偶极各向异性测量中钻孔应力集中的效应

由实验和理论给出了应力集中是如何影响钻孔周围速度场,以及速度场是如何影响偶极各向异性测量的。在低频率,偶极波主要易受远场应力的作用,即标准声波测井解释结果恰能得了最在应力方向。在高频率,偶极波主要受近场应力集中的影响,致命快速极化方向与最小构造应力的方向一致。这睦效应使得在快速极化方向和慢速极化方向测得的偶极波散曲线产季了交叉。根据宽频带偶极资料,偶极波散曲线交叉可被用作为应力诱发各向异性超过弱的     

套管井偶极弯曲波频散向高频偏移的特性

对套管井偶极弯曲模式波的频散特性进行了系统的数值考察、实例对比和分析.发现套管井弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低,特别是地层横波速度小于2000 m·s^-1以下,会迅速移向高频区,偶极弯曲波基础模式主频散区（或截止频率）可出现在13 kHz以上,以致超出了现行低频偶极子声波测井仪的激发与接收频带,这是一过去没有被研究者注意到的现象,并进一步被现场实例所证实.研究表明控制套管井弯曲波频散曲线主频散区位置的主要是钢套管的厚度和地层横波速度.对地层横波速度大于井孔流体声速的快速地层,在钢套管壁厚一定（8 mm）的情况下,频散曲线主频散区可移至11 kHz以上,可能出现的最大可能频域位置是同一井孔内径,井外全钢时的频散曲线上等于、小于地层横波速度那一段,这对各种地层和套管参数都是适用的.对地层横波速度小于等于井孔流体声速（1500 m·s^-1）的慢速地层,弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低移向高频区的特点更为明显,可能移至16 kHz以上;而套管厚度的影响,也比快速地层大的多,对地层横波速度小于1380 m·s^-1的慢速地层,无论用多高的频率激发,都不能在现行使用的各类套管井（壁厚6~12 mm）中用偶极声波测井仪测到弯曲模式波.     

套管井应力集中下正交偶极声测井的声弹理论、数值分析与实例

油田受异常地应力作用而损坏的油井绝大部分都是套管井,针对这一实际情况,通过求解套管井应力集中情况下各层介质中应力场的分布,应用摄动积分方法,将裸眼井声弹性方程发展为适用于套管井井孔体系的情况.数值考察了井外无限远单轴水平压应力作用下,声弹方程中各层介质敏感系数和速度-应力系数随频率的变化,及二相互垂直偏振的偶极弯曲波相速度的频散曲线.结果表明,套管井声弹方程中的速度-应力系数主要由地层参数决定,内层介质的贡献较小,其中与三阶弹性模量相对应的项又起决定作用;井孔周围应力集中将引起平行和垂直单轴压应力方向偏振的二弯曲波发生速度分裂,同时随频率的增大两条频散曲线产生交叉,说明这种交叉仍然可用作判断套管井情况下地层各向异性是本征的还是由异常应力诱导的判据,用正交偶极声波测井技术在套管井中无损检测异常地应力仍然可行;但低速地层交叉点将明显向高频区移动,这又是与裸眼井情况重要的不同之处.本文还给出现场实测数据的处理实例,理论结果得到验证.     

套管井井壁附近地层横波速度径向分布反演

套管外地层受异常地应力、油气开采的影响,在径向上表现出非均质性;采用声波测井可以对该非均质性进行探测,利用偶极子横波测井数据可以对横波速度的径向分布进行反演.本文建立了套管井外地层横波速度径向分层参考模型,采用修正的微扰法计算了该模型的偶极弯曲波频散曲线,建立了横波速度径向分布反演目标函数,采用高斯牛顿法和快速模拟退火法对目标函数进行了求解,得到了套管井外地层横波速度的径向分布.分析了偶极弯曲波频段、套管横波速度对反演结果的影响,对比了高斯牛顿法和快速模拟退火法对反演过程的影响.分析对比结果表明,采用偶极弯曲波激发强度较高的频段与采用全频段的反演结果相近;套管的横波速度准确度越高,反演结果越准确;高斯牛顿法和快速模拟退火法计算精度相同,都可以得到高精度的横波速度径向分布;快速模拟退火法的计算效率略低于高斯牛顿法,但其收敛性对初始值依赖更小,实际处理中应选择快速模拟退火法.     

井孔压力与地层应力集中诱导的偶极弯曲波的分裂

利用在大形变基础上叠加小扰动的非线性波动理论——声弹性理论，数值考察了井外均匀各向同性固体介质同时受井孔静压力和井外单轴水平压力作用时，Stoneley波和两种偏振的偶极弯曲波的相速度频散曲线，并研究了计算中用到的灵敏系数随频率的变化. 数值结果表明，模式波相速度频散曲线的变化主要受灵敏系数中对应的3个三阶弹性常数的项控制；由井孔周围应力集中引起的沿单轴压力方向和垂直于该方向偏振的弯曲波发生分裂，同时随频率的增大，两条频散曲线产生交叉；井孔静压力的作用使两条频散曲线交叉点的位置发生变化，交叉点相速度值随井孔压力的增加而增大，但对应的频率值不变.     

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.

     

滑移界面表征的套管井声场的理论计算

经典弹性波理论往往在套管与水泥环之间增加一层流体环来模拟套管与水泥环之间胶结差时的测井响应, 但流体环的存在, 使得套管与水泥环之间缺失了剪切耦合, 即使几个微米的厚度, 套管波幅度也会明显增大, 接近甚至超过自由套管时的30%.因此经典弹性波理论常常无法解释现场测量数据中套管波幅度的渐变现象.实际套管井中胶结界面粗糙或不规则起伏使套管与水泥环界面两侧介质有所接触, 往往存在剪切耦合, 用剪切刚度和法向刚度表达的滑移界面理论应用到套管与水泥环或水泥环与地层界面的胶结响应, 可模拟界面从完全胶结到完全不胶结的过渡状态.通过将滑移界面理论模拟的波结构与在套管与水泥环之间加一层软固体层时的经典弹性波理论模拟的波结构对比, 验证了滑移界面理论在模拟水泥胶结时的适用性.滑移界面理论与经典弹性波理论结合分析了水泥不同胶结状态下井孔内外声场的辐射特征, 随着界面水泥胶结质量的下降井内接收的套管波以及套管波泄漏到地层中的纵横波幅度逐渐增强, 透过井壁辐射到地层中的纵波和横波逐渐降低.将滑移界面理论应用到套管井水泥胶结状况的模拟, 弥补了经典弹性波理论在模拟水泥胶结测井响应时的局限性, 也为定量刻画水泥环界面的耦合刚度提供了可能.

     

龙马溪页岩弹性各向异性与矿物分布之间的关系探讨

岩石弹性各向异性特征是普遍存在的,但导致岩石弹性各向异性的原因复杂且仍然存在一定争议.本研究以龙马溪页岩为例,试图建立页岩弹性各向异性和矿物分布之间关系.研究使用无损超声波探测获取岩石弹性各向异性参数,并使用背散射技术获取岩石矿物分布特征.研究通过引进变异系数来描述矿物或孔裂隙在不同方向的差异性,并通过2个正交方向的变异系数建立微观异质性指标,用于表征微观尺度上矿物或孔裂隙在不同方向的差异程度.微观背散射图像显示,龙马溪组页岩主要由石英和伊利石构成,且这两种矿物和孔裂隙在X和Y面上都有定向排列特征.相应地,它们的变异系数在X面和Y面上均表现出随角度增大而降低的特征;而在Z面,石英、伊利石和孔裂隙变异系数变化不明显,这与Z面上矿物和孔裂隙无明显方向性的特点一致.无损超声波探测结果显示,波速在X和Y面上随角度增加而减小,这与主要矿物和孔裂隙变异系数变化趋势相同;而在Z面,波速变化不大,与主要矿物和孔裂隙变异系数变化不明显的特征一致.以上观测结果说明,宏观波速与矿物的微观变异系数明显相关,暗示岩石弹性各向异性与矿物分布直接相关.

     

基于波干涉原理的套管井阵列声波处理方法及其应用

在套管井测井中,沿着钢管产生的拉伸波(即管波)在声波数据中产生很强的干扰,使得地层声速的提取十分困难.基于管波与地层声波的干涉原理,本文提出了一种声波处理方法.管波的传播特征是已知的,且管波和地层波都由同一声源激发,因此,可以用管波来改造测井声波数据.对改造后数据采用希尔伯特变换作进一步处理,得到与地层信息相关的解析信号,从该信号中即可提取出地层声速.通过对理论模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.     

水平应力作用下套管井不同胶结状况导波的声弹效应

油田的套管完井常伴有异常地应力的作用, 对于套管井, 井孔-套管-水泥环-地层组合的系统使井周的应力集中更为复杂.为认识地应力作用下不同胶结状态的套管井导波声弹效应, 本文基于非线性声学理论, 实现了受应力作用不同胶结状态套管井井周应力和径向横波速度计算与分析; 采用摄动求解推导了套管井导波的声弹性方程, 模拟并分析由应力引起不同胶结状态套管井斯通利波、伪瑞利波、弯曲波相速度的变化.研究结果表明：不同胶结状态会改变井周的应力分布, 当界面出现滑移时井周地层中的应力集中有所增强, 从而影响导波的声弹效应.本文的研究结果为地应力作用的套管井的声场特性提供认识和理论依据.

     

基于地壳介质各向异性分析青藏高原东北缘构造应力特征

青藏高原东北缘由于受到多个构造块体的共同约束,表现出复杂的地球物理特性和地质特性,本文利用甘肃数字地震台网(2001—2008年)的观测资料,采用系统分析方法(SAM),进行地壳剪切波分裂分析,获得研究区内18个台站共1005条记录的剪切波分裂参数.研究结果表明,青藏高原东北缘介质各向异性在空间上存在差异,慢剪切波延迟时间表明了地壳介质各向异性的强弱变化特征,快剪切波平均偏振方向则反映了本区区域构造应力的空间变化特征.分析认为,祁连山—河西走廊活动构造区直接受青藏地块与阿拉善地块间相互作用,与青藏地块构造应力一致;甘东南活动构造区的应力环境主要受到内部活动断裂的共同作用,具有局部构造应力的特征.     

Influence of crack distribution of rocks on P‐wave velocity anisotropy – a laboratory and field scale study‡

The purpose of this paper is the comparison of P‐wave velocity and velocity anisotropy, measured at different scales under laboratory and field conditions. A shallow seismic refraction survey with shot/receiver spacing of up to 10 m was carried out on a flat outcrop of lhertzolite in the southern part of the Balmuccia massif. Oriented rock samples were also obtained from the locality. The particular advantage of the laboratory method used is the possibility of measuring velocity in any direction under controlled conditions. Laboratory tests were made on spherical peridotite samples, 50 mm in diameter, by ultrasonic velocity measurements in 132 directions (meridian and parallel networks) under confining stress ranging from atmospheric to 400 MPa. The mean P‐wave velocity of the field and laboratory data differed by between 20–30%. In addition, P‐wave velocity anisotropy of 25% was detected in the field data. Whereas the anisotropy in the laboratory samples in the same orientation as the field surveys was less than 2%. This observed scaling factor is related to the different sampling sizes and the difference in frequencies of applied elastic waves. With an ultrasonic wavelength of 10 mm, laboratory samples represent a continuum. The field velocities and velocity anisotropy reflect the presence of cracks, which the laboratory rock samples do not contain. Three sub‐vertical fracture sets with differing strikes were observed in the field outcrop. Estimates of fracture stiffness from the velocity anisotropy data are consistent with other published values. These results highlight the difficulty of using laboratory velocity estimates to interpret field data.     

汶川Mw7.9和集集Mw7.6地震前应力场转换现象及其可能的前兆意义

2008年四川汶川Mw7.9地震和1999年台湾集集Mw7.6地震均为挤压推覆构造环境下发生的板内逆断层型地震.通过对比分析2次地震前的CMT解、震源区附近的中小地震震源机制解及其反演的应力场可知,集集地震主震震源机制解与用台湾内陆中西部的CMT解反演得到的逆断层类型构造应力场吻合,而在主震前震源区附近中小地震震源机制...     

基于误差分布的震源区波速比反演及其应用:乳山震群源区介质性质变化研究

本文利用误差分布和概率统计分析改进了波速比计算方法.对于震源位置相对集中的震群活动,对台站震相到时进行两次差分,通过对差分后的震相数据对进行二维高斯分布拟合,可以稳健地估计震群活动震源区波速比.该方法充分利用了不同台站Pg、Sg到时差的所有信息,其优势是不需要地震事件的震源位置,并且不依赖震源区以外的速度变化,有效消除了震源区到台站的传播路径效应的影响;相对于传统的平均波速比,本文方法得到的震源区波速比,更能真实地反映震源区介质的性质.我们将该方法应用到2013-2016年的乳山震群,结果显示：震源区波速比的变化与震群活动过程密切相关,波速比的变化反映了序列活动的阶段性特征.

     

山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究

采用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西省的晋城、潞安、汾西、华晋、阳泉、平朔、大同等矿区,完成了160个测点的地应力测量,测点地质条件涵盖了山西省煤矿大部分条件.基于实测数据,分析了地应力与测点埋深的关系,不同深度条件下煤矿矿区井下地应力状态;绘制出山西省煤矿矿区井下地应力分布图,并与震源机制解的分析结果进行了比较,得出山西省煤矿矿区井下地应力场分布特征与变化规律.煤矿井下水平应力总体上随着埋深增加而增大,但由于各矿区地质条件差异较大,导致地应力测试数据离散性也较大;埋深小于250 m的岩层应力状态主要为σH>σh>σV型,埋深处于250~500 m的岩层应力状态以σH>σV>σh型为主,埋深较大的矿区主要为σV>σH>σh型;最大水平主应力与垂直主应力的比值绝大部分集中在0.5~2.0之间,而且随着埋深增加,侧压比呈现减小的趋势,并向1附近集中;最大水平主应力与最小水平主应力的比值主要集中在1.5～2.0之间;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于0.5～1.5,尤以0.5～1.0之间最多;山西省煤矿矿区从北到南,最大水平主应力方向发生了较大变化.北部最大水平主应力方向为NE,往南发生偏转到NNW;靠东部与西部偏向NW;靠东南部出现了多变的方向.井下实测数据与震源机制解相比在部分区域一致性较好,而在另一些区域存在明显的差异.特别是在受较大地质构造影响的区域,水平主应力方向往往发生明显的扭转和变化.     

2018年9月8日墨江地震及周边地区构造应力场特征分析

2018年9月8日,云南省墨江县发生M_S5.9地震并伴随一系列余震,探究该地震周围的应力场对于理解该地震的发生机制和后续地震的发展趋势具有着重要的参考意义.本研究收集了震源及其邻区中前人研究和Global CMT所给出的震源机制资料,对该地区进行了构造应力场反演,并同时利用反演得到的应力张量模拟墨江地区的震源机制解表现.结果表明：①在应力轴整体分布上,自西向东σ₁轴（压轴）从NNE-SSW向逐渐转向NNW-SSE向,σ₃轴（张轴）从WWN-EES向逐渐转向WWS-EEN向,张轴呈弧形分布,压轴呈放射状分布.②在应力轴倾伏角上,研究区域内的压应力轴和张应力轴倾伏角都比较小,即两轴均接近水平.③R值分布大体是在东南部相较于西北部大,结合当地地质背景分析得到,物质逃逸自西北向东南呈逐渐变缓的趋势.④利用反演得到的应力张量和应力状态计算墨江地震震源区的相对剪应力和相对正应力大小.由此推测,墨江地震恰好发生在相对剪切应力值和相对正应力正值最大的节面上.从而可以确定墨江地震的发震节面的基本参数：走向216.32°,倾角86.91°,滑动角0.27°,相对剪应力值0.9,相对正应力值0.3.本研究为此次墨江地震的发震背景和地震动力学研究提供了基础性资料.

     

Modelling the effects of soil type and root distribution on shallow groundwater resources

Vegetated, shallow groundwater environments typically have high environmental and economic value. A sound understanding of the complex interactions and feedbacks between surface vegetation and groundwater resources is crucial to managing and maintaining healthy ecosystems while responding to human needs. A vegetated shallow groundwater environment was modelled using the software HYDRUS 2D to investigate the effects of several combinations of soil type and root distributions on shallow groundwater resources. Three rainfall regimes coupled to both natural and anthropogenically affected groundwater conditions were used to investigate the effect that combinations of four soil types and five root distributions can have on (a) groundwater level drops, (b) groundwater depletion, (c) groundwater recharge and (d) water stress conditions. Vegetation with roots distributed across the whole unsaturated zone and vegetation with dimorphic root systems (i.e. roots having larger concentrations both near the surface and the capillary fringe) behaved differently from vegetation growing roots mainly near the saturated zone. Specifically, vegetation with roots in the unsaturated zone caused water‐table drops and groundwater depletions that were half the amount due to deep‐rooted vegetation. Vegetation with a large portion of roots near the soil surface benefited from rainfall and was less vulnerable to water‐table lowering; as such, the fraction of the total area of roots affected by water stress conditions could be 40% smaller than in the case with deep‐rooted vegetation. However, roots uniformly distributed in the unsaturated zone could halve groundwater recharge rates observed in bare soils. Our analysis provided insights that can enable the formulation of site‐ and purpose‐specific management plans to respond to both human and ecosystem water requirements. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.