三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式Ⅰ：理论

孔隙介质弹性波传播理论在地球物理勘探、地震工程和岩土动力学等领域有着广泛的应用.而孔隙介质中的弹性波受孔隙度、渗透率、流体黏滞系数等参数的影响,因此研究波场的传播特征将有助于分析和提取这些信息.本文在Biot理论的基础上,针对三维层状孔隙介质模型,利用在合成理论地震图的研究中已经被证实具有稳定、高效且适用范围较广的Luco-Apsel-Chen(LAC)广义反透射方法,给出了弹性波场的一种积分形式的半解析解,可通过数值方法高效、准确地计算层状孔隙介质中的理论波场,所以该积分形式的半解析解可为三维层状孔隙介质波场传播特征的理论数值模拟研究提供一种新的途径和手段.

三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式Ⅱ:正确性检验和数值模拟实验

基于前一篇文章中得到的关于三维层状孔隙介质中弹性波场的积分形式半解析解,本文通过离散波数法开展了数值模拟.将全空间均匀孔隙介质中单力点源和爆炸点源作用下弹性波场的解析解和我们的数值模拟结果进行对比,发现两者是完全一致的.而在一个两层半空间模型下的数值模拟,验证了固相位移Green函数的9组空间互易性情况.通过以上两种对比检验,验证了半解析解理论公式、数值模拟方法以及相应程序代码的正确性和可靠性.随后利用敏感度分析研究了不同的介质参数变化对爆炸点源在界面上会产生的反射波场的影响.通过垂直地震剖面模型的数值模拟,发现弹性波场能很好地反映孔隙介质物理性质的变化,同时也讨论了动力协调这一孔隙介质中的特殊现象.我们发展的基于半解析解的数值模拟方法可以为三维层状孔隙介质中弹性波传播特征的研究提供一种可供选择的有效工具和手段.

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

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,讨论了背景介质孔隙度和渗透率对纵波速度频散和逆品质因子的影响,理论研究及数值试验厘清了纵波在该类型介质中平行于层面方向入射传播时的地震响应特征及传播规律.

本征各向异性对地震波频散、衰减与频变各向异性的影响

层间波致流体流动是饱和流体孔隙层状介质中地震波频散、衰减与频变各向异性的重要机制,目前已提出较多模型对其进行定量表征.然而,现有模型忽略了层状介质中各层本身可具有的各向异性特征(即本征各向异性).对此,本文基于Biot孔弹性理论推导了由横向各向同性饱和流体孔隙地层组成的层状介质中地震波频散、衰减与频变各向异性的近似理论模型.同时,为验证理论模型,开展了数值模拟与理论模型的对比,两者吻合良好.利用理论模型,分析了4种情况(流体性质不同、骨架性质不同及两者之间的两种不同组合)下本征各向异性的影响.结果表明,对于气层与水层交互形成的层状介质,含水层的本征各向异性对地震波的频散、衰减与频变各向异性影响最大,而对于含高孔薄层的层状介质,背景基质本征各向异性与流体分布起主要影响.本文构建的模型简洁易用,在页岩或致密砂岩等具有明显层理特征的储层中应用前景广阔.