用邦德矩阵法推导各向异性介质的弹性常数

弹性波各向异性介质是描述地球内部物质的比较符合实际的一种模型 ,而其弹性常数的个数是研究地震波传播特性的关键所在。横向各向同性介质 (TI)及裂隙各向异性介质 (EDA)均可视为具无穷次对称轴的介质 ,在此假设基础上 ,利用邦德矩阵法能够方便快捷地推导出具有五个相互独立常数的弹性刚度矩阵     

含倾斜定向排列裂隙介质纵波特征

根据Schoenberg的含裂隙介质的线性滑移模型在弱各向异性近似条件下根据Bond变换获得了含倾斜定向排列裂隙介质的弹性系数矩阵。在将含倾斜定向排列裂隙介质视为倾斜横向各项同性（TTI）介质的基础上根据弱各向异性近似条件下TTI介质纵波相速度、弹性波阻抗以及反射系数的近似解析解,研究了裂隙倾斜角对含倾斜定向排列裂隙介质中纵波相速度、反射系数以及波阻抗的影响。研究发现含倾斜裂隙介质的纵波相速度、各向异性弹性波阻抗、反射系数三个参数具有类似方位各向异性特征：入射角大的时候,显示较强方位各向异性,但是这三个参数对入射角的依赖程度却不完全相同,反射系数对入射角的依赖程度最大。     

裂隙型单斜介质中弹性系数的计算及波的传播特性研究

根据Hudson等关于裂隙介质弹性系数计算的扰动理论及Bond变换矩阵原理，给出了各向同性介质中含多组垂直裂隙时等效弹性系数的计算方法。计算了含两组斜交的垂直裂隙形成的单斜各向异性介质中的等效弹性系数，并根据Christoffel方程推导、得出水平面内平面波传播的相速度和群速度随方位变化的特性。     

裂隙连通性对含流体介质剪切波分裂特征的影响

地下介质受到多期构造运动的作用,裂缝以多组形式存在的现象比较普遍,多组裂隙之间的连通性会影响介质的弹性参数。计算含两组交错裂缝饱和岩石弹性模量时,对于裂隙连通的情况,先计算干燥岩石的弹性参数,再通过各向异性流体替换获得含流体裂隙介质的弹性参数。对于不相交裂隙的情况,先对两组裂隙分别计算其饱和裂纹韧度,再计算饱和裂隙岩石的总体弹性参数。研究结果表明:①油水饱和条件下,当裂隙连通时,剪切波分裂参数随着油饱和度的增加变化较小;当裂隙不连通时,剪切波分裂参数随着油饱和度的增加变化较大;②随着裂隙倾角θ的增大,剪切波分裂参数减小;③在油饱和条件下,当裂隙连通时,剪切波分裂参数随着孔隙度的增加稍稍增加;当裂隙不连通情况时,剪切波分裂参数随着孔隙度的增加而减小,减小程度相对较大。     

裂隙介质弹性性质研究

波在介质中传播，主要是受介质的弹性性质的影响，在各向同性的岩石背景上，含有裂隙；岩石表现为各向异性，裂隙的形状不同，各向异性的性质也不同。本文在Hudson模型基础上，应用散射理论，研究了垂直定向分布的裂隙介质（EDA），水平分布的裂隙介质（PTL）、正交裂隙介质（ORA）、两组垂直斜交的裂隙介质（EDA＋EDA）等4种类型裂隙介质的弹性性质，给出弹性参数计算公式，并分析了裂隙介质与各向异性之间的内在联系。     

准各向同性裂隙岩体中有效动弹性参数与弹性波速关系的研究

从弹性波在介质中传播的特点和弹性波法在岩体工程中的实际应用情况方面,分析了弹性波在含裂隙岩体介质中的传播特征。将岩体中裂隙呈随机分布的裂隙岩体似为准各向同性裂隙岩体,根据能量平衡原理、岩石断裂力学理论和卡氏最小功能定理(Castiglano’s theorem),确定了准各向同性裂隙岩体的有效动弹性参数( 、 、 )与裂隙密度参数(Xv)的数学关系。在此基础上,根据各向同性介质中传播的弹性波理论,建立了准各向同性裂隙岩体中弹性波速( 、 )和 / 与裂隙密度参数(Xv)之间的关系。理论研究表明,在此裂隙岩体中,有效动弹性参数和弹性波速与裂纹密度参数之间相互的关系均近似成倒数函数的非线性关系;裂隙密度参数增加,有效动弹性模量( )也减少,弹性波速( , )也减小;在裂隙密度参数较小时,此裂隙岩体的有效弹性模量和弹性波速随裂隙密度参数的变化较大,说明裂隙体的有效弹性参数和弹性波速对裂隙体非常敏感。     

煤储层各向异性地震波场模拟

对中国煤层的裂隙系统进行了系统分类;阐述了各类裂隙的主要成因。基于二维二分量各向异性弹性波方程交错网格高阶有限差分法数值模拟,对各向同性介质模型和高裂隙密度(含干裂隙和饱和水裂隙)煤层的二维层状模型进行了弹性波场数值模拟。结果表明:煤层含裂隙后与不含裂隙时相比,反射时差的变化已不足以识别,但由于波速的改变会使煤层顶底、界面的波阻抗发生变化,从而引起波的动力学特征的改变,AVO现象尤其明显。含气和含水裂隙煤层中在x分量和z分量表现为极性相反,而且含水裂隙煤层中的波速比含气裂隙煤层的波速要快。因此,应用各向异性理论研究煤层裂隙的特征是可能的。     

裂隙网络生成的随机模拟研究

网络裂隙介质的刻画是水文地质研究领域最具挑战性的难题之一。介绍布尔模拟和多点地质统计两种生成裂隙网络的随机模拟方法基础上,分别利用布尔模拟和多点地质统计方法对某一典型裂隙介质网络进行随机模拟,并通过与真实裂隙场的迹长、走向等几何参数的对比评价其模拟精度。结果表明,两种随机方法都能实现对裂隙结构特征的近似刻画,其模拟误差均在10%以内。相对来说,布尔模拟对裂隙迹长的模拟精度更高,多点地质统计模拟对裂隙走向的模拟效果更好。同时,布尔模拟较多点地质统计模拟对裂隙的已知数据要求更高。裂隙网络的随机模拟为准确刻画裂隙介质中的地下水流运动及污染物运移提供了现实可能性。     

横观各向同性含液饱和多孔介质黏弹性瞬态反应

在考虑横观各向同性含液饱和多孔介质固体骨架和流体可压缩性以及固体骨架的黏弹性特征下,基于横观各向同性含液饱和多孔介质u-w形式的三维动力控制方程,以固相位移u、液相相对位移w为基本未知量,综合运用Laplace变换、双重Fourier变换等方法,在直角坐标系下通过引入中间变量,将六元2阶动力控制方程组化为两组各含4个未知变量的常微分方程组,给出了直角坐标系下横观各向同性含液饱和多孔介质三维黏弹性动力反应的积分形式一般解;作为理论推导的验证,通过引入初始条件和边界条件,对横观各向同性含液饱和多孔介质半空间黏弹性瞬态反应问题进行了求解。解答的退化验证表明,所推导的理论解是正确的。     

具平行裂缝及定向裂隙介质内的弹性波传播

平倾斜界面模型可模拟大型紧密分布、定向交汇裂缝系统的特性,该模型认为:各种裂缝系列至各向异性:三斜(最常地)、单斜、正交或横向各向同性,而且可由3×3裂缝系统顺度矩阵形式表示。裂缝系统可体现在对各向异性类型没有限制的各向异性背景之中。为了计算裂缝介质的长波长等效模量至多需要两个3×3矩阵的逆。当我们假定裂缝一般为轴对称的(横向各向同性断裂系统特性),而且背景介质假定为各向同性的,则得到的等效介质为横向各向同性的,而且断裂系统的附加顺度效应可由两个参数表示(除各向同性背景的两个各向同性参数之外)。各向同性背景中的水平定向微裂隙系统会产生与具大节理各向同性背景介质相同形式的等效介质,也就是说,由于微裂隙的存在会出现两个附加参数。在等效介质应力应变关系中,这些微裂隙所起作用与由于大节理存在而产生的附加参数相同,因此,对描述这种裂缝介质各向异性的四个参数的总的了解,尽管不能告诉我们关于定向排列裂缝尺寸或密集程度,但确实包含了由于裂缝系列总的顺度及裂缝方位信息。假定考虑椭球状、定向裂缝系统,当增大纵横比时,等效介质的模量即开始偏离水平裂隙模量的标准形式,对于较大裂隙密度,偏离更快,但仅对于纵横比趋于0.3的微裂隙最为显著。     

论古代海洋碳酸盐沉积环境基本模式

我国碳酸盐地层分布广泛,厚度巨大,类型复杂,从而为我国碳酸盐研究提供广阔前景。解放以后,我国首先在四川盆地的二、三叠系碳酸盐岩中获得高产气田,推动了碳酸盐岩的研究。     

裂缝介质中石油运移物理模拟结果及地质意义

利用2套裂缝网络模型进行了一系列石油在饱水裂缝介质中运移的物理模拟实验，从石油运移角度研究不同网络拓扑结构、不同缝宽、不同原油粘度等因素对石油运移的影响。通过实验结果分析发现，在裂缝宽度不同的多裂缝体系的石油运移过程中，宽度大的裂缝方向控制着石油运移的方向和原油在裂缝介质中的分布。同时发现，当流体势降低方向（驱替方向）与宽缝方向一致时，运移速度、运移量与粘度的大小尚能呈现出一定的关系：油的粘度越小，运移速度越快，运移量越大，反之亦然。但当流体势降低方向（驱替方向）与宽缝方向垂直时，变化趋于复杂。根据物理模拟实验的结果，指出在油气成藏研究和油气分布预测中，油气运移高峰期的古流体势分布和古应力场分布研究的配合，是判断油气运移方向、确定有利聚集区带的关键。     

随机介质模型的模拟与混合型随机介质

讨论了随机介质模型的基本概念及指数型和高斯型椭圆自相关函数所描述的随机介质模型的特点, 并提出了混合型随机介质模型的概念, 该随机介质模型能更加灵活、准确地描述实际介质.通过选择在水平方向和垂直方向上的自相关长度a、b以及粗糙度r, 可以产生出各种不同形式的混合型随机介质模型.模拟结果显示, 混合型随机介质模型能更加灵活地描述实际介质, 具有适应性强, 使用方便、灵活, 能有效地模拟油气藏细节的优点.      

A finite element method for modeling coupled flow and deformation in porous fractured media

Modeling the flow in highly fractured porous media by finite element method (FEM) has met two difficulties: mesh generation for fractured domains and a rigorous formulation of the flow problem accounting for fracture/matrix, fracture/fracture, and fracture/boundary fluid mass exchanges. Based on the recent theoretical progress for mass balance conditions in multifractured porous bodies, the governing equations for coupled flow and deformation in these bodies are first established in this paper. A weak formulation for this problem is then established allowing to build a FEM. Taking benefit from recent development of mesh‐generating tools for fractured media, this weak formulation has been implemented in a numerical code and applied to some typical problems of hydromechanical coupling in fractured porous media. It is shown that in this way, the FEM that has proved its efficiency to model hydromechanical phenomena in porous media is extended with all its performances (calculation time, couplings, and nonlinearities) to fractured porous media. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Von Karman 型自相关函数模拟随机介质

利用Von Karman型自相关函数建立了随机介质模型,对自相关长度、谱指数两个参量分别讨论了模型的特征,分析了不同扰动标准差下模型 中速度的分布和变化情况。结果显示：改变自相关长度及横纵向谱指数,都可以产生横向和纵向上非均匀体尺度改变的随机介质模型;扰动标准差 不同,得到的随机扰动的范围就不同,从而引起模型中速度围绕背景速度上下波动。从模拟结果图显示,随机介质模型能灵活地描述实际介质。     

非达西裂隙流对渗透性基岩中流场及溶质羽的影响

以基岩渗流方向与裂隙轴向呈45度角为例,探讨了当裂隙轴向与基岩水流斜交时,裂隙流的非达西程度对流场及溶质运移的影响.使用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件构建了一个在中部包含水平单裂隙的正方形多孔介质模型,裂隙中的非达西流用Izbash方程去刻画,裂隙的上游基岩中存在持续的溶质源.随着裂隙水流的非达西程度逐渐增强,流场及污染物分布表现出如下特征:（1）裂隙中水流流速逐渐增大;流线在裂隙与基岩界面处的折射逐渐偏离折射定律;（2）裂隙水流的流向逐渐偏向基岩水流的渗流方向;（3）溶质羽宽度变宽但对称性逐渐降低;（4）溶质在水平方向上的浓度峰值逐渐降低,右侧浓度逐渐升高;（5）裂隙产生的回弥散对溶质运移作用逐渐增强,使裂隙中更多的溶质运移到了上层基岩中.总体而言,裂隙流的非达西程度对流场及污染物分布有着显著的影响.      

川东北宣汉-达县地区构造应力场对裂缝的控制

川东北宣汉-达县地区晚白垩世受到南东方向的挤压作用,始新世晚期-渐新世早期受到北东方向的挤压作用,两期构造活动导致宣汉-达县地区下三叠统飞仙关组碳酸盐岩中形成构造裂缝,对油气藏开发产生较大的影响。在考虑岩层与岩层之间相互影响的基础上,结合共轭节理和机械双晶的分析结果,利用三维有限元分析技术,计算宣汉-达县地区飞仙关组古构造应力大小,获得了两期古构造应力场的分布特征。通过岩石破裂阈值的限定,对普光、毛坝区块构造裂缝（张裂缝和剪裂缝）的发育区域进行预测,依据综合破裂率对岩层破裂强度进行评价,为提高裂缝钻遇率,降低勘探开发风险提供了科学的地质依据。