本文關(guān)鍵詞：非均勻孔隙地層的等效介質(zhì)模型與可滲透裂紋對縱波的散射　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 孔隙介質(zhì) 噴射流 橫波頻散 裂紋 滲透率

【摘要】：非均勻孔隙地層的等效介質(zhì)模型是力學(xué)和地球物理學(xué)研究的重要課題,在油氣勘探、二氧化碳封存、水資源開發(fā)和利用等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。地球物理學(xué)家常采用彈性波手段獲取地層信息,因此建立波動模型尤為重要。由于非均勻性,彈性波在地殼巖石傳播過程中會誘導(dǎo)孔隙流體的局部非定常流動。在勘探地震頻段(1-1000 Hz)和聲測井頻段(1-20 kHz),波動誘導(dǎo)的流體局部流動是體波速度頻散和衰減(逆品質(zhì)因子在0.01-0.1的數(shù)量級)的主要原因。本文分別考慮孔隙微結(jié)構(gòu)非均勻引起的噴射流和巖石組份非均勻引起的介觀擴散流對彈性波速度頻散和衰減的影響,建立了非均勻孔隙地層的等效介質(zhì)波動力學(xué)模型,取得如下成果:針對孔隙微結(jié)構(gòu)非均勻的巖石,采用夾雜方法研究了微裂隙噴射流導(dǎo)致的彈性波體波速度頻散和衰減。指出了孔隙尺度上的流體運輸對應(yīng)于孔隙的非彈性應(yīng)變,揭示了微觀噴射流與細觀力學(xué)本征應(yīng)變概念的關(guān)系。基于Hill體積平均原理,推導(dǎo)出了依賴于孔隙壓強的等效模量表達式,建立了孔隙尺度非均勻宏觀均勻孔隙介質(zhì)線彈性本夠關(guān)系。利用Eshelby夾雜理論對與孔隙微結(jié)構(gòu)有關(guān)的局部量進行估計,基于Mori-Tanaka近似方法和孔隙流體質(zhì)量守恒原理構(gòu)建了考慮噴射流效應(yīng)的等效粘彈性模型。利用前人反演得到裂隙縱橫比分布計算噴射流頻散后發(fā)現(xiàn):噴射流能在地震頻段產(chǎn)生觀測量級的衰減。本文模型有以下特點:(1)低頻極限符合Gassmann公式;(2)孔隙流體質(zhì)量守恒;(3)不需要對剪切模量頻散單獨處理;(4)沒有假設(shè)硬孔隙度遠大于裂隙孔隙度,對于硬孔隙度為零的極端情況本文模型仍然適用;(5)推廣到同時考慮宏觀滲流和噴射流的情況十分容易。前人有關(guān)介觀流的研究主要集中在求解非均勻孔隙介質(zhì)的等效體積模量,而剪切問題很少研究。已有實驗表明:介觀流引起的橫波速度頻散和衰減與縱波的同數(shù)量級,不可忽略。本文還研究了含球形夾雜孔隙介質(zhì)的橫波頻散問題。基于Biot準(zhǔn)靜態(tài)方程求解了剪切力作用下含球形夾雜孔隙介質(zhì)中的彈性場分布,推導(dǎo)出了含球形夾雜孔隙介質(zhì)等效剪切模量的解析表達式,所得公式適用于橫波波長大于非均勻特征尺寸的情況。推導(dǎo)的等效剪切模量與介質(zhì)的彈性模量、滲透率、流體粘性以及夾雜尺寸等參數(shù)有關(guān)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體分區(qū)飽和時(基體和夾雜的固體骨架性質(zhì)相同,但飽和的流體性質(zhì)不同),等效剪切模量不頻散,這證實了White 1975年的猜測。當(dāng)固相非均勻時,等效剪切模量頻散。對于軟基體硬夾雜的情況,球形夾雜模型能夠在地震頻預(yù)測0.01-0.1量級的橫波衰減,這對理解土壤、固結(jié)不好巖石中的彈性波動特性具有意義。對于硬基體軟夾雜的情況,球形夾雜模型預(yù)測橫波衰減小于觀測量級。因此,對于固結(jié)良好巖石,球形夾雜模型只能作為試探性的結(jié)構(gòu)進行研究。當(dāng)流體和固相同時非均勻時,孔隙流體也會影響橫波頻散。當(dāng)孔隙含有氣體時,橫波頻散可以忽略,這不同于體積模量的頻散規(guī)律;當(dāng)流體粘性增加時,橫波頻散的特征頻率向低頻移動。以上結(jié)果為利用彈性波頻散性質(zhì)進行油氣識別提供了理論依據(jù)。在一定的尺度上,孔隙地層的非均勻性常具有隨機分布特點。本文還研究了無限大隨機非均勻孔隙介質(zhì)中的波傳播問題�；贐iot孔隙彈性波動理論,考慮非均勻孔隙介質(zhì)中介觀流動對散射的影響,采用一階統(tǒng)計平滑近似方法建立了隨機非均勻孔隙介質(zhì)的等效介質(zhì)模型。分析發(fā)現(xiàn)隨機非均勻孔隙介質(zhì)的等效介質(zhì)參數(shù)是波數(shù)的函數(shù),因此構(gòu)建具有Biot理論形式的等效介質(zhì)模型是不可行的。考慮彈性波模式,構(gòu)建了等效粘彈性模型;考慮擴散波模式,構(gòu)建了等效滲透率模型。計算表明:彈性模量較低地層中的橫波衰減強于彈性模量較高的地層,這與前文球形夾雜問題中給出的結(jié)果類似。本文模型還預(yù)測隨機非均勻孔隙介質(zhì)中存在兩種擴散模式:高滲模式和低滲模式。這兩種擴散模式中的等效滲透率都隨頻率增加而增加。在低頻時,擴散模式以高滲模式為主,低滲模式可以忽略;在高頻時,低滲模式變得和高滲模式同等重要。彈性波模式中的滲透率在低頻極限時與高滲模式的相同,這為利用彈性波反演滲透率提供了理論基礎(chǔ)。隨著頻率升高至慢縱波波長小于非均勻體特征尺寸時,高滲擴散模式中的等效滲透率頻散明顯強于彈性波模式中的等效滲透率頻散,因此較高頻率下利用彈性波反演地層滲透率存在低估風(fēng)險。天然地震發(fā)生后伴隨一定規(guī)模的余震,波動條件下分析裂紋的力學(xué)響應(yīng)對理解主震激發(fā)的彈性波能否引起余震具有重要意義。地震發(fā)生后,縱波最早到達所要考察的區(qū)域,引起應(yīng)力和孔壓變化。本文研究了孔隙地層中平面簡諧縱波斜入射裂紋引起的散射問題,推導(dǎo)出了應(yīng)力強度因子和散射能量的表達式。前人研究過干燥閉孔裂紋對波的散射,結(jié)果顯示應(yīng)力強度因子隨頻率變化規(guī)律與彈性介質(zhì)中真空裂紋的沒有多大差異。地下裂紋往往含有水或其它液體,本文研究的充液開孔裂紋更符合實際地質(zhì)情況。分析發(fā)現(xiàn)模式Ⅰ應(yīng)力強度因子隨頻率變化規(guī)律主要受裂紋面上的滲流效應(yīng)影響。在低頻極限時,滲流位移最大,應(yīng)力強度因子最大;隨著頻率升高,滲流位移減小,應(yīng)力強度因子隨之減小。應(yīng)力強度因子頻散的特征頻率與裂紋尺寸有關(guān),當(dāng)裂紋半徑與慢縱波波長同數(shù)量級時,應(yīng)力強度因子隨頻率升高而降低最快。還發(fā)現(xiàn):散射能量譜在過渡頻率(裂紋半徑尺寸與慢縱波的波長相等時對應(yīng)的頻率)的兩側(cè)展現(xiàn)出不同的漸進特征。
[Abstract]:In this paper , it is important to use elastic wave to estimate the velocity dispersion and attenuation of pore fluid . In this paper , the equivalent medium model of random non - uniform pore medium is established by means of the elastic wave mode . The results show that the equivalent medium parameter of the random non - uniform pore medium is higher than that in the elastic wave mode . The results show that the equivalent medium parameter of the random non - uniform pore medium is higher than that in the elastic wave mode .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O346.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 唐曉明;;含孔隙、裂隙介質(zhì)彈性波動的統(tǒng)一理論——Biot理論的推廣[J];中國科學(xué):地球科學(xué);2011年06期

2 聶建新,楊頂輝,楊慧珠;基于非飽和多孔隙介質(zhì)BISQ模型的儲層參數(shù)反演[J];地球物理學(xué)報;2004年06期

3 崔志文,王克協(xié),曹正良,胡恒山;多孔介質(zhì)BISQ模型中的慢縱波[J];物理學(xué)報;2004年09期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 高永新;地震電磁場—基于動電效應(yīng)的波場模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

2 關(guān)威;孔隙介質(zhì)彈性波—電磁場耦合效應(yīng)測井的波場模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

，

本文編號：1374085