Effect of image segmentation & voxel size on micro-CT computed effective transport & elastic properties

Digital rock technology is rapidly evolving interdisciplinary field with many promises, including fast turnaround times for core analysis, repeatable analysis, and multiphysics simulation. We study the impact of the image segmentation threshold and image voxel size on image-computed permeability, elastic moduli, and electrical conductivity. Improved quantitative understanding of such effects is critically important when comparing laboratory-measured rock properties with those computed on digital images of rocks. We analyze properties of over 500 binary microstructures (each of size 1024³ voxels) segmented using different segmentation algorithms. We find that uncertainty in computed rock properties, induced due to the choice of segmentation threshold, increases with coarsening of image voxels. Segmentation of the same rock, acquired with different voxels sizes, lead to small variations in porosity but induces relatively large variation in flow and electrical rock properties. This uncertainty is larger for rocks of lower porosity. We find that coarsening of image voxels also leads to rounding and smoothing of pore throats and a sharp decline in specific surface area which results in an increase in computed permeability. We propose simple models to remove the bias in rock properties when image-derived porosity is either overestimated or underestimated due to the choice of the segmentation threshold. This approach is particularly useful when comparing laboratory-measured rock properties to those derived from digital rocks since often the image calculated porosity and the laboratory-measured porosity are not the same. Even after such corrections, the impact of finite image voxel size would still need to be compensated.     

基于磁偶极子的频率域电磁系统几何误差分析

基于磁偶极子模型的频率域电磁法仪器在进行大地探测的过程中,由于收发线圈的安装误差、晃动以及材料的几何形变等因素影响,收发线圈的位置及姿态角发生变化,从而产生几何误差,而几何误差的定量分析对频率域电磁法仪器在制作、野外实验操作以及校正方面均具有很强的指导意义。本文根据误差来源的不同,将几何误差分为一次场误差和二次场误差两类;通过引入一次场张量矩阵和二次场张量矩阵,基于均匀大地模型正演得到9种线圈架构接收线圈接收到的一次场及二次场,并以微分的方式定量地分析了9种线圈架构收发线圈位置及姿态角变化引起几何误差的变化特征。对9种线圈架构的几何误差分析可知:在几何形变引入的一次场误差中,仅有PERyz、PERzy线圈架构不包含位置变化的一次项误差,仅有VCA、VCP及HCP线圈架构不包含姿态角变化的一次项误差;在几何形变引入的二次场误差中,PERzx、PERxz线圈架构最大,而VCA、VCP及HCP线圈架构受高度及收发距变化的影响很大,需要实时测量并进行校正,VCP线圈架构受收发距变化以及姿态角变化的影响最小。     

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性.     

利用加强水平方向总水平导数对位场全张量数据进行边界识别

位场全张量梯度数据以其信息量大、含有更高频的信号成分,能更好地描述小的异常特征等优点在地球物理领域中得到广泛应用.边界检测是位场解释中不可缺少的任务,需要新的边界探测器来处理位场梯度张量数据.为了充分利用位场梯度张量数据的多信息成分,本文定义了方向总水平导数和加强方向总水平导数,并利用其定义新的边界检测器.为了能同时显示不同振幅大小异常的边界,本文对其进行了归一化处理.通过模型试验,证明了归一化方法能更加清晰准确地显示浅部和深部的地质体边界信息.最后将该边界检测方法用于加拿大圣乔治湾实际测得全张量重力梯度数据和中国朱日和地区的磁异常数据中,并得到了较好的边界检测结果.     

Sensitivity of the elastic anisotropy and seismic reflection amplitude of the Eagle Ford Shale to the presence of kerogen

The Eagle Ford Shale of Central and South Texas is currently of great interest for oil and gas exploration and production. Laboratory studies show that the Eagle Ford Shale is anisotropic, with a correlation between anisotropy and total organic carbon. Organic materials are usually more compliant than other minerals present in organic‐rich shales, and their shapes and distribution are usually anisotropic. This makes organic materials an important source of anisotropy in organic‐rich shales. Neglecting shale anisotropy may lead to incorrect estimates of rock and fluid properties derived from inversion of amplitude versus offset seismic data. Organic materials have a significant effect on the PP and PS reflection amplitudes from the Austin Chalk/Upper Eagle Ford interface, the Upper Eagle Ford/Lower Eagle Ford interface, and the Lower Eagle Ford/Buda Limestone interface. The higher kerogen content of the Lower Eagle Ford compared with that of the Upper Eagle Ford leads to a negative PP reflection amplitude that dims with offset, whereas the PS reflection coefficient increases in magnitude with increasing offset. The PP and PS reflection coefficients at the Austin Chalk/Upper Eagle Ford interface, the Upper Eagle Ford/Lower Eagle Ford interface, and the Lower Eagle Ford/Buda Limestone interface all increase in magnitude with increasing volume fraction of kerogen.     

2014年秭归M_S4.5和M_S4.9地震震源与发震构造特征

2014年3月27日和30日湖北秭归县发生了三峡水库蓄水以来该地区最大的2次地震,文中通过多种方法分析了2次地震的震源与发震构造特征。采用Kiwi方法反演2次地震的矩张量解,该方法中使用了湖北和重庆测震台网14个宽频带波形记录和6层地壳速度结构模型,反演结果显示,2次地震观测谱和波形与理论谱和波形拟合得比较好,非拟合误差数0.57,表明反演结果是可靠的。2次地震均为走滑兼少量逆冲错动,但前一地震为左旋走滑,后一地震为右旋走滑,矩张量解中DC成分偏少而ISO成分多可能是库水对地下介质物性影响的反映。同时也使用三峡台网15个子台记录的波形资料,采用双差定位法重新精定位了从3月27日至4月27日时段内超过500次地震序列事件,结果显示余震序列分布方向为NNW向和NE向,但主要集中在NE向,并分别沿NNW和NE向作了深度剖面,剖面显示震源深度为4.5~10.0km,余震在深部呈现2个较明显的断面,与震源机制解NE向节面产状一致。野外现场宏观烈度调查指出,Ⅴ度极震区等震线为一椭圆,长轴NWW向,短轴NE向,结合野外现场考察结果和震源区地质构造背景,综合推断仙女山断裂北端的NE向破裂面为2次地震的发震断面,余震序列的NE和NNW向分布、剖面上发震层的形态和深度特征表明,这次地震活动受到了仙女山断裂和九畹溪断裂活动的控制与影响。     

裂隙岩体三维柔度张量的数值试验方法

在裂隙岩体二维柔度张量数值试验的基础上,建立了裂隙岩体三维柔度张量及其表征单元体积（REV）尺度研究的简化数值试验方法。首先根据岩体裂隙的统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在研究域内获得与实际岩体裂隙同分布的三维随机裂隙网络,提取位于不同方位的岩体试件,运用二维柔度张量的数值试验方法求出各个平面方向上的二维柔度张量,然后根据二维与三维柔度张量的拓扑关系,用数学方法求解裂隙岩体的三维柔度张量。对于含3组正交全贯通裂隙的岩体,通过数值试验获得的柔度张量与理论解相比,其主对角线上各参数的误差在5%以内,表明该数值试验方法较为可靠。最后将此方法运用到小湾水电站工程中,确定左岸坝区裂隙岩体的应力REV为11 m×11 m×11 m,并获得该区域裂隙岩体的三维柔度张量。     

起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法

间断Galerkin有限元法（DG-FEM）作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注.本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散,并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化,最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔（SSP Runge-Kutta）算法,将DG-FEM推广至时间任意高阶精度.另外,借鉴近最佳匹配层（NPML）的思想,基于复频移（CFS）拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件（简称为CFS-NPML）,该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合,形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术.数值试验结果表明,DG-FEM具有高阶精度,可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟.同时,CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果.     

基于相对质心震中的地震破裂方向性测定方法研究:以2008年云南盈江MS6.0地震为例

地震破裂方向性参数包含了断层几何形态、破裂长度等信息,对于地震灾害评估、孕震机理研究具有重要意义.但是基于点源近似的震源矩中心张量机制解(CMT)或断层面解(fault plane solution)只能给出两个节面,无法确定破裂断层面.本文提出一种基于质心与起始震中的差异确定发震断层的方法,该方法利用P波到时来测定主震与参考地震间相对起始震中,同时利用波形反演震源机制过程中的主震时移与参考地震时移之差测定相对质心震中,在假定单侧破裂的情形下,根据时移之差随方位角的变化推断破裂断层面.本文使用该方法研究了2008年云南盈江M_S6.0走滑型地震,发现其破裂方向与其他方法结果一致.由于该方法基于相对起始震中和质心震中,可有效削弱速度结构模型不准确以及地震绝对位置误差带来的影响,应可适用于其他类似类型6级左右地震的破裂方向性研究,但仍需进一步工作对其进行验证.     

多重孔岩石微分等效介质模型及其干燥情形下的解析近似式

经典的微分等效介质(DEM)理论可用于确定多孔介质的弹性性质,但由于缺乏多重孔DEM方程,其估计的多重孔岩石的等效弹性模量依赖于包裹体(即不同孔隙纵横比的孔或缝)的添加顺序.本文首先从Kuster-Toksöz理论出发建立了Zimmermann和Norris两种形式的多重孔DEM方程.Norris形式的多重孔DEM方程预测的等效弹性模量总是位于Hashin-Shtrikman上下限内,而Zimmermann形式的多重孔DEM方程有时会越界.然后,通过使用干燥岩石模量比的解析近似式,对两个相互耦合的Norris形式DEM方程进行解耦得到干燥多重孔岩石的体积和剪切模量解析式.用全DEM方程的数值解对解析近似式的有效性进行了测试,解析公式的计算结果在整个孔隙度分布区间与数值解吻合良好.对实验室测量数据在假设岩石含有双重孔隙的情形下用双重孔DEM解析公式对岩石的弹性模量进行了预测,结果表明,解析式准确地预测了弹性模量随孔隙度的变化.双重孔(即软、硬孔)DEM解析模型可用来反演各孔隙类型的孔隙体积比,它可以通过实验室测量与理论预测之间的平方误差最小反演得到.砂岩样品的反演结果揭示,软孔的孔隙体积百分比与粘土含量没有明显的相关性.