含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

周期成层Patchy模型中纵波的频散和衰减研究

本文用孔隙介质力学的方法来研究纵波在介观周期成层Patchy模型的传播问题.相对于White方法,该方法少了不同介质分界面处的流体压力不等的假设,推导过程更为严密;和Dutta的双相方程解耦方法比较,文中方法直接求解双相方程,形式上更为直观.当纵波通过周期成层孔隙模型时,在低频段用孔隙弹性力学得到纵波频散和衰减结果与用White公式得到的结果符合得很好;周期成层的Patchy孔隙模型由于其空间排列的周期性使其成为孔隙弹性声子晶体,在其频散和衰减曲线上的高频段会出现多个禁带和通带,这使得速度不会随频率单调递增,衰减峰也不只一个.对于地震频段,随着渗透率降低模型的衰减峰向低频移动,这和实际观测结果一致,和传统Biot理论预测结果正相反;随着含气量上升纵波衰减峰值先上升后下降,其最大值出现在含气量0.1左右,这和相关实验结果一致.研究结果表明该模型可以定性解释观测到的地震衰减结果.     

基于微观孔隙结构特征的速度频散和衰减模拟

孔隙尺度的喷射流流动是引起地震波速度频散和衰减的重要机制之一. 目前,大多数喷射流模型仅考虑硬孔隙与微裂隙之间的局部流动,而忽略了具有不同孔隙纵横比微裂隙间的喷射流作用. 为了研究各种类型孔隙间的流体流动效应,本文对经典喷射流模型进行了扩展,通过结合等效介质理论和孔隙结构模型,根据从干燥岩石超声速度-压力曲线中提取的微裂隙孔隙纵横比分布,求取出岩石中各种微裂隙的体积压缩系数,并在此基础上,利用孔隙空间的压力松弛效应对微裂隙间的喷射流效应进行了模拟,并运用Biot理论描述了硬孔隙间的宏观流动效应. 扩展后的理论模型不仅考虑了微裂隙与硬孔隙间的局部流动、硬孔隙与硬孔隙间的Biot宏观流,还加入了微裂隙与微裂隙间的喷射流作用,且模型的高、低频极限始终与Mavko-Jizba理论和Gassmann方程保持一致. 模型应用分析发现,对于砂岩和大部分致密灰岩样品,扩展模型均能给出与超声实验测量数据吻合良好的估计结果. 此外,扩展模型预测的速度频散及衰减表明,喷射流机制在地震和测井频段发挥着重要作用,其速度频散曲线由低频至高频呈逐渐增大趋势,不具有明显的快速变化特征,与经典频散曲线形态存在显著差异;在低有效压力下,频散和衰减程度较大,喷射流机制发挥主要作用,而随着有效压力的增加,Biot宏观流机制开始占主导,频散和衰减程度逐渐减小.

     

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

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.     

非饱和岩石中的纵波频散与衰减: 双重孔隙介质波传播方程

本文采用Rayleigh理论描述纵波激励下非饱和岩石中气泡的局域流体流动,从经典力学的哈密顿原理导出了双重孔隙介质中的波传播方程,即Biot-Rayleigh方程.方程的格式简洁,参数少,所有相关参数物理可测,因此,方程具有较好的物理可实现性.基于相同的岩石与前人理论对比,初步验证了本理论的有效性.对三个地区的砂岩储层进行了分析,结果显示:地震频段内纵波对储层是否含气非常敏感,但对含气饱和度指示性不佳,且随着孔隙度降低,纵波频散与衰减在中低频段更为显著;含甲烷与含二氧化碳的砂岩储层均呈第三类AVO响应特征,很难从叠前分析技术中鉴别;理论预测的纵波频散随饱和度与频率变化的趋势与特征,与多频段实验观测结果一致.     

周期性层状含孔隙、裂隙介质模型纵波衰减特征

地震波在含孔隙、裂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.在含有宏观尺度“Biot流”和介观尺度“局域流”衰减诱导机制的周期性层状孔隙介质模型基础上,引入了微观尺度硬币型和尖灭型裂隙“喷射流”的影响,构建了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型.利用双解耦弹性波动方程的方法数值计算了该模型地震频带的纵波衰减和速度频散并与周期性层状孔隙介质模型做了对比研究.分析了该模型在不同裂隙参数（裂隙密度、裂隙纵横比）及裂隙体积含量下的纵波衰减和频散特征,裂隙密度越高对于纵波衰减和频散的影响越大,裂隙纵横比越小,由裂隙引起的纵波衰减部分向高频段移动,裂隙体积含量越少,纵波衰减先降低后小幅增加再降低,频散速度增加,并逐渐接近于周期性层状孔隙介质模型的纵波衰减和频散速度曲线.最后研究了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型有效平面波模量的高低频极限以及流固相对位移在该模型中的分布特征.     

含流体复杂孔隙介质地震波衰减与频散

含流体孔隙介质中地震波的速度频散和衰减在指导复杂储层含油气性识别领域具有重要意义.本文构建了包含微观挤喷流与介观层间流影响的跨尺度模型, 并使用求解介质等效模量的方式得到了模型中地震波的频散速度与衰减因子, 克服了前人在高频段计算结果出现异常值以及不同尺度衰减峰无法分离的缺陷.在该双尺度模型的基础上, 本文又综合考虑宏观尺度Biot流, 将三种地震波衰减理论耦合, 建立了相对统一的三尺度地震波衰减岩石物理模型.在Biot理论框架下, 分析了非均匀性流体、孔裂隙结构、微观挤喷流以及介观层间流对流体压力与弹性模量的影响, 得到了该三尺度模型中地震波的波动方程, 并求解得到了相应的地震波衰减与频散曲线, 分析了不同介质参数对衰减与频散曲线的影响.我们推导了在该模型上覆均匀各向同性介质情况下, 分界面处各类极性波的反射、透射系数特征方程, 并得到了随频率以及入射角变化的反射、透射系数三维曲面.

     

裂缝、裂隙介质衰减频散研究

为研究裂缝、裂隙介质中波致流引起的衰减,将裂缝看作背景孔隙岩石中非常薄且孔隙度非常高的层状介质,并等价成White周期层状模型.分别考虑不同类型的裂隙和孔隙之间的挤喷流影响,结合改进的Biot方程,推导得到裂缝裂隙介质的刚度与频率的关系.当缝隙中饱含流体时,介质的衰减和速度频散受裂缝、孔隙之间和裂隙、孔隙之间流体流动的显著影响.在低频极限下,裂缝裂隙介质的性质由各向异性Gassmann理论和挤喷流模型获得;而在非常高的频率时,由于缝隙中的压力来不及达到平衡,波致流的影响可忽略.分析表明,裂隙密度主要影响波的衰减,而裂隙纵横比主要控制优势衰减频率和速度显著变化的频率范围;由于不同裂隙的衰减机制不同,衰减和速度频散大小有所差异,但基本趋势相同.

     

含混合裂隙、孔隙介质的纵波衰减规律研究

地下多孔介质中的孔隙类型复杂多样,既有硬孔又有扁平的软孔.针对复杂孔隙介质,假设多孔介质中同时含有球型硬孔和两种不同产状的裂隙(硬币型、尖灭型裂隙),当孔隙介质承载载荷时,考虑两种不同类型的裂隙对于孔隙流体压力的影响,建立起Biot理论框架下饱和流体情况含混合裂隙、孔隙介质的弹性波动方程,并进一步求取了饱和流体情况下仅由裂隙引起流体流动时的含混合裂隙、孔隙介质的体积模量和剪切模量,随后,在此基础上讨论了含混合裂隙、孔隙介质在封闭条件下地震波衰减和频散的高低频极限表达式.最后计算了给定模型的地震波衰减和频散,发现地震波衰减曲线呈现"多峰"现象,速度曲线为"多频段"频散.针对该模型分析讨论了渗透率参数、裂隙纵横比参数以及流体黏滞性参数对于地震波衰减和频散的影响,表明三个参数均为频率控制参数.     

基于孔隙网络模型的非牛顿流体驱替模式研究

本文提出了一种考虑了流体可压缩性与非牛顿流体剪切流变性的非稳态孔隙网络模型,用以研究非混相驱替中的毛管指进、黏性指进和两者之间的过渡区这三种不同的驱替模式.通过在孔隙网络模型中饱和非牛顿流体,研究不同注入毛管数和不同黏度比情况下的注水驱替模式.结果表明,非稳态孔隙网络模型可以模拟再现三种不同的流体驱替模式,并提出特征前缘流量用于区分三种驱替模式.毛管指进的入口压力的相对波动较大且手指的无序生长会抑制前缘的移动速度,因此特征前缘流量变化较小.黏性指进会抑制指进横向生长和向入口方向的流动,入口压力在突破时快速降低.在过渡区,驱替流体倾向于占据由更大半径孔喉组成的少量路径,并以更大的特征流量向出口处快速突破,导致更细的手指与较低的驱替效率.本文还对比了被驱替相为牛顿流体时的情况.结果表明,剪切流变性会减弱被驱替相黏性阻力的影响,从而使得过渡区的范围更宽.本研究有助于更好地研究复杂流体间黏性力与毛管力对驱替模式的影响,对于提高油气采收率和二氧化碳地质封存效率具有现实意义.

     

Mantle Attenuation Estimated from Regional and Teleseismic P-waves of Deep Earthquakes and Surface Explosions

We estimated the network-averaged mantle attenuation t*(total) of 0.5 s beneath the North Korea test site (NKTS) by use of P-wave spectra and normalized spectral stacks from the 25 May 2009 declared nuclear test (mb 4.5; IDC). This value was checked using P-waves from seven deep (580–600 km) earthquakes (4.8 < M _w < 5.5) in the Jilin-Heilongjiang, China region that borders with Russia and North Korea. These earthquakes are 200–300 km from the NKTS, within 200 km of the Global Seismic Network seismic station in Mudanjiang, China (MDJ) and the International Monitoring System primary arrays at Ussuriysk, Russia (USRK) and Wonju, Republic of Korea (KSRS). With the deep earthquakes, we split the t*(total) ray path into two segments: a t*(u), that represents the attenuation of the up-going ray from the deep hypocenters to the local-regional receivers, and t*(d), that represents the attenuation along the down-going ray to teleseismic receivers. The sum of t*(u) and t*(d) should be equal to t*(total), because they both share coincident ray paths. We estimated the upper-mantle attenuation t*(u) of 0.1 s at stations MDJ, USRK, and KSRS from individual and stacks of normalized P-wave spectra. We then estimated the average lower-mantle attenuation t*(d) of 0.4 s using stacked teleseismic P-wave spectra. We finally estimated a network average t*(total) of 0.5 s from the stacked teleseismic P-wave spectra from the 2009 nuclear test, which confirms the equality with the sum of t*(u) and t*(d). We included constraints on seismic moment, depth, and radiation pattern by using results from a moment tensor analysis and corner frequencies from modeling of P-wave spectra recorded at local distances. We also avoided finite-faulting effects by excluding earthquakes with complex source time functions. We assumed ω² source models for earthquakes and explosions. The mantle attenuation beneath the NKTS is clearly different when compared with the network-averaged t* of 0.75 s for the western US and is similar to values of approximately 0.5 s for the Semipalatinsk test site within the 0.5–2 Hz range.     

A note on a non-stationary model for seismic P-waves

Further evidence supporting a non-stationary model for seismic P-waves from underground nuclear explosions are given. Results of fitting this model are compared with findings of Töksoz, Ben-Menaheim and Harkrider (1964) and Helmberger and Harkrider (1972). A method of studying dependence of the principle parameters of this model on yield of event is briefly discussed.     

Intrinsic and attenuative dispersion characteristics of direct P-waves in and near the source area of the 1999 MW7.6 Chi-Chi,Taiwan,earth-quake before and after the mainshock

Based on the measurement of the arrival time of maxima magnitude from band-pass filtering signals which were determined using a new Morlet wavelet multiple-filter method,we develop a method for measuring intrinsic and attenuative dispersion of the first cycle direct P-wave.We determine relative group delays of spectral components of direct P-waves for 984 ray paths from SML and ALS stations of the Taiwan Central Weather Bureau Seismic Network(CWBSN).Using continuous relaxation model,we deduce a new transfer...     

基于walkaway VSP下行P波的TTI各向异性参数反演

本文基于弱各向异性（WA）介质的正反演公式和qP波的坐标变换,推导了利用qP波反演任意倾斜对称轴的横向各向同性（TTI）介质的各向异性参数和对称轴方向的公式.理论和数值实验表明,利用2个相互正交的变井源距垂直地震剖面（walkaway VSP）可以完全确定钻井中TTI介质qP波的3个WA参数和对称轴的2个方向参数.我们完成了几个由不同数量剖面组成的walkaway VSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,证明了反演公式的正确性和可靠性.使用这些公式,对来自Java Sea的由3条剖面组成的walkaway VSP观测数据进行了各向异性反演,获得了钻井中接收点处介质的WA参数.

     

饱和砂岩在温度和频率域的衰减和速度频散

利用Metravib热机械分析仪, 在天然地震的频率和温度范围内, 首次对泵油和甘油饱和两种孔隙度的彭山砂岩的衰减和速度频散进行了实验研究． 结果表明, ① 泵油饱和彭山砂岩对频率和温度的依赖呈热激活弛豫规律; ② 杨氏模量和弹性波速度与孔隙度、 温度呈负相关, 与饱和液体的黏滞系数、 频率呈正相关; ③ 频散效应因频率上升而增强, 因温度增高而减弱． 这一规律性的结果为地震波理论研究提供了实验基础．