井筒声场研究回顾与展望

声波测井是测井学科的三大方法之一,在储层评价中起到了重要作用.随着陆上油气勘探目标趋向孔隙结构复杂、非均质性强的油气储集层,基于地层各向同性介质的测井理论显露弊端;因此研究复杂地质条件下的井筒声场分布特征、为储层解释和发展测井新方法提供理论依据成为必然.本文对井筒声场研究进行了回顾,并就当前井筒声场研究现状进行了总结,对其发展趋势和应用前景进行了分析.

弹性介质各向异性研究沿革、现状与问题

各向异性介质中地震波的传播研究是当今地震学研究领域中的前沿课题之一,同时也是地震学中难题之一.由于地下岩石的各向异性主要表现在:地震波速度随传播方向发生变化;不同类型体波间相互耦合;横渡发生分裂:面波速度频散依赖于传播方向等.薄互层与裂隙定向分布等产生视各向异性,放在石油地震勘探、地震预测和岩石层物理与动力学研究中有极大潜力和应用前景,并受到广泛重视.为此,本文较为详尽地讨论了弹性介质中地震波各向异性研究的沿革,简述了国内外现今取得的主要研究成果以及目前尚存在的和有待解决的一些主要问题.最后对我国在各向异性介质中地震波动、检测和应用等研究提出了一些看法.

双相各向异性研究、问题与应用前景

地球内部流体的存在和岩石各向异性是地下介质的两大表征 ,考虑地下流体和介质各向异性问题的双相各向异性理论是当今地震学和地球物理学理论与应用研究的前沿和难题之一 .孔隙流体的存在、固体和流体之间的相互作用会弱化或硬化岩石的力学属性 ,从而引起声波或弹性波速度的频散和振幅的衰减 ,并产生第二类压缩波 .裂缝或裂隙的定向分布、岩层的旋徊性沉积、应力场的定向排列 ,都会引起传播速度的各向异性、横波发生分裂等重要现象 ,这些特性在石油地震勘探、地震预测、岩石物理、动力学研究以及优化人类生存发展等方面具有重要意义和应用前景 .为此 ,本文讨论了双相各向异性理论研究对于解决地球科学问题中的重要性与必然性 ,介绍了当今双相各向异性研究的发展和主要成果 ,重点论述当前双相介质理论发展中的最新成果— BISQ模型 ,并就双相各向异性理论的应用前景、存在问题及某些观点进行了总结 .

非均匀介质弹性波动方程的不规则网格有限差分方法

从弹性波动方程出发,提出了一种新的空间不规则网格有限差分方法,并用于求解非均匀各向异性介质中的弹性波正演问题。这种方法简单易行,对于复杂几何结构,例如低速层、套管井和非平面界面等,在较细的不规则网格上进行离散,计算时间和占用内存更少。与多重网格差分方法相比,该方法不需要粗、细网格之间的插值,所有网格差分计算在同一次空间迭代中完成。具有复杂几何交界面的模型计算,包括地下透镜体、套管井眼等,在确定弹性常数和密度后,用不规则网格的差分方法更易实现。该方法使用了Higdon吸收边界条件解决人工边界反射问题,引入了新的稳定性条件和网格频散条件,很好地消除了非物理散射波。理论模型的数值计算表明,该方法具有良好的稳定性和计算精度,在模拟非均匀介质弹性波传播时,比相同精度的规则网格有限差分方法计算速度更快。该方法易于推广到非结构网格和三维问题中。

地球各向异性介质中地震波动理论、检测与应用研究

地下岩石的各向异性主要表现在地震波速度随传播方向发生变化，不同类型体波间相互耦合，横波发生分裂，波速度频散依赖于传播方向等。薄互层与裂隙定向分布等产生视各向异性，它在石油地震勘探、地震预测和岩石圈物理与动力学研究中有极大潜力和应用前景，并受到广泛重视。为此，文中讨论了地震各向异性研究在解决地球科学问题中的重要性与必要性；系统地介绍了中国在地震各向异性研究领域的各个方面，如波动传播、波场激发、数值模拟、偏移与反演成像，以及应用于油气资源探测、深部地球物理研究和地质灾害监测等方面所取得的新进展。结合笔者参加的第八届地震各向异性国际学术讨论会，及ＳＥＧ，ＩＡＳＰＥＩ，ＩＵＧＧ等有关学术会议情况，综述了国际上在该领域内的主要成果与发展动向，分析了国际上各国地震各向异性研究现状及存在问题，并对我国在该领域研究的进一步开展提供了主攻问题与相应建议。

波由单相弹性介质向横观各向同性液体饱和多孔介质传播时的反射与透射

研究了弹性波从单相各向同性弹性介质向双相各向异性液体饱和介质的传播问题 .基于Biot的孔隙介质理论 ,并考虑动态渗透率 ,对以任意角度、任意频率入射的弹性波 ,解析地导出了在界面上的透射角、透射波波速和衰减系数 ,给出了各波在界面上的能量分配 ,数值计算了反射、透射系数与入射角、孔隙度等的关系曲线 .

横向各向同性介质中弹性波模拟及波场特征研究

某些结晶或含有裂隙的介质表现出与弹性波传播有关的各向异性。这一性质可以用弹性波动理论建立的质点运动方程和应力应变本构方程（即广义虎克定律）来描述。本文利用傅里叶数值方法（即伪谱法）求解该方程来模拟各向异性介质中弹性议的传播。文中建立了一套模拟算法，研究了各向异性与各向同性介质中弹性波场的特征。发现在某种条件下各向异性介质中qS波波前会产生分叉的所谓三倍效应，并讨论了产生这一效应的约束条件。在裂隙引起的介质各向异性的模拟中，发现qSs型波指示裂隙充液与否可能比qP型波更有效。

Hudson理论中裂隙参数的适用性研究

介绍了Hudson裂缝介质模型;阐述了边界元法的基本原理;建立了纵波在裂缝介质中传播的边界元法数值模型;模拟了裂缝密度、裂缝纵横比和裂缝填充物对纵波的传播速度和衰减因子的影响;分析了Hudson理论中裂隙参数的有效取值范围以及可能带来的误差。模拟结果表明,边界元法可以很好地模拟含裂缝非均匀介质中波的传播问题,裂缝密度对纵波传播速度和衰减因子有一定的影响。在地震长波长情况下,相同特征尺度的圆形干裂缝比薄形干裂缝对弹性波的散射可以进行更有效的衰减;裂缝饱和充水后各向异性程度下降,且纵横比值越小,岩石介质性质对裂缝流体越敏感。

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型 ,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程 ,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件 .最后 ,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟 .结果表明 :有限元方法和吸收边界条件有效、可行 ,在理想相界条件下 ,不论是从固体位移 ,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波 ;在黏滞相界情况下 ,能否观察到慢速拟P波 ,与含流体地层介质的耗散性质有关。对实际含流体介质 ,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波 .

裂缝介质弹性波场数值模拟及波场特征

裂缝介质的数值模拟是研究裂缝介质中地震波传播特征及规律的主要手段。以各向异性介质的弹性波动方程为基础,推导出空间交错网格方法一阶导数的任意偶数阶精度差分格式,并利用此差分格式对裂缝介质进行了2.5D三分量正演模拟。模拟结果表明:受裂缝影响弹性波在裂缝介质中传播的波场是非常复杂的,除了存在反射P波、反射P-SV波,还存在横波分裂现象和沿裂缝介质传播的导波等;数值模拟的三分量的方位道集呈现出波场传播的时间和振幅与裂缝的方位存在很大的关联,其方位各向异性特征与实际资料的方位各向异性特征一致,可以指导今后的方位各向异性处理和裂缝预测。

用边界元数值模拟验证Hudson裂缝介质理论

裂缝介质各向异性的研究对于油气勘探与开发及地下工程建设均有重要意义。边界元法具有输入数据少、精度高等优点。本文依据Hudson裂缝介质模型,建立了纵波在裂缝介质中传播的边界元法数值模型,模拟了裂缝密度、裂缝纵横比以及裂缝填充物对纵波的传播速度和衰减因子的影响,探讨了波长与裂缝特征尺度的关系。结果显示,边界元法可以很好地模拟含裂缝非均匀介质中波的传播问题。波长和裂缝特征尺度的比值是等效介质理论能否成立的一个重要因素,裂缝饱和水后各向异性程度下降,裂缝密度对纵波传播速度及衰减因子有一定的影响。在地震长波长情况下,相同特征尺度的圆形干裂纹比薄的干裂纹对弹性波衰减更有效。

等效介质理论中裂缝密度的适用性研究

为了比较裂缝等效介质理论的预测精度,本文利用物理模拟的方法制作了一组9个裂隙密度模型,其中裂隙密度从0增大到12%,裂隙厚度和直径保持不变,分别为0.12mm和3mm.使用0.5MHz的纵横波换能器,采用脉冲透射法得到纵横波的速度和各向异性.然后,将基质的模量、裂缝填充物模量和裂缝参数代入等效介质理论中,计算出纵横波速度和各向异性随着裂隙密度的变化情况.通过纵横波速度的实测值与等效介质理论的定量对比,发现当裂隙密度小于12%时,Hudson理论和线性滑动理论对纵波速度的预测与实测值非常吻合.当裂隙密度小于8%时,Hudson理论和线性滑动理论对快横波速度的预测与实测值非常吻合.当裂隙密度小于9%时,各向异性自洽理论和NIA(非相互作用近似)理论对慢横波速度的预测与实测值非常吻合.通过纵横波速度各向异性实测值与理论计算值定量对比,发现当裂隙密度小于12%时,Hudson理论和线性滑动理论对纵波速度各向异性的预测与实测值更吻合;当裂隙密度小于6%时,各向异性自洽理论和NIA理论对横波速度各向异性的预测与实测值更吻合.

增材制造技术中的弹性各向异性影响因素

对弹性材料的各向异性为增材制造技术带来的挑战进行了报道。采用融合了PML全吸收边界的、适用于TTI介质的时域交错网格有限差分法,在弱各项异性的磷灰石(Thomsen参数ε=0.096 4,δ=0.585 0)和强各向异性的锌金属(Thomsen参数ε=0.830 6,δ=2.709 7)中分别开展弹性波传播实验。将对称轴完全/不完全一致的材料薄片拼接为同一大小的正四边形,作为对照组/实验组。在同一位置激发特定参数的点力源,观察波场空间分布与特定位置波形的差异。对照组中的qP波和qSV波均未受到介质分界面的影响,而在实验组中,分界面处发生了不同程度的反射和透射。在实验组,锌金属中传播的波场受分界面的影响相比磷灰石更为明显,且幅度较强的反射波和透射波在介质间不断往返、再生和相互叠加。对实验组和对照组接收波形的qSV波幅度比进行计算,磷灰石为0.465 0,小于锌金属的0.618 8;对介质旋转后和旋转前在同一分量上的qSV波传播速度比进行计算,磷灰石为0.812 3,小于锌金属的0.895 4,暗示着幅度的衰减程度与相邻介质的传播速度差异呈现正相关。各向异性介质的Thomsen参数大小,以及介质在各个方位的传播速度差异程度,是影响弹性波传播特性的两大核心因素,需在增材制造工艺设计中加以重视。