值模拟奠定了理论基础。     

川东南志留系泥岩盖层水岩相互作用的实验模拟及其研究意义

通过水岩反应模拟实验,可研究分析在不同的成岩环境下,盖层岩石的水岩反应对储层形成以及油气保存方面的影响。选取川东南地区志留系龙马溪组盖层泥岩,在30℃,1MPa;80℃,20MPa和160℃,40MPa的温压条件下,与淡水和含乙酸流体进行水岩反应实验模拟。结果显示:在常温常压下,泥岩与淡水仅发生非常微弱的水岩反应,说明在地表淡水弱的水动力条件下,对泥岩盖层破坏是非常有限的;而高温高压下,含乙酸的流体对盖层泥岩的破坏力要高于常温常压下的淡水,但是溶蚀率也很微弱,并且相对于同种条件下的灰岩和云岩的溶蚀率还要低得多。研究区内,当有具有溶蚀性的热流体活动时,在志留系泥岩渗透率低和难溶蚀2个因素的叠加阻挡作用下,大量的流体在碳酸盐岩层中滞留,与围岩发生充分的水岩作用。