基于黏弹性Chapman-Kelvin模型的裂缝储层频变AVAZ反演研究

为了在地震资料和裂缝储层特征之间建立联系,对裂缝储层采用了等效介质模型.而传统的等效介质模型未充分考虑非完全弹性介质理论和基于频变各向异性理论的双相或多相流体假设,也不能对实际裂缝储层中的地震波频散和衰减现象提供准确合理的解释,并且储层参数的反演研究对裂缝储层的定性预测和定量描述举足轻重.为此,本文首先根据所提出的黏弹性Chapman-Kelvin动态等效介质模型,该模型考虑了耦合的双相流体假设、黏弹性理论、喷射流以及斑块效应,并在此基础上分析了裂缝储层参数(主要为裂缝密度、裂缝长度、孔隙度和含水饱和度)对地震波频变特征的影响.然后基于黏弹性Chapman-Kelvin模型与Schoenberg和Protazio概括的Zoeppritz方程所计算出的频变反射系数,分析了反射PP波和PS波的频变AVAZ(Amplitude Versus Angle and Azimuth)特性和PP波频变反射系数与裂缝储层参数的关系.同时考虑到发生地震频散时,反射系数和频率产生关系,构建了在角度、方位和时间域内的新型正演方程.最后,基于PP波频变反射系数对裂缝密度、裂缝长度、孔隙度和含水饱和度的变化有较好的敏感性特点,进行了两种反演方法研究:其一是基于贝叶斯理论直接反演方法,其中以对数绝对范数作为似然函数和高斯分布,即L2范数度量作为先验约束;其二是基于频变反射系数的MCMC(Markov Chain Monte Carlo)随机反演方法.通过频变AVAZ进行裂缝储层参数的反演研究,结果表明,MCMC随机反演方法在缺失先验的储层参数信息时,反演结果的不确定性较强.当存在有效且足够的先验信息时,反演结果的可靠性进一步提升.而基于贝叶斯理论直接反演方法,则显示出基于频变AVAZ来区别大尺度裂缝和微尺度裂隙的潜力.

基于多变量纳米线栅复合结构的可见光偏振调控

偏振调控技术能够直接满足偏光显微镜在可见光波段快速、高精度识别检测的需求,其关键是,在提高偏振消光比的同时,具有较高的光利用率。基于等效介质理论和谐振腔的共振增强机理,设计了一种多变量纳米线栅复合结构;采用时域有限差分方法,通过数值仿真,分析了纳米线栅各结构参数和偏振调控的变化关系,能够实现可见光波段宽角度入射、高透过率和高消光比的偏振快速调控功能;结合实验室现有条件,采用纳米压印技术进行样品制备和实验验证。实验和仿真结果表明:在入射角度±35°内,TM模偏振光的透射率和消光比分别高于60%和35 dB;并且在532 nm激光源垂直入射时,TM模偏振光的透射率和消光比与仿真结果误差范围为4%。与现有偏振显微镜设备中偏振器相比,所设计的纳米线栅偏振调控在保证高透过率的同时,消光比提升了1.5倍。

可见光宽入射角度金属偏振分束光栅的消光比特性研究

设计出一种工作在可见光波段宽入射角度范围具有高消光比的金属偏振分束光栅。采用等效介质理论对金属偏振分束光栅原理进行定性分析,利用严格耦合波理论和时域有限差分法对金属Al光栅进行数值仿真并详细分析了结构参数中周期、高度以及光波长和入射角度等参数对偏振特性的影响。结果表明:当Al光栅占空比为0.5,周期为0.15μm,光栅脊高度为0.15μm时,在0.4~0.7μm波段和45°±10°入射角范围内,该金属偏振光栅对TM波高透射,对TE波高反射,光栅透射消光比平均35 dB,反射消光比平均12 dB,最后对制作的金属偏振光栅进行消光比测量,验证了设计结果的正确性。该研究结果对设计和制备高衍射效率、高消光比、宽波段宽入射角度范围的偏振分束器具有较好的实践指导价值。

隧道下穿施工引起既有隧道及地层变形预测的改进随机介质理论模型

新建隧道下穿既有隧道施工时,由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响,地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛,基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系,对传统随机介质理论进行了简化和改进;应用隧道衬砌抗弯刚度等效及当层法,对非均质地层和既有隧道进行了等效处理,提出了隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测模型,结合相关典型工程验证了该理论模型的准确性。结果表明:与传统随机介质理论相比,预测模型对既有隧道及地层的变形预测曲线均呈“宽而浅”的特点,与数值计算及现场实测结果的关联度更大,具有更高的合理性和准确性,为隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测提供了理论依据。

透射型声超表面斗篷的设计

利用2种超表面(相位调控超表面和近零折射率超表面),构建了一种透射型声超表面斗篷.首先,设计了一种具有迷宫结构的近零折射率超表面,该超表面具有近零折射特性,能够使声波绕过障碍物,并沿原入射方向传播;其次,在近零折射率超表面外层基于亥姆霍兹共振结构设计了一种相位调控超表面,该超表面可以通过改变内部空腔长度来实现相位变化,既能调节声波相位,又能保持高透射率,确保声波有效通过.仿真计算结果显示,透射型声超表面斗篷在4960 Hz频率下能有效隐藏方形物体.

基于等效介质理论的页岩声波数值模拟方法研究

声波数值模拟对于页岩各向异性特征研究及大斜度井页岩声波校正研究均有着十分重要的意义。为了研究页岩声波各向异性特征,基于等效介质理论构建了由泥质层、砂质层组成的页岩等效模型,从弹性理论出发,推导出等效页岩模型刚度系数、声波波速计算方法,分析了纹层弹性参数、纹层厚度、纹层角度、纹层密度等对等效页岩模型刚度系数和弹性波速的影响。研究表明:泥质层与砂质层厚度比会影响等效介质刚度系数;等效页岩模型刚度系数值随弹性参数比的增加而增加;泥质层的拉梅系数会影响纵波波速与纹层角度关系、横波波速极值,对SH波没有影响;声波波速随泥质层的剪切模量或弹性参数比的增加逐渐增加,且剪切模量对3种波速与纹层角度的关系均有较大影响;纹层密度一定时,随着纹层角度增加,纵波波速逐渐降低并趋于稳定,横波波速先增加后降低,SH波速逐渐降低;纹层角度一定时,3种波速均随纹层密度的增加逐渐降低。研究结果对页岩声波数值模拟方法及声波测井校正方法具有指导意义。

用于表面增透的二元光学结构模拟

采用退火算法,以台阶模型作为基础,在纯石英玻璃基底上,以光线入射角度0°~70°,波长0.3~1.2μm范围内的s光与p光最小反射率作为优化目标,对单层、4层和6层二维台阶表面结构中的各层厚度和等效折射率进行了优化,得到优化后的各层等效折射率和物理厚度,以二阶等效介质理论为基础计算各层的占空比,得到了由多层台阶组成的表面微结构。同时,分别采用传递矩阵方法和严格耦合波理论计算单层、4层和6层二维表面台阶微结构的表面反射率,对比了二阶等效介质理论和严格耦合波理论方法计算得到的表面反射曲线。使用这一方法设计的多台阶二元光学表面结构具备宽光谱大角度薄膜增透效果,对模拟设计并制备最优性能的表面增透微结构具有指导意义。

缝洞型碳酸盐岩油藏介质理论

岩心测试结果表明，塔河缝洞型碳酸盐岩油藏基岩块中微裂缝发育，在长度约5am的岩心中明显可见微裂缝约5～20条，微裂缝交替成网络状分布，但充填程度较高。74％的岩心渗透率低于0．1×10^-3μm。26％的岩心渗透率分布在0．1×10^-3～5×10^-3μm^2之间，孔隙度分布在1％。2％范围内。CT显示基岩块中微裂缝发育，薄片资料显示在岩心内部存在极少数粒间孔、溶蚀孔。NMR测试平均可动流体饱和度为30．17％，可动流体主要存在于微裂缝之中。岩块的渗储能力主要由基岩块中的微裂缝贡献。基于对储层的认识，微裂缝发育的塔河碳酸盐岩油藏基岩块可以视为一种微裂缝为储渗空间的等效连续介质。以该等效连续介质为基础，可与主裂缝系统构成双重介质模型，或与主裂缝、溶洞系统构成复杂介质模型。

地震各向异性——多组裂隙对横波偏振的影响

通过对多分量地震资料的分析,我们发现随着频率的增加横波分裂时差减小.对于深部接收的VSP数据来说快横波的偏振方向保持不变,而对于浅层接收的VSP数据来说偏振方向却存在一个最大可以达到20°的旋转.尽管多尺度随机分布微裂隙岩石物理模型已经成功地模拟并解释了横波分裂时差随频率变化的现象,却不能解释与频率相关的横波分裂.据推测,如果微裂隙的排列方向和大裂隙的排列方向不同,利用低频信息获得的偏振方向将指示裂隙主方向,而利用高频信息获得的偏振方向则指示微裂隙方向.在背景多孔隙介质中存在多组裂隙的情况下,推导出垂直入射条件下横波偏振方向的解析式,给出了系统研究横波在介质中传播的方法.研究结果表明,横波偏振方向会随着频率的变化而变化,并且在入射方位、角度一定的条件下,是裂隙方位和密度的函数,这些认识可能有助于揭示观测到的、依赖频率变化的横波偏振现象.

具有离散裂缝空间分布的二维固体中地震波传播的有限差分模拟

结合有限差分方法和等效介质理论,模拟了离散分布裂缝介质中地震波的传播.基于等效介质理论,利用二维有限差分实现封闭裂缝的离散分布;裂缝可以处理成固体岩石中的高度柔性界面,并可以用线性滑动或者位移间断模型进行裂缝的物理描述.对于含有多组裂隙的破裂固体,其有效柔度可以认为是固体骨架背景柔度和裂缝附加柔度之和.在一阶近似条件下,固体骨架和裂缝参数可以通过有效各向异性系数联系起来,有效各向异性系数决定了各向异性(裂缝效应)对于地震波传播的影响.通过与射线理论方法的对比检验,说明本文提出的模拟方法的有效性,并通过几个数值算例说明本方法可有效模拟不同的裂缝分布效应.结果表明,即使在裂缝密度很小的情况下,具有相同裂缝密度的不同的空间分布可以产生不同的波场特征.同时,也验证了不同裂缝尺度对波长的不同影响,以及裂缝尺度具有幂率分布(分形)时,尺度对波场的影响.最后得出结论:在运用建立在等效介质理论基础上的地震各向异性概念来描述裂缝固体的特征时,要倍加小心,等效介质理论中尚未合理处理的裂缝尺度和空间分布对波的传播特征具有重要的影响.

基于Gassmann方程的鲕滩储层流体替换模拟技术及其应用

基于单井资料的储层地震响应模拟和流体识别大多采用褶积模型,但对于复杂地质模型,采用褶积模型模拟的波场动力学特征不明显。提出了基于Gassmann方程的流体替换波动方程模拟技术,从波动方程角度刻画了复杂鲕滩储层模型的地震响应。该方法利用Gassmann等效介质理论,对鲕滩储层实现由干岩石到有效孔隙饱和岩石的替换,由已知预测未知;之后通过建立鲕滩薄互层模型和薄互层楔形体模型,正演模拟了鲕滩储层含气后的地震响应,地震响应表现为"亮点"特征。

Mo-Al_2O_3金属陶瓷颗粒膜的光学常数研究

采用磁控溅射技术在不锈钢片上沉积了Mo-Al2O3金属陶瓷混合膜,将Maxwell-Garnett等效媒质理论应用于Mo-Al2O3颗粒膜的光学常数分析,分别以Mo和Al2O3的块体材料和溅射薄膜的光学常数为基础,理论计算了不同金属填充因子金属陶瓷颗粒膜在300nm～800nm波段范围内的光学常数n,k随波长λ的变化规律,同时对理论计算结果与实验测试结果之间存在的差异及其产生的原因进行了讨论。

基于微偏振片阵列的偏振成像技术研究

基于微偏振片阵列(MPA)的偏振成像设备在体积、重量、功耗等方面的优势,极大促进了偏振成像的应用领域。但目前对于MPA光栅参数设计、单元排布模式以及偏振特征解算等方面的研究均存在严重不足,影响了准确偏振特征的获取。针对这些问题,文中利用光栅衍射和等效介质理论进行MPA光栅参数设计,并提出MPA在频域内的联合编解码设计方法,以期MPA单元排布与偏振特征解算达到综合最优。仿真结果表明,MPA编解码设计方式的选择将会对偏振信息的获取性能产生较大影响。

基于亚波长偏振光栅的偏振光分束器设计

利用琼斯矩阵和矢量傅里叶系数方法分析了二元亚波长偏振光栅的偏振特性和衍射效率,并给出了相应的数学解析式.研究发现,通过入射光的偏振可以控制不同衍射输出级的偏振态,且0级输入偏振态与输出偏振态始终相同,而其它级次除线偏光外都与入射偏振态相反.当二元亚波长偏振光栅的位相延迟分别设置为0.62π和π时,可以将二元亚波长偏振光栅设计为1→3或1→2的偏振光分束器,且分束器具有衍射效率高、宽带宽、对入射角的变化不甚敏感的特点.

多分量油气地震勘探技术急需解决的几个问题

首先简单回顾了地震各向异性理论与多分量地震勘探技术的国内外发展现状,然后针对石油工业领域需求,重点讨论了裂缝各向异性等效介质理论应用存在的问题。对于页岩、煤层等强各向异性介质,需要突破Thomsen理论的弱各向异性假设;对于多组多尺度裂缝型储层,需要从单斜介质模型的角度进一步丰富、发展现有的等效介质理论;而对于中国广泛分布的陆相薄互层储层,宽方位P波各向异性分析与S波分裂分析需要在正交各向异性介质的框架下重新认识波场特征,并厘定各向异性异常的影响因素。同时分析了多分量地震数据处理、解释分析中存在的不足,主要问题在于油气勘探开发的高精度要求与多分量地震数据处理技术不够完善所产生的不匹配。最后,提出了一些值得攻关研究的方向,重点在于现有的多分量地震数据处理需要进一步发展保矢量和动力学特征的方法技术,包括多分量的高维插值波场重建技术、宽方位OVT叠加技术、深海OBS/OBN稀疏采样成像技术以及大起伏海底条件下的PS波深度域偏移成像技术等。

基于有效介质与等效岩石元素理论的特低渗透率储层饱和度模型

清水洼陷沙三段储层属于特低渗透率储层,具有含泥质、微孔隙发育、束缚水饱和度较高、孔隙结构复杂的特征。建立该区块饱和度模型时应考虑这些因素对岩石导电性的影响。将含泥特低渗透储层等效成孔隙大小和形状及所含流体性质和含量不变的纯岩石,利用等效岩石元素理论描述孔腔和喉道比对岩石导电性的影响,利用有效介质对称导电理论描述孔隙结构对岩石导电性的影响,分别建立等效纯岩石的导电方程,并联立求解得出等效混合流体介质电导率表达式;再利用有效介质对称导电理论描述泥质附加导电对岩石导电性的影响,将求得的等效混合流体介质电导率代入该方程中,从而建立基于等效岩石元素理论和有效介质对称导电理论的含泥特低渗透储层导电模型。利用清水洼陷沙三段储层的岩电实验测量数据对该模型进行精度分析,测量岩样电导率值与计算电导率值平均相对误差很小,说明提出的模型能很好地描述特低渗透储层岩石的导电规律。利用建立的模型及确定的模型参数值处理了清水洼陷沙三段储层实际井资料,结果表明,所建立的模型适用于清水洼陷沙三段特低渗透泥质砂岩储层评价。

基于均匀化理论的页岩基质流固耦合尺度升级

页岩基质通常由微尺度的有机质和无机质组成,由于这两种介质的力学性质差异较大,且气体在两者中的赋存方式和流动机制均不相同,要准确刻画气体在页岩基质中的流固耦合过程,需针对两种介质建立不同的微尺度模型,但由于计算效率问题,微尺度模型无法直接用于宏观模拟。基于均匀化理论建立一种页岩基质流固耦合尺度升级方法,将微尺度上有机质和无机质各自特征有效地表征到宏观模拟中。首先,将页岩基质看成是由有机质和无机质组成的非均质多孔弹性介质,考虑真实气体在这两种介质中不同的赋存方式和流动机制,建立微尺度流固耦合模型;然后,采用均匀化理论进行尺度升级,推导得到页岩基质的宏观等效流固耦合模型,并给出相关等效参数的定义和计算方式;最后,通过数值算例验证方法的正确性,并分析有机质力学性质、体积分数和分布对页岩气藏宏观流固耦合数值模拟的影响。结果表明有机质弹性模量越小、无机质连通性越好,累积产气量越高,而有机质体积分数越高,早期的累积产气量越低,后期的累积产气量越高。

声学超材料减振降噪技术在载人航天工程中的应用研究

为解决传统减振降噪材料对飞行器在轨运行段低频段的噪声和振动控制效果不佳问题,研发突破传统材料属性限制的新材料,使声学超材料具有轻质、隔声、减振、负折射率等特性。综述了近年来声学超材料研究进展,分析了基于声学超材的减振降噪技术的理论基础、研究内容和实际应用,为声学超材料在载人航天工程领域中的减振降噪应用提供参考。

声波速度测量的频率和尺度效应分析

系统分析、综述了影响声波速度测量的因素及规律。简单介绍了频散度、频散公式及误差的计算方法。结合岩心砂泥岩频散特性实验结果分析了岩心在饱水及干燥状态下声频散的特点。分析了声波频率影响传播速度的机理,给出了不同温度不同压力条件下声波速度随频率变化关系的实例。从射线理论、等效介质理论的分析入手,详细介绍了不同观测尺度对声波速度测量产生的影响,并给出了理论计算及实验观测结果。

侧向YIG/YAG超晶格表面极化子与体连续模式的研究

在Voigt位型下利用等效磁导率张量及Maxwell方程组计算了推迟模式下半无限超晶格自旋波谱的色散方程及体连续方程,并以YIG/YAG超晶格为例进行数值计算,着重分析该超晶格的表面模式和体模式,通过改变构成超晶格的两种层的厚度的比值、外场时,可以调节两支表面模式的频率以及体模式的频带和禁带,这种调节作用是与两种层的饱和磁化值和旋磁比密切相关的。