地震波对岩石孔隙流体运移的影响研究

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本文的主要研究内容是地震波动压力对岩石孔隙流体渗流的助推作用。
  在不同的介质模型中,地震波传播有不同的规律,这种不同的传播规律需用不同的传播方程描述。一般而言,介质模型越复杂,其描述地震波传播的方程就越复杂。通常来说,研究地震波的传播问题是由简单介质模型到复杂介质模型,而均匀、各向同性、理想弹性介质是一种最简单的介质模型。本文首先从弹性波的基本理论出发,推导出声场波动方程和完全波动方程;然后根据地震波传播特征,建立了高精度差分格式,结合最佳匹配层吸收的边界条件和稳定性条件分别对地震波全波场方程和声场方程进行了正演数值模拟。并且对地震波声场和全波场方程数值模拟结果进行了分析。
  本文讨论了当地震波传播到油气藏区域时,多孔隙介质中流体流动的力学机制;并基于流动的力学机制,建立了多孔隙介质中的地震波传播理论模型。从Biot模型、Carcione模型和Squirt喷射流模型出发,研究了经典的双孔隙介质的BISQ(Biot-Squirt)模型。从包含这种力学机制的孔隙地震波方程出发,讨论了BISQ模型的特点:1.描述了流固耦合作用与地震波相应的影响;2.模型充分分析了孔隙介质的双相特点,指出了流体粘滞力控制了孔隙流体的相对运动,也是地震波在孔隙双相介质中传播发生衰减的重要机理;3.当两种类型孔隙中的流体存在压力梯度时,流体在这两种类型孔隙间存在标量流动。并利用有限差分法对含流体孔隙介质的地震波进行了数值模拟,得到了流固耦合模型中流体受到的压力。
  重新对地震台站接收到的地震波记录图进行了拟合,得到一个简单的震源时间函数。并结合龙门山的实际情况,把模拟区域分为碎屑岩层、碳酸盐层及基底。结合Courant稳定性条件和完全匹配边界吸收层,应用交错网格高阶差分法对声波方程进行了数值模拟。对于全波方程,利用马德堂教授提出的纵横波分解方法进行数值模拟。模拟得到了混合波场、纯纵波、纯横波波场快照和目的流体层的地震波震相图,并以此为流固耦合的初始震源,对BISQ模型进行了数值模拟,最后得到了目的流体层受到的地震波压力图。
  对川西地区4口气井在地震前后的油压、产气量和产水量变化情况进行了分析研究,表明汶川地震后油压、日产气量和日产水量出现了显著的异常。说明在汶川地震后,流体层受到的地震波动压力增强,导致了地层孔隙压力增大,并对地层构造产生了细微的变化,进而引起该地区产气量和产水量在地震后的异常。地震时,流体会受到一个地震波压力(由流固耦合数值模拟得到)。对地震波产生的流体压力与流体受到的地层应力(由川西气井数据拟合得到)进行了相对大小的比较。讨论了当地震波产生的瞬时压力远远大于地层应力对流体的作用时,地震波动压可能对流体流势起主导作用,即流体可能会沿着地震波方向发生运移。
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