建立合理的岩石弹性-地应力（或压力）解析关系对厘清深层高温高压储层岩石物理特征、地震响应规律及地应力预测、储层参数反演具有重要理论及实际意义。然而，基于线性本构关系假设的常规声弹模型在高应力区域预测结果严重发散，难以准确描述实际观测的岩石弹性参数应力非线性依赖性特征（如图1）。为此，研究团队考虑连续应力加载过程，假设整体应力加载过程引起的岩石变形为所有微小应力扰动引起的变形的叠加，建立了包含应力相关弹性模量的非线性积分形式的本构关系式，用以替代常规声弹模型中的线性本构关系。改进的声弹模型解释了实测岩石弹性参数的非线性变化规律，且高应力预测结果可以合理收敛（如图1）。
图1 常规声弹模型（conventional acoustoelasticity model, CAE）和改进声弹模型（improved acoustoelasticity model, IAE）预测的干燥（a）及饱和（b）Fontainebleau砂岩纵横波速度对比
岩石微观裂隙性质的直接测量及预测研究一直是领域难题，而岩石应变相对较容易获取，因此，研究团队联合改进的声弹模型及孔隙结构模型，以加载应力为中间变量，建立了裂隙密度、裂隙孔隙度与岩石应变的直接关系。模拟结果显示，裂隙孔隙度与岩石应变存在较好的线性负相关关系（见图2），该结论有望用于利用宏观岩石变形预测微观岩石裂隙性质。
图2 Fontainebleau砂岩（a）和Vosges砂岩（b）裂隙孔隙度与岩石应变的关系
根据研究团队前期关于岩石孔裂隙应力相关性的分析结果，结合提出的双孔隙频散理论构建了耦合单轴有效应力影响的饱和多孔介质频散模型，进一步联合VRH平均公式、Wood公式、Gassmann流体替换等经典模型，提出了相应的岩石物理建模方法，基于测井数据估算储层纵横波波速。新方法与未考虑初始应力作用的常规方法纵横波估测结果对比显示，新方法估测结果精度较高（见图3），说明了新方法的有效性。
图3 新方法与常规方法纵横波估测结果对比。红色实线、黑色虚线、蓝色实线分别表示新方法估测结果、常规方法估测结果、测井实测曲线
针对初始地应力作用下反射系数方程非线性强、三阶弹性模量难以估算、方程难以有效应用于实际的难题，研究团队聚焦初始水平应力作用下饱和多孔储层介质，创新性地引入了应力诱导各向异性参数以表征介质刚度矩阵及其空间扰动矩阵，一定程度消除了正反演过程中对三阶弹性模量的需要，借助弹性逆散射理论推导了流体因子表示的饱和多孔储层地震反射系数近似方程，耦合地震子波的作用，在贝叶斯反演框架下实现了流体因子地震反演（部分叠前地震数据如图4a所示），进而对含流体储层进行有效刻画（如图4b黑色箭头所示）。
图4 叠前地震剖面（a）和流体因子反演结果（b）
研究成果发表在地球物理领域国际重要期刊Geoenergy Science and Engineering、IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Geophysical Prospecting上，论文通讯作者均为宗兆云教授，第一作者为yh533388银河博士生陈阜斌、李嘉芸，合作者包括yh533388银河的印兴耀教授、yh533388银河博士生郎堃、中国石油化工股份有限公司勘探分公司高级工程师缪志伟和副高级工程师肖伟。
论文信息：Chen Fubin, Zong Zhaoyun*, Yin Xingyao, 2024. Rock elasticity and crack property descriptions using an improved acoustoelasticity model with nonlinear stress-strain relationship. Geoenergy Science and Engineering, 241, 213211.
Chen Fubin, Zong Zhaoyun*, Lang Kun,Li Jiayun, Yin Xingyao,Miao Zhiwei, Xiao Wei, 2024. Geofluid discrimination in stress-induced anisotropic porous reservoirs using seismic AVAZ inversion. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 5931714.
Li Jiayun, Zong Zhaoyun*, Chen Fubin, 2024. A dual-porosity model incorporating uniaxial stress effect and its application in wave velocity estimation with well-logging data. Geophysical Prospecting, 1-20. doi:10.1111/1365-2478.13620.
