基于孔裂隙储层弹性参数频散衰减机理的有限元数值模拟

饱含流体孔隙裂隙储层介质的弹性参数频变特性常应用于地震勘探和储层评价中。针对传统有效介质理论不准确及计算精度不高的问题,该研究推导了适用于孔隙弹性储层的Biot固结方程;为了研究模型介质渗透率、流体类型和黏度等参数对频变弹性参数的影响机理,开发了相应的有限元数值模拟流程,用于计算由波致流引起的地震波速度频散及衰减。模拟结果表明:1)与现有岩石物理理论模型对比,该数值模拟方法在宽频段模拟一维/二维孔隙裂隙介质的适用性更好;2)渗透率、流体黏度以及流体饱和模式作为岩心重要的物性表征,显著影响地震波弹性响应,渗透率增大,特征频率右移;黏度增大,特征频率左移;水包气模型相对于油包气模型衰减峰值较大,特征频率略高。综上所述,该研究为深入理解地震波在孔裂隙储层中的传播特性提供了准确的预测方法,有助于揭示储层的非均质性和孔隙结构,提高勘探精度和储层评价的可靠性,对储层预测与流体识别的岩石物理解释具有重要的指导意义。

饱和碳酸盐岩地震频带弹性参数响应的实验机理分析研究:压力与孔隙流体影响

碳酸盐岩储层中蕴藏着全球近一半油气储量,也是我国深层、超深层的重点勘探领域.然而,深层碳酸盐岩复杂孔隙结构导致其储层条件下岩石物理响应机理不明,这对有效地震储层表征与流体预测带来了巨大挑战.目前,国内尚缺乏系统开展针对深层碳酸盐岩储层的地震频带岩石物理实验测试研究.厘清深层油藏开发中因流体流动而引起的储层压力场与孔隙流体性质变化对地震频带弹性参数影响机制,在一系列地球物理应用中具有十分重要的意义.通过开展跨频带(地震低频+超声高频)弹性参数实验测试,本文系统研究了压力与孔隙流体对深层碳酸盐岩弹性模量及其衰减的影响机制.针对中低孔渗碳酸盐岩储层岩芯,分别测量了其在干燥、饱和盐水与甘油下的弹性参数,分析了弹性模量对压力与频率敏感性.干燥岩芯杨氏模量频变特性显著低于饱和流体岩芯实测数据,且饱和甘油岩芯模量及其衰减均高于饱和盐水测量结果.部分饱和盐水岩芯的地震频带实测结果表明,杨氏模量与泊松比均随含水饱和度升高而增大,其频散程度却略有降低.此外,基于干燥岩芯弹性参数不依赖频率的前提,受迫振动法低频实验所得岩石弹性模量和衰减数据与三孔隙类型喷射流模型预测结果相一致,证实喷射流是引起复杂孔隙微观结构储层岩芯频变黏弹性响应的主控因素.

基于有限差分的部分饱和双重孔隙介质弹性波模拟与分析

双重孔隙介质模型考虑了岩石非均质性诱发的介观流对弹性波频散和衰减的影响,在非均质储层地震资料定量解释中取得良好的应用效果.基于双重孔隙介质理论模型,利用数值算法开展弹性波模拟工作不仅可以直观显示波的传播特征,同时也为后期地震反演成像工作奠定基础.本文基于Santos-Rayleigh部分饱和双重孔隙介质模型,利用交错网格有限差分算法模拟并分析了双重孔隙介质中的波场快照和波形曲线.采用Zener黏弹性模型近似表征介观流机制,结果表明Zener模型能够较好地反映快纵波传播特征,却无法表征慢纵波P3波在低频段的衰减特征.利用时间分裂法解决波动方程的刚性问题,提高计算效率.利用解析解验证了有限差分算法正确性的基础上,模拟了均匀介质和分层介质中的波场快照和波形曲线,清晰直观地反映了快纵波在地震频段的强衰减特征,与双重孔隙理论模型预测结果一致.模拟结果有助于进一步理解非均匀部分饱和孔隙介质中的弹性波传播特征.

本征各向异性对地震波频散、衰减与频变各向异性的影响

层间波致流体流动是饱和流体孔隙层状介质中地震波频散、衰减与频变各向异性的重要机制,目前已提出较多模型对其进行定量表征.然而,现有模型忽略了层状介质中各层本身可具有的各向异性特征(即本征各向异性).对此,本文基于Biot孔弹性理论推导了由横向各向同性饱和流体孔隙地层组成的层状介质中地震波频散、衰减与频变各向异性的近似理论模型.同时,为验证理论模型,开展了数值模拟与理论模型的对比,两者吻合良好.利用理论模型,分析了4种情况(流体性质不同、骨架性质不同及两者之间的两种不同组合)下本征各向异性的影响.结果表明,对于气层与水层交互形成的层状介质,含水层的本征各向异性对地震波的频散、衰减与频变各向异性影响最大,而对于含高孔薄层的层状介质,背景基质本征各向异性与流体分布起主要影响.本文构建的模型简洁易用,在页岩或致密砂岩等具有明显层理特征的储层中应用前景广阔.

地震频段弹性模量测试系统改进与升级

获取地震频段弹性模量对于地震数据定量解释、研究地震波传播特征及油气勘探开发具有重要意义.前期建立的测试系统基于应力应变法可以获得地震频段内岩心的杨氏模量、泊松比和衰减.该系统仅适用于∅38 mm岩心,而测量物性参数(孔隙度、渗透率等)、测量超声纵横波速度时一般使用∅25 mm岩心.为将∅25 mm岩心应用于地震频段弹性模量的测试,统一各项岩石物理测试的数据,本文结合有限元数值模拟和实验测试对地震频段弹性模量测试系统的机械结构与应变采集系统(惠斯通电桥)做了改进与升级.通过数值模拟与标定实验(铝和有机玻璃)论证了在∅25 mm岩心上进行低频实验的可靠性和准确性.利用改进后的测试系统对常规砂岩在干燥(空气)、充气(N_(2))与完全饱和流体(白油)条件开展了高频(MHz)超声和低频(1~3 kHz)应力应变测量实验,其结果表明:干燥岩样和充气岩样的弹性参数在低频和超声频段一致,以此验证了改进后测量系统的可靠性;而饱和白油的砂岩弹性参数在1~3000 Hz频段范围内表现出明显的频散特性.改进后的地震频段弹性模量测试系统可以为定量研究含流体岩石的弹性频散特征提供有效的实验测量工具,其实验结果不仅可应用于生产实践,也可为检验、修正岩石物理模型的提供重要的实验依据.

毛细管压力作用下的非饱和双重孔隙介质中弹性波传播

岩石孔隙中常常含有两相或多相流体,了解弹性波作用下流体压力扩散对弹性波频散和衰减的影响对于地球资源探测至关重要.本文建立了由一种骨架和两种流体组成的非饱和双重孔隙介质模型,推导了考虑毛细管压力作用的,包含宏观全局流和中观局域流两种机制的弹性波传播方程.利用平面波分析的方法分析了三种纵波(P1,P2和P3波)和一种横波(S波)的频散和衰减特性,并重点讨论了嵌入体半径、饱和度、渗透率和孔隙度等孔隙介质参数对其中P1波传播特性的影响.经理论分析验证,该模型在特定参数条件下可退化为经典Biot饱和流体孔隙模型.根据数值模拟结果,低频P1波速度会出现低于Gassmann-Wood低频极限的现象,这是由于在考虑宏观尺度上流体间毛细管力作用的情况下,全局流和局域流的耦合作用加速了孔隙压力的平衡过程,使得岩石不排水的基本假设不再成立;孔隙介质参数与弹性波频散和衰减之间是复杂的非线性关系;与仅考虑宏观全局流机制的Santos模型相比,本模型预测的岩石弹性模量在低频段与实际岩心测量数据较吻合,证实了该模型在地震勘探速度场建模方面具有更好的可靠性.

高温、高含冰量冻土中弹性波的传播特性

考虑了高温、高含冰量冻土在弹性波激励下表现出的冰晶黏滞性与未冻水流动性,并融入温度对介质物理性质的2种影响机制,通过结合Burgers黏弹性本构关系、BISQ模型和热力学理论推导了冻土中快P波、慢P波和S波传播的相速度及衰减因子的解析表达式,形成了针对该类冻土温度依赖的双相黏弹性孔隙介质理论。在此基础上开展了数值算例分析,明确了3种体波相速度和衰减因子的典型响应模式,并依次讨论了土孔隙度、冰晶黏滞性和地温等因素对它们传播特性的影响方式及敏感程度。证实了温度对快P波的相波速、衰减频带及峰值均有显著影响;对慢P波传播影响较小;对S波仅影响其相速度及低频衰减峰值。通过对比理论模型预测与实验室测试数据,证明了与传统基于弹性介质假设的冻土模型相比,基于黏弹性介质理论提出的新模型可以更好地描述高温、高含量冻土中弹性波的速度和衰减响应特征。

从勘探领域变化看地震储层预测技术现状和发展趋势

在分析构造、岩性地层和非常规勘探领域对地震储层预测技术需求的基础上,从勘探领域变化与地震技术储备之间的关系阐明当前地震储层预测技术存在的问题与不足。从地震波的定义出发,基于地震储层预测技术前提假设与实际勘探领域介质之间存在的差异,总结地震储层预测技术的发展趋势,分析储层预测关键技术的发展方向,给出整体技术发展建议:即以连续、非均匀、各向异性介质及其弹性波传播理论为基础;强化地震岩石物理分析和资料保真处理研究;研发基于衰减与频散以及方位相关地震属性的储层预测特色技术;通过整合技术资源,形成面向复杂岩性地层和非常规油气勘探领域的地震储层预测配套技术;做好储层预测质控,提高储层预测的精度和可靠性。

基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.

地震岩石物理驱动的裂缝预测技术研究现状与进展(Ⅰ)——裂缝储层岩石物理理论

从裂缝储层等效各向异性岩石物理理论和五维地震数据裂缝预测技术两个方面对岩石物理驱动的裂缝预测方法研究现状与进展进行了评述。第一部分(Ⅰ)主要介绍裂缝储层等效各向异性岩石物理理论的研究现状。首先从地震波诱导孔缝流体的3种不同状态出发,总结了6种典型的等效各向异性岩石物理理论及其扩展,然后基于Hudson理论、Thomsen模型和Gurevich模型分析了宏观地震反射对微观因素的响应特征,发现裂缝密度、流体类型及孔缝连通性对地震方位反射特征影响较大,总结认为:对于发育垂直裂缝的含气页岩或含油水砂岩,可将背景孔隙度先验值(甚至常数值)直接代入反演流程;对于孔喉发育良好的含气储层,可直接设置裂缝横纵比为常数进行反演。未来研究面临着目标储层复杂程度更大、地震描述精度要求更高等挑战,应从强各向异性岩石物理建模、裂缝实际形态数学表征、多尺度多频带复杂裂缝介质定量描述等方面开展研究。五维地震数据裂缝预测技术研究现状与进展将在第二部分(Ⅱ)阐述。

粘弹各向异性反射体模型方位地震AVO模拟及分析（英文）

基于岩石物理模型和广义各向异性Zoeppritz方法在频率域计算裂缝型反射体模型反射波方位地震AVO响应。反射体模型为粘弹各向异性、有限厚度的地质体,其地震反射波形序列包含如下动力学信息,即分界面处介质的波阻抗和非弹性差异、反射体内部波的各向异性传播、在传播路径上的频散与衰减,以及来自顶底界面的反射波的调谐与干涉等。计算表明,速度频散和衰减增顶界面反射波大入射角反射时的振幅,而减弱底界面反射振幅。对于固定入射角的方位地震方位地震响应,PP波反射特征表现为随方位角的增加反射波形序列延续时间变长,而PSV和PSH转换类型反射波的方位各向异性变化特征稳定且受储层厚度影响较小,表现为PSV波反射振幅随方位角增加而增加,PSH波在0°和90°方位无反射能量,在45°方位反射振幅最强。

基于斑状饱和模型的储层渗透率地震响应特征分析（英文）

基于斑块饱和模型计算渗透率变化的地震反射特征,为流体流动性的地震描述提供依据。基于传播矩阵理论设计反射系数与合成记录算法,实现了频率域岩石物理模型与地震响应计算的无缝连接。斑块饱和储层地震响应包含如下动力学信息:分界面处波阻抗差异、储层内部波的频散与衰减,以及顶底界面波的调谐与干涉。模拟结果表明,渗透率的增加显著降低纵波速度,使其在高、低频弹性极限之间发生频散。储层速度频散与层状构造共同导致反射系数的频变现象。在储层与围岩波阻抗接近的情况下,地震响应对渗透率变化具有敏感性,对于不同储层厚度,当围岩为高速页岩时,反射波叠加振幅随渗透率增加而增加;当围岩为低速页岩时,叠加振幅随渗透率增加而降低。

基于微观孔隙结构特征的致密砂岩部分饱和岩石物理模型研究

储层的复杂微观孔隙结构对于弹性波诱导的孔隙流体发生流体流动的影响十分复杂。深入的调查流体流动机制有利于更加精确的描述储层弹性波传播特征与规律。在油气藏勘探开发过程中,实际储层大多是部分饱和的,因此,需要开展部分饱和储层弹性波传播机理的研究。本文基于等效介质理论,利用不同压力下干燥状态的超声波实验数据,获取岩石微观孔隙结构特征。将部分饱和理论模型与考虑不同裂隙纵横比喷射流模型进行结合,形成部分饱和-扩展Gurevich喷射流弹性波传播模型。通过数值模拟分析了含水饱和度、外部球体半径及粘度等参数对弹性波传播特征的影响。选取鄂尔多斯盆地庆阳地区致密砂岩样本,开展不同压力下部分饱和岩石的超声波实验观测,并利用理论模型对实测数据进行分析。相比于部分饱和模型,本文模型综合考虑了部分饱和效应与不同裂隙纵横比喷射流效应对弹性波传播的影响,所预测的纵波速度与衰减结果更符合于实验测量结果。

包含Biot机制和分数阶黏弹性机制的波传播模型

含流体孔隙介质中的波能量耗散通常由多种力学机制造成.传统Biot理论中的能量耗散仅仅考虑了固流两相相对运动引起的摩擦耗散,无法准确预测波在孔隙介质中低频段出现的高频散与强衰减现象.为了建立一个能准确预测地震波频段高频散与强衰减现象的动力学模型,我们在Biot理论的基础上引入黏弹性机制,并利用分数阶导数刻画黏弹性本构关系,最终获得了一种新的孔隙介质波传播模型.与传统的Biot模型相比,新模型考虑了含流体孔隙介质中固体骨架的内耗散,对波能量耗散的刻画更为精准.通过数值算例,我们研究了分数阶导数的阶数参数对快P波和S波频散和衰减的影响,并通过来自不同地区且具有不同物理性质的几组流体饱和岩芯实验数据,对比研究了新模型的有效性.结果表明,文章提出的新模型能更准确地预测快P波和S波在低频段出现的高频散和强衰减现象.