基于地震正交各向异性的裂缝介质岩石力学建模研究

岩石力学模型是描述地层原地应力状态的基础,而常规各向同性模型难以刻画地层本征横观各向同性(VTI)和天然高角度裂缝的耦合作用,建立更为准确的正交各向异性模型变得尤为重要.本文利用VTI介质中发育单组垂直缝的Schoenberg裂缝等效模型,简化了一般正交各向异性介质的表征参数,推导了由背景VTI介质弹性参数和裂缝参数的各向异性杨氏模量、泊松比和水平地应力的精确方程.借鉴Thomsen弱各向异性近似思路,舍去裂缝弱度参数高阶扰动项,推导了正交各向异性介质岩石力学近似方程,由裂缝弱度表示的近似方程更为直观地反映了裂缝对背景介质力学性质的影响,杨氏模量和泊松比值随裂缝法向弱度的增大而显著减小.选取页岩实验数据进行数值实验,结果表明本文方程与实际物理规律相吻合,随裂缝弱度的增加,形成相同应变所需的水平地应力值降低,且近似方程与模拟结果相对误差小于5%,有助于提高岩石力学参数估算和地应力预测精度.     

各向异性介质空间-波数混合域直流电阻率法三维数值模拟研究

将各向异性介质分成各向同性背景介质和各向异性异常介质,并提出一种空间-波数混合域方法实现了各向异性介质下直流电阻率法的三维数值模拟.不同于传统直流电阻率数值模拟方法,本文算法直接对空间域异常电位满足的偏微分方程沿水平方向进行二维傅里叶变换,使水平方向转换成波数域,保留垂直方向为空间域,可根据地下介质电流密度变化的快慢灵活剖分.这样可把空间域异常电位满足的三维偏微分方程转化成不同波数满足的一维常微分方程,把一个大规模三维数值模拟问题分解为多个一维数值模拟问题,利用一维有限单元法求解方程组,并通过采用压缩算子迭代计算,最终获得较为精确的数值解.与自适应有限单元法对比验证了本文算法的正确性;测试了算法的收敛性,结果表明在满足精度要求的情况下,算法的收敛性只与异常体和围岩之间的电导率差异相关,而与异常体大小和埋深无关;分析了算法计算效率,结果表明算法的计算效率与剖分网格节点成线性关系,算法可在微型计算机中较快计算出剖分节点总数超过千万的各向异性模型的结果;设计简单观测系统并验证其具有反映地下各向异性结构特性的能力;最后模拟异常体沿着不同方向旋转不同角度时的响应特征,对比分析可知异常体为各向异性情况下,沿不同方向旋转相同角度或沿同一个方向旋转不同角度,在同一个位置上测量得到的视电阻率有差异.

     

粘弹各向异性介质中地震波场模拟与特征

通过引入记忆变量,可以避免粘弹性应力-应变关系中的褶积运算,使波场数值模拟易于实现.通过伪谱法对粘弹各向异性介质中的qP波、qS波数值模拟,结合理论分析,研究了粘弹各向异性介质中速度各向异性和衰减各向异性.衰减各向异性要比速度各向异性更为显著,并且qS波比qP波的衰减各向异性明显.粘弹各向异性介质中,粘弹性对波的影响主要在于波的衰减,各向异性主要影响波前面形状.     

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.     

任意各向异性介质相(群)速度的计算

反映弹性波在各向异性介质中传播特性的两个基础的物理量是相速度和群速度.本文在总结前人工作的基础上,提出任意各向异性介质相(群)速度的计算方案:首先推导各自计算公式,其次考虑剪切波奇点的特殊性,再次令其遵循相应约束条件,最后,采用三个计算实例检验该方案的正确性和有效性.通过对计算结果的分析以及各向异性理论预测可以加深对各向异性特有性质(如剪切波奇点、群速度多值性)的理解,有助于增强我们对任意各向异性理论的基本认识.     

各向异性介质中Ⅲ型裂缝的动力分析

本文应用Green函数法求解各向异性介质中Ⅲ型裂缝的扩展问题。文中首先推导了各向异性介质中的Green函数,然后利用它求解了各向异性介质中Ⅲ型半无限长裂缝的扩展问题。文中并计算了裂缝尖端的应力分布和裂缝表面上的位移。     

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合,使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例,在各参数辐射模式分析的基础上,基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取,进一步构建高斯牛顿方向,实现Hessian矩阵的有效利用,以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应,在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时,该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵,且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算,因此内存占用小,计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性,为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.

     

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．     

各向异性介质中扭转波分裂的初步实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动.本文利用扭转换能器观测了扭转横波在各向异性样品中的传播特性.实验表明,无偏振方向的扭转波在各向异性介质中会以两种不同速度传播,并出现波的分裂现象,其快慢波的速度值与剪切横波的快慢横波速度一致.用扭转波换能器接收时,快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响,表现为无方向性.通过两块不同来源的均匀各向异性样品,用实验观测方式初步揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

应力诱导各向异性介质中地震波的传播

主要讨论了应力变化如何影响各向异性介质中波速度的问题。推导了一般各向异性介质在初始应力下的Christoffel方程,得到介质中3种波的相速度和初始应力的关系表达式;通过实验数据验证了单轴应力能够诱导各向异性,当施加单轴应力时,速度在沿应力的方向增加最大,在垂直应力的方向增加最小,实验结果与理论推导一致;用Christoffel方程的数值解模拟在3种对称情况下的弹性各向异性介质中初始应力对波速度的影响。数值结果表明:初始应力对各向异性介质中波传播速度的影响,随着各向异性强度的增加而增大,而且速度越慢,影响越大。     

用传播矩阵法研究层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应

本文采用传播矩阵技术研究并建立了层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应的有效算法.首先通过Fourier变换将频率空间域中的Maxwell方程组求解问题转化为频率波数域中关于电磁场水平分量常微分方程组的定解问题.利用该方程组系数矩阵的本征值和归一化本征向量将电磁场分解成上行波和下行波模式的组合,推导出均匀正交各向异性介质中由任意方向磁偶极子产生的电磁波模式解析表达式;在此基础上,利用叠加原理和边界条件研究了电磁波在层状正交各向异性地层中的反射和透射,给出各个界面上的广义反射系数和不同地层中电磁波振幅的递推公式,进而得到电磁波模式的解析解.为了有效确定频率空间域中的电磁场,采用二维Patterson自适应求积算法结合有限连分式展开技术计算傅氏逆变换.最后通过数值模拟结果证明了该算法的有效性,考察了不同各向异性系数、不同井眼倾角以及仪器长度和工作频率变化等情况下的多分量感应测井响应特征.     

各向异性介质中扭转波分裂的实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动,在各向同性介质中两模式的横波速度是相同的,但它们的振动特性不一样,前者表现出很强的偏振特性,后者为无偏振特性.实验测试表明无偏振特性的扭转波在各向异性介质中传播时也会出现两种速度不同的扭转波,速度值与剪切横波的快慢横波速度值一致.用扭转波换能器接收时,这快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响.通过两块均匀的各向异性样品,用实验观测揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

各向异性介质中的AVO

分析了横向各向同性和方位各向异性介质的本构关系,由此讨论弹性波在两种各向异性介质中的传播特点,提出可表征这两种介质各向异性程度的广义参数．以此为基础讨论了两种各向异性介质中存在水平界面时的反射系数近似式,将Dely等人推导的横向各向同性介质中的反射系数公式推广到方位各向异性介质的主轴方向上．根据算例讨论修正的Banik和Thomsen的近似式,着重分析两种各向异性介质中的AVO关系及其对实际勘探的影响和指导意义．     

大地电磁二维对称各向异性介质的有限元数值模拟

假定垂直轴为二维对称各向异性介质主轴之一，构造走向与另一主轴方向成任一夹角，用伽勒金（Ｇａｌｅｒｋｉｎ）有限元法和矩形网格，优化地合成总体刚度矩阵，使二维各向异性介质的基本方程形成有限元代数方程组，求出各节点场值，并利用ＭＯＭ法求出辅助场，进而求出张量阻抗等响应函数．同时还对有关文献的计算模型进行了数值模拟检验     

各向异性双相介质弹性波场褶积算法数值模拟

从各向同性介质中波场数值模拟的褶积微分算子法出发,推导出了各向异性双相介质中波场传播数值计算的褶积新算法.将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度—应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和应力分量,由此对方程的时间项使用交错网格差分方法计算,而对空间项则采用褶积微分算法进行求解.对各向异性双相介质在单层介质模型和双层介质模型中的波场特征进行了研究.研究的结果显示,在两层介质分界面上当地震波产生反射时能观测到两类纵波和横波,并且在衰减系数大的介质里慢纵波很难见到.     

利用介质的不均匀分布构建各向异性模型

在复杂区域应力场的作用下, 大范围扩容各向异性(extensive-dilatancy anisotropy, EDA)造成的裂隙定向排列形成了地壳内部介质的不均匀性。 因此, 地壳介质各向异性的描述不仅限于横向各向同性(transversely isotropic, TI)的理论。 我们首先利用自相关函数随机扰动得到水平向小尺度速度不均匀, 然后利用这种不均匀性描述地壳介质中EDA裂隙定向排列所造成的介质各向异性, 利用数值模拟弹性波在该介质中的传播过程验证了利用介质的不均匀性构建介质的各向异性是一个有效、 可靠的方法。 可以将此方法应用到复杂地壳介质结构中, 了解地震波在复杂地壳各向异性介质中的传播特征。     

空间波数混合域三维各向异性强磁性介质磁场数值模拟

各向异性普遍存在于强磁性体矿物中,为研究各向异性强磁性体磁场响应特征,本文提出一种空间波数混合域三维各向异性磁场数值模拟方法.该方法首先将各向异性强磁性体磁位满足的三维偏微分方程进行水平方向二维傅里叶变换,将其降为不同波数之间相互独立的一维常微分方程;然后加载准确的上下边界条件,采用二次插值有限单元法计算一维常微分方程,得到五对角方程,采用追赶法进行高效求解;最后采用迭代法求解场分量,引入紧算子保证迭代稳定收敛;综合傅里叶变换的高效性、一维方程求解的快速性和迭代算法的稳定性,实现各向异性强磁性体磁场的三维高效、高精度数值模拟.设计各向异性椭球模型验证算法的正确性,并分析紧算子对不同各向异性磁化率模型的迭代收敛性;与COMSOL Multiphysics软件对比计算效率,表明相同节点下本文算法效率优于常规三维有限元方法,且计算节点总数越多优势越明显.重点研究各向异性参数改变对VTI、HTI、TTI强磁介质异常场响应的影响.最后采用某磁铁矿DEM高程数据模拟起伏地形对各向异性强磁性体磁异常场幅值和形态的影响,体现出本文算法对各向异性强磁性体大规模复杂地形的适应性.

     

地壳介质各向异性弹性本构关系讨论

论述了地壳介质中存在的各类向异性及其弹性本构关系,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本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作了数值模拟。     

黏弹各向异性介质中波的反射与透射问题分析

黏弹各向异性介质中传播不均匀波,其反射、透射模式不仅与介质分界面两侧速度对比有关,还与品质因子Q的对比有关. 用伪谱技术模拟黏弹各向异性介质分界面上波的反射、透射,并与弹性各向异性介质、黏弹各向同性介质和弹性各向同性介质的模拟结果做比较. 计算平面波的反射、透射系数,分析介质的黏弹性和各向异性对反射、透射系数的影响. 数值模拟了一个三层介质模型中的波场,分析两个分界面上产生的反射波的特征. 黏弹各向异性介质中,qS波比qP波衰减程度大.     

一般各向异性介质中全波形的计算：由各向异性介质中爆炸源得出的结果

1.引言本文介绍了一般各向异性介质中点源产生的全波场的计算方法,还研究了各向异性对理论地震图的影响。最近几年,地震学中越来越多的观测研究要求借助于各向异性的弹性性质来解释。这种各向异性可能是由于多种机制引起的,其中包括矿化或沉积的定向、构造应力或优先定向的