含流体孔隙介质中面波的传播特性及应用

基于单相介质中地震波理论的高频面波法已广泛应用于求取浅地表S波的速度.然而水文地质条件表明, 普遍的浅地表地球介质富含孔隙.孔隙中充填的流体会显著地影响面波在浅地表的传播, 进而造成频散和衰减的变化.本文研究了地震勘探频段内针对含流体孔隙介质边界条件的面波的传播特性.孔隙流体在自由表面存在完全疏通、完全闭合以及部分疏通的情况.孔隙单一流体饱和时, 任何流体边界条件下存在R1模式波, 与弹性介质中的 Rayleigh 波类似, 相速度稍小于S波并在地震记录中显示强振幅.由于介质的内在衰减, R1在均匀半空间中也存在频散, 相速度和衰减在不同流体边界下存在差异.Biot 固流耦合系数(孔隙流体黏滞度与骨架渗透率之比)控制频散的特征频率, 高耦合系数会在地震勘探频带内明显消除这种差异.介质的迂曲度等其他物性参数对不同流体边界下的R1波的影响也有不同的敏感度.完全闭合和部分疏通流体边界下存在R2模式波, 相速度略低于慢P波.在多数条件下, 如慢P波在时频响应中难以观察到.但是在耦合系数较低时会显现, 一定条件下甚至会以非物理波形式接收R1波的辐射, 显示强振幅.浅表风化层低速带存在, 震源激发时的运动会显著影响面波的传播.对于接收点径向运动会造成面波的 Doppler 频移, 横向运动会造成面波的时频畸变.孔隙存在多相流体时, 中观尺度下不均匀斑块饱和能很好地解释体波在地震频带内的衰减.快P波受到斑块饱和显著影响, R1波与快P波有更明显关联, 与完全饱和模型中不同, 也更易于等效模型建立.频散特征频率受孔隙空间不同流体成分比例变化的控制, 为面波方法探测浅地表流体分布与迁移提供可能性.通常情况孔隙介质频散特征频率较高, 标准线性黏弹性固体可以在相对低频的地震勘探频带内等效表征孔隙介质中R1波的传播特征, 特别在时域, 可在面波成像反演建模中应用.     

孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型

储层地球物理学中,孔隙介质的各类弹性波模型常用于了解地层岩石物理性质.本文介绍了含油、气、水等物质的多相孔隙介质弹性波频散和衰减研究进展,给出了流体饱和与部分饱和孔隙介质中波传播的物理模型综述.根据孔隙介质中的固、流体分布情况,从相关基础理论和实验研究工作等方面出发,在宏观、微观和介观尺度上对流体替换、Biot孔隙力学、喷射流、Biot喷射流(BISQ)、等效球体癍块饱和、双重孔隙介质局部流动等现有主要合流体孔隙介质速度频散和衰减理论进行了回顾.研究表明,应力松弛过程是弹性波频散和衰减的基本机理,该过程由平衡特征时间刻画.该特征时间与孔隙介质的渗透率、流体粘性和体积模量紧密相关.当波频较低时,特征时间小于波周期,压力平衡得以发生,可以用等效流体模型描述波速;反之,当波频较高时,局部压差始终保持较高水平。整个骨架体积模量升高,等效模型面临困难,发展出斑块饱和模型.在分析了各类模型理论框架适用性以及所面临困难后,我们对未来研究方向给出了一些有意义的探讨.     

含混合裂隙、孔隙介质的纵波衰减规律研究

地下多孔介质中的孔隙类型复杂多样,既有硬孔又有扁平的软孔.针对复杂孔隙介质,假设多孔介质中同时含有球型硬孔和两种不同产状的裂隙(硬币型、尖灭型裂隙),当孔隙介质承载载荷时,考虑两种不同类型的裂隙对于孔隙流体压力的影响,建立起Biot理论框架下饱和流体情况含混合裂隙、孔隙介质的弹性波动方程,并进一步求取了饱和流体情况下仅由裂隙引起流体流动时的含混合裂隙、孔隙介质的体积模量和剪切模量,随后,在此基础上讨论了含混合裂隙、孔隙介质在封闭条件下地震波衰减和频散的高低频极限表达式.最后计算了给定模型的地震波衰减和频散,发现地震波衰减曲线呈现"多峰"现象,速度曲线为"多频段"频散.针对该模型分析讨论了渗透率参数、裂隙纵横比参数以及流体黏滞性参数对于地震波衰减和频散的影响,表明三个参数均为频率控制参数.     

周期性层状含孔隙、裂隙介质模型纵波衰减特征

地震波在含孔隙、裂隙斑块饱和介质传播过程中会诱发多个尺度孔隙流体流动而产生衰减和速度频散.在含有宏观尺度“Biot流”和介观尺度“局域流”衰减诱导机制的周期性层状孔隙介质模型基础上,引入了微观尺度硬币型和尖灭型裂隙“喷射流”的影响,构建了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型.利用双解耦弹性波动方程的方法数值计算了该模型地震频带的纵波衰减和速度频散并与周期性层状孔隙介质模型做了对比研究.分析了该模型在不同裂隙参数（裂隙密度、裂隙纵横比）及裂隙体积含量下的纵波衰减和频散特征,裂隙密度越高对于纵波衰减和频散的影响越大,裂隙纵横比越小,由裂隙引起的纵波衰减部分向高频段移动,裂隙体积含量越少,纵波衰减先降低后小幅增加再降低,频散速度增加,并逐渐接近于周期性层状孔隙介质模型的纵波衰减和频散速度曲线.最后研究了周期性层状含孔隙、裂隙介质模型有效平面波模量的高低频极限以及流固相对位移在该模型中的分布特征.     

含流体复杂孔隙介质地震波衰减与频散

含流体孔隙介质中地震波的速度频散和衰减在指导复杂储层含油气性识别领域具有重要意义.本文构建了包含微观挤喷流与介观层间流影响的跨尺度模型, 并使用求解介质等效模量的方式得到了模型中地震波的频散速度与衰减因子, 克服了前人在高频段计算结果出现异常值以及不同尺度衰减峰无法分离的缺陷.在该双尺度模型的基础上, 本文又综合考虑宏观尺度Biot流, 将三种地震波衰减理论耦合, 建立了相对统一的三尺度地震波衰减岩石物理模型.在Biot理论框架下, 分析了非均匀性流体、孔裂隙结构、微观挤喷流以及介观层间流对流体压力与弹性模量的影响, 得到了该三尺度模型中地震波的波动方程, 并求解得到了相应的地震波衰减与频散曲线, 分析了不同介质参数对衰减与频散曲线的影响.我们推导了在该模型上覆均匀各向同性介质情况下, 分界面处各类极性波的反射、透射系数特征方程, 并得到了随频率以及入射角变化的反射、透射系数三维曲面.

     

含黏滞流体各向异性孔隙介质中弹性波的频散和衰减

基于Biot理论,考虑液相的黏弹性变形和固液相接触面上的相对扭转,提出了含黏滞流体VTI孔隙介质模型.从理论上推导出,在该模型中除存在快P波、慢P波、SV波、SH波以外,还将存在两种新横波－慢SV波和慢SH波.数值模拟分析了6种弹性波的相速度、衰减、液固相振幅比随孔隙度、频率的变化规律以及快P波、快SV波的衰减随流体性质、渗透率、入射角的变化规律.结果表明慢SV波和慢SH波主要在液相中传播,高频高孔隙度时,速度较高;大角度入射时,快P波衰减表现出明显的各向异性,而快SV波的衰减则基本不变;储层纵向和横向渗透率存在差异时,快SV波衰减大的方向渗透率高.     

含夹层孔隙介质分界面上反透射系数特征研究

研究地震波在含黏性流体孔隙介质中的传播特性,对于识别油气储层、刻画流体边界、判识油水界面等有重要作用.通常利用地震波在孔隙介质分界面上的反透射系数特征,来实现这些方面的研究.顶、底层孔隙介质之间存在含黏性流体孔隙介质夹层时,夹层内岩石骨架、孔隙因子、孔隙流体等参数会对反透射系数产生影响.本文推导出含夹层孔隙介质分界面上的反透射系数方程,针对方程建立不同孔隙度的含夹层孔隙介质模型;基于模型实现孔隙介质分界面上的反透射系数特征研究,分别分析不同夹层厚度、不同频率情况下,反透射系数随入射角的变化规律.研究表明,快慢纵波及横波的反透射系数都会受到孔隙夹层的影响,受影响程度主要取决于夹层厚度和地质背景等因素;慢纵波反射和透射系数数值极小,且后者随夹层厚度的增加而迅速衰减;频率通过反透射系数方程本身和地震波速度两个因素直接或间接的影响地震波反透射特征,其值的增加会引起快纵波和横波反透射系数不同程度的衰减.     

孔隙介质中波的衰减及其对冲击波的防护作用

孔隙介质对波的衰减极为显著,因此,它能有效降低介质中冲击波的能量。普遍来说,地球浅层介质均可视为孔隙介质,即可作为应对冲击波的天然防护材料,这对大型地下结构的安全防护有着重要的意义。本文通过对大振幅应力脉冲通过水或冰充填的人工节理孔隙介质的测量结果分析,讨论了节理中固相/液相水对爆炸效果的作用。基于双孔隙模型和部分饱和模型计算预测的P波速度以及岩石衰减和频散规律,与实测数据相一致。实验与模型预测均表明,节理中的水和冰对冲击波有较大的衰减,但是充水节理更为明显,且由于填充材料的不同会导致不同的介质性质。因此,在地球介质孔隙节理中充填不同衰减特性材料,可以满足不同情况下的冲击波防护需要。      

流体分布对松散介质中P波速度和衰减的影响

为了深入研究流体对岩石中弹性波速度和衰减的影响,必须考虑到流体的分布和粘性。引入气体包裹体模型来研究粘性流体的分布对松散介质中P波速度和衰减的影响,用气泡平均半径来描述流体分布的不均匀性,计算了不同气泡半径和频率下P波速度和衰减随饱和度变化的曲线,并与有效流体模型作了比较,由于流体喷流的存在会使Gassmann方程在高频下不适用,用干燥和饱和流体的P波、S波速度修正了理论曲线。测量了玻璃微珠中不同水饱和度下高频P波的速度和衰减,并尝试用峰值频率来计算衰减。此方法求出的Q和频谱比法求出的Q在干燥或饱和水时基本相同,随饱和度的变化规律也基本一致,但衰减峰的大小有差异。根据实测值得似事经修正的波速和衰减理论曲线从而估算出气泡平均半径,认为P波速度和衰减不仅与饱和度有关而且也与介质内部气体－液体压力平衡有关。     

瑞利面波在地质勘察中的应用

在地质勘察中运用瑞利面波进行探测,对瑞利面波进行频谱分析和相关计算处理,根据速度结合钻孔资料进行地质分层,为钻探成果的内插和外推提供依据,使地质勘察资料更加翔实可靠.     

Dispersion function of Rayleigh waves in porous layered half-space system

Rayleigh wave exploration is based on an elastic layered half-space model. If practical formations contain porous layers, these layers need to be simplified as an elastic medium. We studied the effects of this simplification on the results of Rayleigh wave exploration. Using a half-space model with coexisting porous and elastic layers, we derived the dispersion functions of Rayleigh waves in a porous layered half-space system with porous layers at different depths, and the problem of transferring variables to matrices of different orders is solved. To solve the significant digit overflow in the multiplication of transfer matrices, we propose a simple, effective method. Results suggest that dispersion curves differ in a lowfrequency region when a porous layer is at the surface; otherwise, the difference is small.     

Analytical partial derivatives of the phase- and group velocities for Rayleigh waves propagating in a layer on a half-space

The dispersion relation for Rayleigh waves in a layer on a half-space is modified by introducing the quadratic wave number instead of the phase velocity. The implicit function theorem is then used to derive analytical formulae for the group velocity and for the phase- and group velocity partial derivatives with respect to the parameters of the medium. As two examples, the method is applied to the interpretation of dispersion curves for short-period Rayleigh waves observed in a sedimentary basin of the West Carpathians, and in the Moravo-Silesian region, Czech Republic.     

瑞雷波斜入射下层状半空间中沉积谷地周围的三维散射研究

针对层状半空间中沉积谷地对斜入射瑞雷波的三维散射问题, 采用直接刚度法计算自由场波场, 以层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林影响函数求解三维散射波场, 建立了求解该问题的间接边界元方法. 通过与已有结果的比较, 验证了该方法的正确性, 并以均匀半空间以及弹性基岩上单一土层场地中沉积谷地为例进行了计算分析. 研究结果表明： 层状半空间与均匀半空间中沉积谷地对瑞雷波的散射存在显著差别; 层状半空间中瑞雷波的振动模态对沉积附近位移幅值有着重要影响; 土层刚度和厚度等参数也对沉积附近位移幅值大小及空间分布有着显著的影响.     

黏弹性介质瑞雷波有限差分模拟与特性分析

本文通过数值模拟研究了介质黏弹性对瑞雷波传播的影响.模拟采用结合了交错Adams-Bashforth时间积分法、应力镜像法和多轴完美匹配层的标准交错网格高阶有限差分方案.通过模拟结果和理论结果对比,测试了方法的精度,验证了结果的正确性.在均匀半空间模型中,分别从波场快照、波形曲线及频散能量图三个角度,对黏弹性介质瑞雷波衰减和频散特性进行了详细分析.两层速度递增模型被用于进一步分析瑞雷波在黏弹性层状介质中的特性.结果表明：由于介质的黏弹性,瑞雷波振幅发生衰减,高频成分比低频成分衰减更剧烈,衰减程度随偏移距增大而增强;瑞雷波相速度发生频散,且随频率增大而增大,频散能量的分辨率有所降低;黏弹性波动方程中的参考频率,不会影响瑞雷波振幅衰减和相速度频散的程度,但决定了黏弹性和弹性介质瑞雷波相速度相等的频率位置.本研究有助于人们更好地理解地球介质中瑞雷波的行为,并为瑞雷波勘探的应用和研究提供了科学和有价值的参考.

     

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.     

Rayleigh波频散曲线“交叉”及多模式耦合作用研究

Rayleigh波可以用来反演近地表结构,在工程物探、石油物探、地球内部结构探测中均有重要意义.数值计算得到的含低速层的层状介质对应的Rayleigh波频散曲线会出现看似“交叉”的现象,但是对于这种现象目前还没有进行系统的研究.事实上可以验证,有些看似交叉的频散曲线实际上不相交.改变低速层的厚度和横波速度发现低速层越明显（即低速层速度越低或层厚越厚）频散曲线越不容易相交.凡友华等在2007年提出频散曲线对应着四种基本模式,在频散曲线发生“交叉”现象的区域实际上存在两个以上模式的频散曲线.本文主要研究了存在R模和S2模的区域内频散曲线的“交叉”现象.首先利用竖直本征振动曲线研究R模和S2模Rayleigh 波的振动特点,发现R模对应的本征振动主要集中在地表,随着深度变化能量快速衰减,S2模对应的本征振动主要集中在第2层.研究“交叉点”附近频散点对应的本征振动曲线发现这一区域有些Rayleigh波同时具有R模和S2模的振动特点,对应着一种耦合模式.通过对实例的研究发现,在“交叉点”附近,若两条频散曲线不发生交叉,则每条曲线对应的模式会发生R模和S2模之间经由耦合模式的转变,本文称这种现象为两种模式发生耦合;若两条频散曲线相交,则同一条频散曲线上的Rayleigh波模式几乎相同,只是在离交点很近的区域会存在一些耦合模式,本文称此时两种模式不发生耦合.本文研究结果主要供Rayleigh波对低速层结构的反演研究参考.     

Propagation and attenuation of Rayleigh waves in a semi-infinite unsaturated poroelastic medium

An analytical model for describing the propagation and attenuation of Rayleigh waves along the free surface of an elastic porous medium containing two immiscible, viscous, compressible fluids is developed in the present study based on the poroelastic equations formulated by Lo et al. [Lo WC, Sposito G, Majer E. Wave propagation through elastic porous media containing two immiscible fluids. Water Resour Res 2005;41:W02025]. The dispersion equation obtained is complex-valued due to viscous dissipation resulting from the relative motion of the solid to the pore fluids. As an excitation frequency is stipulated, the dispersion equation that is a cubic polynomial is numerically solved to determine the phase speed and attenuation coefficient of Rayleigh waves in Columbia fine sandy loam permeated by an air–water mixture. Our numerical results show that, corresponding to three dilatational waves, there is also the existence of three different modes of Rayleigh wave in an unsaturated porous medium, which are designated as the R1, R2, and R3 waves in descending order of phase speed, respectively. The phase speed of the R1 wave is non-dispersive (frequency-independent) in the frequency range we examined (10 Hz–10 kHz) and decreases as water saturation increases, whose magnitude ranges from 20% to 49% of that of the first dilatational wave with respect to water content. However, it is revealed numerically that the R2 and R3 waves are functions of excitation frequency. Given the same water saturation and excitation frequency, the phase speeds of the R2 and R3 waves are found to be approximately 90% of those of the second and third dilatational waves, respectively. The R1 wave has the lowest attenuation coefficient whereas the R3 wave attenuates highest.     

Analysis of Rayleigh waves in saturated porous elastic media by finite element method

A numerical procedure for the analysis of Rayleigh waves in saturated porous elastic media is proposed by use of the finite element method. The layer stiffness matrix, the layer mass matrix and the layer damping matrix in a layered system are presented for the discretized form of the solid-fluid equilibrium equation proposed by Biot. In order to consider the influence of the permeability coefficient on the behavior of Rayleigh waves, attention is focused on the following states: ‘drained’ state, ‘undrained’ state and the states between two extremes of ‘drained’ and ‘undrained’ states. It is found from computed results that the permeability coefficient exerts a significant effect on dispersion curves and displacement distributions of Rayleigh waves in saturated porous media.