包含Biot机制和分数阶黏弹性机制的波传播模型

含流体孔隙介质中的波能量耗散通常由多种力学机制造成.传统Biot理论中的能量耗散仅仅考虑了固流两相相对运动引起的摩擦耗散,无法准确预测波在孔隙介质中低频段出现的高频散与强衰减现象.为了建立一个能准确预测地震波频段高频散与强衰减现象的动力学模型,我们在Biot理论的基础上引入黏弹性机制,并利用分数阶导数刻画黏弹性本构关系,最终获得了一种新的孔隙介质波传播模型.与传统的Biot模型相比,新模型考虑了含流体孔隙介质中固体骨架的内耗散,对波能量耗散的刻画更为精准.通过数值算例,我们研究了分数阶导数的阶数参数对快P波和S波频散和衰减的影响,并通过来自不同地区且具有不同物理性质的几组流体饱和岩芯实验数据,对比研究了新模型的有效性.结果表明,文章提出的新模型能更准确地预测快P波和S波在低频段出现的高频散和强衰减现象.     

基于Biot-Squirt方程的波场模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制,对地震波和声波的传播均产生重要影响. Dvorkin和Nur提出了同时包含Biot流动和喷射流动力学机制的统一的BISQ(Biot-Squirt)模型,基于这一模型,尽管有关弹性波在多孔隙介质中的衰减和频散问题已被广泛研究,然而,基于BISQ波传播方程的波场数值模拟至今仍未见报道. 本文从同时包含两种力学机制的孔隙弹性波方程出发,利用FCT有限差分法对含流体孔隙各向同性介质中的地震波和声波进行了数值模拟,并与基于Biot流动的Biot理论之模拟结果进行比较. 数值模拟结果表明:同时包含Biot流动和喷射流动影响的地震波和声波速度比仅包含Biot流动作用的地震波和声波速度慢,慢P波的衰减比根据Biot理论模拟的慢P波衰减更强.     

双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

Biot流动和喷射流动耦合作用下波传播的FCT紧致差分模拟

本文从含流体多孔隙介质中同时包含Biot流动和喷射流动两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)方程出发,利用FCT(Flux-Corrected Transport)紧致差分方法数值模拟了在Biot流和喷射流共同作用下的波在含流体多孔隙各向同性介质中的传播.通过与仅受Biot流动作用下的波场结果对比,我们研究了...     

横观各向同性饱和土的基本方程组

两相饱和多孔介质的基本方程组和计算参数的选取在一定程度上是混乱的.本文利用连续介质力学理论,结合空间平均化方法,根据应力-应变关系、运动学关系、连续性方程及广义Darcy定律,建立了横观各向同性液体饱和多孔介质的基本方程组;通过将该基本方程组与Biot理论的基本方程组进行比较,确定了Biot方程组中的弹性常数Bi与弹性常数cij的关系,并得到了确定Biot参数mi和ri的计算公式——Biot参数与渗透率、孔隙率及黏性系数的关系;最后对几种特殊情形进行了讨论,给出了简化方程组.     

比较两种模型下饱和土的动态响应

比较Biot和Yamamoto两种模型下饱和土的动态响应, 指出了这两种土模型的特点. 首先从土骨架和孔隙水所满足的运动方程出发分析了两种土模型所反映能量损耗, 然后计算了粗砂质和细砂质土层内弹性波随加载频率及土参数的衰减规律, 总结了黏性摩擦和Coulomb摩擦在两种模型中具体体现, 最后讨论了当加载为海浪时, 两种模型对应的波浪衰减特点以及土床内孔隙水压力和应力相位角随孔隙度、渗透系数、黏性系数及剪切模量等土参数的变化.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相.     

Biot介质中波传播研究述评

本文简要叙述了Biot介质中波传播的Biot理论,评述了波在层状和柱状多孔介质中的传播,讨论了今后的发展方向.     

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.     

基于BISQ模型双相各向同性介质弹性波传播的频率-空间域有限差分模拟

BISQ模型同时包含了合流体孔隙介质中Biot流动和喷射流动两种重要的力学机制.基于BISQ模型的双相各向同性介质弹性波波动方程是一个复变系数偏微分方程组.本文率先建立了该方程的25点频率-空间域有限差分数值解法,在理想相界和黏滞相界情况下,对Biot流动和喷射流动共同作用下的双相各向同性介质中的波传播进行了数值模拟,通过与仅受Biot流动作用下的波场模拟结果的对比,分析了两种机制耦合作用对弹性波传播的影响.同时,本文也研究了波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征.数值模拟结果表明:在Biot流动和喷射流动耦合作用下,双相介质中传播的快P波的速度和振幅都小于仅考虑Biot流动的双相介质中的快P波,且慢P波的衰减也更为强烈,而S波的波速和振幅则无明显差异.这表明局部喷射流动对P波的衰减和频散具有重要影响,而对S波的影响较小;慢P波的强烈衰减使得其在波场快照中无法被观测到,双层双相介质中的波传播现象类似于单相介质的情况.同时本文的研究结果也表明,频率-空间域有限差分法在基于BISQ模型的双相介质中波传播数值模拟中的正确性和有效性,为开展孔隙弹性介质全波形反演问题的研究提供了研究基础.     

广义Biot固结方程隐-隐式解法的推广及应用

无条件稳定的隐－隐式交叉迭代法是求解u-p形式的广义Biot理论有限元列式的一种高效数值方法，在此基础上提出了能够考虑孔隙流体加速度的新解法，扩展了隐－隐式解法的适用范围。将广义Biot理论两种u-p形式的有限元列式作了统一表达，进而采用逐步积分法求解时域内的动力迭代方程。静力Biot理论描述的边值问题可视为其特例。通过波浪作用下弹性海床的动力反应分析，验证了所发展的数值解法的有效性。计算结果表明，土骨架和孔隙流体的加速度对海床动力反应的影响很小。     

Biot理论的唯象修正对S波特性的影响

将复模量引入Biot方程后，在一维条件下通过S波的波动方程研究了S波的传播特性，S波的数值分析显示在频率域或温度域上都能获得热弛豫衰减峰和Biot衰减峰. 在频率域上由于温度的变化引起两峰相向位移,在温度域上,因频率的变化也发生相对移动. 随着温度和频率的不断提高，两峰发生叠加，叠加后两峰互换位置. 低频或低温段的热弛豫峰移到了高频或高温段，高频或高温段的Biot峰移到了低频或低温段.由于两峰的衰减机制不同，导致S波波速随频率或温度变化规律的复杂性. 这些规律已部分被共振实验所证实，证实该理论模型具有实验基础.     

多孔岩石波传播的热弛豫模型修正

经研究发现热弛豫模型的衰减比BISQ模型大得较多,与地球介质相比衰减量也过大;反演与实验结果相比在虚模量的低频(或低温)端和高频(或高温)端相差较大,仅在峰值附近符合较好.针对上述不足,将Arrhenius关系直接引进Biot模型,替换原模型引进的峰值点的频率对数和温度关系,并重新调整了模型参数.这样既改善了原模型衰减量过大,又克服了模型反演中虚模量峰值曲线两侧差异较大的缺点.进行了P波和S波的波传播分析,仍然在频率谱和温度谱上获得热弛豫峰和Biot峰.分析显示热弛豫峰导致波速随频率升高而上升的普遍规律,Biot峰导致波速随温度升高而上升的异常现象.在相同条件下对Biot模型,BISQ模型和热弛豫模型的P波波速和衰减进行了对比.热弛豫模型得到的速度频散更强,频散范围更宽,所得的衰减峰值频率比BISQ模型要低,衰减幅度比BISQ模型稍大.这些结果与实验结果相近,更符合实际.     

平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(Ⅰ):解析解

利用波函数展开法给出了入射平面P波在饱和半空间中圆形洞室周围散射问题的一个解析解。半空间假定为无粘性流体饱和介质,满足Biot理论。采用一种基于实验数据的孔隙率和模量之间的线性关系来确定Biot模型中的介质参数。解答考虑了透水边界和非透水边界两种情况。对边界条件进行了数值检验,结果表明,随着级数截断项数的增大,边界残量衰减很快。解答为进一步研究入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响奠定了基础。     

平面P波在饱和半空间中洞室周围的散射(I):解析解

利用波函数展开法给出了入射平面P波在饱和半空间中圆形洞室周围散射问题的一个解析解。半空间假定为无粘性流体饱和介质,满足Biot理论。采用一种基于实验数据的孔隙率和模量之间的线性关系来确定Biot模型中的介质参数。解答考虑了透水边界和非透水边界两种情况。对边界条件进行了数值检验,结果表明,随着级数截断项数的增大,边界残量衰减很快。解答为进一步研究入射波频率和角度、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等参数对散射的影响奠定了基础。     

基于BISQ模型的双相介质位移场Green函数

以BISQ模型的波传播方程为基础,研究了弹性波在孔隙各向 同性介质中的传播速度及与流体的Biot流动和喷射流动力学机制的关系,进一步利用场势分 解和δ函数的性质,给出了同时受Biot流动和喷射流动两种动力学机制作用下,两相介 质波场位移在集中力作用下的Green函数,并讨论了喷射流动在Green函数中的表现形式和作用     

基于挤喷流效应的Russell流体因子推广及应用

在油气勘探与开发过程中,寻求能够从地震资料中直接识别储层油气的流体指示因子至关重要.由于现存多数流体指示因子都是在Biot理论假设前提下建立起来的,因此在双相孔隙介质条件下不能有效地识别流体.为此,本文基于前人提出的双孔介质统一波动理论,考虑岩石裂缝间挤喷流效应,在经典流体指示因子基础上构建了一种新的流体指示因子.该流体因子能够较好地反映岩石内孔隙流体的变化对波传播产生的影响.在实际资料的应用中,采用多种方法分析、对比该流体识别因子与以Biot理论为基础的传统流体因子的优劣,理论分析与实际资料的验证表明该流体因子对于储层中油气的检测有较高的精度和灵敏度.     

饱和Maxwell流体孔隙介质波传播模型研究

岩石中的弹性波传播特性研究一直是地球物理学研究中的基础科学问题和难点.Biot理论的提出为流固双相介质理论奠定了基础.Biot理论中假设固相、液相的本构关系是线弹性的.而当实际储层中含高黏度的流体时,流体往往表现出一定的非牛顿流体性质.本文主要针对含高黏度流体的孔隙介质,在Biot理论模型中引入线性黏弹性的Maxwell流体本构方程.要通过动态黏度入手,表征非牛顿流体的特性,改进并给出了含高黏度孔隙流体介质的模型.通过数值模拟分析了所提出的模型的特性,并分析了初始黏度和孔隙度参数对模型数值分析结果的影响.最后选取超声波实验数据验证了模型的适用性,结果表明该理论模型的预测结果可较好地反映含高黏度流体孔隙介质的波传播特性.     

饱和多孔介质多相流体系中孔隙压传播数值分析

孔隙压波传播与衰减对解释深部流体在地震孕育、触发和断裂活动过程中的作用机制,以及石油与天然成藏机理等方面具有重要的学术和应用价值.目前孔隙压波的理论与计算以孔隙弹性介质理论、BISQ 理论为基础.Biot孔隙弹性理论仅考虑流体沿着波的传播方向发生流动,严重低估了Biot损失.Squirt机理考虑了微裂隙中粘性流体的局部流动,能够合理地解释超声波的衰减特征.