Generalized anisotropy parameters and approximations of attenuations and velocities in viscoelastic media of arbitrary anisotropy type – theoretical and experimental aspects*

Seismic anisotropy in geological media is now widely accepted. Parametrizations and explicit approximations for the velocities in such media, considered as purely elastic and moderately anisotropic, are now standards and have even been extended to arbitrary types of anisotropy. In the case of attenuating media, some authors have also recently published different parametrizations and velocity and attenuation approximations in viscoelastic anisotropic media of particular symmetry type (e.g., transversely isotropic or orthorhombic). This paper extends such work to media of arbitrary anisotropy type, that is to say to triclinic media. In the case of homogeneous waves and using the so‐called ‘correspondence principle’, it is shown that the viscoelastic equations (for the phase velocities, phase slownesses, moduli, wavenumbers, etc.) are formally identical to the corresponding purely elastic equations available in the literature provided that all the corresponding quantities are complex (except the unit vector in the propagation direction that remains real). In contrast to previous work, the new parametrization uses complex anisotropy parameters and constitutes a simple extension to viscoelastic media of previous work dealing with non‐attenuating elastic media of arbitrary anisotropy type. We make the link between these new complex anisotropy parameters and measurable parameters, as well as with previously published anisotropy parameters, demonstrating the usefulness of the new parametrization. We compute the explicit complete directional dependence of the exact and of the approximate (first and higher‐order perturbation) complex phase velocities of the three body waves (qP, qS1 and qS2). The exact equations are successfully compared with the ultrasonic phase velocities and phase attenuations of the three body waves measured in a strongly attenuating water‐saturated sample of Vosges sandstone exhibiting moderate velocity anisotropy but very strong attenuation anisotropy. The approximate formulas are checked on experimental data. Compared to the exact solutions, the errors observed on the first‐order approximate velocities are small (<1%) for qP‐waves and moderate (<10%) for qS‐waves. The corresponding errors on the quality factor Q are moderate (<6%) for qP‐waves but critically large (up to 160%) for the qS‐waves. The use of higher‐order approximations substantially improves the accuracy, for instance typical maximum relative errors do not exceed 0.06% on all the velocities and 0.6% on all the quality factors Q, for third‐order approximations. All the results obtained on other rock samples confirm the results obtained on this rock. The simplicity of the derivations and the generality of the results are striking and particularly convenient for practical applications.     

非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究

压实膨胀黏土常用于防止填埋场中固体废物产生二次污染,或作为核废料处置库通道隔绝层,这主要取决于压实膨胀黏土衬垫层或隔离层的防渗特性,而这种压实膨胀黏土层通常又呈现出非饱和特性。基于GDS非饱和土三轴试验系统,开发拓展其试验功能,研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法,同时结合电镜扫描试验,从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。结果表明,压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果;压实膨胀黏土水渗透系数受吸力、围压、干密度、饱和度等因素控制。     

裂隙岩体高压压水试验水-岩耦合过程数值模拟

为了解高压水渗流作用对裂隙岩体应力和变形的影响,结合黑麋峰抽水蓄能电站岩体高压压水试验的渗压及变形测试成果,采用多孔连续介质全耦合理论,研究了试验区岩体测点在压水孔加压和卸压过程中的孔隙压力和位移变化过程。通过对测点位移和渗压随时间变化过程的计算值和实测值对比研究,验证了所采用的水-岩耦合数值模型的合理性。研究表明：在压水孔内的水压力和岩体孔隙压力的共同作用下,岩体内的应力大幅度增加;压水过程中,岩体因渗流作用产生了较大的位移,停止压水后的一段时间内,由于岩体中还存在一定的孔隙水压力和水压力梯度,从而导致岩体内仍存在部分变形值,且该部分变形值并非是压水孔卸载后岩体内的塑性残余变形;高压水渗流作用下的岩体耦合效应对工程应力和围岩变形有重大影响,考虑水-岩耦合效应的岩体稳定性评价结果对工程设计更具指导意义     

小尺度原位瞬态压力脉冲渗透性测试系统及试验研究

基于原位瞬态压力脉冲法原理及求解方法,研发了由数据采集控制系统、脉冲压力施加系统、测杆系统3部分组成的小尺度原位瞬态压力脉冲渗透性测试系统（已获国家发明专利[1]）。该系统结构简单、易于控制、使用方便,可用于快速原位测量核废料地下处置、能源地下储存和深埋等地下工程中低渗透围岩的渗透率以及测试空间狭窄和岩体扰动要求严格的其他工程岩体渗透率。利用该系统实施了原位瞬态压力脉冲渗透率测量试验,试验结果验证了该系统的适用性、稳定性和准确性。     

温度、三轴应力条件下砂岩渗透率阶段特征分析

利用20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机进行了长石细砂岩的渗透率试验,研究了恒定三轴压力和常温至600℃条件下砂岩渗透率变化特征。试验表明,随着温度增加,长石细砂岩渗透率变化规律表现为5阶段特征：①低温段,随温度升高渗透率略有下降;②阈值温度前段,达到阈值温度后,渗透率急剧增大,产生一个突跃,增加了65倍;③阈值温度后段,随着温度的继续升高,渗透率出现下降;④稳定段,渗透率达到谷值后不再下降,并稳定在一个较高水平,是室温渗透率的8倍;⑤高温段,渗透率重新增大。通过对长石细砂岩的细观结构变化及声发射事件（AE events）计数率分析后认为：渗透率的阶段性变化规律主要与内部矿物颗粒之间及其内部因局部热应力集中而诱发产生的微裂缝的开闭有关;高温条件下的长石细砂岩渗透率二次剧烈变化则主要与砂岩中部分矿物晶体颗粒成分在高温环境下的熔融、重结晶等现象有关。     

膨润土改性黄土衬里防渗性能室内测试与预测

试验测定了膨润土改性黄土试样的渗透系数,研究膨润土改性黄土用作废弃物填埋场衬里的可行性,为天然黏土匮乏地区防渗材料本土化提供依据。选取两种代表性黄土,即黏性较大的兰州黄土(LH)和砂性较大的榆林黄土(YH),分别向其中添加不同比例的两种膨润土后击实成样,利用柔性壁渗透仪测定改性黄土的渗透系数,分析了改性黄土渗透系数随膨润土添加率增大的变化规律,确定了满足衬里防渗要求的膨润土添加率。利用扫描电镜照片统计了改性黄土的孔隙特征参数,发现添加膨润土后黄土中原有的大孔隙被充填或分隔成更多的中、小孔隙,有效阻滞了渗流液体通过,从微观结构的角度揭示了改性黄土渗透性降低的实质。依据实测数据建立了膨润土改性黄土的渗透回归模型,据此可以预测不同添加量的膨润土改性黄土的渗透系数。     

某石油储备库吕荣压水试验与水力摩阻

在某石油储备库吕荣压水试验中,通过现场试验测量了测试管路的摩阻,并对测段的渗透吕荣值进行了校准。分析认为所测试的地下工程岩体渗透性总体不强,尤其是50m往下的中深部岩体,其透水吕荣值一般小于0.2Lu。试验中不剔除摩阻直接计算获得的吕荣值都略偏小(减小幅度在1.21%～10.48%),一定程度上"美化"了岩石的低渗性能。此外发现摩阻剔除在高吕荣值岩体渗透性能评估中尤为重要,对低渗透岩体影响程度要相对小些。     

水库蓄水引发的地下水位抬升和渗控措施研究

针对广阳水库蓄水后地下水抬升引起的周边土体由自然非饱和状到饱和状态这一变化过程,基于壤土、砂壤土的室内土水特征曲线试验结果,采用非饱和非稳定渗流有限单元法系统地分析了这一变化过程对库区周边工程地质条件的影响,论证了截渗沟对库区堤外防渗和渗控的有效性。利用WF非饱和应力路径三轴仪进行的壤土、砂壤土的土水特征曲线试验结果表明两种土体的土水特征曲线差别较大,基质吸力随含水量的变化呈现不一致性。非饱和非稳定渗流有限单元法计算分析结果表明截渗沟避免了坝后土层内浸润线大幅度提高,同时也避免了浸润线上部非饱和土体的含水量的大幅度增加,这可以减小次生盐碱化和浸没等问题的影响。     

基于双相介质理论的储层参数反演方法

传统基于单相介质理论的储层参数反演方法将孔隙流体与固体骨架等效为单一固体,弱化了孔隙流体的影响,反演结果精度不高.本文提出根据双相介质理论反演储层参数的方法.首先,在前人研究的基础上,利用岩石物理模型建立弹性参数与孔隙度、饱和度、泥质含量等储层参数间的关系,进而将双相介质反射系数推导为储层参数的函数;其次,根据贝叶斯反演理论,在高斯噪声假设的基础上,采用更加符合实际情况的修正柯西分布函数描述反射系数的稀疏性,推导出储层物性参数目标反演函数;最后,应用差分进化非线性全局寻优算法来求解目标反演函数,使得反演结果与实际资料间误差最小.新方法旨在突出流体对介质反射系数的影响,以期得到较高的储层参数反演精度.模型与实际资料测试均表明该方法可行、有效且反演精度较高.     

裂缝型储层流体识别方法

裂缝型储层的描述包括预测裂缝分布特征和识别裂隙充填物.依据等效介质理论计算的纵波速度随裂缝密度的增大而减小.正演地震记录显示,裂缝介质含气时反射振幅最大,且变化程度比含油或含水时大.叠前方位AVO反演所得的各向异性梯度Bani与裂缝密度成正比,可用于描述有效裂缝发育强度.对于不同的裂缝密度,各向异性梯度Bani与各向同性梯度Biso的比值I(1)fluid近似为常数,且对流体敏感.经裂缝纵横比和背景介质拉梅常数修正后,流体因子Ifluid既不随纵横比变化,又不受背景介质的影响,是裂缝型储层敏感的流体识别因子.在塔里木盆地塔北哈拉哈塘地区热瓦普区块碳酸盐岩储层裂缝发育区域,运用该参数在井点处的流体识别效果与钻井结果一致.