多尺度波致流非飽和孔隙介質(zhì)波傳播理論研究*

李紅星 張嘉輝 樊嘉偉 陶春輝 肖昆 黃光南 盛書中 宮猛

1) (東華理工大學(xué),核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013)

2) (自然資源部第二海洋研究所,杭州 310012)

彈性波在非飽和孔隙介質(zhì)中傳播時(shí),孔隙流體會(huì)發(fā)生宏觀Biot 流、微觀噴射流以及由于孔隙流體不同(氣、液雙相)導(dǎo)致的介(中)觀流.將非飽和孔隙介質(zhì)等效為含液相孔隙流體的背景介質(zhì)中嵌入含氣相孔隙流體的包裹體,在非飽和雙重孔隙介質(zhì)模型基礎(chǔ)上,引入微觀噴射流,建立了包含宏觀、微觀和介觀三種尺度波至流的非飽和孔隙介質(zhì)波傳播方程.數(shù)值分析表明該模型可以更好地預(yù)測(cè)更寬頻帶內(nèi)的波速頻散和衰減.

1 引言

油氣儲(chǔ)層和海洋底質(zhì)都是典型的多相孔隙介質(zhì),孔隙介質(zhì)彈性波傳播理論對(duì)于油氣儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)、海洋底質(zhì)聲學(xué)探測(cè)都具有重要的意義.彈性波在非飽和孔隙介質(zhì)中傳播時(shí),孔隙流體在波動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生三種運(yùn)動(dòng):沿波傳播方向的宏觀Biot 流動(dòng),垂直于波傳播方向的微觀噴射流動(dòng)以及由于孔隙流體非飽和(等效為含液相孔隙流體的孔隙介質(zhì)中嵌入介觀尺度的含氣相孔隙流體的孔隙介質(zhì))而產(chǎn)生的介觀局域性流體流動(dòng).目前,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同這三種孔隙流體波致流機(jī)制是導(dǎo)致孔隙介質(zhì)中彈性波發(fā)生耗散和頻散的最主要原因.Biot[1?3]對(duì)孔隙介質(zhì)中波傳播時(shí)的宏觀波致流運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建立了Biot 理論.Biot 流可以預(yù)測(cè)到高頻(聲波-超聲波頻段)彈性波的速度頻散和衰減,但預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)值,并且無(wú)法預(yù)測(cè)低頻彈性波(地震波頻段)速度頻散和衰減.Mavko[4,5]對(duì)波傳播過(guò)程中,孔隙介質(zhì)中的微觀尺度波至流進(jìn)行了研究,提出了噴射流機(jī)制.噴射流可以預(yù)測(cè)到高頻彈性波更高的速度頻散和衰減,能更好地?cái)M合實(shí)測(cè)值,但仍然無(wú)法預(yù)測(cè)低頻彈性波(地震波頻段)速度頻散和衰減.White[6,7]基于等效球狀介質(zhì)模型,首次建立了包含介觀尺度波至流的波傳播理論.Duuta[8],Dutta 和Seriff[9],Johnson[10],Pride和Berryman[11]分別在White 模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善了介觀尺度的孔隙流體局部流動(dòng)機(jī)制.介觀流可以更好地預(yù)測(cè)低頻彈性波(地震波頻段)速度頻散和衰減,但無(wú)法很好地預(yù)測(cè)高頻(聲波-超聲波頻段)彈性波的速度頻散和衰減.Dvorkin 和Nur[12]建立了包含宏觀尺度及微觀尺度兩種波至流機(jī)制的孔隙介質(zhì)波傳播理論,即BISQ 理論.Li 等[13],Yang 和Chen[14],Diallo 和Appel[15]分別從不同角度發(fā)展或改進(jìn)了BISQ 模型.巴晶等[16?20]研究了雙孔介質(zhì)模型,將流體的宏觀尺度及中觀尺度波至流機(jī)制結(jié)合在一起,推導(dǎo)得到了雙重孔隙介質(zhì)模型 (BR 模型).2018 年,Zhao 等[21]將White周期層狀介質(zhì)模型與雙孔介質(zhì)理論相結(jié)合,建立了層狀雙孔模型.2020 年,胡亞元[22]把雙重孔隙介質(zhì)視為兩個(gè)單重孔隙介質(zhì)的嵌套疊加,從經(jīng)典混合物理論出發(fā)推導(dǎo)了非飽和雙重孔隙介質(zhì)的能量守恒方程.目前,將三種尺度的波至流統(tǒng)一考慮在一個(gè)孔隙介質(zhì)波傳播理論中的研究較少.本文將非飽和孔隙介質(zhì)等效為含液相孔隙流體的背景介質(zhì)中嵌入含氣相孔隙流體的包裹體,在非飽和雙重孔隙介質(zhì)模型基礎(chǔ)上,引入微觀噴射流,建立了包含宏觀、微觀和介觀三種尺度波至流的非飽和孔隙介質(zhì)波傳播理論(簡(jiǎn)稱:BRS 模型).通過(guò)數(shù)值模擬分析,BRS 理論可以在全頻段范圍預(yù)測(cè)彈性波速度頻散和衰減,為油氣儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)和海洋底質(zhì)聲學(xué)探測(cè)提供理論基礎(chǔ).

2 多尺度波至流非飽和孔隙介質(zhì)波傳播理論

將非飽和孔隙介質(zhì)(宏觀尺度,圖1(a))等效為含液相孔隙流體的背景介質(zhì)中嵌入含氣相孔隙流體的包裹體(介觀尺度,圖1(b)),在背景介質(zhì)和包裹體中都存在由固相顆粒的接觸產(chǎn)生的微觀孔隙(圖1(c)).為了簡(jiǎn)化模型,用七個(gè)等邊長(zhǎng)的正方體組合而成的“十字型”結(jié)構(gòu)等效嵌入的含氣相孔隙流體的包裹體(圖2).非飽和孔隙介質(zhì)特征單元中發(fā)生三種尺度的波至流:和波傳播方向一致的宏觀Biot 流,垂直波傳播方向的微觀噴射流,體現(xiàn)包裹體與背景介質(zhì)之間的流體交換的中觀局部流(圖2).模型假設(shè):1) 背景介質(zhì)和嵌入包裹體分別都是單一孔隙結(jié)構(gòu),均可發(fā)生Biot 宏觀和微觀噴射波至流,在波傳播時(shí),包裹體內(nèi)外發(fā)生流體交換,產(chǎn)生介觀波至流;2) 在孔隙介質(zhì)中,包裹體的體積占比較小,并且均勻分布在背景介質(zhì)中;3) 忽略兩類孔隙流體表面張力作用對(duì)孔隙流體流動(dòng)的影響,忽略孔隙流體與固相介質(zhì)骨架顆粒之間的化學(xué)作用.

圖1 孔隙介質(zhì)示意圖 (a) 宏觀尺度;(b) 介觀尺度;(c) 微觀尺度Fig.1.Schematic diagram of porous media:(a) Macro scale;(b) mesoscopic scale;(c) micro scale.

根據(jù)Biot[1?3]對(duì)勢(shì)能函數(shù)的定義,引入ζ描述彈性波作用下非飽和孔隙介質(zhì)產(chǎn)生的局域性流體流動(dòng)的流體體應(yīng)變?cè)隽?巖石內(nèi)部的彈性應(yīng)變勢(shì)能函數(shù)為[16]

其中I1=e為固相體應(yīng)變;I2為固相切應(yīng)變相關(guān)量;ξ1,ξ2為背景介質(zhì)與包裹體孔隙流體的體應(yīng)變;?1=v1·?0,?2=v2·?0,v1,v2=1?v1分別表示背景介質(zhì)和包裹體的體積占比,?0表示孔隙介質(zhì)孔隙度.A,N,Q1,Q2,R1,R2為雙重孔隙介質(zhì)6 個(gè)獨(dú)立的彈性參數(shù)[16]:

其中?=?1+?2=?0;Kb為孔隙介質(zhì)骨架體積模量;Ks為固相顆粒體積模量;μb為骨架剪切模量;為背景介質(zhì)孔隙流體體積模量;為包裹體孔隙流體體積模量.根據(jù)模型示意圖2,在單位系統(tǒng)中,有效流體體積變化為[20]?1ζ ≈1?V0/V.V0是靜態(tài)時(shí)嵌入包裹體的體積,V是波傳播作用下,動(dòng)態(tài)時(shí)包裹體的體積,那么ζ可表達(dá)為

其中X表示波傳播作用下“十字型”嵌入包裹體等效正方體的動(dòng)態(tài)邊長(zhǎng);X0表示靜態(tài)時(shí)包裹體等效正方體的邊長(zhǎng)(圖2).

圖2 介觀尺度孔隙介質(zhì)等效特征單元 (a) 三維示意圖;(b) 二維示意圖Fig.2.Equivalent characteristic unit of mesoscopic porous media:(a) Three-dimensional schematic diagram;(b) twodimensional schematic diagram.

部分飽和孔隙介質(zhì)中,動(dòng)能函數(shù)可寫為[16]

x=X時(shí),應(yīng)力、應(yīng)變滿足連續(xù)邊界條件.參考Rayleigh[23](1917)對(duì)氣泡膨脹過(guò)程速度的定義,根據(jù)動(dòng)能定理,非飽和孔隙介質(zhì)特征單元中包裹體外的動(dòng)能表達(dá)如下:

聯(lián)合(5)式和(6)式,可以得到

單位特征單元中,“十字型”包裹體的體積占比為v2=7X03≈7X3,且?2=v2?0,可以得到

由(3)式可得

因此,動(dòng)能密度可進(jìn)一步表示為

根據(jù)Biot[1?3]對(duì)耗散函數(shù)的定義,將其擴(kuò)展到一類骨架,兩類流體的部分飽和孔隙介質(zhì)中:

其中bi表示耗散系數(shù),分別是固相、背景介質(zhì)孔隙流體、包裹體孔隙流體的振動(dòng)速度向量;DL表示介觀尺度局域性孔隙流體流動(dòng)所產(chǎn)生的耗散,與動(dòng)能函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程類似,DL可表示為

根據(jù)雙重孔隙模型推導(dǎo)過(guò)程[16,20],將(1)式、(4)式及(10)式—(12)式代入含阻尼的拉格朗日方程[24],可得到“十字型”非飽和雙重孔隙介質(zhì)波傳播方程:

將(15)式代入(14)式中,并用(14)式的孔隙流體壓力代替(13)式的孔隙流體壓力項(xiàng),即為統(tǒng)一考慮宏觀、介觀和微觀波至流的多尺度波至流非飽和孔隙介質(zhì)波傳播方程(BRS 模型).將波動(dòng)方程(13)中的固相位移、流體位移及流體體應(yīng)變?cè)隽繉憺槠矫娌ń獾男问?exp i(ωt ?k·z),將之代入(13)式中,經(jīng)整理可得:

求解(16)式,得到波數(shù)k,進(jìn)而得到波的傳播速度和品質(zhì)因子:

3 數(shù)值分析

為了進(jìn)一步分析多尺度波至流非飽和孔隙介質(zhì)波傳播特征,設(shè)定孔隙介質(zhì)模型(表1),對(duì)比Biot 理論、BISQ 模型、BR 模型以及BRS 模型預(yù)測(cè)的波傳播速度與衰減特征,分析介質(zhì)參數(shù)對(duì)BRS 模型預(yù)測(cè)波傳播速度與衰減的影響.從1 Hz—100 MHz 范圍內(nèi)的波傳播速度和逆品質(zhì)因子預(yù)測(cè)結(jié)果(圖3)可得一下結(jié)論.

圖3 不同孔隙介質(zhì)模型波傳播速度與衰減對(duì)比Fig.3.Comparison of wave propagation velocity and attenuation in porous media between different models.

表1 非飽和孔隙介質(zhì)模型參數(shù)Table 1.Parameters of unsaturated porous media model.

1) BISQ,BR 和BRS 模型預(yù)測(cè)的波速頻散的低頻極限和高頻極限基本一致,高頻極限趨近于Biot 預(yù)測(cè)值.Biot 預(yù)測(cè)波速只在高頻端存在微弱頻散過(guò)渡帶,說(shuō)明宏觀波至流產(chǎn)生的頻散很小.BISQ 預(yù)測(cè)波速在高頻端存在明顯頻散過(guò)渡帶,說(shuō)明BISQ 在宏觀流基礎(chǔ)上引入的噴射流,可導(dǎo)致高頻端產(chǎn)生更大頻散.BR 預(yù)測(cè)波速在高頻端的頻散過(guò)渡帶與Biot 一致,在低頻端存在明顯頻散過(guò)渡帶,說(shuō)明BR 在宏觀流基礎(chǔ)上引入的介觀流,可導(dǎo)致低頻端產(chǎn)生更大頻散.BRS 預(yù)測(cè)波速在低頻端和高頻端都存在明顯頻散過(guò)渡帶,綜合體現(xiàn)了宏觀流、噴射流和介觀流產(chǎn)生的波速頻散,更有利于解釋更寬頻帶范圍觀測(cè)到的頻散現(xiàn)象.

2) Biot 預(yù)測(cè)的衰減總體上最低,可以觀察到宏觀Biot 流導(dǎo)致的波衰減峰值.BISQ 預(yù)測(cè)的衰減和Biot 預(yù)測(cè)衰減總體趨勢(shì)一致,但衰減值更高,可以觀察到微觀噴射流導(dǎo)致的波衰減峰值和微弱的宏觀Biot 流導(dǎo)致的波衰減峰值.BR 預(yù)測(cè)的衰減在高頻端和Biot 預(yù)測(cè)結(jié)果相當(dāng),可觀察到宏觀Biot 流導(dǎo)致的波衰減峰值,此外,BR 預(yù)測(cè)衰減在低頻端遠(yuǎn)高于Biot 和BISQ 模型預(yù)測(cè)結(jié)果,可觀察到介觀流導(dǎo)致的波衰減峰值.BRS 預(yù)測(cè)衰減在高頻端接近BISQ 預(yù)測(cè)結(jié)果,能觀察到微弱宏觀Biot 流和明顯微觀噴射流導(dǎo)致的波衰減峰值,BRS 預(yù)測(cè)衰減在低頻端接近BR 模型預(yù)測(cè)結(jié)果,可觀察到介觀流導(dǎo)致的波衰減峰值.

下面分析主要孔隙介質(zhì)參數(shù)對(duì)BRS 模型預(yù)測(cè)的波傳播速度和衰減的影響.隨著孔隙度的增加,波速整體減小,波速頻散總體趨勢(shì)和過(guò)渡帶所在頻率范圍基本保持不變,波衰減在頻散過(guò)度帶頻帶范圍內(nèi)總體隨孔隙度增大而增大(圖4),這是由于孔隙流體的彈性模量比固相骨架低,孔隙度增大,造成孔隙流體占比成比例增大,造成速度在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)降低,同時(shí),孔隙度的增加會(huì)增大固流耦合和相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生更高的衰減.隨著背景介質(zhì)占比(也即液相流體飽和度)的降低,波速變小,代表介觀流的衰減峰向高頻方向移動(dòng),但代表噴射流的衰減峰變化較小(圖5),說(shuō)明隨著液相飽和度的減小,孔隙流體等效彈性模量降低,進(jìn)而導(dǎo)致孔隙介質(zhì)波速減小,同時(shí),介觀流受孔隙流體參數(shù)的影響遠(yuǎn)高于微觀流.隨著介觀包裹體尺度增大,代表介觀流的波速頻散過(guò)渡帶和衰減峰向低頻方向移動(dòng),而代表噴射流的頻散過(guò)渡帶和衰減峰則沒(méi)有變化(圖6),這是由于包裹體尺度僅影響介觀流,包裹體尺寸越大,介觀流導(dǎo)致的低頻彈性波頻散和衰減越明顯.隨著滲透率的增加,波速和衰減曲線整體向高頻方向移動(dòng)(圖7).需要說(shuō)明的是,孔隙介質(zhì)參數(shù)對(duì)孔隙介質(zhì)中彈性波的衰減及波速頻散的影響滿足復(fù)雜的非線性關(guān)系((16)式和(17)式),各參數(shù)之間相互耦合,因此,針對(duì)具體實(shí)際問(wèn)題(如油氣儲(chǔ)層或海底),根據(jù)描述孔隙介質(zhì)波傳播的方程計(jì)算結(jié)果,評(píng)價(jià)孔隙參數(shù)對(duì)孔隙介質(zhì)波傳播速度與衰減的影響更具客觀和具有實(shí)際價(jià)值.

圖4 不同孔隙度BRS 模型預(yù)測(cè)的波速與衰減Fig.4.Wave velocity and attenuation predicted by BRS model with different porosity.

圖5 不同飽和度BRS 模型預(yù)測(cè)的波速與衰減Fig.5.Wave velocity and attenuation predicted by BRS model with different saturation.

圖6 不同介觀尺度BRS 模型預(yù)測(cè)的波速與衰減Fig.6.Wave velocity and attenuation predicted by BRS model with different saturation.

圖7 不同滲透率BRS 模型預(yù)測(cè)的波速與衰減Fig.7.Wave velocity and attenuation predicted by BRS model with different permeability.

4 結(jié)論

將非飽和孔隙介質(zhì)等效為含液相孔隙流體的背景介質(zhì)中嵌入含氣相孔隙流體的包裹體,在非飽和雙重孔隙介質(zhì)模型基礎(chǔ)上,引入微觀噴射流,建立了包含宏觀、微觀和介觀三種尺度波至流的非飽和孔隙介質(zhì)波傳播方程.

1) Biot 模型僅能在高頻端預(yù)測(cè)微弱的波速度頻散,預(yù)測(cè)衰減較小;BISQ 模型可以解釋較高頻段的強(qiáng)速度頻散和高衰減;BR 模型可以解釋較低頻段的強(qiáng)速度頻散和高衰減;BRS 預(yù)測(cè)速度頻散和衰減在宏觀流導(dǎo)致的弱頻散和衰減基礎(chǔ)上,同時(shí)體現(xiàn)出了介觀波至流導(dǎo)致的低頻高頻散和低頻高衰減以及微觀噴射波至流導(dǎo)致的高頻高頻散和高衰減,能更好地在更寬頻帶范圍內(nèi)解釋孔隙介質(zhì)中波傳播的頻散和衰減現(xiàn)象.

2) 隨著孔隙度的增加,波速整體減小,波衰減在頻散過(guò)度帶頻帶范圍內(nèi)增大;隨著流體飽和度的增加,波速變小,代表介觀流的衰減峰向高頻方向移動(dòng),代表噴射流的衰減峰變化較小;包裹體尺度參數(shù)僅影響介觀流,隨著其增大,介觀流波速頻散過(guò)渡帶和衰減峰向低頻方向移動(dòng);隨著滲透率的增加,波速和衰減曲線整體向高頻方向移動(dòng).