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《中国科学技术大学》 2012年
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复杂孔隙介质中的热弛豫模型及地震岩石物理学研究

杜赟  
【摘要】:由于反射地震在石油勘探中的重要作用,近年来岩石物理的研究偏重于岩石的地震特性,主要反映在地震波速度及衰减与岩石其他性质及岩石所处状态条件的关系。岩石物理学的研究成果在地震数据(属性参数)与油藏特性(储集参数)之间架起了一座桥梁,促使了地震岩石物理学的兴起与发展。地震岩石物理学研究致力于弄清储层岩石以及所含流体的性质与地震属性参数之间的关系,以便更准确地从地震数据中提取岩石、流体特性以及油藏参数。岩石物理性质的研究为地震勘探找油、油藏地震监测等技术奠定了物理基础,可以为地震模拟、地震反演以及地震解释的参数的正确性、物理意义起保障作用。 有关孔隙介质中的地震波传播的研究一直是地球物理与石油勘探的热点之一,有关波致流体流动引起的地震波的速度频散与衰减更是其中的核心内容。本文对有关波致流的实验和理论模型研究进行了详细介绍,了解了波致流相关的速度频散和衰减的主要研究方向及最新动态。多孔介质的复杂性包括微细观测结构的非均匀性、各向异性、孔隙流体的存在等,使得构建基于真实物理机制的多孔介质普适性模型非常困难。在实验室环境,抓住对问题的定性唯象描述,确定了以粘弹模型为基础的唯象理论模型研究方向。粘弹性模型可以模拟孔隙岩石中的粘弹行为,模型本身简单方便,而且可以针对实验结果加以调整,是一种非常好的研究手段。 由低频实验获得了符合Arrhenius关系的热弛豫规律,将其引入标准线性固体模型中,得到了同时含有频率和温度效应的热弛豫模型。热弛豫模型能够很好的反映饱和岩石的衰减和速度频散等性质。在频率域和温度域对饱和多孔岩石的波传播特性进行了分析,得到饱和岩石波速和衰减随频率和温度的变化规律。Biot耗散机制和热弛豫机制的共同存在使得饱和岩石的衰减曲线出现两个衰减峰,即Biot峰和热弛豫峰。两个衰减峰会随着频率或温度的变化发生相向移动,处于低频(或低温)区域的热弛豫峰随温度(或频率)的升高向高频(或高温)方向移动,与低频共振实验所得结果相吻合;处于高频(或高温)区域的Biot峰的移动与热弛豫峰相反。 对影响热弛豫模型特性的一些参数进行了分析。多孔岩石孔隙度的改变会对Biot衰减产生巨大的影响,由于孔隙空间的减少会造成Darcy渗流的减少,低孔隙度饱和岩石的Biot衰减比高孔隙度时要小得多,而热弛豫衰减受孔隙度的影响却相对较小;孔隙度对S波的影响比对P波更加明显。由于衰减和频散主要由流体的流动所造成,通过分析发现渗透率的改变会造成饱和岩石衰减峰位的移动。Cole-Cole分布系数βcole-cole是构建热弛豫模型的一个重要参数,它的取值对热弛豫衰减峰的大小以及峰宽有很大影响。当βcole-cole取值较小时,热弛豫衰减较大,衰减峰较窄;而当βcole-cole较大时,热弛豫衰减较小,峰宽则明显增大。将热弛豫模型同Biot、BISQ模型进行了对比,发现热弛豫模型能产生更大的频散和衰减,频散约为BISQ模型的2.5倍,并且几乎在全频段都存在速度频散。热弛豫模型克服了Biot模型衰减和频散小以及BISQ模型频散范围窄等缺点,对速度频散和衰减的预测与实验数据更吻合。热弛豫模型具有Biot、BISQ模型所不具备的优点,可以对波速和衰减随温度的变化规律进行分析。为了验证热弛豫模型的适用性,在更高频率范围进行了一系列不同流体饱和岩石的实验研究,得到了1-1000Hz频段范围的饱和岩石的波速和衰减的实验数据。所得波速和衰减随频率和温度的变化规律与低频共振实验结果类似,符合热弛豫规律,将热弛豫机制扩展到了更高频段,验证了热弛豫规律的普遍性。提出了一个“局部热流”的概念来解释热弛豫机制。实验发现了在较高温度区域存在的类似相变峰的衰减峰,通过类质同象分析了该衰减峰可能就是相变峰。在实验结果中还发现了类似Biot峰移动规律的衰减峰,通过引入“局部流”机制对其进行了数值模拟,其结果与实验数据很好地吻合。“局部流”机制的提出给出了一种理解Biot衰减的新尝试。 饱和孔隙岩石的衰减同岩石样品的微细观结构是密切相关的,因此引入了两个与岩石细观结构相关的特征尺度,分别对应于“局部热流”和“局部流”机制,概括性地给出了相关的特征频率。另外还进行了有关饱和多孔岩石的超声实验尝试,得到了不同流体饱和岩石的超声波速与衰减数据。由于样品的尺寸很小,使得不同的岩石样品所得实验结果有一定的差距,对其作了一些定性的解释。 本文研究的热弛豫模型能预测较强的衰减以及较宽范围的速度频散,更好地模拟了饱和多孔岩石中的粘弹性行为。对低频实验的扩展研究对相对匮乏的地震频段岩石物理实验数据有所补充,对地震资料的解释和反演有非常重要的意义。该实验技术包含了对岩石中粘弹性波和物理性质的研究,可以广泛用于无损检测技术、阻尼减震技术以及地震研究中。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P631.4

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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