复杂多孔介质中的地震波传播机理研究

论文摘要

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,存在的问题包括复杂多孔介质的物理描述以及数值实现。针对该问题,本文分析了松弛骨架机制、松弛耗散机制的地震波响应特征,基于傅立叶变换数值模拟了含中观流双孔介质的地震波场。实际储层中的岩石是一种非完全弹性的材料,特别是当流体渗入后,岩体往往表现出较强的粘弹性。本文基于Biot理论,考虑了多孔介质中的固体骨架的松弛特征。引入纵波品质因子、横波品质因子与耗散品质因子三参数描述孔隙介质中的松弛机制,采用虚谱法在地震频段进行波场模拟,数值模拟得到的结果,与Carcione1999年的计算结果以及其2006年得到的结论不符,本文的模拟结果证实,松弛骨架机制不仅适用于高频段,也可用于解释地震频段下的弹性波衰减现象,以描述固体微细颗粒的中观松弛特征。为进一步从反演角度验证松弛骨架对低频地震的重要影响,本文对地震降噪与浅层粘弹性反演问题进行了研究。针对地震反演预处理的地震降噪问题,本文结合小波分析设计了一种过零点滤波器,对多分量地震资料进行了面波剔除研究。采用小生境遗传算法对虚拟模型以及中国东部某地区的低频资料进行了多参数反演,反演结果显示浅土层具有可从地震资料直接观测的品质因子,这一点证明了松弛骨架模型的合理性与有效性。为调查孔隙流体流动与地震衰减之间的内在联系,本文推导了含中观流双孔介质中Biot绝对位移格式的波动方程,基于伪谱法给出一种离散傅立叶变换求解中观流的数值算法,模拟了含Biot耗散与中观流多孔介质中的地震波场。对无流体流动、含中观流体流动与含两种流体流动的三个模型进行了对比模拟,结果显示:中观流体流动会将快纵波的能量转移给慢纵波,慢纵波的能量迅速衰减仍然需要归因于Biot耗散机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 论文的目的和意义
• 1.2 多孔介质中地震波传播问题的基本理论及研究进展
• 1.2.1 基于宏观尺度的理论模型
• 1.2.2 基于微观尺度的理论模型
• 1.2.3 基于中观尺度的理论模型
• 1.3 论文的主要内容
• 第2章 粘弹双相介质中的松弛骨架
• 2.1 概述
• 2.2 含流体孔隙各向同性介质中的两种松弛机制
• 2.2.1 Biot 模型
• 2.2.2 松弛耗散模型
• 2.2.3 粘弹双相介质的松弛骨架
• 2.2.4 粘弹双相介质的松弛骨架与松弛耗散
• 2.3 粘弹双相介质伪谱法波场模拟
• 2.3.1 递推公式
• 2.3.2 Biot 方程的刚性问题
• 2.3.3 定解条件
• 2.3.4 四种模型的数值模拟
• 2.4 本章小结
• 第3章 地震降噪与粘弹双相全波场反演
• 3.1 概述
• 3.2 过零点滤波器与地震资料的矢量降噪
• 3.2.1 面波特征与面波压制的难点
• 3.2.2 面波压制研究与小波在地震降噪中的应用
• 3.2.3 地震降噪中的小波阈值法
• 3.2.4 过零点滤波器的设计
• 3.2.5 单分量地震降噪
• 3.2.6 三分量地震降噪
• 3.3 粘弹双相介质的全波场反演
• 3.3.1 地震反演中的遗传算法
• 3.3.2 粘弹双相参数与遗传算法的目标函数
• 3.3.3 反演算例
• 3.3.4 实际资料全波场反演
• 3.4 本章小结
• 第4章 含流体双重孔隙各向同性介质中的中观流
• 4.1 概述
• 4.2 含流体双重孔隙各向同性介质中的地震波方程
• 4.2.1 频率域的相对位移格式双孔波动方程
• 4.2.2 时间域的绝对位移格式双孔波动方程
• 4.2.3 双孔波动方程中的参数
• 4.2.4 数值模拟中的中观流离散格式
• 4.3 双重孔隙介质中的中观流模拟
• 4.3.1 双重孔隙介质的虚谱法递推公式
• 4.3.2 定解条件
• 4.3.3 数值模拟
• 4.3.4 定量分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 两种格式BIOT 方程的等效性证明
• 附录B 两种格式双孔方程的等效性证明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果