大理岩的剪切波分裂对差应力变化响应的实验研究

利用ＤＺ９５型多通道瞬态波形记录仪和ＧＣ－１００型工程多波参数分析仪,对山东莱州大理岩进行了剪切波分裂观测研究．通过两组岩样的测量,在带有自然优势定向排列裂缝的岩样在无加载状态下发现剪切波的分裂现象,而带有优势层理走向的完整岩石则在加载到一定程度下才能观测到剪切波的分裂．随着载荷的增加,多数岩样在临近破坏时都记录到剪切波分裂的时间延迟有一个迅速的抬升,但抬升之前的变化过程不同,不同位置的观测结果也大不相同．实验还发现,在一定压力下,即使载荷保持不变或卸载一加载,岩石中剪切波分裂的时间延迟仍然增加,我们称之为“惯性生长”．在实验中,还少量地记录到一些声发射事件,和人工源的效果一样,也可在接收波形中清楚地分辨出剪切波的分裂．     

拼合岩样受力时的变形和波速异常特征

本文选用不同的加载速率对完整岩样和多块拚合岩样,进行单轴压缩试验,观测样品的变形特征和波速异常特征,初步得到拼合岩样与完整岩样在强度、变形、波速异常等方面存在着一定的差异,但在波速异常时间、尾波衰减率及频谱特征等方面又显示某些相似性。     

不同温压条件下蛇纹岩和角闪岩中波速与衰减的各向异性

在实验室中研究了蛇纹岩和角闪岩样品在不同温压条件下的纵、横波速度和Q值．这两种岩样对应的主要组成矿物叶蛇纹石和普通角闪石都具有很强的晶格优选方位（LPO）．随着围压的增加,波速和Q值均增大,但是在相互正交的三个方向上（垂直或平行于层理面及线理方向）增大的速度并不相同,这与微裂隙的逐渐闭合密切相关．在600MPa的围压下升高温度直到600℃以上,由于微裂隙的热扩张受到约束,波速和Q值下降幅度很小．观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的机理,波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的LPO等构造因素有关;高围压下纵波Q值各向异性与速度各向异性正好相反,可能是由于形成层理面的定向排列的平板状矿物晶体沿不同方向边界之间接触程度不同造成的．     

三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系实验研究

煤的孔隙率影响煤的吸附、渗透能力,且它也是衡量煤体内部结构及孔、裂隙发育状况的重要指标.而水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,且瓦斯抽采量也会受到含水煤层的影响,为更客观地了解含水煤层状态下的孔隙率的变化情况,采用超声波透射法对赵固二矿二1煤层不同层理方向煤样在干燥及自然饱和吸水状态下进行三轴加载超声波测试试验,研究干燥及自然饱和水三轴加载状态下煤样超声波波速与孔隙率关系.研究结果表明:相同条件下,加载煤样饱和煤样波速大于干燥煤样,且加载煤样饱和状态下不同层理方向波速变化易区别.而加载煤样饱和煤样与干燥煤样孔隙率变化与波速变化相反,加载煤样饱和状态下不同层理方向孔隙率变化不易区别;通过分析加载条件下饱和煤样与干燥煤样波速与孔隙率关系,发现无论是干燥煤样还是饱和煤样在加载条件下都符合对数关系φ=-aIn(Vp)+b且a值与围压有关,b值与孔隙率变化量有关.通过研究含水煤样在不同加载条件下对煤体波速和孔隙率的影响以及波速和孔隙率之间的关系,为煤炭物性勘探技术提供有效试验数据与理论基础,也为煤炭物性预防安全开采提供理论基础.     

三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系实验研究

煤的孔隙率影响煤的吸附、渗透能力,且它也是衡量煤体内部结构及孔、裂隙发育状况的重要指标.而水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,且瓦斯抽采量也会受到含水煤层的影响,为更客观地了解含水煤层状态下的孔隙率的变化情况,采用超声波透射法对赵固二矿二1煤层不同层理方向煤样在干燥及自然饱和吸水状态下进行三轴加载超声波测试试验,研究干燥及自然饱和水三轴加载状态下煤样超声波波速与孔隙率关系.研究结果表明:相同条件下,加载煤样饱和煤样波速大于干燥煤样,且加载煤样饱和状态下不同层理方向波速变化易区别.而加载煤样饱和煤样与干燥煤样孔隙率变化与波速变化相反,加载煤样饱和状态下不同层理方向孔隙率变化不易区别;通过分析加载条件下饱和煤样与干燥煤样波速与孔隙率关系,发现无论是干燥煤样还是饱和煤样在加载条件下都符合对数关系φ=-aIn(Vp)+b且a值与围压有关,b值与孔隙率变化量有关.通过研究含水煤样在不同加载条件下对煤体波速和孔隙率的影响以及波速和孔隙率之间的关系,为煤炭物性勘探技术提供有效试验数据与理论基础,也为煤炭物性预防安全开采提供理论基础.     

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度(1.5 m)岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10~(-6)的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下(1μm·s~(-1),10μm·s~(-1))黏滑过程三个阶段(恢复、加载和滑动)基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.     

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.     

不同尺度裂缝对弹性波速度和各向异性影响的实验研究

裂缝广泛分布于地球介质中并且具有多尺度的特点,裂缝尺度对于油气勘探和开发有着重要的意义.本文制作了一组含不同长度裂缝的人工岩样,其中三块含裂缝岩样中的裂缝直径分别为2 mm、3 mm和4 mm,裂缝的厚度都约为0.06 mm,裂缝密度大致相同(分别为4.8%、4.86%和4.86%).在岩样含水的条件下测试不同方向上的纵横波速度,实验结果表明,虽然三块裂缝岩样中的裂缝密度大致相同,但是含不同直径裂缝岩样的纵横波速度存在差异.在各个方向上,含数量众多的小尺度裂缝的岩样中纵横波速度都明显低于含少量的大尺度裂缝的岩样中纵横波速度.尤其是对纵波速度和SV波速度,在不同尺度裂缝岩样中的差异更明显.在含数量多的小尺度裂缝的岩样中纵波各向异性和横波各向异性最高,而含少量的大尺度的裂缝的岩样中的纵波各向异性和横波各向异性较低.实验测量结果与Hudson理论模型预测结果进行了对比分析,结果发现Hudson理论考虑到了裂缝尺度对纵波速度和纵波各向异性的影响,但是忽略了其对横波速度和横波各向异性的影响.     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

裂缝性岩石低频下复电阻率与饱和度关系研究

储层中裂缝的发育影响着油气运移和储存,因此识别裂缝以及得到裂缝性储层的表征参数与物理性质对于预测天然气的产量有重要的意义.本文主要通过实验和数值模拟研究了低频段(100 Hz～1 MHz)内均质岩样和不同裂缝参数的裂缝性岩样的复电阻率频散特性.利用有限元模拟计算简易岩样模型的复电阻率,研究了完全饱和水状态下均质岩样与裂缝岩样复电阻率频散特性的区别.并重点研究了100 Hz、1 kHz和10 kHz下均质岩样以及不同裂缝宽度、密度、倾角岩样含水饱和度SW与电阻增大率TR、含水饱和度SW与介电常数变化率Iε的变化关系.实验结果显示完全饱含水的情况下裂缝的出现,使得岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;不同频率(100 Hz、1 kHz和10 kHz)下IR-SW曲线发生分离.裂缝密度和裂缝倾角的增加,导致岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;并使得不同频率下的IR-SW和Iε-SW分离程度变大.讨论了阿尔奇公式中饱和度指数n与系数b以及仿阿尔奇公式中介电饱和度指数n '与系数b与裂缝参数的关系,说明在高含水饱和度时,导电与介电的幂指数规律基本一致.通过对裂缝性岩石上述参数的研究,为多频复电阻率测井仪的研发提供理论与实验支撑,进而提高裂缝性储层含气性识别以及定量评价含气饱和度的可靠性.     

Seismic anisotropy in a hydrocarbon field estimated from microseismic data

The study of seismic anisotropy in exploration seismology is gaining interest as it provides valuable information about reservoir properties and stress directions. In this study we estimate anisotropy in a petroleum field in Oman using observations of shear‐wave splitting from microseismic data. The data set was recorded by arrays of borehole geophones deployed in five wells. We analyse nearly 3400 microearthquakes, yielding around 8500 shear‐wave splitting measurements. Stringent quality control reduces the number of reliable measurements to 325. Shear‐wave splitting modelling in a range of rock models is then used to guide the interpretation. The difference between the fast and slow shear‐wave velocities along the raypath in the field ranges between 0–10% and it is controlled both by lithology and proximity to the NE‐SW trending graben fault system that cuts the field formations. The anisotropy is interpreted in terms of aligned fractures or cracks superimposed on an intrinsic vertical transversely isotropic (VTI) rock fabric. The highest magnitudes of anisotropy are within the highly fractured uppermost unit of the Natih carbonate reservoir. Anisotropy decreases with depth, with the lowest magnitudes found in the deep part of the Natih carbonate formation. Moderate amounts of anisotropy are found in the shale cap rock. Anisotropy also varies laterally with the highest anisotropy occurring either side of the south‐eastern graben fault. The predominant fracture strikes, inferred from the fast shear‐wave polarizations, are consistent with the trends of the main faults (NE‐SW and NW‐SE). The majority of observations indicate subvertical fracture dip (>70° ). Cumulatively, these observations show how studies of shear‐wave splitting using microseismic data can be used to characterize fractures, important information for the exploitation of many reservoirs.     

青藏高原中部Quasi-Love波的识别及其转换点揭示的东西向方位各向异性变化

目前人们利用4种基本的地震波现象研究地震各向异性,如横波双折射、面波散射、与传播方向有关的走时异常和PS转换波震相.本文利用面波散射产生的Quasi-Love（QL）波研究青藏高原上地幔顶部的各向异性结构特征.首先利用中国地震台网昌都（CAD）台记录的地震波形资料识别出产生QL波的路径,并利用合成地震记录和垂直偏振极性分析证实所观测到的为QL波,而不是高阶振型的Rayleigh波或其他体波震相;然后由Rayleigh波、Love波和QL波的群速度估算了各向异性结构横向变化的转换点;不同周期时,转换点的位置不同,这种频率依赖性还需要进一步的模拟研究.Love波向Rayleigh波耦合（产生QL波）的转换点位置揭示了青藏高原面波方位各向异性变化特征,并以南北向构造带的东西分段性、上地幔流引起的地球内力诱导岩石形变解释了青藏高原各向异性的东西向差异性.     

四川地区Sn波偏振

本文分析了１９９４年、１９９５年成都遥测地震台网实时处理系统记录的５０多个ＭＬ３．０～４．０级地震的Ｓｎ波偏振，研究这一地区地壳介质的各向异性．结果表明，在短周期三分向地震图上，对来自不同传播方向的，有可靠到时的Ｓｎ波偏振是一致的，其优势取向与其它方法观测的这一地区最大水平主压应力方向相同。这意味着，这一地区地壳介质存在地震波各向异性。     

伪谱法地震波正演模拟的多线程并行计算

地震波的正演模拟,尤其是3D正演模拟,往往涉及大规模的数据存储和计算,问题的规模往往超出计算机的物理内存,或者计算时间让问题的求解者难以忍受,即使采用目前存储和计算能力很强的计算机,其计算费用仍然是十分昂贵的.本文提出一种基于多线程协同使用多CPU和计算域分割的正演模拟并行计算技术,使得问题的求解过程得以加快,大大地缩短了用户等待的时间.为了检验我们的并行算法的可行性,文中以傅利叶正演模拟技术为例,给出了声波和3D各向异性弹性波模拟的例子,并对不同版本（串行、并行）运算效率进行了比较,证实了方法的有效性.     

The role of seismic methods in investigation of rock mass

The existence of cracks in a rock mass causes the reduction of seismic wave velocity and the anisotropy of seismic wave velocity, which is characteristic for rocks with preferred orientation of cracks. The present study concerns sedimentary rocks (sandstone, limestone) and igneous rocks (basalt, granite). Studying the relationship between seismic anisotropy and cracks anisotropy in rocks I was only interested in fractures perpendicular to the layering. This allowed me to calculate two-dimensional crack tensors and velocity tensors in planes parallel to the layer surface. An application of tensor calculus enables to take into account both geometry and orientation of cracks. The obtained results confirm that the directions of major axes of second-rank velocity tensor prove the relationship consistent with predictions of theoretical models. Owing to these dependences, seismic methods can be used to study the cracks anisotropy in rocks inaccessible for direct observations.     

双相各向异性研究、问题与应用前景

地球内部流体的存在和岩石各向异性是地下介质的两大表征,考虑地下流体和介质各向异性问题的双相各向异性理论是当今地震学和地球物理学理论与应用研究的前沿和难题之一。孔隙流体的存在、固体和流体之间的相互作用会弱化或硬化岩石的力学属性,上起声波或弹性声波速度的频散的振幅的衰减,并产生第二类压缩波。裂缝或裂隙的定向分布、岩层的旋性沉积、应力场的定向排列,都会引起传播速度的各向异性、横波发生分裂等重要现象,这些     

高温高压下岩石弹性波速特征及其在深部地质研究中的意义

本文收集、整理、研究了７０年代以来的高温高压下岩石的Ｖｐ，Ｖｓ，Ｖｐ／Ｖｓ，Ｖｐ各向异性等实验资料后得出：（１）低压下岩石Ｖｐ的急剧变化是由岩石中裂纹与孔隙等引起的；（２）温度升高可增大由岩石组构引起的Ｖｐ各向异性的变化率；（３）同种岩石在不同的大地构造环境中具有不同的波速值与变化规律；（４）Ｖｐ在高地温区随温度先降低而后升高，其原因是由矿物相变造成的，与地壳中低速带的性质相当。文章最后讨论了实测波速转换为岩石类型时实验研究岩石波速的意义。     

转换波在储层预测中的研究分析

岩石的各向异性与油气的运移和储集有着密切关系.在油气勘探和油气田开发中,横波对各向异性的敏感性具有重要价值,它可提供一些其他方法无法获取的新信息.纵波在地下传播时,当通过路径的岩石存在各向异性时,会在波阻抗界面产生纵波和横波.这相当于纵波震源同时激发出纵波和横波,利用这些信息就可以对地下岩石的物性进行研究.本文以有限差分为基础,以地下油气田的储藏地质特性为对象,利用弹性波波动方程的传播特性, 研究P_SV转换波,分析其传播特征,用来指导其在储层预测中的应用.通过研究分析可以看出,P_SV转换波通过含油气介质时受影响比较少,能够得到比纵波好的多的成像资料.     

Approximate Relation Between the Ray Vector and the Wave Normal in Weakly Anisotropic Media

Determination of the ray vector (the unit vector specifying the direction of the group velocity vector) corresponding to a given wave normal (the unit vector parallel to the phase velocity vector or slowness vector) in an arbitrary anisotropic medium can be performed using the exact formula following from the ray tracing equations. The determination of the wave normal from the ray vector is, generally, a more complicated task, which is usually solved iteratively. We present a first-order perturbation formula for the approximate determination of the ray vector from a given wave normal and vice versa. The formula is applicable to qP as well as qS waves in directions, in which the waves can be dealt with separately (i.e. outside singular directions of qS waves). Performance of the approximate formulae is illustrated on models of transversely isotropic and orthorhombic symmetry. We show that the formula for the determination of the ray vector from the wave normal yields rather accurate results even for strong anisotropy. The formula for the determination of the wave normal from the ray vector works reasonably well in directions, in which the considered waves have convex slowness surfaces. Otherwise, it can yield, especially for stronger anisotropy, rather distorted results.