利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响

本文基于三维孔隙弹性理论,建立了紫坪铺水库及周边地区的有限元模型.根据紫坪铺水库开始蓄水到汶川地震发震时刻的水位变化情况,计算了整个区域的孔隙压力和库仑应力.详细讨论了断层及周围地层的弹性模量和扩散系数对计算结果的影响.计算结果表明:从弹性角度看,断层的弹性模量对汶川地震震源处的库仑应力影响很小;震源处的库仑应力随着断层和周围地层的扩散系数增大而增大.当给定弹性模量和扩散系数代表性值的时候,计算结果表明在汶川地震发震时刻,震源处的库仑应力变化量为+1kPa左右,这表明紫坪铺水库使得汶川地震发震断层更加危险.是否这个量级的库仑应力就能够触发汶川地震还需要进一步探讨.通过分析库区周边小震的分布,发现小震分布区域均是库仑应力增加的地区,因此紫坪铺水库周边的小震应该与紫坪铺水库蓄水有直接关系.

龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟

本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系及其可能的成因机制.结果表明：（1）龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥（丛Ⅰ）、八茂（丛Ⅱ）、拉浪（丛Ⅲ）、坝首（丛Ⅳ）和布柳河（丛Ⅴ）5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中△CFS增加最明显的区域,而△CFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与△CFS的变化密切相关.（2）在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系一古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5~10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.（3）无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度ACFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.（4）各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛V地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.

紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用

位于川西地区龙门山断裂带附近的紫坪铺水库于2005年9月开始蓄水.约2.7年后,2008年5月12日,Mw7.9级汶川地震在龙门山断裂带上发生,两事件在时间和空间上的接近,揭示其可能相互关联,但前人的诸多研究给出了不同甚至是相反的结果.本研究基于完全耦合孔隙弹性理论,利用二维有限元模型（FEM）,模拟水库蓄水造成的区域孔隙压力场和应力场的演化过程,基于库仑应力演化探讨其对龙门山断裂带活动的影响.模拟结果显示紫坪铺水库蓄水打破了原来的区域孔隙压力平衡,形成孔隙压力梯度源,向周围地壳传播;进而造成龙门山断裂带上库仑应力正值范围不断扩大,由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础.震源区域库仑应力呈持续增长趋势,汶川地震发震前,增长了约数千帕-数十千帕,即使初期库仑应力为负,在未来某时刻库仑应力仍可能由负转正,并不断增大.通过计算汶川地震震源及其附近区域内相对于多种可能断层倾角的库仑应力,发现库仑应力随断层倾角增大而增加.因此整体来看,紫坪铺水库蓄水对龙门山断裂带起加载作用,有可能触发地震.对紫坪铺库区周围的小震分析也显示,蓄水以来小震明显增多、且不同时段小震发生密集区与水库距离逐渐增大,与孔隙压力扩散趋势一致.以上结果表明紫坪铺水库的蓄水增加了汶川地震的危险性.

砂岩孔隙弹性特性的试验研究

简述了Biot孔隙弹性理论和孔隙弹性参数 ,利用“不套封”加压试验、围压下的波速测量及“等质量变容变压”试验 ,分别测试了 4块砂岩的骨架材料体积模量、“排水”体积模量和不同压力下的癸烷模量 ;复合介质有效模量可用“等效介质理论”计算 ;Biot系数静态值大于其动态值 ,二者均与孔隙度有关 ,并随围压的增大而减小 ,建立了Biot系数的预测模型 ;岩石孔隙弹性特性在油气识别。

评“紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用”二维模拟的局限性

2014年10月《地球物理学报》出版的陶玮等（2014）“紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用”一文基于完全耦合孔隙弹性理论,采用二维有限单元法模拟了紫坪铺水库蓄水造成的库区应力场和孔隙压力场的变化.该文模拟计算原则和思路是正确的,但仍然采用二维模型是一个不足.真实三维模型中水库是有限的一定面积内的载荷;而二维计算模型,却把水库载荷作为无限长的带状载荷,夸大了水库的作用.如果考虑三维模型,该研究得到的震源处库仑应力增长2~25kPa的结论可能只能解读为0.7~8.0kPa.对于紫坪铺水库是否对汶川地震有触发作用,目前各个研究组估计的库仑应力变化恰好处在是否可以触发的边缘.取得进一步认识的关键有赖于对地下结构、状态和物性认识的突破性进展.

岩石的孔隙弹性研究

论述了在干燥和饱和两种情况下，岩石的有效体积模量于孔隙弹性模量的关系。孔隙弹性模量描述了孔隙对岩石等多孔材料的弹性性质的影响，利用其可导出在地震勘探和石油测井界应用很广的Ｇａｓｓａｍａｎｎ，该方程建立在线性弹性假设之上并仅限于低频范围。还阐述了有效压力的概念和计算方法。提出孔隙流体变化时岩石有效模量的计算，及利用孔隙弹性模量辨别储层中不同流体类型的计算方法。

有限矩形区域定流量点汇诱发孔隙弹性的解析解

采用量纲为一的Biot固结模型给出了有限矩形区域内定流量点汇诱发的孔隙弹性问题的一个解析解。假设多孔介质为不可压缩、各向同性、线弹性,且被单相流体所饱和,孔隙压力场符合封闭边界条件,在此基础上,利用傅里叶变换和拉普拉斯变换及反演方法获得了孔隙弹性问题的精确解,体现为双重无穷项级数和的封闭形式;并利用现有文献解析解对其进行了验证,二者的一致性证明了该解析解的正确性。对压力场解析解的分析表明,定流量点汇所诱发的压力场并没有稳态解,压力的变化特征主要取决于其对应的边界条件。该解析解适用于验证有限矩形区域孔隙弹性问题的数值算法和程序,对工程应用具有一定的参考价值。

各向异性地层井壁应力的孔隙弹性力学—化学耦合模型

针对各向异性地层任意倾斜角的井筒,建立井壁应力的孔隙弹性力学—化学耦合数学模型,并推导得到井壁应力分布的解析解.研究发现,该解可退化为文献已报道的横观各向同性情形的解析解,这在一定程度上验证了模型和解析解的正确性.基于该解析解开展算例研究.结果表明,井斜角、各向异性力学参数以及溶质扩散都会引起井壁应力的明显变化,进而对井壁稳定性造成较大影响.提出的模型具有通用性,能反映地层实际情况,可用于井壁稳定性分析,从而高效指导钻井设计和压裂设计.

井孔在非静水压力场中的孔隙弹性响应分析

饱和岩石表现为可压缩孔隙材料,遵循比奥定律。分析结果在拉普拉斯空间得出。此结果揭示了整个范围内孔隙弹性耦合结果,为研究井孔稳定性及岩石内部剪切破裂产生提供力学基础。

超深层碳酸盐岩储层孔隙弹性动力学起裂规律

深层碳酸盐岩储层天然裂缝发育,为保证井壁不被压裂而引发严重漏失,必须明确地层的起裂规律。采用孔隙弹性动力学方法,考虑钻进过程中井壁上的载荷变化和地层中的流体流动,得到井眼周围的应力场变化。与传统计算模型相比,模型考虑了应力场的时变特性、井壁载荷的传播、流固耦合以及流体和固体惯性的影响。以一组深层井参数为例,求解井周应力场,分析发现得到的井周应力分布与弹塑性力学规律相同;但随着井壁载荷以弹性波形式向地层内传播,孔隙弹性动力学得到的井周应力场随时间迅速变化,在无因次时间t=100 (2.87 ms)之后趋于稳定。分析了井壁对不同井底压力的起裂响应,发现当井底压力达到135 MPa,井壁在t=105 (3.01 ms)时起裂;弹性模量对井壁的起裂影响很小,泊松比对起裂的时间和范围有较大的影响,随着泊松比的增大,井壁对井底压力的起裂响应更加迅速,且起裂的区域范围增大。

孔隙压力对岩石孔隙弹性性质的影响:实验研究及其结果

孔隙压力对岩石弹性应变的影响,是进行储层压实、地面沉降问题等油藏工程及环境研究的基础。Biot系数是确定孔隙压力对岩石变形影响的一个重要参数。本文发表了对灰岩样品的Biot系数的测量以及测量值的解释。首先孔隙弹性研究中所用的系数定义为Biot系数,或Zimmerman提出的压缩系数。然后描述测量这些系数的实验仪器和方法。最后发表实验结果并对其进行讨论,这些结果证实了孔隙弹性的理论机制。按照形式上与Hashin—Shtrickman规律类似的规律,压缩系数和Biot系数随孔隙度增加而增加。对4.5％到23％的孔隙范围,Biot系数从0.34增大到0.83。

基于孔隙弹性理论探讨根据地下水观测资料求解Skempton系数B的方法

在孔隙弹性理论中,Skempton系数B是流体压强、应力、断层等的几何形态和密封性的函数,它反映了孔隙度和孔隙流体压缩系数的特性和含水层的封闭程度,是孔隙弹性理论中的重要参数。B值一般用于计算由地震引起的与孔隙弹性理论相关的应力变化,主要用于库仑破裂应力的计算。对于活动断层来说,B值与本征摩擦系数μ一样难以确定。本文在介绍并总结近几十年来B值的理论研究的同时,重点介绍基于孔隙弹性理论从地下流体观测资料中获取井孔原位条件下B值的方法、目前在获取方法上存在的争议及其在库仑破裂应力计算中的具体应用。

考虑局部渗流的Biot孔隙弹性模型改进

因井孔声场受储层渗透性影响,故声波测井可应用于储层渗透率评价。目前描述孔隙介质波动的经典Biot孔隙弹性模型明显低估了岩石中波的衰减。为解决这一问题并将声波测井应用于储层渗透率评价,在经典Biot模型基础上考虑局部渗流对声波衰减的影响,对经典Biot模型进行修正,将修正模型用于井孔声场模拟,分析利用声波测井数据反演地层渗透率的可行性。与实验数据对比表明,修正模型计算的声波衰减和频散比经典Biot模型可更好地解释实测结果。井孔声场模拟结果指出:在用单极子源声波测井数据进行渗透率反演时需要采用较低的声源频率,且需考虑地层局部渗流对井孔声波幅值的影响。

湿式离合器考虑纸基衬面孔隙弹性特性摩擦振动理论

本文提出考虑纸基摩擦材料界面间变形和其中造成润滑油流动的摩擦振动新理论,推荐了一摩擦振动模型,采用引入的粘性液体浸透多孔体,联合假定在切向和法向两个方向的振动导出一稳态准则,和实验相比较,确认所推荐的准则可预测该稳态极限比常规的更精确。它不考虑摩擦材料的变形,只与摩擦系数与滑动速度的斜率有关。基于本准则,讨论了材料特性摩擦振动对稳态的影响。

湿式离合器考虑纸基衬面孔隙弹性特性摩擦振动理论(二)

本文提出考虑纸基摩擦材料界面间变形和其中造成润滑油流动的摩擦振动新理论,推荐了一摩擦振动模型,采用引入的粘性液体浸透多孔体,联合假定在切向和法向两个方向的振动导出一稳态准则,和实验相比较,确认所推荐的准则可预测该稳态极限比常规的更精确。它不考虑摩擦材料的变形,只与摩擦系数与滑动速度的斜率有关。基于本准则,讨论了材料特性摩擦振动对稳态的影响。

新丰江水库地震孔隙弹性耦合有限元模拟

1962年新丰江水库Ms6.1级地震是公认的水库诱发地震,对该水库蓄水造成的库仑应力变化进行量化估算,有助于对多大量级的库仑应力可以触发水库地震的这一基础性科学问题的了解.从这一角度出发,建立了新丰江水库三维孔隙弹性耦合模型,应用有限单元法计算水库蓄水引起库区应力场、孔隙压力场、断层上库仑应力的动态变化响应和蓄水累积的应变能.数值模拟结果表明:新丰江水库蓄水引起库区和其周围断层上库仑应力增大0.7～3.0kPa,量值大小依赖于扩散系数;其中水体荷载部分引起的库仑应力变化小于0.5kPa,孔隙压力扩散占主导因素;新丰江水库蓄水引起地面最大垂直形变量为?17.5mm,与实测数据非常接近;水库蓄水累积应变能为7.3×1011J,小于Ms6.1地震波释放能量1%,表明地震释放的主要是构造应变能,水库蓄水仅起触发作用.

采用孔隙热弹性模型分析页岩井眼失稳规律

基于多孔介质连续力学,考虑各向异性页岩的热流固耦合作用,建立了各向异性多孔介质孔隙热弹性力学基本方程和页岩地层井眼稳定分析数学模型,采用MATLAB软件编制了数值求解程序,分析了流固耦合、热固耦合、热流固耦合三种不同耦合模式下井周孔隙压力、地层温度、应力分布和井眼稳定性随时间变化的特征。结果表明:数值解与解析解计算结果吻合较好(误差仅0.028%),实例井井眼扩径率计算结果与实际情况基本吻合,验证了本文模型和方法的正确性;温度和孔隙压力的改变对井周应力分布影响较大,地层温度降低、井内压力增加有利于井眼稳定,孔隙压力升高不利于井眼稳定;页岩地层井眼稳定性具有显著的时变效应,随着钻开地层时间的增加,井眼不稳定区域和井眼扩径率逐级变大。孔隙热弹性力学分析方法可用于分析不同时间的井眼失稳规律,可为解决页岩井眼失稳问题提供更加科学的计算手段和方法。

基于时间步长线性叠加法的孔隙—弹性介质水力裂缝扩展机理研究

时间步长线性叠加法(TLSM)已被广泛用于建模和分析多个竞争性水力裂缝在恒定内压载荷下的扩展过程。文章改进了TLSM方法,考虑储层孔隙弹性的影响,加入典型诊断性压裂试验(DFIT)的压力监测数据进行拟合,通过细化横向网格,在TLSM模型中使用真实的压裂试验数据来模拟多个动态裂缝的扩展,研究了随时间变化的压力和孔隙弹性对缝网发育的影响。研究结果表明,基于TLSM的模型可以量化和可视化裂缝发育随时间的压力变化,使用DFIT数据,可以有效地分析孔隙弹性介质地层,定量描述裂缝扩展过程中空间应力集中变化的动态可视化。该模型有助于现场施工过程压裂方案的调整,改善对缝网发育的控制。

基于孔隙粘弹性介质的AVO正演模拟及衰减分析

岩石的孔隙度、含流体饱和度、地层品质因子等参数是影响地震波振幅随偏移距变化(AVO)的重要因素。从孔隙介质的基本理论出发,在孔隙介质反射率法弹性波正演模拟的基础上,引入粘弹性介质模型,推导了孔隙粘弹性介质的频率-慢度域反射系数和透射系数表达式,建立了孔隙粘弹性介质反射率法正演模拟方法;采用反射率法求取了孔隙介质中快、慢纵波的反射系数和透射系数,分析了孔隙粘弹性介质的AVO特性和孔隙度、流体类型、品质因子等因素对AVO响应的影响。研究表明:通过慢度/角度转换,采用反射率法得到的反射系数和Zoeppritz方程精确解得出的反射系数基本吻合;气藏模型中的孔隙度和含水饱和度对储层顶、底的AVO特征都有影响,相比之下孔隙度的影响更大;由于粘弹性引起的振幅衰减只与介质本身的粘滞性有关,与顶、底界面的波阻抗差异无关;孔隙介质的参数和粘弹性参数都对AVO响应特征产生影响。

黏弹性流体饱和孔隙介质动力反应分析的显式有限元法

黏弹性流体饱和多孔介质模型比单相介质或者弹性饱和孔隙介质更接近实际的土层介质,应用该模型研究土层介质的动力响应更为合理。用数值方法研究了半空间黏弹性流体饱和孔隙介质的动力时域响应。根据Biot黏弹性流体饱和两相多孔介质波动方程,采用解耦技术,建立了以固相位移和流相位移为未知量的黏弹性流体饱和孔隙介质动力分析的一种显式有限元法。该方法克服了隐式方法需要求解联立方程组的缺点,具有节省计算机内存空间和计算时间的优点。与解析解比较表明,该算法具有较高的计算精度;最后以一维黏弹性流体饱和孔隙介质为例,分析了黏性系数对动力响应的影响。