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介观尺度流体流动作用对孔隙介质弹性波传播特征的影响研究

杜伟  
【摘要】:孔隙介质中的地震波传播研究一直是地球物理与石油勘探领域的一个热点。该问题源自不同尺度的孔隙、裂缝、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用所产生的复杂地震特征。目前的研究主要集中于探索孔隙介质的地震衰减机制,包括复杂多孔介质的物理描述以及数值实现。 为研究孔隙流体流动与地震衰减之间的内在联系,本文基于准静态孔弹性理论,利用周期性层状孔隙介质模型,结合严格的边界条件,给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,克服了White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设,并以此为基础系统讨论了波在模型中的传播特征,同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设,为更有地效理解介观尺度上流体流动耗散机制提供依据。 本文给出了饱和流体差异的斑块饱和模型和裂隙孔隙介质模型的具体参数,利用得出的孔隙压力、固体骨架位移以及孔隙流体相对运动速度等数学表达式,分别详细分析了介观尺度上周期层状孔隙介质模型在准静态和全频段下的孔隙压力特征、孔隙流体相对流动速度分布特征、速度与衰减特征,并分析了含裂隙孔隙介质各向异性传播特征。本文系统讨论了裂隙顺度、裂隙间隔等参数对介质速度频散以及衰减特征的影响,对比了准静态频率域与全频段该类介质中速度频散及衰减特征的差异。建立了孔隙压力演化特征与速度频散之间的内在联系机理、孔隙流体相对流动速度演化特征与衰减频散之间的内在联系机理。在此基础上对斑块饱和孔隙介质和裂隙孔隙介质中介观尺度下流体流动作用对地震波传播特征的影响进行了总结和对比。 通过引入Thomsen各向异性参数,推导出弱各向异性条件下HTI介质中的PP波反射系数的解析解,并进一步研究本文裂隙孔隙介质模型,给出了反射系数在边界时,在上层各向同性介质和下层为HTI介质的分界面处,在取不同方位角时,反射系数在不同频率和弱度情况下反射系数随入射角变化趋势。 研究结果表明,斑块饱和介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性;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;反射系数在不同频率、裂隙厚度和弱度情况下各向异性程度呈现不同的情况;通过对HTI介质中的AVO研究为裂隙勘探提供了坚实的理论基础,通过研究方位各向异性AVO可以定量描述裂缝的方向、角度和密度,来检测油气聚集带的次生孔隙。


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