水平分层孔隙介质中点源激发的震电波场数值模拟及分析

为认识地震波诱导的电磁场的特性,本文研究地震波在孔隙介质中由于动电效应引起的电磁场.基于Pride弹性-电磁耦合方程组推导了双力偶震源对应的位移-应力-电磁场间断向量的表达式,模拟了双力偶源激发的震电波场.作为比较,还模拟了爆炸点源激发的震电波场.结果表明：存在伴随纵波的电场,其各分量的波形与固相位移对应分量的波形相似,但相位相反;存在伴随横波的磁场,其波形与固相位移波形相似;双力偶震源还激发出了独立传播的辐射电磁场,其速度比纵波至少高一个数量级,几乎是“瞬间同时”到达了每个接收器,但是其强度比伴随电磁场小得多,且随着源距增大而迅速减小.本文研究还表明：伴随纵波的电场强度不仅与地震纵波幅度和动电耦合系数有关,还与由介质孔隙结构决定的流-固两相动力协调性有关,存在一种动力协调介质,纵波在这种介质中不引起电场.     

面向含水层的震电效应数值模拟

为了更好地理解和解释土壤结构、多相流混合物和流体矿化度对震电测量的影响,本文基于Pride和Revil分别提出的动电耦合控制方程组,采用LAC广义反射与透射系数法对均匀、横向各向同性的多层含流体孔隙介质进行数值模拟研究.本文分别研究了包气带、不同土壤结构的地层和污染物侵入含水层等三种不同地质背景的震电信号.数值结果表明：含水饱和度剧烈变化比均匀变化能激发出更强的动电效应;按照含水饱和度划分的地层层厚与主导的地震波长一致时,震电信号振幅最大;由于S波比P波波长短,所以S波转换的磁场分辨“薄层”能力更强;Pride与Revil的理论模型在地层富含黏土且孔隙中流体部分饱和时存在差异;当土壤为三孔的形式且富含黏土矿物时,基本上不满足“薄”双电层假设条件;黏土含量越高,砂土含量越低,电场总场及界面响应振幅越大;和依照饱和度划分的地层对比,震电信号不仅可以探测到含非水相液体(NAPL)地层的存在,而且分辨率远高于前者;非水相液体的密度和黏度会对震电信号产生明显影响;震电信号同样对流体矿化度变化敏感,非同震电磁信号对流体矿化度变化敏感主要体现于矿化度变化界面附近的隐失波,自由表面附近接收的震电信号无...     

油水两相饱和储层中平面震电波场响应特性

现有的孔隙介质震电理论缺乏针对含油储层震电耦合的数学模型及定量模拟,制约了该方法在含油储层中的推广应用.本文将非饱和孔隙介质中弹性波动理论与含油储层中动电耦合理论及麦克斯韦电磁理论相结合,建立了描述油水两相饱和储层中震电耦合波的数学方法,定量模拟了含油储层中平面震电波场响应特性,并探讨了储层参数对震电波场响应的影响.研究结果表明:油水两相饱和储层中震电耦合产生四种震电耦合波,震电横波、震电纵波P1、P2和P3波;震电波场响应具有频散特性,频率增大,震电纵波P2和P3波传播速度显著增大,震电波衰减常数均增大;相同频率下,震电纵波P2波电场强度及电流密度与固相速度比值的模值相比其它三种震电波的均较大,说明其激发电场和电流能力较强;震电波场响应受到宏观储渗参数的影响,储层孔隙度增大,震电波的传播速度均减小,三种震电纵波的衰减常数均增大,且震电横波和震电纵波P1波的电场强度与固相速度比值的模值均增大,震电纵波P2和P3波的均减小;储层渗透率增大,震电波的传播速度均增大,震电横波的衰减常数、电场强度与固相速度比值的模值亦增大,而三种震电纵波的则相反;含水饱和度增大,震电横波、震电纵波P1(低频时)和P2波的传播速度均减小,衰减常数、电场强度及电流密度与固相速度比值的模值均增大,震电纵波P3波的则相反;震电波响应电场强度及电流密度与固相速度比值的相位在高频时出现频散现象,同样受到储层参数的影响.     

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.     

砂岩样品的震电效应实验研究（英文）

地震波场和电磁场耦合产生的震电效应与储层物性参数有关,含流体孔隙介质中震电效应的研究有助于更好的描述储层特性。本文我们对饱和砂岩样品中的震电效应进行了实验研究,构建了一套震电测量装置。利用此测量装置记录了在声波激励下砂岩样品中产生的震电转换信号,观测得到了砂岩界面产生的震电信号的衰减特性,在此基础上进一步研究了震电信号与砂岩物理参数之间的关系。在震电效应的实验中发现尽量减小参考电位与震电信号扰动区的基准电位之间的电位差是保证震电实验测量精确性的关键点,能够显著提高震电信号的可探测性。震电测量结果证实了地震波在含流体孔隙介质中传播时,能诱导震电耦合,同时给出了震电界面响应的特点。震电信号振幅随着波源与岩样距离的增加呈线性衰减,随着接收电极与岩样界面距离的增加呈指数衰减。不同渗透率砂岩样品中产生的震电响应结果表明震电响应的强弱与样品渗透率成正相关,震电效应可以作为研究储层渗透率的一种新方法。     

震电勘探方法在大庆油田的实验研究

为检验前苏联和美国提出的某些震电勘探方法的实用性,在大庆开展了震电勘探方法实验,包括直流电场对地震波的影响以及地震波与电磁波的相互激发。实验是通过自制的电场前置放大器和已有的商用仪器在野外进行的。实验发现,在１０Ａ直流电场环境下,地震叠前炮记录上反射同相轴连续性变好,接收到第一类震电效应所引起的伴随电场和转换电磁波,这对震电勘探在大庆的进一步应用具有重要意义。     

层状孔隙介质震电波场数值模拟高频不稳定性问题的解析处理方法

自从发现震电现象以来,众多学者进行了相关研究.其中,Pride提出了一套描述流体饱和孔隙介质中震电波场的耦合与传播的宏观控制方程组,该方程组后来被广泛地应用到相关的震电研究中.Chen发展了一套广义反透射系数方法并将其应用到层状介质合成地震图的研究当中,该方法数值计算效率高并且可以处理带弯曲界面层状介质这种复杂模型.基于Pride的震电波场控制方程组,我们将Chen的广义反透射系数方法推广应用到层状孔隙介质中震电波场的数值模拟研究中,但是在数值计算过程中发现,当含源层的厚度相对于地震波波长较大时（即高频情况）,会出现数值计算的不稳定,此即为高频不稳定性问题.针对高频不稳定性问题,一种自然的处理方法就是在原来的含源层中插入两个虚拟界面,构造出一个新的含源薄层,但是这会带来一些额外的计算量,此外,由于虚拟含源薄层的厚度是有限的,必须针对具体模型参数设定一个合适的厚度值.高频不稳定性问题同样存在于层状介质合成地震图的数值计算过程中,Chen提出了一种解析的处理方法,即在原含源层内引入一无限薄的虚拟含源薄层,通过解析的方法解决高频不稳定性问题,该方法不会降低计算效率且适用于任意参数模型.本文首先对层状孔隙介质中的震电波场数值计算公式进行分析,指出源项积分中的指数增长因子是导致高频不稳定性问题的根本原因;其次将Chen在合成地震图数值模拟研究中采用的解析处理方法推广到震电波场研究中,得到了适用于数值计算的公式;然后给出数值算例,并针对一个含源层过厚的模型,比较了自然处理方法和解析处理方法,两种方法得到的结果具有相当好的一致性,而解析处理方法计算效率更高,证实了本文给出的解析处理方法在解决层状孔隙介质震电波场数值模拟的高频不稳定性问题方面的有效性.     

对波达波夫和Pride震电波方程组的对比分析

用Biot介质参数说明了波达波夫震电波方程组中弹性动力学 参数的含义，解释了第一类和第二类震电效应的意义，在忽略第一类震电效应条件下将该方 程组与Pride方程组进行比较，说明了二者在描述第二类震电效应方面的异同点. 同时指出 ：波达波夫方程组忽略了流体与固体的耦合质量；方程中的黏性耗散项丢掉了一个孔隙度因 子，依据该方程组计算出的弹性波和转换电场的幅度将偏大；边界条件之一存在错误，会影 响对波在界面上的反射透射规律的描述.     

含起伏地形地层中点源激发的震电响应研究

地震诱导电磁现象是国内外地学领域十分关注的前沿问题,前人对地震波和电磁场耦合波场的认识主要是基于规则模型获得的.为研究含起伏地表和地下界面的地层中震电波场激发、传播特性,本文采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟点震源激发的电磁场.首先给出频率域二维SHTE模式震电耦合方程组,然后利用COMSOL软件建立计算模型,并求解出点力源激发震电波场的频率域响应,最后利用FFT变换得到地震波场和电磁场的时间域波形.模拟结果表明,震电波场中存在三种类型的电磁信号,第一种是震源直接激发的电磁波;第二种是地震波在分界面处激发的电磁波(包括自由表面、地下不同介质分界面);第三种是伴随地震波的同震信号,前两种电磁波比地震波更早到达远处观测台站,对地震预警有重要意义.此外,研究还发现:当地震波传播至地表并沿着地表传播时,在地表附近空气层中同样记录到了伴随地震波传播的电磁扰动信号,该信号与相同水平源距条件下、地下观测点接收到的电磁信号相同,这与前人的一些观测结果相符.本文研究结果为今后地震电磁信号的解释提供了理论证据.     

随钻条件下井旁界面声电效应的辐射电磁波响应特征

孔隙地层中存在着动电耦合现象,弹性波作用在声阻抗或者电化学性质差异地层会产生辐射电磁波.本文探讨了随钻条件下,利用孔隙地层中的动电耦合效应探测井旁地质体的可行性.为此模拟了井外存在声阻抗差异和电化学差异界面时声波诱导的辐射电场响应特征.求出柱坐标下介质中声场和电场函数表达式,由此计算并比较了均匀介质和弹性差异界面情况下井中接收到的电场.发现随钻条件下,井外的弹性差异界面会产生以光速传播的辐射电磁波.该电磁波反映了井外地质信息,并先于井中直达声波的伴随电磁场到达接收器,因而可以直接观测到.此外,还发现界面辐射电磁波可以用来探测油、水等电化学性质差异大而弹性阻抗差异小的界面;声源频率以及界面两侧地层性质差异程度是辐射电磁波幅度的影响因素.     

Experimental measurements of the streaming potential and seismoelectric conversion in Berea sandstone

The streaming potential across a porous medium is induced by a fluid flow due to an electric double layer between a solid and a fluid. When an acoustic wave propagates through a porous medium, the wave pressure generates a relative movement between the solid and the fluid. The moving charge in the fluid induces an electric field and seismoelectric conversion. In order to investigate the streaming potential and the seismoelectric conversion in the same rock sample, we conduct measurements with Berea sandstone saturated by NaCl solutions with different conductivities. We measure the electric voltage (streaming potential) across a cylindrical sample in NaCl solutions with different conductivities and under different pressures to determine the DC coupling coefficients. We also measure the seismoelectric signals induced by acoustic waves with a Berea sandstone plate at different frequencies and solution conductivities. The pressures of the acoustic waves are calibrated with a standard hydrophone (Brüel & 8103) at different frequencies (15–120 kHz). We calculate the quantitative coupling coefficients of the seismoelectric conversion at DC and at high frequencies with samples saturated by solutions with different conductivities. When the Berea sandstone sample is saturated by the NaCl solution with 0.32 mS/m in conductivity, for example, the DC and seismoelectric coupling coefficients at 15 kHz are 0.024 μV/Pa and 0.019 μV/Pa, respectively. The seismoelectric coupling coefficient is an important and helpful parameter for designing a seismoelectric tool. More experimental measurements of seismoelectric coupling coefficients in the frequency range of 100 Hz to 15 kHz are needed in the future.     

Seismoelectric measurements in a porous quartz‐sand sample with anisotropic permeability

Seismoelectric coupling coefficients are difficult to predict theoretically because they depend on a large numbers of rock properties, including porosity, permeability, tortuosity, etc. The dependence of the coupling coefficient on rock properties such as permeability requires experimental data. In this study, we carry out a set of laboratory measurements to determine the dependence of seismoelectric coupling coefficient on permeability. We use both an artificial porous “sandstone” sample, with cracks, built using quartz‐sand and Berea sandstone samples. The artificial sample is a cube with 39% porosity. Its permeability levels are anisotropic: 14.7 D, 13.8 D, and 8.3 D in the x‐, y‐, and z‐directions, respectively. Seismoelectric measurements are performed in a water tank in the frequency range of 20 kHz–90 kHz. A piezoelectric P‐wave source is used to generate an acoustic wave that propagates through the sample from the three different (x, y, and z) directions. The amplitudes of the seismoelectric signal induced by the acoustic waves vary with the direction. The highest signal is in the direction of the highest permeability, and the lowest signal is in the direction of the lowest permeability. Since the porosity of the sample is constant, the results directly show the dependence of seismoelectric coefficients on permeability. Seismoelectric measurements with natural rocks are performed using Berea sandstone 500 and 100 samples. Because the Berea samples are nearly isotropic in permeability, the amplitudes of the seismoelectric signals induced in the different directions are the same within the measurement error. Because the permeability of Berea 500 is higher than that of Berea 100, the amplitude of the seismoelectric signals induced in Berea 500 is higher than those in Berea 100. To determine the relative contributions of porosity and permeability on seismoelectric conversion, we carried out an analysis, using Pride (1994) formulation and Kozeny–Carman relationship; the normalized amplitudes of seismoelectric coupling coefficients in three directions are calculated and compared with the experimental results. The results show that the seismoelectric conversion is related to permeability in the frequency range of measurements. This is an encouraging result since it opens the possibility of determining the permeability of a formation from seismoelectric measurements.     

Theoretical Investigation of Seismic Electric Field Associated with Faulting

We present an electromagnetic model of a fault using the piezoelectric effect and the elastic dislocation theory to investigate theoretically the spatial distribution of the stress-induced charges associated with faulting. The relevant seismic electric field associated with these induced charges can be estimated quantitatively. Therefore, this simple model would provide a solid framework for additional theoretical developments on the explanations of the anomalous seismoelectric signals. The spatial distribution of the stress-induced charges around a vertical rectangular fault showed complicated characteristics. The estimation of the electric field associated with the stress-induced charges during the 1995 Kobe earthquake was consistent with the previous investigation from some reported anomalous seismic phenomena.     

声电效应测井的有限差分模拟

本文研究声电效应测井波场的有限差分模拟算法.忽略井外地层中诱导电磁场对孔隙弹性波的影响,将求解动电耦合波方程组的问题解耦,先计算孔隙弹性波,再计算其诱导电磁场.基于轴对称柱坐标系下的速度-应力交错网格,采用时域有限差分计算井孔流体声波和井外地层孔隙弹性波.将电磁场近似看作似稳场,基于轴对称柱坐标系下的5点式有限差分网格,求解不同时刻的电位Poisson方程,计算诱导电场.结果表明:本文算法可准确模拟频率6.0 kHz的声电效应测井全波;在声波测井频率范围内,电导率、动电耦合系数和动态渗透率的低频近似对伴随电磁场的计算影响不大;地层水平界面导致伴随反射斯通利波的电场和显著的界面电磁波,后者对于探测地层界面具有潜在的应用价值.     

井孔声电效应转换电磁波的特征

为探索声电效应在测井技术中的应用前景,利用微弱信号检测技术对岩石的声电效应进行了实验研究,在模型井孔中不同矿化度的条件下同时记录声波与电磁波信号,对比分析研究声波和电磁波的特征.结果表明所记录的电磁波信号为声波在井孔中传播时激发的转换电磁波.在频谱分析中发现,转换电磁波在频率谱上存在对称的双主频峰.声波在井孔中传播时激发的伪瑞利波产生声电转换,形成转换电磁波.     

双声源激发随钻测井声电耦合波理论模拟

随钻单极源声波测井中,由于钻铤模式波的干扰而使地层纵波速度的测量变得困难.孔隙地层的声电转换物理效应给我们提供了通过测量转换电信号实现声学参数测量的可能性.针对随钻声电测井,采用Pride声电耦合方程组描述井外孔隙地层的声电耦合波场,考虑随钻环境条件下的边界条件,采用实轴积分法计算出了随钻声电测井瞬态响应的波场.计算结果表明,声电转换比与电缆声电测井量级相同,也说明随钻环境下声电效应是可应用的.但是,从得到的电场波形图中可以观察到,钻铤模式波成分虽有压制,但仍然存在.为了削弱钻铤模式波,鉴于钻铤的声波速度已知,我们尝试利用双发射源测井方法,通过控制源间距及合适的发射延迟时间对钻铤模式波进行进一步压制.结果表明,采用双源后的井内转换声场和电场波形中,钻铤模式波被有效地抑制,残余钻铤波的相对振幅明显减小,压制效果在电场波形中尤为明显,地层波的信噪比显著增强,有利于地层纵波速度的提取.     

频率域有限差分数值模拟地震波衰减和震电效应特征

地震波在地下含流体孔隙介质中传播时,会引起中观尺度的"局域流",进而产生地震波震电效应.基于Biot(1941)固结理论的准静态方程,在频率域中采用空间有限差分方法,正演模拟虚岩石物理岩样的地震波衰减和震电效应.与时间域虚岩石物理方法相比,该方法既可以直接求取任一频率下的地震波衰减和电势,便于应用于实际岩样的预测分析,也避免了讨论岩样外表面施加的力源函数表达式及时间剖分稳定性条件等问题.首先利用周期性层状介质模型验证了本文所描述方法的有效性,并进一步求取分析了周期性层状介质两种不同特征单元的渗流电流密度及电势,数值模拟结果表明由中观尺度"局域流"引起的震电效应电势振幅数量级在实验室测量范围之内,随后,分析研究了四种不同高渗介质占比值的地震衰减及震电效应特征.最后,将本文提出的震电效应数值计算方法推广至二维,并求取了二维斑块饱和模型的地震波衰减、速度频散、电势的振幅和相位角数值结果.