部分饱和孔隙介质中地震波的衰减和频散机理研究

It is observed that oil and gas reservoirs frequently exhibit high seismic wave attenuation and velocity dispersion, especially at low seismic frequencies. Therefore, a deep understanding of seismic propagation in porous rocks containing fluids, combined with the mechanism revelation of seismic attenuation and dispersion influenced by the fluids can consummate the existing seismic exploration theories, and also can provide new theretical basis and new method for fluid detection based on seismic data. The partially saturated rock model with mesoscopic scale fluid flow can explain the high attenuation and dispersion of seismic waves in seismic band, but so far the corresponding seismic wave equations have not been established, and the related mechanisms have not been intensively studied. On the basis of White's model and Biot's theory, we are about to use Biot's parameters obtained by Johnson to establish seismic wave equations in partially saturated rocks with mesoscale fluid flow. Then, on the hypothesis of plane waves, through solving the equations, we will study the seismic attenuation and dispersion and discuss the effect of fluid viscocity, porosity, permeability,saturation on seismic waves. Next, we are going to study the forward modeling algorithm to realize numerical simulations of partially saturated rocks. Finally, by comprehensive analysis of theoretical results and numerical results, we will investigate the attenuation and dispersion mechanisms in partially saturated rocks, which can provide a new method for improving the inversion accuracy of seismic data.

生产实践表明：地震波穿过含油气储层时发生明显的能量衰减和速度频散现象，研究地震波在含流体介质中的传播规律，揭示孔隙流体对地震波能量衰减和速度频散的影响机理，可完善现有地震勘探理论并为基于地震资料的流体检测技术提供理论依据与新思路。考虑流体中观流动的部分饱和孔隙介质模型能够解释地震勘探频带内地震波的衰减和频散现象，但目前尚未建立对应的地震波方程，有关机理也未做深入研究。本课题拟以White模型和Biot理论为基础，利用Johnson得到的Biot参数，建立含流体中观流动的部分饱和孔隙介质中的地震波方程；在平面波假设条件下通过求解方程解析解研究地震波衰减与频散特性和岩石含流体性、流体粘滞性、孔隙度、渗透率、饱和度等的关系；研究数值模拟算法实现部分饱和孔隙介质中地震波方程的正演模拟，综合理论分析与数值模拟结果研究该类介质中地震波的能量衰减与速度频散机理，为提高地震资料的反演精度提供新思路。

地震波穿过含油气储层时发生明显的能量衰减和速度频散现象，研究地震波在含流体介质中的传播规律，揭示孔隙流体对地震波能量衰减和速度频散的影响机理，可完善现有地震勘探理论并为基于地震资料的流体检测技术提供理论依据与新思路。相关研究发现，考虑流体中观流动的部分饱和孔隙介质模型能够较好地描述地震勘探频带内地震波的衰减和频散现象，但目前尚未建立对应的地震波方程，有关机理也未做深入研究。本课题以 White 模型为基础，并考虑了固体和流体之间的相对运动，构建了部分饱和孔隙介质模型；根据 Biot 方程的建立思路，引入Johnson导出的部分饱和孔隙介质参数建立了部分饱和孔隙介质中的地震波方程；推导了平面波假设条件下部分饱和孔隙介质中的地震波的衰减系数和波数，研究了地震勘探频带范围内波的衰减和频散特征，结果表明：在地震勘探频带范围内，部分饱和孔隙介质中的地震波有较强的衰减和频散现象，第二纵波的衰减和频散比第一纵波严重。这一结论和Biot方程描述的超声频带内波的衰减和频散特征一致。因此，部分饱和孔隙介质中的地震波方程弥补了Biot方程不能有效描述地震勘探频带范围内波的衰减和频散现象的不足。为研究地震波的传播特征，推导了部分饱和孔隙介质中的高阶有限差分格式，以PML为吸收边界条件，实现了部分饱和孔隙介质中地震波场的数值模拟，分析了波的传播规律；综合数值模拟结果和建立的地震波衰减系数与岩石含流体性、流体粘滞性、孔隙度、渗透率、饱和度等的关系式，进一步分析了孔隙度、饱和度和模型内径尺寸对第一纵波衰减的影响，主要表现在：在地震勘探频带范围内，波的衰减随孔隙度的增大而增大，随含油气饱和度的增大而减小，当孔隙内径尺寸小于二分之一外径尺寸时，波的衰减随内径尺寸的增大而增大，当内径尺寸大于二分之一外径尺寸时，波的衰减随内径尺寸的增大而减小。这些结论为利用地震波的衰减特性直接检测油气提供了参考依据。综合上述结果，分析部分饱和孔隙介质中地震波的能量衰减与速度频散机理为：岩石被不同流体非均匀饱和，使岩石内部产生中观非均匀性，中观非均匀性使得岩石内部不同区域的流体产生压力差，当地震波在岩石中传播时，这种压力差使流体发生中观流动，导致地震波的衰减和频散。