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...     

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.     

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.     

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.     

三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式I：理论

孔隙介质弹性波传播理论在地球物理勘探、地震工程和岩土动力学等领域有着广泛的应用.而孔隙介质中的弹性波受孔隙度、渗透率、流体黏滞系数等参数的影响,因此研究波场的传播特征将有助于分析和提取这些信息.本文在Biot理论的基础上,针对三维层状孔隙介质模型,利用在合成理论地震图的研究中已经被证实具有稳定、高效且适用范围较广的Luco-Apsel-Chen（LAC）广义反透射方法,给出了弹性波场的一种积分形式的半解析解,可通过数值方法高效、准确地计算层状孔隙介质中的理论波场,所以该积分形式的半解析解可为三维层状孔隙介质波场传播特征的理论数值模拟研究提供一种新的途径和手段.     

含孔隙、裂隙致密介质中多极子声波的传播特征

非常规油气藏（如致密性地层及蕴藏油气的页岩地层）的重要特征是低孔、低渗,但裂隙或裂缝比较发育.为满足非常规勘探的需求,本文将孔、裂隙介质弹性波传播理论应用于多极子声波测井的井孔声场模拟,重点研究了致密介质中裂隙发育时多极子声波的传播机理以及衰减特征.井孔声场的数值计算结果表明裂隙的存在明显改变了弹性波和井孔模式波的频散、衰减和激发强度,尤其是井壁临界折射纵波的激发谱的峰值随着频率的增加逐渐降低,这与应用经典的Biot理论下的计算结果相反,且裂隙的存在也使得饱含水和饱含气时临界折射纵波激发强度的差异变大.井孔模式波的衰减与地层横波衰减和井壁流体交换有关,井壁开孔边界下致密地层裂隙发育还使得井孔斯通利波和艾里相附近的弯曲波对孔隙流体的敏感性增强,在井壁闭孔边界条件下引起井孔模式波衰减的主要因素是裂隙引起的地层横波衰减造成的,且在截止频率附近弯曲波的衰减与地层的横波衰减一致.数值计算结果为解释非常规油气地层的声学响应特征提供了参考.     

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.     

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.     

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.

     

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。     

横向非均匀介质中弹性地震波传播的数值模拟

应用混合变量弹性动力学方程和线性常微分方程组的矩阵指数解法，将层状介质中广泛应用的弹性波传播矩阵解法推广至横向非均匀介质，给出了一种可计算复杂地质体中弹性波传播的广义传播矩阵数值解法。该方法可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波，数值结果表明具有很高的计算精度。     

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.

     

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.     

含孔隙介质的分层半空间表面瑞利波的衰减特性

以分层半空间内部含有一层孔隙介质为物理模型进行数值计算,研究半空间表面瑞利波的传播和衰减特性.为更加接近实际,结合瑞利波的激发特性,确定了瑞利波的主衰减曲线,并主要以此进行规律分析.针对速度递增和含低速层这两种典型的地质模型,讨论了瑞利波的传播衰减在不同地质模型下的特性,并分析了各自的规律.结果表明,在这两种模型下瑞利波的主衰减曲线都受孔隙介质所处空间位置影响产生比较明显的变化,但衰减系数极大值对应的波长与模型的表层厚度存在较明显的线性对应关系,利用这一关系,可以在实际勘探中快速得到表层介质厚度.另外,通过对比分析还可以看到,瑞利波主衰减曲线随孔隙介质的孔隙度和渗透率的变化都强于主频散曲线的变化,表明衰减曲线对孔隙度和渗透率的变化更加敏感,理论上更加适合进行介质参数反演工作.综合对比结果,我们认为瑞利波主衰减曲线中包含了更丰富的介质参数信息,如果能够有效利用,将可以提高瑞利波勘探的准确性和应用范围.

     

地壳介质弹性、电性各向异性理论及对地震过程的联合解释

本文共分 1 0章 :第 1章为引论 ;第 2～ 6章为基础理论 ;第 7～ 1 0章为应用研究。主要研究内容可分为 5个方面。1 )第 1章引论部分综述了地壳介质各向异性现象和分类 ,从发展沿革、理论方法及成果、存在的问题等几个方面分别论述了地壳介质弹性各向异性和电性各向异性。在此基础上提出了本文的研究思路和主题 :将地震学中的S波分裂法与电法中的大地电磁测深法联合起来解释地震过程中的各向异性动态特征与发震应力场的关系。围绕这个主题设定了 2个核心 :一是建立地壳介质电性各向异性微观模型 ;二是基于 EDA(广泛扩容各向异性 )裂隙模型…     

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.     

三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式II：正确性检验和数值模拟实验

基于前一篇文章中得到的关于三维层状孔隙介质中弹性波场的积分形式半解析解,本文通过离散波数法开展了数值模拟.将全空间均匀孔隙介质中单力点源和爆炸点源作用下弹性波场的解析解和我们的数值模拟结果进行对比,发现两者是完全一致的.而在一个两层半空间模型下的数值模拟,验证了固相位移Green函数的9组空间互易性情况.通过以上两种对比检验,验证了半解析解理论公式、数值模拟方法以及相应程序代码的正确性和可靠性.随后利用敏感度分析研究了不同的介质参数变化对爆炸点源在界面上会产生的反射波场的影响.通过垂直地震剖面模型的数值模拟,发现弹性波场能很好地反映孔隙介质物理性质的变化,同时也讨论了动力协调这一孔隙介质中的特殊现象.我们发展的基于半解析解的数值模拟方法可以为三维层状孔隙介质中弹性波传播特征的研究提供一种可供选择的有效工具和手段.