基于改进Biot模型的孔隙介质地层地震波反射与透射频散特性研究

为解决复杂含流体储层地震成像精度不足的问题，研究人员通过引入流体因子和泊松比修正Zoeppritz方程，结合骨架黏弹性本构理论和时变状态变量扩展Biot模型，构建了多机制耗散的波动传播模型。数值模拟表明，改进模型在0.1–100 Hz低频段与实验数据高度吻合，能更精准刻画波速频散和能量耗散特征，为储层识别与波场表征提供了新方法。

　　

研究背景
地下资源勘探如同给地球做“CT扫描”，而地震波反射与透射信号是解码地层结构的“摩斯密码”。然而，传统Zoeppritz方程在刻画含流体储层时存在明显局限——就像用老式收音机接收高清信号，难以解析复杂孔隙介质中波动的非线性频散（Dispersion）和能量耗散（Dissipation）行为。中国湖北龙马溪页岩储层等复杂地质环境中，多相流体与多尺度孔隙结构的耦合作用，使得地震波传播呈现强烈的频率依赖性。更棘手的是，经典Biot理论仅考虑固-流摩擦耗散，忽略了骨架黏弹性（Viscoelasticity）和时滞效应（Time-lag effects），导致低频段波速预测偏差可达20%以上。

针对这一难题，中国矿业大学（北京）等单位的研究人员提出了一种融合多机制耗散的改进Biot模型（ImpBiot），相关成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》。该研究通过双重创新：一是将流体因子（Fluid factor）和泊松比（Poisson's ratio）嵌入Zoeppritz方程，增强界面波阻抗不连续性的表征能力；二是在Biot框架中引入非线性黏弹性状态变量，同步考虑松弛耗散（Relaxation dissipation）、骨架耗散（Skeleton dissipation）和固-流摩擦耗散（Frictional dissipation），首次实现了对0.1–100 Hz全频段波场响应的精准模拟。

关键技术方法
研究团队采用理论建模与数值模拟相结合的方法：1）基于骨架黏弹性本构理论推导改进的Zoeppritz方程；2）通过演化状态变量构建时变Biot模型；3）选取湖北江汉盆地龙马溪组页岩样本进行参数敏感性分析；4）采用有限差分法模拟多频段波场响应，并与经典模型对比验证。

研究结果
Modified Zoeppritz equations and coefficient characterization
修正后的方程在入射角30°–60°区间展现出显著优势。当孔隙度从5%增至15%时，传统模型计算的PP波反射系数误差达12%，而改进模型误差控制在3%以内，尤其对含气储层AVO（Amplitude Variation with Offset）特征的捕捉灵敏度提升40%。

Validation of wave dispersion characteristics
在10 Hz低频段，ImpBiot模型模拟的横波速度（V_S）与实验数据吻合度达98%，而经典模型偏差达18%。高频段（>50 Hz）呈现非线性调制效应：当流体饱和度从70%升至90%时，反射系数相位偏移量增加2.7倍，揭示出孔隙流体惯性效应（Inertial effect）的关键影响。

Conclusions
1）ImpBiot模型在0.1–100 Hz频段反射/透射系数呈现显著频率依赖性，相位响应精度较经典模型提升35%；
2）储层参数敏感性分析表明，孔隙度变化10%会导致高频段（>50 Hz）透射能量衰减达15 dB，流体类型差异可产生8°–12°的相位偏移；
3）该模型为深部储层“低频阴影”（Low-frequency shadow）现象提供了新解释——时滞效应与骨架耗散的协同作用导致能量在3–8 Hz频段异常衰减。

意义阐述
这项研究打破了传统波动理论在低频段的“盲区”，如同为地震勘探装上了“高精度变频器”。其创新性体现在：理论层面，首次将多尺度耗散机制统一于时变本构框架；应用层面，可为页岩气“甜点”预测提供频变AVO反演新工具。正如作者团队指出，该模型对鄂西页岩气田实际数据的处理中，储层厚度预测误差从传统方法的20%降至7%，标志着孔隙介质波动理论研究迈入多物理场耦合的新阶段。