循环荷载下南京片状细砂的动应力——应变关系

以片状颗粒成分为主的片状结构砂与常用的圆形颗粒标准石英砂相比,在物理力学特性上有显著的差异。循环荷载作用下,饱和砂土振动孔压上升会导致土体刚度发生软化,当振动孔压累积达到一定水平时,会产生液化现象,从而引起土体结构发生破坏。采用英国WFI动三轴仪,研究了南京片状细砂在循环荷载作用下,静偏应力水平、循环应力比水平和循环次数对其动应力一应变关系的影响,考虑每一次循环过程中动应力—应变关系滞回曲线的卸载及再加载割线动剪切模量Gsec和最大割线模量Gmax的变化特性,建立了动剪模量软化的经验公式;静偏应力水平对动剪模量软化有显著影响,随着循环次数的增加,动应力—应变滞回圈逐渐向应变累积方向滑移和向应变轴方向倾斜,且彼此分离;考虑循环软化特性,采用修正的Masing准则,描述了循环荷载下南京片状细砂的动应力—应变关系。     

基于贝叶斯理论的叠前多波联合反演弹性模量方法

AVO反演可以获得地层岩性和流体信息,而叠前反演问题都是高维的和非适定的,因此获得可靠稳定的解对叠前反演至关重要. 本文给出了一种基于贝叶斯理论的纵波和转换波联合反演密度比和模量比的方法. 鉴于剪切模量比、体积模量比可以更好地指示油气,基于岩石物理中速度比与模量比之间的关系,将此关系式代入Zoeppritz方程的近似形式Aki-Richards公式中,得到与模量比有关的反射系数近似公式. 联合纵波和转换波,利用最小二乘准则构建目标函数,最终反演出密度比、剪切模量比、体积模量比三个参数. 在反演过程中引入贝叶斯理论,假定先验信息服从高斯分布,待求参数服从改进的Cauchy分布,并去除待求参数之间的相关性. 利用模型数据和实际数据对本文方法进行测试,并与常规的单独利用纵波数据来反演方法进行比较,结果表明联合反演稳定性更好、精度更高、抗噪音能力更强,验证了本文方法的可行性和有效性.     

超深碳酸盐岩油气储层岩石弹性性质高温高压超声实验研究

面向超深碳酸盐岩油气勘探开发中储层精细地震刻画问题,研发了高温(200℃)、高压(200 MPa)岩石弹性性质超声测量系统.收集塔里木盆地9块奥陶系超深碳酸岩储层岩石样品,通过高温高压条件下超声纵、横波速度测量发现,在围压保持69.0 MPa不变的情况下,当温度从25℃上升到200℃时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着温度的升高而下降,纵波速度与体积模量最大降幅分别达到3.54%和7.54%,横波速度与剪切模量最大降幅分别达到4.57%和8.93%;在温度保持200℃不变情况下,当围压从69.0 MPa上升到137.9 MPa时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着围压的升高而升高,纵波速度与体积模量最大升幅分别达到1.78%和3.39%,横波速度与剪切模量最大升幅分别达到1.95%和5.26%.在超深碳酸盐岩油气储层环境下,温度对碳酸盐岩岩石骨架弹性性质的影响可能超过围压对岩石骨架弹性性质的影响.岩石样品温度与围压循环实验表明,干岩石弹性性质与温度以及围压的变化关系不具可逆性,碳酸盐岩岩石样品弹性模量与温度之间总体上存在线性关系,其截距与斜率由碳酸盐岩...     

基于约束条件横波速度反演和流体替代

依据辽东湾地区一组在地层条件和不同流体相态下（气饱和与水饱和）实验室测定的岩石纵波速度、横波速度及密度等数据,讨论Gassmann方程在横波速度反演和流体替代方面的应用效果,指出岩石骨架剪切模量和体积模量估算精度是影响纵波、横波速度预测精度的关键因素之一,提出基于约束条件横波速度反演和流体替代方法,速度预测精度的改善十分明显.     

一种基于阵列声波测井的胶结指数计算方法在饱和度评价中的应用

利用饱和度公式评价储层含油性时,胶结指数一般在某一层位取某一固定值.在复杂岩性储层中,储层非均质性强,孔隙结构复杂,连通性差,导致胶结指数变化较大,利用常数胶结指数计算的含油饱和度精度降低,给储层测井评价带来了极大的困难.基于弹性介质理论,利用阵列声波数据得到地层骨架的剪切模量和体积模量,并计算出骨架的纵波速度.分析发现,地层和骨架的纵波速度比与地层孔隙度和胶结指数具有一定的函数关系,通过地层和骨架的纵波速度比和孔隙度可以计算出连续的胶结指数,进而得到地层饱和度.实验结果表明,本文方法计算得到的地层饱和度与岩心分析饱和度吻合较高,方法一定程度上克服了传统的饱和度模型在复杂岩性储层中的不适用性,为复杂岩性储层含油性准确评价提供了依据.     

周期性层状含孔隙、裂隙介质模型纵波衰减特征

地震波在含孔隙、裂隙斑块饱和介质传播过程中会诱发多个尺度孔隙流体流动而产生衰减和速度频散.在含有宏观尺度“Biot流”和介观尺度“局域流”衰减诱导机制的周期性层状孔隙介质模型基础上,引入了微观尺度硬币型和尖灭型裂隙“喷射流”的影响,构建了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型.利用双解耦弹性波动方程的方法数值计算了该模型地震频带的纵波衰减和速度频散并与周期性层状孔隙介质模型做了对比研究.分析了该模型在不同裂隙参数（裂隙密度、裂隙纵横比）及裂隙体积含量下的纵波衰减和频散特征,裂隙密度越高对于纵波衰减和频散的影响越大,裂隙纵横比越小,由裂隙引起的纵波衰减部分向高频段移动,裂隙体积含量越少,纵波衰减先降低后小幅增加再降低,频散速度增加,并逐渐接近于周期性层状孔隙介质模型的纵波衰减和频散速度曲线.最后研究了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型有效平面波模量的高低频极限以及流固相对位移在该模型中的分布特征.     

非线性弹性模量对波速影响的实验研究

在循环应力作用下，对砂岩和石英砂两种结构较松散的样品进行了实验研究。对非线性模量与应变的关系作了非线性拟合，用非线性模量代替弹性模量，对弹性介质中的波速公式作了修正。将波速与应力的多值函 数关系转化成波速作为应变（或密度）的单值函数。同时考虑了水饱和对非线性模量和波速的影响，得出了速度与应变的拟合关系曲线。实验数据和理论曲线有较好的一致性。     

青藏高原冻土区天然气水合物地层的岩石物理分析

为了获得青藏高原冻土区天然气水合物地层的物性特征,采用岩石物理方法进行分析.首先,对青藏高原冻土区DK-1、DK-3和DK-4三个井孔制作了速度密度交会图,并比较了不同岩性水合物地层的差异.其次,基于DK-1和DK-4含水合物粉砂岩层段的测井数据,提取了水合物地层骨架的物性参数,包括纵波速度、横波速度、密度、体积模量和剪切模量.最后,依据水合物地层各主要成分的物性参数,建立了基于K-T方程的岩石物理模型和区分填充模式的岩石物理模型,将两类模型的速度曲线分别与实际地层数据进行了对比,并分析了模型与实际地层的近似程度,发现填充模式Ⅱ的水合物岩石物理模型更符合实际情况.冻土区水合物地层具有速度大、密度小的特征,砂岩水合物地层相比泥岩地层在速度和密度方面更具规律性,DK-4井孔165.80~166.35 m层段中水合物作为岩石骨架的一部分更能反映其物性特征.     

震级标度的不一致与震源的复杂性

矩震级标度是从地震矩换算过来的,换算关系中地震应力降与剪切模量估算的不准确会对矩震级标度产生影响.本文利用1976年1月~2006年12月发生在东经75°~135°,北纬15°~55°的M≥5地震的矩震级与面波震级,探讨了应力降与剪切模量的比值Δσ/μ在中国及邻区以及在不同震级下的分布特征.中国大陆及邻区的Δσ/μ值分布较分散,不同地区的Δσ/μ值明显不同,且绝大部分值大于矩震级和地震矩换算关系中使用的全球平均值.对于同一地区不同震级的地震,其Δσ/μ值也不一样,震级大,Δσ/μ值通常也大.研究认为剪切模量和地震应力降的估计对矩震级标度的影响不能忽略.     

小应变硬化土模型参数的确定与敏感性分析

地下工程施工引起的土体扰动区可分为剧烈扰动区、扰动区、微扰动区和未扰动区。为全面反映土体在扰动下的应力路径和力学响应,必须考虑全应变范围的土体特性,尤其是小应变范围内的力学响应,因此对小应变硬化土本构模型关键参数(初始剪切模量和剪应变阀值)的确定方法进行介绍。开展上海典型软土的三轴固结排水剪切试验和固结试验研究,给出确定上海软土小应变硬化土模型(HSSmall)参数的方法,建议采用原位测试的方法确定土体的初始弹性模量。基于土单元数值模拟进行初始弹性模量和剪应变阀值的参数敏感性分析。随着初始弹性模量的增大,初始压缩曲线与卸载-再压缩曲线的斜率均增大。由于对应的回弹模量不变,初始弹性模量与回弹模量的差值增大,应变与偏应力试验曲线的回滞环宽度也随之增大。随着剪应变阀值的增大,初始压缩曲线和再压缩曲线的近似直线段增长,在同样剪应力情况下,土体的应变值减小,土体保持初始弹性模量刚度的区间增大。     

各向同性介质弹性阻抗的张量表示

作为声波阻抗的广义形式,当前地震勘探领域所应用的弹性阻抗描述了在地震纵波非垂直入射的情况下地层对反射纵波的阻抗特征,因此能够反映地层的横波速度信息.但是,根据其理论公式的推导,传统的弹性阻抗实质是反射波的一个衍生标量属性,且存在诸如弱阻抗差、小入射角和相邻地层纵/横波速度比恒定等假设条件.因此在相应的反射系数重构、地震反演与解释过程中不可避免地存在误差.通过分析各向同性弹性介质中速度场与应力场之间的关系,给出了弹性阻抗张量的精确公式表征.弹性阻抗张量能够表示每个应力分量与速度分量间的关系,因此完备地描述了介质的弹性力学特性.文章通过理论模型和实际数据应用证明了导出的弹性阻抗张量表达式较经典的弹性阻抗公式有更高的精度和适用范围.     

流体体积模量计算方法研究

Wood模型、Patchy模型、Domenico模型及Brie的经验公式是常用的流体体积模量计算模型,目前低孔低渗或致密储层一般采用Brie的经验公式来计算流体体积模量.通过深入研究这几种模型,计算出流体体积模量的上下界,将上下界分别带入Gassmann方程反推出Brie干岩石剪切模量模型指数值范围,从指数范围内寻找一个最优值,使得纵横波预测误差最小,这个最优值即为剪切模型中的指数值.Brie剪切模型中采样点的指数值为固定值,将该固定值表示为随深度变化的变量,优化了Brie干岩石模量的计算方法.将优化后的Brie干岩石模型与Gassmann方程相结合反推出流体的体积模量.本文对Weyburn油田常规储层、胜利油田低孔低渗储层及苏里格气田致密储层进行研究,得出如下结论:(1)流体体积模量除了受各相流体的体积模量、含水饱和度、压力的影响外,还与孔隙的连通程度有关,即在有效压力不大的情况下,流体体积模量随含水饱和度的变化规律主要是连通性决定的;(2)低孔低渗、致密储层流体体积模量岩石物理模型与常规储层有很大的区别,Wood模型适用于常规储层流体体积模量的计算,而Wood模型和Domenico模型相结合的形式适用于低孔低渗和致密储层流体体积模量的计算.     

高孔隙岩石局部压缩屈服与帽盖模型

对石灰岩不同围压的三轴压缩过程进行微结构观察,发现:当平均应力与体积应变曲线偏离静水压力线时,岩样微结构产生颗粒之间胶结物破坏,颗粒挤紧,孔隙减小,导致应变硬化,达到剪切增强的压实阶段.继续加载较软的颗粒被挤碎,导致崩塌变软,岩样出现宏观软化现象;同时孔洞表面产生大量平行于最大主应力方向的裂纹,汇聚成核.在低围压(40 MPa)时,含天然缺陷的岩石中,观测到剪切带的产生,也会在局部缺陷处发生崩塌;随着围压的增加(150MPa),局部体积崩塌将逐步引发大面积的垮塌.对应岩石试件的屈服行为也由以剪切破坏机制为主,逐渐转变为以体积崩塌压缩机制为主,引起纵向应变迅速增加.当剪切增强压缩继续发展到C*′直到峰值应力前时产生颗粒破裂、移动或旋转,曲线出现转向,岩样发生体积膨胀,同时引起密集声发射活动.峰值应力后,微裂纹串联成裂纹簇开始剪切诱导岩样体积膨胀,导致应力降引起应变软化,同时产生剪切局部化.在没有无序性影响的压缩带发展和传播的数值模拟中,展示了压缩带由样品的上下端面向样品中部逐渐扩展的过程,与Bentheim砂岩切片图显示和AE监测结果是吻合的.通过微观与宏观实验结合的描述方法清楚地展现了剪切带、压缩带、膨胀带的产生机理以及压缩带的发展过程,这里压缩屈服过程即为帽盖模型的形成过程,它是近似椭圆的帽盖模型中的帽子部分.     

煤层气储层含气量与其弹性参数之间的关系——思考与初探

首先研究了天然气AVO技术的岩石物理基础--Gassmann方程和Biot理论(以下统称为"Gassmann-Biot理论")--对煤层气AVO技术的适用性.根据该理论创始人在建立其理论时的假设条件、煤层气储层的双相孔隙特征、煤层气的双相赋存特征,本文推理认为,由于煤层气储层的基质型孔隙体系的连通性差,裂隙性孔隙在宏观上是非均质的,并且是各向异性的,因此,总体上来说,Gassmann-Biot理论不完全适用于煤层气储层.特别地,当煤层的水饱和状态保持不变而煤层的含气量变化时,因为煤层中孔(裂)隙中流体的体积压缩模量不变或基本不变,即使煤层的弹性参数发生变化,Gassmann-Biot理论也不可能预测其变化趋势.因此,天然气AVO技术的岩石物理基础完全地不适用于水饱和煤层气储层.研究发现,煤层气储层含气量与其密度、纵波速度、横波速度之间存在负相关关系,即含气量高,密度小、纵波速度小、横波速度小;含气量低,密度大、纵波速度大、横波速度大.但是,这些负相关关系不是现有岩石物理理论能够预测或能够解释的.依据煤层气地质学理论以及负相关关系与现有岩石物理理论的一致性,本文提供了对某勘探区A号煤层含气量与其密度、纵波速度、横波速度之间负相关关系的解释,并认为煤层气储层的含气量与其弹性参数之间的负相关关系可能是这类储层内在的固有的规律性的关系.本文证明含气量与其密度、纵波速度、横波速度之间负相关关系可以作为煤层气AVO技术的岩石物理基础,建立了AVO异常与煤层气储层"甜点(即富集高渗部位)"之间的关系,从而能够使用AVO异常探测煤层气富集高渗部位.     

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

综合物探方法在淮河滨河浅滩岩溶塌陷调查中的应用研究

淮南市八公山区原肥皂厂近些年出现大规模的岩溶塌陷地质灾害,为了查明该调查区地下溶洞、裂隙管道等不良地质体的发育位置,笔者采用高密度电测深法、音频大地电磁法和地震折射法对塌陷区进行野外实验研究,研究结果显示:受滨河浅滩第四系淤泥低阻覆盖层的影响,高密度电测深法和音频大地电磁法测量的视电阻率值偏小,普遍小于200Ω·m,对低阻异常体识别度很低,很难通过视电阻值大小来准确判定基岩与低阻异常体之间的相对空间位置,相比之下,地震折射法受低阻覆盖层的影响较小,覆盖层与基岩之间纵波速度相差很大,实验得出,河床淤泥层纵波速度小于1000 m/s,第四系含砂黏土层纵波速度在1000～2200 m/s之间,基岩纵波速度大于3000 m/s,基岩与覆盖层之间的溶蚀层位纵波速度介于2200～3000 m/s之间.研究结果表明,在滨河浅滩第四系淤泥层等低阻覆盖层的影响下,高密度电测深法和音频大地电磁法测量的视电阻率值偏小,仅仅依靠视电阻率值来判定基岩与低阻异常体之间的相对空间位置不够严谨,在此基础上采用地震折射法,利用基岩、低阻覆盖层与溶蚀层之间的纵波速度差异,能够更加准确的划分并圈定覆盖层、溶蚀层和基岩面的空间位置.     

等效拉压荷载下饱和粉质黏土的弹塑性变形特性研究

动三轴试验中,若在一定轴向静偏应力基础上施加对称正弦波荷载,土体会在荷载正半部分出现轴向压缩状态,而在荷载负半部分有可能因为侧向应力大于轴向应力而出现轴向等效拉伸状态,将此类荷载暂称为等效拉压荷载。为研究等效拉压荷载下饱和粉质黏土的弹塑性变形,设计了多级正弦波荷载室内不排水动三轴试验。依据试验数据揭示了围压、静偏应力、动偏应力和压实系数对土体弹塑性变形发展的影响,并提出用拉压效应系数来确定轴向塑性累积应变的发展趋势。研究表明:若取轴向压缩方向为正方向,拉压效应系数存在一临界值,当实际值大于临界值时,塑性累积应变向负方向发展,反之则向正方向发展或基本保持不变;同时Hardin模型可以较好地描述饱和粉质黏土的动弹模-动应变关系,且塑性累积应变向负方向发展时动弹模量普遍偏小。     

水饱和孔隙介质中平面震电波电磁特性的定量模拟

震电效应在地球物理测井和勘探领域拥有十分广阔的前景.为了研究孔隙介质中的震电效应,本文基于毛管模型中渗流场和电流场耦合理论,利用Pride震电理论对震电耦合波传播特性进行了定量模拟;对震电横波、震电快纵波、震电慢纵波的传播速度、衰减常数、电场强度、电流密度以及电荷密度进行了比较,定量分析了其随孔隙度、离子浓度、阳离子交换量的变化规律.分析结果表明:随着频率增大,三种震电耦合波波速、衰减常数以及电流密度与固相速度比值的模值增大,震电横波电场强度与固相速度比值的模值减小,震电快纵波、慢纵波电场模值增大.当频率相同时,震电快纵波波速最大、衰减常数最小,震电慢纵波波速最慢、衰减常数最大,震电横波的波速和衰减常数大小居于快、慢纵波之间;频率不变时,震电慢纵波电场强度与固相速度比值的模值最大,快纵波次之,横波最小;中低频时,震电横波电流密度与固相速度比值的模值略大于慢纵波;高频时,震电慢纵波略大于横波,快纵波一直最小.溶液浓度和阳离子交换量对三种震电波的波速和衰减常数影响很小;溶液浓度越大或阳离子交换量越小,三种震电波电场强度、电流密度与固相速度比值的模值越小,震电快纵波和慢纵波电荷密度与固相速度比值的模值也越小,但是相位几乎都不变.     

基于Cole-Cole模型的中间极化水平层大地电磁IP效应研究

利用Cole-Cole模型的复电阻率公式表征的介质激电效应,对一维层状介质O型、H型、A型、K型和Q型地电断面中间极化的大地电磁模型进行了正演计算.利用视电阻率比值和相位比值参数来表征IP效应,详细讨论了各地电类型的激发极化效应.对大地电磁场激发极化效应与极化体厚度和埋深的关系进行了讨论.     

测井资料Xu-White模型预测横波速度的一些新观点

目前横波预测的方法大致可以分为两种:经验公式预测和理论岩石物理模型。由于经验公式预测一般具有区域性,研究者更重视岩石物理模型预测。目前大多数岩石物理模型预测横波的方法假定地下流体的物性参数(速度和密度)不受地层深度的影响,且孔隙扁率是恒定的,实际上这并不科学。因为矿物的体积模量和剪切模量随所处地层深度发生改变,而对于孔隙扁率则随颗粒形状、孔隙度等的变化有较大变化。针对这些情况,提出一种新的改进的Xu-White横波预测方法,并可取得较好的效果。