Biot理论的唯象修正对S波特性的影响

将复模量引入Biot方程后，在一维条件下通过S波的波动方程研究了S波的传播特性，S波的数值分析显示在频率域或温度域上都能获得热弛豫衰减峰和Biot衰减峰. 在频率域上由于温度的变化引起两峰相向位移,在温度域上,因频率的变化也发生相对移动. 随着温度和频率的不断提高，两峰发生叠加，叠加后两峰互换位置. 低频或低温段的热弛豫峰移到了高频或高温段，高频或高温段的Biot峰移到了低频或低温段.由于两峰的衰减机制不同，导致S波波速随频率或温度变化规律的复杂性. 这些规律已部分被共振实验所证实，证实该理论模型具有实验基础.     

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.     

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.     

孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型

储层地球物理学中,孔隙介质的各类弹性波模型常用于了解地层岩石物理性质.本文介绍了含油、气、水等物质的多相孔隙介质弹性波频散和衰减研究进展,给出了流体饱和与部分饱和孔隙介质中波传播的物理模型综述.根据孔隙介质中的固、流体分布情况,从相关基础理论和实验研究工作等方面出发,在宏观、微观和介观尺度上对流体替换、Biot孔隙力学、喷射流、Biot喷射流(BISQ)、等效球体癍块饱和、双重孔隙介质局部流动等现有主要合流体孔隙介质速度频散和衰减理论进行了回顾.研究表明,应力松弛过程是弹性波频散和衰减的基本机理,该过程由平衡特征时间刻画.该特征时间与孔隙介质的渗透率、流体粘性和体积模量紧密相关.当波频较低时,特征时间小于波周期,压力平衡得以发生,可以用等效流体模型描述波速;反之,当波频较高时,局部压差始终保持较高水平。整个骨架体积模量升高,等效模型面临困难,发展出斑块饱和模型.在分析了各类模型理论框架适用性以及所面临困难后,我们对未来研究方向给出了一些有意义的探讨.     

基于Biot-Squirt方程的波场模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制,对地震波和声波的传播均产生重要影响. Dvorkin和Nur提出了同时包含Biot流动和喷射流动力学机制的统一的BISQ(Biot-Squirt)模型,基于这一模型,尽管有关弹性波在多孔隙介质中的衰减和频散问题已被广泛研究,然而,基于BISQ波传播方程的波场数值模拟至今仍未见报道. 本文从同时包含两种力学机制的孔隙弹性波方程出发,利用FCT有限差分法对含流体孔隙各向同性介质中的地震波和声波进行了数值模拟,并与基于Biot流动的Biot理论之模拟结果进行比较. 数值模拟结果表明:同时包含Biot流动和喷射流动影响的地震波和声波速度比仅包含Biot流动作用的地震波和声波速度慢,慢P波的衰减比根据Biot理论模拟的慢P波衰减更强.     

双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

饱和多孔岩石应力波的衰减特性

在0.01～100 Hz频率范围内，采用粘弹谱仪进行了3种孔隙度的干燥和饱和砂岩的动态力学频率谱和温度谱试验，取得衰减和模量在不同温度峰的频率响应．饱和砂岩的衰减随砂岩孔隙度的增加而增大；复模量随孔隙度的增加亏损增大，频散程度增强；并对频率谱和温度谱的对应关系进行了讨论．      

基于横向各向同性BISQ方程的弹性波传播数值模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制. 近年来，利用同时处理这两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)模型，弹性波衰减和频散的问题已被广泛研究；然而基于BISQ方程的波场数值模拟尚未见到公开的报道．本文从BISQ方程出发，利用交错网格方法对横向各向同性孔隙介质中不同频率和相界情况，以及双层介质中的弹性波传播进行数值模拟，研究了在同时考虑两种流动机制作用情况下地震波和声波的传播特性及传播过程中出现的各种波动现象．      

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

热弹性介质中波传播特征

深层-超深层油气地震勘探涉及高温介质地震波传播问题,热弹介质参数对地震波传播有重要影响.含弛豫时间修正项的Lord-Shulman双曲型耦合热弹波动方程从理论上预测了热弹性介质中存在快纵波、慢纵波(一种准静态慢纵波,简称热波)和横波的传播,两个纵波为热耗散衰减波而横波不受介质热特性的影响.本文结合平面波频散分析和格林函数法数值模拟,详细研究两个热耗散衰减波的频散和衰减特征,着重分析热导率、热膨胀系数及比热的变化对波速和衰减的影响.研究表明热导率作为主要参数决定了波速与衰减的临界变化,热膨胀系数对波速和衰减的幅度有明显影响,比热则兼顾了前两个热弹系数的影响特征.最后,利用热弹性动力学频率域的二阶格林函数进行波场快照数值模拟,展示热弹性介质中纵波、横波和热波的传播行为.     

Wave propagation analysis of porous rocks with the thermal activated relaxation mechanism

Wave attenuation and phase velocity dispersion in the temperature domain are more complicated than those in the frequency domain. To describe wave propagation properties in the temperature domain, a so-called thermal activation mechanism model is built on the experimental result that increasing the temperature or decreasing frequency could obtain similar results on the attenuation. A rheological model (the Zener model) is employed to describe viscoelastic attenuation in saturated porous rocks. The Arrhenius relation is introduced to describe the thermal activation mechanism. The wave propagation model with thermal effects in porous media is then obtained, and 1-D P-wave and S-wave propagation characteristics are analyzed in numeric process, respectively.Two attenuation mechanisms are found in this model, the Biot loss and the thermal activation relaxation. The thermal relaxation attenuation peak and the Biot attenuation peak are observed in both frequency and temperature spectra. These two peaks move towards each other when the temperature increases on frequency spectra. The thermal relaxation peak shifts towards higher frequencies while the Biot peak shifts towards lower frequencies. At some temperature, these two peaks will superpose. The combination of the thermal relaxation and the Biot loss leads to the complexity of wave velocity curves. Similar phenomena could be observed on temperature spectra. The thermal relaxation features may relate to a so-called “local heat transfer” mechanism. These two peaks in the temperature domain have been observed in the experiments by other investigators. The characteristics of velocity and attenuation are more remarkable for high porosity rock samples. The model is helpful for the understanding of wave propagation in the temperature domain.     

Acoustic wave propagation in saturated porous media: reformulation of the Biot/Squirt flow theory

A model of wave propagation in fluid-saturated porous media is developed where the principal fluid/solid interaction mode affecting the propagation of the acoustic wave results from the conjunction of the Biot and the Squirt flow mechanism. The difference between the original Biot/Squirt (BISQ) flow theory and the new theory, which we call the reformulated BISQ, is that the average fluid pressure term appearing in the dynamic equation for a two component solid/fluid continuum is independent of squirt flow length. P-velocity and attenuation relate to measurable rock physical parameters: the Biot's poroelastic constants, porosity, permeability, pore fluid compressibility and viscosity. Modelling shows that velocity and attenuation dispersion obtained using the reformulated BISQ theory are of the same order of magnitude as those obtained using the original BISQ theory. Investigation on permeability effect on velocity and attenuation dispersion indicate that the transition zone in velocity and attenuation peak, occurring both at the relaxation frequency, shifts toward high frequency when permeability decreases. This behaviour agrees with Biot's theory prediction.     

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...     

Biot流动和喷射流动耦合作用下波传播的FCT紧致差分模拟

本文从含流体多孔隙介质中同时包含Biot流动和喷射流动两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)方程出发,利用FCT(Flux-Corrected Transport)紧致差分方法数值模拟了在Biot流和喷射流共同作用下的波在含流体多孔隙各向同性介质中的传播.通过与仅受Biot流动作用下的波场结果对比,我们研究了...     

Numerical simulation of elastic wave propagation based on the transversely isotropic BISQ equation

Introduction More real models are being developed by the modern seismology. As we all know, the earth is not a simple elastic body. Oil and gas reservoir, ground surface, seashore zone, sea bottom layer, etc, are porous solid media with fluids. It has been confirmed that there are two main fluid flow mechanisms in these media (Dvorkin, Nur, 1993), i.e., the Biot flow mechanism (Biot, 1956, 1962) based on the macroscopic property and the Squirt-flow mechanism (Mavko, Nur, 1979) based on the …     

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。