饱和多孔微极介质的波动方程及其势函数方程

土是由一定尺寸大小颗粒所构成的多孔介质,具有明显的颗粒特性,当土颗粒间的孔隙被流体（如水或油）充满时则成为饱和土.利用微极理论和Biot波动理论的研究成果,把饱和土中多孔固体骨架部分近似地视为微极介质,孔隙中的流体部分视为质点介质,获得饱和多孔微极介质的弹性波动方程.借鉴Greetsma理论,建立了饱和多孔微极介质弹性本构方程力学参数与相应单相介质弹性参数的相互关系,使饱和多孔微极介质弹性波动方程中的物理参数具有明确的物理意义,易于在试验中确定.运用场论理论把饱和多孔微极介质的波动方程简化为势函数方程,建立了饱和多孔微极介质中五种弹性波的弥散方程,数值分析了五种简谐体波在无限饱和多孔微极介质中的传播特性. 结果表明,P1波、P2波和剪切S1波的波速弥散曲线与经典饱和多孔介质基本相同,当频率小于临界频率ω0时旋转纵波θ波和横波S2波不存在,当频率大于临界频率ω0时,θ波和S2波的传播速度随频率增加而减小.     

基于Kelvin-Voigt黏弹性骨架的含非饱和流体孔隙介质BISQ模型(英文)

本文综合考虑了在波传播过程中孔隙介质的三种重要力学机制——"Biot流动机制一squirt流动机制-固体骨架黏弹性机制",借鉴等效介质思想,将含水饱和度引入波动力学控制方程,并考虑了不同波频率下孔隙流体分布模式对其等效体积模量的影响,给出了能处理含粘滞性非饱和流体孔隙介质中波传播问题的黏弹性Biot/squirt(BISQ)模型。推导了时间-空间域的波动力学方程组,由一组平面谐波解假设,给出频率-波数域黏弹性BISQ模型的相速度和衰减系数表达式。基于数值算例分析了含水饱和度、渗透率与频率对纵波速度和衰减的影响,并结合致密砂岩和碳酸盐岩的实测数据,对非饱和情况下的储层纵波速度进行了外推,碳酸盐岩储层中纵波速度对含气饱和度的敏感性明显低于砂岩储层。     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.     

粘弹性VTI介质地震波模拟特征分析

本文首先利用有限差分法分别对弹性和粘弹性VTI介质进行地震波传播数值模拟，并针对波场快照和波场记录特征，分析不同品质因子组合对波场能量衰减和频率吸收作用的影响.结果表明：对应于膨胀滞弹性形变的品质因子变化主要影响qP波的能量衰减；对应于剪切滞弹性形变的品质因子变化主要影响qSV波的能量衰减；对于qSH波，两个品质因子分别对应于垂直和水平方向的能量衰减；品质因子较小时，qSV波和qSH波的频率向低频方向移动，qP波频率变化不明显.     

基于BISQ模型双相各向同性介质弹性波传播的频率-空间域有限差分模拟

BISQ模型同时包含了合流体孔隙介质中Biot流动和喷射流动两种重要的力学机制.基于BISQ模型的双相各向同性介质弹性波波动方程是一个复变系数偏微分方程组.本文率先建立了该方程的25点频率-空间域有限差分数值解法,在理想相界和黏滞相界情况下,对Biot流动和喷射流动共同作用下的双相各向同性介质中的波传播进行了数值模拟,通过与仅受Biot流动作用下的波场模拟结果的对比,分析了两种机制耦合作用对弹性波传播的影响.同时,本文也研究了波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征.数值模拟结果表明:在Biot流动和喷射流动耦合作用下,双相介质中传播的快P波的速度和振幅都小于仅考虑Biot流动的双相介质中的快P波,且慢P波的衰减也更为强烈,而S波的波速和振幅则无明显差异.这表明局部喷射流动对P波的衰减和频散具有重要影响,而对S波的影响较小;慢P波的强烈衰减使得其在波场快照中无法被观测到,双层双相介质中的波传播现象类似于单相介质的情况.同时本文的研究结果也表明,频率-空间域有限差分法在基于BISQ模型的双相介质中波传播数值模拟中的正确性和有效性,为开展孔隙弹性介质全波形反演问题的研究提供了研究基础.     

多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.     

平面S波在饱和多孔热弹性介质边界的反射问题研究

针对饱和多孔介质中热弹性波的传播特性问题,基于多孔介质理论和广义的热弹性模型,研究平面S波在饱和多孔热弹性介质边界上的反射问题。以考虑流-固耦合的饱和多孔介质波动方程和热-弹耦合的广义热弹性基本方程出发,建立饱和多孔介质的热-流-固耦合弹性波动模型。通过引入势函数并考虑自由透水和绝热的边界条件,经过理论推导最终给出在饱和多孔热弹性介质边界上的四种反射波的振幅反射率的理论表达式。在此基础上进行数值计算,分别讨论平面S波的入射频率、入射角和热膨胀系数等参数对四种反射波的振幅反射率的影响情况。结果表明:各反射波的振幅反射率分别随频率和热膨胀系数的增大而增大,同时也受到平面S波入射角变化的影响。该结论对于土动力学的理论研究及其相关的工程勘探具有一定的指导意义。     

流体饱和多孔隙介质弹性波方程边界元解法研究

基于流体饱和多孔隙各向同性介质模型,本文首先推导了流体饱和多孔隙介质中弹性波传播的频率域系统动力方程及边界积分方程,然后给出了流体饱和多孔隙介质弹性波方程的基本解,最后,利用本文给出的边界元方法对流体饱和多孔隙各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟.结果表明：不论是从固相位移,还是液相位移的地震合成记录都能看到明显的慢速P波,本文提出的流体饱和多孔隙介质弹性波边界元法是有效可行的.     

流体分布对松散介质中P波速度和衰减的影响

为了深入研究流体对岩石中弹性波速度和衰减的影响,必须考虑到流体的分布和粘性。引入气体包裹体模型来研究粘性流体的分布对松散介质中P波速度和衰减的影响,用气泡平均半径来描述流体分布的不均匀性,计算了不同气泡半径和频率下P波速度和衰减随饱和度变化的曲线,并与有效流体模型作了比较,由于流体喷流的存在会使Gassmann方程在高频下不适用,用干燥和饱和流体的P波、S波速度修正了理论曲线。测量了玻璃微珠中不同水饱和度下高频P波的速度和衰减,并尝试用峰值频率来计算衰减。此方法求出的Q和频谱比法求出的Q在干燥或饱和水时基本相同,随饱和度的变化规律也基本一致,但衰减峰的大小有差异。根据实测值得似事经修正的波速和衰减理论曲线从而估算出气泡平均半径,认为P波速度和衰减不仅与饱和度有关而且也与介质内部气体－液体压力平衡有关。     

非饱和土中剪切S波的传播特性分析

基于对非饱和多孔介质的研究成果,考虑孔隙中的液相和气相的相互影响,研究非饱和土地基中剪切S波的传播特性。通过非饱和土中固相、液相和气相的质量平衡方程、动量平衡方程和非饱和土有效应力原理,建立问题的弹性波动方程,经过理论推导给出非饱和土中剪切S波的弥散特征方程。通过数值算例分析剪切S波的波速和衰减系数随饱和度、频率和固有渗透系数等因素的变化规律。结果表明,剪切S波的波速几乎不受饱和度的影响,但其随着频率的增大而减小,随着固有渗透系数的增大先不变后增大;剪切S波的衰减系数随着饱和度和频率的增加均增大,而随着固有渗透系数的增大先不变后增大最后减小。     

双相介质分界面上弹性波的反射与透射

本文基于Biot理论,推导出Zoeppritz形式的双相介质分界面上弹性波的反射与透射公式,对单相Zoeppritz公式与双相反射系数公式进行了比较,对双相介质含油、水、气不同流体时的反射规律以及孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数对纵波反射的影响进行了研究.数值模拟分析表明,双相与单相反射公式的主要差异在于双相介质反射公式中考虑了液相、固液耦合相弹性模量的影响;油砂、水砂、气砂岩的慢P波反射差异明显;快P波反射对孔隙度的变化敏感,饱和度次之,对渗透率和频率的变化不敏感.     

含两项不混合/单项黏性流体孔隙介质分界面上反透射系数特征研究

弹性孔隙介质分界面上的反透射系数特征,在岩性划分、流体识别、储层边界判识等方面有重要的应用.本文研究上层为含两项不混合黏性流体孔隙介质、下层为含单项黏性流体孔隙介质分界面上的反透射理论.首先根据两种孔隙介质分界面上的能量守恒得到边界条件,再将波函数、位移、应力与应变关系代入边界条件,推导出完全连通孔隙情况下,第一类纵波入射到孔隙介质分界面上的反透射系数方程.通过建立砂岩孔隙介质模型,分别分析不同孔隙流体类型、不同含油饱和度及不同入射角情况下,各类波的反透射系数特征.研究表明,第二、三类纵波反透射系数数值比第一类纵波小多个数量级,且两者对入射角的变化不敏感,但对孔隙流体性质、含油饱和度的变化较敏感,而横波反透射系数特征恰好与此相反;第一类纵波反透射系数特征比较复杂,入射角、孔隙流体的性质及含油饱和度的变化都对其产生影响.不同孔隙流体弹性物性的差异、孔隙介质中含油饱和度的变化及不同入射角引起垂向和切向应力分量的变化都会影响各类波的反透射系数特征,分析这些特征可以为研究储层含油气性提供理论基础.     

饱和度对波在土层交界面的反射、透射系数的影响

把均匀流体概念引入Biot两相多孔介质动力理论中，用Biot的两相多孔介质模型模拟不完全饱和土层，给出SV波，P波从不完全饱和土层入射到弹性土层时，在土层交界面上反射，透射系数的表达式，结果表明与完全饱和相比，饱和度发生很小的变化就会对交界面上反射，透射系数产生很大的影响。今后应该重视饱和度变化对地震动力响应的影响。     

Propagation and attenuation of Rayleigh waves in a semi-infinite unsaturated poroelastic medium

An analytical model for describing the propagation and attenuation of Rayleigh waves along the free surface of an elastic porous medium containing two immiscible, viscous, compressible fluids is developed in the present study based on the poroelastic equations formulated by Lo et al. [Lo WC, Sposito G, Majer E. Wave propagation through elastic porous media containing two immiscible fluids. Water Resour Res 2005;41:W02025]. The dispersion equation obtained is complex-valued due to viscous dissipation resulting from the relative motion of the solid to the pore fluids. As an excitation frequency is stipulated, the dispersion equation that is a cubic polynomial is numerically solved to determine the phase speed and attenuation coefficient of Rayleigh waves in Columbia fine sandy loam permeated by an air–water mixture. Our numerical results show that, corresponding to three dilatational waves, there is also the existence of three different modes of Rayleigh wave in an unsaturated porous medium, which are designated as the R1, R2, and R3 waves in descending order of phase speed, respectively. The phase speed of the R1 wave is non-dispersive (frequency-independent) in the frequency range we examined (10 Hz–10 kHz) and decreases as water saturation increases, whose magnitude ranges from 20% to 49% of that of the first dilatational wave with respect to water content. However, it is revealed numerically that the R2 and R3 waves are functions of excitation frequency. Given the same water saturation and excitation frequency, the phase speeds of the R2 and R3 waves are found to be approximately 90% of those of the second and third dilatational waves, respectively. The R1 wave has the lowest attenuation coefficient whereas the R3 wave attenuates highest.     

含流体孔隙介质中面波的传播特性及应用

基于单相介质中地震波理论的高频面波法已广泛应用于求取浅地表S波的速度.然而水文地质条件表明,普遍的浅地表地球介质富含孔隙.孔隙中充填的流体会显著地影响面波在浅地表的传播,进而造成频散和衰减的变化.本文研究了地震勘探频段内针对含流体孔隙介质边界条件的面波的传播特性.孔隙流体在自由表面存在完全疏通、完全闭合以及部分疏通的情况.孔隙单一流体饱和时,任何流体边界条件下存在R1模式波,与弹性介质中的Rayleigh波类似,相速度稍小于S波并在地震记录中显示强振幅.由于介质的内在衰减,R1在均匀半空间中也存在频散,相速度和衰减在不同流体边界下存在差异.Biot固流耦合系数(孔隙流体黏滞度与骨架渗透率之比)控制频散的特征频率,高耦合系数会在地震勘探频带内明显消除这种差异.介质的迂曲度等其他物性参数对不同流体边界下的R1波的影响也有不同的敏感度.完全闭合和部分疏通流体边界下存在R2模式波,相速度略低于慢P波.在多数条件下,如慢P波在时频响应中难以观察到.但是在耦合系数较低时会显现,一定条件下甚至会以非物理波形式接收R1波的辐射,显示强振幅.浅表风化层低速带存在,震源激发时的运动会显著影响面波的传播.对于接收点径向运动会造成面波的Doppler频移,横向运动会造成面波的时频畸变.孔隙存在多相流体时,中观尺度下不均匀斑块饱和能很好地解释体波在地震频带内的衰减.快P波受到斑块饱和显著影响,R1波与快P波有更明显关联,与完全饱和模型中不同,也更易于等效模型建立.频散特征频率受孔隙空间不同流体成分比例变化的控制,为面波方法探测浅地表流体分布与迁移提供可能性.通常情况孔隙介质频散特征频率较高,标准线性黏弹性固体可以在相对低频的地震勘探频带内等效表征孔隙介质中R1波的传播特征,特别在时域,可在面波成像反演建模中应用.     

Scattering of plane P waves by circular-arc alluvial valleys with saturated soil deposits

This paper presents an analytical solution for two-dimensional scattering and diffraction of plane P waves by circular-arc alluvial valleys with shallow saturated soil deposits. The solution is based on Biot's dynamic theory for saturated porous media, and derived by employing Fourier–Bessel series expansion technique. In this analysis, soil deposits in the circular-arc valley are modeled as saturated porous media based on Biot's dynamic theory, and the circular-arc valley is assumed to be imbedded in an infinite half-space, filled with elastic single-phase media. Numerical results from this solution show that the amplitudes of displacement at the surface of an alluvial valley are mainly relative to the angle of incidence, the dimensionless frequency of incident P wave, the degree of saturation and porosity of soil deposits, and the stiffness and Poisson's ratio of the solid skeleton of the soil deposits. Furthermore, the proposed solution is compared with the previous solution, in which the soil deposit was modeled as an elastic single-phase solid.     

波在饱含流体的孔隙介质中的传播问题

考虑到流体的可压缩性,笔者进一步发展了以前的结果。引进了准微观连续条件的概念,直接联合应用流体动力学方程和固体的弹性或粘弹性力学方程,即得到了此种介质的动力学方程组,其中直接引用了流体和固体的弹性（或粘弹性）系数,较之Biot从物理考虑而建立的应力-应变关系中的后两个常数Q、R具有更明确的物理意义,因而更便于用常规的方法确定。证明了,此种无限介质中通常具有两种P波和一种S波,且具阻尼和频散效应。对于几种极端情况可以明确地得到固体波和流体波,有助于近似地解释一些地球物理和声学现象。文中还指出了区分两种典型的计算模型的重要意义。