循环荷载下饱和岩石的滞后和衰减

通过对饱和砂岩和大理岩的循环荷载实验,分析了饱和岩石在循环荷载下的应力-应变滞后回线、瞬时杨氏模量、泊松比的“X”形变化曲线,以及杨氏模量随应变振幅的增加而减少等滞后现象,并分析了施加外力的应变振幅对衰减的影响,认为岩石在循环荷载作用下的衰减与应变振幅成正比,提出的衰减b值反映了岩石在循环荷载作用下衰减的程度. 岩石的衰减和滞后存在密切的关系,通过饱和岩石的宏观行为,探讨了饱和岩石在循环荷载下的滞后和衰减现象的微观机理,认为孔隙流体流动在岩石的滞后和衰减中起着重要作用,岩石内部的颗粒接触粘合和黏滑摩擦可能是孔隙岩石在循环荷载作用下产生滞后和衰减的原因.     

砂岩和页岩弹性波性质的实验研究进展

砂岩和页岩的弹性波性质是通过地震资料推断储层物性和流体分布的基础.岩石波速测量常用超声波(10⁵～10⁶ Hz)脉冲法,低频岩石物理实验技术的发展为研究弹性波在岩石中的衰减和频散奠定了基础.本文系统总结了前人在高频和低频下测量砂岩和页岩弹性波性质的方法和实验结果,并结合矿物弹性性质和岩石物理模型,分析了压力、温度、矿物组成、孔隙结构、流体、频率等因素对岩石波速和衰减的影响.由于孔隙和微裂隙随压力增加而逐渐关闭,干燥砂岩和页岩的P波和S波速度在低压下随压力非线性增加,高于临界压力呈线性增加.干燥岩石样品的波速随温度增加而缓慢线性降低,频散效应可以忽略.而含流体砂岩和页岩的衰减和频散受温度、压力、流体饱和度、流体黏度、孔隙结构和频率等多种因素的影响,含流体砂岩和页岩的泊松比和逆品质因子Q^-1显著高于干燥样品.低压下砂岩的波速与孔隙度负相关,而影响页岩波速的因素更为复杂,页岩的波速、衰减和频散的各向异性都高于砂岩.将跨频段岩石物理实验与数字岩石物理技术相结合,可为勘探地球物理的方法创新和资料解释提供可靠依据.     

横观各向同性(TI)岩石弹性模量一阶扰动近似

地震各向异性是沉积岩石中广泛存在的波动现象,为研究地球介质岩石力学性质提供了有效途径.本文从横观各向同性岩石的本构方程出发,利用介质分解理论和地震波扰动理论,推导了沿TI介质对称轴和对称面上杨氏模量和泊松比的显式近似方程.经实验数据验证了本文近似方程的合理性,发现在各向异性强度适中的条件下,两个主方向杨氏模量和沿对称面泊松比的近似值与实测值吻合度较高,沿对称轴方向泊松比近似值偏小,但近似结果反映了真实值的宏观趋势.实际资料试处理表明,页岩地层岩石力学参数具有较强各向异性,利用本文近似方程可有效估算各向异性杨氏模量和泊松比,为储层压裂工程提供了岩石力学数据.     

基于地震正交各向异性的裂缝介质岩石力学建模研究

岩石力学模型是描述地层原地应力状态的基础,而常规各向同性模型难以刻画地层本征横观各向同性(VTI)和天然高角度裂缝的耦合作用,建立更为准确的正交各向异性模型变得尤为重要.本文利用VTI介质中发育单组垂直缝的Schoenberg裂缝等效模型,简化了一般正交各向异性介质的表征参数,推导了由背景VTI介质弹性参数和裂缝参数的各向异性杨氏模量、泊松比和水平地应力的精确方程.借鉴Thomsen弱各向异性近似思路,舍去裂缝弱度参数高阶扰动项,推导了正交各向异性介质岩石力学近似方程,由裂缝弱度表示的近似方程更为直观地反映了裂缝对背景介质力学性质的影响,杨氏模量和泊松比值随裂缝法向弱度的增大而显著减小.选取页岩实验数据进行数值实验,结果表明本文方程与实际物理规律相吻合,随裂缝弱度的增加,形成相同应变所需的水平地应力值降低,且近似方程与模拟结果相对误差小于5%,有助于提高岩石力学参数估算和地应力预测精度.     

不同压力下部分饱和砂岩纵波衰减的理论及实验研究

深入了解不同压力、频率、流体含量和流体分布对岩石中弹性波传播特性的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义.不同尺度下的波致流效应,是声波传播过程中产生速度频散和衰减的重要原因.本文以不同压力下水饱和区域改进的骨架模量为纽带,建立了联合介观尺度斑块饱和效应与微观尺度喷射流效应的部分饱和岩石声学理论模型.开展针对性声学实验,根据不同压力下部分饱和砂岩纵波速度测量数据,确定理论模型中的相关参数,从而实现对不同压力下部分饱和岩石纵波衰减的定量表征.在此基础上,通过理论与实验测量的纵波衰减的对比,分析不同压力、含水饱和度以及频率对岩石纵波衰减的影响.研究结果表明,在较低压力,较高含水饱和度以及较高频段,喷射流效应较强,因此新建模型计算的衰减明显大于斑块饱和模型的衰减.由于新建模型体现了斑块饱和效应与喷射流效应的综合影响,相比于斑块饱和模型,新建模型计算的部分饱和岩石的纵波衰减更接近于实测衰减,但受到岩石自身因素影响,新建模型计算的衰减仍略小于实测衰减.     

滞弹性衰减特征及其损伤的累积效应

在地铁、高速铁路等基础设施的快速发展下,长期滞弹性微损伤累积效应应引起人们的关注,尤其是对动载和高频效应的关注.本文在频率0.01～1000 Hz、温度-50～200℃内研究了弹性范围内的饱和砂岩、大理岩,在强迫共振、单轴循环加载下的温度和频率的滞弹性行为的弛豫衰减峰.结果显示,弹性模量和波速随温度的升高而下降,且下降梯度比一般岩石的力学实验结果要陡;随着频率提高,弹性模量和波速显著增大,频散效应会加强.该结果反映了在应力诱导下岩石内部微缺陷等微损伤之间的运动和相互作用的微观过程,该过程会导致微结构变化,进而引起微观的位移,产生微损伤;微损伤经历一段时间或很长时间的积累过程,就可能造成疲劳损伤断裂.岩石内部微观结构的非均匀性和矿物晶粒间界等缺陷是最薄弱的部位,在循环应力作用下再次形成新的微裂纹系统,从而加速损伤的积累,引起断裂.除此之外,岩石中多种渠道的残余应力会导致疲劳损伤;振动频率的提高,也会加速岩石的损伤;结合温度升高的综合效应会引起岩石内部微裂纹增长,导致岩石微结构变化并引起微损伤,虽然这是在屈服点以下引发的滞弹性微损伤,但最终它们都将使岩石的品质劣化.     

基于比值均方根的杨氏模量反演方法

杨氏模量和泊松比是表征岩石脆性、评价储层可压性以及描述储层流体特征的重要参数,叠前地震反演是从地震数据中得到此类参数的有效手段.常规的叠前地震反演方法多使用Zeopppritz方程的近似式计算反射系数,近似式的误差影响了反演结果的精度.针对这个问题,推导了比值均方根形式的杨氏模量、泊松比和密度的Zoeppritz方程,并基于广义线性反演构建了杨氏模量和泊松比直接反演方法,有效地避免了使用近似式的局限性,提高了反演的精度.模型测试和实际资料试算结果表明：采用比值均方根形式构建的反演流程稳定,能够从叠前地震数据中获得可信的杨氏模量、泊松比和密度,提供了一种可靠的杨氏模量和泊松比直接反演方法.     

含流体砂岩地震波频散实验研究

为了研究孔隙流体对不同渗透率岩石地震波速度的影响,在实验室利用跨频带岩石弹性参数测试系统得到了应变幅值10-6的2~2000Hz频段下的地震波速度和1 MHz频率下的超声波速度,利用差分共振声谱法得到了频率600Hz岩石干燥和完全饱水情况下岩石声学参数.实验表明,在低饱和度下,致密砂岩在地震和超声频段下没有明显的频散;在高饱和度下纵波速度的频散变得明显.从干燥到完全水饱和条件,不同频率测量的致密砂岩的体积模量随岩石孔隙度增高而降低,且体积模量的变化量受岩石微观孔隙结构的影响较大.高孔、高渗砂岩无论在低含水度下还是在高含水饱和度下频散微弱,并且在地震频段下围压对于岩石纵横波速度的影响要大于频率的影响.高孔、高渗砂岩和致密砂岩不同含水饱和度下的频散差异可应用于储层预测,油气检测等方面,同时该研究可以更好地帮助理解岩石的黏弹性行为,促进岩石物理频散理论的发展,提高地震解释的精度.     

数字岩心宽频带动态应力应变模拟方法及其对含裂隙致密岩石频散和衰减特征的表征

利用数字岩石物理技术表征复杂非均质多孔岩石跨频段的频散和衰减特征对于综合利用多尺度的地球物理数据进行地层非均质性的刻画具有重要的意义.现有的描述波致流体流动引起的频散和衰减效应的数字岩心动态应力应变模拟方法主要为单频率模拟方法,需要在不同的频率进行多次模拟才能刻画频散和衰减特征.本文提出了宽频带动态应力应变模拟方法,通过给数字岩心加载一个快速趋于恒定的宏观应变,采用波场正演技术求解数字岩心内部流固耦合的应变场和应力场,模拟数字岩心内部的应力松弛过程,从而通过一次模拟计算目标频段范围内连续的频散和衰减曲线.该方法可以成功地用于刻画含裂隙致密岩石挤喷流效应引起的速度频散和衰减特征,并通过数值模拟较为系统地揭示致密地层中控制挤喷流效应的主控物理因素,这些认识也与现有挤喷流效应的理论模型有较好的吻合.     

饱和砂岩滞弹性弛豫衰减机理的探索

本文采用从法国引进的Metravib热机械分析仪用正弦波加载方式,首次对四种不同孔隙度的饱和砂岩的衰减进行了实验研究,在5~400 Hz的频率,-50 ℃~100 ℃的温度范围获得衰减的热弛豫规律,由此求得它们的激活能和原子振动频率,其激活能和弛豫时间是处在原子和电子的激活能和弛豫时间之间.可见,在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是原子、电子.并得出随孔隙度增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动速率加快,弛豫时间缩短.在交变应力作用下,由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体,由于内部结构复杂,损伤、缺陷广布,弛豫衰减是普遍存在的.饱和砂岩中存在的晶界、相界等许多缺陷,以及缺陷间的相互作用,比如饱和岩石中的饱和液体与岩石骨架之间的作用等等都可以产生弛豫衰减峰,弛豫过程还受晶界上原子扩散所控制.由于饱和岩石中的种种缺陷、相界等等导致上述矿物颗粒或晶界之间的多重弛豫,才使弛豫衰减峰变宽,分布宽度增大.用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理,很自然地将其宏观衰减特征与微细观结构紧紧联在一起.衰减及其机理的研究既具有科学意义,对地球物理勘探又具有实用价值.     

饱和砂岩的黏弹行为的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波进行加载,实验时固定静载为100 N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为-50～125℃,升温速率为1℃/min,频率为5～1000 Hz的条件下,对泵油饱和长石砂岩、彭山砂岩样品进行单轴循环加载实验,求取泵油饱和长石砂岩和彭山砂岩的衰减、耗散角、模量...     

Study on anisotropy of Longmaxi shale using hydraulic fracturing experiment

Hydraulic fracturing reservoir reconstruction technology is crucial in the development of shale gas exploitation techniques.Large quantities of high-pressure fluids injected into shale reservoirs significantly alter compressional(P)and shear(S)wave velocities,rock mechanical parameters,and anisotropic characteristics.In this study,differentiated hydraulic fracturing petrophysical experiments were carried out on Longmaxi Formation shale under pseudo-triaxial stress loading conditions.The effects of stress loading methods,and water-rock physical and chemical reactions on P-and S-wave velocities and rock mechanical parameters were compared.The experimental results showed that isotropic stress loading may increase the P-and Swave velocities and Young’s modulus of dry shale kldnsample.Furthermore,it may lead to a weakening of the corresponding anisotropy.In contrast,differential stress loading was able to improve the anisotropy of Young’s modulus and accelerate the decrease in the compressive strength of shale in the vertical bedding direction.The water-rock physical and chemical reactions prompted by hydraulic fracturing was found to"soften"shale samples and reduce Young’s modulus.The influence of this"soften"effect on the compressional and shear wave velocities of shale was negligible,whilst there was a significant decrease in the anisotropy characteristics of Thomsen parameters,Young’s modulus,and Poisson’s ratio.The negative linear relationship between the Poisson’s ratios of the shale samples was also observed to lose sensitivity to stress loading,as a result of the"soften"effect of fracturing fluid on shale.The results of this study provide a reliable reference point and data support for future research on the mechanical properties of Longmaxi shale rocks.     

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。     

Experimental study on frequency-dependent elastic properties of weakly consolidated marine sandstone: effects of partial saturation

Investigating seismic dispersion and attenuation characteristics of loosely compacted marine sandstone is essential in reconciling different geophysical measurements (surface seismic, well logging and ultrasonic) for better characterization of a shallow marine sandstone reservoir. We have experimented with a typical high-porosity and high-permeability sandstone sample, extracted from the Paleogene marine depositional setting in the Gulf of Mexico, at the low-frequency band (2–500 Hz) as well as ultrasonic point (10⁶ Hz), to investigate the effects of varying saturation levels on a rock's elasticity. The results suggest that the Young's modulus of the measured sample with adsorbed moisture at laboratory conditions (room temperature, 60%–90% humidity) exhibits dispersive behaviours. The extensional attenuation can be as high as 0.038, and the peak frequency occurs around 60 Hz. The extensional attenuation due to moisture adsorption can be dramatically mitigated with the increase of confining pressure. For partial saturation status, extensional attenuation increases as increasing water saturation by 79% with respect to the measured frequencies. Additionally, the results show that extensional attenuation at the fully water-saturated situation is even smaller than that at adsorbed moisture conditions. The Gassmann–Wood model can overall capture the P-wave velocity-saturation trend of measured data at seismic frequencies, demonstrating that the partially saturated unconsolidated sandstone at the measured seismic frequency range is prone to be in the relaxed status. Nevertheless, the ultrasonic velocities are significantly higher than the Gassmann–Wood predictions, suggesting that the rocks are in the unrelaxed status at the ultrasonic frequency range. The poroelastic modelling results based on the patchy saturation model also indicate that the characteristic frequency of the partially saturated sample is likely beyond the measured seismic frequency range.     

地层压力条件下沁水盆地煤岩动静态弹性参数同步超声实验研究

静态弹性参数对储层压裂改造、应力场及裂缝预测具有重要意义,开展地层压力条件下煤岩动、静态弹性参数实验研究,获得动、静态弹性参数之间的关系,为利用动态弹性参数预测静态弹性参数提供了岩石物理依据.本次研究应用MTS岩石物理参数测试系统完成沁水盆地和顺地区的煤岩样在地层压力条件下的动静态弹性参数同步测试.结果表明:动态杨氏模量随压力的增加而增加,而动态泊松比随压力的变化较为复杂;动、静态杨氏模量之间呈线性关系,且动态杨氏模量大于静态杨氏模量;动、静态泊松比之间的相关性较差,大部分煤样的动态泊松比小于静态泊松比.获得的这些关系为动静弹性参数转换提供了基础,进而为利用地震资料进行静弹性参数预测,获得岩石力学性能参数提供了一种途径.     

水饱和裂纹对地壳岩样中地震波速及各向异性的影响

选择４种地壳岩石样品,经干燥或水饱和处理后在不同围压条件下测量了在其中传播的纵、横波的速度及其各向异性．在大气压条件下低孔隙度(＜１％岩样中,水饱和样品中的纵波速度明显地比干燥样品中的高,但横波速度的差别不大．因为在低孔隙度岩样中纵波速度对孔隙流体的反应比横波速度敏感,可以用泊松比的变化来反映随着围压的增加晶粒间流体对弹性波传播特性的影响．根据实验数据,按Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ模型分别计算了干燥和水饱和岩样中的裂纹密度,与通过实测体应变曲线得到的裂纹孔隙度十分吻合．利用横波的速度和偏振特性可以推断岩样中定向排列微裂纹的空间取向情况．研究表明,同时测量在岩样中传播的纵、横波的速度,通过Ｖｐ／Ｖｓ比值可以给出有关颗粒边界流体的证据,也可以估计岩样中的裂纹密度．     

Experiment Study and Interpretation on Relation between Modulus of Rock and Strain Amplitude

INTRODUCTIONThe modulus of rock is one of the basic elastic parameters of the earth’s medium. Under theassumption of linear elastic theory and Poisson medium,other parameters can be calculated fromit .But the real earth mediumis nonlinear elastic and has not a simple linear relationship between stressand strain.This causes relatively big differences betweenthe dynamic andthe static modulus of rock.In nonlinear elastic theory,the Young’s modulusEis replaced bythe nonlinear elastic modul…     

碳酸盐岩跨频段岩石物理测量与理论建模——不同孔隙结构对碳酸盐岩频散与衰减的影响研究

碳酸盐岩孔隙结构类型复杂多样,当地震波经过含有不同孔隙结构的流体饱和岩石后往往会产生不同的波频散和衰减特征,这使得根据波的不同响应特征来推断碳酸盐岩的孔隙结构类型,甚至孔隙流体性质信息成为可能.本文针对白云岩、灰岩以及人工碳酸盐岩样品开展了跨频段（超声+低频）实验测量和理论建模,探索碳酸盐岩的孔隙结构类型和孔隙流体对模量频散和衰减的影响机制.首先根据铸体薄片、扫描电镜的图像对碳酸盐岩样品进行了孔隙结构类型分析,并将样品主要分为裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三类,然后测量了相应样品完全饱和流体后在不同围压下的模量频散与衰减.在完全饱和甘油并处于低围压时,裂缝型与孔洞型样品均出现一个衰减峰,分别位于1 Hz与100 Hz附近,而裂缝-孔隙型样品则具有两个衰减峰,一个在1 Hz附近,另一个在100 Hz附近.裂缝型样品（裂缝主导）的衰减峰相比孔洞型样品（中等刚度孔隙主导）对应的衰减峰在低围压下幅度更大,且对围压变化更敏感.在测量数据的基础上,建立了考虑纵横比分布的软孔隙和中等刚度孔隙的喷射流模型,认为该模型能一定程度上解释裂缝型、裂缝-孔隙型、孔洞型三种类型碳酸盐岩在测量频带的频散.以上研究加深了对不同孔隙类型主导的碳酸盐岩储层地震响应特征的认识,对储层预测工作的进一步精细化具有重要意义.     

Multichannel estimation of frequency-department Q from VSP data1

A Method of estimating attenauation from the first arrivals of VSP data is presented. The motivation is the desire to investigate the effects of scattering on wave propagation, and particularly the apparent attenuation and associated phase delay due to fine layering (the O'Doherty-Anstey effect). In order to take account of the frequency dependence of the predicted scattering attenuation, and to provide robust statistics for the estimates, a beam-forming method is used to measure the attenuation. This simularaneously estimates the slowness and polarization angle of the different wave modes, and results in attenuation measurements which are largely free of interference from reflected and mode-converted energy. By working in the frequency domain and measuring amplitude decay with depth, the frequency dependence of the attenuation is also accounted for. The beam-forming algorithm works in two passes, the first of which estimates slownesses and polarization angles over a small depth range, while the second uses the information from the first pass over a larger depth range to estimate attenuation. An approximate error analysis of the method shows that the standard variance of the estimated Q values is proportional to Q² and the data quality (measured by its spectral coherence), and inversely proportional to the square of the analysis depth range and the square of the frequency. Hence the depth resolution is traded against the stability of the results. The method is applied to a zero-offset three-component VSP. The data are of good quality, with a bandwidth ranging from 180 Hz in the shallow part to 100 Hz in the deepest part. Stable results were obtained using a 450 m depth range. Above about 50 Hz, there is little evidence of frequency dependence in the attenuation. There is a clear division in depth into layers of higher and lower attenuation, with values of Q typically between 50 and 200. Below 50 Hz, however, attenuation increases rapidly with decreasing frequency throughout the depth range, with values of Q of less than 10 at 15 Hz. This behaviour appears anomalous since on physical grounds we expect very high values of Q at low frequency, and we have no explanation for these observations.