流体饱和多孔隙介质弹性波方程边界元解法研究

基于流体饱和多孔隙各向同性介质模型,本文首先推导了流体饱和多孔隙介质中弹性波传播的频率域系统动力方程及边界积分方程,然后给出了流体饱和多孔隙介质弹性波方程的基本解,最后,利用本文给出的边界元方法对流体饱和多孔隙各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟.结果表明：不论是从固相位移,还是液相位移的地震合成记录都能看到明显的慢速P波,本文提出的流体饱和多孔隙介质弹性波边界元法是有效可行的.     

波在饱含流体的孔隙介质中的传播问题

考虑到流体的可压缩性,笔者进一步发展了以前的结果。引进了准微观连续条件的概念,直接联合应用流体动力学方程和固体的弹性或粘弹性力学方程,即得到了此种介质的动力学方程组,其中直接引用了流体和固体的弹性（或粘弹性）系数,较之Biot从物理考虑而建立的应力—应变关系中的后两个常数Q、R具有更明确的物理意义,因而更便于用常规的方法确定。证明了,此种无限介质中通常具有两种P波和一种S波,且具阻尼和频散效应。对于几种极端情况可以明确地得到固体波和流体波,有助于近似地解释一些地球物理和声学现象。文中还指出了区分两种典型的计算模型的重要意义。     

波在饱含流体的孔隙介质中的传播问题

考虑到流体的可压缩性,笔者进一步发展了以前的结果。引进了准微观连续条件的概念,直接联合应用流体动力学方程和固体的弹性或粘弹性力学方程,即得到了此种介质的动力学方程组,其中直接引用了流体和固体的弹性（或粘弹性）系数,较之Biot从物理考虑而建立的应力-应变关系中的后两个常数Q、R具有更明确的物理意义,因而更便于用常规的方法确定。证明了,此种无限介质中通常具有两种P波和一种S波,且具阻尼和频散效应。对于几种极端情况可以明确地得到固体波和流体波,有助于近似地解释一些地球物理和声学现象。文中还指出了区分两种典型的计算模型的重要意义。     

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.     

油水两相渗流多孔介质弹性波传播动力学模型研究

弹性波在储层渗流场中的传播与衰减规律是研究波场强化采油动力学机理的重要基础.基于等效流体理论和饱和静态流体弹性波传播Biot理论,建立油水两非混相流体渗流条件下储层多孔介质中弹性波传播的动力学模型,通过算例求解与分析,发现含油水两相渗流储层多孔介质中同时存在着3种纵波P1、P2、P3和1种横波S;受频率和含水饱和度的影响,各波波速和品质因子呈现出不同变化规律,4种体波波速与频率、饱和度正相关,P1、P2波品质因子与饱和度正相关,P3和S波品质因子与饱和度负相关;最后,通过与传统静态弹性波模型结果对比,进一步分析了宏观渗流场对弹性波传播特征的影响规律,为揭示低频人工地震波辅助强化采油技术的动力学机理和工艺参数优化提供了重要理论依据.

     

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.     

含两种不相混流体的饱和孔隙介质的波场模拟

文中对含两种不相混流体的饱和孔隙介质模型进行了波场模拟,该模型基于封闭型系统假设,考虑了流相与固相的相对运动和孔隙率、饱和度(毛细管压力)的松弛机制,可以较好的模拟波场的数值衰减。与目前常用的等效流体方法和基于开敞系统假设的非饱和孔隙介质模型相比,更符合勘探阶段的实际情况。前人对该介质模型平面波的速度和衰减做了一定的研究,但对整个波场的计算研究还未见报道。本文推导了该模型包含毛细管压力和孔隙度松弛机制的波动方程,并利用有限元的方法进行了波场模拟,并对波场特征进行了分析。数值模拟结果表明,在地震频段,非湿相位移波场中慢波p3较为清晰;毛细管压力(饱和度)和孔隙度的松弛效应对非湿相流体位移有较大影响,随松弛系数的增大,位移减小。     

用孔隙、裂隙介质弹性波理论反演岩石孔隙分布特征

孔隙、裂隙介质的弹性波动理论描述了介质中孔隙与裂隙相互作用的弹性波特征,已被广泛用来模拟和解释实际岩石的声学性质.本文将该理论进一步扩展,用以描述孔隙与多形态裂隙体系的相互作用.扩展理论的一个重要应用是模拟实验室流体饱和岩石在压力加载条件下的弹性波速数据,利用不同形态的裂隙在压力作用下产生的波速变化来反演裂隙的纵横...     

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

近地表强衰减介质中的地震波传播模型

建立符合油气储层近地表复杂介质强衰减性质的数学-物理模型是油气勘探和开发的重要课题.本文针对D'Alembert黏弹性介质模型存在的量纲不统一和不能充分刻画孔隙介质结构的不足,通过引入孔隙度和渗透率等参数修改耗散项,改进了原D'Alembert模型,获得了能精细刻画具有强吸收衰减特征的近地表复杂介质模型,即改进的近地表黏弹性模型.基于这种改进的模型,推导了波频散和衰减的表达式,并研究了孔隙度、流体黏度等物理参数对波频散和衰减的影响,获得了相应的规律性认识.为了验证新模型预测近地表介质中波衰减的有效性,本文将新模型应用于胜利油田YX工区的近地表实测数据,同时与弹性Biot模型和BISQ模型以及黏弹性BISQ模型进行了比较.结果表明,与其它三个模型比较,改进的近地表黏弹性模型能够很好地刻画近地表介质的强衰减性,而且新模型所涉及到的物理参数明显少于其它几种模型,有利于新模型在油气储层近地表复杂介质地震勘探的实际应用.

     

Numerical analysis of seismic wave propagation in fluid-saturated porous multifractured media

Elastic wave propagation and attenuation in porous rock layers with oriented sets of fractures, especially in carbonate reservoirs, are anisotropic owing to fracture sealing, fracture size, fracture density, filling fluid, and fracture strike orientation. To address this problem, we adopt the Chapman effective medium model and carry out numerical experiments to assess the variation in P-wave velocity and attenuation, and the shear-wave splitting anisotropy with the frequency and azimuth of the incident wave. The results suggest that velocity, attenuation, and anisotropy vary as function of azimuth and frequency. The azimuths of the minimum attenuation and maximum P-wave velocity are nearly coincident with the average strike of the two sets of open fractures. P-wave velocity is greater in sealed fractures than open fractures, whereas the attenuation of energy and anisotropy is stronger in open fractures than sealed fractures. For fractures of different sizes, the maximum velocity together with the minimum attenuation correspond to the average orientation of the fracture sets. Small fractures affect the wave propagation less. Azimuth-dependent anisotropy is low and varies more than the other attributes. Fracture density strongly affects the P-wave velocity, attenuation, and shear-wave anisotropy. The attenuation is more sensitive to the variation of fracture size than that of velocity and anisotropy. In the seismic frequency band, the effect of oil and gas saturation on attenuation is very different from that for brine saturation and varies weakly over azimuth. It is demonstrated that for two sets of fractures with the same density, the fast shear-wave polarization angle is almost linearly related with the orientation of one of the fracture sets.     

Transient mechanical wave propagation in semi-infinite porous media using a finite element approach

In this study, we propose a numerical investigation in the time domain of the mechanical wave propagation of an impulsional load on semi-infinite soil. The ground is modelled as a porous saturated viscoelastic medium involving complete Biot theory. All the couplings and a hysteretic Rayleigh damping are taken into consideration. An accurate and efficient finite element method using a matrix-free technique and an expert multigrid system are applied. Our results present the displacements of the fluid and solid particles over the surface and in depth. The arrival times of body and surface waves are studied. Particularly, the compressional wave of the second kind is highlighted. The influence of the different couplings and more specifically, the influence of the permeability on the response of the soil are analyzed.     

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.     

Combined paraxial-consistent boundary conditions finite element model for simulating wave propagation in elastic half-space media

In this paper, a finite element model of a soil island is coupled to both a consistent transmitting boundary and a paraxial boundary, which are then used to model the propagation of waves in semi-infinite elastic layered media. The formulation is carried out in the frequency domain while assuming plane strain conditions. It is known that a discrete model of this type, while providing excellent results for a wide range of physical parameters in the context of a half-space problem, may deteriorate rapidly at low frequencies of excitation. This is so because at low frequencies the various waves in the model eventually attain characteristic wavelengths which exceed the distance of the bottom boundary, which then causes that boundary to fail. Also, the paraxial boundaries themselves break down at very low frequencies. In this paper, this difficulty is overcome and the model׳s performance is improved upon dramatically by incorporating an artificial buffer layer sandwiched between the bottom of the soil medium and the underlying elastic half-space. Applications dealing with rigid foundations resting on homogenous or layered half-space media are shown to exhibit significant improvement. Following extensive simulations, clear guidelines are provided on the performance of the coupled model and an interpretation is given on the engineering significance of the findings. Finally, clear recommendations are provided for the practical use of the proposed modelling strategy.     

Elastic wave propagation in inhomogeneous anisotropic media

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｍｅｄｉａｉｎｅａｒｔｈａｒｅｑｕｉｔｅｃｏｍｐｌｅｘ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｅｖｅｒａｌｕｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｌａｉｎｓ．Ｎｏｒｍａｌｙ,ｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｒｅａｌｍｅｄｉｕｍｗｉｔｈｌａｙ...     

Acoustic wave propagation in saturated porous media: reformulation of the Biot/Squirt flow theory

A model of wave propagation in fluid-saturated porous media is developed where the principal fluid/solid interaction mode affecting the propagation of the acoustic wave results from the conjunction of the Biot and the Squirt flow mechanism. The difference between the original Biot/Squirt (BISQ) flow theory and the new theory, which we call the reformulated BISQ, is that the average fluid pressure term appearing in the dynamic equation for a two component solid/fluid continuum is independent of squirt flow length. P-velocity and attenuation relate to measurable rock physical parameters: the Biot's poroelastic constants, porosity, permeability, pore fluid compressibility and viscosity. Modelling shows that velocity and attenuation dispersion obtained using the reformulated BISQ theory are of the same order of magnitude as those obtained using the original BISQ theory. Investigation on permeability effect on velocity and attenuation dispersion indicate that the transition zone in velocity and attenuation peak, occurring both at the relaxation frequency, shifts toward high frequency when permeability decreases. This behaviour agrees with Biot's theory prediction.