巖石孔隙流體運移中地震波因素研究
發(fā)布時間：2014-08-29 17:55
第一章引言
1.1 問題來源
油井曲線動態(tài)在地震發(fā)生前和地震過程中在時間和空間的分布上，具有與地下流體異常相似的特征。
天然地震在地球的各個地方區(qū)域都會周期性地發(fā)生，在各種自然災害中，地震的破壞后果是最嚴重的。從記載的歷史資料看，強震主要發(fā)生在中國、地中海區(qū)域、印度洋區(qū)域和太平洋區(qū)域。在已知的地震科學領域中, 對于地球地殼流體與天然地震的聯(lián)系越來越受到國內(nèi)外專家學者的密切關注和重視,深入研究地球地下流體與天然地震運動的關系, 就會提高科學的理解地震孕育與發(fā)生過程的可能性, 進一步有效地推進預防地震和地震預測探索的進程。同時, 探索地球深部流體在孕震過程中的地球物理過程和地球化學行為, 研究地球深部流體在孕震過程中的作用和聯(lián)系, 可以全面加深對地震孕震過程的理解，并且合理的解釋地震前兆。以及進一步了解更多關于在地震孕育過程中，地層構(gòu)造，巖體運動和地殼動力機制對石油天然氣成藏與運移的影響，進而提高石油、天然氣和其他能源的開發(fā)和開采效率。
天然地震是自然界一種很普遍也很頻繁的現(xiàn)象，每天都會發(fā)生上萬次，1 年大約會發(fā)生幾百萬次。但是只有很少的一部分才是人類可以感覺出來的，其中 5級以上的對，能夠人類社會造成破壞的地震超過千次。然而地球經(jīng)歷了幾十億年的演化和發(fā)展，在此期間發(fā)生的不同規(guī)模地震難以勝數(shù)，特別是那些大、中型天然地震，這些地震必然會對地球內(nèi)部各種地層的地質(zhì)演化起非常重要的作用。從當今世界發(fā)現(xiàn)的主要油田的分布看，大部分油田現(xiàn)在或曾經(jīng)位于在地質(zhì)歷史中遭受強烈地震的地區(qū)。地球內(nèi)部構(gòu)造運動可滋生和孕育地震，地震活動又可能在地層或者地表留下形跡(如地震斷層、地震裂縫等)。由地球地殼斷裂活動造成的構(gòu)造地震是天然地震中發(fā)生次數(shù)最多最密集、破壞性最嚴重的地震，差不多占總數(shù)的 90%。此外，還包括由地球自然現(xiàn)象引發(fā)的地震如火山地震、塌陷地震和人為因素產(chǎn)生的地震如水庫地震、油田抽油和注水引起的地震。
石油與天然氣是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈，是關系著我國國計民生的緊缺戰(zhàn)略資源。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速迅猛發(fā)展和人民生活質(zhì)量水平的不斷穩(wěn)健提高，我國從以往的石油出口國變成現(xiàn)在的石油進口國， 1999 年我國年產(chǎn)原油 16000 萬噸，然而當年進口原油為 4200 萬噸，到 2002 年的進口原油量竟達到 7000 萬噸，2004年原油產(chǎn)量為 17500 萬噸，進口原油量增長到 11700 萬噸。隨著勘探技術的不斷進步，每年能保持凈增 400 萬噸的原油產(chǎn)量，增長率為 2.5%，但每年原油消費需求的增長為 1500 萬噸，增速為 8%以上。還值得引起重視的是，我國每年原油產(chǎn)量凈增 400 萬噸的局面不會有很大改善（2005 為 500 萬噸），每年的凈進口原油量還有可能超過 1500 萬噸。這就出現(xiàn)了供小于求的問題，預計在 2015 年以后，每年進口原油量將超過 20000 萬噸。2009 年出現(xiàn)新變化：石油的對外依存度達到 51.3%(國家能源局 2010 年報告)，進口比例首次超過了 50%（其中凈進口原油量 19900 萬噸，原油產(chǎn)量為 18900 萬噸）。人口、資源、環(huán)境是國家的長期發(fā)展戰(zhàn)略方針，石油天然氣需求缺口，給國家安全，經(jīng)濟建設與人類社會的健康可持續(xù)發(fā)展帶來一個嚴重的挑戰(zhàn)。隨著國家經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，石油天然氣資源需求大于供給矛盾的愈加突出。隨著 21 世紀初我國加入世貿(mào)組織，石油天然氣消費也出現(xiàn)強勁增長趨勢，從 2000 年 245 億立方米的天然氣消費量增加到2008 年的 720 億立方米消費量，平均天然氣消費增長速率竟然高達 14.4%。隨著石油天然氣傳輸技術和消費設施的進一步發(fā)展和完善，石油天然氣消費市場由油氣田的周邊地區(qū)不斷延伸到經(jīng)濟發(fā)達的較遠地區(qū)，在國家能源系統(tǒng)給出的有效石油天然氣利用政策的指引下，石油天然氣的消費模式也隨著逐漸變化并且不斷優(yōu)化。
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1.2 研究意義
1952 年南加利福尼亞地震曾引起石油鉆井井口壓力明顯增大，有些地方增大到 10 倍。1970 年達格斯坦地震時，距震中 200 多公里的石油開采量都有反應。不同的鉆孔對地震的反應時不同的：有的流量增加，有的減小。
1976 年唐山 7.8 級大地震后，東北部地區(qū)的油田（遼河油田、勝利油田、大港油田）都在開采過程中發(fā)現(xiàn)了油井異常變化。國家能源部門隨后組織了各個油田和能源部門等相關單位開展了關于油井動態(tài)異常與天然地震的一系列專題研究。地球物理學者相當重視此次專題工作，并得出了地震孕育和地震發(fā)生過程對油田區(qū)域有直接或間接的影響，致使地下油氣水動態(tài)出現(xiàn)了異常變化。
研究天然地震的孕育與產(chǎn)生的過程具有非常重要的科學意義，這對地球構(gòu)造運動的調(diào)整和控制油氣晚期成藏具有重要意義。地球地殼構(gòu)造運動不僅能促進地層油氣的生成，富集和成藏，而且后期的地層構(gòu)造斷裂活動可能對下第三系古油氣藏產(chǎn)生一定的破壞作用。
天然地震在孕育和發(fā)生的過程中將改變地層構(gòu)造應力場狀態(tài)，這種改變不僅為石油天然氣在巖體中生成和運移、聚集成藏提供了動力來源，而且應力場的改變也可能對地震整個過程起誘導或者抑制的正反作用。一方面地層構(gòu)造應力場給油氣運移提供了通道并且形成了油氣富集的圈閉構(gòu)造；另一方面由于地震產(chǎn)生的間斷地層應力場改變的瞬間構(gòu)造應力和連續(xù)長期的地層應力場變化為破壞圈閉構(gòu)造和油氣運移提供了動力，并通過影響地層流體應力場和流勢場控制油氣運移的方向。汶川地震后，在 100 公里至 2915 公里的近震區(qū)至極遠震區(qū)，都觀測到了地震引起的地下水位的異常變化，在極震區(qū)、近震區(qū)和遠震區(qū)都發(fā)現(xiàn)有新的天然氣苗頭出現(xiàn)。這表明大地震會引起很大范圍內(nèi)的地下巖石孔隙流體的異常遷移和地下封閉油氣藏的破壞和遷移，并且地震的波及范圍較大。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
油氣在孔滲性差的細碎屑巖中以分散狀態(tài)生成后，儲集到孔滲性好的粗粒裂隙巖中成聚集狀態(tài)，要經(jīng)過復雜的運移過程。富含粒隙、裂隙和溶隙的滲透層、不整合風化殼和斷層構(gòu)成運移層。油氣可以從生成層經(jīng)運移層進入儲集層或直接進入儲集層，并在儲集層內(nèi)再聚集而成藏。在儲集層內(nèi)聚集后，因條件變化，可發(fā)生再運移，形成差異聚集或破壞油氣藏。
在油氣運移過程中，構(gòu)造應力場對運移的動力、運移的方向和運移的流量方面，都起到了極其重要的作用，它是石油運移主要動力決定性因素，控制運移的方向，并影響運移的流量。油氣從生成層運到儲集層，此二層之間要滿足三個力學條件。這三個力學條件分別是：
1.儲集層空隙壓力比生成層低，使油氣從生成層中的高孔隙壓力驅(qū)動下流向地孔隙壓力的儲集層；
2.儲集層孔隙率比生成層大，使石油從密致的生成層流向有充分儲集空間的儲集層；
3.儲集層抗壓實強度比生成層高，是油氣從易于壓實的生成層流入剛性不易壓實而有較好支撐格架的空間來儲集。
第一個是動力條件，第二個是巖體結(jié)構(gòu)條件，第三個是巖體力學性質(zhì)條件。含油氣巖體只要具備足夠的巖體結(jié)構(gòu)條件和力學性質(zhì)條件，那么石油發(fā)生運移的關鍵便取決于動力條件了。
1975年 R.H.Sibson 在《一種流體運移機制——地震泵》一文中提出了地震泵(seismic pumping)模型，指出了地震泵可能是影響地下流體二次運移的重要機制。他認為在高飽和熱液礦床中，地震斷層不僅是流體的滲流管道，在某些情況下也是阻止流體遷移的屏障。流體擴散的后果是在地殼的地震斷層中，重新分配這些流體的體積。他認為含礦熱液的輸運過程由地震所誘發(fā)，反復活動的地震斷層就像一個泵一樣，從較深部位抽出熱液，經(jīng)由斷層輸運到淺部的張開裂隙中，在此裂隙中金屬礦物結(jié)晶析出，形成熱液礦床[8]。
1991年 E.C.D.Hooper 在《地下流體沿地殼生長斷層的運移》一文中引用西布索的地震泵概念解釋了油氣沿斷層的運移，認為流體沿生長斷層的流動具有周期性、突發(fā)性特征，連通成熟油氣源巖的活動斷層能作為油氣運移的通道[10]。
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第二章地震波傳播的正演模擬
地震波傳播數(shù)值模擬（Seismic Numerical Simulation 或 Seismic NumericalModeling），首先假設一個理想的地層介質(zhì)模型，并且設定了該地層模型相對應的巖石彈性物理參量（如，速度、密度、拉梅常數(shù)等）；然后給出一個地震震源；最后模擬分析地震波在該假設的地層介質(zhì)模型中的傳播規(guī)律，研究地震波場在地層介質(zhì)中的分布規(guī)律，并在模型區(qū)域所有觀測點記錄到的地震波記錄進行計算校正，是一種研究地震波傳播和地震波場的正演模擬方法。地震波數(shù)值模擬在地震學領域有著重要的理論基礎，并且地震波傳播數(shù)值模擬方法已經(jīng)在天然地震孕育和產(chǎn)生過程中得到重要的應用。此外，地震波數(shù)值模擬在地震勘探領域也是一門重要的勘探技術，在勘探領域得到了廣泛的運用。地震波數(shù)值模擬方法不僅在能源和礦物勘探（石油、天然氣、煤礦、金屬礦和非金屬礦），工程地球物理勘探和環(huán)境工程地球物理中得到相應的應用，而且在地震預防、地震災害預測、地球地震斷裂帶以及地殼構(gòu)造運動和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)等各種相關聯(lián)的科學領域中，也得到相當廣泛的應用。20 世紀中葉，地震波數(shù)值模擬在地震勘探中產(chǎn)生了量和質(zhì)的變化，地震波數(shù)值模擬方法在地球物理勘探中發(fā)揮著重要的作用。在前期地震勘探的野外數(shù)據(jù)采集中，地震波數(shù)值模擬也可用于野外地震勘探觀測系統(tǒng)設計、地震波的激發(fā)技術和地震波的接收技術，提高野外采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量；在中期的地震勘探資料處理的方法技術中，地震波數(shù)值模擬可用于反射地震資料的偏移處理，提高地震資料的橫向分辨率。
在不同的地層彈性介質(zhì)模型中，由于介質(zhì)波阻抗不同，地震波傳播具有不同的傳播規(guī)律和不同的地震波場分布，因此在不同介質(zhì)中傳播的地震波（如同向介質(zhì)、異相介質(zhì)）需用不同的傳播方程進行描述。最簡單的地層介質(zhì)模型是均勻、各向同性、理想的彈性介質(zhì)。一般地層介質(zhì)模型越復雜，其描述地震波傳播的方程就越復雜，需要運用的計算機技術和硬件設施也就越先進。但隨著地震波傳播理論深入研究和計算機技術不斷發(fā)展和成熟，目前已經(jīng)實現(xiàn)了模擬地震波在實際地層的傳播，2010 年南加州圣迭亞哥超級計算機中心的科學家和南加州大學的地球物理學家完成了南加州 8.0 級大地震的模擬計算，并展示了地震在地層內(nèi)部的震動情景。
地震波按照理論主要包含縱波和剪切波（橫波）。而在理想的地震波數(shù)值模擬中，可以把地震波當作縱波處理。而本文主要從縱波，即聲波方程忽略了地震波的剪切力，和全波方程（正應力和剪應力同時存在）對地震波進行數(shù)值模擬。
2.1 理想地震波動方程
理想的地震波動方程就是在簡單的地層介質(zhì)模型中（均勻、各向同性、理想彈性介質(zhì)）的地震波傳播。根據(jù)固體彈性波動力學理論，地震波滿足（2‐1）式偏微分方程
上式稱為地震波矢量方程，式中矢量U 表示地層介質(zhì)點受外力 ( F )作用后的位移，U =U ( u,v,w )稱為位移矢量，u、v、w是x、y、z 三個坐標軸的位移分量。矢量 F 表示對地層介質(zhì)作用的外力，稱為力矢量，F(xiàn)= F (F x,Fy ,Fz )，F(xiàn)x 、Fy 、Fz為三個外力分量。標量θ稱為體積變化系數(shù)。常數(shù)量λ、μ 為拉梅( Lame )常數(shù)稱作為介質(zhì)的彈性常數(shù)。常數(shù)ρ是地層介質(zhì)的密度。其中位移與體積變化滿足以下關系：
2.1.1 聲波方程
在地震勘探中，目前主要利用的是震源所激發(fā)的縱波，為了計算上的簡單，常把這種縱波當作彈性流體中的聲波來處理。在實際流體中，兩種介質(zhì)相互滑動時，要受到層間相互作用的阻力。這種阻力稱為粘滯力或內(nèi)摩擦力，沿滑動面作用，所以單位面積受到的粘滯力就是剪應力。可以忽略粘滯力的流體稱為理想流體。理想流體只能抵抗壓力而不能抵抗剪切力。無論多么小的剪切力都要引起理想流體內(nèi)層面間的滑動；當剪切力去除后，那些已經(jīng)滑動了的層面并不恢復其原有位置。所以理想流體內(nèi)任意一面元上只有與外法向方向相反的正應力，而剪應力總是等于零的。
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2.2 地震波方程離散
本文主要應用有限差分法對地震波傳播進行數(shù)值模擬。在進行地震波方程求解過程中，由于計算機機制是二進制的比特流，所以在運用計算機對地震波方程計算時，需要對數(shù)據(jù)和模型進行離散，得到一個離散化的結(jié)構(gòu)。就需要把一個物理連續(xù)的地震波傳播方程通過空間離散點，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�離散的地震波傳播方程，而其中又不可避免的包含了對介質(zhì)模型空間的網(wǎng)格離散化，最終就會計算得到離散化的各種縱橫波場分量。但是計算結(jié)果是離散的，就會對結(jié)果產(chǎn)生誤差導致發(fā)散，這時就需要對網(wǎng)格的離散和波場分量離散進行行近似或者逼近處理，從而得到一個收斂的地震波場結(jié)果。
在已知的地震波數(shù)值模擬技術中，有限差分法（the Finite Difference Method）是最先出現(xiàn)的一種數(shù)值模擬方法。有限差分法主要是用泰勒技術展開式將變量的導數(shù)寫成離散變量，在不同時間或空間點值的差分形式的方法。有限差分法是一種偏微分方程的數(shù)值解方法。主要通過對模擬的介質(zhì)區(qū)域用有限個節(jié)點離散化，把連續(xù)的地震波傳播方程，用有限差分算子離散化的地震波動方程來近似，以差分代替微分，于是原微分方程（組）就近似的以有限差分方程（組）表示，解此相關的線性代數(shù)方程（組）就可以得到原問題的近似解。差分法是一種點近似方法，主要步驟是：1.區(qū)域離散化；2.近似替代；3.逼近求解。差分算子是定界區(qū)域網(wǎng)格離散的一個離散變量，在模擬區(qū)域空間的縱橫向分辨率非常高，能很好的適應地層各種巖體狀況的劇烈變化，然而有限差分法的缺點和不足就是在頻率域上的分辨率非常低。時間采樣率和空間采樣率直接影響了有限差分算法的收斂性和穩(wěn)定性，但是算法所需要的內(nèi)存空間小，并且算法的運算速度很快。地震波方程的離散化必然會涉及到地震波場的數(shù)值逼近問題。地震波場的數(shù)值模擬精度一方面依賴于剖分網(wǎng)格的形狀和大小，另一方面取決于離散波場的時間微分和空間微分逼近誤差。本文主要研究交錯網(wǎng)格差分算子方法對地震波傳播方程進行差分離散。交錯網(wǎng)格差分法相比其他差分法，具有網(wǎng)格頻散小更容易逼近，分辨率與精度高，收斂性好，穩(wěn)定性好；并且可以在取相對更長的網(wǎng)格間距和時間步長還能保持相對較高的分辨率和精度，更有效的縮短了算法的運算時間。
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本文編號：8548
1.1 問題來源
油井曲線動態(tài)在地震發(fā)生前和地震過程中在時間和空間的分布上，具有與地下流體異常相似的特征。
天然地震在地球的各個地方區(qū)域都會周期性地發(fā)生，在各種自然災害中，地震的破壞后果是最嚴重的。從記載的歷史資料看，強震主要發(fā)生在中國、地中海區(qū)域、印度洋區(qū)域和太平洋區(qū)域。在已知的地震科學領域中, 對于地球地殼流體與天然地震的聯(lián)系越來越受到國內(nèi)外專家學者的密切關注和重視,深入研究地球地下流體與天然地震運動的關系, 就會提高科學的理解地震孕育與發(fā)生過程的可能性, 進一步有效地推進預防地震和地震預測探索的進程。同時, 探索地球深部流體在孕震過程中的地球物理過程和地球化學行為, 研究地球深部流體在孕震過程中的作用和聯(lián)系, 可以全面加深對地震孕震過程的理解，并且合理的解釋地震前兆。以及進一步了解更多關于在地震孕育過程中，地層構(gòu)造，巖體運動和地殼動力機制對石油天然氣成藏與運移的影響，進而提高石油、天然氣和其他能源的開發(fā)和開采效率。
天然地震是自然界一種很普遍也很頻繁的現(xiàn)象，每天都會發(fā)生上萬次，1 年大約會發(fā)生幾百萬次。但是只有很少的一部分才是人類可以感覺出來的，其中 5級以上的對，能夠人類社會造成破壞的地震超過千次。然而地球經(jīng)歷了幾十億年的演化和發(fā)展，在此期間發(fā)生的不同規(guī)模地震難以勝數(shù)，特別是那些大、中型天然地震，這些地震必然會對地球內(nèi)部各種地層的地質(zhì)演化起非常重要的作用。從當今世界發(fā)現(xiàn)的主要油田的分布看，大部分油田現(xiàn)在或曾經(jīng)位于在地質(zhì)歷史中遭受強烈地震的地區(qū)。地球內(nèi)部構(gòu)造運動可滋生和孕育地震，地震活動又可能在地層或者地表留下形跡(如地震斷層、地震裂縫等)。由地球地殼斷裂活動造成的構(gòu)造地震是天然地震中發(fā)生次數(shù)最多最密集、破壞性最嚴重的地震，差不多占總數(shù)的 90%。此外，還包括由地球自然現(xiàn)象引發(fā)的地震如火山地震、塌陷地震和人為因素產(chǎn)生的地震如水庫地震、油田抽油和注水引起的地震。
石油與天然氣是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈，是關系著我國國計民生的緊缺戰(zhàn)略資源。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速迅猛發(fā)展和人民生活質(zhì)量水平的不斷穩(wěn)健提高，我國從以往的石油出口國變成現(xiàn)在的石油進口國， 1999 年我國年產(chǎn)原油 16000 萬噸，然而當年進口原油為 4200 萬噸，到 2002 年的進口原油量竟達到 7000 萬噸，2004年原油產(chǎn)量為 17500 萬噸，進口原油量增長到 11700 萬噸。隨著勘探技術的不斷進步，每年能保持凈增 400 萬噸的原油產(chǎn)量，增長率為 2.5%，但每年原油消費需求的增長為 1500 萬噸，增速為 8%以上。還值得引起重視的是，我國每年原油產(chǎn)量凈增 400 萬噸的局面不會有很大改善（2005 為 500 萬噸），每年的凈進口原油量還有可能超過 1500 萬噸。這就出現(xiàn)了供小于求的問題，預計在 2015 年以后，每年進口原油量將超過 20000 萬噸。2009 年出現(xiàn)新變化：石油的對外依存度達到 51.3%(國家能源局 2010 年報告)，進口比例首次超過了 50%（其中凈進口原油量 19900 萬噸，原油產(chǎn)量為 18900 萬噸）。人口、資源、環(huán)境是國家的長期發(fā)展戰(zhàn)略方針，石油天然氣需求缺口，給國家安全，經(jīng)濟建設與人類社會的健康可持續(xù)發(fā)展帶來一個嚴重的挑戰(zhàn)。隨著國家經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，石油天然氣資源需求大于供給矛盾的愈加突出。隨著 21 世紀初我國加入世貿(mào)組織，石油天然氣消費也出現(xiàn)強勁增長趨勢，從 2000 年 245 億立方米的天然氣消費量增加到2008 年的 720 億立方米消費量，平均天然氣消費增長速率竟然高達 14.4%。隨著石油天然氣傳輸技術和消費設施的進一步發(fā)展和完善，石油天然氣消費市場由油氣田的周邊地區(qū)不斷延伸到經(jīng)濟發(fā)達的較遠地區(qū)，在國家能源系統(tǒng)給出的有效石油天然氣利用政策的指引下，石油天然氣的消費模式也隨著逐漸變化并且不斷優(yōu)化。
.............................
1.2 研究意義
1952 年南加利福尼亞地震曾引起石油鉆井井口壓力明顯增大，有些地方增大到 10 倍。1970 年達格斯坦地震時，距震中 200 多公里的石油開采量都有反應。不同的鉆孔對地震的反應時不同的：有的流量增加，有的減小。
1976 年唐山 7.8 級大地震后，東北部地區(qū)的油田（遼河油田、勝利油田、大港油田）都在開采過程中發(fā)現(xiàn)了油井異常變化。國家能源部門隨后組織了各個油田和能源部門等相關單位開展了關于油井動態(tài)異常與天然地震的一系列專題研究。地球物理學者相當重視此次專題工作，并得出了地震孕育和地震發(fā)生過程對油田區(qū)域有直接或間接的影響，致使地下油氣水動態(tài)出現(xiàn)了異常變化。
研究天然地震的孕育與產(chǎn)生的過程具有非常重要的科學意義，這對地球構(gòu)造運動的調(diào)整和控制油氣晚期成藏具有重要意義。地球地殼構(gòu)造運動不僅能促進地層油氣的生成，富集和成藏，而且后期的地層構(gòu)造斷裂活動可能對下第三系古油氣藏產(chǎn)生一定的破壞作用。
天然地震在孕育和發(fā)生的過程中將改變地層構(gòu)造應力場狀態(tài)，這種改變不僅為石油天然氣在巖體中生成和運移、聚集成藏提供了動力來源，而且應力場的改變也可能對地震整個過程起誘導或者抑制的正反作用。一方面地層構(gòu)造應力場給油氣運移提供了通道并且形成了油氣富集的圈閉構(gòu)造；另一方面由于地震產(chǎn)生的間斷地層應力場改變的瞬間構(gòu)造應力和連續(xù)長期的地層應力場變化為破壞圈閉構(gòu)造和油氣運移提供了動力，并通過影響地層流體應力場和流勢場控制油氣運移的方向。汶川地震后，在 100 公里至 2915 公里的近震區(qū)至極遠震區(qū)，都觀測到了地震引起的地下水位的異常變化，在極震區(qū)、近震區(qū)和遠震區(qū)都發(fā)現(xiàn)有新的天然氣苗頭出現(xiàn)。這表明大地震會引起很大范圍內(nèi)的地下巖石孔隙流體的異常遷移和地下封閉油氣藏的破壞和遷移，并且地震的波及范圍較大。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
油氣在孔滲性差的細碎屑巖中以分散狀態(tài)生成后，儲集到孔滲性好的粗粒裂隙巖中成聚集狀態(tài)，要經(jīng)過復雜的運移過程。富含粒隙、裂隙和溶隙的滲透層、不整合風化殼和斷層構(gòu)成運移層。油氣可以從生成層經(jīng)運移層進入儲集層或直接進入儲集層，并在儲集層內(nèi)再聚集而成藏。在儲集層內(nèi)聚集后，因條件變化，可發(fā)生再運移，形成差異聚集或破壞油氣藏。
在油氣運移過程中，構(gòu)造應力場對運移的動力、運移的方向和運移的流量方面，都起到了極其重要的作用，它是石油運移主要動力決定性因素，控制運移的方向，并影響運移的流量。油氣從生成層運到儲集層，此二層之間要滿足三個力學條件。這三個力學條件分別是：
1.儲集層空隙壓力比生成層低，使油氣從生成層中的高孔隙壓力驅(qū)動下流向地孔隙壓力的儲集層；
2.儲集層孔隙率比生成層大，使石油從密致的生成層流向有充分儲集空間的儲集層；
3.儲集層抗壓實強度比生成層高，是油氣從易于壓實的生成層流入剛性不易壓實而有較好支撐格架的空間來儲集。
第一個是動力條件，第二個是巖體結(jié)構(gòu)條件，第三個是巖體力學性質(zhì)條件。含油氣巖體只要具備足夠的巖體結(jié)構(gòu)條件和力學性質(zhì)條件，那么石油發(fā)生運移的關鍵便取決于動力條件了。
1975年 R.H.Sibson 在《一種流體運移機制——地震泵》一文中提出了地震泵(seismic pumping)模型，指出了地震泵可能是影響地下流體二次運移的重要機制。他認為在高飽和熱液礦床中，地震斷層不僅是流體的滲流管道，在某些情況下也是阻止流體遷移的屏障。流體擴散的后果是在地殼的地震斷層中，重新分配這些流體的體積。他認為含礦熱液的輸運過程由地震所誘發(fā)，反復活動的地震斷層就像一個泵一樣，從較深部位抽出熱液，經(jīng)由斷層輸運到淺部的張開裂隙中，在此裂隙中金屬礦物結(jié)晶析出，形成熱液礦床[8]。
1991年 E.C.D.Hooper 在《地下流體沿地殼生長斷層的運移》一文中引用西布索的地震泵概念解釋了油氣沿斷層的運移，認為流體沿生長斷層的流動具有周期性、突發(fā)性特征，連通成熟油氣源巖的活動斷層能作為油氣運移的通道[10]。
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第二章地震波傳播的正演模擬
地震波傳播數(shù)值模擬（Seismic Numerical Simulation 或 Seismic NumericalModeling），首先假設一個理想的地層介質(zhì)模型，并且設定了該地層模型相對應的巖石彈性物理參量（如，速度、密度、拉梅常數(shù)等）；然后給出一個地震震源；最后模擬分析地震波在該假設的地層介質(zhì)模型中的傳播規(guī)律，研究地震波場在地層介質(zhì)中的分布規(guī)律，并在模型區(qū)域所有觀測點記錄到的地震波記錄進行計算校正，是一種研究地震波傳播和地震波場的正演模擬方法。地震波數(shù)值模擬在地震學領域有著重要的理論基礎，并且地震波傳播數(shù)值模擬方法已經(jīng)在天然地震孕育和產(chǎn)生過程中得到重要的應用。此外，地震波數(shù)值模擬在地震勘探領域也是一門重要的勘探技術，在勘探領域得到了廣泛的運用。地震波數(shù)值模擬方法不僅在能源和礦物勘探（石油、天然氣、煤礦、金屬礦和非金屬礦），工程地球物理勘探和環(huán)境工程地球物理中得到相應的應用，而且在地震預防、地震災害預測、地球地震斷裂帶以及地殼構(gòu)造運動和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)等各種相關聯(lián)的科學領域中，也得到相當廣泛的應用。20 世紀中葉，地震波數(shù)值模擬在地震勘探中產(chǎn)生了量和質(zhì)的變化，地震波數(shù)值模擬方法在地球物理勘探中發(fā)揮著重要的作用。在前期地震勘探的野外數(shù)據(jù)采集中，地震波數(shù)值模擬也可用于野外地震勘探觀測系統(tǒng)設計、地震波的激發(fā)技術和地震波的接收技術，提高野外采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量；在中期的地震勘探資料處理的方法技術中，地震波數(shù)值模擬可用于反射地震資料的偏移處理，提高地震資料的橫向分辨率。
在不同的地層彈性介質(zhì)模型中，由于介質(zhì)波阻抗不同，地震波傳播具有不同的傳播規(guī)律和不同的地震波場分布，因此在不同介質(zhì)中傳播的地震波（如同向介質(zhì)、異相介質(zhì)）需用不同的傳播方程進行描述。最簡單的地層介質(zhì)模型是均勻、各向同性、理想的彈性介質(zhì)。一般地層介質(zhì)模型越復雜，其描述地震波傳播的方程就越復雜，需要運用的計算機技術和硬件設施也就越先進。但隨著地震波傳播理論深入研究和計算機技術不斷發(fā)展和成熟，目前已經(jīng)實現(xiàn)了模擬地震波在實際地層的傳播，2010 年南加州圣迭亞哥超級計算機中心的科學家和南加州大學的地球物理學家完成了南加州 8.0 級大地震的模擬計算，并展示了地震在地層內(nèi)部的震動情景。
地震波按照理論主要包含縱波和剪切波（橫波）。而在理想的地震波數(shù)值模擬中，可以把地震波當作縱波處理。而本文主要從縱波，即聲波方程忽略了地震波的剪切力，和全波方程（正應力和剪應力同時存在）對地震波進行數(shù)值模擬。
2.1 理想地震波動方程
理想的地震波動方程就是在簡單的地層介質(zhì)模型中（均勻、各向同性、理想彈性介質(zhì)）的地震波傳播。根據(jù)固體彈性波動力學理論，地震波滿足（2‐1）式偏微分方程
上式稱為地震波矢量方程，式中矢量U 表示地層介質(zhì)點受外力 ( F )作用后的位移，U =U ( u,v,w )稱為位移矢量，u、v、w是x、y、z 三個坐標軸的位移分量。矢量 F 表示對地層介質(zhì)作用的外力，稱為力矢量，F(xiàn)= F (F x,Fy ,Fz )，F(xiàn)x 、Fy 、Fz為三個外力分量。標量θ稱為體積變化系數(shù)。常數(shù)量λ、μ 為拉梅( Lame )常數(shù)稱作為介質(zhì)的彈性常數(shù)。常數(shù)ρ是地層介質(zhì)的密度。其中位移與體積變化滿足以下關系：
2.1.1 聲波方程
在地震勘探中，目前主要利用的是震源所激發(fā)的縱波，為了計算上的簡單，常把這種縱波當作彈性流體中的聲波來處理。在實際流體中，兩種介質(zhì)相互滑動時，要受到層間相互作用的阻力。這種阻力稱為粘滯力或內(nèi)摩擦力，沿滑動面作用，所以單位面積受到的粘滯力就是剪應力。可以忽略粘滯力的流體稱為理想流體。理想流體只能抵抗壓力而不能抵抗剪切力。無論多么小的剪切力都要引起理想流體內(nèi)層面間的滑動；當剪切力去除后，那些已經(jīng)滑動了的層面并不恢復其原有位置。所以理想流體內(nèi)任意一面元上只有與外法向方向相反的正應力，而剪應力總是等于零的。
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2.2 地震波方程離散
本文主要應用有限差分法對地震波傳播進行數(shù)值模擬。在進行地震波方程求解過程中，由于計算機機制是二進制的比特流，所以在運用計算機對地震波方程計算時，需要對數(shù)據(jù)和模型進行離散，得到一個離散化的結(jié)構(gòu)。就需要把一個物理連續(xù)的地震波傳播方程通過空間離散點，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�離散的地震波傳播方程，而其中又不可避免的包含了對介質(zhì)模型空間的網(wǎng)格離散化，最終就會計算得到離散化的各種縱橫波場分量。但是計算結(jié)果是離散的，就會對結(jié)果產(chǎn)生誤差導致發(fā)散，這時就需要對網(wǎng)格的離散和波場分量離散進行行近似或者逼近處理，從而得到一個收斂的地震波場結(jié)果。
在已知的地震波數(shù)值模擬技術中，有限差分法（the Finite Difference Method）是最先出現(xiàn)的一種數(shù)值模擬方法。有限差分法主要是用泰勒技術展開式將變量的導數(shù)寫成離散變量，在不同時間或空間點值的差分形式的方法。有限差分法是一種偏微分方程的數(shù)值解方法。主要通過對模擬的介質(zhì)區(qū)域用有限個節(jié)點離散化，把連續(xù)的地震波傳播方程，用有限差分算子離散化的地震波動方程來近似，以差分代替微分，于是原微分方程（組）就近似的以有限差分方程（組）表示，解此相關的線性代數(shù)方程（組）就可以得到原問題的近似解。差分法是一種點近似方法，主要步驟是：1.區(qū)域離散化；2.近似替代；3.逼近求解。差分算子是定界區(qū)域網(wǎng)格離散的一個離散變量，在模擬區(qū)域空間的縱橫向分辨率非常高，能很好的適應地層各種巖體狀況的劇烈變化，然而有限差分法的缺點和不足就是在頻率域上的分辨率非常低。時間采樣率和空間采樣率直接影響了有限差分算法的收斂性和穩(wěn)定性，但是算法所需要的內(nèi)存空間小，并且算法的運算速度很快。地震波方程的離散化必然會涉及到地震波場的數(shù)值逼近問題。地震波場的數(shù)值模擬精度一方面依賴于剖分網(wǎng)格的形狀和大小，另一方面取決于離散波場的時間微分和空間微分逼近誤差。本文主要研究交錯網(wǎng)格差分算子方法對地震波傳播方程進行差分離散。交錯網(wǎng)格差分法相比其他差分法，具有網(wǎng)格頻散小更容易逼近，分辨率與精度高，收斂性好，穩(wěn)定性好；并且可以在取相對更長的網(wǎng)格間距和時間步長還能保持相對較高的分辨率和精度，更有效的縮短了算法的運算時間。
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本文編號：8548
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