不同尺度裂缝对弹性波速度和各向异性影响的实验研究

裂缝广泛分布于地球介质中并且具有多尺度的特点,裂缝尺度对于油气勘探和开发有着重要的意义.本文制作了一组含不同长度裂缝的人工岩样,其中三块含裂缝岩样中的裂缝直径分别为2 mm、3 mm和4 mm,裂缝的厚度都约为0.06 mm,裂缝密度大致相同（分别为4.8%、4.86%和4.86%）.在岩样含水的条件下测试不同方向上的纵横波速度,实验结果表明,虽然三块裂缝岩样中的裂缝密度大致相同,但是含不同直径裂缝岩样的纵横波速度存在差异.在各个方向上,含数量众多的小尺度裂缝的岩样中纵横波速度都明显低于含少量的大尺度裂缝的岩样中纵横波速度.尤其是对纵波速度和SV波速度,在不同尺度裂缝岩样中的差异更明显.在含数量多的小尺度裂缝的岩样中纵波各向异性和横波各向异性最高,而含少量的大尺度的裂缝的岩样中的纵波各向异性和横波各向异性较低.实验测量结果与Hudson理论模型预测结果进行了对比分析,结果发现Hudson理论考虑到了裂缝尺度对纵波速度和纵波各向异性的影响,但是忽略了其对横波速度和横波各向异性的影响.

     

真三轴压缩岩样破裂过程中S波尾波波列振幅和卓越频率的变化

我们利用固体传压真三轴压机,50×50×200mm~3大理岩试件,600KC S波探头,分别观测了在等应力压缩和差应力压缩时S波尾波波列振幅和卓越频率衰减系数K和α的变化特征。结果表明:在等应力(σ_1=σ_2=σ_3)压缩时,随着压力的增加,波列振幅和卓越频率衰减系数K、α逐步增大。在差应力(σ_1>σ_2>σ_3)压缩至断裂时,σ_3和σ_2方向的K、α变化各异。当σ_1低于破裂应力σ_(1p)的20%时,两个方向的K、α都随着压力增加。当σ_1大于20%σ_(1p)而继续增加至50%时,K、α大体都保持平稳值,而当σ_1超过60%σ_(1p)时,σ_2方向的K逐步变大,α逐步减小。而σ_3方向的K、α则逐步减小。当出现前兆应力降后,σ_3方向的K、α都回升,接着主破裂来临。破裂后,σ_2方向的K、α增大,而σ_3方向的K、α则减小。同时,波列图清楚地表明,S波最大振幅的变化对K有着重要的影响。     

孔隙、裂隙介质弹性波理论的实验研究

近年来发展起来的“孔隙、裂隙介质弹性波理论”提高了人们对实际岩石声学性质的模拟和预测的能力.作为对这一理论的实验验证和重要应用,我们将它用来模拟和解释岩石超声实验中测得的干燥和饱和岩石弹性波速度随压力的变化曲线.理论模拟的重要参数,如岩石的裂隙密度等是从实验数据反演得到的.结果表明：无论是孔隙度较高的砂岩,还是孔隙度很小的致密岩石,如花岗岩,该理论都能很好地描述岩石在干燥和饱和状态下纵、横波速度随压力的变化.造成波速变化的原因是岩石中裂隙在压力作用下的闭合和裂隙密度的减少.本文的结果还指出了将岩石裂隙密度作为描述岩石的重要物性参数,并给出了从实验室超声测量中确定这一参数的方法.     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

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0.12 mm和3 mm.使用0.5 MHz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.

     

单裂缝岩石标本的弹性波频响特征初步分析

通过分析单裂缝岩石标本中弹性波到时分布、波震相转换和波振幅衰减等规律，进一步用波场及频谱量刻划介质横向不均匀性。Ｐ波震相遇裂缝端部后出现“之”字形波峰，分叉成折射Ｐ波、绕射Ｐ波，它的特征也依赖于发射源和接收点相对于裂缝的位置，当波以大角度斜跨裂缝和发射点在约裂缝半长度范围时波到时和振幅差别更大。对其研究有助于认识弹性波场在含断层结构中的复杂图象特征、在野外勘探中提高地震资料解释、断裂构造识别能力和提高弹性波在非完整岩石实验中的声发射定位等能力     

基于超声尾波的岩石介质波速变化实验研究

<正>1研究背景实验室岩石加卸载破裂实验是认识和理解地震孕育现象和机制的重要手段。为了揭示地震孕育发生的物理过程,众多学者在不同观测条件下开展了大量实验。除传统的应变、位移及声发射观测手段外,目前较为先进的方法是,基于岩石变形热红外观测系统以及数字图像互相关等技术观测介质的热场变化。但是,在野外地震观测中,可能无法使用上述观测手段对地下介质的应力状态和微小的应力变化进行高精度变化测量。可见,受严苛的观测条件所限,目前这些实验室观测手段尚难以应用于野外实际观测。     

裂缝诱导各向异性双孔隙介质波场传播特征

基于裂缝诱导各向异性和双相介质理论,对裂缝诱导的具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）双孔隙介质的本构关系进行了研究,与等效连续介质模型相结合,综合考虑裂缝系统和基质孔隙系统的两种孔隙度和两种渗透率参数,得到裂缝诱导HTI双孔隙介质的等效孔隙度和等效渗透率,进而得到介质的运动平衡方程;并进一步推导出介质的一阶速度-应力方程.采用交错网格高阶有限差分法对模型进行了数值模拟,结果揭示了介质中两套系统的存在对其波场传播特征的影响,为进一步研究实际地球介质的波场特征奠定了基础.     

不同温压条件下弹性波在岩石中传播速度的实验研究

对以岩浆岩为主的岩石类型进行了不同温压条件下弹性波传播速度的实验研究，结果表明：（１）岩石的物质组成是决定弹性波传播速度的主要因素。以岩浆岩为例，由酸性到基性波速呈增加趋势；（２）岩石中弹性波的传播速度随环境条件改变而变化。一般说来，随温压条件的升高而升高     

呼图壁气枪数据中面波振幅变化研究

利用新疆呼图壁气枪数据,在引入小波传播子方法测量到时延迟的基础上,进一步引入面波振幅作为监测地下介质变化的一个重要参数。结果表明:相对于到时的突跳,面波振幅能克服气枪源震源强度突变带来的测量不稳定;同时,通过面波到时延迟和振幅变化特征的模拟,发现面波振幅和到时延迟测量存在较好的正相关关系,且可以用介质速度变化所导致的聚焦和散焦效应来解释。面波振幅也可以作为较为稳定的参数来衡量地下介质的波速变化。     

基于临界孔隙度模型的地震波传播

基于岩石物里学中临界孔隙度模型,建立一种简洁的均匀弹性流体饱和孔隙介质模型,进行地震波传播研究.首先定义了构建目标模型的基本力学模型:介绍了全孔隙度区间内基本力学模型和目标孔隙介质的含义,其中基本力学模型除了完全弹性固体模型S和完全弹性流体模型F还包括临界孔隙模型C.然后通过等效力学模型推出了目标力学模型介质本构关系的组分表达形式.文中分别通过直接求取弹性参数的表达形式和运用应力应变关系两种方法得到介质模型的本构关系,进而得到该模型波动方程的组分表达形式.最后对这种介质模型进行了地震波传播的数值模拟,结合模拟结果分析孔隙对地震波传播的影响.     

基于地震横波分裂理论的火成岩裂缝检测

定向地下裂缝是低渗透率油气藏油气的储集空间和运移通道,对油气的开采有着重要的意义.本文基于横波分裂理论,提出了比值法叠后快、慢横波分离方法,通过分离后的快、慢横波的振幅差异和时间延迟可求取地下介质的裂缝走向方位和密度以及各向异性系数.该方法被应用到松辽盆地某气田对火成岩储层裂缝走向方位和密度进行了检测,检测结果与区域应力场和实钻数据具有较好的一致性.     

基于激发极化弛豫时间谱的浸染型海底多金属硫化物岩石物性评价方法

海底多金属硫化物主要分布于洋中脊,是极具潜力的新型战略资源,其中以浸染型最难识别,探索有效的勘探评价方法必要且紧迫.弛豫时间谱起源于石油勘探中的激发极化测井,在金属矿尤其是海底多金属硫化物中的研究明显不足.本文将本征半导体极化理论引入原本以薄膜极化理论为基础的传统弛豫时间谱中,提出了一种评价浸染型海底多金属硫化物岩石物性尤其是激发极化特性的新方法,并通过理论和岩石物理实验数据的分析对比来验证方法的有效性.结果表明,该方法能有效评价浸染型海底多金属硫化物岩石的激发极化特性,包括对岩石弛豫时间常数、极化率等常规物性的评价,以及岩石中不同极化源的识别,此外还可以确定岩石中金属硫化物的含量和粒径;根据岩石物理实验结果,将海底多金属硫化物岩石的弛豫时间谱分为四种典型类型,能够反映多种分布形态的金属硫化物共存时岩石的激发极化特性;断电延时是影响激发极化特性评价的重要因素,稍大的断电延时就会导致浸染型金属硫化物的激发极化效应被大幅低估.该方法对海底多金属硫化物的激发极化测井解释具有指导作用.

     

Research note: the effect of strain amplitude produced by ultrasonic waves on its velocity

The effect of the amplitude of ultrasonic waves propagating through a sample is not often taken into account in laboratory experiments. However, ultrasonic waves can produce relatively large strain inside the sample, and thus change the properties of the sample. To investigate the effect of strain amplitude on the P-wave velocity, a series of ultrasonic wave propagation experiments were carried out on three different media. All measurements were performed at 1 MHz central frequency and at the strain levels inside propagating waves of  ∼3.0 × 10⁻⁶ to 6.0 × 10⁻⁵ without applying confining pressure to the sample. Strains in the waves were measured by a laser Doppler interferometer upon wave arrival on a free surface of the sample. The ultrasonic velocities were measured by a pair of P-wave transducers located at the same measuring point as the laser beam of the LDI. The effect of strain on P-wave velocity varied for different material. The P-wave velocity was calculated using both a first arrival and a first maximum peak at different applied voltage. The P-wave velocity remained unchanged for a pure elastic medium (aluminium); however, the velocity increased continuously with the increasing of the strain for polymethylmethacrylate and Gosford sandstone. For Gosford sandstone, velocity increases up to 0.8% with strain increase from 7.0 × 10⁻⁶ to 2.0 × 10⁻⁵. This effect of velocity increase with the strain induced by an ultrasonic wave can be explained by the in-elasticity of both the polymethylmethacrylate and Gosford sandstone samples.     

Effect of fracture fill on frequency‐dependent anisotropy of fractured porous rocks

In fractured reservoirs, seismic wave velocity and amplitude depend on frequency and incidence angle. Frequency dependence is believed to be principally caused by the wave‐induced flow of pore fluid at the mesoscopic scale. In recent years, two particular phenomena, i.e., patchy saturation and flow between fractures and pores, have been identified as significant mechanisms of wave‐induced flow. However, these two phenomena are studied separately. Recently, a unified model has been proposed for a porous rock with a set of aligned fractures, with pores and fractures filled with two different fluids. Existing models treat waves propagating perpendicular to the fractures. In this paper, we extend the model to all propagation angles by assuming that the flow direction is perpendicular to the layering plane and is independent of the loading direction. We first consider the limiting cases through poroelastic Backus averaging, and then we obtain the five complex and frequency‐dependent stiffness values of the equivalent transversely isotropic medium as a function of the frequency. The numerical results show that, when the bulk modulus of the fracture‐filling fluid is relatively large, the dispersion and attenuation of P‐waves are mainly caused by fractures, and the values decrease as angles increase, almost vanishing when the incidence angle is 90° (propagation parallel to the fracture plane). While the bulk modulus of fluid in fractures is much smaller than that of matrix pores, the attenuation due to the “partial saturation” mechanism makes the fluid flow from pores into fractures, which is almost independent of the incidence angle.     

岩石临破裂前波速变化特征的实验研究

为了提高波速的测量精度以便能观测到岩石临破裂前波速的微小变化,采用了波形的数值化,波的叠加,波的互相关和DTE(Subsample delay time estimate)方法和cosine插值,使时间分辨率提高到0.001 μs,波速分辨率达到1 m/s.在较小的应力增量(0.17 MPa)下测量了波的延迟时间,进而得到速度随应力的变化规律.实验结果显示在0.98破裂强度时岩石波速最大,然后下降直到破裂,此期间的波速下降量约30m/s.同时对临破裂前波的主频能量进行了计算,其变化规律与波速相同,认为破裂前的有关变化与岩石膨胀有关.最后用涨落模型讨论了延迟时间的方差变化.