碳酸盐岩孔隙结构异常复杂,非均质性显著,孔隙度不能直接反映其压实程度,常规地层压力预测方法不适于碳酸盐岩地层。基于等效介质理论和常规地层压力预测模型的分析计算表明,孔隙结构差异造成的速度-孔隙度关系分散使常规方法预测碳酸盐岩地层压力结果误差较大。在孔隙度相同的情况下,裂缝等“软”孔隙使碳酸盐岩纵波速度异常低、常规方法预测的地层压力偏高,容易导致井漏、储层污染等问题;溶洞、铸模孔等“硬”孔隙使碳酸盐岩纵波速度异常高、常规方法预测的地层压力偏低,易发生溢流、井涌等复杂情况。因此弹性波在碳酸盐岩中传播速度的描述除了考虑孔隙度,至少还应该考虑孔隙结构的影响。为了定量描述碳酸盐岩孔隙结构对其弹性波传播特性的影响,本文采用实验和数值模拟的方法开展了系统的研究。在实验方面,经过大量探索试验,形成了一套模拟多重孔隙结构岩石的物理模型构建方法。以天然碳酸盐岩岩屑和环氧树脂胶结剂的混合固结物为岩石骨架,在碳酸盐岩岩屑颗粒之间形成粒间孔隙,在岩心制备过程中,随机加入预先设计好的不同形状、尺寸、数量的次生孔隙模拟材料,实现对次生孔隙结构参数的定量控制。在此基础上,根据控制变量法原理,构建了72块不同孔隙结构的碳酸盐岩物理模型,并测量了其纵、横波速度。实验结果表明,原生孔隙对碳酸盐岩速度的影响可用常规的砂岩速度-孔隙度经验关系描述,次生孔隙对碳酸盐岩速度的影响除了考虑次生孔隙度外,还要考虑次生孔隙纵横比和次生孔隙尺寸的影响。在相同孔隙度时,次生孔隙纵横比越大、次生孔隙尺寸越大,岩石的纵、横波速度越高。通过对实验数据的定量分析,建立了长波长条件下多重孔隙结构碳酸盐岩的一般速度预测模型。根据不同孔隙结构人造岩心的测量结果,分析检验了不同等效介质模型对多重孔隙结构碳酸盐岩的有效性:对于多重孔隙结构碳酸盐岩,如果次生孔隙尺寸相对较小,采用SC模型预测更为合适,如果次生孔隙尺寸相对较大,采用KT模型或DEM模型预测更为准确。在数值模拟方面,基于相似原理和波动理论,在采用岩心数字图像提取孔隙结构参数的基础上,建立了一种弹性波在复杂孔隙结构多孔介质中传播的孔隙尺度数值模拟方法,并以天然岩心实验数据验证了该数值模拟方法的可靠性。采用孔隙尺度数值模拟方法,定量分析了碳酸盐岩孔隙结构对弹性波传播速度和散射衰减的影响。计算结果和实验验证一致表明,纵波速度随孔隙纵横比的增大而呈幂函数规律增大;孔隙度越大、孔隙纵横比越低、孔隙流体的纵波阻抗越小,与λ/d相关的岩石速度分散越显著。孔隙空间分布、孔隙尺寸、孔隙纵横比和孔隙密度是影响弹性波在碳酸盐岩中散射衰减的重要因素,在长波长条件下,碳酸盐岩的散射衰减系数随纵横比的增大呈指数规律增大,随孔隙密度的增大而呈幂函数规律增大。另外专门制备了8块含中空、多重孔隙结构的碳酸盐岩人造岩心,针对孔隙结构与孔隙流体联合作用下碳酸盐岩的弹性模量和速度变化进行了研究。分别测量了空气、盐水、煤油饱和时的纵、横波速度。结果表明,流体饱和后,碳酸盐岩的弹性模量变化随次生孔隙度的增大而增大;盐水饱和后,含裂隙岩心主要因为粘滞耦合作用而剪切增强,表现出横波速度异常高,含溶孔岩心则主要因为极性流体造成的表面能降低而剪切减弱,其横波速度异常低;煤油饱和后,含裂隙岩心和含溶孔岩心的剪切模量均增大,速度异常高,但含裂隙岩心的剪切增强更显著,主要是因为低纵横比裂隙中粘滞耦合更为活跃。目前广泛应用的Gassmann方程对于含裂隙、溶孔等次生孔隙碳酸盐岩的速度预测结果偏差较大,这种偏差主要受流体饱和后剪切模量变化的影响。对流体饱和后表现为剪切增强的岩心,Gassmann方程预测结果偏低,对于饱和后表现为剪切减弱的岩心,Gassmann方程预测结果偏高。剪切模量变化越大,Gassmann方程预测结果的偏差就越大。