部分饱和孔隙介质地震波频散和衰减机理研究

Using signal dispersion and attenuation characteristics to detect the reservoir flow is the key problem of seismic wave exploration. In unconventional oil/gas reservoir and oil/gas field reservoir in late stage of development, multi-fluid coexistence is common, and partially saturated porous media is formed. Studies found that the multiphase fluid interface local flow in porous media causes obvious attenuation and dispersion, which is beyond the scope of traditional theoretical predictions. However, the mechanism is still unclear, hindering the development of seismic exploration method under complicated geological conditions. This research application will start from multiphase flow conservation equation, the constitutive relation and boundary conditions at pore scale. A fluid interface local flow model is to be established. The macro-scale partially saturated porous media wave equation will be derived through the volume integral theory. Then seismic wave dispersion and attenuation expressions are to be obtained using the plane wave analysis method. In this study, the relationship between wave field characteristics and pore scale multiphase fluid parameters is established to provide theoretical basis for quantitative interpretation of seismic wave field dispersion/attenuation. This application is a challenging basic theory research, which is of great significance for the development of seismic wave theory, as well as development of seismic exploration and development techniques.

利用信号频散和衰减特征探测储层流体性质是地震波勘探的关键问题。非常规油气和开发后期油气田储层普遍存在多流体共存现象，形成部分饱和孔隙介质。研究发现，孔隙介质中多相流体界面局部流动引起明显频散和衰减，超出传统理论预测范围，但其微观机理仍不清楚，阻碍了复杂地质条件下地震波勘探方法的发展。本项申请从孔隙尺度多相流体守恒方程、本构关系和边界条件出发，建立流体界面局部流动模型，通过体积分理论得到宏观尺度部分饱和孔隙介质波动方程，利用平面波分析方法获得地震波频散和衰减表达式。该项研究在波场特征与孔隙尺度多相流体参数间建立关系，为定量解释部分饱和孔隙介质地震波频散/衰减提供理论模型基础。本项申请是具有挑战性的基础理论研究，对于发展地震波理论和探索地震勘探开发新技术具有重要意义。

非常规油气和开发后期储层的岩石孔隙、裂缝空间普遍存在多流体共存现象，形成部分饱和孔隙介质。多相流体界面局部流动引起明显地震波频散和衰减，利用频散和衰减特征探测储层流体性质是地震波勘探的关键问题，对其机理研究具有重要意义。课题针对该问题的理论建模和数值方法，开展了以下几方面内容研究：（1）部分饱和孔隙介质频散/衰减机理模型；（2）宏观波动方程的建立；（3）波场频散/衰减数值计算和规律分析；（4）部分饱和波场传播正演模拟方法。.课题研究取得如下重要结果：（1）建立了含麦克斯韦流体的孔隙介质粘弹性耗散机理模型，从非牛顿流体粘性系数非线性本构关系出发，基于Biot理论中非泊肃叶流动框架，在多孔介质弹性波传播中引入了非牛顿流体耗散机理；（2）对于含两种不混溶流体的孔隙介质，得到了孔隙介质毛细力作用表征方法，提出了含两种流体孔隙介质的微观动力学方程和宏观本构方程；（3）利用体积平均方法实现了孔隙饱和两种流体波动方程建立过程；（4）提出了Biot-patchy-squirt（BIPS）模型来描述由两种不混溶流体饱和的裂缝多孔弹性介质的波场频散/衰减现象，BIPS实现了三种重要流体流动机理（Biot粘性流动，斑块饱和局部流动和喷射流动）的统一，首次发现界面局部流动与喷射流之间存在强烈耦合作用，是更具一般性的部分饱和孔隙介质部分波动方程理论；（5）完成了部分饱和孔隙介质波动方程波场正演方法，数值模拟发现在饱和度不连续处存在波阻抗界面和反射波，该方法是对现有单流体全饱和孔隙介质波场正演算法的重要改进。.课题研究对实验数据和数值预测对比分析显示，波场衰减峰值频率与含水饱和度成反比，这是证实部分饱和孔隙介质中存在流体界面局部流动的直接证据，揭示了部分饱和流体对波传播频散/衰减的显著影响，为定量解释复杂储层地震波场频散/衰减特征提供理论基础。