基本介紹
- 中文名：本徵衰減
- 外文名：The intrinsic attenuation
- 描述：地震波衰減
- 套用：油氣勘探
- 學科：物理學
概念,方法原理,基於常規測井數據的縱波本徵衰減估計,研究背景,數值試驗,研究結論,
概念
在討論地震波衰減情況是，本徵衰減著重討論均勻流體分布、斑狀或非均勻流體分布兩種情況下部分飽和岩石的縱波模量差異。以經典岩石物理理論和衰減機制認識為基礎，通過分析低頻鬆弛狀態、高頻非鬆弛狀態岩石的彈性模量，討論儲層參數（如孔隙度、泥質含量以及含水飽和度等）與縱波衰減之間的確定性關係。上述方法與模型在陸相砂泥岩地層與海相碳酸鹽岩地層中的適用性通過常規測井資料得到了初步驗證。
方法原理
當地震波在部分飽和岩石或彈性非均勻性岩石中傳播時，會引發岩石內部震盪的流體流。流體在岩石孔隙間流進流出，不斷的將地震波能量轉化為熱能從而了造成地震波的衰減。岩石中波的衰減回響取決於波的頻率。最近的研究共識認為地震勘探頻帶內（大約10～10Hz數量級）的衰減主要由中觀尺度的斑狀部分飽和所造成的非均勻性和完全飽和岩石的彈性非均勻性引起。在部分飽和介質中，當地震波的頻率較低時，岩石孔隙中的水補丁與它周圍區域間的震盪是平衡的，這時的補丁處於“鬆弛”狀態，整個孔隙空間可以看成是水與氣的均勻混合充填；相反，當頻率較高時，波在岩石中震盪的頻率很快，水補丁與外面孔隙之間的震盪在一個波周期內不能平衡，這時的補丁處於“非鬆弛”狀態，孔隙空間等效成孤立的全飽和水補丁與氣補丁。
通常在高頻條件下介質的等效模量會比低頻條件下的等效模量大。這種作用反應到速度上就是高頻部分傳播得更快，即常所說的速度頻散或模量頻散。在粘彈性介質中，模量頻散與品質因子之間具有因果關係，通常由Kramers-Kronig方程來描述。
在部分飽和介質中，當補丁包的體積較小或頻率較低時，飽和補丁與含氣區域之間的振動在波的一個周期內趨於平衡。岩石中的液體完全連通，因此孔隙流體可以看成水與氣的均勻混合。
如果補丁較大或頻率較高，則地震波誘導的壓力變化在一個周期內無法達到平衡。假定：對於部分飽和岩石，所有的水都集中在全飽和的水補丁中，剩餘區域則充滿了氣，並且水飽和補丁與氣飽和補丁中的剪下模量相等。這樣，部分飽和介質中的等效壓縮模量可以看成是全飽和岩石壓縮模量與含氣岩石壓縮模量的調和平均。
當孔隙岩石為全飽和時，中觀尺度下岩石的彈性非均勻性同樣可以造成地震波的衰減。對於含水飽和度為1的非儲層沉積地層，仍可以用同樣的因果關係來估算背景衰減。這時需要分時窗進行分析，假設一個時窗內具有非均勻性的岩石可以被分解成一系列的均勻成分，每個成分都有不同的孔隙度及乾岩石模量。
基於常規測井數據的縱波本徵衰減估計
研究背景
地震波衰減通常是指傳播過程中與波前幾何擴散、透射損失無關的振幅減弱現象。這個過程常伴隨著速度隨頻率的變化，即頻散效應。地震波衰減包括散射衰減和本徵衰減兩部分。散射衰減由介質彈性參數非均勻性引起，而本徵衰減與地層參數有關，對岩性及流體性質（如含水飽和度、孔隙度、滲透率和粘滯性等）很敏感，因此通常被作為一種重要的儲層及流體指示參數。Klimentos和Mccann（1990）發現隨著粘土含量和孔隙度的增加，衰減會逐漸增大而速度則逐漸減小。Koesoemadinata和Mcmechan（2001）對多組實驗結果進行統計之後也發現了這一特點。Dvorkin等人（2003）提出把地震波的衰減因子作為尋找甲烷水合物的指示。另一方面，前人研究發現，地震波的衰減通常還伴隨著速度頻散，Rapoport等人（1994）發表了一系列文章討論了將衰減及速度頻散分析（AVD）作為尋找油氣資源的重要依據。
對於地震頻帶內的本徵衰減，其機制仍然不完全清楚。但幾乎所有關於本徵衰減的理論都是基於這樣一個事實：彈性波在乾燥岩石中不存在衰減，衰減主要是由波誘導的流體在岩石骨架中震盪並轉化成熱能造成，其它的衰減機制只占了視衰減中很小的一部分。波誘導的粘滯性流體在部分飽和岩石中的作用尤為明顯，它可以在充滿氣的孔隙中流進流出造成能量的損失。而在完全飽和的岩石中，由於岩石的彈性非均勻性，這種粘滯流體同樣存在。岩石各部分通常具有不同的模量，因而在受到應力時會發生不同的形變。較軟岩石的形變數總是大於較硬的岩石，不均勻的形變導致了粘滯性流體在軟硬岩石間的流動。實際上，波誘導的流體流在所有尺度上都會發生，包括：“巨觀”波長尺度、“微觀”顆粒尺度以及“中觀”（大於顆粒而小于波長）尺度。Johnson（2001）嘗試著建立由岩性變化與部分補丁飽和所引起的中觀尺度波誘導流體流的模型。Pride（2003）等證明了觀測到的地震波衰減可以用中觀尺度的非均勻性所引起的流體流來解釋。不過，按這些模型進行本徵衰減定量估計卻非常困難。一方面，實際衰減可能與多種機制有關，計算中需要的參數之間又相互依賴。另一方面，理論模型中的一些參數在實際中很難測量得到（如滲透率）。因此，迫切需要一個行之有效的估算衰減的方法。Dvorkin（2004）等人提出了一種針對部分飽和介質的衰減模型，該模型通過研究模量隨頻率的變化來定量估算品質因子。Dvorkin和Mavko（2006）將該方法套用於全飽和介質（非儲層）中來估算背景衰減。
表1 試驗所需參數表
數值試驗
（1）多礦物組分岩石的衰減因子
這裡考慮可以作為良好儲層的陸相碎屑岩，並將其等效成石英、粘土的混合。表1中給出了試驗需要的參數。圖1為得到的碎屑岩在高、低頻條件下的壓縮模量及衰減隨含水飽和度的變化曲線。可以看出：低頻模量隨含水飽和度變化緩慢，而高頻模量則變化較快。當含水飽和度在0.9左右時，二者的差別最大，對應著最大的衰減值。在乾岩石或全飽和岩石中，高、低頻模量無差別，因而不存在由斑狀部分飽和所引起的地震波衰減。由此可知，大的衰減值往往指示了含氣岩石的存在，並且當岩石含有少量氣體時，衰減達到最大。圖2為不同孔隙度的衰減曲線對比，從圖中可以得出結論：當岩石可以等效成兩種或多種礦物的均勻混合時，在其它條件不變的情況下，岩石孔隙度的增加會造成由斑狀部分飽和所引起的地震波衰減的增加。
圖1 陸相碎屑岩高、 低頻壓縮模量及衰減曲線隨含水飽和度變化
圖2 不同孔隙度的衰減曲線隨含水飽和度變化
（2）陸相碎屑岩地層測井資料衰減因子估算
這裡基於常規測井資料（無橫波數據）對比分析最大衰減因子與儲層參數的關係。為了說明方法的適用性，首先選取陸相碎屑岩地層測井資料（A井）來分析。儲層分布於三千米以下的碎屑岩地層中，岩性以砂泥岩為主，且孔隙較為發育。估算的斑狀部分飽和岩石縱波最大衰減係數與含氣儲層有較好的對應關係。這表明本文衰減分析方法在高孔隙度砂泥岩地層中非常有效。另外，對比部分飽和衰減曲線和總衰減曲線發現，完全飽和岩石的彈性非均勻性亦可造成較大的本徵衰減（也與波誘導的局部流體流有關），且量級與含氣儲層引起的衰減相當。因此應該注意，在利用地面地震資料估計的衰減可能是這兩種本徵衰減的和，甚至還可能包含散射衰減。
研究結論
從衰減機制認識入手，基於經典的岩石物理關係討論了含流體孔隙介質縱波本徵衰減分析方法。其核心思想是，由於部分飽和岩石或完全飽和岩石存在非均勻性，地震波在岩石中傳播時會誘導粘滯性的局部流體流，造成能量衰減與速度頻散。對部分飽和岩石，低頻（均勻流體分布）與高頻（流體呈斑狀或非均勻分布）情況下縱波彈性模量差異可以反映由儲層引起的衰減強度；對完全飽和岩石，與介質彈性非均勻性相關的高、低頻模量差異代表了背景衰減的強度。所謂的本徵衰減是指這兩種衰減效應之和，相應的岩石物理方程揭示了孔隙度、礦物組分（如泥質含量）、含水飽和度等參數對縱波本徵衰減的影響。
數值試驗表明，斑狀部分飽和含氣層段具有明顯的縱波衰減；在完全飽和岩石中，如果不存在彈性非均勻性，則幾乎不存在衰減，反之也可能引起縱波的衰減（文中稱為背景衰減）。這表明利用地震資料提取的衰減參數可以在一定程度上作為一種儲層與流體指示因子。但同時也要注意地震資料衰減分析結果中同樣含有由地層彈性非均勻性引起的背景衰減甚至地層散射衰減的成分，利用縱波衰減信息判斷儲層及其含氣性仍然存在較大的不確定性。這種岩石物理分析方法為測井約束的地震資料衰減估計與含油氣性預測奠定了基礎，今後還將討論橫波本徵衰減的分析方法。
