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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... 相似文献
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波场在含流体的孔隙介质中传播时会产生频散和衰减现象.波场的频散和衰减与孔隙介质的岩石物理属性有关,包括孔隙度、渗透率、流体属性等.现有的三维裂缝/软孔隙网络模型利用椭圆截面纵横比的变化模拟从扁裂缝、软孔隙到硬孔隙的多种情况,而未考虑同时包含孔隙和裂缝的全局性网络空间.为了更好地描述裂缝-孔隙空间,本文提出同时包含裂缝和孔隙的三维裂缝-孔隙网络模型,并给出渗透率的计算方法.通过体积平均法推导了三维裂缝/软孔隙网络模型和三维裂缝-孔隙网络模型的波动方程,利用平面波分析方法得到纵波频散/衰减曲线的表达式,同时应用数值模拟研究了总孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝纵横比、裂缝数密度、孔隙流体黏度对纵波衰减和速度频散特征的影响.结果表明,在三维裂缝-孔隙网络模型下,总孔隙度、裂缝参数等对纵波频散衰减特征的影响与三维裂缝/软孔隙网络模型相似.具体表现为:纵波在高频段内出现频散和衰减现象.孔隙度的变化主要影响逆品质因子曲线峰值的大小;裂缝数密度主要控制速度显著变化的范围;裂缝纵横比对纵波速度和特征频率有显著影响. 相似文献
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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. 相似文献
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孔隙尺度的喷射流流动是引起地震波速度频散和衰减的重要机制之一.目前,大多数喷射流模型仅考虑硬孔隙与微裂隙之间的局部流动,而忽略了具有不同孔隙纵横比微裂隙间的喷射流作用.为了研究各种类型孔隙间的流体流动效应,本文对经典喷射流模型进行了扩展,通过结合等效介质理论和孔隙结构模型,根据从干燥岩石超声速度-压力曲线中提取的微裂隙孔隙纵横比分布,求取出岩石中各种微裂隙的体积压缩系数,并在此基础上,利用孔隙空间的压力松弛效应对微裂隙间的喷射流效应进行了模拟,并运用Biot理论描述了硬孔隙间的宏观流动效应.扩展后的理论模型不仅考虑了微裂隙与硬孔隙间的局部流动、硬孔隙与硬孔隙间的Biot宏观流,还加入了微裂隙与微裂隙间的喷射流作用,且模型的高、低频极限始终与Mavko-Jizba理论和Gassmann方程保持一致.模型应用分析发现,对于砂岩和大部分致密灰岩样品,扩展模型均能给出与超声实验测量数据吻合良好的估计结果.此外,扩展模型预测的速度频散及衰减表明,喷射流机制在地震和测井频段发挥着重要作用,其速度频散曲线由低频至高频呈逐渐增大趋势,不具有明显的快速变化特征,与经典频散曲线形态存在显著差异;在低有效压力下,频散和衰减程度较大,喷射流机制发挥主要作用,而随着有效压力的增加,Biot宏观流机制开始占主导,频散和衰减程度逐渐减小. 相似文献
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为研究裂缝、裂隙介质中波致流引起的衰减,将裂缝看作背景孔隙岩石中非常薄且孔隙度非常高的层状介质,并等价成White周期层状模型.分别考虑不同类型的裂隙和孔隙之间的挤喷流影响,结合改进的Biot方程,推导得到裂缝裂隙介质的刚度与频率的关系.当缝隙中饱含流体时,介质的衰减和速度频散受裂缝、孔隙之间和裂隙、孔隙之间流体流动的显著影响.在低频极限下,裂缝裂隙介质的性质由各向异性Gassmann理论和挤喷流模型获得;而在非常高的频率时,由于缝隙中的压力来不及达到平衡,波致流的影响可忽略.分析表明,裂隙密度主要影响波的衰减,而裂隙纵横比主要控制优势衰减频率和速度显著变化的频率范围;由于不同裂隙的衰减机制不同,衰减和速度频散大小有所差异,但基本趋势相同. 相似文献
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介观尺度孔隙流体流动是地震频段岩石表现出较强速度频散与衰减的主要作用.利用周期性层状孔隙介质模型,基于准静态孔弹性理论给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设. 在此基础上对准静态与全频段下模型介质中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度变化形式及其对弹性波传播特征的影响进行了讨论,为更有效理解介观尺度下流体流动耗散和频散机制提供物理依据.研究结果表明,低频条件下快纵波孔压在介质层内近于定值,慢纵波通过流体扩散改变总孔隙压力, 随频率的增加慢波所形成的流体扩散作用逐渐减弱致使介质中总孔压逐渐接近于快纵波孔压,在较高频率下孔压与应力的二次耦合作用使总孔压超过快纵波孔压.介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,其纵波速度-含水饱和度变化形式也从符合孔隙流体均匀分布模式过渡到斑块分布模式,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性. 相似文献
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本文基于White周期层状模型,将传统两相流体（气,水）模型扩展至三相流体（油、气、水）周期层状模型,在Biot理论框架下将其延伸至高频,研究介观尺度地震频带下纵波在三相Patchy模型中的传播规律.应用孔隙介质弹性波波动方程解耦方法,结合等效边界条件,得到Biot1956年理论框架下的纵波速度频散与衰减的解析解.利用频率域有限差分方法,将Biot1941年、1956年理论方程中的微分算子离散化,正演得到纵波速度频散与衰减的数值解,结合由Biot-Gassmann-Hill公式和Biot-Gassmann-Wood公式计算得到的纵波速度上下限,证明了三相流体模型解析解的正确性.随后,研究了三种流体排列顺序对于纵波速度频散和衰减的影响.从受力分析角度来看,油层抵消部分水流对气层的力,使其受力减小,反之水流促进油流入气层,气层受到叠加力,因此改变流体顺序后气层受力情况不同,造成纵波频散和衰减结果有所差异.最后研究了含气饱和度变化对于纵波速度频散和衰减影响. 相似文献
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本文用孔隙介质力学的方法来研究纵波在介观周期成层Patchy模型的传播问题.相对于White方法,该方法少了不同介质分界面处的流体压力不等的假设,推导过程更为严密;和Dutta的双相方程解耦方法比较,文中方法直接求解双相方程,形式上更为直观.当纵波通过周期成层孔隙模型时,在低频段用孔隙弹性力学得到纵波频散和衰减结果与用White公式得到的结果符合得很好;周期成层的Patchy孔隙模型由于其空间排列的周期性使其成为孔隙弹性声子晶体,在其频散和衰减曲线上的高频段会出现多个禁带和通带,这使得速度不会随频率单调递增,衰减峰也不只一个.对于地震频段,随着渗透率降低模型的衰减峰向低频移动,这和实际观测结果一致,和传统Biot理论预测结果正相反;随着含气量上升纵波衰减峰值先上升后下降,其最大值出现在含气量0.1左右,这和相关实验结果一致.研究结果表明该模型可以定性解释观测到的地震衰减结果. 相似文献
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含孔隙、裂隙介质弹性波动的统一理论——Biot理论的推广 总被引：3，自引：0，他引：3
唐晓明 《中国科学:地球科学》2011,(6):784-795
地球表层的岩石介质往往是即含孔隙又含裂隙,这种现象对弹性波传播产生重要影响．本文在Biot孔隙介质的波动理论基础上,利用该理论中介质在排水（干燥）条件下的弹性模量引入裂隙对弹性性质的影响,并对裂隙在弹性波动作用下的“挤喷流”（squirt flow）效应进行了具体分析,导出了一个描述孔隙、裂隙并存时的弹性波统一理论．该理论既能描述裂隙对介质弹性的影响,又能模拟挤喷效应导致的弹性波衰减和频散,并且指出,这种挤喷效应是由裂隙介质的两个最重要的参数,裂隙密度和纵横比所控制．这一统一理论的另一重要特性是该理论保持了Biot理论的基本特征,即慢速纵波的传播特征及孔隙渗透率的影响．模拟计算结果及与实际数据的对比表明,这一孔隙、裂隙弹性波动的统一理论能较好地描述实际岩石介质中弹性波的传播,从而在地球介质中地震和声波测量中比Biot理论有着更为广泛的应用前景． 相似文献
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孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型 总被引：1，自引：0，他引：1
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. 相似文献
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在油、气储层的勘探和开发中观察到的一个现象是储层岩石中普遍存在孔隙和裂隙.随着近年来孔、裂隙介质弹性波动理论的进展,我们可以将此理论应用于测井技术,以此来指导从声波测井中测量孔、裂隙地层的声学参数.本文计算了孔、裂隙地层里充流体井眼中的多极子声场,分析了声场随裂隙介质的两个主要参数(即裂隙密度和裂隙纵横比)的变化特征.井孔声场的数值计算表明裂隙密度可以大幅度地降低井中声波纵、横波的波速和振幅.随着裂隙密度的增加,在测井频段内也可以看到纵、横波速的频散现象(这种频散在孔隙地层中一般是观察不到的).本文还研究了多极子模式波 (即单极的Stoneley波、伪瑞利波以及偶极的弯曲波)随裂隙参数的变化特征.结果表明,这些模式波的振幅激发和速度频散都受裂隙密度的影响.裂隙密度越高影响越大.此外,裂隙还对模式波的传播造成较大的衰减.相对裂隙密度而言,裂隙纵横比是一个频率控制参数,它控制裂隙对声场影响的频率区间.本文的分析结果对裂缝、孔隙型地层的声波测井具有指导意义. 相似文献
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储层岩石中普遍存在孔隙与裂隙,对钻井中的测井声波产生重要影响.基于孔、裂隙介质弹性波理论,导出了随钻声波测井的井孔声场表达式.据此考察了地层裂隙密度与含气饱和度的变化时井孔内随钻多极子模式波（斯通利波、弯曲波和螺旋波）的速度、衰减与灵敏度以及地层纵、横波的响应特征.裂隙密度与含气饱和度对模式波的速度频散与衰减都有影响,且两参数的值越大,影响越大.具体来说,速度对裂隙密度更敏感,而衰减对含气饱和度更敏感.具有"艾里相"特征的随钻偶极和四极子波在地层含气时产生强烈衰减,可以作为判断地层含气的一个明显指示.理论模拟与实际测井数据分析结果符合较好. 相似文献
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地质成因和构造/热应力导致地壳岩石中的孔隙结构（裂隙和粒间孔）的变化.影响岩石黏弹性的因素包括压力、孔隙度、孔隙中包含的流体和孔隙几何形状等.相对于岩石中的硬孔隙,岩石黏弹性（衰减和频散）受软孔隙（裂隙）的影响更大.本文选取三块白云岩样本,进行了不同围压和流体条件下的超声波实验测量.利用CPEM（Cracks and Pores Effective Medium,裂隙和孔隙有效介质）模型获得了岩石高、低频极限的弹性模量,并通过Zener体（标准线性体）模型将CPEM模型拓展到全频带而得到CPEM-Zener模型,用该模型拟合岩石松弛和非松弛状态下的实验数据,本文得到平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度以及纵波速度和品质因子随频率的变化关系.结果表明,饱水岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度均高于饱油岩石,随着压差（围压和孔隙压力的差值）的增加,饱油岩石中的裂隙首先闭合.并且压差在70 MPa以内时,随着压差增大,岩石的平均裂隙纵横比和裂隙孔隙度在饱水和饱油时的差值增大,此时流体类型对于岩石裂隙的影响越来越显著,此外,对饱水岩石,平均裂隙纵横比随压差增加而增大,这可能是由于岩石中纵横比较小的裂隙会随压差增大而逐渐趋于闭合.在饱水和饱油岩石中,裂隙孔隙度和裂隙密度都随着压差增加而减小.通过对裂隙密度和压差的关系进行指数拟合,本文获得压差趋于0时的裂隙密度,且裂隙密度随孔隙度增大而增大,增大速率随压差增加而降低.针对饱水和饱油的白云岩样本,CPEM-Zener模型预测的纵波频散随压差增大而减小,此变化趋势和实验测得的逆品质因子随压差的变化关系基本一致,由此进一步验证了模型的实用性.本研究对岩石的孔隙结构和黏弹性分析以及声波测井、地震勘探的现场应用有指导意义. 相似文献
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Wave‐induced fluid flow plays an important role in affecting the seismic dispersion and attenuation of fractured porous rocks. While numerous theoretical models have been proposed for the seismic dispersion and attenuation in fractured porous rocks, most of them neglect the wave‐induced fluid flow resulting from the background anisotropy (e.g. the interlayer fluid flow between different layers) that can be normal in real reservoirs. Here, according to the theories of poroelasticity, we present an approach to study the frequency‐dependent seismic properties of more realistic and complicated rocks, i.e. horizontally and periodically layered porous rock with horizontal and randomly orienting fractures, respectively, distributed in one of the two periodical layers. The approach accounts for the dual effects of the wave‐induced fluid flow between the fractures and the background pores and between different layers (the interlayer fluid flow). Because C33 (i.e., the modulus of the normally incident P‐wave) is directly related to the P‐wave velocity widely measured in the seismic exploration, and its comprehensive dispersion and attenuation are found to be most significant, we study mainly the effects of fracture properties and the stiffness contrast between the different layers on the seismic dispersion and attenuation of C33. The results show that the increasing stiffness contrast enhances the interlayer fluid flow of the layered porous rocks with both horizontal and randomly orienting fractures and weakens the wave‐induced fluid flow between the fractures and the background pores, especially for the layered porous rock with horizontal fractures. The modelling results also demonstrate that for the considered rock construction, the increasing fracture density reduces the interlayer fluid flow while improves the dispersion and attenuation in the fracture‐relevant frequency band. Increasing fracture aspect ratio is found to reduce the dispersion and attenuation in the fracture‐relevant frequency band only, especially for the layered porous rock with horizontal fractures. 相似文献
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Propagation through stress-aligned fluid-filled cracks and other inclusions have been claimed to be the cause of azimuthal anisotropy observed in the crust and upper mantle.This paper examines the behavior of seismic waves attenuation caused by the internal structure of rock mass,and in particular,the internal geometry of the distribution of fluid-filled openings Systematic research on the effect of crack parameters,such as crack density,crack aspect ratio(the ratio of crack thickness to crack diameter),pore fluid properties(particularly pore fluid velocity),VP/VS ratio of the matrix material and seismic wave frequency on attenuation anisotropy has been conducted based on Hudson’s crack theory.The result shows that the crack density,aspect ratio,material filler,seismic wave frequency,and P-wave and shear wave velocity in the background of rock mass,and especially frequency has great effect on attenuation curves.Numerical research can help us know the effect of crack parameters and is a good supplement for laboratory modeling.However,attenuation is less well understood because of the great sensitivity of attenuation to details of the internal geometry.Some small changes in the characteristics of pore fluid viscosity,pore fluids containing gas and liquid phases and pore fluids containing clay can each alter attenuation coefficients by orders of magnitude.Some parameters controlling attenuation are therefore necessary to make reasonable estimations,and anisotropic attenuation is worth studying further. 相似文献
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本文首先由Christoffel方程推导出黏弹性EDA介质中均匀、 非均匀P波、 SV波和SH波的相速度表达式, 然后参照极端各向异性介质的相关计算方法, 推导出EDA介质中均匀、 非均匀地震波相衰减系数和群衰减系数的表达式, 并通过数值计算分析了相速度、 相衰减系数、 群衰减系数与裂隙方位的关系. 结果表明: 均匀介质中SH波的相速度和相衰减系数均可指示裂隙的走向; 非均匀介质中SH波相衰减系数随非均匀角的增大而增大, 且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加; 由于地震波振幅的衰减随岩石物理性质的变化比地震波速度的变化更为灵敏, 而且携带了更多的岩石物理性质信息, 因此可用来探明裂隙走向、 密度及含水特性, 进而应用于预测、 预防地下工程地质灾害事故. 相似文献
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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. 相似文献
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Quantifying Damage, Saturation and Anisotropy in Cracked Rocks by Inverting Elastic Wave Velocities 总被引：1，自引：0，他引：1
Alexandre Schubnel Philip M. Benson Ben D. Thompson Jim F. Hazzard R. Paul Young 《Pure and Applied Geophysics》2006,163(5-6):947-973
Crack damage results in a decrease of elastic wave velocities and in the development of anisotropy. Using non-interactive
crack effective medium theory as a fundamental tool, we calculate dry and wet elastic properties of cracked rocks in terms
of a crack density tensor, average crack aspect ratio and mean crack fabric orientation from the solid grains and fluid elastic
properties. Using this same tool, we show that both the anisotropy and shear-wave splitting of elastic waves can be derived.
Two simple crack distributions are considered for which the predicted anisotropy depends strongly on the saturation, reaching
up to 60% in the dry case. Comparison with experimental data on two granites, a basalt and a marble, shows that the range
of validity of the non-interactive effective medium theory model extends to a total crack density of approximately 0.5, considering
symmetries up to orthorhombic. In the isotropic case, Kachanov's (1994) non-interactive effective medium model was used in
order to invert elastic wave velocities and infer both crack density and aspect ratio evolutions. Inversions are stable and
give coherent results in terms of crack density and aperture evolution. Crack density variations can be interpreted in terms
of crack growth and/or changes of the crack surface contact areas as cracks are being closed or opened respectively. More
importantly, the recovered evolution of aspect ratio shows an exponentially decreasing aspect ratio (and therefore aperture)
with pressure, which has broader geophysical implications, in particular on fluid flow. The recovered evolution of aspect
ratio is also consistent with current mechanical theories of crack closure. In the anisotropic cases—both transverse isotropic
and orthorhombic symmetries were considered—anisotropy and saturation patterns were well reproduced by the modelling, and
mean crack fabric orientations we recovered are consistent with in situ geophysical imaging.
Our results point out that: (1) It is possible to predict damage, anisotropy and saturation in terms of a crack density tensor
and mean crack aspect ratio and orientation; (2) using well constrained wave velocity data, it is possible to extrapolate
the contemporaneous evolution of crack density, anisotropy and saturation using wave velocity inversion as a tool; 3) using
such an inversion tool opens the door in linking elastic properties, variations to permeability. 相似文献