等效介质理论中裂缝密度的适用性研究

为了比较裂缝等效介质理论的预测精度,本文利用物理模拟的方法制作了一组9个裂隙密度模型,其中裂隙密度从0增大到12%,裂隙厚度和直径保持不变,分别为0.12 mm和3 mm.使用0.5 MHz的纵横波换能器,采用脉冲透射法得到纵横波的速度和各向异性.然后,将基质的模量、裂缝填充物模量和裂缝参数代入等效介质理论中,计算出纵横波速度和各向异性随着裂隙密度的变化情况.通过纵横波速度的实测值与等效介质理论的定量对比,发现当裂隙密度小于12%时,Hudson理论和线性滑动理论对纵波速度的预测与实测值非常吻合.当裂隙密度小于8%时,Hudson理论和线性滑动理论对快横波速度的预测与实测值非常吻合.当裂隙密度小于9%时,各向异性自洽理论和NIA（非相互作用近似）理论对慢横波速度的预测与实测值非常吻合.通过纵横波速度各向异性实测值与理论计算值定量对比,发现当裂隙密度小于12%时,Hudson理论和线性滑动理论对纵波速度各向异性的预测与实测值更吻合;当裂隙密度小于6%时,各向异性自洽理论和NIA理论对横波速度各向异性的预测与实测值更吻合.

     

地震各向异性——多组裂隙对横波偏振的影响

通过对多分量地震资料的分析,我们发现随着频率的增加横波分裂时差减小.对于深部接收的VSP数据来说快横波的偏振方向保持不变,而对于浅层接收的VSP数据来说偏振方向却存在一个最大可以达到20°的旋转.尽管多尺度随机分布微裂隙岩石物理模型已经成功地模拟并解释了横波分裂时差随频率变化的现象,却不能解释与频率相关的横波分裂.据推测,如果微裂隙的排列方向和大裂隙的排列方向不同,利用低频信息获得的偏振方向将指示裂隙主方向,而利用高频信息获得的偏振方向则指示微裂隙方向.在背景多孔隙介质中存在多组裂隙的情况下,推导出垂直入射条件下横波偏振方向的解析式,给出了系统研究横波在介质中传播的方法.研究结果表明,横波偏振方向会随着频率的变化而变化,并且在入射方位、角度一定的条件下,是裂隙方位和密度的函数,这些认识可能有助于揭示观测到的、依赖频率变化的横波偏振现象.     

地下固体介质弹性模量反演

地下固体介质弹性模量是固体地球定量表征的重要参数,是探测地球内部结构、地下流体分布、设计合理工程方案的关键之一.本文首先简要分析常用的流体饱和孔隙介质岩石物理模型,在此基础上通过数值计算,详细讨论了流体饱和多孔介质等效弹性模量对固体基质、孔隙度、孔隙结构和孔隙流体的敏感性,探讨了利用等效介质弹性模量反演固体基质弹性模量的可行性,建立了固体基质弹性模量的非线性方程系统,提出了该方程系统的数值迭代求解方法,并通过对三类岩石样本实验室测量数据的反演和结果分析,验证了方法的有效性.文中同时通过不同条件下对实验数据的反演,探讨了孔隙结构、孔隙流体和等效介质弹性模量对反演效果的影响,为方法的合理有效应用提供依据.

     

孔隙、裂隙介质弹性波理论的实验研究

近年来发展起来的“孔隙、裂隙介质弹性波理论”提高了人们对实际岩石声学性质的模拟和预测的能力.作为对这一理论的实验验证和重要应用,我们将它用来模拟和解释岩石超声实验中测得的干燥和饱和岩石弹性波速度随压力的变化曲线.理论模拟的重要参数,如岩石的裂隙密度等是从实验数据反演得到的.结果表明：无论是孔隙度较高的砂岩,还是孔隙度很小的致密岩石,如花岗岩,该理论都能很好地描述岩石在干燥和饱和状态下纵、横波速度随压力的变化.造成波速变化的原因是岩石中裂隙在压力作用下的闭合和裂隙密度的减少.本文的结果还指出了将岩石裂隙密度作为描述岩石的重要物性参数,并给出了从实验室超声测量中确定这一参数的方法.     

多重孔岩石微分等效介质模型及其干燥情形下的解析近似式

经典的微分等效介质(DEM)理论可用于确定多孔介质的弹性性质,但由于缺乏多重孔DEM方程,其估计的多重孔岩石的等效弹性模量依赖于包裹体(即不同孔隙纵横比的孔或缝)的添加顺序.本文首先从Kuster-Toksöz理论出发建立了Zimmermann和Norris两种形式的多重孔DEM方程.Norris形式的多重孔DEM方程预测的等效弹性模量总是位于Hashin-Shtrikman上下限内,而Zimmermann形式的多重孔DEM方程有时会越界.然后,通过使用干燥岩石模量比的解析近似式,对两个相互耦合的Norris形式DEM方程进行解耦得到干燥多重孔岩石的体积和剪切模量解析式.用全DEM方程的数值解对解析近似式的有效性进行了测试,解析公式的计算结果在整个孔隙度分布区间与数值解吻合良好.对实验室测量数据在假设岩石含有双重孔隙的情形下用双重孔DEM解析公式对岩石的弹性模量进行了预测,结果表明,解析式准确地预测了弹性模量随孔隙度的变化.双重孔(即软、硬孔)DEM解析模型可用来反演各孔隙类型的孔隙体积比,它可以通过实验室测量与理论预测之间的平方误差最小反演得到.砂岩样品的反演结果揭示,软孔的孔隙体积百分比与粘土含量没有明显的相关性.     

裂隙参数对衰减各向异性影响的数值模拟

理论、观测和实验均证实,在地壳和上地幔存在对应力变化敏感的直立裂隙,在整体上呈现方位各向异性.在Hudson裂隙理论基础上,系统全面地数值模拟了裂隙介质几何、物性和弹性波频率等参数对各向异性衰减的影响.结果显示,裂隙密度、裂隙纵横比、泊松比、裂缝填充物、弹性波频率和未破裂岩石母体纵横波速度等对各向异性衰减有着显著影响,...     

裂隙各向异性介质中的NMO速度

推导了各向异性介质中由弹性系数表示的方位动校NMO速度的具体表达式,表明各向异性介质中方位NMO速度程椭圆形状,并分别对具水平对称轴的横向各向同性介质(HTI)、正交介质和单斜各向异性介质及在不同的裂隙填充物的性质下方位NMO速度进行了计算,结果表明裂隙的存在对NMO速度的影响不仅与裂隙密度有关,还取决于裂隙填充物的性质.同时,研究表明对于裂隙型单斜各向异性介质,其方位NMO速度椭圆轴向并不象HTI介质和正交介质中的那样与自然坐标系的坐标轴一致,而是发生了一定角度的偏离,其大小与裂隙填充物的性质、两组裂隙密度的比值及裂隙间的夹角等因素有关,研究结果为进一步区分裂隙介质的类型及裂隙填充物的性质提供依据.     

穿透裂隙介质远震PS波的分裂

短周期远震P波在壳内激发的PS波的椭圆偏振特征显示了PS波的分裂。本文用各向异性合成地震图讨论穿透裂隙层PS波的分裂特征。结果表明,不同型态的裂隙介质可以引起观测到的PS波各种动力学特征的变化。PS波对深部裂隙型态反映敏感。     

基于等效介质理论的孔隙纵横比分布反演

孔隙纵横比是描述多孔岩石微观孔隙结构特征的重要参数,目前用于获取岩石完整孔隙纵横比分布的经典模型为David-Zimmerman (D-Z)孔隙结构模型,该模型假设岩石由固体矿物基质、一组纵横比相等的硬孔隙以及多组纵横比不等的微裂隙构成,并认为固体矿物基质和硬孔隙均不受压力影响,在此基础上,利用超声纵横波速度的压力依赖性反演岩石硬孔隙和各组微裂隙的孔隙纵横比及孔隙度.该方法的关键点在于以累积裂隙密度为桥梁,借助等效介质理论建立了岩石弹性模量和孔隙纵横比之间的内在联系.但在D-Z模型中,多重孔隙岩石累积裂隙密度的计算直接由单重孔隙裂隙密度公式实现,这种近似导致该模型在许多情况下难以获得良好的反演精度.为了完善经典D-Z模型,本文提出了一种基于虚拟降压的孔隙纵横比分布反演策略,通过多个假想降压过程实现累积裂隙密度的准确计算,并将基于DEM和MT的经典D-Z模型推广到KT和SCA中,结合四种等效介质理论建立了一套完整的反演流程.采用一系列砂岩和碳酸盐岩样品,测试了反演流程在实际岩芯孔隙纵横比提取中的应用效果,研究结果表明：与D-Z模型相比,本文方法的模拟结果与实际数据吻合更好,并同时适用于砂岩和碳酸盐岩;此外,通过分析四种等效介质理论的模拟结果发现,本文方法并不十分依赖于等效介质理论的选择,这些理论获得的孔隙结构参数随压力的变化趋势基本一致,数值上仅存在略微差异,且这种差异随着压力的增大逐渐消失.本文方法是经典D-Z孔隙结构模型的重要补充,对岩石孔隙结构表征、流体饱和岩石速度预测以及孔间喷射流效应的模拟具有十分重要的意义.

     

钢管水泥土围护墙等效弹性模量的有限元计算

分析了水泥土围护墙弹性模量对于控制基坑变形的重要性、根据上海某钢管水泥土墙基坑支护的工程实例建立ABAQUS平面二维有限元模型,计算钢管水泥土围护墙等效弹性模量,量化了内插钢管对提高水泥土重力式围护结构的支护强度所起到的作用,并对钢管长度、外径、间距和插入位置进行了参数分析。     

地壳介质的各向异性弹性本构关系讨论

论述了地壳介质中存在的几类各向异性弹性本构关系，推导了应变能变换公式、EDA薄层各向异性弹性常数及非对称面上EDA构成的单斜对称弹性常数的计算公式，讨论了几种各向异性对称系统的特征方程，并给出了弹性波的角散表达式，最后选取合理的参数对波的角散现象进行了数值模拟。     

非均匀弹性介质地震波动模拟的Fourier变换方法

一、前言 地震模型技术是应用地震法研究地下储油地层分布的基础工作,它可以用来研究地,震波的传播以及各种波的特性,可以通过修改地质模型,反复进行正演,实现对实际地震剖面的最优逼近,以实现地震反问题。本文在文献[1]的基础上,应用Fourier变换方法研究了用非均匀弹性介质波动方程正演问题的解来模拟地震波的传播,探索了该方法对非均匀弹性介质地震模型的有效性及实用性。     

非均匀弹性介质地震波动模拟的Fourier变换方法

一、前言 地震模型技术是应用地震法研究地下储油地层分布的基础工作,它可以用来研究地,震波的传播以及各种波的特性,可以通过修改地质模型,反复进行正演,实现对实际地震剖面的最优逼近,以实现地震反问题。本文在文献[1]的基础上,应用Fourier变换方法研究了用非均匀弹性介质波动方程正演问题的解来模拟地震波的传播,探索了该方法对非均匀弹性介质地震模型的有效性及实用性。     

含垂直裂解隙PTL介质长波长等效正交各向异性弹性常数

针对PTL介质中存在定向排列的铅垂裂隙系统的组合模型,探讨在长波长情况下其等效正交各向异性弹性常数的计算方法.根据Backus方法并结合Hudson微裂隙理论,推出了PTL与EDA组合之等效正交各向异性弹性常数的计算公式,且在裂隙呈稀疏分布的假设前提下,导出了等效弹性常数的具体计算表达式,并进而用伪谱法对含垂直裂隙PTL介质的弹性波场进行了数值模拟.本文的理论研究及数值计算结果表明:用5个长波长等效PTL弹性常数和3个无量钢的裂隙柔量,就可描述等效正交各向异性介质九个独立的弹性常数.     

THE REPRESENTABILITY OF CRACKED MEDIA BY PERIODICALLY LAYERED MEDIA1

Media containing aligned cracks or ellipsoidal inclusions as well as media consisting of sequences of isotropic layers show transverse isotropy with respect to elastic wave propagation. However, the transversely isotropic media which are equivalent to media containing aligned inclusions do not necessarily have to be representable by sequences of stable isotropic layers. These transversely isotropic media can be modelled by such sequences if - and only if - several stability conditions are satisfied. Important parameters determining whether these conditions are satisfied are the aspect ratio of the inclusions and the material filling the inclusions, the‘fluid’. An analytical expression describing the range of aspect ratios for which the constraints are satisfied can be derived. This expression (which is a good approximation for several crack models) and numerical calculations show that media containing water-filled inclusions can be represented by sequences of stable isotropic layers if the inclusions have aspect ratios less than 0.1. The limiting aspect ratio decreases for a decreasing ratio of the bulk modulus of the fluid to the shear modulus of the matrix material. Finally, media containing dry inclusions of any aspect ratio cannot be modelled by thin isotropic layering. These results depend only weakly on the crack density and on the matrix material. The representation of crack-induced anisotropy by layer-induced anisotropy can be used to classify crack-induced anisotropy and might be useful in the separation of the cause of anisotropy and the determination of the nature of the fluid.     

各向异性介质中弹性波动高阶差分法及其稳定性的研究

稳定性是数值计算波动方程的最重要条件之一．本文就正交对称和六方对称各向异性介质中的弹性波动方程研究了时间和空间上差分精度可达任意阶的交错网格高阶差分法后,又导出了该方法的稳定性条件．为利用这种既精确又高效的数值方法来研究地震各向异性中的正反演问题提供了理论依据．     

各向异性介质中弹性波动高阶差分法及其稳定性的研究

稳定性是数值计算波动方程的最重要条件之一．本文就正交对称和六方对称各向异性介质中的弹性波动方程研究了时间和空间上差分精度可达任意阶的交错网格高阶差分法后，又导出了该方法的稳定性条件．为利用这种既精确又高效的数值方法来研究地震各向异性中的正反演问题提供了理论依据．     

Hamilton体系及弹性波在层状介质中的传播问题

利用结构力学与最优控制的模拟理论,研究弹性波在层状介质中传播的数值计算方法. 将弹性波传播问题导向哈密顿(Hamilton)体系,在哈密顿体系中,推导出一种新的半解析单元,称之为动力-部分杂交元,由此导出一套哈密顿体系下的半解析数值计算方法. 本文给出了该方法在层状正交各向异性材料介质的弹性波传播问题的数值算例,分析了一定频率的弹性波在层状介质中传播时的位移、应力的模式. 计算结果展现了Hamilton体系和辛几何在弹性波传播问题研究的应用前景.     

Hamilton体系及弹性波在层状介质中的传播问题

利用结构力学与最优控制的模拟理论,研究弹性波在层状介质中传播的数值计算方法. 将弹性波传播问题导向哈密顿(Hamilton)体系,在哈密顿体系中,推导出一种新的半解析单元,称之为动力-部分杂交元,由此导出一套哈密顿体系下的半解析数值计算方法. 本文给出了该方法在层状正交各向异性材料介质的弹性波传播问题的数值算例,分析了一定频率的弹性波在层状介质中传播时的位移、应力的模式. 计算结果展现了Hamilton体系和辛几何在弹性波传播问题研究的应用前景.     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.